KR20200072693A - 늘림 가능한 신축성 전극을 구비한 유연성 기판 결합체 및 그 제조 방법 - Google Patents

늘림 가능한 신축성 전극을 구비한 유연성 기판 결합체 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 신축성 전극의 제조 방법은, 제1 유연성 기판을 형성하는 단계; 상기 제1 유연성 기판을 완제품의 사용 중에 가해지는 인장력의 방향으로 늘려서 고정하는 단계; 상기 늘려서 고정된 제1 유연성 기판에 증착 전 처리를 수행하는 단계; 상기 늘려서 고정된 제1 유연성 기판상에 금속 전극을 증착하는 단계; 제2 유연성 기판을 형성하는 단계; 상기 제2 유연성 기판을 완제품의 사용 중에 가해지는 인장력의 방향으로 늘려서 고정하는 단계; 상기 늘려서 고정된 제2 유연성 기판에 증착 전 처리를 수행하는 단계; 상기 늘려서 고정된 제2 유연성 기판상에 금속 전극을 증착하는 단계; 및 상기 제1 유연성 기판의 금속 전극과 상기 제2 유연성 기판의 금속 전극이 서로 정렬되어 맞닿은 상태에서, 상기 제1 유연성 기판 및 제2 유연성 기판을 결합하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

늘림 가능한 신축성 전극을 구비한 유연성 기판 결합체 및 그 제조 방법{Flexible substrate assembly with stretchable electrodes and fabrication method of it}
본 발명은 저 저항을 가지며 늘림 가능한 신축성 전극에 관한 것으로, 특히, PDMS(폴리디메틸실록산) 기판 접합 기술을 사용하여 제작할 수 있는 높은 신축성과 우수한 안정성을 갖는 신축성 전극이 형성된 유연성 기판 결합체에 관한 것이다.
PDMS(PolyDiMethylSiloane)는 유연성 기판, 유연성 전극(flexible electrode)의 제작과 유연성 전자기기(flexible electronics) 제작 등에 범용적인 적용이 기대되는 물질이다.
또한, PDMS(PolyDiMethylSiloane)는 생체 적합성이 뛰어난 재료이기 때문에 사람의 피를 이용한 진단에 쓰이는 유체 채널을 만들거나 세포를 배양하는데 사용되며, 신경신호 자극을 위한 유연성 전극(flexible electrode) 및 유연성 전자기기(flexible electronics) 제작 등에 범용적으로 사용될 수 있다.
일반적인 전자소자의 경우, 외부의 작은 변형에 의해서도 쉽게 물리적/기계적 특성을 잃기 때문에 이에 대한 구조적 해결책이 필요하다. 플렉시블(flexible) 전자소자 및 접을 수 있는 폴더블(foldable) 전자소자의 경우, 외부 변형은 보통은 1%이내의 경우가 많다. 이보다 더 큰 변형이 가해지는 경우는 수십 %의 외부 변형에도 그 특성을 잃지 않는 소자의 개발이 필요하며, 이 경우는 일반적인 플라스틱 기판이 아닌, 유연성 기판 등이 사용된다.
일반적인 전자소자가 단단한 글래스나 실리콘 기판에 제작되는 것과는 다르게 플렉시블 및 폴더블 소자의 경우에는 폴리이미드와 같은 플라스틱 기판에 제작된다. 그러나, 늘림 가능한(stretchable) 전자소자의 경우에는 PDMS(polydimethylsiloxane)와 같은 영률(Young's modulus)이 매우 낮은 고분자 기판에 제작되며, 이 경우 폴리머 재질의 특성상 다양한 오염문제가 발생하게 된다.
늘림 가능한(stretchable) 회로를 제작할 경우, 일반적인 설계를 적용하면 큰 외부 인장력은 외부 배선에 걸리게 된다. 따라서, 늘림 가능한(stretchable) 전극의 제작 시에는 상기 외부 인장력에 저항할 수 있는 외부 배선에 대한 구조의 최적화가 요구되었다.
또한, 절연 물질인 PDMS를 유연성 전극으로 사용하기 위해서는 PDMS에 전극을 형성하여야 하는데, 현재까지 소개된 방법으로는 PDMS의 높은 열팽창 계수 및 큰 탄성 때문에 금속 전극을 안정적으로 PDMS 기판에 도포하기는 어려웠다.
대한민국 특허공보 10-0875711호
본 발명은 늘림 가능한 특성을 가지는 신축성 전극을 구비한 유연성 기판 결합체 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 늘려진 상태에서도 저항 변화가 작은 신축성 전극을 구비한 유연성 기판 결합체 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 신축성 전극의 제조 방법은, 제1 유연성 기판을 형성하는 단계; 상기 제1 유연성 기판을 완제품의 사용 중에 가해지는 인장력의 방향으로 늘려서 고정하는 단계; 상기 늘려서 고정된 제1 유연성 기판에 증착 전 처리를 수행하는 단계; 상기 늘려서 고정된 제1 유연성 기판상에 금속 전극을 증착하는 단계; 제2 유연성 기판을 형성하는 단계; 상기 제2 유연성 기판을 완제품의 사용 중에 가해지는 인장력의 방향으로 늘려서 고정하는 단계; 상기 늘려서 고정된 제2 유연성 기판에 증착 전 처리를 수행하는 단계; 상기 늘려서 고정된 제2 유연성 기판상에 금속 전극을 증착하는 단계; 및 상기 제1 유연성 기판의 금속 전극과 상기 제2 유연성 기판의 금속 전극이 서로 정렬되어 맞닿은 상태에서, 상기 제1 유연성 기판 및 제2 유연성 기판을 결합하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 유연성 기판 및 제2 유연성 기판은, PDMS 재질의 기판이고, 상기 금속 전극은 은 재질의 전극일 수 있다.
여기서, 상기 제1 유연성 기판 및 제2 유연성 기판을 결합하는 단계 이전에, 상기 제1 유연성 기판 및 제2 유연성 기판에 산소 플라즈마 처리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 유연성 기판 및 제2 유연성 기판을 결합하는 단계에서는, 산소 플라즈마 처리된 면을 서로 맞댄 상태에서 가압하여 결합시킬 수 있다.
여기서, 상기 제1 유연성 기판을 늘려서 고정하는 단계 및 상기 제2 유연성 기판을 늘려서 고정하는 단계에서는, 상기 제1 유연성 기판 또는 상기 제2 유연성 기판을 금속 전극의 길이 방향으로 20% 내지 100%를 늘려서 고정할 수 있다.
여기서, 상기 제1 유연성 기판상에 금속 전극을 증착하는 단계 이후, 상기 제1 유연성 기판상에 증착된 금속 전극을 패터닝하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 유연성 기판상에 금속 전극을 증착하는 단계 이후, 상기 제2 유연성 기판상에 증착된 금속 전극을 패터닝하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 유연성 기판에 금속 전극을 증착하는 단계 및 상기 제2 유연성 기판을 증착하는 단계에서는, 열 증착 방식으로 셰도우 마스크를 통해 80nm 내지 900nm의 두께로 전극을 증착할 수 있다.
여기서, 상기 제1 유연성 기판을 형성하는 단계 및 제2 유연성 기판을 형성하는 단계에서는, 염기 및 가교제를 10 : 1의 비율로 혼합하고 핫 플레이트상에서 130 내지170 ℃에서 베이킹하여, PDMS 기판을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 신축성 전극을 구비한 유연성 기판 결합체는, 염기 및 가교제가 10 : 1의 비율로 혼합되어 형성된 제1 PDMS 기판; 상기 제1 PDMS 기판상에 80nm 내지 900nm의 두께로 증착된 제1 금ㅅ속 전극; 염기 및 가교제가 10 : 1의 비율로 혼합되어 형성되며, 상기 제1 PDMS 기판과 기계적으로 압착 결합된 제2 PDMS 기판; 및 상기 제2 PDMS 기판상에 80nm 내지 900nm의 두께로 증착되며, 상기 제1 전극과 서로 정렬되어 밀착된 제2 금속 전극을 포함하고, 상기 제1 금속 전극 및 제2 금속 전극은, 연신되었다가 축소된 구조가 형성될 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 늘림 가능한 신축성 전극을 구비한 유연성 기판 결합체 또는 그 제조 방법을 실시하면, 충분한 연신이 가능하며, 늘려진 상태에서도 저항 변화가 작은 신축성 전극을 달성할 수 있는 이점이 있다.
상술한 본 발명의 신축성 전극은 플렉시블 디스플레이 또는 웨어러블 기기, 의료용 기기에 적용이 용이한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 전극의 제조 방법을 도시한 흐름도.
도 2a 내지 2e는 도 1의 제조 방법에 따라 제조되는 과정 중의 PDMS 기판 및 전극 결합체를 도시한 개념도.
도 3은 도 1 및 도 2a ~ 2e에서 설명한 제조 방법에 의해 제작된 유연성 기판상에 형성된 늘림 가능한 신축성 전극을 구비한 유연성 기판 결합체를 도시한 단면도.
도 4는 0 ~ 30% 범위의 다양한 두께와 변형률 조건을 갖는 신축가능한 전극의 사진 이미지.
도 5a 내지 5c는 최대 변형률이 각각 7%, 23% 및 38% 일 때의 1 사이클(신축 및 이완)에 대한 면저항 변화를 도시한 그래프.
도 5d 내지 5f는 최대 변형률이 각각 7%, 23% 및 38% 일 때의 1 사이클(신축 및 이완)에 대한 R/R0 변화를 도시한 그래프.
도 6a 내지 6c는 0 ~ 38% 범위의 다른 변형(strain)에서의 신축가능한 은(Ag) 전극의 사진 이미지.
도 7a 및 7b는 각각 1 사이클에서 1000 사이클 사이의 사이클 수에 대한 R 및 R/R0 변화를 보여 주는 그래프.
도 7c 및 7d는 사이클 수 1 내지 5사이클, 995 내지 1000 사이클(변형률 15 % 및 0.5 mm/초)에 대한 R/R0 변화를 보여주는 그래프.
도 8a와 8b는 각각 단순 병렬 및 퍼콜레이션(percolation) 연결의 저항 회로 모델을 나타낸 회로도.
도 9는 400+400nm 샘플에서 하기 수학식 6에 일치하는 Rrelative 실험 결과를 보여주는 그래프.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명에서는 고분자(폴리머) 기판 접합 기술을 이용하여 고분자 기판상에 저 저항 신축성 금속 전극을 형성하는 방법, 보다 구체적으로 PDMS-PDMS 접합 기술을 이용하여 PDMS 기판상에 저 저항 신축성Ag 전극의 제조 방법을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 전극의 제조 방법을 도시한다. 도 2a 내지 2e는 도 1의 제조 방법에 따라 제조되는 과정 중의 PDMS 기판 및 전극 결합체를 도시한 것이다.
도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 전극의 제조 방법은, 제1 유연성 기판(120)을 형성하는 단계(S122); 상기 제1 유연성 기판(120)을 완제품의 사용 중에 가해지는 인장력의 방향으로 늘려서(pre-stretching) 고정하는 단계(S124); 상기 늘려서 고정된 제1 유연성 기판(120)에 증착 전 처리를 수행하는 단계(S126); 상기 늘려서 고정된 제1 유연성 기판(120)상에 금속 전극(128)을 증착하는 단계(S128); 제2 유연성 기판을 형성하는 단계(S142); 상기 제2 유연성 기판(140)을 완제품의 사용 중에 가해지는 인장력의 방향으로 늘려서(pre-stretching) 고정하는 단계(S144); 상기 늘려서 고정된 제2 유연성 기판(140)에 증착 전 처리를 수행하는 단계(S146); 상기 늘려서 고정된 제2 유연성 기판(140)상에 금속 전극(148)을 증착하는 단계(S148); 상기 제1 유연성 기판(120) 및 제2 유연성 기판(140)에 산소 플라즈마 처리를 수행하는 단계(S150); 상기 제1 유연성 기판(120)의 금속 전극(128)과 상기 제2 유연성 기판(140)의 금속 전극(148)이 서로 정렬되어 맞닿은 상태에서, 상기 제1 유연성 기판(120) 및 제2 유연성 기판(140)을 결합하는 단계(S160)를 포함한다.
도시한 신축성 전극의 제조 방법은, Ag 전극을 미리 늘임(pre-stretching) 방법을 통해 제작하는 방식을 제안한다.
도 2a에 도시한 바와 같이 PDMS나 ecoflex와 같이 늘임가능한 제1/제2유연성 기판(120, 140)을 제작하고(S122, S142), 도 2b에 도시한 바와 같이 제1/제2유연성 기판(120, 140)을 미리 늘인(S124, S144) 상태에서 표면에 플라즈마 처리를 진행한다(S126, S146).
상기 제1/제2유연성 기판(120, 140)을 제작하는 단계(S122, S142)는, 예컨대, 염기 및 가교제를 10 : 1의 비율로 혼합하고 핫 플레이트상에서 130 내지170 ℃바람직하게는 150 ℃에서 베이킹 하여, 2장의 PDMS 기판을 제작하는 방식으로 수행될 수 있다.
상기 제1/ 제2 유연성 기판(120, 140)을 미리 늘리는(pre-stretching) 단계(S124, S144)에서는, 소정의 폭이 넓은 집게 장치로 상기 제1/제2 유연성 기판(120, 140)의 서로 마주보는 변들을 고정시키고, 서로 멀어지도록 당겨서 인장력을 가한 상태에서 상기 집게 장치의 위치를 고정시키는 방식으로 수행될 수 있다.
상기 제1/ 제2 유연성 기판을 미리 늘리는(pre-stretching) 단계(S124, S144)에서는, 예컨대, 2 기판(120, 140)을 길이 방향으로 20% 내지 100%, 바람직하게는 40 %까지 예비 연신할 수 있다.
구현에 따라, 상기 S124 단계 및 S144 단계에서는, 완제품이 직사각형 형태인 경우 길이 방향으로 큰 인장력이 가해질 가능성이 높으므로, 상기 길이 방향으로 미리 늘리는 인장력을 가할 수 있다.
구현에 따라, 상기 S124 단계 및 S144 단계에서는, 완제품이 정사각형에 가까운 형태인 경우 완제품에 대한 방향 보다는 전극의 길이 방향으로 미리 늘리는 인장력을 가할 수 있다. 이는 전극 길이 방향으로 가해지는 인장력이 전극에 스트레스를 강하게 주는 것을 감안한 것이다.
다른 구현에서는 모든 평면상 방향으로 인장력을 가하여 고정시킬 수 있다.
상기 플라즈마 처리(S126, S146)는 기판 표면의 불순물 제거 및/또는 기판과 증착 금속간 결합력 강화의 목적으로, 공지된 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 예컨대, 전력 80W, 압력 : 1.4torr, 시간 : 15s의 조건으로, 예비 연신된 상기 제1/제2 기판에 대하여 산소 플라즈마 처리할 수 있다.
도 2b에서는 상기 플라즈마 처리(S126, S146) 후, shadow mask나 photolithography를 통해 메탈 전극 등을 증착하고(S128, S148) 패터닝한(S129, S149) 결과물을 도시한 것이다,
즉, 일반적인 반도체 제조 공정과 유사하게, 상기 제1 유연성 기판상에 금속 전극을 증착하는 단계(S128) 이후, 상기 제1 유연성 기판상에 증착된 금속 전극을 패터닝하는 단계(S129)를 수행한 것이다.
마찬가지로, 상기 제2 유연성 기판상에 금속 전극을 증착하는 단계(S148) 이후, 상기 제2 유연성 기판상에 증착된 금속 전극을 패터닝하는 단계(S149)를 수행한 것이다.
상기 금속 전극을 증착하는 단계(S128, S148)에서는, 예컨대, 열 증착 방법 (기압 < 5 × 10-5 torr, 증착 속도 : 1ÅA/s)을 사용하여 섀도우 마스크를 통해 20% 내지 100%, 바람직하게는 40% 예비 연신된 제1/제2 유연성(PDMS) 기판에 금속(바람직하게는 Ag) 전극을 증착할 수 있다. 본 발명의 사상에 따라 각 제1/제2 유연성(PDMS) 기판(120, 140)상에 형성되는 전극(Half 전극임)은, 80nm 내지 900nm의 두께를 가질 수 있는데, 각각 100, 200, 400 및 800nm 샘플을 제작한 바, 각 샘플들은 다소 우열이 존재하지만 요망하는 특성을 가지고 있었다.
다음, 도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 미리 늘린 상태를 위한 인장력을 제거한 상태에서 금속 전극(128, 148)이 증착된 제1/제2 유연성(PDMS) 기판(120, 140)상에 다시 플라즈마 처리를 수행한다(S150). 예컨대, 산소 플라즈마 처리를 수행할 수 있으며, 산소 플라즈마 처리는 두 기판(120, 140)을 접착하기 위해, 표면 접착 활성을 높이기 위한 것이다.
구현에 따라, 상기 제1/제2 유연성 기판상에 플라즈마 처리를 수행하는 단계(S150)에서는, 먼저, 섀도우 마스크를 이용하여 금속(Ag) 전극(128, 148)을 덮은 상태에서, 상게 제1/제2 유연성 기판(120, 140)의 금속 전극(128, 148)이 형성된 면에 대한 산소 플라즈마 처리를 수행할 수 있다. 이때, 산소 플라즈마 처리 조건은 0W의 전력, 1.4torr의 압력, 100sccm의 산소 가스 유량 및 60 초의 처리 시간일 수 있다.
다음, 저항 변화를 측정하기 위해 페이스트(미도시)를 사용하여 외부 전극을 패드에 연결하였는데, 이는 제작 결과를 살펴보기 위한 것으로, 이 공정은 양산 과정에서는 제거될 수 있다.
다음, 도 2d에 도시한 바와 같이, 산소 플라즈마 처리된 두 개의 기판(120, 140)을 압착한다(S160). 즉, 상기 제1 유연성 기판(120) 및 제2 유연성 기판(140)을, 상기 S150 단계에서 산소 플라즈마 처리된 면을 서로 맞댄 상태에서 가압하여 결합시킨다.
PDMS와 같은 기판은 산소 플라즈마 방식을 이용하면 접착제의 사용이 필요 없이, 도 2e에 도시한 바와 같이, 두 개의 기판(120, 140)이 강하게 융합된다. 이 때, 전극 부분을 잘 정렬하여, 두 개의 전극(128, 148)이 도전적 밀착(접촉)이 되도록 융합한다. 즉, 두 개의 PDMS 기판을 도시한 바와 같이 전극이 형성된 면들을 맞닿게한 상태에서, 제1/ 제2 유연성 기판에 기계적 압력을 가해서 부착한다.
두 개의 전극(128, 148)이 접촉을 하면, 단일 전극을 병렬로 연결한 것 보다, 신축가능한(stretchable) 전극의 성능이 대폭 향상된다. 즉, 외부 변형에 의해 저항변화가 적은 전극을 제작할 수 있다.
상술한 구현에서는, 상기 S150 단계부터 미리 당겨진(pre-stretching) 상태를 제거하여 수행하였지만, 다른 구현에서는 상기 S160 단계부터 미리 당겨진(pre-stretching) 상태를 제거하여 수행할 수 있고, 또 다른 구현에서는 S160 단계까지 미리 당겨진(pre-stretching) 상태를 유지하며 수행할 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2a ~ 2e에서 설명한 제조 방법에 의해 제작된 유연성 기판상에 형성된 늘림 가능한 신축성 전극을 구비한 유연성 기판 결합체를 도시한 단면도이다.
도시한 신축성 전극을 구비한 유연성 기판 결합체는, 염기 및 가교제가 10 : 1의 비율로 혼합되어 형성된 제1 PDMS 기판(120); 상기 제1 PDMS 기판(120)상에 80nm 내지 900nm의 두께로 증착된 제1 전극(128-1 ~ 128-3); 염기 및 가교제가 10 : 1의 비율로 혼합되어 형성되며, 상기 제1 PDMS 기판(120)과 기계적으로 압착 결합된 제2 PDMS 기판(140); 상기 제2 PDMS 기판(140)상에 80nm 내지 900nm의 두께로 증착되며, 상기 제1 전극(128-1 ~ 128-3)과 서로 정렬되어 밀착된 제2 전극(148-1 ~ 148-3)을 포함하고, 상기 제1 전극(128-1 ~ 128-3) 및 제2 전극(148-1 ~ 148-3)은, 연신되었다가 축소된 구조가 형성되어 있다.
상기 연신되었다가 축소된 구조 및 상기 제1/제2 전극의 바람직한 두께를 알아보기 위한 실험은 다음과 같다.
도 4는 0 ~ 30% 범위의 다양한 두께와 변형률 조건을 갖는 신축성 전극의 사진 이미지를 보여준다. 금속으로서 은(Ag) 전극의 막 두께가 증가함에 따라 물결 모양 패턴이 관찰됨을 알 수 있다. 즉, 상기 물결 모양 패턴은 상기 연신되었다가 축소된 구조로서, 제작 공정 중 유연성 기판이 연신된 상태에서 전극이 증착되었다가 다시 축소된 것에서 기인한 것이다.
도시한 샘플 중 800nm 샘플은 육안으로 관찰 할 수있는 많은 표면 균열을 보여준다. 이는 막 두께가 증가함에 따라 은(Ag) 전극과 PDMS 기판 사이의 막 응력이 증가하여, 1000nm와 가까워지면 거의 은(Ag) 막이 박리될 정도로 변형되기 때문이다. 은(Ag) 전극 박막 두께의 최적화는 신장 가능한 Ag 전극의 저항을 낮추는 데 중요하다. 다른 샘플은 0에서부터 큰 변형 조건까지 균열이 적은 비교적 깨끗한 표면을 보여준다. 비록 강도나 저항에 문제가 발생될 위험은 약간 있지만, PDMS 기판상에 본 발명의 사상에 따라 형성할 수 있는 은(Ag) 전극의 최소 두께는 80nm로 볼 수 있으며, 최대 두께는 900nm로 볼 수 있다. 표면 형태와 성능 사이의 관계는 변형의 함수로서 저항 변화를 측정함으로써 연구될 수 있다.
한편, 본 발명이 사상에 따른 상기 제1 전극 및 제2 전극으로서 은(Ag) 전극의 최적 두께를 위한 실험을 살펴보면 다음과 같다.
도 5a 내지 5c는 최대 변형률이 각각 7%, 23% 및 38% 일 때의 1 사이클(신축 및 이완)에 대한 면저항 변화를 도시한다. 도 6a 내지 6c는 0 ~ 38% 범위의 다른 변형(strain)에서의 신축가능한 은(Ag) 전극의 사진 이미지이다.
100, 200, 400 및 400+400nm 샘플의 초기 저항(R0)은 각각 약 819, 444, 353 및 242mΩ/square이다. 초기 저항은 막 두께가 증가함에 따라 선형적으로 감소하지 않음을 알 수 있다. 특히, 막 두께가 200nm보다 두꺼우면 저항이 약간 감소한다.
이것은 은(Ag) 전극과 PDMS 기판 사이의 필름 응력에 기인하며, 도 6의 전자 현미경 이미지에서 볼 수 있는 큰 초기 균열이 발생하는 것에 기인한다. 이는 신축성있는 은(Ag) 전극의 저항을 줄이기 위해 단순히 두께를 증가시키는 것은, 박막 두께가 200nm보다 두꺼우면 그 영향이 미약하게 된다. 반대로, 400+400nm 샘플은 매우 낮은 면저항을 나타내며 400nm 샘플에 비해 약 32% 감소한다. 이 면저항은 금속 전극을 사용하는 문헌에서 발견된 데이터 중 가장 낮은 값이다.
또한, 400 + 400nm 샘플을 포함한 모든 샘플은 38%까지 우수한 연신 성능을 보여준다. 7% 및 23% 변형에 대해, 도 5a 및 5b에 도시된 모든 샘플에 대해 저항 값의 약간의 변화 만이 관찰된다. 특히, 변형률이 38%로 증가한 경우에도 400+400nm 샘플은 도 5c에 나와있는 것처럼 440mΩ/square 미만의 면 저항을 유지한다. 이는 모든 샘플 중에서 가장 낮은 값이다. 따라서 절대 저항 값을 비교하면 400+400nm 샘플이 최소 면저항 변화로 최고의 성능을 가진다고 할 수 있다.
400+400nm 샘플의 결합 효과를 더 평가하려면 변형률(strain)에 따라 R/R0 변화를 살펴보는 것이 중요하다. 도 5d 내지 5f는 도 5a 에서 5c로부터 계산된 변형률(strain)에 대한 함수로서의 R/R0 변화를 도시한다. 변형률(strain)이 7%로 증가함에 따라 모든 샘플은 1.04 이하의 R/R0에서 우수한 신축성을 나타낸다. 변형률(strain)이 23%로 증가함에 따라 100, 200 및 400+400nm 샘플은 여전히 1.06 이하의 R/R0에서 우수한 신축성을 나타낸다. 이 경우, 400nm 샘플은 R/R0 값이 1.27까지 증가함을 보여준다. 그러나, 변형률(strain)이 PDMS 기판의 제조 공정에서의 연신 전 비율과 유사한 38%까지 추가로 증가함에 따라 박막 두께에 따른 값을 가지는 경향이 있다. 연신(stretching) 능력은 100nm > 200nm ≥ 400+400nm > 400nm의 순서를 따른다는 것을 알 수 있다. 박막이 두꺼운 필름에 비해 가장 작은 필름 응력과 우수한 성능을 보인다고 판단하는 것이 합리적이다. 그러나, 400+400nm 샘플은 R과 R/R0 값을 비교할 때 400nm 샘플보다 우수한 성능을 나타낸다.
도 6a는 0 ~ 38% 범위의 변형율을 갖는 시료의 광학 현미경 사진을 보여준다. 100nm 시료의 경우 변형률이 증가함에 따라 물결 모양의 패턴이 평탄해지고, 도 6a의 수직 방향으로의 포아송 수축으로 인해 새로운 수직 크랙이 발생한다. 다른 샘플들은 필름 두께가 증가할 때 훨씬 더 큰 물결 모양의 구조가 있기 때문에, 물결 모양의 패턴의 작은 변화를 관찰할 수 있다. 이것은 물결 모양의 구조의 진폭과 주기를 측정하여 확인할 수 있다. 도 6b는 변형율 = 0% 일 때 다른 샘플에 대한 공초점(confocal) 현미경 이미지를 보여준다. 이론적으로 물결 모양 패턴의주기와 진폭은 다음의 수학식 1에 의해 구해질 수 있다.
Figure pat00001
여기서, EPDMS와 EAg, 그리고 νPDMS와 νAg는 PDMS 기판과 은(Ag) 전극 층 각각의 Young 's Moduli와 Poisson 비율이며, εc는 상기 수학식 1에 의해 직접 계산된 임계 변형률이다. EPDMS = 2.0 MPa, EAg = 69 GPa, νPDMS = 0.48, νAg = 0.37 및 t = 100-400nm의 파라미터를 사용하여 이론으로부터 얻은 λ0 및 A0의 값을 하기 표 1에 요약하였다. 공초점(confocal) 현미경에서 이미지도 또한 표 1에 요약되어 있다. 진폭과 주기의 이론과 실험값은 일관성이 좋은 것으로 나타났다. 이는 PDMS 기판상의 Ag 박막이 양호한 막 품질을 갖는 거의 벌크 특성을 나타내며 다량의 산소 및 탄소 불순물을 함유하는 PDMS 기판의 효과가 충분히 감소됨을 나타낸다.
Figure pat00002
상술한 실험결과에 따르면, 본 발명이 사상에 따른 금속(Ag) 전극의 최적 두께는, 400nm로 이루어진 제1전극과, 400nm로 이루어진 제2전극이 도전적으로 서로 결합된 상태임을 알 수 있다. 따라서, 공정상 여유값(margin)을 감안하면, 제1 전극 및 제2 전극의 최적 두께 범위는 360nm 내지 440nm라고 볼 수 있다.
또한, 은(Ag) 전극의 신축성과 두께의 관계에 대해서도 검토해 보겠다. 400nm 두께의 은(Ag) 전극과 PDMS-PDMS 접합 기술을 사용하여 242 mΩ/square의 매우 낮은 면저항이 얻어졌다. 신축성있는 은(Ag) 전극의 전기적 특성은 단일 및 다중 사이클 변형 조건 하에서 연구된다.
먼저, 장기간의 변형 조건에서 안정성을 확인하기 위해 모든 샘플에 사이클링 스트레스 테스트를 적용한다.
도 7a 및 7b는 각각 1 사이클에서 1000 사이클 사이의 사이클 수에 대한 R 및 R/R0 변화를 보여 주며, 도 7c 및 7d는 사이클 수 1 내지 5사이클, 995 내지 1000 사이클(변형률 15% 및 0.5 mm/초)에 대한 R/R0 변화를 나타낸다. 빠른 변형 속도의 추가 조건은 한주기 테스트와 비교하여 샘플에 적용하였다. R의 절대 값을 비교할 때 400+400nm 샘플은 도 7a에 표시된 전체 사이클 범위에서 가장 낮은 면저항을 나타낸다. 400+400nm 샘플의 가장 높은 면저항은 1000 사이클 후에도 310 mΩ/square 미만이다. 그러나, R/R0을 비교할 때, 100nm 샘플은 도 7(b에 나타난 R/R0의 매우 작은 변화로 최고의 성능을 보여준다. 다른 샘플은 1.4 이하에서 R/R0 값이 증가함에 따라 유사한 성능을 나타낸다. 400+400nm 샘플은 도 7c 및 7d에 표시된 400nm 샘플보다 훨씬 더 우수한 안정성을 가지고 있다. R/R0 값에 기초하여, 신축성있는 은(Ag) 전극의 안정성은 100nm > 400+400nm 샘플 > 200nm > 400nm의 순서로 필름 두께에 의존한다. 이것은 도 5d ~ 5f에 도시된 사이클 테스트와 거의 동일한 시퀀스이다.
400+400nm 샘플은 저속 1 사이클링 및 고속 멀티 사이클링 테스트에서 우수한 성능을 나타낸다. 이 샘플은 R의 절대 값뿐만 아니라 R/R0의 상대값도 우수한 성능을 나타낸다. 이것은 제1/제2 유연성 기판의 접합에 PDMS-PDMS 본딩 기술이 채택될 때, 제1/제2 전극이 서로 밀착되어 도전 경로에 영향을 주기 때문이다. 저항 네트워크 모델을 적용하여 제1/제2 전극의 본딩 효과, 보다 구체적으로 제1 전극 및 제2 전극의 도전적 밀착(전류 경로의 퍼콜레이션(percolation)이라 표현하기도 한다)에 의한 효과를 살펴보면 다음과 같다.
도 8a와 8b는 각각 단순 병렬 및 퍼콜레이션(percolation) 연결의 저항 회로 모델을 나타낸다. 400nm 샘플은 일반 영역과 변형된(strained) 영역 사이의 간단한 직렬 저항 연결로 모델링할 수 있다. 변형된(strained) 영역이 전극에 있으면, 해당 영역의 저항이 증가한다. 따라서 400nm 샘플의 전체 저항은 다음 수학식 2, 3을 사용하여 모델링할 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
여기서 R400_0과 R400은 각각 400nm의 시료에 대해 변형(strain)이 없는 경우와 변형(strain)이 있는 경우의 저항이며, a는 정상 영역의 수, b는 a + b = n (일정) 인 변형된 영역의 수, r은 단위당 저항 정상 영역의 길이이고, rs는 변형된(strained) 영역의 단위 길이당 저항이다.
400+400nm 샘플의 경우 도 8a와 같이 두 전극(상단의 제1 전극과 하단의 제2 전극)이 전극 중간에 연결되지 않은 상태로 간단히 연결되어 있으면 R/R0 변화는 상부 및 하부 전극의 저항이 동일한 비율로 증가하기 때문에, 400nm 샘플의 저항률은 다음 수학식 4로 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
여기서, ||는 2 개의 저항기의 병렬 연결을 의미하며, Rpara0과 Rpara는 도 8a에 나타난 간단한 병렬 연결을 가정한 400 + 400nm 샘플의 변형(strain)이 있는 것과 없는 것의 저항이다. 따라서, 상기 수학식 4로부터 계산된 R/R0은, 상기 수학식 3의 경우와 동일하다. 이것은 R400/R400_0 = Rpara/Rpara0임을 의미한다.
도 8b와 같이 두 전극을 전극의 중앙에 연결하면 r과 rs의 병렬 연결로 인해 새로운 퍼콜레이션 경로가 생겨서 8a의 단순 병렬 연결에 비해 전체 저항이 낮아지고, 전류는 접촉 영역(rp)을 통해 흐른다. 이 경우, 변형된(strained) 영역의 분포로 인해, 최상층의 r은 매우 낮은 확률로 하층의 rs에 연결될 수있다. 저항 모델링에서 다음과 같은 제약 조건을 가정했다.
(1) 정상 영역의 수는 a > b 인 변형 된 영역의 수보다 크고 영역이 분포하므로 400+400nm 샘플에서 r과 rs의 저항 값 간의 퍼콜레이션이 지배적이다.
(2) rp는 금속 - 금속 접촉 (rp = 0)으로 인해 무시할 만하다.
따라서 전체 저항은 도 8b를 사용하여 다음 수학식 5로 모델링할 수 있다.
Figure pat00006
여기서, 상부 전극 및 하부 전극의 변형된(strained) 영역이 고려되는데, 상부 및 하부 전극들(2b)의 변형된(strained) 영역에 의해, 정상 영역의 전극들(2b)의 수는 a에서 a-b로 감소된다. 상기 수학식 4와 5에서, 상부 전극과 하부 전극 사이에 얼마나 많은 전류가 흐르는지를 나타내는 퍼콜레이션(Rrelative)으로 기인한 상대적 저항 강하율을 다음 수학식 6과 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00007
여기서, x = b/n은 필름에서의 변형 영역의 부분을 나타내고, rratio는 rs/r로 정의된다. x는 x = 변형률/(1 + 변형률) 방정식에 의해 변형된 길이로부터 얻을 수 있다. x가 전체 길이에 대한 증가 된 길이의 비율과 같기 때문이다. Rrelative가 1보다 작으면 상부 전극과 하부 전극 사이에 전류 퍼콜레이션이 존재하여 신축성 전극의 저항 강하를 유도한다.
도 9는 400+400nm 샘플에서 상기 수학식 6에 일치하는 실험 결과를 보여준다.
최대 변형률이 7%일 때, Rrelative는 거의 1이며, 이는 퍼콜레이션이 없음을 의미한다. 이 경우, 변형된(strained) 영역이 매우 작기 때문에, 퍼콜레이션 효과는 무시할 만하다. 그러나, 최대 변형률이 30과 38%로 증가하면 Rrelative는 각각 0.75와 0.7로 감소하고, 이론적인 방정식은 작은 변형 조건을 제외하고 실험값에 잘 들어 맞는다. 얻어진 피팅 파라미터는 각각 30 및 38% 변형에 대해 rc = (3.8 ± 0.03) r 및 (4.8 ± 0.08) r인데, 이는 1 사이클의 큰 변형이, 변형된(strained) 영역에서 저항 증가를 유도함을 나타낸다. 변형(strain)이 증가할 때, 변형된(strained) 영역의 저항 증가는 도 9에서 보여지는 동일한 변형 범위에 대한 퍼콜레이션 전류의 증가에 의해 Rrelative의 감소로 이어진다. 따라서, 간단한 저항 네트워크 모델을 사용하여, 퍼콜레이션 전류 경로에서 비롯된 400 + 400nm 샘플의 우수한 성능이 잘 설명된다
상술한 실험결과에 따르면, 본 발명이 사상에 따른 금속(Ag) 전극인 제1 전극 및 제2 전극은 전류 경로에 대한 퍼콜레이션(percolation) 효과를 달성할 수 있도록 서로 도전적으로 밀착되는 것이 바람직하다.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
120 : 제1 유연성 기판
128, 128-1, 128-2, 128-3 : 제1 전극
140 : 제2 유연성 기판
148, 148-1, 148-2, 148-3 : 제2 전극

Claims (9)

  1. 제1 유연성 기판을 형성하는 단계;
    상기 제1 유연성 기판을 완제품의 사용 중에 가해지는 인장력의 방향으로 늘려서 고정하는 단계;
    상기 늘려서 고정된 제1 유연성 기판에 증착 전 처리를 수행하는 단계;
    상기 늘려서 고정된 제1 유연성 기판상에 금속 전극을 증착하는 단계;
    제2 유연성 기판을 형성하는 단계;
    상기 제2 유연성 기판을 완제품의 사용 중에 가해지는 인장력의 방향으로 늘려서 고정하는 단계;
    상기 늘려서 고정된 제2 유연성 기판에 증착 전 처리를 수행하는 단계;
    상기 늘려서 고정된 제2 유연성 기판상에 금속 전극을 증착하는 단계; 및
    상기 제1 유연성 기판의 금속 전극과 상기 제2 유연성 기판의 금속 전극이 서로 정렬되어 맞닿은 상태에서, 상기 제1 유연성 기판 및 제2 유연성 기판을 결합하는 단계
    를 포함하는 신축성 전극의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유연성 기판 및 제2 유연성 기판은, PDMS 재질의 기판이고,
    상기 금속 전극은 은 재질이 전극인 것을 특징으로 하는 신축성 전극의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유연성 기판 및 제2 유연성 기판을 결합하는 단계 이전에, 상기 제1 유연성 기판 및 제2 유연성 기판에 산소 플라즈마 처리를 수행하는 단계
    를 더 포함하는 신축성 전극의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유연성 기판 및 제2 유연성 기판을 결합하는 단계에서는,
    산소 플라즈마 처리된 면을 서로 맞댄 상태에서 가압하여 결합시키는 것을 특징으로 하는 신축성 전극의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유연성 기판을 늘려서 고정하는 단계 및 상기 제2 유연성 기판을 늘려서 고정하는 단계에서는,
    상기 제1 유연성 기판 또는 상기 제2 유연성 기판을 금속 전극의 길이 방향으로 20% 내지 100%를 늘려서 고정하는 것을 특징으로 하는 신축성 전극의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유연성 기판상에 금속 전극을 증착하는 단계 이후,
    상기 제1 유연성 기판상에 증착된 금속 전극을 패터닝하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 제2 유연성 기판상에 금속 전극을 증착하는 단계 이후,
    상기 제2 유연성 기판상에 증착된 금속 전극을 패터닝하는 단계
    를 더 포함하는 신축성 전극의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유연성 기판에 금속 전극을 증착하는 단계 및 상기 제2 유연성 기판을 증착하는 단계에서는, 열 증착 방식으로 셰도우 마스크를 통해 80nm 내지 900nm의 두께로 전극을 증착하는 것을 특징으로 하는 신축성 전극의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유연성 기판을 형성하는 단계 및 제2 유연성 기판을 형성하는 단계에서는,
    염기 및 가교제를 10 : 1의 비율로 혼합하고 핫 플레이트상에서 130 내지170 ℃에서 베이킹하여, PDMS 기판을 형성하는 것을 특징으로 하는 신축성 전극의 제조 방법.
  9. 염기 및 가교제가 10 : 1의 비율로 혼합되어 형성된 제1 PDMS 기판;
    상기 제1 PDMS 기판상에 80nm 내지 900nm의 두께로 증착된 제1 금속 전극;
    염기 및 가교제가 10 : 1의 비율로 혼합되어 형성되며, 상기 제1 PDMS 기판과 기계적으로 압착 결합된 제2 PDMS 기판; 및
    상기 제2 PDMS 기판상에 80nm 내지 900nm의 두께로 증착되며, 상기 제1 전극과 서로 정렬되어 밀착된 제2 금속 전극을 포함하고,
    상기 제1 금속 전극 및 제2 금속 전극은, 연신되었다가 축소된 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 신축성 전극을 구비한 유연성 기판 결합체.
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CN117612653A (zh) * 2023-12-19 2024-02-27 东莞市鹏锦机械科技有限公司 干法电极自立膜纤维化的区域定位方法及其区域调整装置
CN117612653B (zh) * 2023-12-19 2024-05-14 东莞市鹏锦机械科技有限公司 干法电极自立膜纤维化的区域定位方法及其区域调整装置

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