KR20180118374A - 인쇄회로 나노섬유웹 제조방법, 이를 통해 제조된 인쇄회로 나노섬유웹 및 이를 이용한 전자기기 - Google Patents

인쇄회로 나노섬유웹 제조방법, 이를 통해 제조된 인쇄회로 나노섬유웹 및 이를 이용한 전자기기 Download PDF

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Abstract

인쇄회로나노섬유웹의 제조방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법은 (1) 섬유형성성분이 포함된 방사용액을 전기 방사하여 나노섬유웹을 제조하는 단계 및 (2) 상기 나노섬유웹 상에 인쇄전자(Printed Electronic) 기법을 통해 회로패턴층을 인쇄시키는 단계를 포함하여 수행된다. 이에 의하면 미래형 스마트 기기에 적합하도록 가요성 및 복원성을 가지는 회로패턴이 인쇄된 인쇄회로나노섬유웹을 구현할 수 있다. 또한, 인쇄전자 공정을 이용하여 전도성 재료의 제조 단가를 낮추고 전도성 재료의 낭비를 최소화하여 경제적이고 친환경적인 동시에 다수의 기공을 가지는 나노섬유웹을 통해 방수성과 통기성 특성을 만족함에 따라서 각종 미래산업분야에서 다양하게 응용될 수 있다.

Description

인쇄회로 나노섬유웹 제조방법, 이를 통해 제조된 인쇄회로 나노섬유웹 및 이를 이용한 전자기기{Method of manufacturing Printed circuit nano-fiber web, Printed circuit nano-fiber web thereby and electronic device comprising the same}
본 발명은 인쇄회로 나노섬유웹에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 가요성, 복원성, 방수성 및 통기성이 있는 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법, 이로 제조된 인쇄회로나노웹 및 이를 이용한 전자 기기에 관한 것이다.
일반적으로 인쇄회로기판(PCB)은 다양한 분야의 전기, 전자제품의 기초가 되는 부품이며, 생활 가전 제품은 물론 반도체용 모듈, 검사장치, 자동차, 방위산업 및 인공위성에 이르기까지 인쇄회로기판의 활용도가 점차 확대되어 가고 있다.
최근에는 유연한 전자 소자(Flexible electronics)에 대한 기대 및 요구가 높아짐에 따라 기존의 포토리소그래피법(Photo-Lithography)을 이용한 공정을 통해 양산할 수 없는 필름 형태에 유연한 기판에 대하여 회로패턴의 인쇄가 가능함과 동시에 단가가 저렴하고, 공정 시간을 크게 단축시킬 수 있는 인쇄전자(Printed Electronic)기법이 주목받고 있다.
상기 인쇄전자 기법은 다이렉트 프린팅(Direct Printing) 기법이라고도 하며, 목적하는 회로패턴 부분만을 기판이나 필름 등에 전도성 전자잉크로 인쇄하여 제조하는 공정이다. 종래 포토리소그래피법은 회로패턴 형성을 위해 기판 전체에 구리나 알루미늄을 도금한 후, 마스크 등을 이용하여 필요한 부분만을 남기고 제거하기 때문에 상대적으로 낭비되는 전도성 소재의 양이 많아 비경제적이나, 인쇄전자 기법을 이용하면 재료의 낭비가 거의 없어 제조 단가를 크게 낮출 수 있다. 또한 종래 포토리소그래피법은 최소 5단계 이상의 공정을 필요로 하지만 인쇄전자 기법을 이용하면 최소 2단계의 공정으로 회로패턴을 인쇄할 수 있어 공정 단순화에 크게 기여할 수 있다. 나아가 상기 인쇄전자 기법은 얇고 작은 물체에 회로패턴을 형성할 수 있으며, 회로패턴 형성의 정확성이 향상되며 친환경적인 제조 공정이 가능한 점에서 장점이 있다.
이러한 점에서 상기 인쇄전자 기법은 모든 물체가 통신기능을 갖추도록 하는 사물인터넷 기술로 가장 각광 받는 기술이며 박막 트랜지스터, 저항, 인덕터, 콘덴서 등의 기본적인 회로 부품에서부터, 전지, 디스플레이, 센서, RFID(Radio Frequency Identification), 태양 전지 등의 다수의 응용 제품까지 넓게 응용이 가능하다.
한편, 미래에 개발되어 활용될 미래형 스마트 기기는 현존의 디바이스와는 구조적, 개념적으로 차이가 있을 것으로 예상되며 특히, 최근 스마트 기기는 인체에 착용되어 인간 생활을 편리하게 하기 위한 안경, 의복 등과 전자적인 부품을 함께 내장하여 개발되고 있다. 이러한 변화의 추이 속에 사용자가 착용 가능한 인쇄회로기판의 개발은 스마트 의류와 같은 미래형 디바이스의 개발을 촉진할 수 있으므로, 가요성이 보다 향상됨으로 인해 인체에 착용이 가능한 형태로 구현되는 인쇄회로기판의 연구 및 기술개발이 반드시 필요하다.
한국 등록특허공보 제10-1139970호(특허문헌 1)에는 연성의 절연기판 상에 형성된 시드층 상에 회로패턴을 형성하는 1단계; 상기 회로패턴 상에 제1감광물질을 도포하는 2단계; 상기 제1감광물질을 노광, 현상하여 상기 회로패턴 상에 보호패턴을 형성하는 3단계; 상기 시드층을 에칭하는 4단계; 및 상기 보호패턴을 박리하는 5단계를 포함하며, 상기 제1감광물질은 액상 또는 필름형 감광제인 것을 특징으로 하는 플렉서블 인쇄회로기판의 제조방법이 개시되어 있다.
상기 특허문헌 1의 제조방법을 이용하면 가요성이 있는 인쇄회로기판을 구현할 수 있으나, 베이스부재가 폴리이미드 필름과 같은 연성의 절연기판이므로, 충분한 가요성을 가지지 못하고, 접히거나 구겨진 후 다시 펴지는 복원 특성 또한 기대할 수 없으며, 통기성을 가지지 못하여 웨어러블이 요구되는 스마트 기기 등에는 적용할 수 없는 단점이 있다.
이에 가요성, 복원성 및 통기성을 가짐과 동시에 착용가능한 형태로 제작되어 유연한 전자 소자 또는 미래형 웨어러블 스마트기기에도 적용이 가능한 인쇄회로기판에 대한 기술 개발이 시급한 실정이다.
등록특허공보 제10-1139970호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 나노섬유웹에 회로패턴을 인쇄하여 가요성 및 복원성을 가지는 인쇄회로기판의 제조 방법 및 이를 이용한 스마트 기기를 제공하는데 발명의 목적이 있다.
또한, 본 발명은 인쇄전자 공정을 이용하여 회로패턴의 형성 정확도를 향상시킴과 동시에 전도성 재료의 제조 단가를 낮추고 전도성 재료의 낭비를 최소화하여 경제적이고 친환경적인 인쇄회로기판의 제조 방법 및 이를 이용한 스마트 기기를 제공하는데 발명의 다른 목적이 있다.
더불어, 본 발명은 나노 사이즈의 섬유가 축적되어 형성된 다수의 기공을 가지는 나노섬유웹을 인쇄회로기판의 베이스 기재로 적용하여 웨어러블 스마트 의류에 요구되는 가요성, 복원성 및 통기성을 만족하는 인쇄회로기판의 제조 방법 및 이를 이용한 스마트 기기를 제공하는데 발명의 또 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 (1) 섬유형성성분이 포함된 방사용액을 전기 방사하여 나노섬유웹을 제조하는 단계 및 (2) 상기 나노섬유웹 상에 인쇄전자(Printed Electronic) 기법을 통해 회로패턴층을 인쇄시키는 단계를 포함하는 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (2) 단계는 (2-1) 나노섬유웹에 전도성 잉크를 분사하는 단계 및 (2-2) 상기 분사된 전도성 잉크를 소결하여 회로패턴층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 잉크는 금, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 니켈, 알루미늄 및 카본 중 적어도 하나 이상의 전도성 입자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 인쇄전자 기법은 잉크젯프린팅(Inkjet Printing) 및 플렉소인쇄법(Flexography) 중 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 기공의 평균공경은 0.1 ~ 10㎛ 일 수 있다.
또한, 상기 회로패턴층은 나노섬유웹 표면으로부터 0.1 ~ 10㎛의 두께로 인쇄될 수 있다.
또한, 상기 회로패턴층은 상기 나노섬유웹의 상부면에 형성된 제1회로패턴층 및 하부면에 형성된 제2회로패턴층을 포함하고, 상기 제1회로패턴층 및 제2회로패턴층은 통전 또는 비통전 될 수 있다.
또한, 상기 나노섬유는 폴리우레탄(polyurethane), 폴리스티렌(polystylene), 폴리비닐알코올(polyvinylalchol), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리락트산(polylactic acid), 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리염화비닐(polyvinylchloride), 폴리카보네이트, PC(polycarbonate), 폴리이더이미드(polyetherimide), 폴리이더술폰(polyesthersulphone), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazol), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate),, 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate) 및 불소계화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 섬유형성성분으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노섬유웹의 기공도는 10 ~ 80%일 수 있다.
또한, 인쇄회로나노섬유웹은 회로패턴층이 인쇄된 나노섬유웹 일면에 대향하는 면에 강도보강용 지지체를 더 구비할 수 있다.
또한, 본 발명은 다수 개의 나노섬유 및 상기 다수 개의 나노섬유의 교차로 형성되는 다수 개의 기공을 가지며, 상기 회로패턴층은 상기 나노섬유 및 기공을 덮도록 형성되는 인쇄회로나노섬유웹을 제공한다.
또한, 본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 인쇄회로나노섬유웹 및 상기 인쇄회로나노섬유웹에 실장된 적어도 하나 이상의 전자 부품을 포함하는 전자기기를 제공한다.
또한, 상기 전자기기는 사용자의 신체 상태를 검출하기 위한 바이오 센서와 주변환경을 감지하기 위한 환경감지센서 중 적어도 하나를 포함하는 센서유닛, 근거리 무선 통신에 사용되는 근거리 통신 모듈, 무선 통신에 사용되는 안테나 패턴 및 신호처리 기능을 수행하기 위한 제어유닛을 포함하는 전자 기기일 수 있다.
본 발명에 따른 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법에 의하면, 미래형 스마트 기기에 적합하도록 가요성 및 복원성을 가지는 회로패턴이 인쇄된 인쇄회로나노섬유웹을 구현할 수 있다. 또한, 인쇄전자 공정을 이용하여 전도성 재료의 제조 단가를 낮추고 전도성 재료의 낭비를 최소화하여 경제적이고 친환경적인 동시에 다수의 기공을 가지는 나노섬유웹을 통해 방수성과 통기성 특성을 만족함에 따라서 각종 미래산업분야에서 다양하게 응용될 수 있다.
도 1은 종래 증착-리소그래피 공정을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 인쇄전자 공정을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 인쇄회로나노섬유웹을 나타내는 사시도 및 부분 확대도, 그리고
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 제조방법으로 제조된 인쇄회로나노섬유웹을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
본 발명에 따른 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법은 (1) 섬유형성성분이 포함된 방사용액을 전기 방사하여 나노섬유웹을 제조하는 단계 및 (2) 인쇄전자(Printed Electronic) 기법을 이용하여 상기 나노섬유웹에 회로패턴층을 형성하는 단계를 포함하여 구현된다.
상기 (1) 단계는 섬유형성성분이 포함된 방사용액을 전기 방사하여 회로패턴층을 형성시키는 기재인 나노섬유웹을 제조하는 단계이다. 본 발명의 제조방법에 따른 (1) 단계를 설명하기에 앞서, 회로패턴층을 형성시키는 기재로써 나노섬유웹을 사용하는 이유에 대하여 먼저 설명하기로 한다.
일반적인 인쇄회로기판은 에폭시 수지에 유리 섬유 등의 보강재를 첨가시키고, 동박을 접착시킨 경성인쇄회로기판(Rigid Printed Circuit Board; Rigid PCB), 폴리이미드(polyimide) 기재상에 동박을 접착시킨 연성인쇄회로기판(Flexible Printed Circuit Board; FPCB) 및 경성인쇄회로기판과 연성인쇄회로기판의 장점을 결합시킨 경성-연성인쇄회로 기판(Rigid- Flexible Printed Circuit Board; R-F PCB)으로 나누어질 수 있다. 특히 최근 추세를 반영한 스마트 기기와 같은 미래 디바이스용 인쇄회로기판의 경우, 우수한 가요성이 요구되며 접거나 구겨지더라도 원래의 편평한 상태를 유지할 수 있는 복원력 및 높은 휘어짐 특성이 요구되고 있다. 그러나 종래의 연성인쇄회로기판에 사용되는 폴리이미드는 일정 수준의 가요성을 나타내고 있으나, 접거나 구겨지면 다시 원래의 편평한 상태로 돌아가는 복원력이 매우 낮으며, 휘어짐에도 취약한 특성을 가짐에 따라서 미래형 디바이스에는 다소 부적절한 면이 있다.
이에 본 발명은 다수 개의 나노섬유가 랜덤하게 축적되어 이루어지는 나노섬유웹에 회로패턴을 인쇄하는 제조방법을 통해 상술한 미래형 스마트 기기에 적합하도록 우수한 가요성과 복원성을 가짐과 동시에 우수한 휘어짐 특성을 나타내는 인쇄회로나노섬유웹을 구현한다.
즉, 본 발명에 따른 제조방법으로 구현되는 인쇄회로나노섬유웹은 나노섬유웹을 구성하는 섬유 표면 및 상기 나노섬유로 형성되는 기공을 덮도록 회로패턴층을 형성하여, 나노섬유 자체의 우수한 가요성을 충분히 활용할 수 있으며, 랜덤하게 적층된 상기 나노섬유로 인해 접히거나 구겨진 이후 다시 회복되는 복원 특성도 향상될 수 있다. 나아가, 웹 구조의 시트를 이용함으로써 초경박 기기나 웨어러블 디바이스 등의 미래 지향적인 디바이스에도 적용이 가능하다.
상기 (1) 단계로써, 나노섬유웹을 제조하는 단계는 나노섬유를 구비하고 3차원 네트워크 형상의 섬유웹을 형성시키는 공지의 방법이 사용될 수 있다. 다만, 바람직하게는 상기 나노섬유웹은 섬유형성성분을 포함하는 방사용액을 전기 방사하여 형성할 수 있다.
상기 나노섬유웹을 형성하는 나노섬유는 공지된 섬유형성성분 및 용매를 포함하여 형성된 것일 수 있다.
상기 섬유형성성분은 목적에 따라서 폴리우레탄(polyurethane), 폴리스티렌(polystylene), 폴리비닐알코올(polyvinylalchol), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리락트산(polylactic acid), 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리염화비닐(polyvinylchloride), 폴리카보네이트, PC(polycarbonate), 폴리이더이미드(polyetherimide), 폴리이더술폰(polyesthersulphone), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazol), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate) 및 불소계화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 불소계화합물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(PFA)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(EPE)계, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE)계, 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE)계, 클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ECTFE)계 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
이때, 상기 나노섬유가 섬유형성성분으로 PVDF를 포함할 경우 상기 PVDF의 중량평균분자량은 10,000 ~ 1,000,000일 수 있고, 바람직하게는 300,000 ~ 600,000일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 섬유형성성분은 방사용액에 5 ~ 30 중량%, 바람직하게는 8 ~ 20중량%로 포함됨이 좋고, 만일 섬유형성성분이 5 중량% 미만일 경우 섬유로 형성되기 어려우며, 방사 시 섬유상으로 방사되지 않고 액적상태로 분사되어 방사가 이루어지더라도 비드가 많이 형성되고 용매의 휘발이 잘 이루어지지 않아 기공이 막히는 현상이 발생할 수 있다. 또한, 만일 섬유형성성분이 30 중량% 초과할 경우 점도가 상승하여 용액 표면에서 고화가 일어나 장시간 방사가 곤란하며, 섬유직경이 증가하여 마이크로미터 이하 크기의 섬유상을 만들 수 없을 수 있다.
상기 용매는 섬유형성성분의 침전물을 생성시키지 않고 후술하는 나노섬유의 방사성에 영향을 미치지 않는 용매의 경우 제한 없이 사용될 수 있으나 바람직하게는 γ-부티로락톤, 사이클로헥사논, 3-헥사논, 3-헵타논, 3-옥타논, N-메틸피롤리돈, 디메틸아세트아미드, 아세톤 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아마이드로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 일예로 상기 용매는 디메틸아세트아미드와 아세톤의 혼합용매일 수 있다.
상기 제조된 방사용액은 공지된 전기방사장치 및 방법을 통해 나노섬유을 제조될 수 있다. 일 예로, 상기 전기방사장치는 방사 노즐이 1개인 단일 방사팩을 구비한 전기방사장치를 사용하거나 양산성을 위하여 단일 방사팩 복수개로 구비하거나 노즐이 복수개인 방사팩을 구비한 전기방사 장치를 사용해도 무방하다. 또한, 전기방사 방식에 있어서 건식방사 또는 외부응고조를 구비하는 습식방사를 이용할 수 있고 방식에 따른 제한은 없다.
상기 전기방사장치에 교반시킨 방사용액을 투입시켜 콜렉터, 일예로 종이 상에 전기방사시킬 경우 나노섬유로 형성된 나노섬유웹을 수득할 수 있다. 상기 전기방사를 위한 구체적 조건은 일 예로써, 방사팩의 노즐에 구비되는 에어분사노즐은 에어 분사의 에어압은 0.01 ~ 0.2MPa 범위로 설정될 수 있다. 만약 에어압이 0.01MPa 미만인 경우 포집, 집적에 기여를 하지 못하며, 0.2MPa를 초과하는 경우 방사노즐의 콘을 굳게 하여 니들을 막는 현상이 발생하여 방사 트러블이 발생할 수 있다. 또한, 상기 방사용액을 방사할 때, 노즐 당 방사용액의 주입속도는 10 ~ 30㎕/min일 수 있다. 또한, 상기 노즐의 팁과 콜렉터까지의 거리는 10 ~ 30㎝일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 목적에 따라 변경하여 실시할 수 있다.
상기 (1) 단계를 통해 제조된 나노섬유웹은 상기 다수 개의 나노섬유의 교차로 형성되는 다수 개의 기공을 가질 수 있다. 이 경우, 회로패턴이 형성된 인쇄회로나노섬유웹에 통기성을 부여할 수 있으므로, 인체에 착용하는 의복 및 각종 미래형 스마트 기기의 각종 부품을 상호 연결하고 회로를 구성하는데 필요한 최적의 기능 및 구조를 가질 수 있다. 즉, 인체에서는 외부 환경에 따라 체온 조절을 위해 땀이 발생되고, 이 땀은 증발되어 수증기 상태로 외부로 방출되는데, 통기성을 가지는 상기 인쇄회로나노섬유웹을 통해 땀에서 증발된 수증기를 외부로 방출시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기공을 통하여 각종 회로배선을 연결할 수 있어 웨어러블 스마트 기기와 같은 미래형 디바이스에 보다 적합한 기능 및 구조를 가질 수 있다.
이를 위해 상기 나노섬유웹의 기공도는 10 ~ 80%일 수 있고, 일예로 50% ~ 60% 일 수 있다. 또한, 상기 나노섬유는 평균직경이 0.1 ~ 10㎛ 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 나노섬유웹의 두께는 5 ~ 200㎛로 형성될 수 있고, 일예로 10 ~ 20㎛일 수 있다. 만일 상기 나노섬유웹이 5㎛ 미만의 두께를 가지면 나노섬유웹 표면에 인쇄된 회로패턴층에 대한 지지기능이 저하될 수 있고, 이로 인한 인쇄회로나노섬유웹의 내구성 및 기계적 물성이 떨어질 수 있다. 또한, 만일 상기 나노섬유웹이 200㎛를 초과하는 두께를 가지면 회로패턴층에 과도한 두께로 인한 공정 핸들링 특성이 저하될 수 있으며, 특히 양면에 회로패턴층을 인쇄하는 경우 전도성 잉크가 용이하게 침투하지 못하여 균일한 회로패턴층 형성에 제한이 따를 수 있고, 침투력 저하에 따른 전도성 잉크에 뭉침현상으로 인한 나노섬유웹 자체에 물성 저하를 야기할 수 있다.
또한, 상기 나노섬유웹의 평균공경은 0.1 ~ 10㎛일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.1 ~ 3㎛일 수 있고, 일예로, 0.25㎛일 수 있다. 또한, 상기 나노섬유웹의 평량은 2 ~ 100g/㎡일 수 있고, 일예로 10g/㎡ ~ 20g/㎡ 일 수 있다.
이때, 나노섬유웹 자체의 부족한 강도를 보강하여 상기 나노섬유웹 상에 형성되는 회로패턴층의 안정성을 향상시키기 위해 상기 나노섬유웹은 목적하는 용도에 맞도록 강도 보강용 지지체를 추가적으로 더 구비할 수 있으며, 상기 강도 보강용 지지체의 일면 또는 양면에 적층된 제1나노섬유웹 또는 제2나노섬유웹을 더 포함하여 구현될 수 있다.
한편 도 1을 참조하면, 종래 포토-리소그래피 기법은 (a) 연성 또는 경성 기판상에, (b) 시드층을 형성하는 단계, (c) 포토 레지스트를 도포하는 단계, (d) 마스크를 이용하여 노광하는 단계, (e) 현상하는 단계, (f) 에칭 단계 및 회로패턴을 형성하는 단계(g)를 포함하여 수행되기 때문에, 요구되는 공정 단계 복잡하고 제조시간이 길며, 또한 마스크 등을 이용하여 필요한 부분만을 남기고 제거하기 때문에 상대적으로 낭비되는 전도성 소재의 양이 많아 비경제적이다. 그러나 본 발명에 따른 인쇄전자 기법은 목적하는 회로패턴 부분만을 기판이나 필름 등에 전도성 전자잉크로 인쇄하여 제조하기 때문에 2단계의 공정으로 회로패턴을 인쇄할 수 있어 공정 단순화에 크게 기여할 수 있으며, 회로 패턴 형성의 정확성이 향상되고, 낭비되는 재료가 거의 없어 제조 단가를 크게 낮출 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 제조방법은 도 2에 도시된 것과 같이, (a) 내지 (c)의 단계만으로 공정 단계를 최소화할 수 있으며, 이러한 (2) 단계는 인쇄전자(Printed Electronic) 기법을 이용하여 나노섬유웹에 회로패턴층을 인쇄하며, 상기 인쇄전자 기법은 잉크젯프린팅(Inkjet Printing) 및 플렉소인쇄법(Flexography) 중 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있다. 다만 본 발명에서의 인쇄전자 기법은 상기 언급된 방법에 한정되는 것은 아니며, 인쇄전자 기법으로 이용될 수 있는 모든 방법을 포함할 수 있다.
이때, 상기 잉크젯프린팅(Inkjet Printing) 방법은 헤드로부터 미세한 크기의 전도성 잉크 방울(이하, 액적이라 한다)을 토출하여 목적하는 기재에 충돌시켜 회로 패턴을 형성하는 방식이며, 액적 토출 방식에 따라 연속적으로 액적을 토출시키는 컨티뉴어스(Continuous) 방식과 선택적으로 액적을 토출시키는 드롭 온 디맨드(Drop On Demand) 방식으로 분류할 수 있다. 이때, 컨티뉴어스 방식은 일반적으로 대형의 장치가 요구되고 저해상도의 패터닝(Patterning)에 이용됨에 반해, 드롭 온 디맨드 방식은 고해상도의 패터닝이 필요한 경우에 사용되는 특징이 있다.
또한, 상기 드롭 온 디맨드(Drop On Demand) 방식은 다시 압전소자를 이용해 잉크에 압력을 인가하여 액적을 토출시키는 피에조(Piezo) 방식 및 잉크에 열을 가해 순간적으로 기포를 발생시킨 후 기포의 압력에 의해 액적을 토출시키는 버블젯(Bubblejet) 방식으로 분류할 수 있다. 상기 피에조(Piezo) 방식의 경우 잉크에 열을 가하지 않기 때문에 헤드 수명이 비교적 길다는 점 및 잉크의 선택에 있어 열변성을 고려해야 하는 제한이 없다는 점은 유리하나 고해상도의 패터닝을 위해서는 헤드의 생산비용이 상승한다는 점에서 불리할 수 있다.
상기 플렉소 인쇄법(Flexography) 방법은 균일한 그레이팅(Grating)을 갖는 아니록스 롤러(Anilox Roller) 위에 전도성 잉크를 도포하고, 닥터 블레이드를 통해 균일하게 펼친 후, 상기 아니록스 롤러(Anilox Roller)와 인쇄롤을 접촉시켜 상기 인쇄롤의 유연성 수지판 위에 양각된 패턴으로 전도성 잉크를 전사함으로써 목적하는 기재 표면에 프린팅 하는 방식이다.
이때, 상기 (2) 단계는 (2-1) 나노섬유웹에 전도성 잉크를 분사하는 단계 및(2-2) 상기 분사된 전도성 잉크를 소결하여 회로패턴층을 형성하는 단계를 더 포함하여 구현될 수 있다.
상기 (2-1) 단계의 상기 전도성 잉크는 금, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 니켈, 알루미늄 및 카본 입자 중 적어도 하나 이상의 전도성 입자를 포함할 수 있으며, 도전성 및 내화학성을 고려하면 금, 은, 백금이 바람직하고, 비용 및 후술할 소결 온도를 고려하면 은이 보다 바람직할 수 있다. 다만, 상기 전도성 잉크에 포함되는 전도성 입자는 상기 언급된 금속에 한정되지 아니하며, 전도성 잉크의 재료로 사용될 수 있는 모든 금속 또는 비금속을 포함한다. 예를 들어 포름산 금, 포름산 은, 포름산 구리, 포름산 백금, 포름산 팔라듐, 포름산니켈, 포름산 알루미늄, 아세트산 금, 아세트산 은, 아세트산 구리, 아세트산 백금, 아세트산 팔라듐, 아세트산 니켈, 아세트산 알루미늄, 옥살산 금, 옥살산 은, 옥살산 구리, 옥살산 백금, 옥살산 팔라듐, 옥살산 니켈, 옥살산 알루미늄, 말론산 금, 말론산 은, 말론산 구리, 말론산 백금, 말론산 팔라듐, 말론산 니켈, 말론산 알루미늄, 프탈산 금, 프탈산 은, 프탈산 구리, 프탈산 백금, 프탈산 팔라듐, 프탈산 니켈, 프탈산 알루미늄 등을 상기 전도성 잉크의 전도성 입자로써 포함할 수 있다. 이? 상기 전도성 입자는 나노 또는 마이크로 스케일 수 있으며, 회로패턴층의 물성에 따라 전도성 입자의 종류와 전도성 잉크의 함유되는 비율을 적절히 선택 가능함에 따라 특별히 한정하지 않는다.
또한 상기 전도성 잉크는 상기 전도성 입자의 균일한 분산을 위하여 용매 및 바인더를 더 포함할 수 있으며 목적하는 용도 및 필요에 따라, 본 발명의 효과에 영향을 주지 않는 범위에서 인쇄전자에 적용되는 첨가제를 함유시키는 것이 가능하다. 일 예로 점도 조제제, 도전 조제, 초킹(Chalking) 방지제, 산화 방지제, pH 조제제, 건조 방지제, 밀착 부여제, 방부제, 소포제, 레벨링제(leveling agent), 계면활성제 등을 예시할 수 있으며, 바인더를 첨가하는 경우 나노섬유웹과의 접착성이 향상되어, 전도성 잉크의 균일한 분산을 유도할 수 있다. 이와 같이 추가적인 첨가제들의 조성과 조성비는 후술할 소결 과정을 통해 전부 증발하여 균일한 회로패턴층을 형성할 수 있도록, 회로패턴층의 물성을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
한편 상기 전도성 잉크에 포함되는 전도성 입자를 상술한 것과 같이 용매(solvent)에 분산시켜 제작할 수 있는데, 분산 초기 전도성 입자는 매우 불안정한 상태로 분산되어 있기 때문에, 전도성 입자들이 다시 응집되는 현상이 발생할 수 있다. 특히 본 발명과 같이 전도성 입자를 나노 사이즈로 사용하는 경우 이러한 응집에 의해, 인쇄 공정을 통해 회로패턴 형성 시 회로패턴층의 균일성(uniformity) 및 전기전도 특성이 나빠지는 전기적 특성 저하가 발생될 수 있다. 따라서 후술하는 (2-2) 단계에서 소결 단계를 수행하여 특별히 분산을 제어하는 분산제 등을 사용하지 않고 균일한 회로패턴층을 형성시킬 수 있다.
다음, (2-2) 단계로써, 상기 분사된 전도성 잉크를 소결하여 회로패턴층을 형성하는 단계를 수행한다.
상기 제 (2-2) 단계는 전도성 잉크를 고화시켜 회로패턴층을 형성시키는 단계이며, 상술한 것과 같이 추가적 효과로써, 전도성 잉크의 분산 안정성 및 균일도를 향상시켜 보다 균일한 회로패턴층이 형성시키는 단계이다.
소결(sintering)이란 분체가 외부로부터 강한 에너지를 받을 경우 분체 입자 간에 결합이 일어나서 응고하는 현상을 의미하며, 상기 금속 입자들로 구성된 전도성 잉크의 경우, 소결 과정을 거치면 단순히 입자들이 서로 결합하여 입자 사이즈가 커져 이상적으로 공극이 존재하지 않는 박막 형태로 변할 뿐만 아니라 분산안정성을 향상시키기 위해 금속 입자의 표면에 추가적으로 포함된 첨가제 등의 물질이 열분해 또는 휘발되어 사라지게 되므로, 전도도 특성을 극대화시킬 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 소결 처리 방식은 기판에 인쇄된 잉크를 oven이나 furnace를 이용하여 열처리를 수행할 수 있다. 다만 이에 제한되지 않으며, 회로패턴층이 형성되는 나노섬유웹의 물성에 영향을 주지 않는 범위에서 공지된 다양한 소결 처리 방식을 수행할 수 있다.
다음, 상기 (2) 단계를 통해 나노섬유웹에 형성된 상기 회로패턴층은 나노섬유웹 표면으로부터 0.1 ~ 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 만일 상기 회로패턴층이 나노섬유웹 표면으로부터 0.1㎛ 미만의 두께를 가질 경우 회로패턴층을 통한 전기적 특성에 대한 안정성이 저하될 우려가 있으며, 만일 상기 회로패턴층이 나노섬유웹 표면으로부터 10㎛를 초과하는 두께를 가질 경우 회로패턴층의 과도한 두께로 인해 나노섬유웹의 크랙이 발생하거나 나노섬유웹을 이루는 나노섬유의 분절이 발생하여 신축성이 저하될 수 있어, 이로 인한 인쇄회로나노섬유웹 전기 전도성이 떨어질 수 있다. 나아가 소형 전자제품에 적용 시, 경량화 및 박형화 면에서 불리할 수 있다.
이때, 상기 회로패턴층은 상기 나노섬유웹의 상측면과 하측면에 각각 형성되고, 상측면과 하측면에 형성된 회로패턴층은 서로 통전되도록 형성될 수 있다.
종래 폴리이미드를 사용한 기판에 회로패턴층을 형성시키는 경우, 상하 통전이 이루어지지 않아 별도에 비아홀을 구비하는 등의 추가적인 공정이 필요함으로 인하여 다양한 산업 분야로의 응용에 제한이 있었지만, 본 발명에 따른 인쇄회로나노섬유웹에 사용되는 회로패턴층을 형성시키는 경우 별도의 비아홀을 구비시키지 않아도 기공을 통한 상하 통전을 이룰 수 있기 때문에 보다 다양한 산업 분야로의 이용이 가능하다. 일 예로 의료용 패치에 사용되는 경우, 가요성, 통기성, 박형 구조 및 복원성이 요구될 뿐만 아니라 나아가 상하 통전이 필수적으로 요구되어 본 발명에 따른 인쇄회로나노섬유웹의 활용도를 제고할 수 있다.
또한, 상기 회로패턴층은 상기 나노섬유웹의 상측면과 하측면에 각각 형성되고, 상측면과 하측면에 형성된 회로패턴층은 서로 통전되지 않도록 형성될 수 있다.
상술한 회로패턴층의 통전 및 비통전상태는 나노섬유웹의 두께를 조절함으로써 구현할 수 있다. 즉 나노섬유웹을 일정 두께 이상으로 형성하여 나노섬유웹의 상부 및 하부 표면에 형성된 회로패턴층이 서로 통전되지 않도록 구현할 수 있으며, 나노섬유웹을 일정 두께 미만으로 형성하여 나노섬유웹의 상부 및 하부 표면에 형성된 회로패턴층이 서로 통전되도록 구현할 수 있다. 또한, 상술한 전도성 잉크에 포함되는 전도성 입자의 농도를 조절하거나 나노섬유웹의 기공도 및 공경크기 등을 조절하여 나노섬유웹의 상부 및 하부 표면에 형성된 회로패턴층의 통전 및 비통전 상태를 제어할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 인쇄회로나노섬유웹을 구현하는 제조방법은 제조 공정이 극적으로 간편해짐으로 인해 공정 시간이 크게 감소함과 동시에 전도성 재료의 낭비를 최소화시킬 수 있어서 자원 절약 및 에너지 절약을 동시에 꾀할 수 있다. 또한, 미래형 스마트 기기에 적합하도록 우수한 가요성, 복원성, 통기성 등을 가지고 있어서 다양한 산업분야로의 응용이 가능하다.
이에 본 발명은 도 3을 참조하면, 다수 개의 나노섬유(110), 상기 다수 개의 나노섬유(110)의 교차로 형성되는 다수 개의 기공을 포함하는 나노섬유웹(100) 및 상기 나노섬유웹 일면의 소정의 영역 내에 노출된 다수개의 나노섬유 및 다수개의 기공 적어도 일부를 덮도록 형성되는 회로패턴층(120)을 포함하는 인쇄회로나노섬유웹을 구현한다. 기타 인쇄회로나노섬유웹에 대한 설명은 상술한 제조방법에 따른 설명과 동일하므로 생략하기로 한다.
본 발명의 일 예에 따른 인쇄회로나노섬유웹은 일면에 회로패턴층이 형성되어 있으며, 특히 도 4에 도시된 것과 같이 종래 연성인쇄회로기판보다 현저히 우수한 가요성 및 복원력을 가지고 있을 뿐 아니라 우수한 유연성 및 신축성을 보유함에 따라 최근 각광받고 있는 의료산업 분야의 바이오패치로써의 활용도를 제고할 수 있다. 또한 도 5에 도시된 것과 같이, 실질적으로 신체 어느 부위에나 부착할 수 있는 다양한 센서의 형태로도 제작이 가능하여, 향후 사물인터넷을 비롯한 전자기기와 관련된 다양한 산업분야로의 활용도를 제고하여 관련 산업분야 발전을 촉진시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 인쇄전자 기법을 이용하여 나노섬유웹에 회로패턴층이 형성된 인쇄회로나노섬유웹 및 상기 인쇄회로나노섬유웹에 실장된 적어도 하나 이상의 전자부품을 포함하는 전자기기를 구현한다.
상기 전자부품은 목적하는 다양한 산업에 따라 적절히 선택될 수 있으며, 일예로 상기 전자 부품은 사용자의 신체 상태를 검출하기 위한 바이오 센서과 주변환경을 감지하기 위한 환경감지센서 중 적어도 하나를 포함하는 센서유닛, 근거리 무선 통신에 사용되는 근거리 통신 모듈, 무선 통신에 사용되는 안테나 패턴 및 신호처리 기능을 수행하기 위한 제어유닛을 포함하는 전자 기기일 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.,

Claims (13)

  1. (1) 섬유형성성분이 포함된 방사용액을 전기 방사하여 나노섬유웹을 제조하는 단계; 및
    (2) 상기 나노섬유웹 상에 인쇄전자(Printed Electronic) 기법을 통해 회로패턴층을 인쇄시키는 단계; 를 포함하는 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (2) 단계는,
    2-1) 나노섬유웹에 상에 전도성 잉크를 분사하는 단계; 및
    2-2) 상기 분사된 전도성 잉크를 소결하여 회로패턴층을 형성하는 단계; 를 포함하는 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 잉크는 금, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 니켈, 알루미늄 및 카본 중 적어도 하나 이상의 전도성 입자를 포함하는 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄전자 기법은 잉크젯프린팅(Inkjet Printing) 및 플렉소인쇄법(Flexography) 중 어느 하나의 방법으로 수행되는 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기공의 평균공경은 0.1 ~ 10㎛ 인 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회로패턴층은 나노섬유웹 표면으로부터 0.1 ~ 10 ㎛의 두께로 인쇄된 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회로패턴층은 상기 나노섬유웹의 상부면에 형성된 제1회로패턴층 및 하부면에 형성된 제2회로패턴층을 포함하고,
    상기 제1회로패턴층 및 제2회로패턴층은 통전 또는 비통전되는 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유의 섬유형성성분은 폴리우레탄(polyurethane), 폴리스티렌(polystylene), 폴리비닐알코올(polyvinylalchol), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리락트산(polylactic acid), 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리염화비닐(polyvinylchloride), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이더이미드(polyetherimide), 폴리이더술폰(polyesthersulphone), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazol), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate) 및 불소계 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유웹의 기공도는 10 ~ 80 %인 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    인쇄회로나노섬유웹은 회로패턴층이 인쇄된 나노섬유웹 일면에 대향하는 면에 강도보강용 지지체를 더 구비하는 인쇄회로나노섬유웹의 제조방법.
  11. 다수 개의 나노섬유; 및
    상기 다수 개의 나노섬유의 교차로 형성되는 다수 개의 기공을 가지며,
    상기 회로패턴층은 상기 나노섬유 및 기공을 덮도록 형성되는 인쇄회로나노섬유웹.
  12. 제11항에 따른 인쇄회로나노섬유웹; 및
    상기 인쇄회로나노섬유웹에 실장된 적어도 하나 이상의 전자 부품;을 포함하는 전자기기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전자기기는 사용자의 신체 상태를 검출하기 위한 바이오 센서와 주변환경을 감지하기 위한 환경감지센서 중 적어도 하나를 포함하는 센서유닛;
    근거리 무선 통신에 사용되는 근거리 통신 모듈;
    무선 통신에 사용되는 안테나 패턴; 및
    신호처리 기능을 수행하기 위한 제어유닛;을 포함하는 전자기기.
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