KR102670450B1 - 연신전극 및 이를 포함한 연신모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 은나노와이어(AgNWs), 은미세입자(AgMPs, Ag microparticles) 및 은나노입자(AgNPs, Ag nanoparticles)가 내열성 열경화성 수지에 포함된 연신전극에 관한 것이다.
Description
본 발명은 연신전극 및 이를 포함한 연신모듈에 관한 것으로, 보다 자세하게는 은나노와이어(AgNWs) 및 은입자(AgMPs, AgNPs)로 구성된 전도성이 우수한 연신전극에 관한 것이다.
근래, 표시 소자 또는 스마트 피부 장치, 소프트 로봇 및 생체 의학 장치와 같은 생체 소자를 사물, 피부 또는의복에 직접 부착하는 부착형 소자에 대한 연구가 진행되고 있다. 부착형 소자는 사물의 형상 또는 생체의 움직임에 따라 유연하게 반응할 수 있고 원래 상태로 복구할 수 있는 연신성이 요구된다.
오늘날 단단한 기판 상에 전극을 형성한 전도성 소자에서 벗어나, 유연한 기판(예컨대, FPCB) 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.
한편, 최근에는 유연한 기판 즉, 연성 기판(FPCB, Flexible PCB) 상에 전극을 형성하는 것에서 나아가 연신기판(또는 신축 기판) 즉 스트레처블 기판(SPCB, Stretchable PCB) 상에 전극을 형성하는 방법에 대한 기술 개발이 활발해지고 있다.
연신필름 상에 전극을 형성하는 경우, 연성필름에 전극을 형성하는 것 보다 활용도가 방대해질 수 있다. 예컨대, 연신 기판은 다방향으로 연신이 가능함에 따라, 센서를 연신 기판 상에 구현하고 별도의 위치에 모듈을 위치시킬 수 있으므로, 모듈과 센서를 일체형으로 구비하지 않아도 된다. 이에 따라, 다양한 위치에 센서의 부착이 가능함으로 착용감이 증가되어 센서의 측정 정확도가 향상된다.
이를 위해 전도성 및 신축성 대비 저항변화율이 우수한 연신전극의 개발이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전도성 및 유연성을 위해 우레탄 수지에 은나노와이어 및 은미세입자를 혼합한 연신전극을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명은 표면 처리에 의해 필름의 굴곡을 형성하여 연신전극과 접합성과 신축성을 갖는 연신필름을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 은나노와이어(AgNWs), 은미세입자(AgMPs, Ag microparticles) 및 은나노입자(AgNPs, Ag nanoparticles)가 내열성 열경화성 수지에 포함된 연신전극을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 은나노와이어(AgNWs)는 양전하(+)를 띄고, 은나노입자(AgNPs, Ag nanoparticles)는 음전하(-)를 띄는 것에 특징이 있는 연신전극을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 내열성 열경화성 수지는 폴리우레탄 수지인 것에 특징이 있는 연신전극을 제공한다.
또한 본 발명은 연신필름 일면에 연신전극이 적층된 연신모듈을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 연신필름의 일면은 요철구조로 표면처리된 것에 특징이 있는 연신모듈을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 연신필름의 이면은 지지체가 적층된 것에 특징이 있는 연신모듈을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 연신전극 이면에 전도성본드가 적층된 것에 특징이 있는 연신모듈을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 전도성본드는 연신전극과 전자부품을 연결하는 것에 특징이 있는 연신모듈을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 전자부품의 고정을 위해 연신전극, 전도성본드 및 전자부품의 외각사면에 실링된 연신물질이 추가된 것에 특징이 있는 연신모듈을 제공한다.
본 발명인 우레탄 수지에 은나노와이어 및 은미세입자를 혼합한 연신전극은 전도성 및 유연성을 제공하는 특징이 있다.
또한 본 발명의 연신필름에서 표면 처리에 의해 필름의 굴곡을 형성함으로써 연신전극과 접합성과 신축성을 확보한 것에 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 연신전극의 조성물에 대한 설명도이다.
도 2는 본 발명의 연신전극 분자구조 개념도이다.
도 3은 본 발명의 연신필름 및 지지체에 대한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 연신모듈에 대한 단면도 및 상면도이다.
도 5 및 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 대한 신축률에 따른 저항측정값을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 연신전극 분자구조 개념도이다.
도 3은 본 발명의 연신필름 및 지지체에 대한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 연신모듈에 대한 단면도 및 상면도이다.
도 5 및 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 대한 신축률에 따른 저항측정값을 보여주는 그래프이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은 은나노와이어(AgNWs), 은미세입자(AgMPs, Ag microparticles) 및 은나노입자(AgNPs, Ag nanoparticles)가 내열성 열경화성 수지에 포함된 연신전극에 관한 것이다.
상기 은나노와이어(AgNWs)는 직경이 3.5㎛이고 길이는 260±0.7㎛이며, 은나노입자(AgNPs)의 직경은 3.7 ±0.7㎛, 은미세입자(AgMPs)의 직경은 16.4±1.0㎛이 적정하나 이에 한정되지는 않는다.
연신기술의 핵심은 연신전극에 있으며, 단순 신축성만 중요한 것이 아닌, 신축율 대비 저항값 비율이 낮아야 한다. 본 발명에서는 전력소모 및 데이터 왜곡의 최소화를 위해 패턴폭 0.8T, 길이 100mm기준 초기저항값은 2Ω이하이어야 하며, 특히 중요한 점은 부품탑재(SMD)가 가능해야 전자부품으로써 응용이 용이하다.
도 1은 본 발명의 연신전극의 조성물에 대한 설명도이다. 연신전극은 AgNPs(Ag nanoparticles)를 주성분으로 하나, 전도성과 연신성을 겸비하기 위해 AgMPs, AgNPs, AgNWs 등이 배합되어질 수 있다.
또한 이러한 입자들의 고형화를 위해 소량의 전도성 또는 비전도성 연신 물질이 포함되며, 고형화를 위한 경화제가 포함될 수 있다.
특히 상기 물질로 형성되고 배합된 연신전극 수지는 스크린 또는 3D 인쇄가 가능한 점도를 갖고, 1개 이상의 층으로 도포되어 연신전극을 구성할 수 있다.
연신기판에 연신전극을 정밀 인쇄 후 경화공정을 거칠 수 있다.
열경화성 수지로는 페놀수지, 우레아수지, 불포화 폴리에스테르수지, 폴리우레탄, 알키드수지, 멜라민수지, 에폭시수지, 규소수지 중 어느 하나를 사용할 수 있으나 바람직하게는 폴리우레탄 수지가 타당하다.
은미세입자(AgMPs, Ag microparticles)는 전도성 향상 및 연신전극과 전자부품의 접합력을 유지한다. 다만, 연신시 크랙(Crack)이 발생하는 단점이 있어, 이를 보완하기 위해 전하처리를 한 AgNPs(-)와 AgNW(+)를 배합한다.
전하처리방법으로 크게 3가지 방법을 적용시킬 수 있다.
첫째는 화학적인 방법으로, 은나노입자(AgNPs)를 음이온을 가진 화학 용액에 노출시켜, 은나노입자(AgNPs)표면에 음이온이 존재하게 한다.
둘째는 플라즈마 방법으로, 은나노입자(AgNPs)를 음이온을 포함한 플라즈마에 노출시키는 것으로 플라즈마는 고에너지 상태의 기체로, 입자 표면에 충분한 양의 에너지를 공급하여 입자 표면에 음이온을 충전시킬 수 있다.
셋째는 전해질 용액방법으로, 은나노입자(AgNPs)를 음이온을 가진 전해질 용액에 노출시켜 은나노입자(AgNPs)와 전해질 용액 사이에 전기장이 형성되는 것으로 전해질 용액에서 나오는 음이온이 은나노입자(AgNPs) 표면에 충전되는 방법이다.
마찬가지로 은나노와이어(AgNWs)을 양이온으로 충전시키는 방법도 상기 방법으로 가능하다.
은나노입자(AgNPs, Ag nanoparticles)는 연신전극이 연신시 은미세입자(AgMPs, Ag microparticles)와 은나노와이어(AgNWs)의 공극을 매꿔주는 역할과 은나노입자(AgNPs, Ag nanoparticles)가 은나노와이어(AgNWs)에 달라 붙어 있는 형태로 은미세입자(AgMPs, Ag microparticles)와의 면 접촉 확률을 높여준다.
또한 은나노입자(AgNPs, Ag nanoparticles)는 각 은미세입자(AgMPs, Ag microparticles)간의 전도성 유지 역할을 한다.
도 2는 본 발명의 연신전극 분자구조 개념도이다.
연신전극수지 구성 및 배합에 관하여 수지배합전 은나노입자(AgNPs, Ag nanoparticles)은 (-)전하 처리하고, 은나노와이어(AgNWs)는 (+)전하 처리를 하여, 수지와 배합시 AgNPs(-)는 AgNW(+)에 달라붙어 주변의 AgMPs간의 공극과 연신시 발생할 수 있는 미세한 크랙을 보완하고 전도성을 유지해주는 구조이며, 마치 수세미에 미세한 전도성 입자들이 끼어있는 구조와 유사하다. 연신전극 수지 배합은 다음 표 1과 같다.
| 재료 | 재료 전하처리 | 배합율(중량%) |
| AgNPs(Ag nanoparticles) | - | 8~18 |
| AgMPs(Ag microparticles) | 0 | 40~60 |
| AgNWs(Ag nanowires) | + | 4~14 |
| 내열성 우레탄(urethane) | 0 | 13~23 |
| 경화용제(Gamma-butylrolatone) | 0 | 5~15 |
다음으로 연신필름 일면에 상기 연신전극을 적층시킨다. 상기 적층된 형태를 연신모듈이라 하며
또한 상기 연신기판 위에 전자부품류가 탑재되어 고정된 형태도 연신모듈에 포함된다.
도 3은 본 발명의 연신필름 및 지지체에 대한 개념도이다.
연신모듈의 연신필름은 폴리우레탄(polyurethane), 엘라스토머(elastomer), 실리콘(폴리 비닐 실록산(poly vinyl siloxane), 폴리 디메틸 실록산(polydimethylsiloxane), 옥타 메틸 사이클로 테트라 실록산(Octamethylcylotetrasiloxane)) 중 어느 하나로 구성된다.
추가로 연신필름 표면 처리를 통해 필름의 굴곡을 형성하여 연신전극과의 접합성과 신축성을 부여할 수 있다.
상기 표면 처리는 연신필름 일면을 직접가공하거나 추가적인 표면 형성 방식 등을 통해 처리할 수 있다.
일예로 마이크로 패턴이 부여된 그라비아 코팅 방식, 마이크로 입자 원료를 통한 표면 형성 방식, 부식 처리, 코로나 처리, 무광 처리 등 다양한 마이크로, 나노 단위의 표면 처리 방식을 연신 필름에 적용하여 연신 전극과의 접합성과 신축성을 부여할 수 있다.
또한, 연신전극과 연신필름의 접합력을 향상시키고, 마이크로 입자를 배합하여 굴곡면을 임의 형태로 형성시킬 수 있는 별도의 마이크로 입자 배합 절연성 도료를 연신 필름 상단에 도포하여 필름의 연신력과 회복력을 향상시킬 수도 있다.
다음으로 상기 연신필름의 이면은 지지체가 적층될 수 있다. 지지체는 내열성 폴리에스테르수지(PET)가 적당하며, 지지체는 연신필름의 경화과정에서 수축이나 변형을 막기 위해 내열성 연신필름을 하단에 부착(적층)하여 연신모듈의 열화에 의한 수축변형을 차단할 수 있다.
또한 연신전극 이면에 전도성본드가 적층되며 상기 전도성본드는 연신전극과 전자부품을 연결시키는 역할을 한다.
상기 전도성본드의 재료 구성은 상기 연신전극과 유사하나, 표 2와 같이 전자부품과의 전도도와 접합력을 높이기 위해 구리분말(CuMPs) 또는 아연분말(ZnMPs) 등이 첨가될 수 있으며, 에폭시 수지를 첨가하여 점도를 높이고, MIR경화가 용이하도록 배합한다. 이때 점도는 10,000~12,000Pa.s가 타당하다.
| 재료 | 재료 전하처리 | 배합율(중량%) |
| AgMPs(Ag microparticles) | 0 | 30~70 |
| CuMPs(Cu microparticles) | 0 | 0~30 |
| ZnMPs((Zn microparticles) | 0 | 0~30 |
| 에폭시 수지 | 0 | 10~30 |
| 경화제 | 0 | 5~15 |
여기서 전도성본드위에 위치한 전자부품의 고정을 위해 연신전극, 전도성본드 및 전자부품의 외각사면에 실링된 연신물질이 추가될 수 있다.
도 4는 본 발명의 연신모듈에 대한 단면도 및 상면도이다. 전자부품의 외각의 일부만 연신물질이 실링되거나, 사면모두 실링될 수 있다.
연신모듈에서 전도성본드 위에 전자부품을 부착 후에도 연신모듈에 외부충격에 의해 전자부품이 떨어질 수 있으며, 전자부품들의 기판접합력은 최소 1Kg.a이상의 접착력이 유지되어야 한다. 이에 대하여 전자부품의 리드와 연신전극의 솔더부분은 경도80의 우레탄 또는 에폭시, 실리콘(폴리 비닐 실록산(poly vinyl siloxane), 폴리 디메틸 실록산(polydimethylsiloxane), 옥타 메틸 사이클로 테트라 실록산(Octamethylcylotetrasiloxane) 등의 연신물질로 실링(Sealing)한 후 UV 경화처리를 하여 고정시킬 수 있다.
연신전극의 분자구조 및 연신필름의 구조를 통하여 연신기판이 구성되며, 전자부품 탑재를 통한 연신모듈이 구성될 수 있으며, 이러한 개념기술은 헬스케어용 및 웨어러블 등 붙이고 입을 수 있는 전자장치를 구성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 설명의 특징 및 기타의 장점은 후술되는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이며,
하기 실시예는 예시적인 목적으로 기재될 뿐 본 발명의 보호범위를 한정하거나 제한하는 것으로 해석될 수 없다.
[실시예]
양전하(+)처리된 은나노와이어(AgNWs) 9중량%, 음전하(-)처리된 은나노입자(AgNPs, Ag nanoparticles) 13중량%,은미세입자(AgMPs, Ag microparticles) 50중량% , 내열성 우레탄수지 18중량% 및 경화용제(Gamma-butylrolatone) 10중량%을 혼합한 후 PU필름 위여 0.01mm의 두께로 인쇄하였다.
[비교예]
은나노와이어(AgNWs) 22중량%, 은미세입자(AgMPs, Ag microparticles) 50중량% , 내열성 우레탄수지 18중량% 및 경화용제(Gamma-butylrolatone) 10중량%을 혼합한 후 PU필름 위여 0.01mm의 두께로 인쇄하였다. 나머지 조건은 실시예와 동일하다.
표 3은 실시예에 대한 5개의 시료샘플에 대하여 신축률에 따른 저항값을 측정한 결과이다.
표 4는 비교예에 대한 5개의 시료샘플에 대하여 신축률에 따른 저항값을 측정한 결과이다.
도 5 및 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 대한 신축률에 따른 저항측정값을 보여주는 그래프이다. 상기 표 3 및 4, 도 5 및 6를 참조하면 본 발명의 실시예가 신축률의 증가에 따른 저항변화값이 비교예보다 작고 크랙 발생도 없음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
10 : 요철구조 20 : 연신필름
30 : 지지체 40 : 연신전극
50 : 전도성본드 60 : 전자부품
70 : 실링된 연신물질
30 : 지지체 40 : 연신전극
50 : 전도성본드 60 : 전자부품
70 : 실링된 연신물질
Claims (9)
- 은나노와이어(AgNWs), 은미세입자(AgMPs, Ag microparticles) 및 은나노입자(AgNPs, Ag nanoparticles)가 내열성 열경화성 수지에 포함되되,
상기 은나노와이어(AgNWs)는 양전하(+)를 띄고, 은나노입자(AgNPs, Ag nanoparticles)는 음전하(-)를 띄는 것에 특징이 있는 연신전극.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 내열성 열경화성 수지는 폴리우레탄 수지인 것에 특징이 있는 연신전극.
- 연신필름 일면에 제1항 또는 제3항 중 어느 하나의 연신전극이 적층된 연신모듈.
- 제4항에 있어서,
상기 연신필름의 일면은 요철구조로 표면처리된 것에 특징이 있는 연신모듈.
- 제4항에 있어서,
상기 연신필름의 이면은 지지체가 적층된 것에 특징이 있는 연신모듈.
- 제4항에 있어서,
상기 연신전극 이면에 전도성본드가 적층된 것에 특징이 있는 연신모듈.
- 제7항에 있어서,
상기 전도성본드는 연신전극과 전자부품을 연결하는 것에 특징이 있는 연신모듈.
- 제8항에 있어서,
상기 전자부품의 고정을 위해 연신전극, 전도성본드 및 전자부품의 외각사면에 실링된 연신물질이 추가된 것에 특징이 있는 연신모듈.
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