KR102552366B1 - 감긴 미세힌지를 갖는 메타시트 및 이를 포함하는 신축성 소자 - Google Patents

감긴 미세힌지를 갖는 메타시트 및 이를 포함하는 신축성 소자 Download PDF

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Abstract

감긴 미세힌지를 갖는 메타시트 및 이를 포함하는 신축성 소자에서, 상기 메타시트는 시트부 및 복수의 패턴부들을 포함한다. 상기 시트부는 평평하게 연장된다. 상기 복수의 패턴부들은 상기 시트부 상에 형성되어 상기 시트부를 복수의 시트영역들로 구획하고, 각각은 서로 동일한 형상을 가진다. 상기 패턴부들 각각은, 중심점을 중심으로 동일한 패턴으로 연장되는 복수의 패턴들을 포함하고, 상기 패턴부의 패턴들은, 상기 패턴부에 인접한 패턴부의 패턴들과 서로 연결된다.

Description

감긴 미세힌지를 갖는 메타시트 및 이를 포함하는 신축성 소자{COILED-MICROHINGE METASHEET AND STRETCHABLE DEVICE HAVING THE SAME}
본 발명은 감긴 미세힌지를 갖는 메타시트 및 이를 포함하는 신축성 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시트 상에 소정의 패턴이 형성됨으로써 필요한 형태로 다양하게 접히거나 감긴 미세힌지를 갖는 메타시트 및 이를 포함하는 신축성 소자에 관한 것이다.
최근 다양한 유연성(flexible) 또는 신축성(stretchable) 소자의 필요성이 증가하면서, 유연성 또는 신축성 기판 상에 소자를 실장하는 기술이 개발되고 있다. 다만, 현재까지 적용되는 유연성 또는 신축성 기판의 경우 재료적인 특성으로 휘거나 신축되는 정도에 제한이 분명하여 다양한 변형을 구현하지 못하는 한계가 있다.
이에, 미국 등록특허 제10,790,459호에서와 같이, 다각형 패턴을 형성함으로써 유연성 또는 신축성 필름을 제작하고, 이를 통해 신축성 또는 유연성을 증가시키며 다양한 변형을 구현하는 기술이 개시되고 있다.
다만, 이러한 유연성 또는 신축성 필름의 경우, 신축성 또는 유연성이 향상되는 장점은 있으나, 소자를 실장하기 위한 공간이나 소자를 동작시키기 위한 배선을 형성하는 공간이 제한되는 문제가 있다.
한편, 역학메타물질(mechanical metamaterials)이란 소재에 패턴을 형성함으로써 필요로 하는 강성의 크기나 방향성을 구조적으로 제어할 수 있는 물질 또는 구조체인 것으로, 최근 들어, 이러한 역학메타물질을 신축성 또는 유연성 소자 등에 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
미국 등록특허 제10,790,459호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 시트 상에 소정의 패턴을 형성하여 필요한 형태로 다양하고 효과적으로 접히거나 감긴 미세힌지를 갖는 메타시트를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 메타시트를 포함하는 신축성 소자를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 메타시트는 시트부 및 복수의 패턴부들을 포함한다. 상기 시트부는 평평하게 연장된다. 상기 복수의 패턴부들은 상기 시트부 상에 형성되어 상기 시트부를 복수의 시트영역들로 구획하고, 각각은 서로 동일한 형상을 가진다. 상기 패턴부들 각각은, 중심점을 중심으로 동일한 패턴으로 연장되는 복수의 패턴들을 포함하고, 상기 패턴부의 패턴들은, 상기 패턴부에 인접한 패턴부의 패턴들과 서로 연결된다.
일 실시예에서, 상기 패턴들 각각은, 일 끝단은 상기 패턴부의 중심점을 향하고, 다른 끝단은 상기 패턴부에 인접한 패턴부의 중심점을 향하도록 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 하나의 패턴부에서, 상기 패턴들 각각의 일 끝단은 일정한 간격으로 서로 인접한 패턴들과 이격되며 상기 중심점을 향하고, 상기 패턴들은 서로 동일한 간격으로 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴들 각각은, 상기 중심점을 중심으로 나선형 방향으로 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴들의 개수는 짝수이며, 상기 패턴부의 패턴들은, 제1 방향 또는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 위치하는 인접한 패턴부의 패턴들과 서로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴들 각각은, 상기 중심점으로부터 시계 방향 또는 반시계 방향으로 복수회 소정각도 꺾이면서 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴들 각각이
Figure 112021090880507-pat00001
의 각도로 꺾이면서 연장됨에 따라, 상기 패턴부는 전체적으로 N각형(N은 정수) 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 패턴부가 N각형 형상을 가지는 경우, 상기 패턴들의 개수는 N개이며, 서로 인접한 패턴부들은,
Figure 112021090880507-pat00002
방향으로 서로 인접하도록 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴부가 4각형 형상을 가지는 경우, 서로 인접한 4개의 패턴부들에 의해 구획되는 제1 시트영역과, 상기 제1 시트영역에 인접한 제2 시트영역은, 서로 다른 종횡비를 가지도록 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴들은, 상기 시트부 상에 커팅 라인(cutting line)으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 커팅 라인은, 레이저 커팅, 플로터(plotter) 커팅 또는 에칭으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 시트부가 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 동일한 양 신장하는 경우, 상기 시트부의 최대 신장률(emax)은 하기 식 (1)로 정의되고,
Figure 112021090880507-pat00003
식 (1)
이 경우,
Figure 112021090880507-pat00004
은 패턴부의 중심점과 시트영역의 중심점을 이은 선분의 길이이고,
Figure 112021090880507-pat00005
는 패턴부의 중심점으로부터 패턴부와 시트영역의 연결점까지 연장되는 곡선 또는 선분의 길이이며,
Figure 112021090880507-pat00006
는 시트영역의 중심점과 상기 연결점까지의 선분의 길이일 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 신축성 소자는 메타시트 및 소자부를 포함한다. 상기 메타시트는 평평하게 연장되는 시트부, 및 상기 시트부를 복수의 시트영역들로 구획하고 각각은 서로 동일한 형상을 가지는 복수의 패턴부들을 포함한다. 상기 소자부는 상기 시트영역들 각각에 실장된다. 이 경우, 상기 패턴부들 각각은, 중심점을 중심으로 동일한 패턴으로 연장되는 복수의 패턴들을 포함하고, 상기 패턴부의 패턴들은, 상기 패턴부에 인접한 패턴부의 패턴들과 서로 연결된다.
일 실시예에서, 상기 패턴부들을 통과하며 연장되어, 서로 인접한 소자부들을 전기적으로 연결하는 배선부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배선부는, 수평방향으로 서로 인접한 소자들, 및 수직방향으로 서로 인접한 소자들을 동시에 구동시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배선부는, 평면상에 배열된 복수의 소자들을, 개별적으로 구동시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 미세힌지를 통해 연결된 패턴으로 메타시트를 구성할 수 있어, 다양한 신축성 소자의 잘 늘어나고 줄어드는 기틀(framework)을 구성할 수 있다. 특히, 상기 메타시트들을 통해 기존 신축성 패턴이 가지는 고무 모재에 대한 의존성을 줄이고, 기존 얇은 경첩이나 가교 구조의 내구성 문제를 해결할 수 있으며, 신축 소자의 평면 외 변형을 감소시켜 특히 신축 디스플레이나 소자 재배열(rearrangement or expanding) 분야에의 활용성을 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예들을 통해, 시트부 상에 복수의 패턴부들이 형성됨으로써 상기 시트부는 초기 상태로부터 2배 내지 3배 정도 매우 높은 신축성을 가질 수 있다.
또한, 상기 패턴부들이 포함하는 패턴들의 연장 방향, 배열 형태 등에 따라, 다양한 굴곡이나 변형이 가능하여 신장시의 변형 형태를 다양하게 설계 또는 제어할 수 있다.
이 경우, 상기 패턴부들의 구조를 통해 메타시트에 인가되는 축방향의 변형을 굽힘변형 또는 비틀림변형으로 국소적으로 변화시켜 상기 메타시트의 유연성을 강화시키며, 소위, 소성변형(plastic deformation) 영역을 최소화시켜 높은 신장률을 가지는 것은 물론 반복적인 신축이 가능하게 된다.
나아가, 메타시트가 신장되더라도, 시트영역의 경우 평평한 상태를 유지하게 되며, 상기 시트영역은 소정의 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다. 그리하여, 상기 시트영역에 실장되는 다양한 소자들이 안정적인 실장이 가능하며, 서로 인접한 시트영역에 실장되는 소자들이 신장되는 패턴부를 따라 전기적으로 통전되므로 상기 소자들에 대한 안정적인 구동이 가능하게 된다.
특히, 상기 패턴부를 따라 통전되는 배선부의 배열을 통해, 동시에 구동되는 소자들의 배열을 다양하게 선택하여, 예를 들어, 수평 또는 수직 방향으로 서로 인접한 소자들을 동시에 구동시키거나, 평면상에 배열된 소자들에 대하여 개별적으로 구동시킬 수 있어, 소자 구동의 다양성을 향상시킬 수 있다.
더 나아가, 상기 메타시트들을 이용하여 LED나 반도체 소자의 간격을 제어하는 재배열에도 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 감긴 미세힌지를 갖는 메타시트를 도시한 평면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 메타시트에서 패턴부의 예들을 도시한 평면도들이다.
도 3a는 도 1의 메타시트에서 신장량을 설명하기 위한 모식도이며, 도 3b는 도 2a의 패턴부가 적용된 메타시트에서 신장량을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예들에 의한 감긴 미세힌지를 갖는 메타시트들을 도시한 평면도들이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 감긴 미세힌지를 갖는 메타시트를 도시한 평면도이다.
도 6은 도 1의 메타시트를 신장시키는 경우의 변형 상태를 도시한 이미지이다.
도 7은 도 1의 메타시트를 포함하는 신축성 소자의 일 예를 도시한 평면도이다.
도 8은 도 1의 메타시트를 포함하는 신축성 소자의 다른 예를 도시한 평면도이다.
도 9는 도 1의 메타시트를 포함하는 신축성 소자의 또 다른 예를 도시한 평면도이다.
도 10은 도 1의 메타시트를 포함하는 신축성 소자의 또 다른 예를 도시한 평면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 감긴 미세힌지를 갖는 메타시트를 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 감긴 미세힌지를 갖는 메타시트(10, 이하 메타시트라 함)는 패턴부(100) 및 시트부(200)를 포함한다.
상기 시트부(200)는 제1 방향(X) 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향(Y)으로 형성되는 평면상에서 연장되며, 상기 시트부(200) 상에 상기 패턴부(100)가 소정의 패턴을 가지며 형성된다.
상기 패턴부(100)는, 도시된 바와 같이, 서로 일정한 간격을 가지며 복수개가 상기 시트부(200) 상에 형성되며, 각각의 패턴부(100)는 서로 동일한 배열 또는 패턴을 포함한다.
이 경우, 서로 인접하는 패턴부들(100)은 서로 연결되도록 형성되며, 도 1에서와 같이, 상기 패턴부들(100)이 상기 제1 방향(X) 및 상기 제2 방향(Y)으로 모두 동일한 간격으로 형성되는 경우라면, 상기 패턴부들(100)은 상기 제1 방향(X)으로 서로 인접(즉, 좌우방향)한 모든 패턴부들과 연결되는 것은 물론, 상기 제2 방향(Y)으로 서로 인접(즉, 상하방향)한 모든 패턴부들과도 연결된다.
한편, 이상과 같이, 상기 시트부(200) 상에 복수의 서로 동일한 간격으로 이격되며 서로 연결되는 패턴부들(100)이 형성됨에 따라, 상기 시트부(200)는 상기 패턴부들(100))에 의해 복수의 시트영역들(210)로 구획된다.
이 경우, 상기 시트영역들(210) 각각의 면적이나 형상은, 상기 패턴부들(100)의 배열이나 형상에 따라 가변될 수 있는데, 도 1에 도시된 메타시트(10)의 경우, 상기 시트영역들(210) 각각의 면적과 형상은 모두 동일하게 된다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 시트영역(210)의 면적은 하나의 패턴부(100)의 면적보다 크게 형성될 수 있으며, 이와 달리, 도시하지는 않았으나, 상기 시트부(200)에서 하나의 시트영역(210)의 면적이 해당 시트영역(210)의 모서리에 위치하는 모든 패턴부들(100)의 면적을 합한 것보다 크게 형성될 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예의 경우, 상기 시트영역(210) 상에, 후술되는 바와 같이 각종 소자들이 실장될 수 있는 것으로, 상기 소자가 실장될 수 있는 소정의 면적을 형성하여야 한다.
보다 구체적으로, 상기 패턴부들(100) 각각은, 복수의 패턴들(110, 120, 130, 140)을 포함한다.
이 경우, 상기 패턴들(110, 120, 130, 140)은 물리적 가공 또는 화학적 가공에 의해 상기 시트부(200) 상에 형성될 수 있으며, 커팅라인(cutting line)으로 상기 시트부(200) 상에 형성된다.
즉, 상기 패턴들(110, 120, 130, 140)은 레이저 커팅 공정, 플로터(plotter) 커팅 공정을 통해 상기 시트부(200) 상에 형성될 수 있으며, 그 외의 다양한 물리적 커팅 공정을 통해서도 형성될 수 있다.
이와 달리, 상기 패턴들(110, 120, 130, 140)은 에칭 등과 같은 화학적 커팅 공정을 통해서도 형성될 수 있다.
그리하여, 상기 패턴들(110, 120, 130, 140)은 상기 시트부(200) 상에 연속적으로 절단되는 형태로 패턴화될 수 있다.
나아가, 상기 시트부(200)는 상기 물리적 또는 화학적 커팅 공정에 의해 용이한 커팅이 가능하며, 충분한 신축성을 가지는 재료일 수 있으며, 예를 들어, 폴리이미드(polyimide)일 수 있다.
상기 복수의 패턴들(110, 120, 130, 140)은 일 끝단, 즉 시작되는 부분의 위치가 서로 다른 것을 제외하고는, 모두 동일한 형태로 연장될 수 있다.
상기 패턴부들(100) 각각의 중심점(A)을 기준으로, 제1 내지 제4 패턴들(110, 120, 130, 140)은 서로 다른 위치에서 일 끝단 위치하게 된다.
예를 들어, 상기 제1 패턴(110)은, 상기 중심점(A)을 향하는 일 끝단은 상기 중심점(A)으로부터 양의 제2 방향(+Y)으로 소정 거리 이격되도록 위치하고, 상기 위치로부터 나선형 방향으로 연장되어 양의 제2 방향(+Y)으로 인접하게 위치한 패턴부의 제3 패턴(130)과 서로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제2 패턴(120)은, 상기 중심점(A)을 향하는 일 끝단은 상기 중심점(A)으로부터 양의 제1 방향(+X)으로 소정 거리 이격되도록 위치하고, 상기 위치로부터 나선형 방향으로 연장되어 양의 제1 방향(+X)으로 인접하게 위치한 패턴부의 제4 패턴(140)과 서로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제3 패턴(130)은, 상기 중심점(A)을 향하는 일 끝단은 상기 중심점(A)으로부터 음의 제2 방향(-Y)으로 소정 거리 이격되도록 위치하고, 상기 위치로부터 나선형 방향으로 연장되어 음의 제2 방향(-Y)으로 인접하게 위치한 패턴부의 제1 패턴(110)과 서로 연결될 수 있다.
나아가, 상기 제4 패턴(140)은, 상기 중심점(A)을 향하는 일 끝단은 상기 중심점(A)으로부터 음의 제1 방향(-X)으로 거리 위치 이격되도록 위치하고, 상기 위치로부터 나선형 방향으로 연장되어 음의 제1 방향(-X)으로 인접하게 위치한 패턴부의 제2 패턴(120)과 서로 연결될 수 있다.
이상과 같이, 상기 제1 내지 제4 패턴들(110, 120, 130, 140)은 일 끝단들이 상기 중심점(A)에 대하여 시계방향으로 90°의 각을 이루도록 위치하며, 각각의 패턴들은 나선형 방향으로 연장되며, 서로 인접하는 패턴부들의 패턴들과 연속적으로 연장된다.
또한, 도 1에서는 상기 제1 내지 제4 패턴들(110, 120, 130, 140) 각각은 반시계 방향으로 나선형으로 연장되는 것을 예시하였으나, 시계 방향으로 나선형으로 연장되는 것도 가능함은 자명하다.
또한, 상기 제1 내지 제4 패턴들(110, 120, 130, 140)이 상기 패턴부(100) 상에서 형성하는 곡률은 모두 같으며, 이에 따라, 상기 패턴부(100) 내에서 연장되는 상기 제1 내지 제4 패턴들(110, 120, 130, 140) 각각의 이격간격은 모두 동일하게 된다.
이상과 같이, 본 실시예에서는, 서로 이웃하는 패턴부들(100)의 중심점들(A)은 십자(+) 형태로 배열되며, 이를 달리 표현하면 상기 중심점들(A)은 직사각형 형상의 배열을 이루는 것으로, 이에 따라 상기 패턴부들(100)은 전체적으로 정사각형 형상이 반복되는 배열로 배치되게 된다.
또한, 상기와 같은 패턴부들의 배열 및, 각각의 패턴부에 속하는 패턴들이 시작 위치만 서로 달리하고 동일한 곡률로 동일한 간격을 가지면서, 나선형으로 연장되므로, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 패턴부들(100)에 의해 서로 구획되는 상기 시트영역들(210) 각각은 평행 사변형과 유사한 형상으로 서로 동일한 형상을 가지게 된다.
한편, 본 실시예에 의한 상기 메타시트(10)에서, 상기 패턴부(100)의 형상은 다양하게 가변될 수 있는데, 이하에서는 가변되는 패턴부들의 예를 상술한다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 메타시트에서 패턴부의 예들을 도시한 평면도들이다.
도 2a를 참조하면, 상기 패턴부(101)의 각각의 패턴들(111, 121, 131, 141)은 중심점(A)으로부터 반시계 방향으로 연장되며, 복수회 90°의 각도로 꺾이면서 연장될 수 있다. 그리하여, 상기 패턴들의 연장에 의해 상기 패턴부(101)는 전체적으로 사각형 형상을 가질 수 있다.
즉, 제1 패턴(111)은 상기 중심점(A)을 기준으로 양의 제2 방향(+Y)으로 소정 거리 이격되도록 위치하고, 제1 길이만큼 직선으로 연장된 후 반시계 방향으로 90°의 각도로 꺾이고, 상기 제1 길이보다 큰 제2 길이만큼 직선으로 연장된 후 반시계 방향으로 90°의 각도로 꺾이고, 상기 제2 길이보다 큰 제3 길이만큼 직선으로 연장된 후 반시계 방향으로 90°의 각도로 꺾이고, 상기 제3 길이보다 큰 제4 길이만큼 직선으로 연장된 후 반시계 방향으로 90°의 각도로 꺾이고, 상기 제4 길이보다 큰 제5 길이만큼 직선으로 연장된 후 반시계 방향으로 90°의 각도로 꺾여 연장될 수 있다.
마찬가지로, 상기 제2 내지 제4 패턴들(121, 131, 141)은 상기 제1 패턴(111)과 시작 위치가 상기 중심점(A)에 대하여 시계방향으로 90°의 각도만큼 순차적으로 이격되도록 위치하는 것을 제외하고는, 상기 제1 패턴(111)의 연장 패턴과 동일한 패턴으로 연장될 수 있다.
이와 달리, 도 2b를 참조하면, 상기 패턴부(102)의 패턴들(112, 122, 132, 142)은 도 1에서 설명한 상기 패턴들(110, 120, 130, 140)이 반시계 방향으로 나선형으로 연장되는 것과 달리 시계 방향으로 나선형으로 연장될 수 있으며, 도 1에서 설명한 상기 패턴들(110, 120, 130, 140)의 각각의 패턴들 사이의 이격거리보다 큰 이격거리를 가지며 연장될 수 있다.
즉, 상기 패턴들은 서로의 이격되는 간격이 다양하게 설정될 수 있으며, 나선형으로 연장되는 방향 역시 시계 방향 또는 반시계 방향일 수 있다.
나아가, 도 2c를 참조하면, 상기 패턴부(103)의 각각의 패턴들(113, 123, 133)은 중심점(A)으로부터 시계 방향으로 연장되며, 복수회 60°의 각도로 꺾이면서 연장될 수 있다. 그리하여, 상기 패턴들의 연장에 의해 상기 패턴부(103)는 전체적으로 사각형 형상을 가질 수 있다.
즉, 제1 패턴(113)은 상기 중심점(A)을 기준으로 양의 제2 방향(+Y)으로 소정 거리 이격되도록 위치하고, 제1 길이만큼 직선으로 연장된 후 시계 방향으로 60°의 각도로 꺾이고, 상기 제1 길이보다 큰 제2 길이만큼 직선으로 연장된 후 시계 방향으로 60°의 각도로 꺾이고, 상기 제2 길이보다 큰 제3 길이만큼 직선으로 연장된 후 시계 방향으로 60°의 각도로 꺾이고, 상기 제3 길이보다 큰 제4 길이만큼 직선으로 연장된 후 시계 방향으로 60°의 각도로 꺾이며 연장될 수 있다.
마찬가지로, 상기 제2 및 제3 패턴들(123, 133)은 상기 제1 패턴(113)과 시작 위치가 상기 중심점(A)에 대하여 시계방향으로 120°의 각도만큼 순차적으로 이격되도록 위치하는 것을 제외하고는, 상기 제1 패턴(113)의 연장 패턴과 동일한 패턴으로 연장될 수 있다.
나아가, 도시하지는 않았으나, 상기 패턴들의 연장 패턴을 통해, 상기 패턴부는 상기 사각형 형상이나 삼각형 형상 외에도, 오각형, 육각형 등과 같은 다각형의 형상을 가질 수 있다.
이상과 같이, 상기 패턴부가 N각형(N은 정수) 형상을 가지는 경우, 상기 패턴부에 포함되는 패턴들 각각은
Figure 112021090880507-pat00007
의 각도로 꺾이면서 연장될 수 있다.
도 3a는 도 1의 메타시트에서 신장량을 설명하기 위한 모식도이며, 도 3b는 도 2a의 패턴부가 적용된 메타시트에서 신장량을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3a를 참조하면, 도 1의 메타시트(10)에서, 상기 패턴부(100)의 중심점을 A로 정의하고, 상기 패턴부들(100)에 의해 구획되는 서로 인접한 시트영역들(210) 각각의 중심점을 B1 및 B2로 정의하고, 상기 패턴부(100)와 상기 시트영역(210)의 연결점을 C로 정의할 때, 상기 시트부(200)의 최대 신장률(emax)은 하기 식 (1)로 정의된다.
이 경우, 상기 연결점 C는 도시된 바와 같이, 상기 패턴부(100)에서, 패턴들이 인접 패턴부로 연장되기 시작하는 위치로 정의되며, 상기 패턴부(100)의 외곽 점을 의미한다.
Figure 112021090880507-pat00008
식 (1)
상기 식 (1)에서,
Figure 112021090880507-pat00009
은 패턴부의 중심점(A)과 시트영역의 중심점(B1)을 이은 선분의 길이이고,
Figure 112021090880507-pat00010
는 패턴부의 중심점(A)으로부터 패턴부와 시트영역의 연결점(C)까지 연장되는 곡선의 길이이며,
Figure 112021090880507-pat00011
는 시트영역의 중심점(B1)과 상기 연결점(C)까지의 선분의 길이를 의미한다.
한편, 도 3b에서와 같은 메타시트(11)의 경우, 즉 상기 패턴부(101)가 도 2a에서 설명한 바와 같은 사각형 형상을 가지는 메타시트(11)의 경우도 실질적으로는 식 (1)을 통해 상기 시트부(201)의 최대 신장률(emax)을 연산할 수 있다.
이 경우, 상기 패턴부(101)의 중심점이 A로 정의되고, 상기 패턴부들(101)에 의해 구획되는 서로 인접한 시트영역들(220) 각각의 중심점이 B1 및 B2로 정의되며, 상기 패턴부(101)와 상기 시트영역(220)의 연결점이 C로 정의되는 것은 동일하다.
다만, 상기 메타시트(11)에서는,
Figure 112021090880507-pat00012
는 패턴부의 중심점(A)으로부터 패턴부와 시트영역의 연결점(C)까지 연장 선분으로, 곡선이 아닌 수직 방향으로 꺾이면서 연장되는 선분의 길이가 적용되면 충분하다.
한편, 도 3a 및 도 3b의 경우, 상기 메타시트(10, 11)가 신장되기 전과 후의
Figure 112021090880507-pat00013
가 동일하게 직각을 유지한다고 가정하면,
Figure 112021090880507-pat00014
가 성립되므로, 상기 식 (1)은 상기 식 (2)로 수정된다.
Figure 112021090880507-pat00015
식 (1)
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예들에 의한 감긴 미세힌지를 갖는 메타시트들을 도시한 평면도들이다.
도 4a를 참조하면, 본 실시예에서의 상기 메타시트(12)에서는, 도 2c에 도시된 패턴부(103)가 형성되는 것으로, 즉 삼각형 형상을 가지는 패턴부(103)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이, 삼각형 형상을 가지는 패턴부(103)가 시트부(200) 상에 형성됨에 따라, 서로 인접하는 패턴부들(103)에 의해 구획되며 형성되는 시트영역(230)은 전체적으로 6각형 형상을 가질 수 있다.
나아가, 상기 6각형 형상의 시트영역(230)의 각 모서리들(231)에 상기 패턴부(103)가 일정한 위치에 위치함으로써, 상기 시트영역(230)은 정육각형의 형상으로 구획될 수 있다.
이와 달리, 도 4b를 참조하면, 본 실시예에서의 상기 메타시트(13)에서는, 도 2c에 도시된 패턴부(103), 즉 삼각형 형상을 가지는 패턴부(103)가 형성되는 것은 도 4a에서와 동일하다.
다만, 본 실시예의 경우, 상기 패턴부(103)가 상기 6각형 형상의 시트영역(240)의 각 모서리들(241)에 서로 다른 위치에 불규칙하게 위치함으로써, 상기 시트영역(230)은 정육각형의 형상이 아닌 비대칭적인 육각형 형상으로 구획될 수 있다.
이상과 같이, 동일한 형상을 가지는 패턴부에 의해서도 상기 패턴부의 배열 위치에 따라 상기 패턴부에 의해 구획되는 시트영역의 형상은 다양하게 가변될 수 있다.
나아가, 도 3b, 도 4a 및 도 4b에서는 비록 사각형 형상의 패턴부 또는 삼각형 형상의 패턴부에 대하여만 예시하였으나, N각형 형상을 가지는 패턴부도 형성될 수 있음은 자명하다.
나아가, 상기 패턴부가 N각형 형상을 가지는 경우, 상기 패턴부가 포함하는 패턴들의 개수는 N개이며, 서로 인접한 패턴부들은,
Figure 112021090880507-pat00016
방향으로 서로 인접하도록 배열될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 감긴 미세힌지를 갖는 메타시트를 도시한 평면도이다.
본 실시예에 의한 메타시트(14)에서는, 도 2a 및 도 3b에서 예시한 사각형 형태를 가지는 패턴부(104)를 포함하지만, 상기 패턴부(104)에 의해 서로 구획되어 형성되는 시트영역들은 서로 동일한 형상을 갖지 않는다.
즉, 도 5를 참조하면, 상기 패턴부(104)가 상기 패턴부(104)의 구획에 의해 형성되는 시트영역(251, 252)의 네 모서리에 위치하되, 상기 패턴부(104)에서 연장되는 패턴들의 연장 위치를 상기 제1 방향(X) 또는 상기 제2 방향(Y)을 따라 서로 어긋나도록 형성함으로써, 서로 인접하는 시트영역(251, 252)의 종횡비를 서로 다르게 형성할 수 있다.
즉, 제1 시트영역(251)의 경우, 가로보다는 세로의 길이가 길게 형성되는 영역으로 형성될 수 있으며, 제2 시트영역(252)의 경우, 세로보다는 가로의 길이가 길게 형성되는 영역으로 형성될 수 있다.
이상과 같이, 동일한 패턴부들이 적용되는 경우, 패턴부들의 배치를 변화시킴으로써, 서로 일정한 종횡비를 가지는 시트영역으로 구획할 수도 있으나, 서로 다른 종횡비를 가지는 시트영역으로 구획할 수도 있다.
도 6은 도 1의 메타시트를 신장시키는 경우의 변형 상태를 도시한 이미지이다.
도 6을 참조하면, 도 1의 메타시트(10)를 50μm의 두께를 가지는 폴리이미드 필름을 시트부(200)로 플로터(plotter) 커팅을 수행하여 패턴부(100)를 형성한 상태에서, 상기 메타시트(10)의 신장(150% 신장 및 230% 신장)에 따른 변형 상태를 확인할 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이, 상기 메타시트(10)는 초기 상태보다 2배 내지 3배의 범위까지 신장되어, 매우 높은 신장성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 메타시트(10)가 신장되는 상태에서, 상기 패턴부(100)의 신장이 발생되어 상기 메타시트(10)가 전체적으로 신장되는 것으로, 상기 시트영역(210)은 평면 상태를 유지하며 초기 상태를 유지하는 것을 확인할 수 있다.
물론, 이 경우, 상기 시트영역(210)은 상기 시트부(200)의 재질이 가지는 신축성에 따라 소정 비율만큼 신축될 수 있으나, 실질적으로는 상기 패턴부(100)의 신축에 따라 상기 메타시트(10)의 신축 상태가 결정될 수 있다.
이러한 메타시트의 신장 상태를 고찰하건데, 상기 메타시트의 패턴부는 상기 메타시트에 인가되는 축변형을 굽힘변형 또는 비틀림변형으로 국소적으로 변경하여 상기 메타시트의 유연성을 강화시킬 수 있고, 소성변형(plastic deformation) 영역을 최소화시켜 높은 신장률과 반복적인 신축이 가능하도록 유도한다.
일반적으로, 동일한 막대를 가정하건대, 축방향 강성이 굽힘 방향 강성이나 비틀림 강성보다 크고, 막대의 길이가 증가할수록 이러한 강성의 차이가 증가하는데, 이를 고려할 때, 도 6에서 확인되는 바와 같이 상기 메타시트에서는 신장된 상태에서도 시트영역의 평면외변형(out of plane deformation)이 매우 적음을 확인할 수 있으며, 이에 따라, 본 실시예에 의한 메타시트에서 패턴부의 형성만으로 국부적인 강성과 변형 양상을 위치에 따라 서로 다르게 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
즉, 본 실시예에 의한 메타시트에서는, 상기 패턴부에서, 외부로부터 인가되는 축방향 하중에 대하여 굽힘 변형과 비틀림 변형을 구현함으로써 상기 메타시트의 원활한 신장을 유도할 수 있으며, 이를 통해 높은 신장률과 반복적인 신축이 가능하게 된다.
도 7은 도 1의 메타시트를 포함하는 신축성 소자의 일 예를 도시한 평면도이다.
도 7을 참조하면, 상기 신축성 소자(20)는 도 1을 참조하여 설명한 상기 메타시트(10)를 포함하며, 상기 메타시트(10) 상에 형성되는 소자부(300) 및 배선부(310)를 추가로 포함한다.
이 경우, 상기 메타시트(10)는 도 1을 참조하여 상세히 설명하였으므로 중복되는 설명은 생략하며, 도 7에서는 상기 신축성 소자(20)에 도 1의 메타시트(10)가 적용되는 것을 예시하였으나, 이에 제한되지는 않으며, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 설명한 패턴부들(101, 102, 103)이 포함되는 메타시트는 물론, 도 3b의 메타시트(11), 도 4a 및 도 4b의 메타시트들(12, 13), 및 도 5의 메타시트(14)가 적용될 수 있음은 자명하다.
상기 소자부(300)는 상기 시트영역들(210) 각각에 실장되며, 상기 메타시트(10)가 신축되더라도 상기 시트영역(210)의 면적은 거의 일정하게 유지되므로 상기 소자부(300)는 상기 시트영역의 변형에 의한 영향이 최소화되어 안정적으로 실장 상태를 유지하게 된다.
이 경우, 상기 소자부(300)는 발광소자, 배터리 소자, 디스플레이 소자 등 다양한 전자 소자들일 수 있으며 제한되지 않는다.
상기 배선부(310)는 상기 시트영역들(210) 각각에 실장된 소자부(300)들을 전기적으로 연결하는 배선으로서, 양극 배선부(320) 및 음극 배선부(330)를 포함한다.
이 경우, 특정 소자부의 상기 양극 배선부(320)는 상기 시트영역들(210) 각각에 실장된 인접한 소자부(300)의 양극 배선부들과 전기적으로 연결되며, 상기 음극 배선부(330)는 상기 인접한 소자부(300)의 음극 배선부들과 전기적으로 연결된다.
그리하여, 상기 신축성 소자(20)에 실장되는 소자부들(300)은 복수개가 전기적으로 서로 연결되며, 상기 전기적으로 서로 연결되는 소자부들(300)의 개수나 배열 등은 다양하게 선택될 수 있다.
예를 들어, 도 7에 도시된 신축성 소자(20)의 경우, 제1 방향(X)을 따라 일렬로 배열되는 소자부들(300)은 서로 전기적으로 연결되도록 배열되지만, 상기 제2 방향(Y)을 따라 배열되는 소자부들(300)은 서로 전기적으로 연결되지 않도록 배열될 수 있다.
한편, 상기 양극 배선부(320)는 상기 소자부(300)에 구비된 양극 접합부(321), 및 상기 인접한 소자부들의 양극 접합부(321)들을 서로 연결하는 양극 배선(322)을 포함한다.
마찬가지로, 상기 음극 배선부(330)는 상기 소자부(300)에 구비된 음극 접합부(331), 및 상기 인접한 소자부들의 음극 접합부(331)들을 서로 연결하는 음극 배선(332)을 포함한다.
이 경우, 상기 양극 배선(322)은 도시된 바와 같이, 패턴부(100)를 관통하여 연속적으로 연장되어 서로 인접한 소자부들의 양극 접합부들(321) 사이를 전기적으로 연결하며, 마찬가지로 상기 음극 배선(332)도 상기 패턴부(100)를 관통하여 연속적으로 연장되며 서로 인접한 소자부들의 음극 접합부들(331) 사이를 전기적으로 연결한다.
또한, 상기 양극 배선(322) 및 상기 음극 배선(332)은 동일한 패턴부(100)를 관통하되, 상기 패턴부(100)에 포함되는 복수의 패턴들 사이를 서로 이격되어 절연되는 상태로 관통할 수 있다.
즉, 도 7을 도 1과 함께 참조하면, 상기 패턴부(100)를 기준으로 일 측에 위치한 상기 소자부(300)의 양극 접합부(321)로부터 연장되는 양극 배선(322)은, 상기 패턴부(100)의 제4 패턴(140)과 제3 패턴(130) 사이로 인입되어, 상기 중심선(C)을 통과하며 제3 패턴(130)과 제2 패턴(120) 사이로 연장되어 타 측에 위치한 상기 소자부(300)의 양극 접합부(321)와 전기적으로 연결된다.
이와 달리, 상기 패턴부(100)를 기준으로 일 측에 위치한 상기 소자부(300)의 음극 접합부(331)로부터 연장되는 음극 배선(332)은, 상기 패턴부(100)의 제4 패턴(140)과 제1 패턴(110) 사이로 인입되어, 상기 중심선(C)을 통과하며 제1 패턴(110)과 제2 패턴(120) 사이로 연장되어 타 측에 위치한 상기 소자부(300)의 음극 접합부(331)와 전기적으로 연결된다.
그리하여, 상기 양극 배선(322)과 상기 음극 배선(332)은 동일한 패턴부(100)를 관통하면서도 서로 접촉하지 않고 중첩되지 않으며 연장이 가능하게 된다.
나아가, 상기 메타시트(10)가 신장되는 경우라도, 상기 패턴들 사이의 공간으로 연장되는 양극 배선(322) 및 음극 배선(332)은 연속적으로 연장되는 상태를 유지할 수 있으며, 이에 따라 상기 메타시트(10)의 신장과 무관하게 상기 소자부들(100)의 전기적인 연결상태는 일정하게 유지될 수 있다.
따라서, 상기 소자부들(300)은, 상기 메타시트(10)의 신축 상태와 무관하게 안정적으로 구동될 수 있게 된다.
한편, 이상과 같이 상기 소자부들(300) 및 배선부(310)가 배열됨에 따라, 제1 방향(X)을 따라 배열되는 소자부들(300)은 배선부를 통해 전기적으로 서로 연결되므로, 동시에 구동된다. 그리하여, 상기 소자부들(300)에 대하여 제1 방향(X)을 따른 라인별로 구동을 수행할 수 있다.
이 경우, 도시하지는 않았으나, 상기 소자부들(300)에 대하여 상기 제1 방향(X)에 수직인 제2 방향(Y)을 따른 라인별로 구동을 수행할 수도 있음은 자명하다.
도 8은 도 1의 메타시트를 포함하는 신축성 소자의 다른 예를 도시한 평면도이다.
도 8을 참조하면, 상기 신축성 소자(30)는 도 1을 참조하여 설명한 상기 메타시트(10)를 포함하며, 상기 메타시트(10) 상에 형성되는 소자부(400) 및 배선부(410)를 추가로 포함한다.
이 경우, 상기 메타시트(10)에 대한 설명은 도 1 및 도 7에서와 동일하고, 상기 소자부(400) 역시, 배선부(410)를 통한 연결관계를 제외하고는 도 7을 참조하여 설명한 소자부(300)와 실질적으로 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
상기 배선부(410)는 상기 시트영역들(210) 각각에 실장된 소자부(400)들을 전기적으로 서로 연결하는 배선으로, 양극 배선부(420) 및 음극 배선부(430)를 포함한다.
이 경우, 상기 양극 배선부(420)는 인접한 소자부들의 양극 배선부와 서로 전기적으로 연결되고, 마찬가지로 상기 음극 배선부(430)는 인접한 소자부들의 음극 배선부와 서로 전기적으로 연결되는데, 서로 전기적으로 연결되는 소자부들의 배치관계가 도 7을 참조하여 설명한 예와 다르다.
나아가, 이러한 상기 배선부(410)를 통해 서로 전기적으로 연결되는 소자부들의 배치관계가 변경됨에 따라, 소자부들의 구동 상태도 변경된다.
즉, 도 8에 도시된 신축성 소자(30)의 경우, 상기 양극 배선부(420)를 통해서는 상기 제1 방향(X)을 따라 일렬로 배열되는 소자부들(400)이 서로 전기적으로 연결된다.
구체적으로, 상기 양극 배선부(420)는 상기 소자부(400)에 구비되는 양극 접합부(421), 및 상기 인접 소자부들의 양극 접합부(421)들을 서로 연결하는 양극 배선(422)을 포함하는데, 상기 양극 배선(422)에 의해서는, 상기 제1 방향(X)을 따라 일렬로 배열되는 양극 접합부(421)들만 서로 전기적으로 연결된다.
이 경우, 상기 양극 배선부(420)는 상기 패턴부(100)를 관통하여 연속적으로 연결되어, 서로 인접한 소자부들의 양극 접합부(421)들을 서로 전기적으로 연결한다.
즉, 상기 패턴부(100)를 기준으로 제1 방향(X)의 일 측에 위치한 상기 소자부(400)의 양극 접합부(421)로부터 연장되는 양극 배선(422)은, 상기 패턴부(100)의 제4 패턴(140)과 제3 패턴(130) 사이로 인입되어 중심선(C)을 통과하며 제3 패턴(130)과 제2 패턴(120) 사이로 연장되어, 제1 방향(X)의 타 측에 위치한 상기 소자부(400)의 양극 접합부(421)와 전기적으로 연결된다.
이와 달리, 도 8에 도시된 신축성 소자(30)의 경우, 상기 음극 배선부(430)를 통해서는 상기 제2 방향(Y)을 따라 일렬로 배열되는 소자부들(400)이 서로 전기적으로 연결된다.
구체적으로, 상기 음극 배선부(430)는 상기 소자부(400)에 구비되는 음극 접합부(431), 및 상기 인접 소자부들의 음극 접합부(431)들을 서로 연결하는 음극 배선(432)을 포함하는데, 상기 음극 배선(432)에 의해서는, 상기 제2 방향(Y)을 따라 일렬로 배열되는 음극 접합부(431)들만 서로 전기적으로 연결된다. 이 경우, 상기 음극 배선부(430)는 상기 패턴부(100)를 관통하여 연속적으로 연결되어, 서로 인접한 소자부들의 음극 접합부(431)들을 서로 전기적으로 연결한다.
즉, 상기 패턴부(100)를 기준으로 제2 방향(Y)의 일 측에 위치한 상기 소자부(400)의 음극 접합부(431)로부터 연장되는 음극 배선(432)은, 상기 패턴부(100)의 제2 패턴(120)과 제1 패턴(110) 사이로 인입되어 중심선(C)을 통과하며 제2 패턴(120)과 제3 패턴(130) 사이로 연장되어, 제2 방향(Y)의 타 측에 위치한 상기 소자부(400)의 음극 접합부(431)와 전기적으로 연결된다.
그리하여, 상기 양극 배선(422)과 상기 음극 배선(432)은 동일한 패턴부(100)를 관통하면서도 서로 접촉하지 않고 중첩되지 않으며 연장이 가능하게 된다.
나아가, 상기 메타시트(10)가 신장되는 경우라도, 상기 패턴들 사이의 공간으로 연장되는 양극 배선(422) 및 음극 배선(432)은 연속적으로 연장되는 상태를 유지할 수 있으며, 이에 따라 상기 메타시트(10)의 신장과 무관하게 상기 소자부들(100)의 전기적인 연결상태는 일정하게 유지될 수 있다.
일반적으로, 상기 소자부(400)가 구동되기 위해서는, 상기 양극 접합부(421)와 상기 음극 접합부(431)에 동시에 전원이 공급되어야 한다. 한편, 본 예에서는, 상기 소자부(400)의 양극 접합부(421)는 제1 방향(X)을 따라 전기적으로 연결되고, 상기 소자부(400)의 음극 접합부(431)는 제2 방향(Y)을 따라 전기적으로 연결된다. 따라서, 특정 위치의 소자부(400)를 구동시키기 위해서는, 해당 소자부(400)의 양극 접합부(421)에 연결되는 제1 방향(X)을 따른 양극 배선(422)과 해당 소자부(400)의 음극 접합부(431)에 연결되는 제2 방향(Y)을 따른 음극 배선(432)에 동시에 전원이 공급되어야 한다.
즉, 제1 방향(X)으로 m번째, 제2 방향(Y)으로 n번째에 위치하는 소자부(400)를 구동시키기 위해서는, n번째 라인을 따라 배열되는 양극 접합부(421)와 m번째 라인을 따라 배열되는 음극 접합부(431)를 동시에 구동시켜야 한다.
이는 다시 말하면, 제1 방향(X)으로 m번째, 제2 방향(Y)으로 n번째에 위치하는 소자부(400)를 개별적으로 구동시킬 수 있다는 의미이며, 이상과 같이, 도 8의 신축성 소자(30)에서는, 상기 양극 배선(422) 및 상기 음극 배선(432)을 통해 공급되는 전원을 제어함으로써, 특정 위치의 소자부(400)를 개별적으로 구동시킬 수 있다.
물론, 상기 전원을 제어하여, 복수의 양극 또는 음극 배선들로 전원을 공급함으로써, 복수의 위치의 소자부들을 동시에 구동시킬 수 있음도 자명하다.
도 9는 도 1의 메타시트를 포함하는 신축성 소자의 또 다른 예를 도시한 평면도이다.
도 9에 도시된 상기 신축성 소자(40)에서는, 궁극적으로 소자부(500)를 개별적으로 구동시키거나, 복수의 소자부들을 동시에 구동시킬 수 있음은 도 8의 신축성 소자(30)에서와 동일하지만, 세부적인 배선들의 연결관계가 다르다. 이에, 도 9의 신축성 소자(40)에 대하여는, 배선들의 연결관계를 중심으로 설명한다.
도 9를 참조하면, 상기 신축성 소자(40)는 도 1을 참조하여 설명한 상기 메타시트(10)를 포함하며, 상기 메타시트(10) 상에 형성되는 소자부(500) 및 배선부(510)를 추가로 포함한다.
상기 배선부(510)는 상기 시트영역들(210) 각각에 실장된 소자부(500)들을 전기적으로 서로 연결하는 배선으로, 양극 배선부(520) 및 음극 배선부(530)를 포함한다.
구체적으로, 도 9에 도시된 신축성 소자(40)의 경우, 상기 양극 배선부(520)를 통해서는 상기 제1 방향(X)을 따라 일렬로 배열되는 소자부들(500)이 서로 전기적으로 연결된다.
즉, 상기 양극 배선부(520)는 상기 소자부(500)에 구비되는 양극 접합부(521), 및 상기 인접 소자부들의 양극 접합부(521)들을 서로 연결하는 양극 배선(522)을 포함하는데, 상기 양극 배선(522)에 의해서는, 상기 제1 방향(X)을 따라 일렬로 배열되는 양극 접합부(521)들만 서로 전기적으로 연결된다.
이 경우, 상기 양극 배선부(520)는 상기 패턴부(100)를 관통하여 연속적으로 연결되어, 서로 인접한 소자부들의 양극 접합부(521)들을 서로 전기적으로 연결한다.
즉, 상기 패턴부(100)를 기준으로 제1 방향(X)의 일 측에 위치한 상기 소자부(500)의 양극 접합부(521)로부터 연장되는 양극 배선(522)은, 상기 패턴부(100)의 제4 패턴(140)과 제1 패턴(110) 사이로 인입되어 중심선(C)을 통과하며 제1 패턴(110)과 제2 패턴(120) 사이로 연장되어, 제1 방향(X)의 타 측에 위치한 상기 소자부(500)의 양극 접합부(521)와 전기적으로 연결된다.
이와 달리, 도 9에 도시된 신축성 소자(40)의 경우, 상기 음극 배선부(530)를 통해서는 상기 제2 방향(Y)을 따라 일렬로 배열되는 소자부들(500)이 서로 전기적으로 연결된다.
구체적으로, 상기 음극 배선부(530)는 상기 소자부(500)에 구비되는 음극 접합부(531), 및 상기 인접 소자부들의 음극 접합부(531)들을 서로 연결하는 음극 배선(532)을 포함하는데, 상기 음극 배선(532)에 의해서는, 상기 제2 방향(Y)을 따라 일렬로 배열되는 음극 접합부(531)들만 서로 전기적으로 연결된다.
이 경우, 상기 음극 배선부(530)는 상기 패턴부(100)를 관통하여 연속적으로 연결되어, 서로 인접한 소자부들의 음극 접합부(531)들을 서로 전기적으로 연결한다.
즉, 상기 패턴부(100)를 기준으로 제2 방향(Y)의 일 측에 위치한 상기 소자부(500)의 음극 접합부(531)로부터 연장되는 음극 배선(532)은, 상기 패턴부(100)의 제1 패턴(110)과 제4 패턴(140) 사이로 인입되어 중심선(C)을 통과하며 제4 패턴(140)과 제3 패턴(130) 사이로 연장되어, 제2 방향(Y)의 타 측에 위치한 상기 소자부(500)의 음극 접합부(531)와 전기적으로 연결된다.
도 9의 신축성 소자(40)에서는, 상기 양극 배선(522)은 제1 대각선 방향(U) 또는 상기 제1 대각선 방향(U)에 수직인 제2 대각선 방향(V)을 따라 서로 인접한 패턴부(100)를 통해서만 연장되고, 마찬가지로 상기 음극 배선(532)도 제1 대각선 방향(U) 또는 제2 대각선 방향(V)을 따라 서로 인접한 패턴부(100)를 통해서만 연장되며, 상기 양극 배선(522)과 상기 음극 배선(532)은 동일한 패턴부를 동시에 관통하며 연장되지 않는다.
따라서, 상기 양극 배선(522) 및 상기 음극 배선(532) 사이에서의 전기적 단락에 의한 오동작이 미연에 방지될 수 있다. 나아가, 상기 메타시트(10)가 신장되는 경우라도, 상기 패턴들 사이의 공간으로 연장되는 양극 배선(522) 및 음극 배선(532)은 연속적으로 연장되는 상태를 유지할 수 있으며, 이에 따라 상기 메타시트(10)의 신장과 무관하게 상기 소자부들(100)의 전기적인 연결상태는 일정하게 유지될 수 있다.
또한, 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 예에서도, 상기 소자부(500)의 양극 접합부(521)는 제1 방향(X)을 따라 전기적으로 연결되고, 상기 소자부(500)의 음극 접합부(531)는 제2 방향(Y)을 따라 전기적으로 연결된다. 따라서, 특정 위치의 소자부(500)를 구동시키기 위해서는, 해당 소자부(500)의 양극 접합부(521)에 연결되는 제1 방향(X)을 따른 양극 배선(522)과 해당 소자부(500)의 음극 접합부(531)에 연결되는 제2 방향(Y)을 따른 음극 배선(532)에 동시에 전원이 공급되어야 한다.
이는, 앞서 설명한 바와 같이, 도 9의 신축성 소자(40)에서도, 상기 양극 배선(522) 및 상기 음극 배선(532)을 통해 공급되는 전원을 제어함으로써, 특정 위치의 소자부(500)를 개별적으로 구동시킬 수 있음을 의미한다.
도 10은 도 1의 메타시트를 포함하는 신축성 소자의 또 다른 예를 도시한 평면도이다.
도 10에 도시된 상기 신축성 소자(50)에서도, 궁극적으로 소자부(600)를 개별적으로 구동시키거나, 복수의 소자부들을 동시에 구동시킬 수 있음은 도 8의 신축성 소자(30)에서와 동일하지만, 세부적인 배선들의 연결관계가 다르다. 이에, 도 10의 신축성 소자(50)에 대하여도, 배선들의 연결관계를 중심으로 설명한다.
도 10을 참조하면, 상기 신축성 소자(50)는 도 1을 참조하여 설명한 상기 메타시트(10)를 포함하며, 상기 메타시트(10) 상에 형성되는 소자부(600) 및 배선부(610)를 추가로 포함한다.
상기 배선부(610)는 상기 시트영역들(210) 각각에 실장된 소자부(600)들을 전기적으로 서로 연결하는 배선으로, 양극 배선부(620) 및 음극 배선부(630)를 포함한다.
구체적으로, 도 10에 도시된 신축성 소자(50)의 경우, 상기 양극 배선부(620)를 통해서는 상기 제1 대각선 방향(U)을 따라 일렬로 배열되는 소자부들(600)이 서로 전기적으로 연결된다.
즉, 상기 양극 배선부(620)는 상기 소자부(600)에 구비되는 양극 접합부(621), 및 상기 인접 소자부들의 양극 접합부(621)들을 서로 연결하는 양극 배선(622)을 포함하는데, 상기 양극 배선(622)에 의해서는, 상기 제1 대각선 방향(U)을 따라 일렬로 배열되는 양극 접합부(621)들만 서로 전기적으로 연결된다.
이 경우, 상기 양극 배선부(620)는 상기 패턴부(100)를 관통하여 연속적으로 연결되어, 서로 인접한 소자부들의 양극 접합부(621)들을 서로 전기적으로 연결한다.
즉, 상기 패턴부(100)를 기준으로 제1 대각선 방향(U)의 일 측에 위치한 상기 소자부(600)의 양극 접합부(621)로부터 연장되는 양극 배선(622)은, 상기 패턴부(100)의 제1 패턴(110)과 제2 패턴(120) 사이로 인입되어 중심선(C)을 통과하며 제3 패턴(130)과 제4 패턴(140) 사이로 연장되어, 제1 방향(X)의 타 측에 위치한 상기 소자부(600)의 양극 접합부(621)와 전기적으로 연결된다.
이와 달리, 도 10에 도시된 신축성 소자(50)의 경우, 상기 음극 배선부(630)를 통해서는 상기 제2 대각선 방향(V)을 따라 일렬로 배열되는 소자부들(600)이 서로 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 상기 음극 배선부(630)는 상기 소자부(600)에 구비되는 음극 접합부(631), 및 상기 인접 소자부들의 음극 접합부(631)들을 서로 연결하는 음극 배선(632)을 포함하는데, 상기 음극 배선(632)에 의해서는, 상기 제2 대각선 방향(V)을 따라 일렬로 배열되는 음극 접합부(631)들만 서로 전기적으로 연결된다.
이 경우, 상기 음극 배선부(630)는 상기 패턴부(100)를 관통하여 연속적으로 연결되어, 서로 인접한 소자부들의 음극 접합부(631)들을 서로 전기적으로 연결한다.
즉, 상기 패턴부(100)를 기준으로 제2 대각선 방향(V)의 일 측에 위치한 상기 소자부(600)의 음극 접합부(631)로부터 연장되는 음극 배선(632)은, 상기 패턴부(100)의 제4 패턴(140)과 제1 패턴(110) 사이로 인입되어 중심선(C)을 통과하며 제2 패턴(120)과 제3 패턴(130) 사이로 연장되어, 제2 대각선 방향(V)의 타 측에 위치한 상기 소자부(600)의 음극 접합부(631)와 전기적으로 연결된다.
그리하여, 상기 양극 배선(622)과 상기 음극 배선(632)은 동일한 패턴부(100)를 관통하면서도 서로 접촉하지 않고 중첩되지 않으며 연장이 가능하게 된다.
나아가, 상기 메타시트(10)가 신장되는 경우라도, 상기 패턴들 사이의 공간으로 연장되는 양극 배선(622) 및 음극 배선(632)은 연속적으로 연장되는 상태를 유지할 수 있으며, 이에 따라 상기 메타시트(10)의 신장과 무관하게 상기 소자부들(100)의 전기적인 연결상태는 일정하게 유지될 수 있음은 이미 설명한 바와 같다.
또한, 본 예의 경우, 비록 상기 양극 배선(622)에 의해 전기적으로 서로 연결되는 양극 접합부들(621)의 배열, 및 상기 음극 배선(632)에 의해 전기적으로 서로 연결되는 음극 접합부들(631)의 배열을 다르지만, 궁극적으로 상기 양극 배선(622) 및 상기 음극 배선(632)을 통해 공급되는 전원을 제어함으로써, 특정 위치의 소자부(600)를 개별적으로 구동시킬 수 있다.
즉, 특정 위치의 소자부(600)를 구동시키기 위해서는, 해당 소자부(600)의 양극 접합부(621)에 연결되는 제1 대각선 방향(U)을 따른 양극 배선(622)과 해당 소자부(600)의 음극 접합부(631)에 연결되는 제2 대각선 방향(V)을 따른 음극 배선(632)에 동시에 전원이 공급되어야 한다.
따라서, 이러한 대각선 방향으로의 전기적 연결을 통해서도, 도 8 및 도 9에서와 같이, 특정 위치의 소자부(600)에 대한 개별적 구동이 가능하며, 다양한 위치에 위치하는 복수의 소자부들(600)을 개별적으로 또는 동시에 구동할 수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 미세힌지를 통해 연결된 패턴으로 메타시트를 구성할 수 있어, 다양한 신축성 소자의 잘 늘어나고 줄어드는 기틀(framework)을 구성할 수 있다. 특히, 상기 메타시트들을 통해 기존 신축성 패턴이 가지는 고무 모재에 대한 의존성을 줄이고, 기존 얇은 경첩이나 가교 구조의 내구성 문제를 해결할 수 있으며, 신축 소자의 평면 외 변형을 감소시켜 특히 신축 디스플레이나 소자 재배열(rearrangement or expanding) 분야에의 활용성을 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예들을 통해, 시트부 상에 복수의 패턴부들이 형성됨으로써 상기 시트부는 초기 상태로부터 2배 내지 3배 정도 매우 높은 신축성을 가질 수 있다.
또한, 상기 패턴부들이 포함하는 패턴들의 연장 방향, 배열 형태 등에 따라, 다양한 굴곡이나 변형이 가능하여 신장시의 변형 형태를 다양하게 설계 또는 제어할 수 있다.
이 경우, 상기 패턴부들의 구조를 통해 메타시트에 인가되는 축방향의 변형을 굽힘변형 또는 비틀림변형으로 국소적으로 변화시켜 상기 메타시트의 유연성을 강화시키며, 소위, 소성변형(plastic deformation) 영역을 최소화시켜 높은 신장률을 가지는 것은 물론 반복적인 신축이 가능하게 된다.
나아가, 메타시트가 신장되더라도, 시트영역의 경우 평평한 상태를 유지하게 되며, 상기 시트영역은 소정의 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다. 그리하여, 상기 시트영역에 실장되는 다양한 소자들이 안정적인 실장이 가능하며, 서로 인접한 시트영역에 실장되는 소자들이 신장되는 패턴부를 따라 전기적으로 통전되므로 상기 소자들에 대한 안정적인 구동이 가능하게 된다.
특히, 상기 패턴부를 따라 통전되는 배선부의 배열을 통해, 동시에 구동되는 소자들의 배열을 다양하게 선택하여, 예를 들어, 수평 또는 수직 방향으로 서로 인접한 소자들을 동시에 구동시키거나, 평면상에 배열된 소자들에 대하여 개별적으로 구동시킬 수 있어, 소자 구동의 다양성을 향상시킬 수 있다.
더 나아가, 상기 메타시트들을 이용하여 LED나 반도체 소자의 간격을 제어하는 재배열에도 활용이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10, 11, 12, 13, 14 : 메타시트
20 : 신축성 소자 200, 201, 202 : 시트부
100, 101, 102, 103, 104 : 패턴부
210, 220, 230, 240, 251, 252 : 시트 영역
231, 241 : 모서리 300 : 소자부
310 : 배선부

Claims (16)

  1. 평평하게 연장되는 시트부; 및
    기 시트부를 복수의 시트영역들로 구획하고, 각각은 서로 동일한 형상을 가지는 복수의 패턴부들을 포함하며,
    상기 패턴부들 각각은, 상기 시트부가 커팅되어 형성되며, 중심점을 중심으로 일 끝단이 시작되어 동일한 패턴으로 연장되는 복수의 패턴들을 포함하고,
    상기 패턴들의 일 끝단들은 서로 이격되며,
    상기 패턴부의 패턴들은, 상기 패턴부에 인접한 패턴부의 패턴들과 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 메타시트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 패턴들 각각은,
    일 끝단은 상기 패턴부의 중심점을 향하고, 다른 끝단은 상기 패턴부에 인접한 패턴부의 중심점을 향하도록 연장되는 것을 특징으로 하는 메타시트.
  3. 제2항에 있어서, 하나의 패턴부에서,
    상기 패턴들 각각의 일 끝단은 일정한 간격으로 서로 인접한 패턴들과 이격되며 상기 중심점을 향하고,
    상기 패턴들은 서로 동일한 간격으로 연장되는 것을 특징으로 하는 메타시트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 패턴들 각각은,
    상기 중심점을 중심으로 나선형 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 메타시트.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 패턴들의 개수는 짝수이며,
    상기 패턴부의 패턴들은, 제1 방향 또는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 위치하는 인접한 패턴부의 패턴들과 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 메타시트.
  6. 제1항에 있어서, 상기 패턴들 각각은,
    상기 중심점으로부터 시계 방향 또는 반시계 방향으로 복수회 소정각도 꺾이면서 연장되는 것을 특징으로 하는 메타시트.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 패턴들 각각이
    Figure 112021090880507-pat00017
    의 각도로 꺾이면서 연장됨에 따라,
    상기 패턴부는 전체적으로 N각형(N은 정수) 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 메타시트.
  8. 제7항에 있어서, 상기 패턴부가 N각형 형상을 가지는 경우,
    상기 패턴들의 개수는 N개이며,
    서로 인접한 패턴부들은,
    Figure 112021090880507-pat00018
    방향으로 서로 인접하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 메타시트.
  9. 제7항에 있어서, 상기 패턴부가 4각형 형상을 가지는 경우,
    서로 인접한 4개의 패턴부들에 의해 구획되는 제1 시트영역과, 상기 제1 시트영역에 인접한 제2 시트영역은, 서로 다른 종횡비를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 메타시트.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패턴들은,
    상기 시트부 상에 커팅 라인(cutting line)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 메타시트.
  11. 제10항에 있어서, 상기 커팅 라인은,
    레이저 커팅, 플로터(plotter) 커팅 또는 에칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 메타시트.
  12. 제4항 또는 제6항에 있어서, 상기 시트부가 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 동일한 양 신장하는 경우, 상기 시트부의 최대 신장률(emax)은 하기 식 (1)로 정의되고,

    Figure 112021090880507-pat00019
    식 (1)

    이 경우,
    Figure 112021090880507-pat00020
    은 패턴부의 중심점과 시트영역의 중심점을 이은 선분의 길이이고,
    Figure 112021090880507-pat00021
    는 패턴부의 중심점으로부터 패턴부와 시트영역의 연결점까지 연장되는 곡선 또는 선분의 길이이며,
    Figure 112021090880507-pat00022
    는 시트영역의 중심점과 상기 연결점까지의 선분의 길이인 것을 특징으로 하는 메타시트.
  13. 평평하게 연장되는 시트부, 및 상기 시트부를 복수의 시트영역들로 구획하고 각각은 서로 동일한 형상을 가지는 복수의 패턴부들을 포함하는 메타시트; 및
    상기 시트영역들 각각에 실장되는 소자부를 포함하고,
    상기 패턴부들 각각은, 상기 시트부가 커팅되어 형성되며 중심점을 중심으로 일 끝단이 시작되어 동일한 패턴으로 연장되는 복수의 패턴들을 포함하고,
    상기 패턴들의 일 끝단들은 서로 이격되며,
    상기 패턴부의 패턴들은, 상기 패턴부에 인접한 패턴부의 패턴들과 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 신축성 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 패턴부들을 통과하며 연장되어, 서로 인접한 소자부들을 전기적으로 연결하는 배선부를 더 포함하는 신축성 소자.
  15. 제14항에 있어서, 상기 배선부는,
    수평방향으로 서로 인접한 소자들, 및 수직방향으로 서로 인접한 소자들을 동시에 구동시키는 것을 특징으로 하는 신축성 소자.
  16. 제14항에 있어서, 상기 배선부는,
    평면상에 배열된 복수의 소자들을, 개별적으로 구동시키는 것을 특징으로 하는 신축성 소자.
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