KR20230169605A - 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물 및 이를 이용하여 제조한 유연회로 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물은 에폭시 레진 및 경화제의 함량을 조절하여 우수한 유연성을 가진 최적의 에폭시 경화체를 제조할 수 있으며; 최적의 휘발성-비반응성 희석제를 선택하고 이의 함량을 조절하여 에폭시 혼합물의 점도를 최적화하므로 적층 제조시 직접주사방식에 적용이 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명의 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물은 상기 희석제가 모두 휘발되어 사라지므로 잔류물로 인해 전기특성이 저하되지 않는 장점이 있으며 전기전도성 물질인 은 플레이크가 에폭시 고분자에 최대 함량으로 균질하게 분산되어 있으므로 낮은 비저항을 가져 우수한 전기전도도 특성을 가질 뿐 아니라 최대 곡률로 구부려도 부러지거나 전기전도도의 변화가 미미한 수준으로 변화하는 장점이 있다.
또한 본 발명의 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물은 상기 희석제가 모두 휘발되어 사라지므로 잔류물로 인해 전기특성이 저하되지 않는 장점이 있으며 전기전도성 물질인 은 플레이크가 에폭시 고분자에 최대 함량으로 균질하게 분산되어 있으므로 낮은 비저항을 가져 우수한 전기전도도 특성을 가질 뿐 아니라 최대 곡률로 구부려도 부러지거나 전기전도도의 변화가 미미한 수준으로 변화하는 장점이 있다.
Description
본 발명은 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물 및 이를 이용하여 제조한 유연회로에 관한 것이다.
다양한 디자인을 가진 웨어러블 디바이스 및 스마트기기에 대한 수요가 증가함에 따라 곡선을 비롯한 다양한 모양으로 성형 가능한 유연회로에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 상기 유연회로는 도선으로서 유연전기전도체를 포함할 수 있으며 상기 유연전기전도체는 복잡한 형태로 신축, 압축 및 구부러짐이 가능하도록 유연성을 가져야 하고 다양한 형태 변화에도 불구하고 전기전도성의 편차가 거의 없어야 한다.
종래에는 유연성이 있는 플라스틱 시트상에 폴리머 트랜지스터를 성형하여 유연회로를 제조하는 방법이 개발된바 있으며, 전도성을 가진 기능성 고분자 재료를 잉크젯 프린터로 유연기판에 인쇄하여 유여회로를 제조하는 방법이 개발된바 있다. 그러나 상기 유연회로는 유연성이 낮은 문제점이 있을 뿐 아니라 형태 변화로 인한 전기전도성의 편차가 커 사용에 한계가 있었다(비특허문헌 1 내지 6).
상기 유연회로의 문제점을 해결하기 위해 다중재료 적층성형기술 또는 전기전도성 접착제(Electrically conductive adhesives, ECAs)를 적용하여 유연회로를 제조하는 기술이 개발되고 있다. 상기 다중재료 적층성형기술을 이용한 유연회로 제조기술은 도선으로서 전기전도성물질인 은 페이스트를 구조물 내부에 직접 주입하여 도선을 형성하게 되는데 상기 은 페이스트는 주입 후 경화시키기 위해 가열이 필요할 뿐 아니라 경화된 도선의 연성이 낮아 구부림 성능이 충분하지 않은 문제점이 있었다. 또한 상기 전기전도성 접착제를 이용한 유연회로 제조기술은 도선을 형성하는 전기전도성 접착제에 에폭시레진(epoxy resin), 은 분말(Ag flake), 은-구리 혼합분말(Ag/Cu flake), 및 그래핀(graphene)을 포함하게 되는데 상기 은 분말의 함량 변화에 따라 구부림 성능 및 전기전도성의 편차가 심할 뿐 아니라 내구성이 낮아 상용화가 어려운 문제점이 있었다(비특허 문헌 7 내지 9).
상기 에폭시 레진은 접착제, 주형, 코팅 등에 사용되는 열경화성 플라스틱으로서 경화시 비틀림이나 변형이 없어 내구성이 우수할 뿐 아니라 전기적 특성, 및 기계적 특성이 우수한 장점이 있다. 그러나 상기 에폭시 레진은 도선으로 사용되기에 비저항이 높아 전기전도성이 낮으므로 단족으로 사용될 수 없는 문제점이 있다.
이를 보완하기 위해 에폭시 레진에 은 분말과 같은 전기전도성 물질이 분산시키는 연구가 진행되고 있다. 그러나 상기 에폭시 레진은 점도가 높아 전기전도성 물질을 균질한 상태로 분산하기 어려운 문제점이 있다. 특히 유연회로의 도선으로 사용하는 경우 상기 에폭시에 전기전도성 물질이 비균질하게 분산되면 전기적 성질이 저하될 뿐 아니라 펼쳐진 상태와 구부러진 상태 사이의 전기전도도 편차가 심하여 유연회로에 적용하기 어려운 한계가 있었다.
상기 에폭시 레진에 반응성 또는 비반응성 희석제를 용매로서 첨가하게 되면 레진의 점도를 조절하여 전기전도성 물질의 분산성을 향상시킬 수 있게 된다. 그러나 상기 희석제는 반응성 및 비반응성에 상관없이 불휘발성 특성을 가지므로 경화시 레진 내부에 잔류하게 되어 도선의 기계적 특성 및 전기적 특성을 저하시키는 문제점이 있었다. 또한 다중재료 적층성형기술을 이용한 유연회로의 제조시 도전 조성물을 직접주사방식(direct ink writing)으로 적층 내부에 주입하고 이를 경화시켜 도선을 형성하기 위한 적절한 물성에 대하여는 연구된바가 없었다.
본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.
Garnier, Francis, et al. "All-polymer field-effect transistor realized by printing techniques." Science, Vol 265, No.5179, pp. 1684-1686, 1994
Menard, Etienne, et al. "Micro-and nanopatterning techniques for organic electronic and optoelectronic systems." Chemical reviews, Vol 107, No.4, pp. 1117-1160., 2007
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본 발명은 에폭시 레진, 경화제, 희석제 및 전기전도성 물질의 함량을 최적화하여 직접 주사 방식으로 적층성형이 가능하며, 경화시 높은 유연성을 가지면서도 우수한 전기전도성을 가질 뿐 아니라 형태 변화에 의한 전기전도성의 편차가 미미하며 유연회로의 도선으로서 사용 가능한 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.
본 발명은 에폭시 레진, 경화제, 희석제 및 전기전도성 물질이 에폭시 레진 : 경화제 : 희석제 : 전기전도성 물질 = 1.8 내지 2.2 : 0.8 내지 1.2 : 0.8 내지 1.2 : 3.5 내지 5.5의 부피비로 포함된 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물을 제공한다.
상기 희석제는 이소프로필알코올(isopropyl alcohol)인 것을 특징으로 하며 상기 전기전도성 물질은 입자크기 2 내지 100μm인 은(sliver) 미세분말인 것을 특징으로 한다.
상기 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물은 점도가 18000 내지 22000cps인 것을 특징으로 하며 상기 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물을 길이 200mm, 폭 2mm, 및 높이 0.26mm인 선형으로 압출한 후 상온에서 3일간 경화시켜 제조한 경화체는 비저항 값이 2.5x10-3 내지 3x10-3Ω·㎝이며 상기 경화체를 90°의 곡률로 구부려도 비저항 값의 편차가 ±5% 미만인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물을 이용하여 직접 주사 방식(direct ink writing)으로 도선을 형성한 유연회로를 제공한다.
본 발명의 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물은 에폭시 레진 및 경화제의 함량을 조절하여 우수한 유연성을 가진 최적의 에폭시 경화체를 제조할 수 있으며; 최적의 휘발성-비반응성 희석제를 선택하고 이의 함량을 조절하여 에폭시 혼합물의 점도를 최적화하므로 적층 제조시 직접주사방식에 적용이 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명의 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물은 상기 희석제가 모두 휘발되어 사라지므로 잔류물로 인해 전기특성이 저하되지 않는 장점이 있으며 전기전도성 물질인 은 플레이크가 에폭시 고분자에 최대 함량으로 균질하게 분산되어 있으므로 낮은 비저항을 가져 우수한 전기전도도 특성을 가질 뿐 아니라 최대 곡률로 구부려도 부러지거나 전기전도도의 변화가 미미한 수준으로 변화하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 에폭시 경화체에 대한 굽힘 시험 결과를 보여준다.
도 2는 본 발명의 제1에폭시 혼합물의 질량을 3시간 동안 1시간 간격으로 측정한 결과를 보여준다.
도 3은 본 발명의 압출하여 성형된 유연전기전도체를 보여준다.
도 4는 본 발명의 유연전기전도체의 비저항측정을 측정하는 것을 보여준다. 패널 A)는 펼쳐진 상태의 유연전기전도체에 대한 비저항을 측정하는 것을 보여주며 패널 B)는 구부린 상태의 유연전기전도체에 대한 비저항을 측정하는 것을 보여준다.
도 5는 본 발명의 유연전기전도체의 시간 경과에 따른 비저항의 변화를 보여준다.
도 2는 본 발명의 제1에폭시 혼합물의 질량을 3시간 동안 1시간 간격으로 측정한 결과를 보여준다.
도 3은 본 발명의 압출하여 성형된 유연전기전도체를 보여준다.
도 4는 본 발명의 유연전기전도체의 비저항측정을 측정하는 것을 보여준다. 패널 A)는 펼쳐진 상태의 유연전기전도체에 대한 비저항을 측정하는 것을 보여주며 패널 B)는 구부린 상태의 유연전기전도체에 대한 비저항을 측정하는 것을 보여준다.
도 5는 본 발명의 유연전기전도체의 시간 경과에 따른 비저항의 변화를 보여준다.
본 발명은 에폭시 레진, 경화제, 희석제 및 전기전도성 물질이 에폭시 레진 : 경화제 : 희석제 : 전기전도성 물질 = 1.8 내지 2.2 : 0.8 내지 1.2 : 0.8 내지 1.2 : 3.5 내지 5.5의 부피비로 포함된 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물을 제공한다.
상기 희석제는 이소프로필알코올(isopropyl alcohol)인 것을 특징으로 하며 상기 전기전도성 물질은 은(sliver) 미세분말인 것을 특징으로 한다.
상기 조성물의 비율을 벗어나게 되면 상기 도선 조성물의 점도가 높아 직접주사방식으로 적층 내부에 주입하기 어려울 수 있으며, 전기전도성 물질의 분산성이 저하되고 유연성이 저하되어 구부러짐에 따른 전기전도성의 편차가 급격히 증가할 수 있다.
상기 전기전도성 물질인 은 미세분말은 판상 플레이크 형상으로서 입자크기가 2 내지 100㎛인 것이 바람직하며 보다 바람직하게는 직경 2㎛ 판상 플레이크 형상인 것이 바람직하다.
상기 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물은 점도가 18000 내지 20000cps인 것을 특징으로 한다. 상기 점도가 18000cps 미만이면 경화시간이 더 소요될 수 있으며 상기 점도가 20000cps를 초과하면 직접주사방식으로 적층에 주입시 과도한 압력을 주어야 하므로 성형이 번거로움이 있다. 바람직하게는 상기 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물은 점도가 20000cps이다.
상기 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물을 길이 200mm, 폭 2mm, 및 높이 0.26mm인 선형으로 압출한 후 상온에서 3일간 경화시켜 제조한 경화체는 비저항 값이 2.5x10-3 내지 3x10-3Ω·㎝인 것을 특징으로 하며 상기 경화체를 90°의 곡률로 구부리더라도 비저항 값의 편차가 ±5% 미만인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물을 적층유연회로의 적층 사이로 실린더등을 이용하여 직접 주입하는 방식(direct ink writing)으로 주입하여 도선을 형성하여 제조한 유연회로를 제공한다.
하기에서 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예
본 발명의 유연전기전도체(flexible electrical conductor)는 에폭시(epoxy)에 전기전도성 물질을 분산시킨 후 이를 경화시켜 제조한다. 상기 유연전기전도체는 전기전도성을 향상시키기 위하여 은 분말(silver powder)과 같은 전기전도성 물질을 포함하나 에폭시의 높은 점도로 인해 분산이 어려운 문제점이 있었다. 본 발명에서는 상기 문제점을 해결하기 위하여 에폭시에 희석제(용매)를 첨가하여 점도를 조절하는 방법으로 전기전도성 물질의 분산성을 향상시켰다. 또한 에폭시 주제와 경화제의 배합비를 조절하여 유연전기전도체의 연성을 최적화시켰다.
희석제는 반응성 희석제와 비반응성 희석제가 있다. 상기 반응성 희석제는 에폭시의 경화시 화학반응을 일으켜 경화물의 기계적, 전기적 특성을 변화시키는 단점이 있으며 상기 비반응성 희석제는 불휘발성이므로 경화시 에폭시 경화물에 잔류하여 경화물의 기계적, 전기적 특성을 저하시키는 단점이 있다.
본 발명에서는 상기 문제점을 해결하기 위하여 비반응성 희석제를 선택하되 종래의 불휘발성인이 아닌 휘발성-비반응성 희석제를 선택하였으며 이를 이용하여 에폭시의 점도를 조절하고 전기전도성 물질을 분산시켰다.
1. 실험재료
본 발명의 유연전기전도체(flexible electrical conductor)는 주제로서 에폭시 레진을 사용하였으며 상기 에폭시 레진을 경화시키기 위해 경화제를 사용하였다. 상기 에폭시 레진은 AKASEL Resin을 사용하였으며 상기 경화제는 AKASEL AKASEL-CURE(slow)를 사용하였다.
본 발명의 에폭시 레진에 분산되는 전기전도성 물질은 은 분말(silver powder)을 사용하였다. 상기 은 분말은 순도가 99.9%이며 평균 직경이 2㎛인 판상 플레이크(flake) 형상을 가진다.
본 발명의 희석제는 휘발성을 가지면서도 비반응성을 가지는 희석제(휘발성-비반응성 희석제)를 사용하였다. 상기 휘발성-비반응성 희석제는 톨루엔(toluene), 이소프로필알코올(isopropanol, IPA), 또는 아세톤(acetone)을 사용하였다.
2. 에폭시 레진 경화체의 굽힘 시험
먼저 본 발명의 유연전기전체의 주제인 에폭시 레진 경화체의 경화정도에 따른 연성 정도를 확인하였다. 전기전도성 물질을 첨가하지 않은 조건에서 에폭시 레진 주제와 경화제의 배합비를 다양하게 변경하여 에폭시 레진-경화제 혼합물을 제조하고 이를 경화시켜 에폭시 경화체를 제조한 후 굽힘 시험(bending test)을 수행하였다.
상기 에폭시 레진과 상기 경화제는 에폭시 레진:경화제=10:0.5 내지 10의 부피비가 되도록 혼합한 후 자력교반기를 이용하여 5분간 혼합하여 에폭시 레진-경화제 혼합물을 제조하였다. 상기 에폭시 레진-경화제 혼합물에 포함된 경화제의 부피비율은 0.5씩 증가시켜 다양한 종류의 에폭시 레진-경화제 혼합물을 제조하였다. 상기 에폭시 레진-경화제 혼합물을 판상에 펼친 후 상온에서 24시간동안 경화시켜 에폭시 경화체를 제조하였다. 상기 에폭시 경화체의 끝단을 잡고 최대 곡률(90°)이 되도록 구부려 경화체가 부러지는지 여부를 확인하는 방법으로 굽힘 시험(bending test)을 수행하였다.
도 1은 본 발명의 에폭시 경화체에 대한 굽힘 시험 결과를 보여준다. 시험 결과 에폭시:경화제=10:4.5이하인 에폭시 레진-경화제 혼합물을 경화시켜 제조한 에폭시 경화체의 경우 취성을 가져 부러지는 것이 확인되었으나 에폭시:경화제=10:5이상인 에폭시 레진-경화제 혼합물을 경화시켜 제조한 에폭시 경화체는 우수한 연성을 가져 부러지지 않고 형태를 유지하는 것이 확인되었다.
상기 결과를 바탕으로 본 발명의 에폭시 레진과 경화제의 배합비(부피비)는 우수한 연성을 가지면서도 에폭시의 함량이 가장 높은 에폭시 레진:경화제=10:5로 선정하였다.
3. 에폭시 레진 혼합물의 점도 및 휘발성 시험
본 발명에서는 에폭시 레진-경화제 혼합물에 휘발성-비반응성 희석제를 첨가하는 방법으로 점도를 조절하여 전기전도성 물질의 분산성을 향상시켰으며 직접주사방식(direct ink writing) 방식으로 적층제조에 사용이 가능하도록 제조하였다. 상기 휘발성-비반응성 희석제는 톨루엔(toluene), 이소프로필알코올(IPA), 또는 아세톤(acetone)을 사용하였다
에폭시 레진:경화제=10:5로 혼합하여 제조한 에폭시 레진-경화제 혼합물 15g에 상기 휘발성-비반응성 희석제 5g을 첨가한 후 자력교반기로 5분간 혼합하여 제1에폭시 레진 혼합물을 제조하였다. 상기 제조한 제1에폭시 레진 혼합물은 점도가 평균 20000cps 수준이었다. 상기 점도는 종래의 유연회로의 직접주사방식 제조에 사용되는 실버페이스트의 점도와 유사한 수준이다.
상기 제1에폭시 레진 혼합물에 대하여 휘발성을 측정하였다. 상기 휘발성은 제1에폭시 레진 혼합물의 시간에 따른 질량변화를 분석하는 방법으로 측정하였다. 도 2는 본 발명의 제1에폭시 혼합물의 질량을 3시간 동안 1시간 간격으로 측정한 결과를 보여준다. 실험결과에 따르면 휘발성-비반응성 희석제로서 톨루엔을 첨가한 경우, 3시간 후 제1에폭시 혼합물의 총 질량이 20g에서 19.28g으로 총 0.72g 감소하는 것이 확인되었으며; 휘발성-비반응성 희석제로서 IPA를 첨가한 경우, 3시간 후 제1에폭시 혼합물의 총 질량이 20g에서 18.73g 으로 총 1.27g 감소하는 것이 확인되었으며; 휘발성-비반응성 희석제로서 아세톤을 첨가한 경우, 3시간 후 제1에폭시 혼합물의 총 질량이 20g에서 18.6g으로 총 1.4g 감소하는 것이 확인되었다.
본 발명의 휘발성-비반응성 희석제 중 휘발성이 가장 우수한 용매는 아세톤, IPA, 톨루엔의 순인 것으로 확인되었으며, 상기 휘발성-비반응성 희석제이 포함된 제1에폭시 혼합물 중 경화(24시간 상온 조건)가 가장 빠르게 진행되는 것은 휘발성-비반응성 희석제로서 IPA가 사용된 제1에폭시 혼합물인 것으로 확인되었다. 따라서 본 발명에서는 가장 우수한 휘발성을 가진 아세톤과 유사한 휘발성을 가지면서도 가장 빠른 경화속도를 가진 IPA를 휘발성-비반응성 희석제로서 선택하였다.
4. 유연전기전도체의 제조
먼저 에폭시 레진 10g, 경화제 5g, 및 휘발성-비반응성 희석제 IPA 5g을 자력교반기를 사용하여 5분간 혼합하여 균질한 상태의 제1에폭시 혼합물을 제조하였다. 상기 제1에폭시 혼합물에 전기전도성물질인 은 플레이크 20g, 30g, 40g, 50g 또는 60g을 첨가하고 자력교반기와 소니케이터를 사용하여 10분간 혼합하여 제1에폭시 혼합물을 제조하였다.
상기 제1에폭시 혼합물을 주사기에 넣고 길이 200mm, 폭 2mm, 및 높이 0.26mm로 압출한 후 24시간동안 상온에서 경화시켜 유연전기전도체를 제조하였다.
표 1은 본 발명의 유연전기전도체의 제조조건을 보여준다.
| 에폭시 레진 | 경화제 | IPA | 은 플레이크 | |
| 실시예 1 | 10g | 5g | 5g | 20g |
| 실시예 2 | 10g | 5g | 5g | 30g |
| 실시예 3 | 10g | 5g | 5g | 40g |
| 실시예 4 | 10g | 5g | 5g | 50g |
| 실시예 5 | 10g | 5g | 5g | 60g |
도 3은 본 발명의 유연전기전도체를 보여준다. 실시예 1 및 2의 경우 압출하기에 점도가 너무 낮아서 압출물의 형태가 정상적으로 유지되지 않는 것으로 확인되었으며 실시예 5의 경우 은 플레이크의 양에 비해 에폭시의 양이 적어서 제작되지 않았다. 은플레이크 함량이 높아지면 에폭시 주제가 은플레이크를 함유할 수 있는 한계가 있기 때문에 혼합이 이루어지지 않는 경향이 있으며 이는 압출불가의 원인이 된다.
5. 유연전기전도체의 전기전도성
본 발명의 유연전기전도체의 전기전도성을 비교하기 위하여 비저항을 측정하였다. 상기 유연전기전도체는 압출물을 3일간 경화시킨 후 펼쳐진 상태 또는 구부린 상태의 시편 양 끝에 전극을 연결한 후 비저항을 측정하였다.
도 4는 본 발명의 유연전기전도체의 비저항측정을 측정하는 것을 보여준다. 패널 A)는 펼쳐진 상태의 유연전기전도체에 대한 비저항을 측정하는 것을 보여주며 패널 B)는 구부린 상태의 유연전기전도체에 대한 비저항을 측정하는 것을 보여준다.
유연전기전도체의 비저항은 하기 수학식1로 표현된다.
상기 ρ는 비저항[Ω·㎝]을 의미하며, 상기 R은 측정된 저항값을 의미하며, 상기 w는 폭(㎝)을 의미하며, 상기 h는 높이(㎝)를 의미하며, 상기 L은 길이(㎝)를 의미한다.
표 2는 본 발명의 유연전기전도체 시편에 대한 비저항을 측정한 결과를 보여준다. 상기 유연전기전도체 시편은 모두 펼쳐진 상태이다.
| 에폭시 레진 | 경화제 | IPA | 은 플레이크 | 비저항 (specific resistance) | |
| 실시예 1 | 10g | 5g | 5g | 20g | 측정불가 |
| 실시예 2 | 10g | 5g | 5g | 30g | 8.517Ω·㎝ |
| 실시예 3 | 10g | 5g | 5g | 40g | 1.51x10-2Ω·㎝ |
| 실시예 4 | 10g | 5g | 5g | 50g | 2.85x10-3Ω·㎝ |
| 실시예 5 | 10g | 5g | 5g | 60g | 측정불가 |
실험결과 본 발명의 유연전기전도체는 은 플레이크의 함량이 증가함에 따라 비저항이 감소하는 것이 확인되었다. 실시예 5의 경우 은 플레이크의 함량이 너무 많아 압출물이 형성되지 않았으며 실시예 1의 경우 실버 플레이크의 함량이 너무 적어 저항이 측정되지 않았다.
은 플레이크의 함량이 40g인 실시예 3의 유연전기전도체는 은 플레이크의 함량이 30g인 실시예 2의 유연전기전도체에 대비하여 비저항이 1.51x10-2Ω·㎝ 수준까지 급격히 낮아져 향상된 전기전도도를 보이는 것으로 확인되었으며, 은 플레이크의 함량이 50g인 실시예 4의 유연전기전도체는 비저항이 2.85x10-3Ω·㎝ 수준까지 더욱 낮아져 전기전도성이 급격히 향상된 것으로 확인된다. 상기 결과는 본 발명의 유연전기전도체에서 은 플레이크의 함량이 40g이상이 되면 에폭시 폴리머 내의 전기전도성 입자가 연속적으로 배열되어 전자가 통과할 수 있는 통로가 형성하게 되므로 비저항은 급격하게 감소하고 전기전도도는 급격히 향상된다는 것을 의미한다.
도 5는 본 발명의 유연전기전도체의 시간 경과에 따른 비저항의 변화를 보여준다. 실험결과 실시예 4의 유연전기전도체는 압출 후 시간이 증가함에 따라 비저항값이 감소하는 것으로 확인되는데 이는 에폭시의 경화정도가 증가함에 따라 에폭시의 수축정도가 증가하게 되고 이는 전기전도성 입자가 보다 밀접하게 접촉하기 때문으로 판단된다.
표 3은 압출 후 3일이 경과된 실시예 4의 유연전기전도체 시편을 펼친 상태 또는 최대 곡률로 구부린 상태로 비저항을 측정한 결과를 보여준다.
| 에폭시 레진 | 경화제 | IPA | 은 플레이크 | 비저항 (specific resistance) | ||
| 펼쳐진 상태 | 구부린 상태 | |||||
| 실시예 4 | 10g | 5g | 5g | 50g | 2.85x10-3Ω·㎝ | 2.99x10-3Ω·㎝ |
실험결과 실시예 4의 유연전기전도체는 시편의 중간 부위를 구부려 양끝 단이 서로 마주하도록 최대의 곡률(90°)로 구부리더라도 펼쳐진 상태의 비저항값(2.85x10-3Ω·㎝)과 유사한 수준(5% 미만)의 비저항값(2.99x10-3Ω·㎝)을 가지는 것으로 확인되었다. 상기 결과는 본 발명의 유연전기전도체가 우수한 유연성을 가질 뿐 아니라 전기전도성 물질(은 플레이크)이 에폭시 고분자에 균질하고 촘촘하게 분산되어 있어 최대 곡률로 구부린 상태에서도 전기전도도의 손실이 미미하다는 것을 의미한다.
6. 결론
본 발명은 에폭시 레진 및 경화제의 함량을 조절하여 우수한 유연성을 가진 최적의 에폭시 경화체가 제조되도록 하며; 최적의 휘발성-비반응성 희석제를 선택하고 이의 함량을 조절하는 방법으로 에폭시 혼합물의 점도를 최적화하므로 적층 제조시 직접주사방식이 적용 가능하면서도 경화과정에서 상기 희석제가 모두 휘발되어 사라지므로 잔류물로 인해 전기특성이 저하되지 않는 장점이 있다.
또한 본 발명은 전기전도성 물질인 은 플레이크가 에폭시 고분자에 최대 함량으로 균질하게 분산되어 있으므로 낮은 비저항을 가져 우수한 전기전도도 특성을 가질 뿐 아니라 최대 곡률로 구부려도 부러지지 않을 뿐 아니라 전기전도도의 변화가 미미한 수준으로 변화하는 장점이 있다.
구체적으로는 본 발명의 유연전기전도체는 2.85x10-3Ω·㎝의 낮은 비저항값을 가져 우수한 전기전도특성을 가지는 것으로 확인되었으며 최대의 곡률로 구부리더라도 펼쳐진 상태와 유사한 수준(편차 ±5% 미만)의 비저항값(2.99x10-3Ω·㎝)을 가져 우수한 전기전도특성을 유지하는 것으로 확인되었다.
따라서 본 발명의 유연전기전도체 제조방법을 이용하면 신축, 압축 및 구부림이 가능하여 복잡한 곡선 형태를 가진 유연회로(flexible printed circuit)를 제조 할 수 있으며 직접주사방식(direct ink writing)으로 적층형 유연회로(flexible printed circuit) 를 제조할 수 있으므로 종래의 적층형 유연회로에 사용되는 구리도선을 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.
Claims (7)
- 에폭시 레진, 경화제, 희석제 및 전기전도성 물질이 에폭시 레진 : 경화제 : 희석제 : 전기전도성 물질 = 1.8 내지 2.2 : 0.8 내지 1.2 : 0.8 내지 1.2 : 3.5 내지 5.5의 부피비로 포함된 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 희석제는 이소프로필알코올(isopropyl alcohol)인 것을 특징으로 하는 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전기전도성 물질은 은(sliver) 미세분말인 것을 특징으로 하는 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물.
- 제 1 항에 있어서 상기 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물은 점도가 18000 내지 22000cps인 것을 특징으로 하는 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물을 길이 200mm, 폭 2mm, 및 높이 0.26mm인 선형으로 압출한 후 상온에서 3일간 경화시켜 제조한 경화체는 비저항 값이 2.5x10-3 내지 3x10-3Ω·㎝인 것을 특징으로 하는 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물.
- 제 5 항에 있어서, 상기 경화체는 선형 경화체와 90°의 곡률로 구부린 곡선형 경화체의 비저항 값의 편차가 ±5% 미만인 것을 특징으로 하는 유연회로의 직접 주사 방식 제조용 도선 조성물.
- 청구항 1 항 내지 6 항 중 어느 한 항의 도선 조성물을 이용하여 직접 주사 방식(direct ink writing)으로 도선을 형성한 유연회로.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023239049A1 (ko) | 2023-12-14 |
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