KR101926473B1 - 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판 및 이를 이용한 웨어러블 스마트 장치 - Google Patents

웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판 및 이를 이용한 웨어러블 스마트 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 섬유가 축적되어 형성된 섬유 웹에 전도성 회로 패턴을 형성함에 의해, 베이스 기재가 가요성, 복원성, 방수성 및 통기성을 갖고 있어 미래지향적인 디바이스에 적용할 수 있는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판 및 그의 제조 방법과 이를 이용한 웨어러블 스마트 장치에 관한 것이다.
상기 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판은 섬유 성형성 고분자 물질로 이루어지며, 방사된 직경 3㎛ 이하의 섬유에 의해 집적되어 형성된 섬유 웹으로 이루어진 베이스 기재; 및 상기 베이스 기재에 형성된 전도성 회로 패턴;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판 및 이를 이용한 웨어러블 스마트 장치{Wearable flexible printed circuit board and wearable smart device}
본 발명은 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 섬유가 축적되어 형성된 섬유 웹에 전도성 회로 패턴을 형성함에 의해, 베이스 기재가 가요성, 복원성, 방수성 및 통기성을 갖고 있어 미래지향적인 디바이스에 적용할 수 있는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판 및 그의 제조 방법과 이를 이용한 웨어러블 스마트 장치에 관한 것이다.
일반적으로 인쇄회로기판(PCB)은 다양한 분야의 전기, 전자제품의 기초가 되는 부품이다.
즉, 생활 가전제품에는 필수적으로 적용되고 있고, 최근, 소형화, 고밀도 및 고기능의 인쇄회로기판이 반도체용 모듈, 반도체 검사장치, 자동차는 물론이고, 방위산업 첨단무기인 미사일 탄두, 전투기 및 인공위성 등에 이르기까지 인쇄회로기판의 활용이 점차 확대되어 가고 있다.
기존의 인쇄회로기판은 에폭시 수지에 유리 섬유 등의 보강재를 첨가한 코어 재료에 동박을 접착시킨 경성인쇄회로기판(Rigid Printed Circuit Board; Rigid PCB), 폴리이미드 기재 상에 동박을 접착시킨 연성인쇄회로기판(Flexible Printed Circuit Board; FPCB) 및 경성인쇄회로기판과 연성인쇄회로기판의 장점을 결합시킨 경성-연성인쇄회로 기판(Rigid- Flexible Printed Circuit Board; R-F PCB)으로 나누어질 수 있으며, 각 인쇄회로기판은 그 특성에 맞게 사용되고 있다.
한편, 미래에 개발되어 활용될 미래형 디바이스는 현존의 디바이스와는 구조적, 개념적으로 차이가 있을 것으로 예상되며, 특히, 최근 인체에 착용되어 인간 생활을 편리하게 하기 위한 안경, 의복 등이 전자적인 부품을 함께 내장하여 개발되기 시작하고 있다.
이러한 변화의 추이 속에 사용자가 착용가능한 인쇄회로기판의 개발이 스마트 의류와 같은 미래형 디바이스의 개발을 촉진할 수 있으므로, 이에 대한 연구 및 기술개발이 필요하다 할 것이다.
한국 등록특허공보 제10-1139970호(특허문헌 1)에는 연성의 절연기판 상에 형성된 시드층 상에 회로패턴을 형성하는 1단계; 상기 회로패턴 상에 제1감광물질을 도포하는 2단계; 상기 제1감광물질을 노광, 현상하여 상기 회로패턴 상에 보호패턴을 형성하는 3단계; 상기 시드층을 에칭하는 4단계; 및 상기 보호패턴을 박리하는 5단계를 포함하며, 상기 제1감광물질은 액상 또는 필름형 감광제인 것을 특징으로 하는 플렉서블 인쇄회로기판의 제조방법이 개시되어 있다.
상기 특허문헌 1은 가요성이 있는 인쇄회로기판을 구현할 수 있으나, 베이스 부재가 폴리이미드 필름과 같은 연성의 절연기판이므로, 접히거나 구겨진 후 다시 펴지는 복원 특성이 존재하지 않고, 통기성을 가지지 못하여 웨어러블이 요구되는 스마트 의류 등에는 적용할 수 없는 단점이 있다.
: 한국 등록특허공보 제10-1139970호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 섬유가 축적되어 형성된 섬유 웹에 전도성 회로 패턴을 형성하여 휘어짐 특성 및 접거나 구겨진 상태에서 원래의 편평한 상태로 복원될 수 있는 복원 특성을 향상시킬 수 있는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판 및 그의 제조 방법 및 이를 이용한 웨어러블 스마트 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 나노 사이즈의 섬유가 축적되어 형성된 다수의 기공을 가지는 섬유 웹을 인쇄회로기판의 베이스 기재로 적용하여 웨어러블 스마트 의류에 요구되는 방수성과 통기성 특성을 만족하는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판은, 섬유 성형성 고분자 물질로 이루어지며, 방사된 직경 3㎛ 이하의 섬유에 의해 집적되어 형성된 섬유 웹으로 이루어진 베이스 기재; 및 상기 베이스 기재에 형성된 전도성 회로 패턴;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에서, 상기 섬유 웹은 다수의 기공을 가지는 상태일 수 있다. 상기 섬유 웹의 기공도는 40 내지 80%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에서, 상기 회로 패턴은 상기 섬유 웹의 섬유 및 기공 상에 전도성 페이스트가 충진되어 형성될 수 있다.
*본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에서, 상기 회로 패턴은 상기 섬유 웹의 섬유에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에서, 상기 섬유 웹은 고분자 물질 및 용매를 혼합한 방사용액을 전기방사하여 얻어진 섬유가 축적되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 베이스 기재의 두께가 20 내지 100㎛로 형성되며, 상기 회로 패턴이 베이스 기재의 상측면과 하측면에 각각 형성될 때, 상측면과 하측면에 형성된 회로 패턴은 서로 통전이 이루어지지 않을 수 있다.
더욱이, 상기 베이스 기재의 두께가 5 내지 20㎛로 형성되며, 상기 베이스 기재에 형성되는 회로 패턴은 상하 통전이 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에서, 상기 회로 패턴은 상기 섬유 웹에 프린팅된 전도성 페이스트에 의해 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 전도성 페이스트는 Ag 페이스트 또는 Cu 페이스트일 수 있다.
또한, 상기 베이스 기재는 강도 보강용 지지체; 및 상기 지지체의 일면 또는 양면에 적층되는 섬유 웹;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에서, 상기 섬유는 주름진 형상의 섬유 또는 직선 형상의 섬유일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에서, 상기 섬유 웹은 상층, 중간층 및 하층으로 이루어진 3층의 섬유 웹 구조이며, 상기 중간층에 있는 섬유 웹은 상층 및 하층보다 섬유의 직경이 얇거나, 또는 무기공의 웹일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에서, 상기 중간층의 섬유 직경은 400 ~ 500㎚이고, 상기 상층 및 상기 하층의 섬유 직경은 500㎚ 초과할 수 있다.
또한, 상기 베이스 기재는 무기공 상태의 섬유 웹일 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 웨어러블 스마트 장치는 가요성, 통기성 및 방수성 특성을 갖는 다공성 베이스 기재에 전도성 회로 패턴이 형성된 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판; 및 상기 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에 실장되는 적어도 하나의 전자 부품을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 스마트 장치에서, 상기 전자 부품은 사용자의 신체 상태를 검출하기 위한 바이오 센서와 주변환경을 감지하기 위한 환경감지센서 중 적어도 하나를 포함하는 센서유닛; 근거리 무선 통신에 사용되는 근거리 통신 모듈; 무선 통신에 사용되는 안테나 패턴; 및 신호처리 기능을 수행하기 위한 제어유닛;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 스마트 장치에서, 상기 전자 부품은 외부 환경에 따라 발열시키기 위한 히터 패턴을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 안테나 패턴과 히터 패턴은 상기 인쇄회로기판에 전도성 페이스트를 이용하여 직접 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 스마트 장치에서, 상기 전자 부품은 사용자의 신체 상태를 검출하기 위한 바이오 센서와 히터 패턴 중 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 스마트 장치에서, 상기 웨어러블 스마트 장치는 안감과 것감 사이에 내장되거나 안감 내측에 적층될 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판의 제조 방법은, 고분자 및 용매를 혼합한 방사용액을 전기방사하여 얻어진 섬유를 축적하여 다수의 기공을 가지는 섬유 웹으로 이루어진 베이스 기재를 형성하는 단계; 상기 베이스 기재에 전도성 페이스트를 프린팅하여 회로 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 프린팅된 전도성 페이스트를 경화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판의 제조 방법에서, 상기 섬유 웹에 전도성 페이스트를 프린팅하여 회로 패턴을 형성하는 단계에서, 상기 회로 패턴은 상기 섬유 웹의 섬유 및 기공 상에 형성하거나, 또는 상기 섬유 웹의 섬유에 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판의 제조 방법에서, 상기 베이스 기재를 형성하는 단계에서, 상기 방사용액을 60 ~ 80%의 습도 환경에서 전기방사하여 상기 주름진 형상의 섬유를 축적하여 섬유 웹으로 이루어진 베이스 기재를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판의 제조 방법에서, 상기 베이스 기재를 형성하는 단계에서, 상기 방사용액을 60% 이하의 습도 환경에서 전기방사하여 상기 직선 형상의 섬유를 축적하여 섬유 웹으로 이루어진 베이스 기재를 형성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 베이스 기재로서 섬유가 축적되어 형성된 섬유 웹에 전도성 회로 패턴을 형성하여 인쇄회로기판을 구현함으로써, 일반적인 플렉서블 인쇄회로기판에 사용되는 폴리이미드 필름에 비해 휘어짐 특성을 우수하게 할 수 있고, 폴리이미드 필름에 존재하지 않는 복원 특성(접거나 구겨지더라도 원래의 편평한 상태로 복귀할 수 있는 특성)을 가질 수 있는 것이다.
본 발명에 의하면, 전기방사에 의해 얻어진 섬유를 축적시켜 형성된 웹 형상의 시트로 인쇄회로기판의 베이스 기재를 만들어, 초박형의 인쇄회로기판을 구현 가능하게 하는 잇점이 있다.
본 발명에 의하면, 나노 사이즈의 섬유가 축적되어 형성된 다수의 기공을 가지는 섬유 웹으로 인쇄회로기판의 베이스 기재로 적용하면, 인쇄회로기판은 방수성과 통기성을 가지고 있어 사용자가 착용 가능한(wearable) 인쇄회로기판을 제작할 수 있다. 또한, 방수성과 통기성 및 가요성이 있는 인쇄회로기판을 안감과 것감 사이에 내장시키면, 스마트 의류 등의 다양한 미래형 디바이스에 적용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서는 방수성과 통기성 및 가요성이 있는 인쇄회로기판에 각종 센서와 신호처리장치 및 안테나 등을 직접 실장할 수 있어 센서에 의해 연속적으로 착용자의 심박수와 호흡 등을 모니터하는 헬스 케어 의류, 키패드를 삽입하여 소형 IT 기기 작동이 가능한 엔터테인먼트 의류, 소리나 빛 등의 외부 환경변화에 반응하는 환경감응 의류, 군사용 특수 용도의 의류 등에 다양하게 적용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 주름진 형상의 섬유가 축적되어 만들어 섬유웹으로 플렉서블 인쇄회로기판에 적용하여 가요성을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판를 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판의 가요성을 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판의 통기성과 방수성을 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판을 이용하여 구현되는 웨어러블 스마트 장치를 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에 적용된 섬유 웹을 제조하기 위한 전기방사장치를 설명하기 위한 모식적인 도면,
도 6은 본 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판의 제조 방법의 흐름도,
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판의 제조 방법을 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 8은 본 발명에 따라 섬유 웹에 회로 패턴이 형성된 상태를 설명하기 위한 일부 모식적인 도면,
도 9는 본 발명에 따라 섬유 웹에 회로패턴이 다른 상태로 형성된 것을 설명하기 위한 일부 모식적인 도면,
도 10은 본 발명에 따라 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에 적용된 주름진 섬유를 가지는 섬유 웹을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 11은 본 발명에 따라 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에 적용된 주름진 섬유를 가지는 섬유 웹을 확대 촬영한 SAM 사진,
도 12는 본 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에 적용될 수 있는 베이스 기재를 나타낸 단면도,
도 13은 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판을 스마트 의류에 적용할 때 적층 구조를 나타내는 단면도,
도 14는 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판을 이용하여 구현된 웨어러블 플렉서블 히터의 샘플 사진,
도 15는 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판을 확대 촬영한 SAM 사진,
도 16은 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에 전도성 회로 패턴이 프린트된 부분을 확대 촬영한 SAM 사진,
도 17은 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에서 프리트된 전도성 회로 패턴을 확대 촬영한 SAM 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판(PCB)(100)은 섬유 성형성 고분자 물질과 용매를 혼합한 방사용액을 전기방사하여 얻어진 섬유가 축적 형성되어 베이스 기재로 사용되는 섬유 웹(110); 및 상기 섬유 웹(110)에 형성된 전도성 회로 패턴(120);을 포함할 수 있다.
*섬유 웹(110)은 고분자 섬유가 축적되어 만들어진 것이므로, 일반적인 플렉서블 인쇄회로기판(FPCB)에 사용되는 폴리이미드(polyimide) 필름에 비해 휘어짐 특성이 월등히 우수하고, 폴리이미드 필름에는 존재하지 않는 접거나 구겨지더라도 원래의 편평한 상태로 복귀할 수 있는 복원 특성이 있다.
즉, 본 발명의 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판(100)은 도 2, 도 8 및 도 9와 같이 섬유 웹(110)을 구성하는 섬유들(210)의 표면에 전도성 회로 패턴(120,121)이 형성되어 있기에, 각 섬유(210; 도 9 참조)의 우월한 가요성과 전도성 회로 패턴(120,121)이 형성되지 않은 부분에 의해 도 2와 같이, 섬유 웹(110)이 휘어질 때, 섬유에 형성된 회로 패턴(120)도 함께 휘어짐이 발생되어 가요성을 갖게 된다. 또한, 본 발명의 인쇄회로기판(100)은 다수의 섬유(210)가 랜덤하게 축적되어 이루어진 것이므로 접히거나 구겨진 다음 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판(100)에 요구되는 최소한의 복원 특성을 가질 수 있는 것이다.
또한, 섬유 웹(110)은 섬유 성형성 고분자 물질과 용매가 혼합된 방사용액을 전기방사하여 얻어진 나노 섬유를 축적시켜 형성된 웹 구조의 시트이므로, 섬유 웹(110)의 두께(t)를 최대한 박형으로 형성할 수 있으므로, 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판의 베이스 기재로 사용할 수 있어, 헬스 케어 의류, 엔터테인먼트 의류, 환경감응 의류, 군사용 특수 용도 의류를 실현 가능하게 하는 스마트 의류에 적용할 수 있다.
이 경우, 섬유 웹(110)은 방사용액을 전기방사하여 섬유의 직경이, 예를 들어, 400㎚ 내지 3㎛ 범위로 얻어질 수 있고, 섬유 웹(110)의 두께는 0.005mm 내지 5mm, 바람직하게는 5㎛ 내지 100㎛ 범위로 구현될 수 있다.
섬유 웹(110)은 전기방사로 수득된 섬유가 낙하되어 축적됨으로써, 도 8 및 도 9와 같이 다수의 미세한 기공(211)을 가지는 다공성 막 상태 또는 무기공 상태로 형성될 수 있다.
여기서, 섬유 웹(110)이 다수의 기공(211)을 가지는 경우, 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에 통기성을 부여할 수 있으므로, 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판은 인체에 착용할 수 있는 의복 및 전자 장치의 각종 부품을 상호 연결하여 회로를 구성하는 데 필요한 인쇄회로기판으로 적용되기에 최적의 기능 및 구조를 가진다.
즉, 인체에서는 외부 환경에 따라 체온 조절을 위해 땀이 발생되고, 이 땀은 증발되어 수증기 상태로 외부로 방출되는데, 통기성을 가지는 본 발명의 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판은 땀에서 증발된 수증기를 통과시켜 외부로 방출시킬 수 있어, 기존의 통기성이 전혀 없는 플렉서블 인쇄회로기판과 대비하여 웨어러블 인쇄회로기판에 요구되는 가요성, 통기성, 방수성 기능을 모두 갖는 인쇄회로기판이 되는 것이다.
특히, 전기방사로 섬유 웹(110)의 섬유의 섬경을 3㎛ 이하의 나노 사이즈로 구현할 수 있으므로, 섬유 웹(110)의 기공 사이즈가 미세하게 되어 섬유 웹(110)은 도 3과 같이 기체는 통과하고 액체는 통과하지 않은 방수성 및 통기성을 가질 수 있으므로, 본 발명의 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판은 방수 기능이 부여된 미래형 디바이스에도 응용될 수 있다.
본 발명에 따른 섬유 웹(110)의 기공도는 예를 들어, 40 내지 80%인 것이 바람직하다. 그러나, 섬유 웹(110)의 기공도는 섬유 웹(110)에 프린팅되는 전도성 회로 패턴(120,121)의 점유율에 따라 크게 다를 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판은 가요성 및 통기성을 가지고, 접히거나 구겨진 다음 복원되는 특성을 가지며, 방수가 가능하여 미래에 제작될 웨어러블 디바이스에 기판으로 적용 가능한 우수한 물성을 가지고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판을 이용하여 구현되는 웨어러블 스마트 장치를 설명하기 위한 개념적인 구성도로서, 섬유 웹(110)은 평판 형상의 시트이고, 이 섬유 웹(110)에 전도성 물질을 다양한 패턴으로 패터닝하여 회로 패턴(120)을 형성할 수 있다.
도 4를 참고하면, 웨어러블 스마트 장치는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판으로 이용되는 섬유 웹(110)에 회로 패턴(120)이 형성되어 있고, 신호처리와 무선 통신 기능 등을 수행하기 위한 제어유닛(130), 원격 진료에 이용되는 사용자의 심박과 호흡을 측정하기 위한 심전도와 근전도 센서, 혈당/혈압 센서, 주변환경을 감지하기 위한 가스센서, 조도센서, 적외선 센서 중 적어도 하나를 포함하는 센서유닛(140a), 근거리 무선 통신에 사용되는 근거리 통신 모듈(140b), 무선 통신에 사용되는 안테나 패턴(160) 및 외부 환경에 따라 발열시키기 위한 히터 패턴(150)을 포함하고 있다. 제어유닛(130)의 일단에는 구동 전원(Vcc)을 인가하기 위한 2개의 전원 터미널 단자(Vcc,GND)가 배치되어 있다.
이 경우, 제어유닛(130), 센서유닛(140a), 근거리 통신 모듈(140b) 등의 각종 전자 부품은 인쇄회로기판의 전도성 회로 패턴(120)과 연결되어 있으며, 안테나 패턴(160) 및 히터 패턴(150)은 섬유 웹(110)에 전도성 페이스트를 프린팅 방법을 이용하여 직접 형성된다.
상기 근거리 통신 모듈(140b)에 적용되는 근거리 통신(short range communication) 기술로서는 NFC(Near Field Communication) 통신, 블루투스(Bluetooth) 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 통신, 적외선 통신(IrDA, infrared Data Association), UWB(Ultra Wideband) 통신 및 지그비(ZigBee) 통신 등이 이용될 수 있다.
웨어러블 스마트 장치는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에 도 4와 같이 능동형 전자 부품을 포함할 수 있고, 능동형 전자 부품 없이 수동형 전자 부품만 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 14를 참고하면, 섬유 웹(110)에 스크린 프린팅 프로세스를 이용하여 전도성 페이스트를 프린팅함에 의해 히터 패턴(150)을 형성하고, 히터 패턴(150)의 양 단자에 한쌍의 전원 터미널 단자를 전도성 접착제를 사용하여 부착할 수 있다. 이렇게 구현되는 웨어러블 플렉서블 히터는 사용자가 필요한 크기와 패턴으로 설계하여 의류에 내장시킬 수 있다.
예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 웨어러블 플렉서블 히터가 형성된 본 발명의 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판(100)을 안감(300)과 것감(310) 사이에 삽입하여 합지된 원단으로 동계용 난방 의류를 봉제할 수 있다.
또한, 인쇄회로기판에 능동형 전자 부품 없이 수동형 전자 부품만 포함하는 예로서 섬유 웹(110)에 전도성 페이스트로 소정 영역을 형성하도록 프린팅함에 의해 한쌍의 전도성 센싱패턴을 간격을 두고 형성하고, 한쌍의 전도성 센싱패턴이 포함된 인쇄회로기판을 사용자의 신체에 접촉하도록 스포츠 웨어의 내측에 봉제함에 의해 사용자의 심박수 등을 센싱하는 바이오 센서로서 적용할 수 있다.
더욱이, 회로 패턴(120)은 안테나 패턴(160) 및 히터 패턴(150) 이외에 필요에 따라 다른 형태의 패턴이 형성될 수 있다.
상기 전도성 페이스트는 Ag 페이스트 또는 Cu 페이스트일 수 있다.
섬유 웹(110)은 도 1과 같이 단일층 구조로 구현할 수 있고, 또는 상층, 중간층 및 하층으로 이루어진 3층의 섬유 웹 구조로 구현할 수 있다. 세부적으로 설명하면, 중간층에 있는 섬유 웹은 상층 및 하층보다 섬유의 직경이 가늘거나, 또는 무기공 필름 형태의 웹으로 구현으로 구현할 수 있다.
즉, 상층에 전도성 페이스트를 프린팅하여 회로 패턴(120)을 형성하는 경우, 전도성 페이스트가 상층의 기공으로 침투될 수 있는데, 이때, 중간층의 섬유 웹의 작은 직경의 섬유로 정의된 상대적으로 작은 기공은 상층에서 침투된 전도성 페이스트가 통과되어 하층으로 침투되는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 중간층이 무기공 웹인 경우, 하층으로 침투되는 것을 완전히 방지할 수 있는 것이다.
여기서, 중간층의 섬유 직경은 400 ~ 500㎚인 것이 바람직하고, 상층과 하층의 섬유 직경은 500㎚ 초과하는 것이 바람직하다.
상기와 같이, 프린팅된 전도성 페이스트가 섬유 웹(110)의 일측면으로부터 타측면으로 통과하지 않는 경우는 약 20 내지 100㎛ 두께를 갖는 것이 바람직하며, 이 경우는 상측면과 하측면에 서로 다른 회로 패턴(120)을 형성하는 것이 가능하다.
섬유 웹(110)이 약 5 내지 20㎛ 두께를 갖는 경우는 프린팅된 전도성 페이스트가 일측면으로부터 타측면으로 통과하여 상하 통전이 이루어지게 된다. 예를 들어, 의료용 패치에 사용되는 회로 패턴(120)인 경우는 상하 통전형 구조를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 상하 통전용으로 사용되는 전도성 페이스트는 페이스트의 농도를 상대적으로 묽게 하고 전도성 Ag, Cu 분말은 입자 크기를 크게 설정하는 것이 필요하다.
종래의 폴리이미드 필름을 기재로 사용하는 플렉서블 인쇄회로기판은 상하 통전형 기판을 구현할 수 없다.
도 5는 본 발명에 따른 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에 적용된 섬유 웹을 제조하기 위한 전기방사장치를 설명하기 위한 모식적인 도면이다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판을 제조하기 위한 전기방사장치는 교반된 방사 용액을 공급하는 교반탱크(20)가 방사 노즐(40)에 연결되어 있고, 방사 노즐(40)과 이격된 하부에는 일정한 속도로 이동하는 컨베이어 형상의 접지된 콜렉터(50)가 배치되어 있고, 방사 노즐(40)은 고전압 발생기와 연결되어 있다.
여기서, 고분자 물질 및 용매를 교반기(30)로 혼합하여 방사 용액을 만든다. 이때, 교반기(30)에서 혼합하지 않고, 전기방사장치에 투입되기 전에 미리 혼합된 방사 용액을 사용할 수 있다.
그 후, 콜렉터(50)와 방사 노즐(40) 사이에 고전압 정전기력을 인가하면, 방사 노즐(40)에서 방사 용액을 초극세 섬유(210)로 만들어 콜렉터(50)에 방사하면, 콜렉터(50)에는 다수의 섬유(210)가 축적되어 부직포 형태의 섬유 웹(110)이 형성된다.
더 세부적으로 설명하면, 방사 노즐(40)로부터 토출되는 방사 용액은 고전압 발생기에 의하여 하전된 방사 노즐(40)을 통과하면서 섬유(210)로 방출되어, 일정 속도로 이동하는 컨베이어 형상의 접지된 콜렉터(50) 상부에 섬유(210)가 순차적으로 적층되어 섬유 웹(110)이 형성되는 것이다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판의 제조 방법은 고분자 및 용매를 혼합한 방사용액을 전기방사하여 얻어진 섬유(210)를 축적하고 캘린더링하여 원하는 두께의 섬유 웹(110)으로 이루어진 베이스 기재를 형성하고(S100), 상기 섬유 웹에 전도성 페이스트를 프린팅하여 회로 패턴(120,121)을 형성한다(S110). 그 다음, 상기 프린팅된 전도성 페이스트를 경화시킨다(S120).
여기서, 프린팅된 전도성 페이스트가 Ag 페이스트인 경우, 경화되는 온도가 대략 120 ~ 420℃ 이므로, 프린팅된 전도성 페이스트를 경화시키는 온도는 섬유를 구성하는 고분자의 융점을 고려하여 설정할 수 있다.
즉, 이와 같이 프린팅된 전도성 페이스트의 경화 온도에 견딜 수 있는 단독 고분자 또는 혼합 고분자를 적용할 수 있는데, 예컨대, PU(polyurethane)는 200℃이하의 저온 경화시 적용할 수 있고, PAN(polyacrylonitrile) 및 PES(polyether sulfone)은 200℃를 초과하는 고온 경화시 적용될 수 있다.
도 15에는 본 발명의 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에 적용되는 섬유 웹을 3000배로 확대 촬영한 SAM 사진, 도 16에는 Ag 페이스트를 섬유 웹에 스크린 프린팅한 후, 120℃에서 소결하여 얻어진 회로 패턴이 양측에 배치된 부분을 200배로 확대 촬영한 SAM 사진, 도 17에는 회로 패턴 부분을 3000배로 확대 촬영한 SAM 사진을 나타내었다.
도 5의 방사장치 및 도 7a를 참고하면, 방사 노즐(40)로부터 토출되는 방사 용액이 고전압 발생기에 의하여 하전된 방사 노즐(40)을 통과하면서 섬유(210)로 방출되어, 일정 속도로 이동하는 컨베이어 형상의 접지된 콜렉터(50) 상부에 섬유(210)를 순차적으로 적층함으로써, 상기 공정(S100)의 섬유 웹(110)을 형성할 수 있다.
또한, 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판을 구성하는 베이스 기재가 섬유 웹(110) 단층만으로는 강도가 부족한 경우는 도 12와 같이 부직포를 강도 보강용 지지체로 사용하여 지지체(110c)의 일측 또는 양측에 제1 및 제2 섬유 웹(110a,110b)을 적층하여 다층 구조로 구성할 수 있다.
그리고, 상기 공정(S110)은 도 7b와 같이, 섬유 웹(110)에 전도성 페이스트를 프린팅하여 회로 패턴(120)을 형성하는 것이다.
이러한 공정을 수행하면, 섬유 웹(110)에 회로 패턴(120)이 프린트된다. 이때, 도 8과 같이, 섬유 웹(110)의 섬유(210) 및 기공(211)에 전도성 페이스트가 충진되어 회로 패턴(121)이 형성될 수 있으며, 도 9와 같이, 섬유 웹(110)의 섬유(210)에만 회로 패턴(121)이 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 실질적인 주름진 섬유를 가지는 섬유 웹을 적용하여 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판의 가요성을 극대화할 수 있다.
즉, 도 10과 같이, 전기 방사에 의해, 방사 노즐(40)에서 방출되는 섬유(210)의 회전 반경이 작아지면, 도 11의 SEM 사진과 같은 실질적인 주름진 형상의 섬유가 축적되어 섬유웹을 형성하게 된다. 여기서, 방사 노즐(40)에서 토출되는 섬유(210)의 회전반경이 크면 직선 형상을 가지는 섬유(210)가 축적된다.
이런 방사 노즐(40)에서 방출되는 섬유(210)의 회전반경은 전기 방사의 습도 환경 및 방사 용액에서의 고분자 농도와 관련이 있다.
먼저, 고습도 환경에서 전기 방사하면, 방사 노즐(40)에서 토출된 섬유(210)에서 용매의 휘발성이 빨라져서 섬유(210)의 직경이 굵어지고, 작은 회전 반경을 가지고 낙하되어 축적됨으로써, 섬유웹(110)은 주름진 형상의 섬유(210)가 축적되어 만들어진다. 본 발명에서는 고습도 환경을 습도가 60 ~ 80%인 것으로 설정할 수 있다.
다르게 표현하면, 방사 노즐(40)에서 토출된 섬유(210)에서 용매 농도가 낮아지면 주름진 형상의 섬유(210)가 축적되는 것이다.
이와 반대로, 저습도 환경하에, 방사 노즐(40)에서 방출된 섬유(210)에서 용매의 휘발성은 늦어져 섬유(210)의 직경이 얇아지고, 큰 회전 반경을 가지고 낙하되어 축적된다. 그러므로, 대략적으로 직선 형상의 섬유(210)가 축적되어 섬유웹(110)이 형성된다. 이때, 저습도 환경은 습도가 60% 이하인 환경으로 설정할 수 있으며, 바람직하게는 습도가 45% 이상이고, 60% 미만이다.
아울러, 방사 용액에서 고분자 농도가 높으면, 방사 노즐(40)에서 방출된 섬유(210)에 포함된 용매 농도가 낮아 주름진 형상의 섬유(210)가 만들어지고, 역으로, 고분자 농도가 낮으면, 섬유(210)에 포함된 용매 농도가 높아져 직선 형상의 섬유(210)가 만들어진다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 회로 패턴을 섬유가 축적되어 형성된 섬유 웹에 형성하여, 가요성, 복원성, 방수성 및 통기성을 우수하게 하여 웨어러블 스마트 장치에 응용할 수 있는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에 적용된다.
100: 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판 110,110a,110b: 섬유 웹
120,121: 회로 패턴 130: 제어유닛
140a: 센서유닛 140b: 근거리 통신 모듈
150: 히터 패턴 160: 안테나 패턴
210: 섬유 211: 기공

Claims (20)

  1. 섬유 성형성 고분자 물질로 이루어지며, 방사된 직경 3㎛ 이하의 섬유에 의해 집적되어 형성된 섬유 웹으로 이루어진 베이스 기재; 및
    상기 베이스 기재에 전도성 페이스트로 형성된 전도성 회로 패턴;을 포함하며,
    상기 섬유 웹은 상층, 중간층 및 하층으로 이루어진 3층의 섬유 웹 구조이며,
    상기 중간층에 있는 섬유 웹은 상층 및 하층보다 섬유의 직경이 가늘거나, 또는 무기공의 웹인 것을 특징으로 하는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 웹은 다수의 기공을 가지는 것을 특징으로 하는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회로 패턴은 상기 섬유 웹의 섬유 및 기공 상에 전도성 페이스트가 충진되어 형성되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 회로 패턴은 상기 섬유 웹의 섬유에 형성된 것을 특징으로 하는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 웹은 고분자 물질 및 용매를 혼합한 방사용액을 전기방사하여 얻어진 섬유가 축적되어 형성된 것을 특징으로 하는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 기재의 두께가 20 내지 100㎛로 형성되며,
    상기 회로 패턴이 베이스 기재의 상측면과 하측면에 각각 형성될 때, 상측면과 하측면에 형성된 회로 패턴은 서로 통전이 이루어지지 않는 것을 특징으로 하는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 기재의 두께가 5 내지 20㎛로 형성되며,
    상기 베이스 기재에 형성되는 회로 패턴은 상하 통전이 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판.
  8. 제1항에 있어서, 상기 회로 패턴은 상기 섬유 웹에 프린팅된 전도성 페이스트에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 기재는
    강도 보강용 지지체; 및
    상기 지지체의 일면 또는 양면에 적층되는 섬유 웹;을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 웹의 기공도는 40 내지 80%인 것을 특징으로 하는 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판.
  13. 가요성, 통기성 및 방수성 특성을 갖는 다공성 베이스 기재에 전도성 회로 패턴이 형성된 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판; 및
    상기 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판에 실장되는 적어도 하나의 전자 부품을 포함하며,
    상기 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판은 청구항 1 내지 청구항 9 및 청구항 12 중 어느 하나에 기재된 웨어러블 플렉서블 인쇄회로기판인 것을 특징으로 하는 웨어러블 스마트 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전자 부품은
    사용자의 신체 상태를 검출하기 위한 바이오 센서와 주변환경을 감지하기 위한 환경감지센서 중 적어도 하나를 포함하는 센서유닛;
    근거리 무선 통신에 사용되는 근거리 통신 모듈;
    무선 통신에 사용되는 안테나 패턴; 및
    신호처리 기능을 수행하기 위한 제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 스마트 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전자 부품은 외부 환경에 따라 발열시키기 위한 히터 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 스마트 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 안테나 패턴과 히터 패턴은 상기 인쇄회로기판에 전도성 페이스트를 이용하여 직접 형성되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 스마트 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 전자 부품은 사용자의 신체 상태를 검출하기 위한 바이오 센서와 히터 패턴 중 하나인 것을 특징으로 하는 웨어러블 스마트 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 웨어러블 스마트 장치는 안감과 것감 사이에 내장되거나 안감 내측에 적층되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 스마트 장치.
  19. 삭제
  20. 삭제
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