KR102561540B1 - 신축성 전자소자용 기판 및 이를 포함하는 아일랜드 형상 전자소자 - Google Patents

Abstract

아일랜드 형상 전자소자용 기판으로, 신축성 영역; 및 상기 신축성 영역과 수평으로 연결된 비신축성인 영역을 포함하며, 상기 비신축성 영역은, 중심 영역(c)과, 상기 중심영역에서 복수 방향으로 방사되는 형태의 분지(branch, b)영역을 포함하며, 상기 분지 영역 상에는 전자소자가 적층되는 것을 특징으로 하는 아일랜드 형상 전자소자용 기판이 제공된다.

Description

신축성 전자소자용 기판 및 이를 포함하는 아일랜드 형상 전자소자{A substrate for a stretchable electronic device and an island-shaped electronic device comprising the same}

본 발명은 신축성 전자소자용 기판 및 이를 포함하는 아일랜드 형상 전자소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적/전기적 안정성과 향상된 최대 인장율 등을 가지며, 인장, 비틀림, 찌름, 구김의 환경에서 모두 작동 가능한, 신축성 전자소자용 기판 및 이를 포함하는 아일랜드 형상 전자소자에 관한 것이다.

웨어러블 컴퓨터(wearable computer), 전자피부(E-skin)를 포함하는 웨어러블 기기 사용이 증가되면서 독립적인 전원에 대한 필요성이 꾸준히 요구되고 있으며, 유기태양전지는 저렴하고, 투명하며, 가볍고, 기계적 신축성이 우수한 장점과 더불어 웨어러블 기기와의 호환이 용이하여, 신축성 전자소자의 독립적인 전원으로의 관심이 높다. 상기 웨어러블 기기에 적용하기 위해서는 신축성 전자소자(stretchable　electronics) 구현이 요구되는데, 상기 신축성 전자소자란 인장응력에 대한 탄성을 지녀 인장 변형이 생긴 상태에서도 전기적 물성의 저하를 나타내지 않는 소자를 의미한다.

현재의 실리콘과 유리기판 중심의 전자소자들은 무기물의 특성상 작은 인장 응력에서도 균열이 생겨 결국에는 전자소자로서의 역할을 수행할 수 없기 때문에 차세대　신축성　전자소자를 구현하기 위해서 새로운 방향의 연구 접근이 필요하다.

이러한 연구 방향 중 하나는 독립된 소자영역인 소위 아일랜드 형태를 가지는 소자구조인데, 기존에 개발된 원 모양의 아일랜드 전자소자는 모양이 가지는 한계로 인해 주변 폴리머 기판과 결합되었을 때, 약한 내구도와 기계적 안정성을 갖는다는 문제가 있다.

1. 한국공개특허 10-2015-0141262(삼성디스플레이 주식회사) 2. 한국공개특허 10-2021-0085378(한국광기술원) 3. 한국공개특허 10-2286323(한국광기술원)

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기계적/전기적 안정성과 향상된 최대 인장율 등을 가지며, 인장, 비틀림, 찌름, 구김의 환경에서 모두 작동 가능한 신축성 전자소자용 기판 및 이를 포함하는 아일랜드 형상 전자소자에 관한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 아일랜드 형상 전자소자용 기판으로, 신축성 영역; 및 상기 신축성 영역과 수평으로 연결된 비신축성인 영역을 포함하며, 상기 비신축성 영역은, 중심 영역(c)과, 상기 중심영역에서 복수 방향으로 방사되는 형태의 분지영역(branch, b)을 포함하며, 상기 분지영역 상에는 전자소자가 적층된다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 중심 영역(c)는 원형이며, 상기 분지 영역(b)은 상기 중심 영역으로부터 이어진 구조이며, 상기 분지 영역은 상기 중심 영역으로도 대칭적으로 방사된다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 분지영역은 적어도 12개 이상이며, 상기 신축성 영역은 폴리머 매트릭스이며, 상기 비신축성 영역은 상기 폴리머 매트릭스 상에 매립된 딱딱한 기판이다.

본 발명은 상술한 아일랜드 형상 전자소자용 기판; 및 상기 아일랜드 형상 전자소자용 기판 상에 적층된 전자소자 칩을 포함하는 전자소자를 제공하며, 상기 칩은 상기 분지 영역 상에 적층된다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 칩은 LED, 반도체 또는 센서이며, 상기 전자소자는 신축성을 갖는다.

본 발명에 따른 전자소자는, 복수 방향으로 방사된 소위 관람차 형상을 가지며, 이로써 높은 기계적/전기적 안정성을 갖는다. 더 나아가, 향상된 최대 인장율을 가지는 구성을 가짐으로써 인장, 비틀림, 찌름, 구김의 환경에서 모두 작동 가능하며 사람의 맥박, 압력, 인장 등을 구분할 수 있다. 또한 LED와 배터리를 결합하여 전자피부와 스트레처블 디스플레이에도 적용할 수 있다.

도 1 및 2는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 아일랜드 형상 전자소자의 단면도 및 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 아일랜드 형상 전자소자의 인장 실험 테스트 결과이다.
도 4는 유한요소 시뮬레이션 결과이다.
도 4를 참조하면, 샘플을 위아래로 잡아당길 때 아일랜드(회색)와 폴리머 매트릭스(옅은 푸른색) 사이의 Crack의 길이 값을 COD라 정의한다.
도 5는 반복적인 변형 안정성 (x-방향 인장) 실험 결과이다.
도 6 및 7은 각각 반복적인 변형 안정성 중 비틀기 및 찌르기에 대한 실험결과이다.
도 8은 반복적인 변형 안정성 중 구김에 대한 실험결과이다.
도 11 및 12는 방사형의 아일랜드 구조의 개수에 대한 시뮬레이션 분석결과이다.
도 13은 는 방사형의 아일랜드 구조의 개수를 3개, 6개, 12개로 하여 진행한 실험결과이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있다.

더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니다.

이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

또한, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있다.

또한, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있다.

한편, 상기 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용된다.

하지만, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 한다.

또한, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니 된다.

더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미한다.

이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 아일랜드 형상 전자소자는, 늘어나는 영역인 신축성 영역과 늘어나지 않는 영역인 비신축성 영역을 포함하는 복합기판과, 상기 비신축성 영역 상에 적층된 전자소자를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전자소자는 LED, 배터리, 반도체 등의 칩일 수 있으며, 본 발명에서 상기 비신축성 영역은 하나의 중심영역으로부터 복수 방향으로 방사된 분지구조를 가지며, 상기 분지구조의 단부에는 또 다른 전자소자가 적층될 수 있다. 본 발명에서 신축성은 기판의 찢어짐없이 외부 변형율(길이 방향)이 5%를 초과하는 경우, 비신축성은 외부 변형율(길이 방향)이 5%를 이하인 경우를 의미한다.

도 1 및 2는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 아일랜드 형상 전자소자의 단면도 및 평면도이다.

도 1 및 2를 참조하면, 종래의 원형 아일래드 형태의 신축성 소자(좌측)과 달리, 신축성 영역과 수평으로 연결된 비신축성인 중심영역(c)에서 복수 방향으로 이어진 분지(branch, b)구조를 갖는 것을 알 수 있다. 도 2에서의 회색 영역은 모두 신축성 영역과 기계적으로 수평 연결된 비신축성 영역을 나타낸다.

본 발명에 따른 관람차 형태의 신축성 전자소자는 기존에 개발된 원 모양의 아일랜드 소자가 주변 폴리머 기판과 결합되었을 때의 한계, 즉, 약한 내구도와 기계적 안정성의 문제를 해결할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 관람차 모양의 아일랜드의 경우 폴리머 기판과 결합했을 때 높은 최대 인장율과 구김, 늘림, 피부에 부착 등 다양한 종류의 변형에도 더 잘 견디며 압력 및 인장 센서, 배터리, 디스플레이 소자를 활용한 응용이 모두 가능하다.

실시예

폴리머 매트릭스에 단단한 아일랜드가 매립되어 있는 신축성 전자소자 제조

먼저, 단단한 아일랜드는 PLA(Polylactic Acid)의 재료를 사용하여 3D 프린터(Ultimaker 2+, 미국)로 제조하였다. 이 프린터의 프린팅 타입은 FDM(Fused Deposition Modeling)이었다. 아일랜드의 지름과 높이는 각각 20mm와 5mm였다. 폴리머 매트릭스는 EcoFlex 00-20(Smooth-On, 미국)이 사용되다. EcoFlex 00-20의 Part A와 Part B를 유성 믹서(Thinky AR-100, 일본)에 혼합하여 믹싱 2분, 디포밍 30초를 수행하였다. PLA섬을 패트리 디쉬 (100 x 100 x h15 mm³)에 놓고 굳지 않은 액체 상태의 폴리머를 아일랜드 높이와 동일하게 부었다. 패트리디쉬는 80℃ 오븐에서 1시간 동안 경화했습니다. 경화 공정 후 폴리머 매트릭스를 50 mm × 70 mm × 5 mm로 절단하여 (아일랜드가 가운데 오도록) 샘플을 준비하였다.

실험예

도 3은 본 발명에 따른 아일랜드 형상 전자소자의 인장 실험 테스트 결과이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 관람차 모양의 아일랜드 형상 전자소자의 경우 기존의 원 모양 아일랜드에 비해 더 높은 strain 값에서 파괴가 일어나므로 더 안정적이며(중간 s-s커브), 모든 각도에 대해서도 안정적이고 높은 strain 값을 가지는 것을 확인할 수 있다(오른쪽 아래 그림).

오른쪽 위의 사진은 샘플이 찢어질 때의 모습(원 아일랜드)과 버티는 모습(관람차 아일랜드)에 대한 이해를 돕는 사진이다.

도 4는 유한요소 시뮬레이션 결과이다.

도 4를 참조하면, 샘플을 위아래로 잡아당길 때 아일랜드(회색)와 폴리머 매트릭스(옅은 푸른색) 사이의 Crack의 길이 값을 COD라 정의한다.

도 4의 가운데 및 우측의 COD 값이 원과 관람차 모양 둘 다 2.5 mm이 될 때 비교예인 원형 소자는 약 8.9%의 인장에서 발생하며 본 발명에 따른 아일랜드 형상 소자는 17.3%에서 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서, 이 시뮬레이션 결과는 길이 2.5 mm의 크랙 길이 값이 발생하기 위한 인장율이 관람차 모양이 더 크기 때문에 더 안정적이다는 것을 의미한다.

도 5는 반복적인 변형 안정성 (x-방향 인장) 실험 결과이다.

도 5에서 좌측은 X-방향으로 반복적인 연신 작업을 했을 때, 샘플이 찢어지지 않고 얼마나 잘 버티는지 기계적 내구성 실험을 진행한 방법을 설명하는 도면이고, 우측은 그 결과이다.

도 5를 참조하면, 그래프에서 y값인 E(Modulus) / E₀(Initial Modulus)이 급격하게 감소하면 아일랜드가 파괴된 것으로 파악 가능한데, 주황색 점선 박스를 보면 원 아일랜드의 경우 100회 전후에서 y값의 감소(=디바이스의 파괴)를 확인할 수 있음. 따라서 durability 역시 관람차 아일랜드가 더 좋다는 것을 알 수 있다.

도 6 및 7은 각각 반복적인 변형 안정성 중 비틀기 및 찌르기에 대한 실험결과이다.

도 6에서의 비틀기 실험의 경우, 180도와 360도로 디바이스를 비틀어서 위아래 x방향으로 60%의 반복적인 인장을 가했다. 도 6을 참조하면, 도 5와 마찬가지로 y값의 감소는 샘플의 파괴를 의미하는데 종래의 원 형태의 아일랜드 소자는 50회 전후에서 파괴되는 반면(주황색 점선 박스), 관람차 형태의 아일랜드 소자는 360도의 비틀기에도 1000회까지 안정적이다는 것을 알 수 있다.

도 7에서의 찌르기 실험의 경우, 아일랜드를 일정한 힘 (F)으로 수직 방향으로 1000회 찌르면서 안정성을 테스트하였다. 이 역시 본 발명에 따른 관람차 형태의 아일랜드 소자는 1000회까지 버티는 반면, 기존의 원 아일랜드 경우 금방 찢어지는 것을 알 수 있다.

도 8은 반복적인 변형 안정성 중 구김에 대한 실험결과이다.

도 8에서의 구김 실험에서는 100회 동안 아무렇게나 구긴 3x3 어레이 디바이스에 35kPa의 압력을 반복적으로 주었다. 도 8을 참조하면, 종래의 원 아일랜드 디바이스의 경우 100회의 반복 작업이 끝난 후 Interface에 파괴가 일어난 것을 확인할 수 있다(주황색 점선 박스). 하지만 본 발명의 소자 경우 100회의 연속적인 압력에도 안정적인 것을 확인할 수 있다(우측).

도 9 및 10은 본 발명에 따른 소자를 디스플레이와 배터리 등에 적용한 사응용예에 대한 사진이다.

도 9 및 10을 참조하면, 관람차 형태 아일랜드 어레이에 LED 칩을 올려 다양한 변형에도 작동하는 것을 확인하였다(도 9), 또한 도 10에서는 배터리 칩이 작동하는 것을 확인(LED 불이 들어옴)하였다. 이 결과는 본 발명에 따른 아일랜드 형상의 소자는 스트레처블(신축가능) 기판으로 활용성이 무궁무진하며 차세대 프리폼 디스플레이, 배터리, 로봇 산업 등등 다양한 분야에 적용가능하다는 것을 시사한다.

도 11 및 12는 방사형의 아일랜드 구조의 개수에 대한 시뮬레이션 분석결과이다.

도 11을 참조하면, 12개의 이(teeth) 개수를 가지는 아일랜드와 폴리머 매트릭스에서 위아래로 당겼을 때, 스트레인이 어디에 집중되는지를 보여주는 시뮬레이션(Finite Element Simulation (ABAQUS v 6.14-3)) 결과값을 볼 수 있다. 스트레인을 다음과 같이 줬을 때, 관람차 주변부의 흰색 부분은 아일랜드와 매트릭스 계면 사이에서 벗겨진 것을 나타낸다.

특히 도 12를 참조하면, 파란색 부분과 빨간색 부분을 비교해볼 때 빨간색 부분은 스트레인이 걸렸을 때 벗겨진 반면, 파란색 부분은 대략 노란색 (높은 스트레인 값)을 유지하며 찢어지지 않고 늘어나며 버티는 것을 볼 수 있다.

도 13은 는 방사형의 아일랜드 구조의 개수를 3개, 6개, 12개로 하여 진행한 실험결과이다.

도 13을 참조하면, x축은 관람차 모양의 이의 개수를 나타내고, y축의 경우 소자를 위아래로 당겼을 때(스트레인을 줬을 때) 아일랜드와 폴리머 매트릭스 사이의 계면에서 파괴(찢어짐, 끊김 등등)가 일어날 때의 스트레인 값을 나타내므로 y값이 클수록 더 많이 늘렸을 때에도 버틸 수 있음을 의미하므로 더 안정적이라고 말할 수 있다. 도 13을 참조하면, 3, 6, 12개의 이를 가지는 경우에 대해 이의 개수가 더 많아질수록 안정적임을 알 수 있다.

Claims (9)

1. 아일랜드 형상 전자소자용 기판으로,
   신축성 영역; 및
   상기 신축성 영역과 수평으로 연결된 비신축성인 영역을 포함하며,
   상기 비신축성 영역은, 중심 영역(c)과, 상기 중심영역에서 복수 방향으로 방사되는 형태의 분지영역(branch, b)을 포함하며,
   상기 중심 영역(c)는 원형이며, 상기 분지 영역(b)은 상기 중심 영역으로부터 이어진 구조이며,
   상기 신축성 영역은 폴리머 매트릭스이며, 상기 비신축성 영역은 상기 폴리머 매트릭스 상에 매립된 딱딱한 기판이며,
   상기 분지영역은 적어도 12개 이상인 것을 특징으로 하는 아일랜드 형상 전자소자용 기판.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 분지 영역은 상기 중심 영역으로도 대칭적으로 방사되는 것을 특징으로 하는 아일랜드 형상 전자소자용 기판.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항 또는 제 3항 중 어느 한 항에 따른 아일랜드 형상 전자소자용 기판; 및
   상기 아일랜드 형상 전자소자용 기판 상에 적층된 전자소자 칩을 포함하는 전자소자.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 칩은 상기 분지 영역 상에 적층된 것을 특징으로 하는 전자소자.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 칩은 LED, 반도체 또는 센서인 것을 특징으로 하는 전자소자.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 전자소자는 신축성을 갖는 것을 특징으로 하는 전자소자.