KR20200003311A - 3d 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

3d 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는, 외력이 가해지면 늘어날 수 있도록, 스트레처블 전도성 재질로 형성되는 전극층, 스트레처블 재질로 형성되고, 상기 전극층을 지지하는 지지층, 및 일면이 상기 지지층에 연결되고 다른 일면이 외부대상에 연결되어, 상기 외부대상의 변형에 의해 발생하여 상기 지지층으로 전달되는 힘을 흡수할 수 있도록, 스트레처블 재질의 입체구조로 형성되는 보호층을 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

3D 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자 및 그 제조방법{Stretchable conductive device using 3D printing and manufacturing method thereof}
본 발명은 3D 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
NFC(Near Field Communication)는 약 10cm 이내의 거리에서 데이터 통신하는 근거리 무선통신기술로, 전력소모가 작고 비접촉식 알에프아이디(RFID) 기술과 호환되며, 13.56 MHz 대역의 무선 신호를 사용한다. 현재, NFC는 비접촉식으로 이루어지는 교통카드, 전자결제, 신원확인용 등으로 널리 사용되고 있다. 이러한 NFC 등의 무선통신을 위하여 NFC 안테나가 필요하며, 기존의 NFC 안테나와 같은 무선통신센서는 기판 위에 동박의 에칭 또는 평면 인쇄 등의 2D 방법에 의해 제조되는 것이 일반적이다. 에칭 방법의 경우, 공정이 복잡하여 제조비용이 비싼 단점이 있고, 2D 인쇄 방법의 경우, 에칭 방법 보다는 공정이 단순한 장점이 있으나, 다층 인쇄가 필요한 NFC 안테나 제조에 있어서는 각층마다 제판을 따로 제작해야하거나, 평평하지 않은 기판에는 인쇄하기 어려운 문제가 있다.
한편, 바이오 및 헬스 케어를 위한 인체 부착형(wearable) 디바이스를 위한 연구가 많이 진행되고 있으며, 이를 위해 그 형상을 자유 자재로 늘리거나, 줄일 수 있는 센서 또는 안테나 등의 전도성 소자를 제조하는 것이 필요하다. 이러한 스트레쳐블한 소자를 제조하는 방법으로 기존의 2D 방법을 사용하는 경우 복잡한 공정 등의 문제로 의하여 비용 및 시간 측면에서 비효율적인 문제가 있다.
KR 10-2017-0129388 A
본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 3D 프린팅 적층기술과 스트레처블 소재, 스트레처블 전도성 소재를 활용하여 3D 프린터 장비로 스트레처블한 전도성 소자를 제조할 수 있는 3D 프린팅을 이용한 스트레쳐블 전도성 소자 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자는, 외력이 가해지면 늘어날 수 있도록, 스트레처블 전도성 재질로 형성되는 전극층, 스트레처블 재질로 형성되고, 상기 전극층을 지지하는 지지층, 및 일면이 상기 지지층에 연결되고 다른 일면이 외부대상에 연결되어, 상기 외부대상의 변형에 의해 발생하여 상기 지지층으로 전달되는 힘을 흡수할 수 있도록, 스트레처블 재질의 입체구조로 형성되는 보호층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 보호층을 형성하는 스트레처블 재질은 상기 지지층을 형성하는 스트레처블 재질보다 신축성이 같거나 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 보호층의 입체구조는 상기 지지층에 연결되는 제1 신축층, 상기 제1 신축층와 일정간격 이격되어 형성되는 제2 신축층, 및 상기 제1 신축층와 제2 신축층를 연결하는 복수의 기둥을 포함하며, 상기 제1 신축층, 제2 신축층 및 복수의 기둥은 3D 프린팅을 이용하여 일체로 적층형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 기둥은 적어도 하나의 굴곡을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자 제조방법은, 캐리어 기판 상에 스트레처블 전도성 재질을 이용하여 미리 설계된 패턴으로 전극층을 형성하는 제1 단계, 스트레처블 재질을 이용하여 상기 전극층을 지지하도록 지지층을 형성하는 제2 단계, 상기 지지층 상에, 일면이 상기 지지층에 연결되고 다른 일면이 외부대상에 연결되어, 상기 외부대상의 변형에 의해 발생하여 상기 지지층으로 전달되는 힘을 흡수할 수 있도록, 스트레처블 재질의 입체구조로 형성되는 보호층을 형성하는 제3 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3 단계는 상기 입체구조에 해당하는 위치에 상기 스트레처블 재질을 형성하는 동시에, 상기 입체구조의 빈공간에 해당하는 위치에 워셔블 재질을 형성하여, 상기 스트레처블 재질을 정확한 위치에 연속적으로 적층 형성시키도록 수행되며, 프린팅이 완료되면, 상기 워셔블 재질을 제거하여, 상기 입체구조의 빈공간을 형성하는 세척단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3 단계는 상기 지지층과 연결되도록 형성되는 제1 신축층 형성단계, 상기 제1 신축층에서 시작되어 상기 지지층으로부터 멀어지는 방향으로 형성되는 복수의 기둥 형성단계, 상기 복수의 기둥의 끝단에 연결되도록 형성되는 제2 신축층 형성단계를 포함하며, 상기 제1 신축층 형성단계 및 복수의 기둥 형성단계에서 워셔블 재질을 빈공간에 동시에 형성하도록 수행될 수 있다.
또한, 상기 제1 단계, 제2 단계, 제3 단계는 상기 전극층, 지지층, 보호층을 복수의 층으로 분할 설계하여 한 층씩 순차적으로 적층하는 방식으로 동시에 수행될 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 3D 프린팅 적층기술과 스트레처블 소재, 스트레처블 전도성 소재를 활용하여 3D 프린터 장비로 스트레처블한 전도성 소자를 제조할 수 있는 3D 프린팅을 이용한 스트레쳐블 전도성 소자를 제조할 수 있으므로, 기존의 2D 방식의 마스킹, 에칭, 도금 등의 복잡한 방법이 불필요하다.
또한, 스트레처블한 안테나 또는 센서를 구성하는 스트레처블 전극패턴 및 전극패턴을 보호하는 스트레처블 레이어를 하나의 장비에서 간단하게 제조할 수 있으며, 스트레처블 전도성 소자를 3D 프린팅으로 제작함으로써 스트레처블한 입체구조를 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스트레처블 전도성 소자의 평면도이다.
도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스트레처블 전도성 소자가 변형된 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 입체구조를 나타난 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스트레처블 전도성 소자를 제조하기 위한 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 순차적 3D 프린팅 단계를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 동시 프린팅 단계를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일실시예의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명의 일실시예를 설명함에 있어서, 본 발명의 일실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스트레처블 전도성 소자의 평면도이며, 도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자는, 외력이 가해지면 늘어날 수 있도록, 스트레처블 전도성 재질로 형성되는 전극층(10), 스트레처블 재질로 형성되고, 상기 전극층(10)을 지지하는 지지층(20), 및 일면이 상기 지지층(20)에 연결되고 다른 일면이 외부대상(100)에 연결되어, 상기 외부대상(100)의 변형에 의해 발생하여 상기 지지층(20)으로 전달되는 힘을 흡수할 수 있도록, 스트레처블 재질의 입체구조로 형성되는 보호층(30)을 포함할 수 있다.
전극층(10)은 스트레처블 전도성 재질(stretchable conductive material)로 형성될 수 있다. 전극층(10)은 전극패턴 및 절연층(12)을 포함할 수 있다. 전극패턴은 스트레처블 전도성 소자의 목적에 따라 다양한 폭, 길이, 두께, 패턴을 가질 수 있다. 예를 들어, 스트레처블 전도성 소자가 NFC 안테나(Near Field Communication antenna)로 사용되기 위해서, 전극패턴은 도 1에 도시된 바와 같이 NFC 통신에 알맞은 패턴으로 형성될 수 있다. 또는, 스트레처블 전도성 소자가 각종 센서로 사용되기 위하여, 전극패턴은 센서의 종류에 따라 다양한 패턴으로 형성될 수 있다. 전극패턴은 설계에 따라 제1 전극패턴(11), 제2 전극패턴(13)의 결합으로 형성될 수 있다.
전극패턴을 형성하는 스트레처블 전도성 재질은 Ag, Cu, Ti, Au, Fe 등의 금속 또는 이들 금속을 포함하는 합금, 그래핀, 탄소나노튜브, PEDOT:PSS 등의 유기-무기 전도성 소재군으로부터 선택되는 적어도 하나와, 스트레처블 재질의 혼합물로 이루어질 수 있다. 스트레처블한 재질은 PDMS (Polydimethilsixosane), PET (Polyehtylene terephthalate), PES (Polyether sulfone), PEN (Polyethylene naphthalate), PI (Polyimide), PMMA (PolymethymethAcrylate), PC (Polycarbonate), PU (Polyurethane) 등으로 구성될 수 있으며, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 따라서, 스트레처블 전도성 재질은 전도성 소재와 스트레처블 재질이 혼합되어, 전도성을 가지면서도 신축성을 가질 수 있다. 전도성 소재와 스트레처블 재질의 비율은 2:8, 3:7, 4:6 등으로 형성될 수 있으며, 상술한 비율 사이에 존재하는 모든 비율로 형성될 수 있다.
지지층(20)은 스트레처블 재질(stretchable material)로 형성되어 전극층(10)을 지지한다. 지지층(20)은 전극층(10)의 전극패턴 자체에 결합되어, 전극패턴의 라인 사이의 간격을 고정하고 전극패턴이 설계대로 형상을 유지할 수 있게 한다. 그리고, 지지층(20)은 전극층(10)이 늘어나거나 수축된 다음에 원상복귀하는 경우 최대한 설계대로 형상을 유지할 수 있게 한다. 지지층(20)은 상술한 스트레처블 재질로 형성될 수 있으며, 전극패턴의 신축성과 같은 신축성을 갖거나, 다른 신축성을 가질 수 있다. 지지층(20)의 신축성이 전극패턴의 신축성보다 작은 경우 지지층(20)이 늘어나는 만큼 전극패턴이 충분히 늘어날 수 있으므로 전극패턴의 변형을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
보호층(30)은 스트레처블 재질로 형성되어, 외부대상(100)의 변형에 의해 발생하여 상기 지지층(20)으로 전달되는 힘을 흡수할 수 있다. 보호층(30)의 일면은 지지층(20)에 연결되고, 보호층(30)의 다른 일면이 의류 또는 손목시계 등의 외부대상(100)에 연결되어, 외부대상(100)이 변형됨에 따라 다른 일면에 가해지는 힘의 상당 부분을 보호층(30)이 흡수하여 지지층(20)으로 가해지는 힘을 최소화할 수 있다. 보호층(30)을 형성하는 스트레처블 재질은 지지층(20)을 형성하는 스트레처블 재질보다 신축성이 같거나 클 수 있다. 보호층(30)을 형성하는 스트레처블 재질의 신축성이 지지층(20)보다 큰 경우 외력을 더 효과적으로 흡수할 수 있는 이점이 있다.
보호층(30)의 입체구조는, 지지층(20)에 연결되는 제1 신축층(31), 제1 신축층(31)와 일정간격 이격되어 형성되는 제2 신축층(33), 및 제1 신축층(31)와 제2 신축층(33)를 연결하는 복수의 기둥(32)을 포함할 수 있다. 제1 신축층(31), 제2 신축층(33) 및 복수의 기둥(32)은 3D 프린팅을 이용하여 일체로 적층형성될 수 있다. 보호층(30)은 제3 신축층를 더 포함할 수도 있으며, 제2 신축층(33)와 제3 신축층를 연결하는 복수의 기둥(32)을 더 포함할 수도 있다. 제1 신축층(31) 및 제2 신축층(33)는 평면구조 또는 구조적인 신축성을 갖기 위해 메쉬(mesh) 구조 등의 구조로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스트레처블 전도성 소자가 변형된 상태를 나타내는 도면이다. 도 3의 (a)는 외부대상(100)이 늘어남에 따라 늘어나는 변형이 가해지는 스트레처블 전도성 소자를 나타내며, (b)는 외부대상(100)이 수축함에 따라 수축하는 변형이 가해지는 스트레처블 전도성 소자를 나타낸다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 의류 등의 외부대상(100)이 늘어나거나(stretch) 구부러지거나(bending) 뒤틀리는(twisting) 등의 변형이 발생하는 경우, 스트레처블 전도성 소자를 늘리는 방향으로 외력(화살표 P1)이 가해질 수 있다. 스트레처블 전도성 소자의 보호층(30)을 구성하는 제2 신축층(33)가 외부대상(100)에 직접 연결될 수 있다. 이때, 제2 신축층(33)가 외부대상(100)이 늘어나는 만큼 변형되면, 제2 신축층(33)에 연결된 기둥(32)의 일단 사이 간격은 많이 넓어지고, 제1 신축층(31)에 연결된 기둥(32)의 타단 사이 간격은 조금 넓어지게 된다. 따라서 보호층(30)의 입체구조가 외력의 대부분을 흡수하여 제1 신축층(31)로 전달되는 외력(화살표 P1')을 최소화할 수 있다.
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 의류 등의 외부대상(100)이 늘어나거나(stretch) 구부러지거나(bending) 뒤틀리는(twisting) 등의 변형이 발생하는 경우, 스트레처블 전도성 소자를 수축시키는 방향으로 외력(화살표 P2)이 가해질 수 있다. 스트레처블 전도성 소자의 보호층(30)을 구성하는 제2 신축층(33)가 외부대상(100)에 직접 연결될 수 있다. 이때, 제2 신축층(33)가 외부대상(100)이 수축되는 만큼 변형되면, 제2 신축층(33)에 연결된 기둥(32)의 일단 사이 간격은 많이 좁아지고, 제1 신축층(31)에 연결된 기둥(32)의 타단 사이 간격은 조금 좁아지게 된다. 따라서 보호층(30)의 입체구조가 외력의 대부분을 흡수하여 제1 신축층(31)로 전달되는 외력(화살표 P2')을 최소화할 수 있다.
전극패턴은 스트레처블 전도성 소자의 목적(안테나 또는 센서 등)에 따라 설계된 패턴을 갖게 되며, 전극패턴에 외력이 가해져 패턴이 일방향으로 늘어나는 등의 변형이 가해지면, 전극패턴의 저항, 인덕턴스, 커패시턴스 등의 전기적 특성이 변화하게 된다. 따라서 전극패턴은 가능한한 설계된 패턴대로 유지될 필요가 있으며, 외력에 의하여 늘어나거나 수축되더라도 원래 설계된 상태로 복귀할 필요가 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 스트레처블 전도성 소자는, 상술한 입체구조를 갖는 보호층(30)이 스트레처블 전도성 소자에 가해지는 힘을 흡수하여 지지층(20)으로 전달되는 외력을 최소화하고, 지지층(20)도 스트레처블 재질로 형성되어 외력을 일부 흡수하여, 전극패턴이 늘어나거나 수축되는 정도를 최소화할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 스트레처블 전도성 소자는 변형에 강하고, 변형되더라도 설계대로 복원하는 특성이 좋으므로, 의류 부착용이나 손목시계 등의 웨어러블 장치용으로 사용하는 경우 내구성이 좋고 착용감이 좋은 이점이 있다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 입체구조를 나타난 도면이다. 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 신축층(31)와 제2 신축층(33)를 연결하는 기둥(32)은 적어도 하나 이상의 굴곡부를 가질 수 있다. 기둥(32)에 굴곡이 형성되는 경우, 기둥(32)이 직선형인 경우에 비하여 다양한 방향으로 늘어나거나 뒤틀리도록 외력이 가해지더라도 외력을 더 잘 흡수할 수 있다. 기둥(32)의 굴곡 방향은 나란하지 않을 수 있으며, 기둥(32)은 지지층(20) 면에 대하여 수직이 아니라 기울어지도록 결합될 수 있다. 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 보호층(30)의 입체구조는 제1 신축층(31) 상에 복수의 입체 아치형 기둥(32)이 형성되고 그 위에 제2 신축층(33)이 연결되는 형상을 가질 수도 있다. 입체구조의 구체적인 형상은 스트레처블 전도성 소자가 결합될 외부대상(100)의 변형 범위와 변형 정도에 따라 다양한 형상으로 결정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스트레처블 전도성 소자를 제조하기 위한 단계를 나타낸 흐름도이다.
먼저, 스트레처블 전도성 소자의 목적에 따라 전극패턴의 폭, 길이, 두께, 패턴을 설계한다(S10). 전극패턴은 도 1과 같이 평면형으로 설계할 수도 있고, 전극패턴과 절연층(12)을 교번적으로 쌓는 입체형으로 설계할 수도 있다. 본 명세서에서는 예시적으로 평면형 NFC 안테나를 위한 전극패턴을 설계하였다.
다음으로, 스트레처블 전도성 소자가 결합될 의류나 손목시계 등의 외부대상(100)의 가동범위와 스트레처블 재질의 신축성과 전극패턴의 신축성 등을 고려하여, 보호층(30)의 입체구조를 설계한다(S20). 본 명세서에서는 예시적으로 메쉬 형상의 제1 신축층(31)와 제2 신축층(33)를 갖고, 제1 신축층(31)와 제2 신축층(33)를 기둥(32)으로 연결하는 형상의 입체구조를 설계하였다.
다음으로, 3D 프린팅을 위하여, 전극층(10), 지지층(20), 입체구조의 보호층(30)을 포함하는 입체구조를 평면으로 적층형성할 수 있도록 제1 층, 제1 층 상에 적층 형성되는 제2 층, 제2 층 상에 적층 형성되는 제3 층...제n-1 층 상에 적층 형성되는 제n층으로 분할하여 3D 프린팅용 단면을 설계한다(S30). 여기서 n은 2 이상의 정수를 말하며, 복수의 층을 간편하게 지칭하기 위하여 사용되었다. 본 명세서에서는 예시적으로 재료를 용융 압출하여 적층 형성하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터를 이용하여 본 발명의 일실시예에 따른 스트레처블 전도성 소자를 프린팅하는 방식을 설명한다.
보호층(30)은 내부에 공간(Op)이 형성되고 스트레처블 재질로 형성되므로, 3D 프린팅 과정에서 빈 공간(Op) 상에 출력물을 형성할 수 없는 문제가 있다. 따라서, 복수의 기둥(32)들과 제2 신축층(33)을 형성하기 위하여 빈 공간(Op)을 채워줄 제거예정부(34)를 도입한다. 제거예정부(34)는 워셔블(washable) 재질로 형성되어, 스트레처블 전도성 소자가 모두 출력 형성된 다음에 물 또는 기타 용매를 이용하여 씻어냄으로써 제거될 수 있는 구성이다. 제거예정부(34)의 워셔블 재질은 물 또는 기타 극성용매나 비극성 용매에 녹을 수 있는 다양한 재질을 사용할 수 있다. 제거예정부(34)와 입체구조를 함께 하나의 층으로 출력 형성함으로써, 3D 프린팅 과정에서 제2 신축층(33)은 제거예정부(34) 상에 출력되게 된다. 제거예정부(34)는 3D 프린팅을 위한 설계 단계에서 자동으로 보호층(30)의 입체구조에 따라 설계될 수 있다. 하나의 층을 형성함에 있어서 복수의 재료를 적층형성할 필요가 있으므로, 복수의 노즐을 갖는 3D 프린터가 사용될 수 있다.
다음으로, 3D 프린팅용 단면설계를 이용하여 3D 프린팅을 수행하고(S40A, S40B), 프린팅이 완료되면, 상기 워셔블 재질을 제거하여, 상기 입체구조의 빈공간(Op)을 형성하는 세척단계(S50)를 더 수행한다. 제거예정부(34)가 제거됨에 따라 입체구조에 빈공간(Op)이 형성되어 스트레처블한 보호층(30)이 늘어나거나 수축될 수 있는 공간(Op)이 마련된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 순차적 3D 프린팅 단계를 나타낸 도면이다.
순차적 프린팅(S40A)은 전극층(10), 지지층(20), 보호층(30) 순차적으로 출력하여 형성한다. 순차적 프린팅(S40A)은 캐리어 기판(90) 상에 스트레처블 전도성 재질을 이용하여 미리 설계된 패턴으로 전극층(10)을 형성하는 제1 단계(S41A), 스트레처블 재질을 이용하여 전극층(10)을 지지하도록 지지층(20)을 형성하는 제2 단계(S42A), 지지층(20) 상에, 일면이 지지층(20)에 연결되고 다른 일면이 외부대상(100)에 연결되어, 외부대상(100)의 변형에 의해 발생하여 지지층(20)으로 전달되는 힘을 흡수할 수 있도록, 스트레처블 재질의 입체구조로 형성되는 보호층(30)을 형성하는 제3 단계(S43A)를 포함할 수 있다.
전극층(10)을 형성하는 제1 단계에서 먼저, 3D 프린터 내부에 캐리어 기판(90)을 준비한다. 캐리어 기판(90)은 스트레처블 전도성 소재로 형성되는 전극패턴이 설계대로 정확한 형상으로 출력되기 위하여 견고하고 평평한 것을 사용할 수 있다. 캐리어 기판(90)은 스트레처블 전도성 소자가 출력된 다음 제거되는 구성이다.
다음으로, 캐리어 기판(90) 상에 전극층(10)을 출력한다(S41A). 먼저, 캐리어 기판(90) 상에 제1 전극패턴(11)을 출력한다(S41A-1). 제1 전극패턴(11)은 제1 단자(11a), NFC 안테나가 되는 도전성 라인(11c), 제2 단자(11b)를 포함할 수 있다. 제1 단자(11a)와 도전성 라인(11c)의 일단은 일체로 형성될 수 있으며, 도전성 라인(11c)은 나선형으로 형성될 수 있다. 다음으로, 캐리어 기판(90) 상의 제1 전극패턴(11)의 일부를 덮도록 절연층(12)을 출력한다(S41A-2). 절연층(12)은 제2 단자(11b)와 전도성 라인의 타단 사이를 덮도록 형성될 수 있다. 다음으로, 절연층(12) 상에 제2 단자(11b)와 전도성 라인의 타단을 연결하도록 제2 전극패턴(13)을 형성할 수 있다(S41A-3). 제2 단자(11b)와 전도성 라인의 타단을 연결하는 제2 전극패턴(13)을 형성함으로써, 외부 회로에 제1 단자(11a) 및 제2 단자(11b)를 연결하여 전극패턴을 NFC 안테나로 사용할 수 있게 된다.
다음으로, 캐리어 기판(90) 상에 출력된 전극층(10)을 덮도록 지지층(20)을 출력한다(S42A). 지지층(20)은 전극층(10)보다 넓게 형성되어 전극층(10)을 전부 덮도록 형성될 수 있다. 지지층(20)은 스트레처블 재질로 형성되므로 전극층(10) 상면을 덮으면 전극층(10)의 측면까지 커버될 수 있다.
다음으로, 전극층(10)을 덮도록 형성된 지지층(20) 상에 보호층(30)을 출력한다(S43A). 보호층(30)을 형성하는 제3 단계(S43A)는, 지지층(20)과 연결되도록 형성되는 제1 신축층(31) 형성단계, 제1 신축층(31)에서 시작되어 상기 지지층(20)으로부터 멀어지는 방향으로 형성되는 복수의 기둥(32) 형성단계, 복수의 기둥(32)의 끝단에 연결되도록 형성되는 제2 신축층(33) 형성단계를 포함할 수 있다. 보호층(30)을 형성하는 제3 단계(S43A)는, 입체구조에 해당하는 위치에 스트레처블 재질을 형성하는 동시에, 입체구조의 빈공간(Op)에 해당하는 위치에 워셔블 재질을 형성하여, 스트레처블 재질을 정확한 위치에 연속적으로 적층 형성시키도록 수행될 수 있다.
먼저 지지층(20)을 덮도록 캐리어 기판(90) 상에 제1 신축층(31)을 출력한다. 제1 신축층(31)이 메쉬 형상으로 구성되는 경우, 메쉬 형상의 빈공간(Op)에 제거예정부(34)가 함께 출력된다. 다음으로, 제1 신축층(31)과 제거예정부(34) 상에 복수의 기둥(32)들을 출력한다. 복수의 기둥(32)들은 복수의 층이 적층되어 이루어지며, 빈공간(Op)에 제거예정부(34)가 함께 출력된다. 다음으로, 복수의 기둥(32)과 제거예정부(34) 상에 제2 신축층(33)을 출력한다. 제2 신축층(33)은 복수의 기둥(32)을 서로 연결하도록 형성될 수 있다. 제2 신축층(33) 출력시에는 추가 층이 불필요하므로 제거예정부(34)를 출력하지 않을 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 동시 프린팅 단계를 나타낸 도면이다.
프린팅시, 전극층(10), 지지층(20), 보호층(30)을 동시에 프린팅(S40B)할 수도 있다. 전극층(10)을 형성하는 제1 단계(S41A), 지지층(20)을 형성하는 제2 단계(S42A), 보호층(30)을 형성하는 제3 단계(S43A)는 전극층(10), 지지층(20), 보호층(30)을 복수의 층으로 분할 설계하여 한 층씩 순차적으로 적층하는 방식으로 동시에 수행될 수 있다.
예를 들어, 제1 전극패턴(11), 제1 전극패턴(11) 사이의 지지층(20) 하단, 제1 신축층(31) 하단, 제1 신축층(31) 사이의 제거예정부(34) 하단이 포함되는 제1 층이 출력되고(도 7의 (a)), 그 위에 절연층(12), 제1 신축층(31) 중단, 제1 신축층(31) 사이의 제거예정부(34) 중단이 포함되는 제2 층이 출력되고(도 7의 (b)), 그 위에 제2 전극패턴(13), 지지층(20) 상단, 제2 신축층(33) 상단, 제1 신축층(31) 사이의 제거예정부(34) 상단이 포함되는 제3 층이 출력(도 7의 (c))되어 전극층(10)을 적층 형성할 수 있다.
계속하여, 제3 층 위에 제2 전극패턴(13)을 덮는 지지층(20) 최상단, 제1 신축층(31)에 연결되는 복수의 기둥(32)들의 일부, 복수의 기둥(32)들 사이를 채우는 제거예정부(34)가 포함되는 제4 층이 출력(도 7의 (d))되어 지지층(20)을 적층 형성할 수 있다.
계속하여, 그 위에 지지층(20) 상에 형성되는 제1 신축층(31), 제1 신축층(31) 사이를 채우는 제거예정부(34), 복수의 기둥(32)들의 일부, 복수의 기둥(32)들 사이를 채우는 제거예정부(34)가 포함되는 제5층이 출력(도 7의 (e))되어 제1 신축층(31)을 적층 형성할 수 있다.
계속하여, 그 위에 복수의 기둥(32)들의 일부, 복수의 기둥(32)들 사이를 채우는 제거예정부(34)가 포함되는 제6층이 복수개 출력(도 7의 (f))되어 복수의 기둥(32)들을 적층 형성할 수 있다.
계속하여, 그 위에 복수의 기둥(32)들을 연결하는 메쉬 형태의 제2 신축층(33)이 출력(도 7의 (g))될 수 있다.
이러한 과정을 통하여 전극층(10), 지지층(20), 보호층(30)이 동시에 적층 형성될 수 있다.
상술한 과정을 통하여 동시 또는 순차적 프린팅이 완료되면, 워셔블 재질을 씻어낼 수 있는 용매를 이용하여 제거예정부(34)를 제거하여, 스트레처블 전도성 소자를 완성한다.
상술한 과정을 통하여 스트레처블 전도성 소자를 3D 프린팅하면, 스트레처블 전도성 재질로 형성되는 전극패턴을 견고한 캐리어 기판(90) 상에 바로 형성하므로, 전극패턴을 설계대로 제조할 수 있는 이점이 있다. 만약, 보호층(30)과 지지층(20)을 형성한 다음 지지층(20)의 홈에 전극패턴을 형성하는 경우에는 보호층(30)과 지지층(20)이 스트레처블 재질로 이루어지므로, 제작과정에서 전극패턴의 패턴이 설계대로 형성되지 않을 위험이 있다.
필요한 경우 제거예정부(34)를 제거하기 전에, 캐리어 기판(90)에 프린팅된 스트레처블 전도성 소자를 분리하고 뒤집어서 캐리어 기판(90)에 고정한 다음, 전극층(10)의 다른 면 방향으로 지지층(20) 및 보호층(30)을 더 형성할 수도 있다. 전극층(10)을 중심으로 양면에 지지층(20)과 보호층(30)이 형성되면, 외부의 변형에 대하여 전극패턴을 용이하게 보호할 수 있는 이점이 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10: 전극층
11: 제1 전극패턴
11a: 제1 단자
11b: 제2 단자
11c: 도전성 라인
12: 절연층
13: 제2 전극패턴
20: 지지층
30: 보호층
31: 제1 신축층
32: 기둥
33:제2 신축층
34: 제거예정부
Op: 공간
90: 캐리어 기판
100: 외부대상

Claims (8)

  1. 외력이 가해지면 늘어날 수 있도록, 스트레처블 전도성 재질로 형성되는 전극층;
    스트레처블 재질로 형성되고, 상기 전극층을 지지하는 지지층; 및
    일면이 상기 지지층에 연결되고 다른 일면이 외부대상에 연결되어, 상기 외부대상의 변형에 의해 발생하여 상기 지지층으로 전달되는 힘을 흡수할 수 있도록, 스트레처블 재질의 입체구조로 형성되는 보호층을 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보호층을 형성하는 스트레처블 재질은
    상기 지지층을 형성하는 스트레처블 재질보다 신축성이 같거나 큰, 3D 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 보호층의 입체구조는
    상기 지지층에 연결되는 제1 신축층;
    상기 제1 신축층와 일정간격 이격되어 형성되는 제2 신축층; 및
    상기 제1 신축층와 제2 신축층를 연결하는 복수의 기둥을 포함하며,
    상기 제1 신축층, 제2 신축층 및 복수의 기둥은 3D 프린팅을 이용하여 일체로 적층형성되는 것인, 3D 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자.
  4. 청구항 4에 있어서,
    상기 복수의 기둥은
    적어도 하나의 굴곡을 갖도록 형성되는, 3D 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자.
  5. 캐리어 기판 상에 스트레처블 전도성 재질을 이용하여 미리 설계된 패턴으로 전극층을 형성하는 제1 단계;
    스트레처블 재질을 이용하여 상기 전극층을 지지하도록 지지층을 형성하는 제2 단계;
    상기 지지층 상에, 일면이 상기 지지층에 연결되고 다른 일면이 외부대상에 연결되어, 상기 외부대상의 변형에 의해 발생하여 상기 지지층으로 전달되는 힘을 흡수할 수 있도록, 스트레처블 재질의 입체구조로 형성되는 보호층을 형성하는 제3 단계를 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제3 단계는
    상기 입체구조에 해당하는 위치에 상기 스트레처블 재질을 형성하는 동시에, 상기 입체구조의 빈공간에 해당하는 위치에 워셔블 재질을 형성하여, 상기 스트레처블 재질을 정확한 위치에 연속적으로 적층 형성시키도록 수행되며,
    프린팅이 완료되면, 상기 워셔블 재질을 제거하여, 상기 입체구조의 빈공간을 형성하는 세척단계를 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서
    상기 제3 단계는
    상기 지지층과 연결되도록 형성되는 제1 신축층 형성단계;
    상기 제1 신축층에서 시작되어 상기 지지층으로부터 멀어지는 방향으로 형성되는 복수의 기둥 형성단계;
    상기 복수의 기둥의 끝단에 연결되도록 형성되는 제2 신축층 형성단계를 포함하며,
    상기 제1 신축층 형성단계 및 복수의 기둥 형성단계에서 워셔블 재질을 빈공간에 동시에 형성하는, 3D 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자 제조방법.
  8. 청구항 5에 있어서
    상기 제1 단계, 제2 단계, 제3 단계는
    상기 전극층, 지지층, 보호층을 복수의 층으로 분할 설계하여 한 층씩 순차적으로 적층하는 방식으로 동시에 수행될 수 있는, 3D 프린팅을 이용한 스트레처블 전도성 소자 제조방법.
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