KR102279069B1 - 일 방향의 주름 구조를 갖는 투명 신축 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

전술한 바와 같은 과제를 실현하기 위한 본 개시의 다양한 실시예에 따른 투명 신축 구조체가 개시된다. 상기 투명 신축 구조체는, 탄성력을 가진 소재로 구성된 투명 모재 및 상기 모재의 적어도 일면에 부착되고 투명 소재로 구성된 보강재를 포함할 수 있다.

Description

일 방향의 주름 구조를 갖는 투명 신축 구조체 및 그 제조 방법{ONE DIRECTION WRINKLE STRUCTURE TRANSPARENT STRETCHABLE SUBSTRATE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 개시는 신축성을 가진 기판소재에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 0에 가까운 포아송 비를 가지는 탄성 기판을 생성함으로써, 해당 기판이 하나의 축을 기준으로 연신 시, 다른 하나의 축에 관련한 변형률의 제어가 가능한 신축성 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근들어 단단한 기판 상에 전극을 형성한 전도성 소자에서 벗어나, 유연한 기판 상에 전극을 형성한 신축성 전자 소자에 관한 연구 개발이 활발해지고 있다. 신축성 전자 소자는 외부 응력에 대해 자유롭게 늘어날 수 있는 기판 상에 제작된 전자 소자로 기계적 변형이나, 외력이 가해지더라도 소자의 전기적/물리적 특성을 유지하는 차세대 전자 소자이다. 이러한 신축성 전자 소자는, 플렉서블 장치, 웨어러블 장치 등에 적용될 수 있으며, 나아가 표시 또는 인체 내에 부착되는 센서, 전극 등으로 활용될 수 있다.

신축성 전자 소자가 가장 널리 활용될 수 있는 분야로는, 신축성 디스플레이, 신축성 태양 전지, 신축성 에너지 저장/발전 소자 등이 있으며, 유연 디스플레이의 뒤를 잇는 차세대 기술로의 가능성을 보여주고 있다. 또한, 신축성 전자 소자는, 뛰어난 기계적 가변성으로 인해 디자인 자유도를 높여줄 뿐 아니라 외력에 의한 기계적 안정성까지 확보할 수 있어, 웨어러블 소자, 전자 피부, 스마트폰, 의료기기, 헬스케어 모니터링 시스템, 국방, 항공 우주 산업 등으로 시장이 확장되고 있는 추세이다.

구체적인 예를 들어, 디스플레이 분야에 관련하여 고정된 평면/곡선형 디스플레이부터 단일 방향으로 접히거나 말리는 등 플렉서블(flexible), 폴더블(foldable), 롤러블(rollable) 형태로 변형 자유도의 증가 방향으로 발전하고 있다. 최근에는 전자기기 스마트화가 일어나고 공간의 이동성이 강조되면서, 고정형 디스플레이에서 벗어나 다양한 조건에서 다차원 축 방향으로 변형되고 자유롭게 사용할 수 있는 신축성 디스플레이 개발이 요구되고 있다.

전술한 바와 같이, 신축성 디스플레이 분야에 관련한 기술의 발전으로 기존의 방식을 뛰어넘는 새로운 디지털 인터페이스의 구현이 가능해질 것으로 예상되고 있다. 다만, 신축성 디스플레이는, 기존의 플렉서블, 폴더블, 롤러불 디스플레이와 달리 고정된 변형 축이나 방향이 없기 때문에, 변형 시에 왜곡 현상이 이슈로 대두되고 있다.

이에 따라, 낮은 응력 하에서도 디스플레이의 왜곡 없이 자유롭게 변형될 수 있는 기판, 저저항, 고유연, 고안정 신축성 전극 기술 개발이 필요할 수 있다. 즉, 당 업계에는 안정적인 기계적 변형률 뿐만 아니라, 왜곡 현상을 저감시키며, 고투과도의 신축성 기판에 대한 수요가 존재할 수 있다.

등록특허공보 제10-1749861호(2017.06.15)

본 개시가 해결하고자 하는 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 0에 가까운 포아송 비를 가지는 탄성 구조체를 생성함으로써, 해당 구조체가 하나의 축을 기준으로 연신되는 경우, 다른 하나의 축에 관련한 변형률의 제어가 가능한 신축성 구조체 및 그 제조방법을 제공하기 위함이다.

본 개시가 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 개시의 다양한 실시예에 따른 투명 신축 구조체가 개시된다. 상기 투명 신축 구조체는, 탄성력을 가진 소재로 구성된 투명 모재 및 상기 모재의 적어도 일면에 부착되고 투명 소재로 구성된 보강재를 포함할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 상기 보강재는, 상기 모재가 일 축 방향으로 늘어난 상태에서 부착되는 것을 특징으로 할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 상기 투명 신축 구조체는, 상기 투명 신축 구조체는, 상기 모재 및 상기 보강재 사이에 구비되며 열경화성 투명 모재 또는 투명 폴리이소부틸렌 중 적어도 하나로 구성되는 투명 신축 접착제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는

대안적인 실시예에서, 상기 모재와 결합된 상기 보강재는, 사전 결정된 주기를 갖는 사인파 또는 아코디언 형상의 일방향 주름 구조를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 사전 결정된 주기는, 1㎛ 내지 10mm 범위 이내로 형성될 수 있다.

대안적인 실시예에서, 상기 보강재는, 제 1 강성(stiffness)을 가지며, 상기 주름 구조를 포함하는 상기 보강재는, 주름의 수직 방향으로는 제 1 강성을, 주름 방향으로는 제 2 강성을 가지는 것을 특징으로 하며, 상기 제 1 강성과 상기 제 2 강성은 상이할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 상기 제 1 강성은 상기 모재의 강성과 상기 제 2 강성의 합보다 적어도 10배 이상인 것을 특징으로 하며, 상기 투명 신축 구조체의 포아송 비는, 0.07 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 상기 모재는, 10㎛ 내지 1mm 범위의 두께를 가지며, 0.01Mpa 내지 100Mpa 범위의 모듈러스(modulus)를 통해 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 상기 보강재는, 100nm 내지 500㎛ 범위의 두께를 가지며, 1Mpa 내지 1000Gpa 범위의 모듈러스를 통해 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 상기 모재는, 상기 보강재와의 굴절률을 매칭시키는 투명 첨가제를 포함하며, 상기 투명 첨가제는, 3nm 내지 100nm 크기의 나노 입자 형상을 통해 구성되며, 산화지르코늄(ZrO2), 이산화 타이타늄(TiO2) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 모재의 제작 과정에서 상기 모재에 첨가되는 것을 특징으로 할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 상기 보강재의 상부측에 탄성력을 가진 소재를 통해 구비되는 표면재를 더 포함할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 상기 보강재는, 유리 섬유(glass fiber) 매트 층 또는 투명 고분자 필름을 포함할 수 있다.

본 개시의 다양한 실시예에 따른 투명 신축 구조체의 제조 방법이 개시된다. 상기 방법은, 탄성력을 가진 모재를 하나의 축 방향으로 인장시키는 단계 및 상기 인장된 모재의 일면에 투명 소재의 보강재를 접착시키는 단계를 포함할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 상기 모재를 생성하는 단계를 더 포함하며, 상기 모재를 생성하는 단계는, 액체 상태의 모재에 투명 첨가제를 첨가하는 단계, 고정판에 상기 액체 상태의 모재를 공급하는 단계, 상기 액체 상태의 모재에 대한 경화를 수행하는 단계 및 상기 고정판을 분리시키는 단계를 포함하고, 상기 투명 첨가제는, 3nm 내지 100nm 크기의 나노 입자 형상을 통해 구성되며, 산화지르코늄(ZrO2), 이산화 타이타늄(TiO2) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 상기 인장된 모재의 일면에 투명 소재의 보강재를 접착시키는 단계는, 상기 인장된 모재의 일면에 투명 신축 접착제를 도포하는 단계 및 상기 접착제가 도포된 일면에 상기 보강재를 부착시키는 단계를 포함하며, 상기 투명 신축 접착제는, 열경화성 폴리우레탄(polyurethane) 및 폴리이소부틸렌(polyisobutene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 상기 모재와 결합된 상기 보강재는, 사전 결정된 주기를 갖는 사인파 또는 아코디언 형태 주름 구조를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 상기 보강재의 상부측에 탄성력을 가진 소재를 공급하며 표면층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 상기 보강재는, 제 1 보강재 및 제 2 보강재를 포함하며, 상기 인장된 모재에 투명 소재의 보강재를 접착시키는 단계는, 상기 인장된 모재의 일면에 상기 제 1 보강재를 접착시키는 단계 및 상기 인장된 모재의 상기 일면과 마주보는 다른 일면에 상기 제 2 보강재를 접착시키는 단계를 포함할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 상기 모재는, 제 1 모재 및 제 2 모재를 포함하며, 상기 인장된 모재에 투명 소재의 보강재를 접착시키는 단계는, 상기 제 1 모재 및 상기 제 2 모재를 동일한 축 방향을 기준으로 인장시키는 단계 및 상기 인장된 제 1 모재의 하면과 및 상기 인장된 제 2 모재의 상면 사이에 상기 보강재를 접착시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 개시의 다른 실시예에 따른 투명 신축 구조체의 제조 방법이 개시된다. 상기 방법은, 표면에 주름 구조를 포함하는 모재를 제작하는 단계 및 상기 모재의 주름진 일면에 투명 소재의 보강재를 접착시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 개시의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 개시의 다양한 실시예에 따르면, 본 개시는 다양한 조건에서 다차원 축 방향으로 변형되어 자유롭게 사용할 수 있는 투명 신축 구조체를 제공할 수 있다. 또한, 안정적인 기계적 변형률 뿐만 아니라, 고투과도를 가진 신축성 구조체를 제공할 수 있다. 추가적으로, 제조 공정의 최적화를 통해 제조 속도 향상 및 대면적화를 유도하여 신축성 구조체의 양산성을 향상시킬 수 있다.

본 개시의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

다양한 양상들이 이제 도면들을 참조로 기재되며, 여기서 유사한 참조 번호들은 총괄적으로 유사한 구성요소들을 지칭하는데 이용된다. 이하의 실시예에서, 설명 목적을 위해, 다수의 특정 세부사항들이 하나 이상의 양상들의 총체적 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 그러한 양상(들)이 이러한 구체적인 세부사항들 없이 실시될 수 있음은 명백할 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예와 관련된 투명 신축 구조체를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예와 관련된 다양한 형상을 통해 구비됨에 따라 0에 가까운 포아송 비를 가지는 오그제틱 구조체에 대한 예시도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예와 관련된 투명 신축 구조체의 제조 방법을 예시적으로 나타낸 순서도를 도시한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예와 관련된 보강재에 대한 예시도를 도시한다.
도 5는 본 개시의 일 실시예와 관련된 투명 신축 구조체를 측면에서 바라본 예시도를 도시한다.
도 6은 본 개시의 일 실시예와 관련된 보강재의 두께 및 주기 변화에 따른 포아송 비에 관련한 실험값을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예와 관련된 투명 신축 구조체의 다양한 구조 형태를 나타낸 예시도를 도시한다.

다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 감지될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다. 구체적으로, 본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술되는 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않을 수도 있다.

이하, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않는다.

비록 제 1, 제 2 등이 다양한 소자나 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자나 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자나 구성요소를 다른 소자나 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 소자나 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제 2 소자나 구성요소 일 수도 있음은 물론이다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는 A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나 이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 달리 특정되지 않거나 단수 형태를 지시하는 것으로 문맥상 명확하지 않은 경우에, 본 명세서와 청구범위에서 단수는 일반적으로 "하나 또는 그 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.

어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어”있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

이하의 설명에서 사용되는 구성 요소에 대한 접미사 “모듈” 및 “부”는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

구성 요소(elements) 또는 층이 다른 구성 요소 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 구성 요소 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 구성 요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 구성 요소가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 구성 요소 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소 또는 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.

예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성 요소를 뒤집을 경우, 다른 구성 요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성 요소는 다른 구성 요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성 요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

본 개시의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 개시를 설명하는데 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 개시에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.

그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 개시의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 개시의 일 실시예와 관련된 투명 신축 구조체를 나타내는 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 탄성력을 가진 소재로 구성된 모재(120) 및 모재(120)의 적어도 일면에 부착되며 투명 소재로 구성되고 그리고, 일 방향의 주름 구조를 갖도록 형성되는 보강재(110)를 포함할 수 있다. 이러한 투명 신축 구조체(100)는 0에 가까운 포아송 비를 가질 수 있다. 투명 신축 구조체(100)는 일 방향의 주름 구조를 갖도록 구비되는 보강재(110)와 해당 보강재(110)의 일면에 접착 고정되는 모재(120)를 통해 0에 가까운 포아송 비를 갖도록 구비될 수 있다.

여기서, 포아송 비란, 재료에 인장력이 작용하여 특정 방향으로 인장되는 가로 방향의 변형도와 세로 방향의 변형도 사이의 비율을 의미할 수 있다. 대부분의 재료들은 단축으로 인장력을 가하는 경우, 재료의 인장 방향과 측면 방향 변형률의 부호가 서로 다르므로 양의 포아송 비를 갖는다.

구체적인 예를 들어, 일반적인 구조의 재료는, 횡방향의 응력이 가해지면, 해당 방향으로 신장함과 동시에 부피를 유지하기 위해 종방향으로의 수축이 발생한다. 즉, 재료 내부에 생기는 수직 응력에 의한 종방향의 변형과 횡방향의 변형 간의 포아송 비가 양수일 수 있다. 이러한 포아송 비는 원래 소재 고유의 특성이지만, 소재가 특정 형상 또는 특정 배치 특성을 갖도록 형성되는 경우, 연신 방향의 수직 방향에 대한 변형률의 제어가 가능할 수 있다.

본 개시의 투명 신축 구조체(100)는, 횡방향의 응력이 가해지면, 종방향으로의 강성이 횡방향에 비해 매우 높아 종방향으로의 수축이 거의 발생하지 않을 수 있다. 즉, 본 개시에서의 투명 신축 구조체(100)는 일반적인 신축성 재료와 다르게 0에 가까운 포아송 비, 즉, 횡방향 인장에 대한 종방향 변형률이 거의 없도록 설계된 재료를 의미할 수 있다. 실시예에 따르면, 투명 신축 구조체(100)는 통상적인 자연계 연신에 나타나기 힘든 수직 방향으로의 변형이 발생하지 않도록 구비될 수 있다.

다시 말해, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는, 탄성력을 갖는 모재(120) 및 해당 모재(120)의 적어도 일면에 접착되며, 일 방향의 주름 구조 형상을 통해 구비되는 보강재(110)를 통해 구현됨으로써, 0에 가까운 포아송 비, 또는 연신 방향의 수직 방향에 대한 변형률을 제어할 수 있다.

이에 따라, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 다양한 축 방향으로 변형되는 등 높은 디자인 자유도를 제공할 수 있다. 예컨대, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)를 통해 디스플레이를 구성하는 경우, 단일 방향으로 접히거나 말리는 등 고정형 디스플레이에서 벗어나 다양한 조건에서 다차원 축 방향으로 변형을 지원할 수 있다. 이는, 보다 높은 가변성을 제공하여 디자인 자유도를 향상시킬 뿐 아니라, 외력에 의한 기계적 안정성 확보를 담보하는 효과를 가질 수 있다.

한편, 다양한 조건에서 다차원 축 방향으로 변형을 지원하는 구조의 재료(즉, 0에 가까운 포아송 비를 갖는 재료)로써 대표적으로 오그제틱(auxetic) 구조의 재료가 존재한다. 오그제틱 구조는, 구조체(예컨대, 기판)의 내부에 특정 형상을 갖도록 함침되어 구성될 수 있으며, 하나의 축을 기준으로 발생하는 외력에 대응하여 다른 하나의 축 방향에 관련한 변형을 야기시킬 수 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 리엔트런트, 키랄 및 회전 강체 형상의 단위 구조체를 포함하는 오그제틱이 기판의 내부에 함침되는 경우, 해당 기판, 0에 가까운 포아송 비를 가질 수 있다.

보다 구체적인 예를 들어, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 리엔트런트 형상을 갖는 단위 구조체를 포함하는 오그제틱은, 종방향을 기준으로 하는 외력이 가해지는 경우, 각 단위 구조체의 횡 방향으로 내부 응력이 작용함에 따라, 해당 오그제틱은 음의 포아송 비를 가질 수 있다. 즉, 종방향 축을 기준으로 하는 외력에 대응하여 오그제틱이 횡방향 축을 기준으로 신장될 수 있다.

또한, 예를 들어, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 키랄 형상을 갖는 단위 구조체를 포함하는 오그제틱은, 종방향을 기준으로 하는 외력이 가해지는 경우, 각 단위 구조체가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전됨에 따라, 해당 오그제틱은 음의 포아송 비를 가질 수 있다.

또한, 예를 들어, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 회전 강체 형상을 갖는 단위 구조체를 포함하는 오그제틱은, 하나의 절점(node)을 공유할 수 있으며, 해당 절점을 통해 각 단위체가 회전하게 되고 이로 인해 음의 포아송 비를 갖는 물질의 특성을 나타낼 수 있다. 즉, 해당 오그제틱에 대하여 종 방향을 기준으로 하는 외력이 가해지는 경우, 각 단위 구조체 간의 공유된 절점을 기준으로 연결선이 풀림에 따라 각 단위 구조체가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되므로, 해당 오그제틱은 음의 포아송 비를 가질 수 있다.

즉, 전술한 예시와 같이, 다양한 형상의 단위 구조체를 통해 구현됨에 따라 음의 포아송 비를 갖는 오그제틱 구조의 재료가 존재한다. 이러한 오그제틱 구조가 내부에 함침된 기판(즉, 오그제틱 구조의 재료)의 경우, 해당 오그제틱에 포함된 단위 구조체들의 형상을 통해, 특정 축 방향을 기준으로 하는 외력이 인가되는 경우, 다른 하나의 축 방향에 대한 변형률을 제어할 수 있다.

이러한 오그제틱 구조의 재료는, 예를 들어, 탄성 소재를 활용한 인쇄 공정을 통해 생성될 수 있다. 여기서 인쇄 공정이란, 설계된 회로 패턴을 잉크젯 프린터 또는 라미네이터 등을 통해 대상 물체를 찍어내는 공정으로, 신축성 또는 탄성을 가진 소재를 통해 특정한 격자 구조를 형성(또는 적층)하는 롤투롤 공정(Roll-to-roll processing)을 의미할 수 있다. 이러한 인쇄 공정은, 예를 들어, 잉크젯, 공압용 디스펜서, 스크류 디스펜서, 스크린 프리팅, 바코터, 스트레이 프인팅 등의 장비를 활용한 공정을 의미할 수 있다.

전술한 바와 같이, 오그제틱 구조의 재료는, 다양한 단위 구조체의 형상(예컨대, 리엔트런트, 키랄 및 회전강체 등)을 통해 음의 포아송 비를 가진 물질 특성을 구현할 수 있다. 다만, 음의 포아송 비를 가질 수 있도록, 수십에서 수백 마이크로 간격 및 크기의 다양한 형상에 대응하는 오그제틱을 형성하여야 하므로, 고정밀도의 인쇄 공정이 관련한 장비가 필수적으로 요구되며, 형성된 오그제틱에 대한 경화 공정 및 해당 오그제틱을 내부에 함침시켜 신축 기판을 생성하는 과정에서의 추가 경화 공정 등 다양한 추가 공정이 요구될 수 있다. 다시 말해, 오그제틱 구조의 재료는, 제조 공정 상에서 고가의 고정밀도 장비가 요구될 수 있으며, 다양한 격자 구조 설계, 적층 제조 공정 및 경화 공정 등에 많은 노력과 시간이 요구될 수 있다.

반면, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 보강재(110) 및 모재(120) 각각을 제조하는 공정 및 각 소재를 접합하는 공정 등 비교적 간단한 공정을 통해 구현될 수 있다. 이에 따라, 특정 격자 형상을 생성하기 위하여 별도의 인쇄 공정이 요구되지 않으므로, 제조 과정에서 활용 장비를 간소화하는 효과를 제공할 수 있다. 또한, 특정 형상을 갖는 구조체(예컨대, 오그제틱)을 경화시키거나, 해당 구조체를 기판 내부에 함침시키는 과정에서 수행되는 추가적인 경화 공정이 생략될 수 있다. 즉, 0에 가까운 포아송 비를 가지는 물질에 대한 제조 공정이 간단화될 수 있다. 이는, 제조 공정의 최적화를 통해 제조 속도 향상 및 대면적화를 유도하여 투명 신축 구조체의 양산성을 향상시키는 효과를 가질 수 있다.

본 개시의 투명 신축 구조체(100)에 대한 보다 구체적인 제조 방법, 구조적 특징 및 이에 대한 효과는 도 3 내지 도 7를 참조하여 이하에서 후술하도록 한다.

도 3은 본 개시의 일 실시예와 관련된 투명 신축 구조체의 제조 방법을 예시적으로 나타낸 순서도를 도시한다. 일 실시예에 따르면, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 하기와 같은 단계를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 단계들은 필요에 의해 순서가 변경될 수 있으며, 적어도 하나 이상의 단계가 생략 또는 추가될 수 있다. 즉, 전술한 단계는 본 개시의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 개시의 권리 범위는 이에 제한되지 않는다.

본 개시의 일 실시예에 따르면, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 모재를 생성하는 단계(210)를 포함할 수 있다. 모재(120)는 탄성력을 가지는 소재로 구비되며, 예컨대, 폴리디메틸실록산(PDMS, Polydimethylsiloxane), Ecoflex, 실리콘, 폴리우레탄, 신축성 에폭시, 열가소성 엘라스토머(TPE, thermoplastic elastomer, 대표적으로 Styrene-ethylene-butylene-styrene(SEBS)), 폴리이소부틸렌 및 부틸 고무 중 적어도 하나를 통해 구비될 수 있다. 구체적인 실시예에서, Dow Corning Sylgard 184 소재를 A제 10, B제 1의 비율로 혼합한 후 80도의 고온에 4 시간 이상 경화하는 공정을 통해 PDMS에 관련한 모재를 생성할 수 있다. 다른 예를 들어, Clearflex 30 소재를 A제 1, B제 1의 비율로 혼합한 후, 80도의 고온에 16시간 이상 경화하는 공정을 통해 가교형 투명 PU에 관련한 모재를 생성할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 그래뉼 타입의 투명 PU 또는 SEBS를 120~150도의 핫 프레스에 압착시키는 공정을 통해 열가소성 PU(TPU) 또는 SEBS에 관련한 신축 모재를 생성할 수 있다. 전술한 모재 생성 공정 방법 및 모재에 대한 구체적인 기재는 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.

일 실시예에 따르면, 모재를 생성하는 단계는, 액체 상태의 모재에 투명 첨가제를 첨가하는 단계, 고정판에 액체 상태의 모재를 공급하는 단계, 액체 상태의 모재에 대한 경화를 수행하는 단계 및 고정판을 분리시키는 단계를 포함할 수 있다.

보다 자세히 설명하면, 모재의 생성 과정에서 투명 첨가제가 첨가될 수 있다. 투명 첨가제는, 3nm 내지 100nm 크기의 나노 입자의 형상을 가지며, 예컨대, 산화지르코늄(ZrO2), 이산화 타이타늄(TiO2) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 투명 첨가제는, 모재(120)와 보강재(110) 간의 굴절률을 매칭시키기 위한 것일 수 있다. 예컨대, 모재(120)와 보강재(110) 각각이 서로 상이한 소재를 통해 구비되는 경우, 각 소재 간의 굴절률의 차이가 발생하여 해당 투명 신축 구조체(100)를 디스플레이 분야에 활용하기 위하여 기판화하는 경우, 각 소재 간의 경계면이 가시화됨에 따라 가시성 확보에 어려움이 있을 수 있다.

이에 따라, 나노 입자로 형성된 투명 첨가제를 모재에 첨가하여 모재(120)와 보강재(110) 간의 굴절률을 매칭시킬 수 있다. 즉, 투명 첨가제는 모재(120)에 첨가되어 해당 모재의 굴절률을 보강재와 동일하게 매칭함으로써, 투명성을 확보하여 디스플레이 활용 분야에서 향상된 가시성을 가지는 투명 신축 구조체(100)를 제공할 수 있다. 따라서, 본 개시의 투명 첨가제를 포함하는 모재(120)를 통해 구성되는 투명 신축성 구조체(100)는 각 소재 간(즉, 모재와 보강재)의 굴절률을 고려하여 생성되므로, 향상된 투명도를 제공할 수 있다.

상술한 바와 같은 투명 첨가제는, 모재(120)의 경화 과정에서 해당 모재(120)에 첨가되는 것을 특징으로할 수 있다. 구체적으로, 액체 상태의 모재에 투명 첨가제가 첨가될 수 있으며, 투명 첨가제가 첨가된 액체 상태의 모재는, 고정판에 공급될 수 있다. 여기서 고정판은, 모재(120)의 생성 과정에서 해당 모재(120)를 일시적으로 지지하기 위해 구비되며, 모재 생성 공정 이후, 모재(120)로부터 이탈되는 것일 수 있다. 즉, 모재(120)는 투명 신축 구조체(100)를 구성하는 구성 요소와 상이한 별도의 고정판의 활용을 통해 생성될 수 있다.

다시 말해, 고정판의 일면에 액체 상태의 모재(120)가 공급되며, 해당 모재(120)에 대한 경화가 수행된 이후, 고정판을 분리시킴으로써, 모재(120)가 생성될 수 있다. 예컨대, 수행되는 경화는, 모재(120)의 기계적 강도 또는 강성을 확보하기 위한 경화일 수 있다. 이러한 모재는, 10 ㎛ 내지 1mm 범위의 두께를 가지며, 0.01Mpa 내지 100Mpa 범위의 모듈러스(modulus)를 통해 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 개시의 일 실시예에 따르면, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 탄성력을 가진 모재를 하나의 축 방향으로 인장시키는 단계(220)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 축 방향으로 모재(120)의 최대 인장률의 50% 강도를 통해 모재의 양 끝단에 힘을 인가하여 해당 모재(120)를 인장시킬 수 있다. 이 경우, 모재(120)의 인장은, 보강재(110)를 변형시키기 위한 것일 수 있다. 구체적인 예를 들어, 모재(120)의 인장 및 수축 과정에서 보강재(110)가 해당 모재(120)의 일면에 접착됨에 따라, 보강재(110)가 일 방향의 주름 구조를 갖도록 변형될 수 있다.

본 개시에서 보강재(110)는, 투명한 소재로 구비될 수 있으며, 예컨대, 유리 필름, silicon oxide, silicon nitride, 유리 섬유층, 고분자 필름 및 고분자 섬유층 중 적어도 하나에 관련한 투명 소재로 구비될 수 있다. 전술한 보강재에 대한 구체적인 기재는 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다. 다시 말해, 보강재(110)는 단단하고 투명한 소재의 얇은 막을 통해 구현될 수 있다. 이러한 보강재(110)는 유리 섬유(glass fiber) 매트 층 또는 투명 고분자 필름을 포함할 수 있다. 유리 섬유 매트 층은 다양한 각도를 통해 보강재 내부에 배향되어 있는 매트 형태의 필름일 수 있으며, 해당 보강재의 인장 시 인장이 매우 힘들 수 있으나, 구조적 신축성을 부여하는 일 방향 주름 구조를 도입할 경우 일 방향으로 쉽게 인장될 수 있다. 즉, 보강재(110)는 일 방향 주름 구조를 통해 외부 인장력에 대응하여 인장될 수 있다.

이러한 보강재(110)는 100nm 내지 500㎛ 범위의 두께를 가지며, 1Mpa 내지 1000Gpa 범위의 모듈러스를 통해 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

보다 자세히 설명하면, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 인장된 모재의 일면에 투명 소재의 보강재를 접착시키는 단계(230)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 보강재를 접착시키는 단계는, 인장된 모재의 일면에 투명 신축 접착제를 도포하는 단계 및 투명 신축 접착제가 도포된 일면에 보강재를 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 본 개시의 보강재(110)는, 모재(120)가 일 축 방향으로 늘어난 상태에서 부착되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이 경우, 투명 신축 접착제는, 경화를 통해 모재와 보강재 간의 접착력을 향상시키는 것을 특징으로 하며, 모재 소재와 동일한 소재이거나 열경화성 폴리우레탄(polyurethane) 및 폴리이소부틸렌(polyisobutene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 모재 및 보강재 사이에 구비되는 열경화성 투명 모재(또는 폴리우레탄) 또는 투명 폴리이소부틸렌 등을 통해 구비되는 투명 신축 접착제를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

구체적인 예를 들어, 하나의 축 방향을 기준으로 하여 모재(120)의 최대 인장률의 50% 강도를 통해 해당 모재(120)가 인장될 수 있으며(또는 모재(120)길이의 약 50% 내외 인장), 인장된 모재(120)의 일 면에 투명 폴리우레탄(즉, 접착제(또는 투명 모재))을 얇게 도포할 수 있다. 또한, 투명 폴리우레탄이 도포된 일면에 보강재를 부착시키고, 경화를 수행할 수 있다. 이 경우, 수행되는 경화는, 모재(120)와 보강재(110) 간의 접착을 위한 경화로, 예를 들어, 80도의 온도로 16시간 이상의 수행되는 경화일 수 있다. 경화가 수행된 이후(또는, 접착제가 충분히 건조된 이후), 모재(120)의 양 끝단에 인가된 인장력을 해제하여, 탄성을 가진 모재(120)의 수축을 유도할 수 있다. 즉, 인장된 모재(120)에 접착된 비교적 얇은 두께의 보강재(110)는, 해당 모재의 수축에 따라 일 방향의 주름 구조를 갖도록 변형될 수 있다. 인장된 모재가 수축함에 따라 일 방향의 주름 구조를 갖도록 변형된 보강재(110)는 도 4에 도시된 바와 같을 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 보강재(110)는 y축 방향으로 각 골(제 1 골(11) 및 제 2 골(12)) 간의 거리인 특정 주기(L)의 사인파 형상 주름 구조를 갖도록 변형될 수 있다. 즉, 본 개시의 보강재(110)는 모재(120)와 접착되는 경우, 일 방향의 주름 구조를 갖도록 변형되는 것을 특징으로 할 수 있다.

추가적인 실시예에 따르면, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 표면에 주름 구조를 포함하는 모재(120)를 제작하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 모재(120)의 주름진 일면에 투명 소재의 보강재(110)를 접착시키는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 일 방향의 주름 또는 물결 구조를 가진 몰드를 통한 프레싱 공정을 통해, 적어도 일면에 일 방향의 주름 구조를 갖는 모재(120)를 생성할 수 있다. 예컨대, 물결 구조를 가진 몰드를 통해 모재(120)의 상부 및 하부 측 각각에 대한 프레싱 공정을 수행하여 양면이 일 방향의 주름 구조를 갖는 모재(120)를 생성할 수 있다. 또한, 모재(120)의 주름 구조의 일면에 보강재(110)를 접착시킬 수 있다. 이 경우, 얇은 신축 소재의 보강재(110)는 모재(120)의 주름 구조에 대응하여 접착될 수 있다. 주름 구조를 가진 몰드를 통해 모재(120)의 적어도 일면에 주름 구조를 형성할 수 있으며, 주름 구조를 가진 적어도 일면에 보강재(110)를 접착시킴으로써, 보강재(110)가 주름 구조를 갖도록 변형시킬 수 있다. 다시 말해, 몰드 구조에 위에서 언급한 주기의 주름 또는 물결 모양의 구조를 도입함으로써, 고온에서의 프레싱 공정에서 모재(120)에 주름 구조를 형성하게 할 수 있다. 이러한 주름 구조를 형성한 모재(120)에 보강재(110)를 주름에 맞게 꼼꼼히 접착하는 방법으로 보강재(110)에 일 방향의 주름 구조를 형성하게 할 수 있다.

이 경우, 모재(120)에 대한 사전 인장을 거치지 않고도 모재(120) 및 보강재(110) 각각의 일면에 주름 구조를 형성할 수 있다. 이에 따라, conforml하게 주름 구조를 갖는 보강재(110)의 구현이 가능할 수 있다. 즉, 물결 구조의 몰드를 활용하여 모재에 주름 구조를 형성함으로써, 보강재(110) 제작 공정의 자유도를 확보할 수 있다.

또한, 본 개시의 보강재(110)는 일 방향의 주름 구조를 갖도록 변형되는 경우, 주름 방향으로의 강성이 변화될 수 있다. 일 방향의 주름 구조를 포함하는 보강재(110)는 주름 방향으로는 처음과 상이한 제 2 강성을 가지며, 주름의 수직 방향으로는 여전히 처음과 같은 제 1 강성을 가질 수 있다.

전술한 바와 같이, 인장된 모재(120)의 일면에 보강재(110)를 접착시키고, 해당 인장된 모재(120)를 수축시키는 공정 또는 주름 구조의 몰딩 공정을 통해 주름 구조를 갖는 모재(120)를 생성하고, 생성된 모재(120)에 보강재(110)를 접착시키는 공정 중 적어도 하나를 통해 보강재(110)는 일 방향으로 사전 결정된 주기(즉, L)를 갖도록 변형될 수 있다. 이 경우, 일 방향으로 사전 결정된 주기를 갖도록 주름 구조가 형성된 보강재(110)는, 일 방향으로 변형 전 강성과 상이한 강성을 가질 수 있다. 사전 결정된 주기는, 1㎛ 내지 10mm 범위 이내로 형성될 수 있다. 예컨대, 보강재(110)의 두께에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 변형에 따른 사전 결정된 주기는, 해당 보강재(110)의 두께에 비례할 수 있다. 보강재(110)의 두께가 두꺼울수록 해당 보강재(110)의 변형을 통해 생성되는 주기는 길어질 수 있으며, 보강재(110)의 두께가 얇을수록 해당 보강재(110)의 변형을 통해 생성되는 주기는 짧아질 수 있다. 다른 예를 들어, 변형에 따른 사전 결정된 주기는, 프레싱 공정을 통해 모재(120)의 적어도 일면에 주름 구조를 생성하는 물결 구조를 가진 몰드의 주기에 대응하는 것일 수도 있다. 변형을 통해 생성되는 주기는 보강재(110)의 주름 방향의 강성에 영향을 미칠 수 있다.

즉, 변형 전 보강재(110)는 제 1 강성일 수 있으나, 일 방향의 주름 구조를 포함하는 보강재(110)는 주름 방향으로 제 2 강성을 가질 수 있으며 주름의 수직 방향으로는 제 1 강성을 여전히 유지할 수 있다. 이 경우, 제 1 강성과 제 2 강성은 서로 상이할 수 있으며 이 경우 강성의 이방성 구조를 가지게 된다.

예를 들어, 보강재의 제 1 강성은, 제 2 강성 보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다. 예컨대 변형 전 보강재의 제 1 강성(예컨대, K)은 다음과 같은 수식을 통해 정의될 수 있다.

k =

다시 말해, 보강재 자체의 제 1 강성(즉, k)은, 해당 보강재의 모듈러스(즉, E)와 해당 보강재의 두께(즉, h)에 의해 결정될 수 있다. 일 방향 주름 구조를 통해 주름 방향으로 제 2 강성을 갖는 보강재는 주름 구조가 없는 주름의 수직 방향에 비해, 외력에 대응하여 쉽게 변형될 수 있다. 이 경우, 주름 구조의 보강재는 일 방향(즉, 도 4의 y축)에 관련한 주름 구조임에 따라, 특정 축(즉, y축) 방향의 외력이 발생하는 경우, 해당 축의 변형이 보다 용이하게 이뤄질 수 있다. 다시 말해, 변형된 보강재는 일 방향의 주름 구조를 가짐에 따라 특정 축 방향에 대한 강성이 변형(즉, y축 방향의 강성이 저하됨)됨에 따라, 해당 축 방향의 변형을 유도함으로써, 여전히 높은 강성을 유지하고 있는 수직 방향 축에 대한 변형률을 제어할 수 있다.

예컨대, 도 4에서, y축 방향을 기준으로 외력이 발생하는 경우(즉, y 축을 기준으로 인장되는 경우), 사전 결정된 주기를 갖는 주름 구조를 통해 해당 y축 방향의 강성이 저하됨에 따라, 해당 y축 방향의 변형이 용이해질 수 있다. 이에 따라, 상대적으로 강성의 변화가 없는 x축 방향의 변형률이 제어(즉, 수축이 제어)될 수 있다.

이러한, 변형된 보강재에 관련한 제 2 강성은 주름 구조의 주기, 해당 보강재의 모듈러스 및 두께에 의해 결정될 수 있다. 예컨대, 일 방향의 주름 구조를 갖도록 변형된 보강재(110)의 주름 방향에 대한 제 2 강성(예컨대, wavy k)은, 다음과 같은 수식을 통해 정의될 수 있다.

wavy k =

즉, 변형된 보강재(110)는 주기(즉, L)가 길수록 강성이 감소될 수 있으며, 주기가 짧을수록 강성이 증가될 수 있다. 또한, 변형된 보강재(110)의 제 2 강성은 해당 보강재의 두께에 비례할 수 있다. 또한, 변형된 보강재(110)의 제 2 강성은 해당 보강재의 모듈러스에 비례할 수 있다.

이러한 보강재(110)의 변형은, 모재(120)의 강성과 변형 전 보강재(110)의 강성(즉, 제 1 강성)과의 특정 조건에 기반하여 수행될 수 있다. 다시 말해, 보강재(110)는 모재(120)와 특정 조건을 통해 접합됨으로써, 0에 가까운 포아송 비를 갖는 투명 신축 구조체(100)를 형성할 수 있다.

여기서, 투명 신축 구조체(100)를 구성하기 위한 보강재(110)와 모재(120) 간의 특정 조건은, 신축 구조체의 주름에 수직 방향의 강성인 보강재(110)의 제 1 강성이 신축 구조체의 주름 방향의 강성인 모재(120)의 강성과 보강재(110)의 제 2 강성의 합 보다 적어도 10배 이상의 강성을 갖도록 하는 조건을 가지는 기계적 이방성 특성의 구조체일 수 있다. 해당 특정 조건에 대한 구체적인 설명은 도 5를 참조하여 이하에서 후술하도록 한다.

구체적으로, 도 5를 참조하면, 본 개시의 투명 신축 구조체를 구성하는 보강재(110)와 모재(120)는 다음과 같은 수식 조건을 충족하도록 구비될 수 있다.

다시 말해, 구조체에서 주름 구조의 수직 방향의 강성인 보강재(110)의 제 1 강성(

)은, 주름 방향의 강성인 모재의 강성(

)과 주름 구조로 인한 보강재의 제 2 강성(

) 합보다 열배 이상인 조건을 충족하는 경우, 주름 방향으로 인장하였을 때 수직으로 압축되려고 하는 힘(

)이 10배 이상의 강성을 가지는 방향으로 걸리므로, 그 수축되는 변형률이 10배 이하로 줄어들 수 있게 된다. 그러므로 해당 보강재(110)와 해당 모재(120)의 접합을 통해 구현되는 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 0에 가까운 포아송 비를 가질 수 있다. 즉, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 전술한 바와 같은 수식 조건을 충족하는 보강재(110) 및 모재(120)를 통해 구현됨에 따라, 주름 방향 축을 기준으로 연신되는 경우, 주름의 수직 방향 축에 관련한 변형률에 대한 제어가 가능할 수 있다.

도 6은 본 개시의 일 실시예와 관련된 보강재(110)의 두께 및 주기 변화에 따른 포아송 비에 관련한 실험값을 나타낸 도면이다. 해당 실험은 각 재료의 양 끝 단에 인장력을 가하고, 각 재료가 인장되는 경우, 가로 방향(예컨대, x축)의 변형도와 세로 방향(예컨대, y축)의 변형도 사이의 비율 및 세로 방향의 변형도와 세로 방향의 3차원 축 방향(예컨대, z축)의 변형도 사이의 비율을 측정하여 진행하였다.

실험을 위하여, 비교군으로 별도의 보강재 층을 포함하지 않은 상태의 폴리우레탄을 구비하였다. 또한, 해당 비교군과의 비교를 위하여 글라스 파이버(GF, Glass Fiber) 매트로 구성된 보강재 및 폴리우레탄(PU, polyurethane)으로 구성된 모재를 통해 본 개시의 투명 신축 구조체(100)를 구현하였다. 이 경우, 재료의 전체 크기(즉, 샘플의 총 길이 및 폭)는 동일하게 구성하였다.

또한, 보강재(110)의 두께 변화에 따른 포아송 비의 변화를 관측하기 위하여, 각각 상이한 두께를 가진 보강재(즉, GF)를 통해 본 개시의 투명 신축 구조체(100)를 구현하였다. 예컨대, 보강재(110)는 전술한 공정 단계(예컨대, 인장된 모재에 보강재를 접착시키고, 인장된 모재를 수축시키는 공정)를 통해 일 방향의 주름 구조를 갖도록 변형될 수 있으며, 일 방향의 주름 구조에서 사전 결정된 주기는 보강재(110)의 두께에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 변형에 따른 사전 결정된 주기는, 해당 보강재의 두께에 비례할 수 있다. 보강재의 두께가 두꺼울수록 해당 보강재의 변형을 통해 생성되는 주기는 길어질 수 있으며, 보강재(110)의 두께가 얇을수록 해당 보강재(110)의 변형을 통해 생성되는 주기는 짧아질 수 있다.

구체적인 예를 들어, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 보강재의 두께가 15㎛인 경우, 해당 보강재의 변형에 관련한 주기는 21㎛로 형성될 수 있다. 또한, 보강재의 두께가 25㎛인 경우, 해당 보강재의 변형에 관련한 주기는 42㎛로 형성될 수 있다. 또한, 보강재의 두께가 50㎛인 경우, 해당 보강재의 변형에 관련한 주기는 60㎛로 형성될 수 있다. 또한, 보강재의 두께가 60㎛인 경우, 해당 보강재의 변형에 관련한 주기는 106㎛로 형성될 수 있다. 이러한 실험 환경에서 본 개시의 특정 수식 조건(즉,

)을 충족하도록 하여, 구성된 각 투명 신축 구조체의 포아송 비를 측정하였으며, 측정된 각 포아송 비를 도 6의 (b)에 그래프 형태로 나타내었다.

즉, 도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 보강재(110)가 구비되지 않은 일반 재료의 경우, 2차원 평면을 기준으로 0.312의 포아송 비를 가지는 것을 볼 수 있다. 또한, 본 개시의 보강재(110)를 모재(120)에 접합시키는 경우, 포아송 비가 감소되는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 보강재의 두께 및 주기 각각이 15㎛ 및 21㎛인 sample 1의 경우, 0.176의 포아송 비를 가지며, 보강재의 두께 및 주기 각각이 25㎛ 및 42㎛인 sample 2의 경우, 0.101의 포아송 비를 가지고, 보강재의 두께 및 주기 각각이 50㎛ 및 21㎛인 sample 3의 경우, 0.083의 포아송 비를 가지고, 그리고 보강재의 두께 및 주기 각각이 60㎛, 106㎛인 sample 4의 경우, 0.051의 포아송 비를 가지는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 특정 수식 조건을 만족하도록 보강재(110)와 모재(120)를 구비함으로써, 0에 가까운 포아송 비를 갖는 투명 신축 구조체(100)를 구현할 수 있다. 특히, 보강재(110)의 두께를 60㎛으로 구성하는 경우, 모재의 수축에 따라 해당 보강재(110)가 106㎛의 주기의 주름 구조를 갖도록 변형됨을 확인할 수 있으며, 이 경우, 포아송 비가 0.051임을 확인할 수 있다. 즉, 본 개시의 투명 신축 구조체는 0.07 이하의 포아송 비를 갖도록 구현될 수 있다.

본 개시의 일 실시예에 따르면, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 보강재의 상부측에 탄성력을 가진 소재를 공급하여 표면층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 투명 신축 구조체(100)는 보강재의 상부측에 탄성력을 가진 소재를 통해 구비되는 표면재를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 본 개시의 표면재는, 모재(120)와 동일한 소재를 통해 구성될 수도 있다. 예컨대, 표면재는, 폴리디메틸실록산(PDMS, Polydimethylsiloxane), Ecoflex, 실리콘, 폴리우레탄, 신축성 에폭시, TPE(SEBS, SBS, SIS 등) 폴리이소부틸렌 및 부틸 고무 중 적어도 하나를 통해 구비될 수 있다. 표면재는, 보강재(110)의 변형을 통해 발생하는 굴곡을 평탄화하기 위해 구비될 수 있다. 예를 들어, 액체 상태의 표면재가 보강재의 상부측에 방향에 공급될 수 있다. 또한, 액체 상태의 표면재에 대한 경화가 수행될 수 있다. 즉, 표면재를 통해 보강재의 변형에 따른 굴곡 부분이 평탄화될 수 있다. 표면재를 통한 평평한 표면 처리를 기반으로 본 개시의 투명 신축 구조체는 디스플레이 기판으로 활용될 수 있다.

본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 전술한 바와 같은 수식 조건을 만족하도록 보강재(110) 및 모재(120)를 구비함으로써, 0에 가까운 포아송 비를 갖도록 구현될 수 있다. 이에 따라, 다양한 축 방향으로 변형되는 등 높은 디자인 자유도를 제공할 수 있다. 예컨대, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)를 통해 디스플레이를 구성하는 경우, 단일 방향으로 접히거나 말리는 등 고정형 디스플레이에서 벗어나 다양한 조건에서 다차원 축 방향으로 변형을 지원할 수 있다. 이는, 보다 높은 가변성을 제공하여 디자인 자유도를 향상시킬 뿐 아니라, 외력에 의한 기계적 안정성 확보를 담보하는 효과를 가질 수 있다.

추가적으로, 투명 신축 구조체(100)는 보강재(110) 및 모재(120) 각각을 제조하는 공정 및 각 소재를 접합하는 공정 등 비교적 간단한 공정을 통해 구현될 수 있다. 즉, 특정 격자 형상을 생성하기 위하여 별도의 인쇄 공정이 요구되지 않으므로, 제조 과정에서 활용 장비를 간소화하는 효과를 제공할 수 있다. 또한, 특정 형상의 구조체(예컨대, 오그제틱) 경화시키거나, 해당 구조체를 기판의 내부에 함침시키는 과정에서 수행되는 추가적인 경화 공정이 생략될 수 있다. 즉, 0에 가까운 포아송 비를 가지는 물질에 대한 제조 공정이 간단화될 수 있다. 이는, 제조 공정의 최적화를 통해 제조 속도 향상 및 대면적화를 유도하여 투명 신축 구조체의 양산성을 향상시키는 효과를 가질 수 있다.

본 개시의 다른 실시예에 따르면, 모재의 하나 이상의 면 각각에 하나 이상의 보강재(110)가 구비될 수도 있다. 구체적으로, 보강재는 제 1 보강재(111) 및 제 2 보강재(112)를 포함하며, 인장된 모재(120)에 투명 소재의 보강재(110)를 접착시키는 단계는, 인장된 모재(120)의 일면에 제 1 보강재(111)를 접착시키는 단계 및 인장된 모재의 일면과 마주보는 다른 일면에 제 2 보강재(112)를 접착시키는 단계를 포함할 수 있다.

보다 구체적인 예를 들어, 하나의 축 방향을 기준으로 하여 모재(120)를 인장시키고, 인장된 모재(120)의 일면(예컨대, 상면) 및 일면과 마주보는 다른 일면(예컨대, 하면) 각각에 접착제를 얇게 도포할 수 있다. 또한, 접착제가 도포된 각 면에 제 1 보강재 및 제 2 보강재 각각을 부착시키고, 경화를 수행할 수 있다. 경화가 수행된 이후(또는, 접착제가 충분히 건조된 이후), 모재(120)의 양 끝단에 인가된 인장력을 해제하여, 탄성을 가진 모재(120)의 수축을 유도할 수 있다. 즉, 인장된 모재(120)의 양 면 각각에 접착된 비교적 얇은 두께의 제 1 보강재(111) 및 제 2 보강재(112) 각각은, 해당 모재의 수축에 따라 일 방향의 주름 구조를 갖도록 변형될 수 있다. 인장된 모재가 수축함에 따라 일 방향의 주름 구조를 갖도록 변형된 제 1 보강재(111) 및 제 2 보강재(112)는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같을 수 있다.

즉, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 하나 이상의 보강재를 포함할 수 있으며, 각 보강재 사이에 모재층이 형성되는 구조를 통해 구성될 수도 있다.

본 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 보강재(110)의 하나 이상의 면 각각에 하나 이상의 모재(120)가 구비될 수 있다. 구체적으로, 모재는 제 1 모재(121) 및 제 2 모재(122)를 포함할 수 있으며, 인장된 모재(120)에 투명 소재의 보강재를 접착시키는 단계는, 제 1 모재(121) 및 제 2 모재(122)를 동일한 축 방향을 기준으로 인장시키는 단계 및 인정된 제 1 모재(121)의 하면과 인장된 제 2 모재(122)의 상면 사이에 보강재(110)를 접착시키는 단계를 포함할 수 있다.

보다 구체적인 예를 들어, 하나의 축 방향을 기준으로 하여 제 1 모재(121) 및 제 2 모재를 인장시키고, 인장된 각 모재의 일면에 접착제를 얇게 도포할 수 있다. 또한, 접착제가 도포된 각 모재의 일면 사이에 보강재(110)를 위치시켜, 모재들과 보강재(110)를 부착시키고, 경화를 수행할 수 있다. 경화가 수행된 이후(또는, 접착제가 충분히 건조된 이후), 제 1 모재(121) 및 제 2 모재(122) 각각의 양 끝단에 인가된 인장력을 해제하여, 탄성을 가진 모재들의 수축을 유도할 수 있다. 즉, 인장된 모재들이 수축됨에 따라, 해당 모재들의 사이에 접착된 보강재(110)가 일 방향의 주름 구조를 갖도록 변형될 수 있다. 인장된 제 1 모재(121) 및 제 2 모재(122)가 수축됨에 따라 일 방향의 주름 구조를 갖도록 변형된 보강재(110)는 도 7의 (b)에 도시된 바와 같을 수 있다.

즉, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 하나 이상의 모재를 포함할 수 있으며, 각 모재 사이에 보강재 층이 형성되는 구조를 통해 구성될 수도 있다

이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 개시의 실시예를 설명하였지만, 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 개시가 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 개시에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 개시의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.

제시된 프로세스들에 있는 단계들의 특정한 순서 또는 계층 구조는 예시적인 접근들의 일례임을 이해하도록 한다. 설계 우선순위들에 기반하여, 본 개시의 범위 내에서 프로세스들에 있는 단계들의 특정한 순서 또는 계층 구조가 재배열될 수 있다는 것을 이해하도록 한다. 첨부된 방법 청구항들은 샘플 순서로 다양한 단계들의 엘리먼트들을 제공하지만 제시된 특정한 순서 또는 계층 구조에 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 개시를 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 개시는 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

투명 신축 구조체 : 100
보강재 : 110
제 1 보강재 : 111
제 2 보강재 : 112
제 1 골 : 11
제 2 골 : 12
주기 : L
모재 : 120
제 1 모재 : 121
제 2 모재 : 122

Claims (19)

1. 탄성력을 가진 소재로 구성된 투명 모재; 및
   상기 모재의 적어도 일면에 부착되고 투명 소재로 구성된 보강재;
   를 포함하며,
   상기 보강재는,
   제 1 강성을 가지며 상기 모재에 일 축 방향으로 주름진 구조를 가지도록 부착되며,
   상기 모재와 결합된 상기 보강재는,
   사전 결정된 주기를 갖는 사인파 또는 아코디언 형상의 일방향 주름 구조를 포함하며, 주름의 수직 방향으로는 상기 제 1 강성을, 주름 방향으로는 제 2 강성을 가지는 것을 특징으로 하고,
   상기 제 1 강성은, 상기 모재의 강성과 상기 제 2 강성의 합보다 적어도 10배 이상인 것을 특징으로 하는,
   투명 신축 구조체.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 투명 신축 구조체는,
   상기 모재 및 상기 보강재 사이에 구비되며 열경화성 투명 모재 또는 투명 폴리이소부틸렌 중 적어도 하나로 구성되는 투명 신축 접착제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 신축 구조체.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 사전 결정된 주기는,
   1㎛ 내지 10mm 범위 이내로 형성되는,
   투명 신축 구조체.
   
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 투명 신축 구조체의 포아송 비는, 0.07 이하인 것을 특징으로 하는,
   투명 신축 구조체.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 모재는,
   10㎛ 내지 1mm 범위의 두께를 가지며, 0.01Mpa 내지 100Mpa 범위의 모듈러스(modulus)를 통해 구비되는 것을 특징으로 하는,
   투명 신축 구조체.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 보강재는,
   100nm 내지 500㎛ 범위의 두께를 가지며, 1Mpa 내지 1000Gpa 범위의 모듈러스를 통해 구비되는 것을 특징으로 하는,
   투명 신축 구조체.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 모재는,
   상기 보강재와의 굴절률을 매칭시키는 투명 첨가제를 포함하며,
   상기 투명 첨가제는,
   3nm 내지 100nm 크기의 나노 입자 형상을 통해 구성되며, 산화지르코늄(ZrO2), 이산화 타이타늄(TiO2) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 모재의 제작 과정에서 상기 모재에 첨가되는 것을 특징으로 하는,
   투명 신축 구조체.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강재의 상부측에 탄성력을 가진 소재를 통해 구비되는 표면재;
    를 더 포함하는,
    투명 신축 구조체.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강재는,
    유리 섬유(glass fiber) 매트 층 또는 투명 고분자 필름을 포함하는,
    투명 신축 구조체.
    
12. 탄성력을 가진 모재를 하나의 축 방향으로 인장시키는 단계; 및
    상기 인장된 모재의 일면에 투명 소재의 보강재를 접착시키는 단계;
    를 포함하며,
    상기 보강재는,
    제 1 강성을 가지며 상기 모재에 일 축 방향으로 주름진 구조를 가지도록 부착되며,
    상기 모재와 결합된 상기 보강재는,
    사전 결정된 주기를 갖는 사인파 또는 아코디언 형상의 일방향 주름 구조를 포함하며, 주름의 수직 방향으로는 상기 제 1 강성을, 주름 방향으로는 제 2 강성을 가지는 것을 특징으로 하고,
    상기 제 1 강성은, 상기 모재의 강성과 상기 제 2 강성의 합보다 적어도 10배 이상인 것을 특징으로 하는,
    투명 신축 구조체의 제조 방법.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    투명 신축 구조체의 제조 방법은,
    상기 모재를 생성하는 단계;
    를 더 포함하며,
    상기 모재를 생성하는 단계는,
    액체 상태의 모재에 투명 첨가제를 첨가하는 단계;
    고정판에 상기 액체 상태의 모재를 공급하는 단계;
    상기 액체 상태의 모재에 대한 경화를 수행하는 단계; 및
    상기 고정판을 분리시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 투명 첨가제는, 3nm 내지 100nm 크기의 나노 입자 형상을 통해 구성되며, 산화지르코늄(ZrO2), 이산화 타이타늄(TiO2) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함하는,
    투명 신축 구조체의 제조 방법.
    
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 인장된 모재의 일면에 투명 소재의 보강재를 접착시키는 단계는,
    상기 인장된 모재의 일면에 투명 신축 접착제를 도포하는 단계; 및
    상기 접착제가 도포된 일면에 상기 보강재를 부착시키는 단계;
    를 포함하며,
    상기 투명 신축 접착제는,
    열경화성 폴리우레탄(polyurethane) 및 폴리이소부틸렌(polyisobutene) 중 적어도 하나를 포함하는,
    투명 신축 구조체의 제조 방법.
    
15. 삭제
16. 제 12 항에 있어서,
    투명 신축 구조체의 제조 방법은,
    상기 보강재의 상부측에 탄성력을 가진 소재를 공급하며 표면층을 형성하는 단계;
    를 더 포함하는,
    투명 신축 구조체의 제조 방법.
    
17. 제 12 항에 있어서,
    상기 보강재는, 제 1 보강재 및 제 2 보강재를 포함하며,
    상기 인장된 모재에 투명 소재의 보강재를 접착시키는 단계는,
    상기 인장된 모재의 일면에 상기 제 1 보강재를 접착시키는 단계; 및
    상기 인장된 모재의 상기 일면과 마주보는 다른 일면에 상기 제 2 보강재를 접착시키는 단계;
    를 포함하는,
    투명 신축 구조체의 제조 방법.
    
18. 제 12 항에 있어서,
    상기 모재는, 제 1 모재 및 제 2 모재를 포함하며,
    상기 인장된 모재에 투명 소재의 보강재를 접착시키는 단계는,
    상기 제 1 모재 및 상기 제 2 모재를 동일한 축 방향을 기준으로 인장시키는 단계; 및
    상기 인장된 제 1 모재의 하면과 및 상기 인장된 제 2 모재의 상면 사이에 상기 보강재를 접착시키는 단계;
    를 포함하는,
    투명 신축 구조체의 제조 방법.
    
19. 표면에 주름 구조를 포함하는 모재를 제작하는 단계; 및
    상기 모재의 주름진 일면에 투명 소재의 보강재를 접착시키는 단계;
    를 포함하며,
    상기 보강재는,
    제 1 강성을 가지며 상기 모재에 일 축 방향으로 주름진 구조를 가지도록 부착되며,
    상기 모재와 결합된 상기 보강재는,
    사전 결정된 주기를 갖는 사인파 또는 아코디언 형상의 일방향 주름 구조를 포함하며, 주름의 수직 방향으로는 상기 제 1 강성을, 주름 방향으로는 제 2 강성을 가지는 것을 특징으로 하고,
    상기 제 1 강성은, 상기 모재의 강성과 상기 제 2 강성의 합보다 적어도 10배 이상인 것을 특징으로 하는,
    투명 신축 구조체의 제조 방법.
    

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