KR20200124938A

KR20200124938A - 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20200124938A
Application number: KR1020190048430A
Authority: KR
Inventors: 최영민; 이수연; 정선호; 정성묵; 한설희
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2020-11-04
Also published as: KR102238023B1

Abstract

본 발명은 신축성 및 유연성을 갖는 연신 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2가지 방향 이상의 평면 방향으로 신축이 가능하고, 연신 시 저항의 증가를 최소화하여 신뢰성을 향상시킨 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극에 관한 것이다.

Description

평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극 및 이의 제조 방법{Stretchable Electrode in Plane Direction and Making Method of the Same}

본 발명은 신축성 및 유연성을 갖는 연신 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2가지 방향 이상의 평면 방향으로 신축이 가능하고, 연신 시 저항의 증가를 최소화하여 신뢰성을 향상시킨 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

최근에 신체에 부착하여 컴퓨팅 행위를 할 수 있는 웨어러블 디바이스들의 연구가 활발히 진행 중이다. 신체에 부착되는 웨어러블 디바이스들은 유연성과 부착성, 착용감이 매우 중요하고, 이를 구현하기 위해서는 변형이 자유로운 유연한 전극의 개발이 요구된다.

종래에는 유연한 재질의 기판에 전도성 플레이크 또는 전도성 와이어를 분포시켜 신축 가능한 연신 전극에 관한 기술이 공지된 바 있으나, 종래의 연신 전극은, 굽힘 시 저항 변화는 크지 않지만, 평면 방향으로 연신 시에는 플레이크 입자간의 거리가 늘어나고, 와이어의 경우 단선되기 때문에 이에 따른 저항이 증가하여 신뢰성이 떨어지고, 일정 거리 이상 연신될 경우 저항이 급격히 증가하여 전극의 기능을 상실하기 때문에 신축에 한계가 있었다.

한국공개특허공보 제10-2018-0098777호(2018.09.05)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 평면 방향으로 연신이 가능하도록 힌지 구조를 적용하여 구조적으로 연신이 가능하면서도 전극에 가해지는 스트레스를 최소화함에 따라 연신 시 저항이 증가하는 것을 방지한 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극 및 이의 제조 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 일실시 예에 따른 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극은, 복수 개가 이격 배치되는 전극 유닛; 및 상기 전극 유닛 중 어느 하나와 이웃하는 전극 유닛을 연결하는 브리지; 을 포함하며, 상기 브리지의 폭은 상기 전극 유닛의 폭보다 적게 형성된다.

또한, 상기 전극 유닛은, 다각형으로 이루어지며, 상기 브리지는, 상기 전극 유닛의 모서리 또는 모서리에 인접하여 형성된다.

또한, 상기 전극 유닛은, 연신 시 각각이 평면 방향에 직교하는 방향을 회전축으로 회전한다.

또한, 상기 브리지는, 상기 전극 유닛의 각 변 중 하나 이상에 배치되되 각 변에는 단일로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 브리지는, 상기 전극 유닛과 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연신 전극은, 평판의 전극에 이격 공간을 형성하고, 상기 이격공간을 통해 복수의 전극 유닛과 브리지를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극 유닛과 이웃하는 전극 유닛의 이격 폭과, 상기 전극 유닛의 폭의 비는 1: 4~ 1: 9 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연신 전극은, 탄성중합체 상에 전도성 플레이크를 혼합하여 제조하되, 상기 전도성 플레이크의 중량비는 50% 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연신 전극은, 유기용매를 더 포함하여 제조하되, 전도성 플레이크와 유기용매와 탄성중합체의 중량비가 3 내지 9 : 2 : 1 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연신 전극은, 전도성 플레이크와 유기용매와 탄성중합체가 혼합된 금속 페이스트와, 상기 금속 페이스트의 일면 또는 타면에 결합되는 탄성중합체 재질의 연신층을 더 포함하여 구성된다.

또한, 상기 금속 페이스트의 두께는 100~500 μm 이고, 상기 연신층의 두께는 1~ 5 mm 이다.

또한, 상기 브리지는, 상기 연신 전극 연신 시 단면적의 변화를 줄여 음의 푸아송비를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시 예에 따른 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극의 제조 방법은, 전도성 플레이크와 탄성중합체를 혼합하는 금속 페이스트 제조 단계; 금속 페이스트를 몰드에 충진하여 건조하는 금속 페이스트층 성형 단계; 금속 페이스트층이 형성된 몰드에 탄성중합체를 충진하는 연신층 충진 단계; 및 탄성중합체를 건조하는 연신층 성형 단계; 를 포함한다.

또한, 상기 연신층 성형 단계는, 탄성중합체 건조 전에 상기 몰드의 외측으로 돌출되는 탄성중합체를 블레이딩하는 연신층 블레이딩 단계; 를 더 포함한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극 및 이의 제조 방법은, 평면 방향으로 연신이 가능함에 따라 다양한 웨어러블 디바이스들에 적용이 가능한 효과가 있다.

특히, 연신 시 저항의 증가를 줄여 연신 시에도 전극의 신뢰성을 향상시킨 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 연신 전극의 평면도
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 연신 전극의 부분확대평면도
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 연신 전극의 연신을 나타낸 부분확대평면도
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연신 전극의 평면도
도 6은 일반적인 유연전극의 연신 시 평면 사진과 연신에 따른 저항변화율을 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 연신 전극의 연신 시 평면 사진과 연신에 따른 저항변화율을 나타낸 그래프
도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 연신 전극의 제조 방법 순서도
도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 연신 전극의 제조 방법 관련 주요 공정의 개략단면도

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극(100, 이하 '연신 전극')의 평면도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 연신 전극(100)의 부분확대평면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 연신 전극(100)은 복수의 전극 유닛(110)이 일정거리 이격 배치되고, 이격 배치되는 각각의 전극 유닛(110)을 브리지(150)를 통해 연결한 형태로 이루어질 수 있다. 따라서 연신 전극(100)은 연신 시 전극 유닛(110) 사이의 공간이 넓어지도록 하여 전극 유닛(110)의 변형을 최소화함에 따라 전극 유닛(110)의 저항 증가를 최소화하였다.

보다 구체적으로 설명하면, 전극 유닛(110)은 대략 사각형 형태로 이루어지며, 복수개가 소정거리 이격 배치된다. 브리지(150)는, 전극 유닛(110)의 어느 한 변에서 연장 형성되어 이웃하는 전극 유닛(110)의 어느 한 변에 연결되도록 구성된다. 브리지(150)의 폭은 전극 유닛(110)의 폭보다 적게 형성되며, 이는 연신 전극(100)의 연신 시 발생될 수 있는 전극 유닛(110)의 변형을 줄여 저항 증가를 방지하기 위함이다.

브리지(150)는 연신 전극(100)의 연신 시 전극 유닛(110)의 연신 방향에 직교하는 회전축을 기준으로 회전하도록 다음과 같은 구성을 갖는다. 연신 시 전극 유닛(110)이 회전하지 않는 경우 전극 유닛(110)이 늘어남에 따라 저항이 증가될 수 있기 때문이다. 이를 위해 브리지(150)는 전극 유닛(110)의 어느 한 변과 이웃하는 전극 유닛의 어느 한 변 사이에는 단일로 연결될 수 있다. 또한, 브리지(150)는 전극 유닛(110)의 모서리부에 인접하여 배치될 수 있다. 또한, 브리지(150)는 전극 유닛(110)의 어느 한 변의 일측 단부에 배치될 경우 다른 브리지(150)는 상기 어느 한 변과 대향되는 변의 타측 단부에 배치될 수 있다. 즉 브리지(150)는 전극 유닛(110)의 서로 마주보는 대향 변을 기준으로 서로 대각선상에 배치될 수 있다. 따라서 위와 같은 브리지(150)의 배치를 통해 연결된 전극 유닛(110)은 평면 방향으로 연신 시 회전하여 변형을 최소화하도록 구성된다.

특히 본 발명의 연신 전극(100)은 브리지(150) 구조를 통해 양방향 연신이 가능하면서도 브리지(150)는 음의 푸아송비(Poisson's ratio)를 갖는 특징이 있다. 일반적인 연신 가능한 전극들은 연신 시 단면적이 줄어들면서 두께가 얇아지는 특성을 갖지만, 본 발명의 연신 전극(100)은 전극 유닛(110)의 로테이션을 통해 연신하기 때문에 연신 시 브리지(150)의 단면적의 변화가 적다. 따라서 본 발명의 연신 전극(100)은 에너지를 잘 흡수하고, 외부 충격에 강한 특징을 갖는 장점이 있다.

도면상에는 브리지(150)가 전극 유닛(110)과 분리 형성되어 결합되는 것으로 도시되어 있으나, 일체로 형성될 수 있다. 즉 연신 전극(100)은 전극 유닛(110)과 브리지(150)가 일체로 성형되도록 사각판 성형을 위한 금형에 도시된 바와 같은 연신공간(121, 122)이 형성되도록 돌출부를 구비하여 연신 전극(100)을 몰딩 방식으로 성형할 수 있다.

다른 실시 예로는 박막 또는 일정 두께를 갖는 판상의 전극을 우선 성형한 후 연신공간(121, 122)을 절삭하여 복수의 전극 유닛(110)과 브리지(150)가 일체로 연결된 형태의 연신 전극(100)을 성형할 수 있다.

한편, 복수의 전극 유닛(110)과 전극 유닛 사이의 이격거리(W2)와, 전극 유닛(110)의 폭(W1)과의 비는 1: 4 ~ 1: 9의 범위 내에서 구성될 수 있다. 1: 9 를 초과하는 경우 연신 거리가 짧아지고, 1: 4 미만인 경우 전극 유닛(110)의 면적이 줄어들어 전기적 특성이 떨어질 수 있기 때문이다.

도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 연신 전극(100)의 연신 전 부분확대평면도가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 일실시 예에 따른 연신 전극(100)의 연신 후 부분확대평면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 제1 내지 제4 전극(111, 112, 113, 114)이 서로 이격되어 브리지(150)를 통해 연결된 상태에서 평면 방향으로 연신될 경우 브리지(150)의 배치 상태에 따라 회전 방향이 결정된다.

도면상의 좌측 상부에 배치된 제1 전극(111)과, 우측 하부에 배치된 제4 전극(114)은 연신 시 시계 방향으로 회전하게 되고, 도면상의 우측 상부에 배치된 제2 전극(112)과, 좌측 하부에 배치된 제3 전극(113)은 연신 시 반시계 방향으로 회전하게 된다. 즉 전극 유닛과 이웃하는 전극 유닛은 서로 반대 방향으로 회전하여 전극 유닛과 전극 유닛 사이의 공간이 넓어짐에 따라 전극 유닛의 변형 없이 연신이 가능하도록 구성된다.

도 5에는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연신 전극(200)의 평면도가 도시되어 있다. 도 5에 도시된 연신 전극(200)은 상술된 본 발명의 일실시 예에 따른 연신 전극(100)에 비해 전극 유닛의 수를 증가시키고, 전극 유닛의 면적은 줄어듦에 그 특징이 있다. 즉 하나의 전극 유닛을 다시 4개의 전극 유닛으로 나누어 구성하였다. 위와 같이 전극 유닛의 수가 증가되고, 연신공간이 증가할 경우 연신 시 연신 거리가 증가됨은 물론 전극 유닛의 변형을 더욱 최소화할 수 있어 연신 거리가 늘어나도 저항의 증가를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 6에는 일반 적인 유연 전극의 연신 강도에 따른 저항변화율을 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명의 일실시 예 및 다른 실시 예에 따른 연신 전극(100, 200)의 연신 강도에 따른 저항변화율을 나타낸 그래프가 도시되어 있고,

도 6에 도시된 바와 같이 일반적인 유연 전극은 연신 시 평면 방향으로 변형이 발생되고, 도전 입자간의 거리가 멀어짐에 따라 저항이 증가하는 것을 볼 수 있다. 특히 연신 강도가 0.2 이상 증가하는 경우 저항변화율이 기하급수적으로 증가함에 따라 전극의 기능을 상실하게 됨을 알 수 있다. (연신 강도가 0.2에서 저항변화율이 1100%까지 증가함)

그러나 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 연신 전극(100, 200)은, 연신 시 연신공간만 증가할 뿐 전극 유닛의 변형은 거의 발생하지 않기 때문에 연신 강도를 0.4까지 증가시켜도 저항변화율이 54% 이내인 것을 알 수 있고, 특히 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연신 전극(200, level 2)의 경우 연신 강도를 0.5까지 증가시켜도 저항변화율이 26% 이내인 것을 알 수 있다.

이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시 예에 따른 연신 전극의 제조 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 8에는 본 발명의 일실시 예에 따른 연신 전극의 제조 방법 순서도가 도시되어 있고, 도 9에는 본 발명의 일실시 예에 따른 연신 전극의 제조 방법 관련 주요 공정의 개략 단면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 우선 연신 전극의 제조를 위해 전도성 플레이크와, 유기용매와, 탄성중합체를 각각 중량비 3 내지 9: 2: 1로 혼합하여 금속 페이스트를 제조하는 금속 페이스트 제조 단계(S10)를 수행한다. 전도성 플레이크는 필요에 따라 적절이 가감될 수 있다. 일예로 연신 보다 전기적 성능이 우선되는 경우 9: 2: 1로 혼합될 수 있고, 연신 성능이 우선되는 경우 3: 2: 1로 혼합될 수 있다. 전도성 플레이크로는 실버 플레이크가 적용될 수 있고, 유기용매로는 MIBK(methyl isobutyl ketone)이 적용될 수 있다. 또한, 탄성중합체로는 PDMS (Polydimethylsiloxane)가 적용될 수 있다.

다음으로 도 9의 최상측에 도시된 바와 같이 제조된 금속 페이스트(101a)를 연신 전극의 성형을 위한 몰드(M)에 충진시키고, 금속 페이스트(101a) 상의 용매 증발 및 페이스트의 경화를 위해 80℃에서 1시간 건조하는 금속 페이스트층 성형 단계(S20)를 수행한다. 금속 페이스트(101a)의 건조가 완료되면, 위에서 두 번째 도면에 도시된 바와 같이 높이(두께)가 줄어든 상태의 금속 페이스트층(101)이 형성된다.

다음으로, 금속 페이스트층(101)이 형성된 몰드(M)에 연신을 위한 탄성중합체(102a)를 충진하는 탄성중합체 충진 단계(S30)를 수행한다. 탄성중합체(102a)로는 일예로 PDMS(polydimethylsiloxane)가 적용될 수 있다.

다음으로, 블레이드(B)를 이용하여 몰드(M) 상측으로 돌출된 탄성중합체(102a)를 블레이딩 한 후 경화를 위해 80℃에서 1시간 건조시키는 연신층 성형 단계(S40)를 수행한다. 탄성중합체(102a)의 건조가 완료되면, 금속 페이스트층(101)의 상측에 연신층(102)이 형성된다.

위와 같은 방법으로 제조된 샘플을 몰드에서 떼어내어 금속 페이스트층(101)과 연신층(102)의 두 층으로 구조화된 연신 전극(100)을 제조할 수 있다.

탄성중합체 재질을 추가 충진하여 금속 페이스트층(101)와 연신층(102)의 2층 구조로 제조하는 이유는 연신 전극을 수 mm 두께의 금속 페이스트 단층 구조로 제작하게 되면 전극의 저항은 낮지만 연신 성능은 떨어지기 때문에 연신 성능이 우수한 연신층을 추가로 도포하여 연신 성능을 향상시키도록 구성하였다.

보다 구체적으로 전극층의 두께는 100~500 μm, 지지층인 연신층의 두께는 수 mm로 제작하여 전극의 전기적 성능은 유지하면서도 구조적 강성을 확보하고, 연신 성능을 향상시키도록 구성하기 위함이다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

100, 200 : 연신 전극
101 : 금속 페이스트층
102 : 연신층
110 : 전극 유닛
111, 112, 113, 114 : 제1 내지 제4 전극
121, 122 : 연신공간
150 : 브리지
W1 : 전극 유닛의 폭
W2 : 전극 유닛의 간격
M : 몰드
B : 블레이드

Claims

복수 개가 이격 배치되는 전극 유닛; 및
상기 전극 유닛 중 어느 하나와 이웃하는 전극 유닛을 연결하는 브리지;
을 포함하며,
상기 브리지의 폭은 상기 전극 유닛의 폭보다 적게 형성되는, 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극.
제 1항에 있어서,
상기 전극 유닛은, 다각형으로 이루어지며,
상기 브리지는, 상기 전극 유닛의 모서리 또는 모서리에 인접하여 형성되는, 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극.
제 2항에 있어서,
상기 전극 유닛은,
연신 시 각각이 평면 방향에 직교하는 방향을 회전축으로 회전하는, 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극.
제 3항에 있어서,
상기 브리지는,
상기 전극 유닛의 각 변 중 하나 이상에 배치되되 각 변에는 단일로 배치되는 것을 특징으로 하는, 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극.
제 1항에 있어서,
상기 브리지는,
상기 전극 유닛과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는, 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극.
제 5항에 있어서,
상기 연신 전극은,
평판의 전극에 이격 공간을 형성하고, 상기 이격공간을 통해 복수의 전극 유닛과 브리지를 형성하는 것을 특징으로 하는, 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극.
제 1항에 있어서,
상기 전극 유닛과 이웃하는 전극 유닛의 이격 폭과, 상기 전극 유닛의 폭의 비는 1: 4~ 1: 9 인 것을 특징으로 하는, 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극.
제 1항에 있어서,
상기 연신 전극은,
탄성중합체 상에 전도성 플레이크를 혼합하여 제조하되,
상기 전도성 플레이크의 중량비는 50% 이상인 것을 특징으로 하는, 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극.
제 8항에 있어서,
상기 연신 전극은, 유기용매를 더 포함하여 제조하되,
전도성 플레이크와 유기용매와 탄성중합체의 중량비가 3 내지 9 : 2 : 1 인 것을 특징으로 하는, 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극.
제 9항에 있어서,
상기 연신 전극은,
전도성 플레이크와 유기용매와 탄성중합체가 혼합된 금속 페이스트와,
상기 금속 페이스트의 일면 또는 타면에 결합되는 탄성중합체 재질의 연신층을 더 포함하여 구성되는, 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극.
제 10항에 있어서,
상기 금속 페이스트의 두께는 100~500 μm 이고, 상기 연신층의 두께는 1~ 5 mm 인, 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극.
제 1항에 있어서,
상기 브리지는,
상기 연신 전극 연신 시 단면적의 변화를 줄여 음의 푸아송비를 갖는 것을 특징으로 하는, 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극.
평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극의 제조 방법에 있어서,
전도성 플레이크와 탄성중합체를 혼합하는 금속 페이스트 제조 단계;
금속 페이스트를 몰드에 충진하여 건조하는 금속 페이스트층 성형 단계;
금속 페이스트층이 형성된 몰드에 탄성중합체를 충진하는 연신층 충진 단계; 및
탄성중합체를 건조하는 연신층 성형 단계;
를 포함하는, 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극의 제조 방법.
제 13항에 있어서,
상기 연신층 성형 단계는,
탄성중합체 건조 전에 상기 몰드의 외측으로 돌출되는 탄성중합체를 블레이딩하는 연신층 블레이딩 단계; 를 더 포함하는, 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극의 제조 방법.