KR20220049425A - 고신축성 편조 금속 전극 및 고신축성 편조 금속 전극의 제조방법 - Google Patents

Abstract

고신축성 편조 금속 전극의 제조방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 원통형 코어의 외경에 맞추어 복수의 금속사를 편조하여 편조 금속사를 형성시키는 단계; 상기 편조 금속사를 압축하고, 상기 원통형 코어를 제거하는 단계; 상기 편조 금속사에 액상의 실리콘 고무를 도포하는 단계; 및 상기 편조 금속사의 양끝단을 납땜 처리하여 전극을 형성시키는 단계;로 이루어지는 것을 기술적 요지로 한다.

Description

고신축성 편조 금속 전극 및 고신축성 편조 금속 전극의 제조방법{Highly elastic braided metal electrode and method of the same}

본 발명은 고신축성 편조 금속 전극 및 고신축성 편조 금속 전극의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공정이 간단하고 높은 신축성과 안정적인 전기전도도를 갖는 고신축성 편조 금속 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.

디스플레이의 발전에 따라 유연(flexibility)하며 신축(stretchability)이 가능한 투명 전극(transparent conductive electrode)의 개발성이 대두되고 있다. 이에 따라 투명 전극은 높은 가시광 투과율과 낮은 면저항 뿐 아니라 높은 유연성과 신축성이 요구되고 있는데, 현재 널리 사용되고 있는 인듐-주석 산화물(induim-tin oxide, ITO)는 쉽게 깨지는 특성이 있으며 공정 온도가 매우 높다는 단점이 있어서 이러한 세대의 전자기기에 활용하기가 어렵다.

이러한 ITO를 대체하기 위해 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 금속 그물망(metal mesh), 금속 나노와이어(metal nanowire), 전도성 고분자(conductive polymer) 등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이 중 금속 나노와이어 기반의 재료가 뛰어난 전기적 성질과 함께 높은 광투과도를 구현해 낼 수 있기 때문에 신축성 투명전극 재료에 가장 적합한 재료 중 하나로 고려된다. 그러나 대부분의 금속 나노와이어를 이용한 신축성 전극에 대한 연구는 나노와이어 간의 접촉문제나 전극과 기재간의 접착력 또는 산화문제의 개선을 통한 성능향상에 집중되어 있을 뿐 본질적으로 직선 형태인 금속 나노와이어를 신축성 유연전극에 보다 적합하도록 구조적 개선이 가능한 기술 개발이 필요하다.

이러한 기술로서 '굴곡진 금속 나노와이어 네트워크, 이를 포함하는 신축성 투명전극 및 이의 제조방법(등록번호 : 10-1630817)'에서는 직선 형태의 금속 나노와이어를 기반으로 물결 무늬의 굴곡진(wavy) 형태를 갖는 나노와이어 네트워크 구조체 및 이의 제조방법으로, 기재 위에 굴곡진 금속 나노와이어 구조를 형성하는 구조체를 개시하고 있고, 이를 통해 다양한 변형에도 안정적인 성능을 보이는 투명하면서도 신축성이 있는 유연 전극에 활용 가능 가능한 이점이 있다.

그러나 상술한 방법에 의하면 신축부와 전극부를 각각 따로 제조하거나 금속 나노와이어 박막을 제1 기재위에 형성시킨 후 이를 분리시켜 용매 표층에 부유시킨 후, 압축하여 변형시키고, 제2 기재에 전사시키는 복잡한 공정이 필요하고, 신축성의 정도도 크지 않아 신축전극에 넓게 활용하기에는 한계가 있으므로 이에 대한 새로운 기술 개발이 필요한 시점이다.

KR 10-1630817 B1

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 간단한 공정으로 제조 가능하고, 높은 신축성을 가지면서도 안정적인 전기전도도를 유지할 수 있어 다양한 디바이스 또는 디바이스간의 연결 전극 등으로 신축성 전극에 넓게 활용 가능한 고신축성 편조 금속 전극 및 고신축성 편조 금속 전극의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고신축성 편조 금속 전극의 제조방법은, 원통형 코어의 외경에 맞추어 복수의 금속사를 편조하여 편조 금속사를 형성시키는 단계; 상기 편조 금속사를 압축하고, 상기 원통형 코어를 제거하는 단계; 상기 편조 금속사에 액상의 실리콘 고무를 도포하는 단계; 상기 편조 금속사의 양끝단을 납땜 처리하여 전극을 형성시키는 단계;로 이루어지는 것을 기술적 요지로 한다.

이러한 고신축성 편조 금속 전극의 제조방법의 상기 편조 금속사는, 개구 영역이 마름모 형상인 것을 특징으로 한다.

이러한 고신축성 편조 금속 전극의 제조방법은, 상기 원통형 코어의 직경을 조절하여 상기 편조 금속사의 섬유 회전 각도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한, 복수의 금속사를 편조하여 형성시킨 관형 편조 금속사와; 상기 편조 금속사에 충진되는 탄성 실리콘 고무로; 구성되는 것을 특징으로 하는 고신축성 편조 금속 전극을 또 다른 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 탄성 실리콘 고무는 편조 금속사에 코팅 충진되어 관형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고신축성 편조 금속 전극으로 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고신축성 편조 금속 전극의 제조방법에 따라 제조된 금속 전극은 간단한 공정으로 제조 가능하고, 600%의 높은 신축성을 가지며, 안정적인 전기전도도를 유지하므로, 다양한 디바이스 또는 디바이스간의 연결 전극으로 활용 가능한 이점이 있다.

또한, 원통형 코어의 직경에 따라 회전각을 변형시킬 수 있으므로 다양한 편조물을 제조할 수 있고, 연속적인 공정이 가능하므로 고신축성 전극의 길이, 면적에 제한없이 다양한 형태의 고신축성 편조 금속 전극을 제조가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고신축성 편조 금속 전극의 제조방법의 순서도.
도 2는 도 1의 제1단계의 예시를 나타내는 도면.
도 3은 원통형 코어의 직경에 따라 금속사의 회전각을 제어할 수 있음을 나타내는 도면.
도 4는 원통형 코어의 직경에 따라 금속사의 회전각 변화를 나타내는 도면.
도 5는 도 1의 방법에 의하여 제조된 고신축성 편조 금속 전극의 인장 시험을 나타내는 도면.
도 6은 금속사의 회전각에 따른 고신축성 편조 금속 전극의 신축성을 나타내는 그래프.
도 7은 도 1의 방법에 의하여 제조된 고신축성 편조 금속 전극의 반복 인장시험에서 저항과 전기전도도의 변화율을 나타내는 그래프.
도 8은 도 1의 방법에 의하여 제조된 고신축성 편조 금속 전극의 예시를 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 8에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 일반적인 금속사, 편조, 신축전극 등으로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고신축성 편조 금속 전극의 제조방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 금속사를 편조하여 편조 금속사(110)를 형성시키는 단계, 형성된 편조 금속사(110)를 압축시키는 단계, 압축된 편조 금속사(110)에 액상의 실리콘 고무를 도포하는 단계 및 실리콘 고무에 의하여 캡슐화된 편조 금속사(110)의 양끝단을 납땜 처리하여 전극을 형성시키는 단계로 이루어진다.

본 발명은 먼저, 복수의 금속사를 편조하여 편조 금속사(110)를 형성시킨다.

원통형 코어(10)를 준비하고, 원통형 코어(10)의 표면을 따라 복수의 금속사를 교차시키면서 편조하여 편조 금속사(110)를 형성시킨다. 본 발명에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 12가닥의 금속사를 편조기를 이용하여 원통형 코어(10)의 표면을 따라 편조하였다.

이때, 이러한 편조 금속사(110)에서 개구 영역(130)은 마름모, 정사각형, 정육각형을 포함한 다양한 형상으로 될 수 있는데, 복수의 금속사를 간단한 공정으로 용이하게 편조하기 위해서는 개구 영역(130)이 마름모 형상으로 되는 것이 바람직하다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 원통형 코어(10)의 직경에 따라 편조 금속사(110)의 섬유 회전 각도를 제어할 수 있다. 원통형 코어(10)의 직경이 크거나 작을수록 편조 금속사(110)의 섬유 회전 각도도 크거나 작게 조절할 수 있게 되는 것이다. 도 4를 참조하면, 원통형 코어(10)의 직경이 6mm일 때는, 섬유 회전 각도가 커져 개구 영역(130)의 마름모에서 한 내각이 120°가 형성되는 반면, 원통형 코어(10)의 직경이 3.5mm일 때는, 섬유 회전 각도가 커져 개구 영역(130)의 마름모에서 한 내각이 100°가 형성됨을 알 수 있다.

이처럼 원통형 코어(10)의 직경을 조절하는 것만으로 편조 금속사(110)의 섬유 회전 각도를 제어할 수 있고, 이를 이용하여 다양한 형상이나 면적을 갖는 고신축성 편조 금속 전극(100)을 제조할 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 다음 단계는 형성된 편조 금속사(110)를 압축시킨다.

선행 단계에서 형성된 편조 금속사(110)를 원통형 코어(10)의 일측으로 압축시키고, 원통형 코어(10)를 제거한다. 이렇게 형성된 내부가 비어있는 원기둥 형상의 압축된 편조 금속사(110)의 양끝단은 전극으로 사용할 수 있도록 누르거나 꼬아서 정리하는 것이 바람직하다.

다음으로는 압축된 편조 금속사(110)에 액상의 실리콘 고무를 도포한다.

선행 단계에서 형성된 내부가 비어있는 원기둥 형상의 압축된 편조 금속사(110)에 액상의 실리콘 고무를 도포하여 캡슐화(encapsulation) 처리를 수행한다. 이때, 편조 금속사(110)에서 전극으로 사용하기 위해 정리한 양끝단부는 제외하고 액상의 실리콘 고무가 고르게 도포될 수 있도록 한다.

예를 들어, 편조 금속사(110)의 일측단부를 고정시켜 늘어뜨린 후 상단부에 액상의 실리콘 고무를 도포하면 도포된 액상의 실리콘 고무가 편조 금속사(110)를 타고 흘러 균일하게 도포될 수 있다. 이렇게 도포된 실리콘 고무가 건조되면 내부는 도 8에서 보여지는 바와 같이 원통형 코어(10) 형상으로 비어있고, 편조 금속사(110)의 표면을 따라 실리콘 고무가 코팅된 형태로 형성되는 압축된 편조 금속사(110)를 제조할 수 있는 것이다.

다음으로는 실리콘 고무에 의하여 캡슐화된 편조 금속사(110)의 양끝단을 납땜 처리하여 전극(120)을 형성시킨다.

즉, 단계에서 형성된 실리콘 고무가 코팅되어 캡슐화된 편조 금속사(110)에서 전극(120)으로 사용하기 위해 정리한 양끝단부를 납땜처리하여 전극(120)을 형성시키는 것이다.

상기한 본 발명에 의하면, 도 8에서 보여지는 바와 같이 원통관형으로 편조된 편조 금속사(110) 사이에 탄성 실리콘 고무(140)가 충진 코팅되어 신축성이 우수한 금속도선, 즉 고신축성 편조 금속 전극(100)이 제공된다.

본 발명의 고신축성 편조 금속 전극(100)의 구조에 대하여 살펴보면, 복수의 금속사를 편조하여 형성시킨 편조 금속사(110)는 전체적으로 원통관과 같은 형상을 가지며, 각 금속사는 스프링 형상을 가짐을 알 수 있다.

또한, 상기 편조 금속사(110)에는 탄성 실리콘 고무(140)가 충진되어 편조 금속사(110)의 형상을 보존하고 있다.

이와 같은 구조에 의하면, 편조 금속사(110)의 각 금속사는 스프링과 같이 신축 복원력을 갖추게 되고, 편조 금속사(110)에 충진된 탄성 실리콘 고무(140)는 신축을 허용하면서 복원시 각 금속사의 편조 위치가 정립되게 하여, 반복 신뢰성을 갖추게 한다.

이와 같은 본 발명의 구조적 원리에 의하면 상기 탄성 실리콘 고무(140)는 상기 원통관형으로 형성되는 편조 금속사(110)에 코팅 충진된 원통관형으로 형성되어 신축성을 향상시키는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 편조 금속사가 형성시키는 원통형관 내부에 완전히 충진되어도 무방함을 알 수 있다.

상기한 본 발명의 고신축성 편조 금속 전극(100)의 신축성을 확인하기 위하여 도 5와 같이, 인장시험을 진행한 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 편조 금속사(110)의 섬유 회전 각도가 100°인 경우 최대 약 450% 정도, 편조 금속사(110)의 섬유 회전 각도가 120°인 경우 최대 약 800% 까지 늘어나 본 발명의 제조방법에 따른 고신축성 편조 금속 전극(100)의 뛰어난 신축성을 확인할 수 있었다.

또한, 도 7의 (a)와 같이, 고신축성 편조 금속 전극(100)을 약 500% 까지 신축시킨 후 저항을 측정한 결과, 저항 변화가 거의 없이 일정하고, 도 7의 (b)와 같이, 고신축성 편조 금속 전극(100)을 약 500% 까지 신축시키는 실험을 500회 수행하면서 전기 전도도를 측정한 결과, 전기전도도 또한 변화가 거의 없이 일정한 수치를 나타내고 있음을 실험을 통해 확인할 수 있었다.

상술한 방법으로 형성되는 고신축성 편조 금속 전극(100)은 도 8과 같이 고신축성의 특성을 지니면서 안정적인 전기전도도를 유지할 수 있어 웨어러블 전자기기 등 다양한 디바이스 또는 연결 전극에 활용 가능한 효과가 있다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 실시예에 따른 고신축성 편조 금속 전극의 제조방법를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

10: 원통형 코어
100: 고신축성 편조 금속 전극
110: 편조 금속사
120: 전극
130: 개구 영역
140 : 실리콘 고무

Claims (5)

1. 원통형 코어의 외경에 맞추어 복수의 금속사를 편조하여 편조 금속사를 형성시키는 단계;
   상기 편조 금속사를 압축하고, 상기 원통형 코어를 제거하는 단계;
   상기 편조 금속사에 액상의 실리콘 고무를 도포하는 단계;
   상기 편조 금속사의 양끝단을 납땜 처리하여 전극을 형성시키는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고신축성 편조 금속 전극의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 편조 금속사는,
   개구 영역이 마름모 형상인 것을 특징으로 하는 고신축성 편조 금속 전극의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 원통형 코어의 직경을 조절하여 상기 편조 금속사의 섬유 회전 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 고신축성 편조 금속 전극의 제조방법.
4. 복수의 금속사를 편조하여 형성시킨 관형 편조 금속사와;
   상기 편조 금속사에 충진되는 탄성 실리콘 고무로;
   구성되는 것을 특징으로 하는 고신축성 편조 금속 전극.
5. 제4항에 있어서 상기 탄성 실리콘 고무는
   편조 금속사에 코팅 충진되어
   관형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고신축성 편조 금속 전극.

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