KR102061127B1 - 섬유사의 꼬임 특성을 이용한 전기전도성 신축 상호연결선 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

섬유사의 꼬임 특성을 이용한 전기전도성 신축 상호연결선 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 신축성 구조 유도관이 길이 방향으로 형성된 탄성 몸체, 및 상기 신축성 구조 유도관의 내부에 위치되며 상기 길이 방향으로 인가되는 힘에 의해 신장될 수 있는 신축성 구조 및 상기 신축성 구조로부터 상기 탄성 몸체의 외부로 연장되는 연장부로 구성된 전기전도성 섬유사를 포함하는 전기전도성 신축 상호연결선이 제공된다.

Description

섬유사의 꼬임 특성을 이용한 전기전도성 신축 상호연결선 및 그 제조 방법{Electrically conductive stretchable interconnect using twisted nature of yarn fibers and method of manufacturing thereof}

본 발명은 상호 연결선에 관한 것으로서, 상세하게는 반복하여 늘리거나 줄여도 전기적인 특성을 유지할 수 있는 전기전도성 신축 상호연결선(conductive stretchable interconnect)과 그 제조 방법에 관한 것이다.

몸에 부착할 수 있는 웨어러블 장치나 로봇의 피부로 사용할 수 있는 장치를 구현하기 위해서, 유연성과 신축성이 우수한 전자회로가 필요하다. 유연성과 신축성이 우수한 전자회로를 이용하면, 몸을 비틀거나 로봇의 팔을 구부리고 펴고 늘리는 등의 움직임에 대응하여 형태 변형이 가능한 전자장치를 개발할 수 있다. 때문에 전세계적으로 유연성과 신축성이 있는 전자회로를 구현하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.

지금까지 알려진 기존 연구에 의하면, 전자회로와 전자회로 사이를 연결하는 신축 및 복원 가능한 상호연결선은 크게 두 가지 방법으로 구현되고 있다.

먼저, 전기전도도가 우수한 금속 전도체를 2차원 또는 3차원의 신축성 구조로 형성한 후 신축 및 복원이 가능한 탄성 몸체에 하나이상 매립하는 방식이다. 2차원 또는 3차원의 신축성 구조는 말굽 모양, 지그재그 모양, 나선형 모양, 물결 모양 등으로 굴곡이 있는 형태를 갖는다. 신축성 구조의 굴곡반경이 커지면 인장길이는 증가하지만 회로선의 배치면적이 증가하여 여러 회선을 배치하기 어렵다. 신축성 구조의 굴곡반경을 작게 하면 전도체가 받는 응력이 높아져 반복인장 시 쉽게 파열될 수 있기 때문에 기계적 특성이 우수한 전도체를 사용해야 한다.

다음으로, 탄성 소재 전도체를 사용하는 방법이 있다. CNT나 그래핀과 같은 나노복합체를 탄성 소재와 융합하여 전기전도성이 있는 탄성 전도체를 생성할 수 있다. 탄성 전도체는 탄성이 있는 장점은 있으나 전기전도도가 매우 낮아 실제 전자회로의 상호연결선으로 사용하기 어렵다.

유연전자 분야에서 전도체로 사용하는 또 다른 소재는 전기전도성 섬유(Conductive fiber)이다. 일반적으로, 섬유는 연신(꼬임, twist)과 직조 등 가공 방법의 다양성, 섬유내 기공성과 넓은 표면적, 표면처리의 다양성, 복합재료 구성의 용이성과 같은 다양한 장점이 있다. 이러한 장점에 전기적 특성이 부여된 전기전도성 섬유는 다양한 전기전자 분야에서도 중요한 소재로 사용되고 있다. 전기전도성 섬유는 텍스타일 태양전지, 연신가능 트랜지스터, 연신가능 디스플레이, 외부자극형 약물전달, 바이오센서 및 가스센서, 광조절 기능성 텍스타일, 기능성 의류, 방위산업용 기능성 제품 등에서 활용되고 있다.

전기전도성 섬유는 사용목적에 따라 다양한 방식으로 가공할 수 있다. 대표적인 예로, 전기전도성 섬유를 꼬아 만든 전기전도성 섬유사(conductive twisted yarn), 전기전도성 섬유를 직조하거나 방사한 전기전도성 시트(conductive sheet), 전기전도성 섬유사를 편직한 전기전도성 끈(conductive ribbon), 전기전도성 에폭시(conductive epoxy)가 부가된 전기전도성 테이프(conductive tape)가 있다.

이 중에서 상호연결선으로 많이 사용되는 것은 전기전도성 섬유사(또는 전기전도성실)다. 전기전도성 섬유사는 크게 두 종류가 있다.

구리(Cu), 철(stainless steel) 같은 기존 금속 와이어를 기존 섬유와 합사하는 전기전도성 필라멘트사가 있다. 전기전도성 필라멘트사는 기존의 금속 전도체를 사용하므로 전기전도도는 우수하지만 내구성은 좋지 않다.

나일론(nylon), 폴리에스테르(polyester)와 같은 기존 섬유에 니켈(Ni), 은(Ag) 같은 전기전도성 물질을 코팅한 전기전도성 코팅사가 있다. 전기전도성 코팅사는 예를 들어, 인장 강도, 인장 탄성율, 신율, 굽힘 탄성률, 비틀림 강도 등과 같은 기계적 특성이 우수한 나일론 66과 같은 섬유 표면을 전기전도성이 우수한 은과 같은 전도성 화합물로 코팅하기 때문에 금속 전도체에 비해 전기전도도는 낮지만 내구성이 매우 우수하다.

미국 등록특허번호 제8348865호

본 발명은 제조 방법이 간단하면서도, 내구성을 획기적으로 개선할 수 있는 전기전도성 신축 상호연결선과 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명은 반복 신축 및 복원에도 전기전도도가 유지며 내구성이 우수한 전기전도성 신축 상호연결선을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 신축성 구조 유도관이 길이 방향으로 형성된 탄성 몸체, 및 신축성 구조 유도관의 내부에 위치되며 길이 방향으로 인가되는 힘에 의해 신장될 수 있는 신축성 구조 및 신축성 구조로부터 탄성 몸체의 외부로 연장되는 연장부로 구성된 전기전도성 섬유사를 포함하는 전기전도성 신축 상호연결선이 제공된다.

일 실시예로서, 신축성 구조는 탄성 몸체로부터 분리될 수 있다.

일 실시예로서, 신축성 구조는 나선형 꼬임 구조일 수 있다.

일 실시예로서, 연장부에 전기적으로 결합된 접속부를 더 포함할 수 있다.

일 실시예로서, 전기전도성 섬유사는 전기전도성 코팅사일 수 있다.

일 실시예로서, 전기전도성 섬유사는 둘 이상의 단사를 합사하여 형성될 수 있다.

일 실시예로서, 전기전도성 섬유사는 복수이며, 복수의 전기전도성 섬유사 각각은 길이 방향으로 배치되며, 전기적 절연을 위해 서로 이격되어 있을 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전기전도성 섬유사가 길이 방향으로 고정된 몰드에 탄성 소재를 주입하고, 탄성 소재를 경화시켜 탄성 몸체를 형성하며, 탄성 몸체를 길이 방향으로 인장력을 인가하여 전기전도성 섬유사의 적어도 일부에 신축성 구조를 형성하는 전기전도성 신축 상호연결선을 제조하는 방법이 제공된다.

일 실시예로서, 탄성 몸체를 길이 방향으로 인장력을 인가하여 전기전도성 섬유사의 적어도 일부에 신축성 구조를 형성하는 단계는, 탄성 몸체의 양단을 클램핑하는 단계, 클램핑된 탄성 몸체의 양단 중 적어도 일단을 길이 방향으로 인장하여 탄성 몸체의 내부에 신축성 구조가 위치하는 신축성 구조 유도관을 형성하는 단계 및 인장력을 제거하여 탄성 몸체를 초기 상태로 복원시키는 단계를 포함할 수 있다.

한편, 클램핑된 탄성 몸체의 양단 중 적어도 일단을 길이 방향으로 인장하여 탄성 몸체의 내부에 신축성 구조가 위치하는 신축성 구조 유도관을 형성하는 단계에서, 전기전도성 섬유사는 탄성 몸체로부터 분리될 수 있다.

한편, 인장력을 제거하여 탄성 몸체를 초기 상태로 복원시키는 단계에서, 신축성 구조 유도관의 내부에 위치한 전기전도성 섬유사의 적어도 일부는 길이 방향으로 인가되는 힘에 의해 신장될 수 있는 신축성 구조가 될 수 있다.

한편, 신축성 구조는 나선형 꼬임 구조일 수 있다.

일 실시예로서, 전기전도성 섬유사가 길이 방향으로 고정된 몰드에 탄성 소재를 주입하는 단계 이전에 액상 상태인 탄성 소재에서 기포를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예로서, 전기전도성 섬유사는 전기전도성 코팅사일 수 있다.

일 실시예로서, 전기전도성 섬유사는 둘 이상의 단사를 합사하여 형성될 수 있다.

일 실시예로서, 전기전도성 섬유사가 길이 방향으로 고정된 몰드에 탄성 소재를 주입하는 단계는, 복수의 전기전도성 섬유사 각각을 길이 방향으로 서로 이격되도록 배치하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예로서, 탄성 소재는 실리콘 또는 고무일 수 있다.

일 실시예로서, 전기전도성 섬유사의 길이는 탄성 몸체의 최대 인장길이보다 길 수 있다.

한편, 최대 인장길이는 신축성 구조가 직선 형상이 될 때까지 탄성 몸체가 인장되는 길이일 수 있다.

한편, 탄성 몸체를 길이 방향으로 인장력을 인가하여 전기전도성 섬유사의 적어도 일부에 신축성 구조를 형성하는 단계 이후에 전기전도성 섬유사의 양단 중 적어도 일단에 접속부를 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 제조 방법이 간단하면서도, 내구성을 획기적으로 개선할 수 있는 전기전도성 신축 상호연결선과 그 제조 방법이 제공될 수 있다. 즉, 본 발명은 반복 신축 및 복원에도 전기전도도가 유지며 내구성이 우수한 전기전도성 신축 상호연결선을 제공할 수 있다.

이하에서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명된다. 이해를 돕기 위해, 첨부된 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 할당되었다. 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명을 설명하기 위해 예시적으로 구현된 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 이에 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1은 섬유사의 꼬임 특성을 이용한 전기전도성 신축 상호연결선의 구조를 예시적으로 도시한 사시도이다.
도 2a는 1개의 전기전도성 섬유사로 구성된 전기전도성 신축 상호연결선의 측면도이고, 도 2b는 도 2a의 전기전도성 신축 상호연결선을 I-I'를 따라 절단한 단면도이다.
도 3a는 2개의 전기전도성 섬유사로 구성된 전기전도성 신축 상호연결선의 측면도이고, 도 3b는 도 3a의 전기전도성 신축 상호연결선을 II-II'를 따라 절단한 단면도이고, 도 3c는 도 3a의 전기전도성 신축 상호연결선을 III-III'를 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 전기전도성 신축 상호연결선의 제조 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 전기전도성 신축 상호연결선을 인쇄회로기판에 연결하는 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 인쇄회로기판에 연결하기 위한 접속부를 구비한 전기전도성 신축 상호연결선을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 전기전도성 신축 상호연결선을 인쇄회로기판에 연결하는 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 전기전도성 신축 상호연결선을 인쇄회로기판에 연결하는 다른 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 8b는 도 8a에 도시된 구조를 이용한 연결 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 섬유사의 꼬임 특성을 이용한 전기전도성 신축 상호연결선의 구조를 예시적으로 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 전기전도성 신축 상호연결선(100)은, 신축성 구조를 갖지만 자체 신축성은 부족한 전기전도성 섬유사를 신축성과 복원력이 우수한 탄성 몸체에 매립하여, 신축과 복원이 가능하면서 전기전도도는 그대로 유지할 수 있다. 전기전도성 신축 상호연결선(100)의 길이 방향으로 인장력이 인가되면, 탄성 몸체(110)가 늘어나고 그로 인해 나선형 꼬임 구조를 갖는 전기전도성 섬유사의 신축성 구조(125)가 펴지게 된다. 따라서 전기전도성 섬유사의 길이가 늘어나게 되어, 전기전도성 신축 상호연결선의 전체 길이가 늘어나게 된다. 반대로, 인장력이 줄어들거나 제거되면 인장력이 인가된 반대 방향으로 복원력이 발생하여 탄성 몸체(110)는 초기 길이로 줄어들게 된다. 그 힘에 의해 전기전도성 섬유사의 신축성 구조(125)가 다시 나선형 꼬임 구조로 복귀하면서, 전기전도성 신축 상호연결선(100)은 초기 길이로 복원된다.

탄성 몸체(110)는, 예를 들어, 폴리다이메틸실록세인(PDMS: Polydimethylsiloxane) 등을 포함하는 탄성 및 신축성이 있는 실리콘(탄성중합체) 또는 고무 등과 같은 탄성 소재로 형성될 수 있다. 여기서, 탄성 소재는 초기에는 액상이어서 가공이나 성형이 용이하며, 일정시간과 온도에서 경화되어 탄성 및 신축성이 있는 고체로 변화할 수 있다. 또한, 경화 후 탄성 몸체(110)는 전기전도성 섬유사가 접촉하는 부분이 인장력에 의해 쉽게 분리될 수 있어야 한다. 전기전도성 섬유사가 탄성 몸체(110)에서 분리되면, 전기전도성 섬유사가 점유했던 공간으로 인해 신축성 구조 유도관이 형성된다. 신축성 구조 유도관은 전기전도성 섬유사가 신축성 구조 유도관 내부에서 신축성 구조(125)를 유지할 수 있도록 유도하는 역할을 한다. 즉, 신축성 구조 유도관은 전기전도성 섬유사의 신축성 구조(125)가 나선형 꼬임 구조를 갖도록 유도하며, 꼬임과 풀림이 반복되더라도 나선형 꼬임 구조의 형상을 유지시키는 역할을 한다. 이를 위해서는, 적절한 탄성률을 갖는 탄성 소재를 사용해야 한다. 즉, 너무 단단하여 탄성이 거의 없으면 나선형 구조를 형성하기 어려울 수 있다.

전기전도성 섬유사는 예를 들어 나일론(nylon), 폴리에스테르(polyester) 등과 같은 섬유사에 니켈(Ni), 은(Ag) 등과 같은 전기전도성 물질을 코팅한 전기전도성 코팅사를 포함한다. 전기전도성 섬유사의 기본 전기전도도는 섬유사를 코팅하는 전기전도성 물질 자체의 전도도, 전기전도성 물질의 함량, 코팅 두께, 코팅 방법 등과 같은 물리적 특성에 따라 결정된다. 따라서 전기전도성 섬유사의 사용목적에 따라 물리적 특성은 다양하게 선택될 수 있다. 일반적으로 전기전도성 섬유사는 금속 박막, 금속 와이어 등과 같은 금속 전도체에 비하여 전기전도도는 훨씬 낮지만, CNT(Carbon Nanotube) 탄성체, 금속 나노와이어 탄성체 등과 같은 탄성 전도체(conductive elastic material)에 비하여 전기전도도가 높다. 다만 자체 탄성이 없기 때문에 전기전도성 섬유사는 탄성복원이 가능한 탄성 몸체에 매립하되 신축성 구조가 형성된 구간을 포함하여야 한다.

전기전도성 섬유 단사(이하 "단사"라 함)가 예를 들어 삼중 나선의 꼬임으로 합사(하나 이상의 단사)되면, 인장 강도, 인장 탄성율, 신율, 굽힘 탄성률, 비틀림 강도 등과 같은 기계적 특성이 크게 향상된다. 꼬임이 있는 단사를 여러 가닥 모아 단사와 반대 방향으로 다시 꼬임을 주어 동아줄처럼 강한 실로 합사할 수 있다. 특히, 꼬아진 섬유사는 특정 인장력이 주어질 때 스스로 꼬임 방향으로 말리는 특징이 있다. 아울러, 전기전도성 섬유사의 단면적이 증가하여 전기전도도 등과 같은 전기적 특성도 향상된다. 반면, 합사되는 단사의 수가 많아지면 전기전도성 섬유사의 굵기가 증가하여, 나선형 꼬임 구조의 굴곡이 커지고 전기전도성 섬유사 배치면적이 증가하게 된다. 아울러, 전기전도성 섬유사의 굵기가 굵어지거나 전기전도성 섬유사의 개수가 많아질수록 탄성 몸체(110)를 인장하는데 필요한 인장력이 증가한다. 따라서, 전기전도성 신축 상호연결선(100)이 적용되는 응용에 따라 전기전도성 섬유사의 굵기와 배치개수, 배치위치가 변경될 수 있다.

나선형 꼬임 구조로 형성된 전기전도성 섬유사의 신축성 구조(125)는 기존의 말굽 모양, 지그재그 모양, 말굽 모양, 물결 모양에 비하여 전기전도성 섬유사가 차지하는 면적이 적어 복수의 전기전도성 섬유사를 배치하기에 유리하다. 일반적인 나선형 구조를 갖는 기존의 금속 전도체를 사용하는 경우 코일의 반경이 커지게 되어 인덕턴스 유도에 따른 신호왜곡이 발생할 수 있다. 하지만 본 발명에서는 내골국성, 굽힘 탄성률과 비틀림 강도 등이 우수한 전기전도성 섬유사를 사용하기 때문에 강한 꼬임에 의해 빈 공간이 거의 없는 나선형 꼬임 구조를 형성할 수 있다. 그 결과로 탄성 몸체(110) 내부에 위치한 전기전도성 섬유사를 신축성 구조(125)로 형성하는데 필요한 배치면적이 최소화되어 복수의 회선을 배치하는데 어려움이 없고 인덕턴스 발생 현상을 억제할 수 있다. 또한 고밀도의 나선형 꼬임 구조가 가능하다. 즉, 예를 들어, 신축성 구조(125)가 인장력에 의해 직선으로 펴졌을 때 그 직선 길이는 탄성 몸체(110)의 최대 인장길이와 실질적으로 같을 수 있다. 나선형 꼬임 구조의 밀도는 인장력에 의한 인장길이(혹은 인장율)를 결정한다. 즉, 나선형의 구조의 밀도가 높으면 신축성 구조(125)가 더 많이 늘어날 수 있게 된다. 전기전도성 신축 상호연결선(100)의 최대 인장길이가 전기전도성 섬유사로 구현한 신축성 구조(125)의 최대 인장길이와 같으면 사용자가 신축성 구조(125)의 최대 인장길이보다 크게 인장하는 상황을 예방할 수 있다.

도 2a는 1개의 전기전도성 섬유사로 구성된 전기전도성 신축 상호연결선의 측면도이고, 도 2b는 도 2a의 전기전도성 신축 상호연결선을 I-I'를 따라 절단한 단면도이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 전기전도성 신축 상호연결선(100)은 탄성 몸체(110)와 전기전도성 섬유사를 포함한다.

탄성 몸체(110)는 탄성 소재를 이용하여 길이 EL0이 되도록 형성되며, 길이 방향으로 형성된 신축성 구조 유도관(115)을 포함한다. 신축성 구조 유도관(115)에는 신축성 구조를 갖는 전기전도성 섬유사가 위치된다. 신축성 구조 유도관(115)은 탄성 몸체(110)에 길이 방향으로 인장력이 최초로 인가되기 전에 전기전도성 섬유사에 의해 점유되던 공간이다. 최초로 인장력이 인가되면 탄성 몸체(110)에 매립된 전기전도성 섬유사의 적어도 일부는 탄성 몸체(110)로부터 분리되며, 이로 인해 신축성 구조 유도관(115)이 형성된다. 신축성 구조 유도관(115)의 입구의 면적은 전기전도성 섬유사의 단면적과 실질적으로 동일하며, 나선형 꼬임 구조가 형성되는 길이 방향으로 안쪽의 단면적은 입구의 면적보다 넓어질 수 있다. 즉, 전기전도성 섬유사의 신축성 구조(125)의 단면적은 나선형 꼬임 구조를 가지기 때문에 연장부(120a, 120b)보다 넓어지게 된다.

전기전도성 섬유사는 연장부(120a, 120b)와 신축성 구조(125)로 구성된다. 전기전도성 섬유사는 복수의 단사를 합사하여 형성되며, 여기에서는 3개의 단사를 합사하여 형성된 전기전도성 섬유사를 예시적으로 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 전기전도성 신축 상호연결선(100)이 적용되는 응용에 따라서 합사되는 단사의 개수가 달라질 수 있음은 물론이다.

연장부(120a, 120b)는 나선형 꼬임 구조가 형성되지 않은 진기전도성 섬유사의 일부이며, 연장부(120a, 120b)는 탄성 몸체(110)의 길이 방향의 단부로부터 외부로 연장된다. 여기서, 연장부(120a, 120b)의 일부는 탄성 몸체(110) 내부에 위치할 수도 있다. 예를 들어, 신축성 구조(125)의 최대 인장길이가 탄성 몸체(110)의 최대 인장길이보다 작은 경우, 연장부(120a, 120b)가 신축성 구조(125)에 연결되는 지점이 탄성 몸체(110)의 신축성 구조 유도관(115) 내에 위치할 수 있다. 연장부(120a, 120b)는 인쇄 회로 기판 등과 같은 전자 부품에 전기적으로 연결되는데 이용된다.

신축성 구조(125)는 탄성 몸체(110)의 신축성 구조 유도관(115) 내부에 위치하는 전기전도성 섬유사의 일부이며, 나선형 꼬임 구조로 형성된다. 신축성 구조(125)는 탄성 몸체(110)에 길이 방향으로 형성된 신축성 구조 유도관(115) 내에 위치한다. 여기서, 나선형 꼬임 구조의 곡률 반경은 금속 등으로 형성된 종래의 나선형 구조의 곡률 반경과 비교할 때 매우 작을 수 있다. 따라서 종래의 나선형 구조로 형성된 전도체에 비해 탄성 몸체(110)내에서 점유하는 면적이 매우 작다. 또한, 신축성 구조(125)의 나선형 꼬임 구조는 빈 공간이 실질적으로 없도록 형성될 수 있기 때문에, 인덕턴스가 발생하지 않는다. 따라서 전자 부품 사이에 전기 신호를 전달할 수 있는 전자회로선으로 사용될 수 있다. 한편, 꼬임과 풀림이 반복되더라도 전기전도성 섬유사의 우수한 비틀림 강도와 굽힘 탄성률 때문에 잘 끊어지지 않고 나선형 꼬임 구조가 유지될 수 있다. 특히, 탄성 몸체(110) 및/또는 전기전도성 섬유사의 최대 인장길이에 따라 나선형 꼬임 구조의 밀도, 즉, 단위 길이당 꼬임의 회수를 자유롭게 조정할 수 있다.

도 3a는 2개의 전기전도성 섬유사로 구성된 전기전도성 신축 상호연결선의 측면도이고, 도 3b는 도 3a의 전기전도성 신축 상호연결선을 II-II'를 따라 절단한 단면도이고, 도 3c는 도 3a의 전기전도성 신축 상호연결선을 III-III'를 따라 절단한 단면도이다. 설명의 중복을 피하기 위해서, 도 2a 및 도 2b와 중복된 설명은 생략한다.

도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 전기전도성 신축 상호연결선(100)은 탄성 몸체(110)와 한 쌍의 전기전도성 섬유사를 포함한다. 도 3a 내지 3c에서는 한 쌍의 전기전도성 섬유사로 구성된 전기전도성 신축 상호연결선(100)을 예를 들어 설명하나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 전기전도성 섬유사의 개수는 2개 이상일 수 있다.

탄성 몸체(110)는 탄성 소재를 이용하여 길이 EL0이 되도록 형성되며, 길이 방향으로 형성된 한 쌍의 신축성 구조 유도관(115a, 115b)을 포함한다. 신축성 구조 유도관(115a, 115b)에는 신축성 구조를 갖는 한 쌍의 전기전도성 섬유사의 신축성 구조(125a, 125b)가 각각 위치된다. 한 쌍의 전기전도성 섬유사의 신축성 구조(125a, 125b)는 거리 d 만큼 이격되어 배치될 수 있다. 여기서, 거리 d는 전기전도성 섬유사의 신축성 구조(125a, 125b)가 전기적으로 절연되기에 충분한 거리로서, 전기전도성 섬유사의 전기적 특성에 따라 달라질 수 있다.

한편, 도 3c에서, 신축성 구조 유도관(115a, 115b)의 단면이 원형으로 도시되어 있으나, 이는 설명을 위한 예시이다. 최초에 신축성 구조 유도관(115a, 115b)의 표면은 직선 상태인 전기전도성 섬유사의 표면에 대응하는 형상으로 형성된다. 이후에 신축성 구조 유도관(115a, 115b)의 표면은 전기전도성 섬유사의 신축성 구조(125a, 125b)의 형상에 대응하는 형상으로 탄성 변형될 수 있다. 이 때 신축성 구조 유도관(115a, 115b)의 표면은 적어도 일부가 전기전도성 섬유사의 신축성 구조(125a, 125b)와 접촉할 수 있다. 신축성 구조 유도관(115a, 115b)의 표면 중 전기전도성 섬유사의 신축성 구조(125a, 125b)와 접촉하는 표면의 형상과 면적은 전기전도성 섬유사의 신축성 구조(125a, 125b)의 꼬임과 풀림 상태에 따라 달라질 수 있다.

도 4는 전기전도성 신축 상호연결선의 제조 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

전기전도성 신축 상호연결선의 예시적인 제조 방법은, 하나 이상의 전기전도성 섬유사를 몰드의 내부에 고정하는 단계, 경화되면 탄성을 갖는 액상 소재의 탄성 소재를 몰드에 주입하는 단계, 액상 소재의 탄성 소재를 경화시켜 탄성 몸체를 생성하는 단계, 몰드를 제거하고 고체의 탄성 몸체의 중앙에 전기전도성 섬유사가 매립된 전기전도성 신축 상호연결선을 획득하는 단계, 전기전도성 신축 상호연결선의 탄성 몸체를 일 회 인장 후 복원시켜 전기전도성 섬유사의 신축성 구조를 형성시키는 단계를 포함한다. 이하에서 상세히 설명한다.

초기 단계에서, 적어도 하나 이상의 전기전도성 섬유사를 몰드의 내부에 고정한다. 여기서, 고정은 전기전도성 섬유사가 몰드에 직접 고정되는 경우뿐 아니라, 몰드 외부에 위치한 예를 들어 클램프 등에 의해 고정되는 경우도 포함한다. 몰드는 적어도 하나 이상의 전기전도성 섬유사를 탄성 몸체 내부에 배치하기 용이한 형상을 갖는다. 여기서, 탄성 몸체의 형상은 직사각형, 정사각형, 원형 등 다양한 형태 가능하다. 따라서, 몰드는 탄성 몸체에 대응하는 형상으로 제작될 수 있다. 한편, 몰드는 액상의 탄성 소재를 담을 수 있는 용기뿐 아니라, 예를 들어 압출이나 사출 성형을 위한 몰드도 포함할 수 있다. 전기전도성 섬유사는 적어도 하나 이상 몰드에 배치될 수 있다. 여기서, 절연을 위해 복수의 전기전도성 섬유사간에 일정 간격이 유지되어야 하며 액상 소재의 탄성 소재가 둘러쌀 수 있어야 한다.

적어도 하나 이상의 전기전도성 섬유사가 몰드의 내부에 고정되면, 경화되면 탄성을 갖는 액상 소재의 탄성 소재를 몰드에 주입하기 전에 탄성 소재를 조제하는 단계가 포함된다. 일반적으로 실리콘계열의 탄성 소재는 주제와 경화제를 정해진 비율로 섞는 과정이 필요하며, 필요에 따라 주사기 형태의 주입기를 사용할 수 있다.

적어도 하나 이상의 전기전도성 섬유사를 몰드에 고정할 때, 전기전도성 섬유사는 액상의 탄성 소재에 매립되는 부분 외에 몰드 좌우로 전기전도성 신축 상호연결선의 최대 인장길이보다 길도록 여유를 두어야 한다. 몰드 외부로 돌출되는 전기전도성 섬유사의 여유 길이는, 인장 방향이 양방향이라면 양쪽에서 줄어들기 때문에 몰드 좌우로 1:1이 되도록 하고, 늘리는 방향이 한 방향이라면 늘리는 쪽이 더 많이 줄어들기 때문에 늘어나지 않는 쪽보다 늘어나는 쪽이 더 길도록 한다.

한편, 액상의 탄성 소재를 몰드에 주입하기 전에, 액상의 탄성 소재에서 기포를 제거하는(degassing) 작업을 선행할 수 있다. 또는, 액상의 탄성 소재가 주입된 몰드를 진공장치에 넣어 기포를 제거할 수도 있다.

액상의 탄성 소재를 경화시킬 때에, 몰드의 형상에 따라 예를 들어 바이스 등과 같은 고정장치 또는 프레스와 같은 압력장치를 사용하여 몰드를 고정시킬 수 있다.

도 4의 상단을 참조하면, 몰드를 제거 후 획득한 전기전도성 신축 상호연결선은 고형의 탄성 몸체와 신축성 구조가 없는 직선 형상의 전기전도성 섬유사가 서로 붙어 있는 상태이다. 전기전도성 신축 상호연결선을 길이 방향으로 인장력을 준 후 복원시키는 방법으로 전기전도성 섬유사에 신축성 구조를 형성할 수 있다.

도 4의 중간단을 참조하면, 먼저, 인장력을 주어 탄성 몸체에 신축성 구조 유도관을 형성한다. 초기 길이 EL₀의 탄성 몸체에 길이 방향으로 인장력을 주어 늘린다. 탄성 몸체는 잘 늘어나는 소재인 반면에 전기전도성 섬유사는 늘어나지 않는 소재이므로 인장력에 의해 전기전도성 섬유사와 탄성 몸체가 맞닿는 부분이 부분이 분리되며, 전기전도성 섬유사의 형상과 같은 원통의 관이 형성된다. 이것이 전기전도성 섬유사의 신축성 구조를 유도하는 신축성 구조 유도관이다. 전기전도성 섬유사와 탄성 몸체가 박리되면 이후부터 탄성 몸체를 늘리기 쉬워진다.

다음으로, 필요한 인장길이, 예를 들어, 탄성 몸체의 최대 인장길이까지 계속 인장한다. 전기전도성 신축 상호연결선의 탄성 몸체가 늘어나는 길이, 예를 들어, ΔL=1.5xEL₀ 만큼 좌우의 전기전도성 섬유사의 여유분이 신축성 구조 유도관 안으로 빨려 들어간다. 이 때 전기전도성 섬유사는 아직 직선상태이다. 탄성 몸체는 길이 방향으로 인장되기 때문에, 탄성 몸체의 중앙부는 양단에 비해 단면적이 더 많이 축소될 수 있다. 이에 반해, 내부에 위치한 전기전도성 섬유사는 아직 직선 상태이므로, 신축성 구조 유도관의 단면적은 크게 변화하지 않는다.

도 4의 하단을 참조하면, 인장력을 제거하여 탄성 몸체가 초기 위치로 복원되게 하면서 나선형 꼬임 구조의 신축성 구조를 가진 전기전도성 섬유사를 형성한다.

전기전도성 신축 상호연결선의 탄성 몸체에 부여된 인장력을 제거하면, 탄성 몸체는 자체 복원력으로 초기 길이 EL₀로 돌아가는 가려고 한다. 이때 신축성 구조 유도관에 있는 전기전도성 섬유사는 탄성 몸체의 복원력에 의해 신축성 구조 유도관을 따라 나선형의 꼬임 구조를 형성하며 잔존하게 된다. 예를 들어, 복원이 완료되면 밖으로 보이던 전도체의 여유분은 늘렸던 길이 ΔL(=1.5xEL₀)만큼 줄어들게 된다. 본 예에서, 전기전도성 섬유사의 길이 YL₀는 탄성 몸체의 최대 인장길이 2.5xEL₀(=EL₀+ΔL)보다 다소 긴 3xEL₀이고, 탄성 몸체의 최대 인장길이보다 적도록 전기전도성 섬유사의 신축성 구조가 형성된다. 이로 따라 전기전도성 신축 상호연결선은 탄성 몸체가 인장에 의해 파열되지 않는 한 안정적으로 작동할 수 있다. 다만, 인장길이가 크면 신축성 구조에 사용되는 전기전도성 섬유사의 길이가 증가하고, 상기 길이에 비례하여 전기전도도가 감소하므로 사용처에 따라 탄성 몸체의 길이를 최소화할 필요가 있다. 또는, 최대 인장길이보다 사용 인장길이를 작게 설정할수록 전기전도성 섬유사가 받는 응력이 감소하므로 이러한 특성을 고려하여 결정하여도 된다. 예를 들어, 상호연결선의 요구 인장길이가 최대 100%라고 하더라도, 전기전도성 섬유사의 신축성 구조를 최대 150% 인장 가능하도록 형성한다면, 최대 100%인장 가능하도록 형성한 경우보다 반복인장에 따른 응력이 훨씬 줄어들어 보다 안정적으로 사용할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전기전도성 신축 상호연결선의 제조 방법에 의하면, 탄성 몸체에 전기전도성 섬유사를 먼저 매립한 후 신축성 구조를 형성할 수 있다. 따라서, 용도에 맞게 신축성 구조를 다시 설계할 필요 없이 신축성 구조 형성 단계에서는 자유롭게 인장길이를 조정할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전기전도성 신축 상호연결선의 제조 방법에 의하면, 탄성 몸체와 전기전도성 섬유사가 인장력에 의해 서로 박리되는 현상을 활용하여 신축성 구조 유도관을 형성할 수 있다. 따라서, 에칭이나 커팅 등과 같은 추가 공정 및 추가 구조물이 없이도 신축성 구조를 형성할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전기전도성 신축 상호연결선의 제조 방법에 의하면, 전기전도성 섬유사가 신축성 구조 유도관 내에서 독립적으로 동작할 수 있다. 따라서 탄성 몸체에 인가된 인장력만으로 신축성 구조의 꼬임과 풀림이 가능해졌다.

한편, 전기전도성 신축 상호연결선은 최대 인장길이를 넘어 인장시 탄성 몸체 안의 전기전도성 섬유사가 끊어지거나 탄성 몸체가 파손될 위험이 있기 때문에, 인장 중에 최대 인장범위를 사용자가 인식할 수 있는 일종의 피드백이 필요하다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전기전도성 신축 상호연결선의 제조 방법에 의하면, 전기전도성 섬유사에 적용되는 나선형 꼬임 구조는 인장시 완전히 펴지는 지점이 최대 인장길이이므로, 사용자는 투명한 탄성 몸체에 매입되는 전기전도성 섬유사를 눈으로 보면서 최대 인장길이를 가늠할 수 있다. 따라서, 최대 인장길이를 벗어나지 않도록 조절할 수 있어 무리한 인장을 방지할 수 있다.

도 5는 전기전도성 신축 상호연결선을 인쇄회로기판에 연결하는 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

전기전도성 섬유사와 인쇄회로기판(200)을 전기적으로 연결하기 위해 일반적으로 바느질/박음질과 전도성 접착제를 사용한다. 하지만 바느질/박음질의 경우 전기적 연결에 대한 신뢰성(reliability)이 부족하며, 전도성 접착제의 경우에는 일반 접착제에 비해 접착력이 부족하다. 특히 전기전도성 신축 상호연결선(100)의 경우 신축성 구조(125a, 125b)로 인해 인장응력을 감내할 수 있는 추가적인 방법이 요구되기도 하며, 경우에 따라서는 전기전도성 신축 상호연결선(100)을 모듈화하기 위한 방법이 요구되기도 한다.

전기전도성 신축 상호연결선(100)을 인쇄회로기판(200)에 고정시키고 전기적으로 연결하기 위한 일실시예로서, 도 5와 같이 접착제만 이용하는 방법이 있다. 탄성 몸체(110)의 양단 중 일단을 인쇄회로기판의 제1 접착영역(210)에 접착제로 접착시킨다. 아울러, 전기전도성 섬유사의 연장부(120a, 120b)의 일부를 인쇄회로기판(200)의 제2 접착영역(215)에 접착제로 접착시킨다. 인쇄회로기판(200)과의 전기적인 연결을 위해, 전기전도성 섬유사의 연장부(120a, 120b)의 일단을 전도성 접착제를 이용해 인쇄회로기판(200)의 전극패드(220)에 접착시킨다. 이 방법의 경우 인장응력에 대한 감내력(tolerance)은 접착영역과 접착제의 접착력에 의해 결정된다.

도 6은 인쇄회로기판에 연결하기 위한 접속부를 구비한 전기전도성 신축 상호연결선을 예시적으로 도시한 도면이고, 도 7은 도 6의 전기전도성 신축 상호연결선을 인쇄회로기판에 연결하는 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

전기전도성 신축 상호연결선(100)을 일정한 규격의 모듈 형태로 제작하는 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이 전기전도성 섬유사의 양단 중 적어도 일단에 접속부(crimping contact;130a, 130b)를 부착하는 방법을 이용할 수 있다. 제작된 전기전도성 신축 상호연결선의 전기전도성 섬유사의 일단에 접속부(130a, 130b)를 물림장치(crimping tool)을 이용해 물리적으로 고정시키고, 추가로 전도성 접착제를 사용해 전기적 연결 강화시킨다. 이후 접속부(130a, 130b)의 일부를 탄성 몸체 안쪽으로 일부 삽입하되 일반 접착제를 이용해 고정시킴으로써 인장응력을 감내할 수 있도록 한다. 사용하는 접속부(130a, 130b)는 직선 또는 직각 형태 모두 고려할 수 있으며, 접속부(130a, 130b)와 인쇄회로기판(200)의 연결에는 땜(soldering)을 이용한다. 도 7은 직각형 접속부(130a, 130b)를 이용하는 경우의 전기전도성 신축 상호연결선 모듈의 인쇄회로기판 연결방법을 나타낸다. 탄성 몸체(110)의 양단 중 일단을 인쇄회로기판의 접착영역(210)에 접착제로 접착시킨다. 인쇄회로기판(200)과의 전기적인 연결을 위해, 접속부(130a, 130b)를 예를 들어 납땜 등에 의해 인쇄회로기판(200)의 전극패드(230a, 230b)에 연결한다.

도 8a는 전기전도성 신축 상호연결선을 인쇄회로기판에 연결하는 다른 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 8b는 도 8a에 도시된 구조를 이용한 연결 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

인쇄회로기판(200)의 영역을 최소화해야 할 경우에 있어서, 도 5에 도시된 바와 같이 충분한 전도성 확보를 위해서 전기전도성 신축 상호연결선(100)과 인쇄회로기판(200)의 접착영역을 증가하기 어려울 수 있다. 따라서 접착영역의 최소화 및 전기적 연결 강화를 위해 도 8a 및 8b와 같이, 낮은 높이의 직각형 핀 헤더(low-profile right-angle pin header; 240a, 240b)를 인쇄회로기판(200)에 배치하고 핀 헤더(240a, 240b)에 연장부(120a, 120b)를 감아 전기적 연결을 완성할 수 있다. 추가적으로 탄성 몸체(110)의 일부를 인쇄회로기판(200)의 접착영역(210)에 일반 접착제로 붙이고, 핀 헤더(240a, 240b)에 감긴 연장부(120a, 120b)에 전도성 접착제를 사용해 전기적 연결을 강화시킬 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 전기전도성 신축 상호연결선
110: 탄성 몸체
115: 신축성 구조 유도관
120a, 120b: 연장부
125, 125a, 125b: 신축성 구조
130a, 130b: 접속부

Claims (20)

1. 신축성 구조 유도관이 길이 방향으로 형성된 탄성 몸체; 및
   상기 신축성 구조 유도관의 내부에 위치되며 상기 길이 방향으로 인가되는 힘에 의해 신장될 수 있는 신축성 구조 및 상기 신축성 구조로부터 상기 탄성 몸체의 외부로 연장되는 연장부로 구성된 전기전도성 섬유사를 포함하되,
   상기 탄성 몸체의 신축성 구조 유도관은
   상기 탄성 몸체의 양단을 클램핑하고, 클램핑된 상기 탄성 몸체의 양단 중 적어도 일단을 상기 길이 방향으로 인장하여 상기 탄성 몸체의 내부에 상기 신축성 구조가 위치하는 신축성 구조 유도관을 형성하며, 상기 인장력을 제거하여 상기 탄성 몸체를 초기 상태로 복원시키고, 복원되는 전기전도성 섬유사에 의해 신축성 구조 유도관이 생성되는 것인 전기전도성 신축 상호연결선.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 신축성 구조는 상기 탄성 몸체로부터 분리되는 전기전도성 신축 상호연결선.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 신축성 구조는 나선형 꼬임 구조인 전기전도성 신축 상호연결선.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 연장부에 전기적으로 결합된 접속부를 더 포함하는 전기전도성 신축 상호연결선.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 전기전도성 섬유사는 전기전도성 코팅사인 전기전도성 신축 상호연결선.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 전기전도성 섬유사는 둘 이상의 단사를 합사하여 형성되는 전기전도성 신축 상호연결선.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 전기전도성 섬유사는 복수이며, 상기 복수의 전기전도성 섬유사 각각은 상기 길이 방향으로 배치되며, 전기적 절연을 위해 서로 이격되어 있는 전기전도성 신축 상호연결선.
   
8. 전기전도성 섬유사가 길이 방향으로 고정된 몰드에 탄성 소재를 주입하는 단계;
   상기 탄성 소재를 경화시켜 탄성 몸체를 형성하는 단계; 및
   상기 탄성 몸체의 양단을 클램핑하고, 클램핑된 상기 탄성 몸체의 양단 중 적어도 일단을 상기 길이 방향으로 인장하여 상기 탄성 몸체의 내부에 상기 신축성 구조가 위치하는 신축성 구조 유도관을 형성하며, 상기 인장력을 제거하여 상기 탄성 몸체를 초기 상태로 복원시켜 상기 전기전도성 섬유사의 적어도 일부에 신축성 구조를 형성하는 단계를 포함하는 전기전도성 신축 상호연결선을 제조하는 방법.
   
9. 삭제
10. 제8항에 있어서, 클램핑된 상기 탄성 몸체의 양단 중 적어도 일단을 상기 길이 방향으로 인장하여 상기 탄성 몸체의 내부에 상기 신축성 구조가 위치하는 신축성 구조 유도관을 형성하는 단계에서,
    상기 전기전도성 섬유사는 상기 탄성 몸체로부터 분리되는 전기전도성 신축 상호연결선을 제조하는 방법.
    
11. 제8항에 있어서, 상기 인장력을 제거하여 상기 탄성 몸체를 초기 상태로 복원시키는 단계에서,
    상기 신축성 구조 유도관의 내부에 위치한 상기 전기전도성 섬유사의 적어도 일부는 상기 길이 방향으로 인가되는 힘에 의해 신장될 수 있는 신축성 구조가 되는 전기전도성 신축 상호연결선을 제조하는 방법.
    
12. 제11항에 있어서, 상기 신축성 구조는 나선형 꼬임 구조인 전기전도성 신축 상호연결선을 제조하는 방법.
    
13. 제8항에 있어서, 전기전도성 섬유사가 길이 방향으로 고정된 몰드에 탄성 소재를 주입하는 단계 이전에
    액상 상태인 상기 탄성 소재에서 기포를 제거하는 단계를 더 포함하는 전기전도성 신축 상호연결선을 제조하는 방법.
    
14. 제8항에 있어서, 상기 전기전도성 섬유사는 전기전도성 코팅사인 전기전도성 신축 상호연결선을 제조하는 방법.
    
15. 제8항에 있어서, 상기 전기전도성 섬유사는 둘 이상의 단사를 합사하여 형성되는 전기전도성 신축 상호연결선을 제조하는 방법.
    
16. 제8항에 있어서, 전기전도성 섬유사가 길이 방향으로 고정된 몰드에 탄성 소재를 주입하는 단계는,
    복수의 전기전도성 섬유사 각각을 상기 길이 방향으로 서로 이격되도록 배치하는 단계를 포함하는 전기전도성 신축 상호연결선을 제조하는 방법.
    
17. 제8항에 있어서, 상기 탄성 소재는 실리콘 또는 고무인 전기전도성 신축 상호연결선을 제조하는 방법.
    
18. 제8항에 있어서, 상기 전기전도성 섬유사의 길이는 상기 탄성 몸체의 최대 인장길이보다 긴 전기전도성 신축 상호연결선을 제조하는 방법.
    
19. 제18항에 있어서, 상기 최대 인장길이는 상기 신축성 구조가 직선 형상이 될 때까지 상기 탄성 몸체가 인장되는 길이인 전기전도성 신축 상호연결선을 제조하는 방법.
    
20. 제19항에 있어서, 상기 탄성 몸체를 상기 길이 방향으로 인장력을 인가하여 상기 전기전도성 섬유사의 적어도 일부에 신축성 구조를 형성하는 단계 이후에
    상기 전기전도성 섬유사의 양단 중 적어도 일단에 접속부를 결합하는 단계를 더 포함하는 전기전도성 신축 상호연결선을 제조하는 방법.

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