WO2023136429A1 - 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름 및 그 제조방법 - Google Patents

전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름 및 그 제조방법 Download PDF

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composite film
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배병수
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Definitions

  • the present invention relates to a fiber-reinforced composite film having omnidirectional stretchability and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a fiber-reinforced composite film having omnidirectional stretchability by using a fiber-reinforced plastic as a material of a film in which an oxetic structure is formed. It relates to a fiber-reinforced composite film having omnidirectional elasticity imparted and a manufacturing method thereof.
  • the stretchable display can change its size as needed, so it can enhance the portability of portable electronic devices, and it is a technology that is attracting attention because it can be applied in various ways to the Internet of Technology and home appliances.
  • wearable devices must be deformed according to movement like the skin to be stably attached to a desired location, so the use of stretchable devices is essential.
  • Components of a stretchable device can be largely divided into a driving element, an electrode, and a substrate.
  • the driving element which is a key component of electronic devices, is vulnerable to deformation, so glass, silicon wafer, metal foil, and fiber that provide a flat surface while minimizing deformation It is manufactured on a rigid substrate such as Fiber Reinforced Plastic (FRP).
  • FRP Fiber Reinforced Plastic
  • the base substrate in order to realize stretchable displays and electronic devices, the base substrate must be flexible and stretchable, and driving elements and electrodes must also have flexibility and stretchability. Therefore, in general, a method of implementing a stretchable device using an elastomer having high elasticity as a substrate has been used.
  • drive elements and electrodes for stretchable displays formed on an elastomeric substrate show lower driving performance, higher resistance, and performance change when stretched than conventional elements and electrodes that are vulnerable to deformation. Therefore, in order to maximize the performance of a stretchable display, it is essential to provide a stretchable substrate capable of using high-performance devices and electrodes that are vulnerable to conventional deformation.
  • a substrate composed of a deformable part and a rigid part has been studied to make a stretchable device using high-performance elements and electrodes that are vulnerable to deformation. Due to Poisson's ratio, there is a problem in that the deformation of the aspect ratio becomes prominent during stretching.
  • a typical method for realizing a low or negative Poisson's ratio is to form an auxetic structure.
  • the occetic structure may contain empty spaces in its structure, its process as a substrate material may be limited.
  • a typical plastic material used as a substrate does not have sufficient tensile strength or has a low modulus of elasticity, there is a limit to lowering the Poisson's ratio by combining with a stretchable material even when an oxetic structure is formed.
  • interfacial separation may occur during stretching due to low bonding with the stretchable material.
  • An object of the present invention in order to solve the above-described problems, by using fiber-reinforced plastic as a material for a film in which an oxetic structure is formed, shape change due to Poisson's ratio is minimized during stretching and deformation in all directions is facilitated. It is to provide a fiber-reinforced composite film having omnidirectional elasticity and a manufacturing method thereof.
  • the oxetic structure 100 is formed integrally with the film on the film, and the oxetic structure 100 is regularly arranged on the film.
  • the space region 130 may be an empty space or may be filled with the elastic auxiliary member 20 .
  • the composition of the fiber 12 may be any one or more selected from the group consisting of glass, silica, quartz, carbon, and aramid.
  • the plastic is any one selected from the group consisting of synthetic resin, synthetic rubber, natural resin, and natural rubber, which is any one of thermoset, thermoplastic, photopolymerization, and room temperature vulcanization. may be ideal
  • the modulus of elasticity of the fiber-reinforced plastic material may be 500 times greater than that of the elastic auxiliary member 20 .
  • the elastic auxiliary member 20 is a group consisting of synthetic resin, synthetic rubber, natural resin, and natural rubber, which is any one of thermoset, thermoplastic, photopolymerization, and room temperature vulcanization. It may be any one or more selected from.
  • the fiber-reinforced composite film having stretchability in all directions according to an embodiment of the present invention may have a negative Poisson's ratio.
  • a method for manufacturing a fiber-reinforced composite film having omnidirectional stretchability includes preparing a fiber-reinforced plastic film; and forming the oxetic structure 100 by forming the spatial region 130 on the film.
  • the manufacturing method of the fiber-reinforced composite film having omnidirectional stretchability may further include filling the space area 130 with the elastic auxiliary member 20 .
  • the composition of the fiber 12 may be any one or more selected from the group consisting of glass, silica, quartz, carbon, and aramid.
  • Preparing a fiber-reinforced plastic film preparing a fiber-plastic base material mixture 14 by combining the fibers 12 and the plastic base material 13; Forming the fiber-plastic matrix mixture 14 into a film form; and preparing a fiber-reinforced composite film 15 by curing the mixture molded into a film form.
  • the fiber 12 may have one or more shapes selected from the group consisting of particles, yarns, single yarns, and fabrics.
  • Preparing a fiber-reinforced composite film 15 by curing the mixture molded into a film form is selected from the group consisting of thermal curing, photo-curing, and room temperature vulcanization This can be done in more than one way.
  • Forming the oxetic structure 100 by forming the space region 130 on the film is laser cutting, press punch, CNC (computer numerical control) processing, molding (moulding) , It may be performed by one or more methods selected from the group consisting of printing (printing) and photolithography (photolithography).
  • Filling the elastic auxiliary member 20 in the space region 130; screen printing, ink-jet printing, bar coating, spin coating, impregnation ( impregnation), hand layup, autoclave, and resin infusion may be performed by one or more methods selected from the group consisting of.
  • a stretchable device may include the above-described fiber-reinforced composite film or a fiber-reinforced composite film manufactured by the above-described manufacturing method.
  • the fiber-reinforced composite film according to an embodiment of the present invention may have omnidirectional elasticity, and shape distortion due to the Poisson effect during stretching may be controlled.
  • regions of the deformable portion and the rigid portion are divided to provide a substrate suitable for an electronic device vulnerable to deformation.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a fiber-reinforced composite film 1 having stretchability in all directions according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged plan view of a partial oxetic structure 100 of a fiber-reinforced composite film 1 having stretchability in all directions according to an embodiment of the present invention. it is depicted
  • FIG. 3 is a plan view illustrating various types of spatial zones 130 .
  • FIG. 4 is a plan view showing an example of an arrangement of spatial zones 130 in a non-orthogonal coordinate system exhibiting omnidirectional stretch characteristics.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a fiber-reinforced composite film 1 having omnidirectional stretchability according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a step of manufacturing a fiber-reinforced composite film 15 in a method for manufacturing a fiber-reinforced composite film 1 having stretchability in all directions according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an example of the present invention in which the fiber-reinforced composite film 15 is cut with a laser cutter 4 to form a space zone 130, and then the elastic auxiliary member ( 20) is a schematic diagram of the filling process.
  • FIG. 8 is a diagram of various methods that can be used when forming a space zone 130 in a fiber-reinforced composite film 15 in a method of manufacturing a fiber-reinforced composite film 1 having stretchability in all directions according to an embodiment of the present invention ( a) ink-jet printing (b) molding (moulding) (c) photo-etching method is shown.
  • FIG. 9 is a photograph showing a shape change of a fiber-reinforced composite film 1 having stretchability in all directions according to an embodiment during stretching.
  • FIG. 11 is a graph showing the Poisson's ratio that changes as the fiber-reinforced composite films prepared according to Examples 3 and 4 of the present invention are stretched.
  • Example 13 is a strain distribution measurement image showing the change in elongation in the film during stretching of the fiber-reinforced composite film prepared according to Example 3 of the present invention.
  • Figure 14 is a strain distribution measurement photograph showing the change in elongation within the film when the film produced according to Comparative Example 1 of the present invention is stretched.
  • first, second and third are used to describe, but are not limited to, various parts, components, regions, layers and/or sections. These terms are only used to distinguish one part, component, region, layer or section from another part, component, region, layer or section. Accordingly, a first part, component, region, layer or section described below may be referred to as a second part, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention.
  • Poisson's ratio is a numerical value representing the behavior according to the stretching of the material, and means the amount of length decrease in the direction perpendicular to the stretching compared to the length increase in the stretching direction when the material is stretched ( ⁇ ). Deformation in a direction perpendicular to the elongation direction not only significantly changes the shape of the material during stretching, but also increases the rigidity of the material when forces are applied in multiple directions of two or more axes, making it difficult to deform. In general, materials tend to resist volume change and thus have a positive Poisson's ratio.
  • the oxetic structure collectively refers to structures exhibiting a negative Poisson's ratio, and minimizes the deformation of the structural material during expansion and contraction through the expansion of the incision and exhibits a negative Poisson's ratio.
  • % means weight %, and 1 ppm is 0.0001 weight %.
  • each step in the manufacturing step may occur in a different order from the specified order unless a specific order is clearly described in context. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a fiber-reinforced composite film 1 having stretchability in all directions according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a fiber-reinforced composite film having stretchability in all directions according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a plan view showing an example of an arrangement of spatial zones 130 in a non-orthogonal coordinate system showing omnidirectional stretch characteristics.
  • FIGS. 1 to 4 a fiber-reinforced composite film 1 having stretchability in all directions according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4 .
  • the oxetic structure 100 is formed integrally with the film on the film, and the oxetic structure 100 is on the film.
  • Fiber-reinforced plastic is a composite material manufactured by reinforcing plastic with fibers 12 having high tensile strength and modulus of elasticity.
  • fiber-reinforced plastic As a material for the film, the island 120, and the connection part 110, they have both high moldability and compatibility of the plastic and mechanical stiffness and tensile strength of the fiber 12 as a reinforcing member.
  • the fiber-reinforced plastic has a high tensile strength capable of withstanding local stress, which is a characteristic required as a material for the oxetic structure 100, and a wide elastic range for restoring force during expansion and contraction, this is the oxetic structure 100
  • the oxetic structure 100 By using it as a material for the in-island 120 and the connection part 110, it has a Poisson's ratio lower than the original Poisson's ratio of the constituent materials due to the structure in which the island 120 rotates and expands in the forward direction when the film is stretched. Since the characteristics of the oxetic structure 100 can be expressed, a negative Poisson's ratio can be obtained.
  • connection part 110 is aligned with respect to at least two axes on a plane, but is not arranged in a straight line with the adjacent connection part 110 on a parallel axis. Therefore, when a tensile force is applied to the film, the connecting portion 110 tends to be arranged in the elongation direction, which applies shear stress to the island 120 and causes the island 120 to rotate. Accordingly, when the island 120 rotates, expansion occurs in a direction different from the direction in which the tensile force is applied, and a negative Poisson's ratio appears.
  • the connecting portion 110 and the island 120 are bonded to each other to be continuous, and may be made of the same material.
  • the fiber-reinforced plastic island 120 and the connection portion 110 may be defined as the fiber-reinforced portion 10 .
  • the fiber-reinforced portion 10 has a high tensile strength of the connection portion 110 that accommodates the tension applied to the film. Strength, high modulus of elasticity of the connecting portion 110 aligned in a direction perpendicular to the tension, and high stiffness of the island 120 capable of resisting the tension are required.
  • the connection part 110 When the fiber reinforcement part 10 is made of a material having low tensile strength, the connection part 110 may be damaged due to the tension applied to the connection part 110 during elongation, and thus the elasticity of the film may be impaired. In addition, when the fiber reinforced part 10 is made of a material having low stiffness, the island 120 has room to be deformed rather than rotated, and the connection part 110 aligned in a direction not parallel to the tension during rotation causes deformation. Stretchability in all directions may be greatly reduced. In the fiber-reinforced composite film 1 having omnidirectional stretchability according to an embodiment of the present invention, the fiber-reinforced portion 10 is composed of a plastic material reinforced with fibers and has high tensile strength and stiffness for the above reasons. direction elasticity.
  • the connection part 110 includes a first connection part 110A aligned in a first direction (x-axis direction) and a second connection part 110B aligned in a second direction (y-axis direction).
  • first connection parts 110A may be aligned along the imaginary first direction (x-axis direction) axes I and II, and adjacent connection parts 110 on parallel axes in the same island 120 are the same as each other. They may be both oriented and not aligned on the same axis.
  • tension is applied to the first connection portion 110A, and adjacent connection portions 110 contact the first island 120A at different axes I and II. There is a shear stress.
  • the first island 120A may rotate along the first virtual auxiliary axis 121A due to the shear stress generated, and at this time, the adjacent second island 120B rotates along the second virtual auxiliary axis 121B.
  • the direction of rotation may be different. Accordingly, rotation of the island 120 expands the spatial region 130 and expands the film in all directions. Also, due to the structure in which the area of the spatial region 130 is reduced and the island 120 rotates even when the film is shrunk, the entire film may exhibit omnidirectional shrinkage characteristics. Accordingly, the fiber-reinforced composite film 1 having omnidirectional stretchability according to an embodiment of the present invention may have a negative Poisson's ratio through the above-described omnidirectional stretching behavior.
  • the space zone 130 is formed as a single closed curve, has an effective area, may be arranged along an imaginary axis in two or more different directions, and the space zone 130 is spaced apart from each other by a predetermined distance, thereby forming the connection part 110. can do.
  • the space region 130 may be a geometric figure formed of a single closed curve, for example, a polygon, a circle, an ellipse, or a mixture and transformation thereof.
  • the shape of the connection part 110 and the island 120 is determined by forming the space zone 130, and the shape of the space zone 130 is such that when the space zone 130 is stretched, the connection part 110 receives tension in the extension direction to form the island 120.
  • a structure capable of rotating it is not necessarily limited to these examples as long as the film can exhibit omnidirectional stretchability.
  • the space zone 130 may be arranged along each axis even in a non-orthogonal coordinate system in which a first axis (x axis) and a second axis (y axis) form an angle of 60 degrees, and up and down along each axis. It can be arranged in an inverted form. This arrangement may form the connecting portion 110 and the island 120 as described above, and each island 120 may rotate around the virtual auxiliary axis 121 when stretched and expand the film. . In addition to the examples shown in FIGS.
  • zones having two or more different shapes when the pattern of the connection part 110 and the island 120 due to the arrangement of the zones can fill the plane, zones having two or more different shapes can be mixed, , may be a pattern in which the space zones 130 are aligned along two or more axes in different directions.
  • the space zone 130 may be a pattern arranged along a spherical coordinate system or a curved coordinate system, and may be arranged in three dimensions.
  • the space region 130 may be an empty space or may be filled with the elastic auxiliary member 20 .
  • the fiber-reinforced composite film having omnidirectional elasticity according to an embodiment of the present invention has an oxextic structure 100, so that the tension applied to the connection part 110 and the connection part 110 ), and can have a negative Poisson's ratio.
  • a continuous flat surface may be provided to the film, thereby providing structural characteristics suitable as a substrate for a stretchable device. If the film is not provided with such a continuous and flat surface, there are disadvantages in that it is difficult to use some processes such as microprocessing and solution processing as a substrate, which may limit device performance and reliability. As stretching and contraction are repeated, fatigue accumulates and contracts Reliability problems such as loss of restoring force or fatigue failure may occur. Therefore, in order to use the film as a substrate for fabricating high-performance devices and a reliable stretchable substrate, inserting the stretchable auxiliary member 20 is more preferable. In addition, as will be described later, the Poisson's ratio can be controlled by adjusting the difference in modulus of elasticity between the fiber-reinforced plastic material and the elastic auxiliary member 20 .
  • the composition of the fiber 12 may be any one or more selected from the group consisting of glass, silica, carbon, quartz, and aramid. Specifically, it may be glass or aramid.
  • the plastic reinforced with the fibers of the composition has high tensile strength and mechanical rigidity, so that the film is less deformed during stretching and can impart structural stability to the film.
  • the plastic is any one selected from the group consisting of synthetic resin, synthetic rubber, natural resin, and natural rubber, which is any one of thermoset, thermoplastic, photopolymerization, and room temperature vulcanization. may be ideal
  • the plastic may be, specifically, synthetic rubber, and more specifically, PDMS (polydimethylsiloxane) or Ecoflex. Since these plastics have high toughness and a wide elastic recovery area, the fiber-reinforced composite film including them can be used as a reliable stretchable substrate that can be easily recovered from physical stress factors such as repeated bending and stretching.
  • the modulus of elasticity of the fiber-reinforced plastic material may be 500 times greater than that of the elastic auxiliary member 20 .
  • the rotation of the island 120 causes the space region 130 to expand when the film is stretched, and at this time, the elastic auxiliary member 20 is stretched.
  • the elastic restoring force to be contracted acts in the direction of resisting the elongation of the film.
  • the rotational force of the island 120 increases the elasticity of the elastic auxiliary member 20. It is dominant over the restoring force and can represent a negative Poisson's ratio. For example, referring to FIG.
  • the Poisson's ratio may gradually increase as the difference in modulus of elasticity between the fiber reinforcement part 10 and the elastic auxiliary member 20 decreases. If the difference between the modulus of elasticity of the fiber-reinforced part 10 and the modulus of elasticity of the elastic auxiliary member 20 is too small, the film will exhibit a Poisson's ratio having a positive value but smaller than the original elastic modulus of the elastic auxiliary member 20.
  • the elastic auxiliary member 20 is a group consisting of synthetic resin, synthetic rubber, natural resin, and natural rubber, which is any one of thermoset, thermoplastic, photopolymerization, and room temperature vulcanization. It may be any one or more selected from.
  • Synthetic rubber includes butadiene- rubber, chloroprene- rubber, butyl rubber, ethylene- rubber, isoprene- rubber, urethane- rubber and silicone-based ( It may be at least one selected from the group consisting of silicone-) rubber, and the silicone-based rubber may be PDMS (polydimethylsiloxane) or Ecoflex. Natural rubber may be latex.
  • the synthetic resin may be at least one selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, polycarbonate, vinyl (polyvinylchloride), and ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene).
  • the elastic auxiliary member 20 may be, specifically, synthetic rubber, more specifically, silicone-based rubber, and more specifically, Ecoflex.
  • the stretchable material may be a gel or hydrogel.
  • the elastic auxiliary member 20 may be, specifically, synthetic rubber, and more specifically, PDMS or Ecoflex.
  • the film can be smoothly restored when the tensile force applied to the fiber-reinforced composite film including the same is removed, and has a low modulus of elasticity, so that the fiber-reinforced composite film When the film is stretched, the elastic restoring force that is induced in a direction perpendicular to the stretching direction and hinders the stretching can be minimized.
  • FIG. 5 is a flow chart showing a method for manufacturing a fiber-reinforced composite film 1 having omnidirectional stretchability according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a fiber-reinforced composite film 1 having stretchability in omnidirectional directions according to an embodiment of the present invention. It shows a schematic view of the step of manufacturing the fiber-reinforced composite film 15 in the manufacturing method of the film 1, and
  • FIG. 7 is a laser cutting machine 4 in one embodiment of the present invention. After forming the space zone 130 by cutting, it shows a schematic diagram of a process of filling the space zone 130 with the elastic auxiliary member 20 in a roll lamination method, and FIG.
  • a method for manufacturing a fiber-reinforced composite film 1 having omnidirectional stretchability includes preparing a fiber-reinforced plastic film; forming an occetic structure (100) by forming a void region (130) on the film; and filling the space area 130 with the elastic auxiliary member 20 .
  • the composition of the fiber 12 may be any one or more selected from the group consisting of glass, silica, quartz, carbon, and aramid.
  • Manufacturing a fiber-reinforced plastic film hand layup, vacuum bag molding, infusion, vacuum infusion, ink-jet printing , resin transfer molding (resin transfer molding) and can be carried out by one or more methods selected from the group consisting of screen printing (screen printing), if it does not deviate from the manufacturing method of conventional fiber reinforced plastics (FRP) , but not limited thereto.
  • preparing a fiber-reinforced plastic film may be performed by a vacuum bag molding method.
  • Preparing a plastic film reinforced with fibers preparing a fiber-plastic base material mixture 14 by combining fibers and a plastic base material 13; Forming the fiber-plastic matrix mixture 14 into a film form; and preparing a fiber-reinforced composite film 15 by curing the mixture molded into a film form.
  • the fiber 12 may have one or more shapes selected from the group consisting of particles, yarns, single yarns, and fabrics. Specifically, cloth, nonwoven fabric, mesh, beads, powder, flake, uni-directional fiber, fiber mat, It may be one or more types selected from the group consisting of chopped fiber and milled fiber, but is not limited thereto.
  • the support plate may be flat or curved depending on the purpose, may be smooth or rough, may have a surface shape including a structure, and may be released or bonded to a film to be manufactured.
  • Molding the fiber-plastic base material mixture 14 into a film form includes placing the fiber-plastic base material mixture 14 between support plates and then compressing the fiber-plastic base material mixture 14 with a compressor 3 to form a surface suitable for the purpose. can do.
  • Forming a surface suitable for the purpose by placing the fiber-plastic base material mixture 14 between the support plates and then compressing it with the compressor 3; may be performed in a vacuum state, high temperature and high pressure conditions.
  • Separating the manufactured fiber-reinforced composite film 15 from the support plate may be performed by a physical or chemical method, and specifically, may be performed by a simple desorption, heat desorption, or laser lift off method. However, it is not limited thereto.
  • Preparing a fiber-reinforced composite film 15 by curing the mixture molded into a film form is selected from the group consisting of thermal curing, photo-curing, and room temperature vulcanization It may be performed in one or more ways, but is not limited thereto.
  • preparing the fiber-reinforced composite film 15 by curing the mixture molded into a film form may include a temporary curing step of not completely curing.
  • Forming the oxetic structure 100 by forming the space region 130 on the film is laser cutting, press punch, CNC (computer numerical control) processing, molding (moulding) , It may be performed by one or more methods selected from the group consisting of printing (printing) and photolithography (photolithography), but is not limited thereto.
  • Filling the elastic auxiliary member 20 in the space region 130; screen printing, ink-jet printing, bar coating, spin coating, impregnation ( Impregnation), hand layup (hand layup), autoclave (autoclave) and resin infusion (resin infusion) may be performed by one or more methods selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
  • a stretchable device may include the above-described fiber-reinforced composite film or a fiber-reinforced composite film manufactured by the above-described manufacturing method.
  • the above-described fiber-reinforced composite film or the fiber-reinforced composite film manufactured by the above-described manufacturing method has elasticity in all directions, and the deformation applied to the island 120 during expansion and contraction is minimized due to the high stiffness of the fiber-reinforced plastic, so the island 120 ), it is possible to form an electronic element sensitive to strain. Therefore, the stretchable device of the present invention has an excellent effect of preventing performance change of electronic devices such as sensors, optoelectronic devices, thin film transistors, and displays.
  • E-glass fabric (glass fabric, Nittobo, Japan) with a thickness of 25 ⁇ m were impregnated with a pre-curing solution of PDMS (Sylgard184 TM , Dow Corning, USA), and then placed between release-treated glass support plates and vacuumed. Air bubbles were removed by pressing. Thereafter, the glass fiber-PDMS mixture was thermally cured at 120° C. for 30 minutes to obtain a fiber-reinforced composite film (elastic modulus: 6 GPa). The cured fiber-reinforced composite film was detached from the support plate and then cut with a laser cutter 4 to form a space region 130 to prepare a film.
  • PDMS Polylgard184 TM TM , Dow Corning, USA
  • the space zone 130 has a rectangular shape of 3.2 mm in the length direction and 0.4 mm in the width direction, and is designed to be rotated at an angle of 90 degrees and separated from each other by 0.4 mm along the x-axis and y-axis.
  • a sheet of aramid fabric (Kolon, Korea) with a thickness of 300 ⁇ m is impregnated with an ecoflex (Ecoflex TM , Smooth-on, USA) solution before curing, then placed between release-treated glass support plates and hot pressed. It was cured at 120° C. and 50 bar for 2 hours to obtain a fiber-reinforced composite film (elastic modulus: 6.7 GPa).
  • the cured fiber-reinforced composite film was detached from the support plate and then cut with a laser cutter 4 to form a space zone 130 to prepare a written note.
  • the space zone 130 has a rectangular shape of 8 mm in the length direction and 1 mm in the width direction, and is designed to be rotated at an angle of 90 degrees and separated by 1 mm from each other along the x-axis and y-axis.
  • E-glass fabric (glass fabric, Nittobo, Japan) with a thickness of 25 ⁇ m were impregnated with a pre-curing solution of PDMS (Sylgard184 TM , Dow Corning, USA), and then placed between release-treated glass support plates and vacuumed. Air bubbles were removed by pressing. Thereafter, the glass fiber-PDMS mixture was thermally cured at 120° C. for 30 minutes to obtain a fiber-reinforced composite film (elastic modulus: 6 GPa). The cured fiber-reinforced composite film was detached from the support plate and then cut with a laser cutter 4 to form a space zone 130.
  • PDMS Polylgard184 TM TM , Dow Corning, USA
  • the space zone 130 has a rectangular shape of 3.2 mm in the length direction and 0.4 mm in the width direction, and is designed to be rotated at an angle of 90 degrees and separated from each other by 0.4 mm along the x-axis and y-axis.
  • Ecoflex Ecoflex TM , Smooth-on, USA
  • a release-treated glass support plate is covered and cured at room temperature for 24 hours to obtain a film (elastic modulus of the Ecoflex part: 30 kPa). ) was prepared
  • a sheet of aramid fabric (Kolon, Korea) with a thickness of 300 ⁇ m is impregnated with an ecoflex (Ecoflex TM , Smooth-on, USA) solution before curing, then placed between release-treated glass support plates and hot pressed. It was cured at 120° C. and 50 bar for 2 hours to obtain a fiber-reinforced composite film (elastic modulus: 6.7 GPa). The cured fiber-reinforced composite film was detached from the support plate and then cut with a laser cutter 4 to form a space zone 130.
  • Ecoflex TM ecoflex TM , Smooth-on, USA
  • the space zone 130 has a rectangular shape of 8 mm in the length direction and 1 mm in the width direction, and is designed to be rotated at an angle of 90 degrees and separated by 1 mm from each other along the x-axis and y-axis.
  • Ecoflex Ecoflex TM , Smooth-on Company, USA
  • a release film was removed to prepare a film (elastic modulus of the Ecoflex part: 30 kPa).
  • a film (elastic modulus: 1 MPa) was fabricated by a thermal curing method using PDMS (Sylgard184 TM , Dow Corning, USA) having a thickness of 200 ⁇ m, and cut with a laser cutter 4 to form a spatial region 130.
  • the space zone 130 has a rectangular shape of 3.2 mm in the length direction and 0.4 mm in the width direction, and is designed to be rotated at an angle of 90 degrees and separated from each other by 0.4 mm along the x-axis and y-axis.
  • a space zone 130 was formed by cutting with a laser cutter 4 on one sheet of CPI film (Kolon, Korea) having a thickness of 80 ⁇ m (elastic modulus: 7 GPa).
  • the space zone 130 has a rectangular shape of 3.2 mm in the length direction and 0.4 mm in the width direction, and is designed to be rotated at an angle of 90 degrees and separated from each other by 0.4 mm along the x-axis and y-axis.
  • ecoflex Ecoflex TM , Smooth-on, USA
  • a release-treated glass support plate is covered and cured at room temperature for 24 hours to obtain a film (elastic modulus of the Ecoflex part: 30 kPa). ) was prepared.
  • the film of Example 3 was stretched by applying tension (P x ) in the first axial direction (x-axis direction), and the change in structure was observed.
  • P x tension
  • FIG. 9 it can be seen that the film of Example 3 exhibits omnidirectional stretch characteristics and there is no significant change in the structure of the island 120 where the electronic device is manufactured, so it is vulnerable to conventional deformation on the film, but has high performance. It can be seen that even if a phosphorus electronic device is manufactured, deterioration in performance and reliability of the electronic device can be solved.
  • the Poisson's ratio was calculated from the strains in the horizontal and vertical axes obtained through digital image correlation (Aramis Professional program, Gom, Germany) from high-resolution images measured with a digital camera (800D, Canon, Japan).
  • the standard mark of the strain rate was marked with a commercially available marker pen at both ends of the horizontal axis and the vertical axis across the center of the specimen, and a universal testing machine (AGS-X, Shimadzu, Japan ) was used to elongate the specimen.
  • it shows a Poisson's ratio close to -1, which is an ideal Poisson's ratio value it was confirmed that it has excellent forward elasticity.
  • the elongation rate is negative because all of the elongation areas show a negative Poisson's ratio.
  • Comparative Example 1 shows a value close to 0.5 as a Poisson's ratio regardless of the elongation rate as a single film, so it can be confirmed that the stretchability in all directions is poor.
  • Example 3 and Comparative Example 1 were stretched by applying tension (P x ) in the first axial direction (x-axis direction), and the change in elongation in the film was measured using a digital image correlation method in the same manner as in Experimental Example 2
  • the results are shown in FIGS. 13 and 14, respectively.
  • FIG. 13 in the case of Example 3, almost no deformation was applied to the island 120, and it was confirmed that the film was uniformly expanded even after stretching, indicating that it had excellent omnidirectional elasticity.
  • FIG. 14 in the case of Comparative Example 1, it can be seen that the central portion of the film is contracted and distorted concavely due to the high Poisson's ratio. found to be unsuitable for use.

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Abstract

본 발명에서는 필름 상에 필름과 일체형으로 옥세틱 구조(100)가 형성되고, 옥세틱 구조(100)는, 필름 상에 규칙적으로 배열된 복수 개의 단일 폐곡선 형태의 공간 구역(130); 공간 구역(130)에 의해 둘러쌓여 형성되는 아일랜드(120); 및 공간 구역(130)에 의해 일정한 간격으로 형성되어 인접한 아일랜드(120)를 연결해 주는 연결부(110);를 포함하고, 필름, 아일랜드(120) 및 연결부(110)는 섬유로 강화된 플라스틱 소재이고, 공간 구역(130)에는 신축성 보조 부재(20)가 채워진, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름 및 그 제조 방법을 제공한다.

Description

전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름 및 그 제조방법
본 발명은 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 옥세틱 구조가 형성되는 필름의 재료로 섬유 강화 플라스틱을 사용함으로써 섬유 강화 복합체 필름에 전 방향 신축성을 부여하는 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 휴대용 기기 및 웨어러블(wearable) 기기의 시장 수요와 기술 발전으로 인해 폴더블(foldable), 롤러블(rollable), 스트레처블(stretchable) 등 유연한(flexible) 폼팩터(form factor)를 가지는 디스플레이 및 전자장치가 요구되고 있다. 특히 스트레처블 디스플레이는 필요에 따라 크기가 변화할 수 있어 휴대용 전자기기의 휴대성을 증진시킬 수 있으며, 그 밖에 사물인터넷(Internet of Technology), 가전 등에 다양하게 적용이 가능하여 주목받고 있는 기술이다. 또한 웨어러블 기기는 피부와 같이 움직임에 따라 변형이 일어나야 원하는 위치에 안정적으로 부착이 되므로 스트레처블 기기의 사용이 필수적이다. 스트레처블 기기의 구성 요소는 크게 구동 소자, 전극 및 기판으로 나눌 수 있다. 종래의 디스플레이(Display) 및 전자기기 산업에서 전자기기의 핵심 부품인 구동 소자는 변형에 취약하므로 변형을 최소화시키면서도 편평한 표면을 제공하는 유리, 실리콘 웨이퍼 (Silicon wafer), 금속 포일 (Metal foil), 섬유 강화 플라스틱 (Fiber Reinforced Plastic, FRP) 등의 단단한 기판 위에 제작되었다.
그러나, 스트레처블 디스플레이 및 전자기기를 실현하기 위해서는 기반이 되는 기판이 유연하고 신축성 있어야 하며, 구동 소자와 전극 또한 유연성과 신축성을 가져야 한다. 따라서 일반적으로 신축성이 높은 탄성중합체 등을 기판으로 사용하여 스트레처블 기기를 구현하는 방식이 사용되었다. 하지만 탄성중합체 기판에 형성되는 신축성의 디스플레이용 구동 소자와 전극은 종래의 변형에 취약한 소자와 전극에 비해 낮은 구동 성능, 높은 저항, 신축 시 성능 변화 등을 보인다. 따라서 스트레처블 디스플레이의 성능을 최대화하기 위해서는 종래의 변형에 취약하지만 고성능인 소자와 전극을 사용할 수 있는 신축성 기판을 제공하는 것이 필수적이다. 변형에 취약한 고성능의 소자와 전극을 이용해 신축성 기기를 만들기 위해 변형부와 강성부로 구성된 기판이 연구되었으나, 이와 같은 구조는 변형부와 강성부의 재료 및 물성 차이에 따른 접합성 문제가 있고, 변형 부위의 높은 푸아송 비 (Poisson's ratio)로 인해 신축 시 종횡비의 변형이 도드라지는 문제점이 있다.
이에, 전방향 신축성을 나타내기 위해서는 재료의 신축 시 다른 방향으로의 변형을 최소화해야 하며, 따라서 낮은 또는 음값의 푸아송 비를 나타내는 재료가 요구된다. 낮은 또는 음값의 푸아송 비를 구현하기 위한 대표적인 방법으로는 옥세틱(auxetic) 구조를 형성하는 것이다. 그러나, 옥세틱 구조체는 구조상 빈 공간을 포함할 수 있기 때문에 기판 재료로서 그 공정이 제한될 수 있다. 또한, 기판으로 사용되는 통상의 플라스틱 재료는 충분한 인장 강도를 갖지 못하거나, 낮은 탄성 계수를 가지기 때문에 옥세틱 구조체를 형성하여도 신축성 재료와 복합화하여 푸아송 비를 낮추는 데 한계가 있다. 또한 신축성 재료와의 접합성이 낮아 신축 시 계면 분리가 일어날 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결하기 위해, 옥세틱 구조가 형성되는 필름의 재료로 섬유 강화 플라스틱을 사용함으로써, 신축 시 푸아송 비에 의한 형태 변화를 최소화하고 전 방향으로의 변형을 용이하게 하는 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름은 필름 상에 필름과 일체형으로 옥세틱 구조(100)가 형성되고, 옥세틱 구조(100)는, 필름 상에 규칙적으로 배열된 복수 개의 단일 폐곡선 형태의 공간 구역(130); 공간 구역(130)에 의해 둘러싸여 형성되는 아일랜드(120); 및 공간 구역(130)에 의해 일정한 간격으로 형성되어 인접한 아일랜드(120)를 연결해 주는 연결부(110);를 포함하고, 필름, 아일랜드(120) 및 연결부(110)는 섬유로 강화된 플라스틱 소재이고, 공간 구역(130)은 빈 공간이거나 신축성 보조 부재(20)가 채워질 수 있다.
섬유(12)의 조성물은 유리, 실리카(silica), 석영(quartz), 탄소 및 아라미드(aramid)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
플라스틱은 열 경화성(Thermoset), 열 가소성(Thermoplastic), 광 경화성(Photo Polymerization), 상온 경화성(Room Temperature Vulcanization) 중 어느 하나인 합성수지, 합성 고무, 천연수지 및 천연고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
섬유로 강화된 플라스틱 소재의 탄성계수는 상기 신축성 보조 부재(20)의 탄성계수의 500배 이상일 수 있다.
신축성 보조 부재(20)는 열 경화성(Thermoset), 열 가소성(Thermoplastic), 광 경화성(Photo Polymerization), 상온 경화성(Room Temperature Vulcanization) 중 어느 하나인 합성수지, 합성 고무, 천연수지 및 천연고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름은 음값의 푸아송 비를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름의 제조 방법은 섬유로 강화된 플라스틱 필름을 제조하는 단계; 및 필름 상에 공간 구역(130)을 형성함으로써 옥세틱 구조(100)를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름의 제조 방법은 공간 구역(130)에 신축성 보조 부재(20)를 채우는 단계;를 더 포함할 수 있다.
섬유(12)의 조성물은 유리, 실리카(silica), 석영(quartz), 탄소 및 아라미드(aramid)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
섬유로 강화된 플라스틱 필름을 제조하는 단계;는, 섬유(12) 및 플라스틱 모재(13)를 복합화하여 섬유-플라스틱 모재 혼합물(14)을 제조하는 단계; 섬유-플라스틱 모재 혼합물(14)을 필름 형태로 성형하는 단계; 및 필름 형태로 성형된 혼합물을 경화하여 섬유 강화 복합체 필름(15)을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
섬유(12)는 입자, 원사, 단사 및 직물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 형태일 수 있다.
필름 형태로 성형된 혼합물을 경화하여 섬유 강화 복합체 필름(15)을 제조하는 단계;는, 열 경화(thermal curing), 광 경화(photo-curing) 및 상온 경화(room temperature vulcanization)로 이루어지는 군에서 선택되는 한 가지 이상의 방법으로 수행될 수 있다.
필름 상에 공간 구역(130)을 형성함으로써 옥세틱 구조(100)를 형성하는 단계;는, 레이저 커팅(laser cutting), 타발 천공(press punch), CNC(computer numerical control) 가공, 몰딩 (moulding), 프린팅(printing) 및 광식각 (photolithography)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 가지 이상의 방법으로 수행될 수 있다.
공간 구역(130)에 신축성 보조 부재(20)를 채우는 단계;는, 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 바 코팅(bar coating), 스핀 코팅(spin coating), 함침(impregnation), 핸드 레이업(hand layup), 오토클레이브(autoclave) 및 레진 인퓨전(resin infusion)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 가지 이상의 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스트레처블 기기는 상술한 섬유 강화 복합체 필름 또는 상술한 제조방법으로 제조된 섬유 강화 복합체 필름을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 강화 복합 필름은 전 방향 신축성을 가질 수 있으며, 신축 시 푸아송 효과에 의한 형태 왜곡을 제어할 수 있다. 또한, 변형부와 강성부의 영역이 구분되어 변형에 취약한 전자 소자에 적합한 기판을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)의 모식적인 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)의 일부 옥세틱 구조(100)를 확대하여 도시한 평면도로서 필름의 신장 시 패턴의 단위 구조체에서 일어나는 거동을 도시한 것이다.
도 3은 공간 구역(130)의 다양한 형태의 예시를 도시한 평면도이다.
도 4는 전방향 신축 특성을 나타내는 비직교 좌표계에서의 공간 구역(130)의 배열의 예시을 도시한 평면도이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)의 제조 방법 중 섬유 강화 복합체 필름(15)을 제조하는 단계의 모식도를 도시한 것이이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 레이저 재단기(4)로 섬유 강화 복합체 필름(15)을 재단하여 공간 구역(130)을 형성한 뒤, 롤 라미네이션 방식으로 공간 구역(130)에 신축성 보조 부재(20)를 채우는 과정의 모식도를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)의 제조 방법에서 섬유 강화 복합체 필름(15)에 공간 구역(130)을 형성할 때 사용 가능한 여러가지 방법 중 (a)잉크젯 프린팅(ink-jet printing) (b)몰딩(moulding) (c)광식각 방법을 도시한 것이다.
도 9는 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)의 신축 시 필름의 모양 변화를 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제작한 섬유 강화 복합체 필름을 신장시킴에 따라 변화하는 푸아송 비를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예 3 및 실시예 4에 따라 제작한 섬유 강화 복합체 필름을 신장시킴에 따라 변화하는 푸아송 비를 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 3에 따라 제작한 필름을 신장시킴에 따라 변화하는 푸아송 비를 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예 3에 따라 제작한 섬유 강화 복합체 필름의 신장 시 필름 내 연신율 변화를 나타낸 변형율 분포 측정 이미지이다.
도 14는 본 발명의 비교예 1에 따라 제작한 필름의 신장 시 필름 내 연신율 변화를 나타낸 변형율 분포 측정 사진이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
푸아송 비 (Poisson's ratio)는 재료의 신축에 따른 거동을 나타내는 수치로, 재료의 신장(伸張) 시 신장 방향으로의 길이 증가량 대비 신장에 수직한 방향으로의 길이 감소량을 의미한다. 상기 신장 방향에 수직한 방향으로의 변형은 신축 시 재료의 형상을 크게 변화시킬 뿐만 아니라, 2축 이상의 여러 방향으로 힘이 가해질 때 재료의 강성(rigidity)을 증가시켜 변형을 어렵게 만든다. 일반적으로 재료는 부피 변화에 저항하려는 특성이 있어 양값의 푸아송 비를 갖는다.
옥세틱 구조는 음값의 푸아송 비를 나타내는 구조를 통칭하는 것으로서, 절개부의 확장을 통해 신축 시에 구조 재료의 변형을 최소화하며 음값의 푸아송 비를 나타낸다.
특별히 언급하지 않는 한 %는 중량%를 의미하며, 1ppm 은 0.0001중량%이다.
본 발명의 일 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현될 수 있으며, 절대적인 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 어느 하나의 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현되고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.
또한, 제조 단계에서 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
섬유 강화 복합체 필름
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)의 모식적인 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)의 일부 옥세틱 구조(100)를 확대하여 도시한 평면도로서 필름의 신장 시 패턴의 단위 구조체에서 일어나는 거동을 도시한 것이고, 도 3은 공간 구역(130)의 다양한 형태의 예시를 도시한 평면도이고, 도 4는 전방향 신축 특성을 나타내는 비직교 좌표계에서의 공간 구역(130)의 배열의 예시을 도시한 평면도이다. 이하, 도 1 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)에 대해서 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)은, 필름 상에 필름과 일체형으로 옥세틱 구조(100)가 형성되고, 옥세틱 구조(100)는, 필름 상에 규칙적으로 배열된 복수 개의 단일 폐곡선 형태의 공간 구역(130); 공간 구역(130)에 의해 둘러쌓여 형성되는 아일랜드(120); 및 공간 구역(130)에 의해 일정한 간격으로 형성되어 인접한 아일랜드(120)를 연결해 주는 연결부(110);를 포함하고, 상기 필름, 아일랜드(120) 및 연결부(110)는 섬유로 강화된 플라스틱 소재일 수 있다.
섬유 강화 플라스틱(FRP)은 플라스틱을 높은 인장강도와 탄성계수를 갖는 섬유(12)로 강화하여 제작되는 복합체 소재이다. 필름, 아일랜드(120) 및 연결부(110)는 소재로 섬유 강화 플라스틱을 사용함으로써, 플라스틱의 높은 성형성과 호환성, 그리고 강화 부재인 섬유(12)의 기계적 강성과 인장 강도를 모두 가지게 된다. 또한, 섬유 강화 플라스틱은 옥세틱 구조(100)의 재료로서 요구되는 특성인 국소 부위 응력을 견딜 수 있는 높은 인장 강도 및 신축 시 복원력을 위한 넓은 탄성 구간 등을 지니고 있으므로, 이를 옥세틱 구조(100)인 아일랜드(120) 및 연결부(110)의 소재로 사용함으로써, 필름의 신장 시 아일랜드(120)가 회전하며 전방향으로 팽창하는 구조로 인해 구성 재료의 본래 푸아송 비보다 낮은 푸아송 비를 갖게 되는 옥세틱 구조(100)의 특성을 발현시킬 수 있게 되어 음값의 푸아송 비를 얻을 수 있게 된다.
구체적으로 옥세틱 구조(100)의 구동 원리를 설명하면, 연결부(110)는 최소한 평면상의 두 축 이상에 대해 정렬되어 있으나, 평행한 축 상의 인접한 연결부(110)와 일직선상으로 배열되지 않는다. 따라서 필름에 인장력이 가해지는 경우, 연결부(110)는 신장 방향으로 배열하고자 하고, 이는 아일랜드(120)에 전단응력을 가하여 아일랜드(120)가 회전하도록 한다. 이에 따라, 아일랜드(120)가 회전함으로써 인장력이 가해지는 방향과 다른 방향으로 팽창이 일어나고, 음값의 푸아송 비가 나타나게 된다.
옥세틱 구조(100) 중 연결부(110)와 아일랜드(120)는 서로 접합하여 연속되며, 동일한 물질로 구성될 수 있다. 또한, 섬유로 강화된 플라스틱 소재의 아일랜드(120) 및 연결부(110)는 섬유 강화부(10)로 정의될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)이 전방향 신축성을 나타내기 위해서는 섬유 강화부(10)가 필름에 가해지는 장력을 수용하는 연결부(110)의 높은 인장 강도, 장력에 수직한 방향으로 정렬된 연결부(110)의 높은 탄성률 및 장력에 저항할 수 있는 아일랜드(120)의 높은 강성이 요구된다. 섬유 강화부(10)가 낮은 인장 강도를 가지는 물질인 경우, 신장 시 상기 연결부(110)에 가해지는 장력으로 인해 연결부(110)가 파손될 수 있으며, 그에 따라 필름의 신축성이 저해될 수 있다. 또한, 섬유 강화부(10)가 낮은 강성을 가지는 물질인 경우, 아일랜드(120)가 회전하기보다 변형될 여지가 있으며, 회전 시 장력에 평행하지 않은 방향으로 정렬된 연결부(110)가 변형을 일으켜 전방향 신축성이 크게 저하될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)은 섬유 강화부(10)가 섬유로 강화된 플라스틱 소재로 구성되어 상술한 이유로 높은 인장 강도와 강성을 가지므로, 전방향 신축성이 나타나게 된다.
예를 들어, 도 2를 참고하면, 연결부(110)는 제1 방향(x축 방향)으로 정렬된 제1 연결부(110A)와 제2 방향(y축 방향)으로 정렬된 제2 연결부(110B)로 구성될 수 있다. 또한, 제1 연결부(110A)는 가상의 제1 방향(x축 방향) 축들(I, II)을 따라 정렬될 수 있으며, 같은 아일랜드(120)에서 평행한 축 상의 인접한 연결부(110)는 서로 같은 방향인 동시에 같은 축으로 정렬되지 않을 수 있다. 필름이 제1 방향(x축 방향)으로 신장 시, 제1 연결부(110A)에는 장력이 가해지고, 인접한 연결부(110)가 제1 아일랜드(120A)에 대해 서로 다른 축(I, II)으로 접해 있어 전단응력을 발생한다. 제1 아일랜드(120A)는 발생한 전단응력으로 인해 제1 가상 보조 축(121A)을 따라 회전할 수 있으며, 이 때, 제2 가상 보조 축(121B)에 따라 회전하는 인접한 제2 아일랜드(120B)의 회전 방향과 서로 다를 수 있다. 따라서, 아일랜드(120)의 회전으로 인해 공간 구역(130)이 팽창하며 필름을 전방향으로 팽창시킬 수 있다. 또한, 필름의 축소 시에도 공간 구역(130)의 면적이 축소되며 아일랜드(120)가 회전하는 구조로 인해, 필름 전체가 전방향 수축 특성을 나타낼 수 있다. 따라서, 상기와 같은 전 방향 신축 거동을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)은 음값의 푸아송 비를 가질 수 있다.
공간 구역(130)은 단일 폐곡선으로 형성되어 유효 면적을 가지고, 서로 다른 두 방향 이상의 가상의 축을 따라 배열될 수 있으며, 공간 구역(130)이 서로 소정 거리 이격되어 형성됨으로써, 연결부(110)를 형성할 수 있다.
도 3을 참고하면, 공간 구역(130)은 단일 폐곡선으로 이루어진 기하학적 도형의 형태로, 예를 들면 다각형, 원, 타원, 또는 이들이 혼합 및 변형된 형태일 수 있다. 공간 구역(130)을 형성함으로써 연결부(110)와 아일랜드(120)의 형태가 결정되고, 공간 구역(130)의 형태는 신장 시 연결부(110)가 신장 방향으로의 장력을 받아 상기 아일랜드(120)를 회전시킬 수 있는 구조로서 필름이 전방향 신축성을 나타낼 수 있는 형태라면 반드시 이러한 예시에 제한되지는 않는다.
도 4를 참고하면, 공간 구역(130)은 제1축(x축)과 제2축(y축)이 60도의 각도를 이루는 비직교 좌표계에서도 각각의 축을 따라 배열될 수 있으며, 각 축을 따라 상하 반전된 형태로 배열될 수 있다. 이러한 배열은 전술한 바와 마찬가지로 연결부(110)와 아일랜드(120)를 형성할 수 있으며, 각각의 아일랜드(120)는 신장 시 가상 보조 축(121)을 중심으로 회전하며 필름을 팽창시키는 형태일 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시한 예시뿐만 아니라, 구역의 배열로 인한 연결부(110)와 아일랜드(120)의 패턴이 평면을 채울 수 있는 경우, 서로 다른 두 가지 이상의 형태를 가지는 구역이 혼용될 수 있고, 서로 다른 두 방향 이상의 축을 따라서 공간 구역(130)이 정렬되는 패턴일 수 있다. 또한, 공간 구역(130)은 구면 좌표계, 곡면 좌표계를 따라 배열된 패턴일 수 있으며, 3차원으로 배열될 수 있다.
공간 구역(130)은 빈 공간이거나 신축성 보조 부재(20)가 채워질 수 있다. 공간 구역(130)이 빈 공간인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름은 옥섹틱 구조(100)를 가짐으로써 연결부(110)에 가해지는 장력과 연결부(110)의 탄성에 의해 거동하여, 음값의 푸아송비를 갖을 수 있다.
공간 구역(130)에 신축성 보조 부재(20)가 채워질 경우에는, 필름에 연속되는 편평한 표면을 제공하여, 스트레처블 기기의 기판으로서 적합한 구조적 특성을 제공할 수 있다. 필름에 이러한 연속적이고 편평한 표면이 제공되지 않는 경우, 기판으로서 미세 공정 및 용액 공정 등 일부 공정 사용이 어려운 단점이 있어 소자 성능과 신뢰성에 제약이 있을 수 있으며, 신축이 반복됨에 따라 피로가 누적되어 신축 복원력이 떨어지거나 피로 파괴가 발생하는 등 신뢰성의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 필름을 고성능 소자 제작을 위한 기판 및 신뢰성있는 신축성 기판으로 사용하기 위해서는 신축성 보조 부재(20) 삽입이 보다 바람직하다. 또한, 후술하는 바와 같이 섬유로 강화된 플라스틱 소재와 신축성 보조 부재(20)의 탄성계수 차이를 조절함으로써 푸아송 비를 제어할 수 있다.
섬유(12)의 조성물은 유리, 실리카(silica), 탄소, 석영(quartz), 및 아라미드(aramid)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 구체적으로, 유리 또는 아라미드 일 수 있다. 상기 조성물의 섬유로 강화된 플라스틱은 높은 인장 강도와 기계적 강성을 갖게 되어, 필름 신축 시 변형이 적으며, 필름에 구조적 안정성을 부여할 수 있다.
플라스틱은 열 경화성(Thermoset), 열 가소성(Thermoplastic), 광 경화성(Photo Polymerization), 상온 경화성(Room Temperature Vulcanization) 중 어느 하나인 합성수지, 합성 고무, 천연수지 및 천연고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 플라스틱은, 구체적으로, 합성고무일 수 있고, 더욱 구체적으로, PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 Ecoflex 일 수 있다. 이러한 플라스틱은 높은 인성(toughness) 및 넓은 탄성 복원 영역을 가짐으로써, 이를 포함하는 섬유 강화 복합체 필름은 반복되는 굽힘, 신축 등 물리적인 스트레스 요인으로부터 회복이 용이한 신뢰성 있는 신축성 기판으로 사용될 수 있다.
섬유로 강화된 플라스틱 소재의 탄성계수는 신축성 보조 부재(20)의 탄성계수의 500배 이상일 수 있다. 공간 구역(130)이 신축성 보조 부재(20)로 채워져 있는 경우, 필름의 신장 시 아일랜드(120)의 회전이 공간 구역(130)의 팽창을 유발하고, 이때 신축성 보조 부재(20)에 신장이 일어나 수축하고자 하는 탄성 복원력이 필름의 신장에 저항하는 방향으로 작용하게 된다. 그러나, 상기 범위의 탄성계수 차이를 갖게 되면, 섬유로 강화된 플라스틱 소재는 신축성 보조 부재(20)에 비해 월등히 높은 탄성률을 갖기 때문에, 상기 아일랜드(120)의 회전력이 신축성 보조 부재(20)의 탄성 복원력에 비해 우세하여 음값의 푸아송 비를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)을 제1 방향(x축 방향)으로 신장 시, 아일랜드(120)의 회전으로 인해 제1축 방향(x축 방향)으로 정렬된 제1 공간 구역(130)이 팽창하게 된다. 이 때 신축성 보조 부재(20)에 탄성 복원력이 작용하므로, 필름의 제2 방향(y축 방향)으로의 신장을 방해한다. 그러나, 섬유 강화부(10)의 높은 탄성률로 인해 필름은 계속해서 제2 방향(y축 방향)으로 신장하며, 음값의 푸아송 비를 나타낼 수 있다. 그러나, 섬유 강화부(10) 및 신축성 보조 부재(20)의 탄성 계수 차이가 작아짐에 따라 푸아송 비는 점차 증가할 수 있다. 섬유 강화부(10)의 탄성 계수와 신축성 보조 부재(20)의 탄성계수의 차이가 너무 작으면, 필름은 신축성 보조 부재(20)의 원래 탄성계수보다는 작지만 양의 값을 갖는 푸아송 비를 나타낼 수 있다.
신축성 보조 부재(20)는 열 경화성(Thermoset), 열 가소성(Thermoplastic), 광 경화성(Photo Polymerization), 상온 경화성(Room Temperature Vulcanization) 중 어느 하나인 합성수지, 합성 고무, 천연수지 및 천연고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 합성고무는 부타디엔계(butadiene-) 고무, 클로로프렌계(chloroprene-) 고무, 부틸(butyl) 고무, 에틸렌계(ethylene-) 고무, 이소프렌계(isoprene-) 고무, 우레탄계(urethane-) 고무 및 실리콘계(silicone-) 고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 실리콘계 고무는 PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 Ecoflex 일 수 있다. 천연고무는 라텍스(latex) 일 수 있다. 합성수지는 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 비닐(polyvinylchloride) 및 ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 신축성 보조 부재(20)는, 구체적으로, 합성 고무일 수 있고, 더욱 구체적으로, 실리콘계(silicone-) 고무일 수 있고, 더욱 더 구체적으로, Ecoflex 일 수 있다. 신축성 소재는 젤(gel) 또는 하이드로젤(hydrohel) 일 수 있다. 신축성 보조 부재(20)는, 구체적으로, 합성고무 일 수 있고, 더욱 구체적으로, PDMS 또는 Ecoflex 일 수 있다. 이러한 신축성 보조 부재(20)는 넓은 범위의 탄성 복원 영역을 가지므로 이를 포함하는 섬유 강화 복합체 필름에 가해지는 인장력이 제거되는 경우 필름이 원활하게 복원되도록 할 수 있고, 낮은 탄성률을 가지므로 섬유 강화 복합체 필름의 신장 시 신장방향과 수직한 방향으로 유발되어 신장을 방해하는 탄성복원력이 최소화될 수 있다.
섬유 강화 복합체 필름의 제조 방법
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)의 제조 방법 중 섬유 강화 복합체 필름(15)을 제조하는 단계의 모식도를 도시한 것이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에서 레이저 재단기(4)로 섬유 강화 복합체 필름(15)을 재단하여 공간 구역(130)을 형성한 뒤, 롤 라미네이션 방식으로 공간 구역(130)에 신축성 보조 부재(20)를 채우는 과정의 모식도를 도시한 것이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)의 제조 방법에서 섬유 강화 복합체 필름(15)에 공간 구역(130)을 형성할 때 사용 가능한 여러가지 방법 중 (a)잉크젯 프린팅(ink-jet printing) (b)몰딩(moulding) (c)광식각 방법을 도시한 것이다.
이하, 도 5 내지 도 8을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)의 제조 방법에 대해서 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름(1)의 제조 방법은, 섬유로 강화된 플라스틱 필름을 제조하는 단계; 필름 상에 공간 구역(130)을 형성함으로써 옥세틱 구조(100)를 형성하는 단계; 및 공간 구역(130)에 신축성 보조 부재(20)를 채우는 단계;를 포함할 수 있다.
섬유(12)의 조성물은 유리, 실리카(silica), 석영(quartz), 탄소 및 아라미드(aramid)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
섬유로 강화된 플라스틱 필름을 제조하는 단계;는, 핸드 레이업 (hand layup), 진공백 성형(vacuum bag moulding), 사출 (infusion), 진공 사출 (vacuum infusion), 잉크젯 프린팅 (ink-jet printing), 레진 트랜스퍼 몰딩 (resin transfer molding) 및 스크린 프린팅 (screen printing)으로 이루어진 군에서 선택되는 한가지 이상의 방법으로 수행될 수 있으며, 통상의 섬유 강화 플라스틱 필름(fiber reinforced plastics, FRP)의 제조 방식을 벗어나지 않는다면, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로, 섬유로 강화된 플라스틱 필름을 제조하는 단계;는 진공백 성형 방법으로 수행될 수 있다.
섬유로 강화된 플라스틱 필름을 제조하는 단계;는, 섬유 및 플라스틱 모재(13)를 복합화하여 섬유-플라스틱 모재 혼합물(14)을 제조하는 단계; 섬유-플라스틱 모재 혼합물(14)을 필름 형태로 성형하는 단계; 및 필름 형태로 성형된 혼합물을 경화하여 섬유 강화 복합체 필름(15)을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
섬유(12) 및 플라스틱 모재(13)를 복합화하여 섬유-플라스틱 모재 혼합물(14)을 제조하는 단계;는 지지판에 섬유(12)를 놓고 경화 전의 플라스틱 모재(13)를 부어 함침시키는 방법 또는 모재(matrix)에 섬유(12)를 넣고 혼합하는 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
섬유(12)는 입자, 원사, 단사 및 직물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 형태일 수 있다. 구체적으로, 크로스(cloth), 부직포(nonwoven fabric), 메쉬(mesh), 비즈(beads), 파우더(powder), 플레이크(flake), 단방향 섬유(uni-directional fiber), 섬유 매트(fiber mat), 춉트 화이바(chopped fiber 밀드화이바 (milled fiber)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
지지판은 목적에 따라 편평하거나 곡면일 수 있고, 매끈하거나 거칠 수 있고, 구조체를 포함하는 표면 형태를 띨 수 있으며, 이형처리 되거나 제조되는 필름과 결합을 형성할 수 있다.
섬유-플라스틱 모재 혼합물(14)을 필름 형태로 성형하는 단계;는 섬유-플라스틱 모재 혼합물(14)을 지지판 사이에 위치시킨 후 압축기(3)로 압축하여 목적에 맞게 표면을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 이런 경우, 상기 섬유로 강화된 플라스틱 필름을 제조하는 단계;는 필름 형태로 성형된 혼합물을 경화하여 섬유 강화 복합체 필름(15)을 제조하는 단계; 이후에, 제조된 섬유 강화 복합체 필름(15)을 지지판으로부터 떼어내는 단계;를 더 포함할 수 있다.
섬유-플라스틱 모재 혼합물(14)을 지지판 사이에 위치시킨 후 압축기(3)로 압축하여 목적에 맞게 표면을 형성하는 단계;는 진공 상태, 고온 및 고압 조건에서 수행될 수 있다.
제조된 섬유 강화 복합체 필름(15)을 지지판으로부터 떼어내는 단계;는 물리적 또는 화학적 방법으로 수행될 수 있으며, 구체적으로, 단순 탈착, 가열 탈착 또는 레이저 리프트 오프(laser lift off)의 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
필름 형태로 성형된 혼합물을 경화하여 섬유 강화 복합체 필름(15)을 제조하는 단계;는 열 경화(thermal curing), 광 경화(photo-curing) 및 상온 경화(room temperature vulcanization)로 이루어지는 군에서 선택되는 한 가지 이상의 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 필름 형태로 성형된 혼합물을 경화하여 섬유 강화 복합체 필름(15)을 제조하는 단계;는 완전히 경화시키지 않는 가경화 단계;를 포함할 수 있다.
필름 상에 공간 구역(130)을 형성함으로써 옥세틱 구조(100)를 형성하는 단계;는, 레이저 커팅(laser cutting), 타발 천공(press punch), CNC(computer numerical control) 가공, 몰딩 (moulding), 프린팅(printing) 및 광식각 (photolithography)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 가지 이상의 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
공간 구역(130)에 신축성 보조 부재(20)를 채우는 단계;는, 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 바 코팅(bar coating), 스핀 코팅(spin coating), 함침(impregnation), 핸드 레이업(hand layup), 오토클레이브(autoclave) 및 레진 인퓨전(resin infusion)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 가지 이상의 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상 섬유 강화 복합체 필름의 제조 방법에 대한 설명에서, 사용된 물질 및 형성된 구조 등의 종류, 특징 및 효과에 대한 내용 중 상기 섬유 강화 복합체 필름에 대한 설명에서 이미 기술한 내용과 중복되는 내용은 생략하였다.
스트레처블 기기
본 발명의 일 실시예에 따른 스트레처블 기기는, 상술한 섬유 강화 복합체 필름 또는 상술한 제조 방법으로 제조된 섬유 강화 복합체 필름을 포함할 수 있다. 상술한 섬유 강화 복합체 필름 또는 상술한 제조 방법으로 제조된 섬유 강화 복합체 필름은 전 방향 신축성을 갖고, 섬유 강화 플라스틱의 높은 강성으로 인해 신축 시 아일랜드(120)에 가해지는 변형이 최소화되므로, 아일랜드(120) 상에 변형에 민감한 전자 소자를 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 스트레처블 기기는 센서, 광전자 소자, 박막 트랜지스터, 디스플레이 등의 전자 소자의 성능 변화가 발생하지 않는 우수한 효과가 있다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1
두께 25㎛의 E-glass 유리 직물(glass fabric, Nittobo社, Japan) 8장을 을 PDMS(Sylgard184TM, Dow Corning社, USA)의 경화 전 용액에 함침시킨 후 이형 처리된 유리 지지판 사이에 넣고 진공 압착시켜 기포를 제거하였다. 이후 상기 유리섬유-PDMS 혼합물을 120℃에서 30분간 열경화하여 섬유 강화 복합체 필름(탄성계수 : 6GPa)을 얻었다. 경화된 섬유 강화 복합체 필름을 지지판에서 탈착한 후 레이저 재단기(4)로 재단하여 공간 구역(130)을 형성하여 필름을 제조하였다. 상기 공간 구역(130)은 길이 방향으로 3.2mm, 너비 방향으로 0.4mm인 직사각형 형상이며, 90도 각도로 회전하며 x축, y축을 따라 서로 0.4mm씩 떨어진 형상으로 설계하였다.
실시예 2
두께 300㎛의 아라미드 직물(코오롱社, 대한민국) 1장을 경화 전의 ecoflex(EcoflexTM, Smooth-on社, USA) 용액에 함침시킨 후 이형 처리된 유리 지지판 사이에 넣고 핫 프레스(hot press) 방식으로 120℃, 50bar에서 2시간동안 경화하여 섬유 강화 복합체 필름(탄성계수 : 6.7GPa)을 얻었다. 경화된 섬유 강화 복합체 필름을 지지판에서 탈착한 후 레이저 재단기(4)로 재단하여 공간 구역(130)을 형성하여 필음을 제조하였다. 상기 공간 구역(130)은 길이 방향으로 8mm, 너비 방향으로 1mm인 직사각형 형상이며, 90도 각도로 회전하며 x축, y축을 따라 서로 1mm씩 떨어진 형상으로 설계하였다.
실시예 3
두께 25㎛의 E-glass 유리 직물(glass fabric, Nittobo社, Japan) 8장을 을 PDMS(Sylgard184TM, Dow Corning社, USA)의 경화 전 용액에 함침시킨 후 이형 처리된 유리 지지판 사이에 넣고 진공 압착시켜 기포를 제거하였다. 이후 상기 유리섬유-PDMS 혼합물을 120℃에서 30분간 열경화하여 섬유 강화 복합체 필름(탄성계수 : 6GPa)을 얻었다. 경화된 섬유 강화 복합체 필름을 지지판에서 탈착한 후 레이저 재단기(4)로 재단하여 공간 구역(130)을 형성하였다. 상기 공간 구역(130)은 길이 방향으로 3.2mm, 너비 방향으로 0.4mm인 직사각형 형상이며, 90도 각도로 회전하며 x축, y축을 따라 서로 0.4mm씩 떨어진 형상으로 설계하였다. 상기 공간 구역(130)에 바 코팅 방식으로 Ecoflex(EcoflexTM, Smooth-on社, USA)를 코팅한 후 이형 처리된 유리 지지판을 덮어 상온에서 24시간동안 경화하여 필름(Ecoflex 부분의 탄성계수 : 30kPa)을 제조하였다
실시예 4
두께 300㎛의 아라미드 직물(코오롱社, 대한민국) 1장을 경화 전의 ecoflex(EcoflexTM, Smooth-on社, USA) 용액에 함침시킨 후 이형 처리된 유리 지지판 사이에 넣고 핫 프레스(hot press) 방식으로 120℃, 50bar에서 2시간동안 경화하여 섬유 강화 복합체 필름(탄성계수 : 6.7GPa)을 얻었다. 경화된 섬유 강화 복합체 필름을 지지판에서 탈착한 후 레이저 재단기(4)로 재단하여 공간 구역(130)을 형성하였다. 상기 공간 구역(130)은 길이 방향으로 8mm, 너비 방향으로 1mm인 직사각형 형상이며, 90도 각도로 회전하며 x축, y축을 따라 서로 1mm씩 떨어진 형상으로 설계하였다. 이후, 이형 필름을 사용하여 롤 라미네이션(roll-lamination) 방식으로 경화 전의 Ecoflex(EcoflexTM, Smooth-on社, USA) 용액을 상기 공간에 형성하였다. 이후 60℃에서 4시간동안 경화한 후 이형필름을 제거하여 필름(Ecoflex 부분의 탄성계수 : 30kPa)을 제조하였다.
비교예 1
Ecoflex(EcoflexTM, Smooth-on社, USA) 용액을 10cm x 10cm x 0.5mm 크기의 이형처리된 금형에 부어 상온에서 24시간동안 경화시켜 필름을 제조하였다.
비교예 2
두께 200㎛의 PDMS(Sylgard184TM, Dow Corning社, USA)를 이용하여 열 경화 방식으로 필름(탄성계수 : 1MPa)을 제작하고, 레이저 재단기(4)로 재단하여 공간 구역(130)을 형성하였다. 상기 공간 구역(130)은 길이 방향으로 3.2mm, 너비 방향으로 0.4mm인 직사각형 형상이며, 90도 각도로 회전하며 x축, y축을 따라 서로 0.4mm씩 떨어진 형상으로 설계하였다. 상기 공간 구역(130)에 바 코팅 방식으로 ecoflex(EcoflexTM, Smooth-on社, USA)를 코팅한 후 이형 처리된 유리 지지판을 덮어 상온에서 24시간동안 경화하여 필름(Ecoflex 부분의 탄성계수 : 30kPa)을 제조하였다.
비교예 3
두께 80㎛의 CPI 필름(코오롱社, 대한민국) 1장(탄성계수 : 7GPa)에 레이저 재단기(4)로 재단하여 공간 구역(130)을 형성하였다. 상기 공간 구역(130)은 길이 방향으로 3.2mm, 너비 방향으로 0.4mm인 직사각형 형상이며, 90도 각도로 회전하며 x축, y축을 따라 서로 0.4mm씩 떨어진 형상으로 설계하였다. 상기 공간 구역(130)에 바 코팅 방식으로 ecoflex(EcoflexTM, Smooth-on社, USA)를 코팅한 후 이형 처리된 유리 지지판을 덮어 상온에서 24시간동안 경화하여 필름(Ecoflex 부분의 탄성계수 : 30kPa)을 제조하였다.
본 발명은 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
실험예 1
상기 실시예 3의 필름에 제1축 방향(x축 방향)으로 장력(Px)을 가하여 신장시켜 구조의 변화를 관찰하였다. 도 9를 참고하면, 실시예 3의 필름은 전방향 신축 특성을 나타내고, 전자 소자가 제작되는 아일랜드(120)의 구조에 큰 변화가 없는 것을 확인할 수 있어, 상기 필름 위에 종래의 변형에 취약하지만 고성능인 전자 소자를 제작하더라도 전자 소자의 성능 및 신뢰성 저하를 해결할 수 있음을 알 수 있다.
실험예 2
상기 모든 실시예 및 비교예의 필름에 제1축 방향(x축 방향)으로 장력(Px)을 가하여 신장시키면서, 연신율에 따른 푸아송 비를 측정하여 그 결과를 도 10 내지 도 12에 나타내었다. 푸아송 비는 디지털 카메라(800D, Canon 社, 일본)로 측정한 고해상도 이미지로부터 디지털 이미지 상관법 (Digital image correlation, 독일 Gom 社 Aramis Professional 프로그램 사용)을 통해 얻은 가로축 및 세로축의 변형율로부터 계산되었다. 변형율의 기준이 되는 표식은 시편의 중앙을 가로지르는 가로 축 및 세로 축의 양 끝단에 상용 마커 펜으로 표시하였으며, 균일한 신장 속도를 얻기 위하여 다목적 시험 장치(Universal testing machine AGS-X, Shimadzu社, 일본)를 이용하여 시편을 신장하였다.
도 10를 참고하면, 실시예 1 및 실시예 2와 같이 섬유 강화 복합체를 사용하고 옥세틱 구조(100)를 형성하되, 공간 구역(130)에 신축성 보조 부재(20)를 채우지 않은 채로 제조된 필름의 경우, 이상적인 푸아송 비 값인 -1에 가까운 푸아송 비를 나타내므로 매우 우수한 전방향 신축성을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 그리고, 도 11을 참고하면, 공간 구역(130)에 신축성 보조 부재(20)를 채워서 제조한 실시예 3 및 실시예 4의 필름의 경우, 전 연신율 영역에서 모두 음값의 푸아송 비를 나타내므로 연신율에 관계없이 우수한 전방향 신축성을 갖는 것을 확인할 수 있었고, 연신율에 따른 푸아송 비 변화 경향성이 공간 구역(130)에 신축성 보조 부재(20)를 채우지 않은 실시예 1 및 실시예 2와 유사한 것을 확인할 수 있었다. 도 12을 참고하면, 비교예 1은 단일 필름으로서 푸아송 비가 연신율에 관계없이 0.5에 가까운 수치를 나타내므로, 전방향 신축성이 열위한 것을 확인할 수 있다. 그리고, 섬유 강화 복합체를 사용하지 않은 비교예 2의 경우, PDMS와 공간구역에 채워진 Ecoflex 간 탄성계수의 차이가 33배 수준으로 낮아 양의 푸아송 비를 나타내므로, 전방향 신축성이 열위한 것을 확인할 수 있다. 섬유 강화 복합체를 사용하지 않은 비교예 3의 경우에는, CPI 필름과 공간구역에 채워진 Ecoflex의 탄성계수가 실시예 3 및 실시예 4의 경우에서의 필름과 신축성 보조 부재의 탄성계수 차이와 유사하게 큰 차이를 보여 저 연신율 구간에서는 음값의 푸아송 비를 나타내지만, 3% 연신율에서부터 푸아송 비가 급격히 증가하기 시작하여, 9% 이상의 고 연신율 영역에서는 양값의 푸아송 비를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 연성을 갖는 CPI 필름의 특성에서 기인한 것으로, 고 연신율 영역에서 아일랜드(120)의 구조적 변형에 의해 전방향 신축성을 잃는 경향을 보인 것이다. 이를 통해, 필름에서 공간 구역(130) 외의 플라스틱 부분의 탄성계수와 공간 구역(130) 내에 형성되는 신축성 보조 부재(20)의 탄성계수 차이가 크더라도, 섬유 강화 복합체를 사용하여 제조한 실시예들의 경우에만 모든 연신율 영역에서 우수한 전방향 신축성을 갖는다는 것을 알 수 있었다.
실험예 3
상기 실시예 3 및 비교예 1의 필름에 제1축 방향(x축 방향)으로 장력(Px)을 가하여 신장시키고, 필름 내 연신율 변화를 실험예 2와 동일하게 디지털 이미지 상관법을 이용해 측정하여 그 결과를 각각 도 13 및 도 14에 나타내었다. 도 13을 참고하면, 실시예 3의 경우에는 아일랜드(120) 부위에 변형이 거의 가해지지 않았으며, 신장 후에도 필름이 균일하게 팽창한 것을 확인할 수 있으므로, 우수한 전방향 신축성을 갖는 것을 알 수 있다. 그러나, 도 14를 참고하면, 비교예 1의 경우에는 높은 푸아송 비로 인해 필름의 가운데 부분이 수축하여 오목하게 왜곡된 것을 확인할 수 있으므로, 열위한 전방향 신축성을 갖기 때문에 스트레처블 기기의 기판으로 사용하기에 부적합한 것을 알 수 있다.
[도면의 부호]
100 : 옥세틱 구조
110 : 연결부
110A : 제1 연결부
110B : 제2 연결부
120 : 아일랜드(120)
120A : 제1 아일랜드
120B : 제2 아일랜드
121: 가상 보조 축
121A : 제1 가상 보조 축
121B : 제2 가상 보조 축
130 : 공간 구역
131 ~ 142 (전 201~212) : 공간 구역(130)의 형태
143 ~ 145 (전 221~223) : 공간 구역(130)의 형태 (비직교 좌표계)
10 : 섬유 강화부
11 : 직물
12 : 섬유
13 : 플라스틱 모재
14 : 섬유-플라스틱 모재 혼합물
15 : 섬유 강화 복합체 필름
20 : 신축성 보조 부재
1 : 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름
2 : 이형 처리된 지지판
3 : 압축기
4 : 레이저 재단기
5 : 롤러
6 : 잉크젯 프린
7 : 몰드
8 : 포토마스크
S100 : 전방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름의 제조 방법의 흐름도
Px : x축 방향 으로 가해지는 인장력

Claims (15)

  1. 필름 상에 상기 필름과 일체형으로 옥세틱 구조(100)가 형성되고,
    상기 옥세틱 구조(100)는,
    상기 필름 상에 규칙적으로 배열된 복수 개의 단일 폐곡선 형태의 공간 구역(130);
    상기 공간 구역(130)에 의해 둘러싸여 형성되는 아일랜드(120); 및
    상기 공간 구역(130)에 의해 일정한 간격으로 형성되어 인접한 아일랜드(120)를 연결해 주는 연결부(110);를 포함하고,
    상기 필름, 아일랜드(120) 및 연결부(110)는 섬유로 강화된 플라스틱 소재이고,
    상기 공간 구역(130)은 빈 공간이거나 신축성 보조 부재(20)가 채워진, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유(12)의 조성물은 유리, 실리카(silica), 석영(quartz), 탄소 및 아라미드(aramid)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플라스틱은 열 경화성(Thermoset), 열 가소성(Thermoplastic), 광 경화성(Photo Polymerization), 상온 경화성(Room Temperature Vulcanization) 중 어느 하나인 합성수지, 합성 고무, 천연수지 및 천연고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 섬유로 강화된 플라스틱 소재의 탄성계수는 상기 신축성 보조 부재(20)의 탄성계수의 500배 이상인, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신축성 보조 부재(20)는 열 경화성(Thermoset), 열 가소성(Thermoplastic), 광 경화성(Photo Polymerization), 상온 경화성(Room Temperature Vulcanization) 중 어느 하나인 합성수지, 합성 고무, 천연수지 및 천연고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름.
  6. 제1항에 있어서,
    음값의 푸아송 비를 가지는, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름.
  7. 섬유로 강화된 플라스틱 필름을 제조하는 단계; 및
    상기 필름 상에 공간 구역(130)을 형성함으로써 옥세틱 구조(100)를 형성하는 단계;를 포함하는, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공간 구역(130)에 신축성 보조 부재(20)를 채우는 단계;를 더 포함하는, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 섬유(12)의 조성물은 유리, 실리카(silica), 석영(quartz), 탄소 및 아라미드(aramid)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 섬유로 강화된 플라스틱 필름을 제조하는 단계;는,
    섬유(12) 및 플라스틱 모재(13)를 복합화하여 섬유-플라스틱 모재 혼합물(14)을 제조하는 단계;
    상기 섬유-플라스틱 모재 혼합물(14)을 필름 형태로 성형하는 단계; 및
    상기 필름 형태로 성형된 혼합물을 경화하여 섬유 강화 복합체 필름(15)을 제조하는 단계;를 포함하는, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 섬유(12)는 입자, 원사, 단사 및 직물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 형태인, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    필름 형태로 성형된 혼합물을 경화하여 섬유 강화 복합체 필름(15)을 제조하는 단계;는,
    열 경화(thermal curing), 광 경화(photo-curing) 및 상온 경화(room temperature vulcanization)로 이루어지는 군에서 선택되는 한 가지 이상의 방법으로 수행되는, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름의 제조 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 필름 상에 공간 구역(130)을 형성함으로써 옥세틱 구조(100)를 형성하는 단계;는,
    레이저 커팅(laser cutting), 타발 천공(press punch), CNC(computer numerical control) 가공, 몰딩 (moulding), 프린팅(printing) 및 광식각 (photolithography)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 가지 이상의 방법으로 수행되는, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름의 제조 방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 공간 구역(130)에 신축성 보조 부재(20)를 채우는 단계;는,
    스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 바 코팅(bar coating), 스핀 코팅(spin coating), 함침(impregnation), 핸드 레이업(hand layup), 오토클레이브(autoclave) 및 레진 인퓨전(resin infusion)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 가지 이상의 방법으로 수행되는, 전 방향 신축성을 갖는 섬유 강화 복합체 필름의 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 섬유 강화 복합체 필름 또는 제7항 내지 제14항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 섬유 강화 복합체 필름을 포함하는, 스트레처블 기기.
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