KR102392740B1 - 본질적으로 신장성 도체와 본질적으로 비-신장성 도체 사이의 전기적 상호접속 시스템 - Google Patents

Abstract

본질적으로 신장성 도체(120)와 본질적으로 비-신장성 도체(110) 사이, 또는 두 개의 본질적으로 신장성 도체들 사이의 전기적 상호접속을 얻기 위한 시스템이 개시된다. 상기 시스템은 특히 신경 자극 및/또는 신경 기록을 위해 사람 또는 동물의 신체에 이식 가능하고, 고도로 순응 가능하고 변형 가능한 장치의 생산에 적용된다.

Description

본질적으로 신장성 도체와 본질적으로 비-신장성 도체 사이의 전기적 상호접속 시스템

본 발명은 본질적으로 신장성 도체와 본질적으로 비-신장성 도체 사이의 전기적 상호접속을 얻기 위한 시스템에 관한 것으로, 특히, 본 발명의 시스템은 신경 자극 및/또는 신경 기록을 위해 고도로 순응 가능하고 변형 가능한 인간 또는 동물 신체에 이식 가능한 장치의 제조에 적용된다.

다수의 분야 영역에서, 변형, 진동, 또는 압축과 같은 기계적 스트레인(strain)을 받는 인쇄 회로 기판의 와이어 또는 트랙과 같이 단단한 또는 가장 유연한 도체 사이에 안정적인 전기적 접속을 설정할 필요가 있다. 이러한 스트레인은 일반적으로 두 도체의 결합에 의해 형성된 이상적인 선을 가로지르는 방향으로 작용한다. 개발된 해결책(또한 특허의 목적)은 도체를 형성하는 물질의 붕괴를 방지하기 위해 두 도체 간의 상호접속 인터페이스에서 힘을 감소 또는 제거하는 방법에 중점을 둔다.

최근 몇 년 동안, 가요적일 뿐만 아니라 본질적으로 신장성, 즉 도전 방향으로(가역적으로) 연장될 수 있는 도체가 연구되어 왔으며 여전히 개발 중이며, 상기 도체는 도체를 요구하는 임의의 상황에서 이용가능 하지만, 일차적으로 의도된 응용은 인간(및 동물) 신체에 이식 가능한 전극의 생산에 대한 것이며, 상기 도체는 상기 전극이 삽입되는 파트의 모든 변형을 따라갈 수 있어야 하며, 연속성 및 주요 전기적 특성을 잃지 않고 길어지고 초기 길이로 되돌아가는 것을 포함한다.

이러한 특성을 갖는 도체를 제조하기 위해 제안된 제 1 방법은 생체 적합성 엘라스토머 중합체 내에 기복이 있는 패턴을 갖는 금속선(와이어 또는 얇은 침착물(deposit))을 제조하여 하나 또는 그 초과의 전기 접점을 의도된 용도에 따라 사전 설정된 지점에서 중합체의 표면으로 돌출시키며; 중합체가 연장될 때, 물결 모양의 금속선은 신장 또는 단축을 허용한다. 이러한 유형의 도체는 예를 들어 특허 US 7,085,605 B2호 및 US 7,265,298 B2호에 기술되어 있다.

두 번째 접근법은 미국 특허 제 9,107,592 B2호에 기술되어 있으며 미리 신장된 엘라스토머에 금속 트랙을(공지된 방법을 이용하여) 침착하는 것으로 구성되어 있으며; 침착 후에, 엘라스토머는 "정지 상태"의 크기로 복귀하고, 금속 침착물은 그 수축을 따라 기하학적으로 재배열된다.

마지막으로, 또 다른 대안적인 접근법이 본 출원인에게 양도된 국제 특허 출원 WO 2011/121017 A1호에 기술되어 있다. 이 방법에 따르면, 도전선(conductive line)은 탄성 중합체 나노미터 크기의 금속 집합체(예를 들면, 티타늄)에 주입하여 생성되고, 본 출원에 제공된 예는 비록 침착물이 불연속 입자로 구성되어 있지만, 도체의 수만의 연장/단축 사이클 후에도 전기적 연속성은 물론 그의 보유가 보장된다는 것을 보여준다.

도전의 주된 방향을 따라 신장될 수 있는 이러한 유형의 도체는 본문 및 청구 범위에서 "본질적으로 신장성" 또는 단순히 신장성으로 지칭된다.

위에서 언급한 여러 도체 사이의 접점 생성 문제는 두 도체 중 하나가 본질적으로 신장성일 때 훨씬 더 복잡하며; 두 개의 도체가 모두 본질적으로 신장성을 갖는 유형이지만 탄성 계수에 큰 차이가 있는 경우, 유사한 문제가 발생한다.

강성 또는 가장 유연한 도체를 연결하기 위해 전통적으로 채택된 해결책은, 위에 언급된 변형 이외에, 접촉 영역에서도 두 개의 도체의 접합에 의해 형성되는 이상적인 선을 따라 반대 방향으로 작용하는 힘에 의해 길이 방향 변형이 있는 경우에는 적합하지 않다.

사실, 서로 연결되고 스트레인 및 변형이 가해지는 연성 및 신장성의 도전성 구조물과 비-신장성의 도전성 구조물(예를 들어, 금속 와이어) 사이의 상호접속은 이 지점에서 스트레인이 대부분 축적되어 기계적 고장과 이에 따른 전원 장애가 발생되기 때문에 매우 중요하다.

상기 문제점은 생물 의학 응용 분야, 특히 인체 내의 이식에 대한 관점에서 전기적 상호접속은 가능한 한 가장 작은 공간에 통합되어야 하고 가능하면 심지어 많은 접점을 병렬로 상호접속할 수 있어야 한다는 사실에서 더욱 복잡하다.

가능한 해결책(Bossuyt F. 등의 "대면적 응용을 위한 신장성 전자 장치 기술: 제조 및 기계적 특성", 부품, 패키징, 및 제조 기술에 관한 IEEE 거래 3, 제 2권(2013년 2월) : 229-35. doi:10.1109/TCPMT.2012.2185792)은 기계적 응력이 이러한 영역에 작용하는 것을 방지하기 위해 신장성 파트의 상호접속 영역에 강성 구조("피복(armour)")를 통합하는 것이고; 피복은 예를 들어 상호접속 영역 또는 유사한 수단에서 신장성 기판에 통합된 비-신장성 시트일 수 있다. 그러나 이 접근 방식은 문제를 두 강성 파트들 사이의 상호접속에 가져 오는 간단한 방식이며 추가 파트(피복)의 장치로의 통합을 요구하므로, 상호접속의 크기를 감소시키는 문제를 동시에 해결하는데 적합하지 않으며, 이 때문에, 피복의 사용은 소형화가 전제 조건인 의료 기기를 제조하는 데 최적이 아니다.

특허 출원 US 2003/0233133 A1호는 가요성 기판 상의 집적 회로와 도전성 트랙 사이의 전기적 상호접속을 위한 시스템을 개시하고; 이 출원에서 설명된 시스템은 이전 시스템에 비해 개선되지만, 사람 또는 동물의 신체의 운동을 따르도록, 사람 또는 동물의 신체에 이식 가능한 장치의 연결을 위해 필요한 바와 같이, 신장성 기판 상에 침착된 도전성 트랙과의 전기적 접속을 허용하지 않는다.

본 발명의 목적은 탄성 및 신장성 도체와 비-신장성 도체 사이 또는 상이한 탄성 계수를 갖는 두 개의 신장성 도체 사이에 안정적인 전기적 접촉을 생성하여 부가적인 강성 피복을 이용하지 않고 두 개의 도체 사이의 상호접속 영역에서의 응력을 완화시키는 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 목적은,

- 비-신장성 평면 기판(가요성 또는 강성)으로 구성되는 신장성 상호 접속 보드로서, 상기 비-신장성 평면 기판의 하나의 기능화된 면(face) 상에 그의 일 단부에서 각각 강성, 탄성, 또는 결과적으로 신장성일 수 있는 시스템 외부의 적어도 하나의 도체와 전기 접촉하는 적어도 하나의 도전성 트랙이 존재하는, 신장성 상호 접속 보드;

- 적어도 하나의 신장성의 도전성 구조가 존재하는 기능화된 면 상의 탄성 및 신장성 기판;

- 상기 적어도 하나의 도전성 트랙 및 상기 적어도 하나의 신장성의 도전성 구조물이 없는 상기 면의 구역들의 적어도 일부에 상기 기능화된 면에 접착되는, 상기 상호접속 보드와 상기 탄성 및 신장성 기판 사이에 개재된 접착성 및 전기 절연 물질의 적어도 하나의 침착물로서, 선택적으로 접착성, 탄성, 및 도전성 물질의 적어도 하나의 침착물을 통해, 상기 적어도 하나의 도전성 트랙과 상기 적어도 하나의 신장성의 도전성 구조물 사이의 접촉을 보장하면서, 상기 보드와 기판 사이를 접착하는, 접착성 및 전기 절연 물질의 적어도 하나의 침착물을 포함하는, 시스템에 의해 달성된다.

도 1a, 도 1a', 및 도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 시스템의 단면도이고,
도 2는 도 1a, 도 1a', 및 도 1b의 시스템의 사시도이고,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 시스템의 두 개의 단면도이고,
도 4는 도 3a 및 도 3b의 시스템의 사시도이고,
도 5는 외부 도체와 신장성의 도전성 구조물 사이의 전기 접속의 특정 실시예의 단면도이고,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 외부 도체에 연결된 신장성의 도전성 구조물이 존재하는 신장성 기판에 의해 형성된 시스템의 두 개의 가능한 기하학적 형상을 보여준다.

본 발명의 특징 및 장점은 하기의 설명에서 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 도면에서, 다양한 파트는 스케일에 따른 것은 아니며 일부 영역의 폭, 특히 일부 층의 두께는 표현의 명확성을 위해 크게 증가될 수 있으며; 또한, 모든 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일한 요소에 대응한다.

본 발명의 상호접속 시스템은 적어도 하나의 신장성의 도전성 구조물이 있는 탄성 및 신장성 기판과 적어도 하나의 외부 도체 사이의 안정된 전기적 접속을 얻는 것을 허용하며; 상호접속 보드와 탄성 및 신장성 기판 사이에 개재된 접착성 및 전기 절연 물질은 본 발명의 구현에 필요한 조건은 아니지만 결과적으로 탄성인 것이 바람직하다. 탄성 및 신장성 기판 및 상호접속 보드는 일반적으로 한 면에만 도전성 구조물을 가지며, 상기 도전성 구조물이 존재하는 상기 보드 및 상기 기판의 면들은 본 명세서 및 청구 범위에서 "기능화된 면(functionalized faces)"으로 정의된다.

본 발명의 상호접속 시스템의 제 1 실시예가 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있다. 이들 도면은 두 개의 상호 직교하는 단면에서의 시스템의 도면을 도시한다: 특히,도 1a의 도면은 도 1b의 점선 B-B'를 따른 단면이고, 도 1b의 도면은 도 1a의 점선 A-A'를 따른 단면이다. 도 1a는 간략화를 위해, 상호접속 보드상의 단일 도전성 트랙과 탄성 및 신장성 기판상의 단일 신장성의 도전성 구조물 사이의 연결을 도시하지만, 후술되는 바와 같이, 본 발명의 상호접속 시스템은 통상적으로 시스템 외부의 다수의 도체(이하 간단히 "외부 도체"라 함)를 다수의 신장성의 도전성 구조물에 연결하고; 가장 일반적인 경우는 외부 도체와 신장성의 도전성 구조물의 개수가 동일하여 "일대일" 모드로 연결되지만 멀티플렉싱 모드의 시스템도 구현할 수 있으며 다중의 신장성의 도전성 구조물은 단일 외부 도체와 접촉한다.

도 1a 및 도 1b의 시스템(100)은 기능화된 면 상에 도전성 트랙(111)을 갖는 평면형의 비-신장성 보드(110); 기능화된 면 상에 기판의 표면 상에 노출된 신장성의 도전성 구조물(121)이 존재하는 탄성 및 신장성 기판(120); 및 상기 보드(110)와 기판(120) 사이에 개재된 전기 절연성, 바람직하게는 탄성 접착 물질의 적어도 하나의 침착물(101)로 이루어진다. 보드(110)와 기판(120)은 서로 마주하는 각각의 기능화된 면을 가지며, 침착물(101)은 이들 기능화된 면에 접착한다. 실제로, 보드(110)와 기판(120)이 서로 접촉될 때, 돌출 트랙(111)의 존재는 보드와 기판의 기능화된 면들 사이에 빈 공간을 형성하게 하고, 이 빈 공간은 이어서 침착물(101)의 물질로 채워진다. 침착물(101)의 물질을 통한 보드(110)와 기판(120) 사이의 결합은, 신장성의 도전성 구조물(121)에 대해 가압된 트랙(111)을 유지하는 힘(화살표(500)로 도시됨)을 인가함으로써 달성되어 기판(120)과 함께 탄성적으로 변형되고; 이러한 상태는 기판(120) 및 구조물(121)가 트랙(111)과 접촉하는 영역에서의 압축에 의해 어떻게 변형되는지를 보여주는 도 1a에 도시된다. 이러한 방식으로, 침착물(101)의 물질은 도 1a'에 도시된 바와 같이, 조립 중에 가해지는 힘의 제거 후에도 트랙(111)과 구조물(121) 사이에 잔류 압력을 유지하면서 기판과 보드 사이의 접착을 보장한다. 또한, 침착물(101)이 탄성인 바람직한 경우에 있어서, 이는 상기 트랙과 상기 신장성의 도전성 구조물이 기능화된 면에 평행한 평면의 방향으로의 상대 운동의 경우에도 접촉 상태를 유지하도록 하고; 이러한 이동은 트랙(111) 및 구조(121)의 축선에 평행한 방향을 따라, 트랙(111) 및 구조물(121)이 서로에 대해 측방으로 이동하도록, 이 축선에 직각인 방향을 따라, 또는 이러한 두 개의 주된 방향들의 조합인 방향들을 따라 수행될 수 있다. 침착물(101)에 의해 덮인 영역은 탄성 및 신장성 기판(120)이 사람의 신체 내로의 이식에 따라 사람의 신체의 움직임에 의해 받게 될 수 있는 정상 신장도까지 변형될 때 파손을 일으키지 않고 접촉의 변형 동안 발생된 응력을 흡수하기에 충분히 넓다.

보드(110)의 일 단부(도 1b 참조)에는 외부 도체(103)가 외부 장치, 예를 들면, 신경 생리학을 위한 전기 신호 기록 시스템 또는 전기 자극 시스템 을 구비한 시스템의 전기 접속을 위해 존재하고, 신경 조절용 전극으로서의 신장성 및 도전성 구조물의 경우; 이 도체는 예를 들면 강성, 탄성이지만 비-신장성, 또는 결과적으로 신장성의 임의의 타입일 수 있으며; 전형적으로, 외부 도체(103)는 예를 들어 구리로 만들어진 전선이다. 도체(103)는 보드(110) 내의 개구(112)를 통해 트랙(111)과 전기적으로 접촉한다. 개구(112)를 통해 도체(103)와 트랙(111) 사이를 연결하기 위한 특정 방법이 아래에서 예시된다.

전술한 바와 같이, 도 1a, 도 1a', 및 도 1b는 트랙(111)과 도전성 구조물(121) 사이에 단일 상호접속이 형성되는 시스템을 도시하고 있지만, 본 발명의 시스템은 다중 외부 도체와 외부 도체와 개수가 동일하거나 상이할 수 있는 다수의 신장성의 도전성 구조물 사이에 다수의 상호접속을 실시하기 위해 특이 유용하다. 도 2는 상호접속 시스템(100)의 사시도를 도시하며, 이 도면에서, 단순화를 위해, 트랙(111)에서 구조물(121)의 약간의 함몰부가 도시되지 않는다. 보드(110)상에는 탄성 및 신장성 기판(120) 상에 존재하는 다수의 신장성의 도전성 구조물(121)과 접촉하는 세 개의 트랙(111)이 있으며, 세 개의 트랙은 보드(110)의 관통 구멍(112)을 통해 3 개의 외부 도체(103)에 연결되고, 도면은 또한 본 발명의 상호접속 시스템의 실시예에서 침착물(101)의 배치를 도시한다.

본 발명의 시스템의 구성 요소의 제조를 위해, 적합한 물리적 및 화학적 특성을 갖는 모든 물질이 사용될 수 있다. 예를 들면 다음과 같다.

- 보드(110)의 구성에 대해, 일반적으로 중합체 물질로 만들어진 전기 절연 물질이 사용될 수 있으며; 보드는 단단하거나 바람직하게는 가요성이지만, 비-신장성일 수 있으며; 전형적으로, 이러한 보드는 인쇄 회로 보드(PCB)의 생산에 사용되는 보드와 동일한 유형이고;

- 트랙(111)은 금속, 예를 들어 구리, 은, 금, 백금, 또는 코발트-니켈계 합금으로 만들어지며, 보드의 전체면을 금속으로 코팅하는 기술, 제조될 트랙에 대응하는 파트의 잉크로 마스킹하는 기술, 및 화학적 에칭(일반적으로 산성 욕)으로 마스크되지 않은 금속 파트를 선택적으로 제거하는 기술; 또는 선택적으로 마스킹을 통한 선택적 침착 기술(예를 들면, 스퍼터링)과 같은 임의의 공지된 기술로 침착될 수 있으며;

탄성 및 신장성 기판(120)에 대해, 임의의 엘라스토머 중합체 물질이 사용될 수 있으며, 이러한 물질의 예는 폴리우레탄 엘라스토머, 엘라스토머성 불소중합체, 폴리올레핀계 엘라스토머, 폴리부타디엔(BR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 에틸렌-프로필렌 고무(EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 고무(EPDM), 니트릴 고무(NBR), 아크릴 고무(ACM), 이소부틸렌 및 이소프렌계 고무(IIR), 바람직하게는 실리콘(폴리실록산)이며;

- 기판상의 신장성의 도전성 구조물(121)은 도전성 물질, 전형적으로 금속(예를 들어, 금)의 입자를 기판의 표면에 주입함으로써 제조되고, 주입을 달성하기 위한 바람직한 기술은 본 출원인에게 양도된 특허 출원 WO 2011/121017 A1호에 기술된 "초음속 클러스터 빔 주입(Vacuum Implantation)"또는 SCBI이며;

- 침착물(101)을 제조하기 위한 접착 물질은 바람직하게는 탄성이고 전형적으로 실리콘이지만, 에폭시 수지 또는 다른 중합체와 같은 비탄성일 수 있으며,

- 마지막으로, 외부 도체(103)는 공지된 임의의 유형, 예를 들어 절연 물질로 덮인 케이블 또는 금속 편조일 수 있다.

제 2 실시예에서, 본 발명의 시스템(200)은 보드상의 트랙과 탄성 및 신장성 기판상의 도전성 구조물 사이에 개재된 탄성, 접착성 및 도전성 물질의 추가 침착물을 더 포함한다. 이 실시예는 도 1a 및 도 1b의 단면과 유사한 두 개의 상호 직교하는 단면의 도면을 나타내는 도 3a 및도 3b에 도시되며(도 3a의 도면은 도 3b의 점선 B-B'를 따른 단면이고, 도 3b의 도면은 도 3a의 점선 A-A'를 따른 단면이다); 또한 도 3a 및 도 3b는 편의상 트랙과 신장성의 도전성 구조물 사이의 단 하나의 상호접속을 보여준다.

시스템(200)은 시스템의 면 상에 도전성 트랙(111)을 갖는 평면 및 비-신장성 보드(110); 신장성의 도전성 구조물(121)이 그 면 상에 존재하는 탄성 및 신장성 기판(120); 및 상기 보드(110)와 기판(120)의 기능화된 면들 사이에 개재된 전기 절연성의, 바람직하게는 탄성의 접착 물질의 적어도 하나의 침착물(101)로 이루어진다. 그러나, 이 경우 트랙(111) 및 신장성의 도전성 구조물(121)은 서로 직접 접촉하지 않지만, 트랙 및 신장성의 도전성 구조물 모두에 부착되고 트랙 및 신장성의 도전성 구조물 사이의 전기적 연속성을 보장하는 탄성, 접착성 및 도전성 물질의 침착물(102)을 통과한다. 이러한 구성에 의해, 기능화된 면의 평면에 수직인 작은 이동, 즉 트랙(111)을 구조물(121)로부터 멀어지게 이동시키는 이동에 대해서도, 평면에서의 상대적인 이동에 추가하여 트랙(111)과 도전성 구조물(121) 사이의 전기 접촉이 보장되고; 더욱이, 이 구성은 보드(110)와 기판(120) 사이의 접착 표면(및 그에 따른 접착 강도)을 증가시킨다.

유형 200의 시스템을 제조하기 위한 물질은 제 1 실시예에 대해 언급한 것과 동일하며; 침착물(101)에 사용되는 동일한 물질이 침착물(102)의 제조에 사용되지만, 침착물을 전기적으로 도전성으로 만들기 위해 도전성 입자, 전형적으로 금속 및 바람직하게는 은 분말로 충전된다. 이러한 목적에 유용한 물질은 발명의 명칭이 "도전성 실리콘 고무 조성물"인 미국 특허 제 7,537,712 B2호에 기재되어 있다.

도 4는 이러한 제 2 실시예에 따른 시스템(200)의 사시도를 도시하고, 이 경우에도 각각 외부 도체(103), 트랙(111), 탄성의 도전성 물질의 침착물(102), 및 신장성의 도전성 구조물(121)로 이루어진 3 개의 도전성 경로가 도시되어 있다.

외부 도체(103)와 트랙(111) 사이의 연결은 용접(열 용접, 레이저 용접, 초음파 용접), 납땜, 기계적 체결 또는 임의의 유형의 도전성 접착제로 접착하는 것과 같은 당업자에게 공지된 임의의 수단 및 기술에 의해 구현될 수 있다. 전형적인 실시예에서, 접속은 도체(103)의 일 단부가 내장된 도전성 물질(예를 들어 주석)로 채워진 보드(110) 상에 제조된 관통 구멍("비아 홀")(112)에 의해 이루어진다. 대안적으로, 도 5에 개략된 방법이 사용될 수 있다. 이 방법에서, 신장성 장치와 도체(103) 사이의 상호접속은 양쪽면에 Au 도금된 Cu로 제조된 도전성 트랙을 갖는 평면형의 비-신장성 보드(110)로 이루어진, 양면 상호접속 보드로 달성된다. 보드(110)의 하부면(신장성의 도전성 구조물(121)과 마주하는 면)에는 하나 또는 그 초과의 제 1 트랙(111)이 있고; 보드(110)의 상면에는 하나 또는 그 초과의 제 2 트랙(111')이 있다. 각각의 제 2 트랙(111')은 도 5에서 단면으로 도시된 바와 같이, 내부에 금속(전형적으로 Au)으로 코팅된 관통 구멍(112)을 통해 제 1 트랙(111)에 연결된다. 외부 도체(103)는 도전성 물질(104)(예를 들어, 주석)의 침착을 통해 상부 도전성 트랙(111')에 연결된다. 신장성의 도전성 구조물(121)은 이 대안적인 실시예에서 관통 구멍을 통해 분배되는 탄성, 접착성, 및 도전성 물질의 침착물(102)을 통해 트랙(111)에 연결된다. 이는 관통 구멍(112), 상부 트랙(111'), 및 도전성 물질(104)을 통해 구조물(121)과 외부 도체(103) 사이의 전기적 접속을 보장한다. 이는 보드(110)와 기판(120) 사이(및/또는 보드(110)와 기판(121) 사이)에 개재된 전기 절연성 및 바람직하게는 탄성 접착 물질의 침착물(101)이 연결 보드와 본질적으로 신장성 장치 사이의 부가적인 기계적 결합을 보장한다.

모든 경우에, 외부 도체는 트랙(111)(또는 트랙(111'))에 용접되거나 도전성 페이스트 또는 접착제로 접착될 수 있다.

본 발명의 시스템은 신장성 파트와 비-신장성 파트 사이의 전기적 접속에서의 다양한 문제점을 극복할 수 있다. 비-신장성 와이어를 신장성의 도전성 구조물과 전기적으로 접촉시키도록, 즉 본 발명의 상호접속 보드를 사용하지 않고 단순히 도전성 접착제를 사용하는 해결책은 동일한 결과를 생성하지 않을 것이다. 사실, 이러한 방식으로 제조된 접점이 전선에서 사용 가능한 낮은 접촉면과 2 개의 접착 파트의 기계적 특성 사이의 큰 불일치로 인해 기계적 응력이 없는 상태에서 전기 접촉을 보장할 수 있을지라도, 상기 응력의 존재에서, 상기 시스템이 용이하게 파손될 수 있으며, 이는 응력이 접촉 와이어와의 인터페이스에서 증가하기 때문이다. 더욱이 이러한 해결책은 비틀림 스트레인에 대해 더 불안정하다. 마지막으로, 동일한 장치에 다중 접점을 구현하려는 경우, 실리콘 접착제만을 통한 직접 접촉 시스템을 구현하는 것은 번거롭고 어려울 수 있다.

대신에, 본 발명자들은 강성(또는 비-신장성) 도체와 신장성 도체 사이에 큰 접촉면을 얻을 수있게 함으로써, 이러한 문제가 본 발명의 시스템에서는 발생하지 않는다는 것을 놀랍게도 관찰하여, 두 개의 파트의 상대적인 운동에 의한 기계적 힘이 더 큰 영역에 걸쳐 분포되어 전기적 접점 상의 응력의 국한을 방지하고 효율적인 방식으로 많은 접점의 상호접속을 가능하게 한다.

특히, 본 발명을 통해, 시스템은 전단 응력이 신장성 파트의 적어도 5 %의 신장을 야기하는 것과 같은 경우에 시스템이 도전 상태 하에 있고 강성 와이어와 탄성 및 신장성 기판 사이에 응력이 증가된다는 것이 관찰되었다.

요약하면, 다음의 장점 및 특징이 본 발명의 시스템으로 얻어진다.

1: 적어도 하나의 본질적으로 신장성의 도전성 구조물과 와이어와 같은 비-신장성의 도전성 파트 사이에서 전기 접촉이 얻어질 수 있다;

2: 신장성 구조물 및 비-신장성 파트로 구성된 시스템에 전단 응력이 가해질 때조차 안정한 전기적 접촉이 유지될 수 있다.

3: 신장성 구조물에 대하여 비-신장성 파트에 토크 응력이 가해질 때조차 안정된 전기 접촉이 유지될 수 있다.

4: 상호접속 시스템은 상이한 본질적으로 신장성의 도전성 구조물과 각각의 비-신장성 파트(예를 들어, 다수의 와이어와 같은) 사이에 병렬로 전기 접촉을 설정할 수 있다.

5: 전체 상호접속의 풋프린트(footprint)는 일반적으로 사람 신체의 작은 영역에서 사용되어야 하는 신경 변조 전극과 같은 장치의 구현을 가능하게 하기에 충분히 얇다.

본 발명은 하기 실시예에 의해 추가로 기술될 것이다.

예 1

이러한 예는 구리 도전성 와이어들과의 신장성의 도전성 구조물의 결합으로 이루어진 본 발명의 시스템의 제조를 지칭하며; 시스템(600)은 도 6에 도시된다.

탄성 및 신장성 기판(601)은 200㎛의 두께를 가지며, 두 개의 성분 실리콘 고무로 제조되고, 탄성 및 신장성 기판은 액체 실리콘(회사 NuSil Technology LLC의 MED-6033, Carpinteria, California, USA) 의 1 그램의 유리 지지체에 분산시키고, 스핀 코팅 기술에 의해 펼쳐지고 제조업체의 지시에 따라 150℃에서 30분 동안 중합됨으로써 얻어진다.

두 개의 신장성 U 자형 금속 트랙(602 및 602')이 이와 같이 제조된 기판에서 얻어지며, 도면에 도시된 바와 같이 제 1 기판을 제 2 기판으로 위치시킨다. 이러한 트랙은 특허 출원 WO 2011/121017 A1호에 기술된 바와 같이 원하는 형상의 금속 마스크(스텐실 마스크)를 사용하여 기판을 보호하면서 SCBI를 통해 얻어진 20nm 두께의 백금 침착물로 구성된다. 그 후, 백금의 층과 정확히 겹치는 150nm의 금의 층이 상술된 동일한 셋업을 사용하여 SCBI를 통해 주입된다. 트랙의 너비는 0.7mm이고 상호 간격은 0.3mm입니다. 외부 U 트랙의 길이는 21mm이며, 내부 U 트랙의 길이는 18mm이다. 이렇게 얻어진 금속 트랙은 본 발명의 신장성의 도전성 구조물을 구성한다. 신장성 금속 트랙과 도전성 구리 와이어(103) 사이의 상호접속은 상호접속 보드(110)로 얻어지며, 여기서 연결 모드는 도 5를 참조하여 상술된 것이며 양면 인쇄 회로 보드로 이루어진다. 보드(100)는 2mm의 길이, 4.5mm의 폭, 및 0.1mm의 두께를 갖는 FR4(본 기술 분야에서 표준인, 유리 섬유로 보강된 에폭시 수지)로 제조된 중합체 지지체로 이루어지고, 그 위에 Au(치수: 1.2㎜Х0.7㎜Х50㎛)로 도금된 네 개의 도전성 트랙(111, 도면에는 도시하지 않음)이 배열된다. Cu/Au 도전성 트랙은 보드의 양면에 존재한다. 각각의 트랙은 관통 구멍(112)을 통해 하부 트랙과 연결되고, 그 내부 벽은 이어서 Au로 코팅된다. 두 개의 성분 액체 실리콘 Nusil MED 6033으로 구성된 실리콘 접착제(101)는 하나의 도전성 트랙과 다른 하나의 도전성 트랙 사이에 개재된 실리콘 고무에 분포된다. 상호접속 보드는 실리콘 기판 상에 배치되어 4 개의 하부 트랙을 신장 가능한 도전성 구조물(602 및 602')의 4 개의 단부 파트와 정합시킨다. 보드 표면에 고르게 분포되고 표면 자체에 수직인 힘이 1N과 동일한 상호접속 보드에 적용되어 실리콘 기판에 상호접속 보드를 가압한다.

이는 신장성 트랙과 보드(110)의 Cu/Au 도전성 트랙 사이의 전기 접촉 및 보드와 탄성 및 신장성 실리콘 기판 사이의 기계적 결합 모두를 접착 물질(101)에 의해 보장한다. 실리콘 기판상의 상호접속 보드를 가압하는 힘 70℃의 노에서 60 분간 베이킹하여 얻은 물질(101)의 경화에 필요한 만큼 유지된다.

물질(101)이 경화되면, 0.1mm 직경의 네 개의 구리 와이어(103)가 주석 납땜에 의해 보드(110)의 상부 표면 상에 존재하는 Cu/Al의 네 개의 파트(111')에 연결되고 관통 구멍(112) 내에 존재하는 금을 통해 트랙(111)과 접촉하고, 네 개의 구리 와이어 각각은 중합체 코팅으로 전기적으로 절연된다.

이러한 방식으로, 비-신장성 전기 도체(구리 와이어)와 본질적으로 신장성 전기 도체(실리콘 고무에 침착된 Pt/Au 트랙) 사이의 상호접속이 상호접속 보드를 통해 완료된다. 보드(110)의 상부면은 주석 납땜된 영역을 전기적으로 절연시키고 기계적으로 보강하기 위해 에폭시 수지(도시되지 않음)로 코팅된다.

트랙(602, 602')의 각각의 단부는 구리 와이어에 연결된다. 기계적 응력 하에서 전기적 상호접속의 유지를 확인하기 위해, 동일한 신장성 트랙의 두 개의 단부에 상호접속된 두 개의 구리 와이어 사이에 1V의 전위차가 인가되고 시스템의 전기 저항이 측정된다. 상기 장치는 인장 응력을 받고, 일 단부 상의 구리 와이어에 의해 그리고 다른 쪽 단부상의 실리콘 기판의 단부(603)에 의해 유지된다. 정지시 약 200 Ω의 저항이 측정된다. 인장 응력 하에서, 약 270Ω, 390Ω 및 880Ω의 저항값이 관찰되며, 실리콘 기판 신장은 각각 5%, 10%, 20%이다. 장치를 정지 위치로 되돌리면 저항 값이 200Ω로 되돌아간다.

예 2

이 예는 구리 도전성 와이어들과의 신장성의 도전성 구조물의 결합으로 이루어진 본 발명의 또 다른 시스템의 제조를 지칭하며; 시스템(700)이 도 7에 도시된다.

신장성의 도전성 구조물의 단지 상이한 구조의 차이점과 함께, 네 개의 구리 와이어(103)가 연결되는 탄성 및 신장성 기판과 상호접속 보드(110) 사이의 결합에 대해 예 1에 개설된 절차가 반복된다.

상기 시스템의 신장성 파트는 Au/Pt의 네 개의 신장성 금속 트랙(702)이 존재하고 또한 신장성인 Pt(703)의 전극에 의해 종료되는 탄성 및 신장성 기판(701)으로 구성된다. 가장 좁은 파트(상호접속 보드에 가장 가까운 파트)에서, 트랙의 폭은 0.7mm이고 상호 간격은 0.3mm이고; 네 개의 트랙은 길이가 각각 12, 22, 32 및 44mm이다. Pt 전극(703)은 3.5mm의 직경을 갖는 원형이다. 이 트랙은 약 200μm 두께의 실리콘 고무 기판 위에 Pt 및 Au 나노 입자의 침착을 통해 만들어지며; 기판 및 트랙은 예 1에 기재된 바와 같이 제조된다. 상세히, 트랙은 20nm의 Pt 층을 침착 한 후 75nm의 두께의 Au 층을 침착함으로써 얻어지고; 전극(703)은 두 개의 요소 사이의 전기적 연속성을 보장하기 위해 Pt 전극 상에 Pt/Au 트랙을 부분적으로 덮어 씌우고 150nm Pt를 침착함으로써 얻어진다. 이와 같이 얻어진 트랙 및 전극은 실리콘 기판과 함께 본질적으로 신장성의 도전성 복합 물질을 구성한다.

보드와 신장성의 도전성 구조물 사이의 결합 후에, 전체 시스템(구리 와이어(103)를 제외함)은 실리콘 고무의 200 ㎛ 두께의 층으로 코팅되어, 노출된 Pt 전극만을 남긴다.

상기 장치는 식염수에 침지하는데, 구리 와이어의 자유 단부를 용액 바깥에 유지한다. 또한, 백금 봉으로 이루어지는 용액에 대향 전극을 첨가하고, 대향 전극과 네 개의 신장성 전극 각각 사이에 한번에 한 개씩 1V의 전위차를 인가하여 전류를 흘린다. 회로 임피던스는 네 개의 트랙(702)의 각각에 대해 측정되고 기록되며; 측정된 값은 각각 170, 175, 179 및 183Ω이다. 기계적 피로에 대한 전기적 상호접속의 유지를 확인하기 위해, 장치는 1000 개의 신장 사이클을 겪고, 구리 와이어에 의해 일 단부에, 그리고 상기 상호접속 보드로부터 가장 먼 신장성 구조물의 단부(704)에 의해 다른 일 단부에 유지된다. 각 사이클에서, 신장성 구조는 정지시 길이의 10%만큼 신장된 다음 원래의 길이로 1 mm/s의 속도로 되돌려진다. 1000 사이클의 종료시, 시스템을 다시 식염수에 담그고 네 개의 임피던스 값의 측정을 반복하여 제조 직후 시스템에 기록된 값들보다 약간 더 높은 175, 180, 182 및 191Ω의 값을 각각 얻으며; 이것은 구리 와이어와 신장성 구조물 사이의 상호접속의 기계적 피로 강도를 나타낸다.

예 3

예 2의 절차가 반복된다.

이 경우, 보드(110)상의 네 개의 관통 구멍(112)은 제조사의 지침에 따라 제조된 도전성 실리콘 CV 2644(NuSil)로 채워지고, 도전성 실리콘의 도전성은 그 안의 Ag 입자의 존재에 기인한다. 도전성 실리콘을 주사기에 넣고 바늘을 통해 각 비아 내에 분배한다. 도전성 실리콘은 구멍(112)을 채우며, 이에 따라 하부의 신장성의 도전성 트랙과 상호접속 보드의 Cu/Au 금속 도전성 트랙 사이에 전기 접촉을 생성한다. 상기 장치는 70℃에서 1 시간 동안 구워 져서 도전성 실리콘을 경화시킨다. 결과 시스템에서, 예 2의 방법에 따라, 임피던스는 네 개의 트랙 및 네 개의 전기 접점(703) 각각에 대해 측정되어 173, 177, 182 및 185Ω의 값을 얻는다.

그런 다음 시스템은 예 2의 동일한 피로 프로그램(정지시 시스템의 길이의 10% 만큼의 신장의 10000 사이클 그리고 1mm/s의 속도로 원래 길이로 돌아감)으로 처리된다.

피로 프로그램의 종료시, 네 개의 트랙과 네 개의 전기 접점(703) 각각에 대해 임피던스가 다시 측정되어 방금 생성된 시스템에 등록된 값보다 약간 높은 177, 180, 187 및 191Ω의 값을 얻어서, 구리 와이어와 신장성 구조물 사이의 상호접속의 기계적 피로 강도를 입증한다.

Claims (12)

1. 본질적으로 탄성 및 신장성 도체와 본질적으로 비-신장성 도체(103) 사이 또는 두 개의 본질적으로 탄성 및 신장성 도체들 사이의 전기적 상호접속 시스템(100; 200; 600; 700)으로서,
   강성 또는 가요성 비-신장성 평면형 기판으로 이루어지는 상호접속 보드(110)로서, 상기 강성 또는 가요성 비-신장성 평면형 기판의 하나의 기능화된 면 상에, 일단부에서 강성, 탄성 또는 결과적으로 신장성일 수 있는 상기 시스템의 일부가 아닌 적어도 하나의 외부 도체(103)와 각각 전기적으로 접촉하는, 적어도 하나의 도전성 트랙(111)이 존재하는, 상호접속 보드;
   기능화된 면 상에 적어도 하나의 신장성의 도전성 구조물(121, 602, 602'; 702)이 존재하는 탄성 및 신장성 기판(120);
   상기 상호접속 보드와 탄성 및 신장성 기판 사이에 개재된, 접착성, 탄성, 및 전기 절연성 물질의 적어도 하나의 침착물(101)로서, 상기 침착물은 상기 적어도 하나의 도전성 트랙 및 상기 적어도 하나의 신장성의 도전성 구조물이 없는 구역들의 적어도 일부에 상기 기능화된 면에 부착되어, 선택적으로 접착성, 탄성, 및 도전성 물질의 적어도 하나의 침착물을 통하여, 상기 상호접속 보드와 탄성 및 신장성 기판 사이의 상대적 운동을 허용하고 상기 적어도 하나의 도전성 트랙과 상기 적어도 하나의 신장성의 도전성 구조물 사이의 접촉을 보장하면서, 상기 상호접속 보드와 탄성 및 신장성 기판 사이의 접착을 설정하는, 적어도 하나의 침착물을 포함하는, 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 도전성 트랙(111)은 상기 상호접속 보드(110)의 표면에 대해 돌출하고, 상기 도전성 트랙이 존재하는 상기 상호접속 보드의 면과 상기 신장성의 도전성 구조물(121)이 존재하는 상기 탄성 및 신장성 기판(120)의 면 사이에 공간의 존재를 유발하고, 상기 공간은 접착성, 탄성, 및 전기 절연성 물질(101)의 침착물로 채우는, 시스템(100).
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 도전성 트랙(111)은 상기 도전성 트랙 및 신장성의 도전성 구조물에 부착하는, 탄성, 접착성, 및 도전성 물질의 침착물(102)을 통해 상기 신장성의 도전성 구조물(121)과 전기 접촉하는, 시스템(200).
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 외부 도체(103)와 상기 도전성 트랙(111) 사이의 전기적 접속이 열 용접, 레이저 용접, 초음파 용접, 납땜, 기계적 체결 또는 도전성 접착제를 이용한 본딩에 의해 실현되는, 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 외부 도체(103)와, 상기 상호접속 보드(110)에 존재하는 상기 도전성 트랙(111) 사이의 전기적 접속은 상기 보드에 형성된 관통 구멍(112)을 통해 이루어지는, 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 관통 구멍은 도전성 물질로 채워지고 그 안에 상기 외부 도체(103)의 일 단부가 매립되는, 시스템.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 상호접속 보드(110)는 상기 신장성의 도전성 구조물과 마주하는 면과 대향하는 면 상에, 상기 관통 구멍 벽의 금속화를 통하여 상기 신장성의 도전성 구조물과 마주하는 상기 보드의 면 상에 존재하는 제 1 도전성 트랙(111)에 전기적으로 접속되는 적어도 하나의 제 2 도전성 트랙(111')을 가지며,
   상기 외부 도체(103)는 도전성 물질(104)의 침착물을 통하여 상기 제 2 도전성 트랙(111')에 연결되고,
   상기 신장성의 도전성 구조물(121)은 상기 관통 구멍 내에 삽입된 탄성, 접착성, 및 도전성 물질의 침착물(102)을 통하여 상기 제 1 도전성 트랙(111)에 연결되는, 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 상호접속 보드(110)는 전기 절연성, 강성, 또는 가요성이지만 비-신장성 물질로 제조되고,
   상기 제 1 및 제 2 도전성 트랙(111 및 111')은 금속으로 제조되고,
   상기 탄성 및 신장성 기판(120)은 폴리우레탄 엘라스토머, 엘라스토머성 불소중합체, 폴리올레핀계 엘라스토머, 폴리부타디엔(BR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 에틸렌-프로필렌 고무(EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 고무(EPDM), 니트릴 고무(NBR), 아크릴 고무(ACM), 이소부틸렌 및 이소프렌계 고무(IIR), 및 실리콘(폴리실록산)으로부터 선택된 물질로 제조되고,
   상기 신장성의 도전성 구조물(121)은 도전성 물질의 입자로 형성되고,
   상기 접착성, 탄성, 및 전기 절연성 물질의 침착물(101)은 실리콘으로 제조되는, 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 상호접속 보드(110)는 중합체 물질로 제조되는, 시스템.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 도전성 트랙은 구리, 은, 금, 백금, 또는 니켈-코발트계 합금으로부터 선택된 물질로 제조되는, 시스템.
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 신장성의 도전성 구조물은 은, 금, 및 백금으로부터 선택된 물질의 입자에 의해 형성되는, 시스템.
12. 삭제

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