700% 신축성을 가지는 전자회로 / 유연 디스플레

녹음 2026-04-13 221907.mp4

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Highly robust soft-rigid connections via mechanical interlocking for assembling ultra-stretchable displays | npj Flexible Electronics

 

a 신축성 디스플레이의 분해도 및 디스플레이의 조립도. b 소프트-강체 연결부의 구조. c 열 접합의 개략도. d 다공성 PI로 구성된 E-베스트. e 소프트-강체 연결부의 메커니즘. f 신축성 디스플레이의 제작 과정. g 스크롤 메시지가 있는 신축성 디스플레이의 광학 이미지. h 신축성 디스플레이는 피부와 등각입니다. i 12 × 12 LED 디스플레이는 신축성이 있습니다. LED 디스플레이는 5V 전원 공급 장치에 연결된 두 개의 얇은 에나멜선으로 구동됩니다.

 

 

• 구조 설계: 칩, 구리, PI(폴리이미드), PES, TPU 같은 여러 층을 열압착으로 결합해 유연한 다층 구조를 형성.
• 제작 과정: 각 층을 순서대로 적층하고, 열과 압력을 가해 기계적 인터록킹(맞물림)으로 단단히 고정.
• 특징:
  • LED와 회로가 TPU 기반 유연 기판에 안정적으로 통합됨.
  • 늘려도 잘 작동하고, 착용 시에도 빛을 안정적으로 발산.
• 응용 예시: 완성된 E-vest는 손이나 몸에 착용 가능하며, 신축성과 발광 기능을 동시에 제공하는 웨어러블 전자기기로 활용 가능.

여러 층을 열압착으로 결합해 만든 유연한 베스트형 전자기기로, LED와 회로가 안정적으로 작동하면서도 착용자의 움직임에 맞춰 늘어날 수 있는 기술

a 접착력을 측정하기 위한 180° 박리 테스트의 개략도입니다. b PI와 TPU 사이의 접착력은 서로 다른 재료에 의해 강화됩니다. 샘플 크기는 각 그룹에 대해 n = 7이었습니다. 데이터는 평균 ± SD로 표시됩니다. c 용융 후 PI에서 서로 다른 재료의 접촉 각도. d PI-TPU 연결에 대한 힘-strain 곡선은 PES에 의해 강화됩니다. 서로 다른 색상의 곡선은 TPU의 두께가 다릅니다.

 

• (a) 180° 박리 시험
  • TPU 같은 유연 소재를 다른 기판과 붙여서 당겨 떼어내는 방식으로 접착 강도를 측정.
• (b) 접착 강도 결과
  • 여러 접착제(PES, EVA, PA, TPU, PO, Ag paste, 3M 등)를 비교했을 때 PES가 가장 강한 접착력을 보임.
  • 3M 제품은 가장 낮은 접착력.
• (c) 접촉각 측정
  • 표면에 물방울을 떨어뜨려 젖음성을 확인.
  • PES는 접촉각이 작아 잘 젖고, PO는 접촉각이 커서 잘 젖지 않음 → 표면 특성 차이.
• (d) 박리·인장 시험
  • PES와 TPU를 붙여 늘렸을 때 두께에 따라 힘-변형 곡선이 달라짐.
  • 두꺼운 층은 강도가 크지만 덜 늘어나고, 얇은 층은 더 잘 늘어나면서 힘은 상대적으로 작음.

PES가 가장 강한 접착력을 제공하고, 접착제 종류와 두께에 따라 계면 특성과 신축성이 크게 달라진다

a 변형하에서 LED 회로의 앞면과 뒷면을 광학적으로 촬영한 이미지입니다. b FEA는 e-vest를 기반으로 한 회로의 변형 분포 결과입니다. c 변형에 대한 다양한 전략에 의해 가능해진 연성-강체 연결부의 저항. 녹색 곡선은 서로 다른 변형 조건에서 MPC 와이어와 변형에 대한 d LED 회로의 저항을 나타냅니다. e 서로 다른 변형 조건에서 기판으로부터 E-vest를 분리하는 과정을 보여주는 개략도입니다. f 2000 사이클 동안 0-100%, 200%, 300%의 변형에서 연성-강체 연결부의 저항을 실시간으로 모니터링합니다.

 

• (a), (b) 작은 전자부품을 신축성 기판에 삽입하고, 변형 시 전류가 어떻게 흐르는지 확인.
• (c) 저항 변화 측정: 일반 접착제(Ag paste, 3M 등)는 쉽게 떨어지지만, E-vest 방식은 훨씬 안정적임.
• (d) LED 소자가 0% → 700%까지 늘려도 빛을 내며 작동 → 극한 신축성에서도 전도성 유지.
• (e) 변형 단계: 530%까지는 안정적, 그 이후엔 점차 계면이 떨어지다가 730% 이상에서 완전히 단절.
• (f) 반복 사이클(수천 번)에서도 저항이 일정 범위 내에서만 변동 → 내구성 확보.

TCIC 기반 신축성 연결부는 최대 700%까지 늘려도 전기적 연결을 유지하며, 반복 변형에도 안정적으로 작동하는 초신축 전자 인터커넥트 기술

a 5개의 LED가 장착된 신축성 회로. b 인장 변형 하에서 마이크로컨트롤러 칩. c 소프트-강체 연결을 강화하기 위한 다양한 전략 비교; 액체 금속 솔더(검은 화살표), 은 페이스트(녹색 화살표), 3M 9705(주황색 화살표), 전자 조끼(빨간색 화살표). d 인장 변형 하에서 마이크로컨트롤러 칩이 고장 난 개략도. e 2핀 전자 부품과 멀티핀 전자 부품 간의 소프트-강체 연결 고장 변형 비교. f 서로 다른 기판에서 소프트-강체 연결의 고장 변형. 소프트-강체 연결의 고장 변형률 대 E-베스트의 폭. h 신축성 회로의 층 대비 소프트-강체 연결의 고장 변형률. 소프트-강체 연결의 고장 변형률 대 e-베스트의 경사각. 삽입, 다양한 e-베스트의 경사각을 보여주는 개략도.

 

• (a), (b)
  • 신축성 기판 위에 IC를 부착한 유연 회로가 실제로 작동하는 모습.
  • 푸른빛 LED가 켜져 있어 전기적 연결이 안정적임을 확인.
• (c)
  • 여러 접착 방식 비교:
    • E-vest 방식이 가장 깔끔하고 안정적인 부착.
    • 은 페이스트나 3M 접착제는 들뜸·균열 발생.
• (d)
  • 변형 시 일반 접착 방식은 쉽게 떨어짐(Detach/failure).
• (e)~(i)
  • E-vest 방식이 다른 방식보다 훨씬 높은 파괴 변형률(Failure strain)을 보임 → 잘 늘어나도 끊어지지 않음.
  • 기판 종류, 폭, 층 수, 각도 변화에도 성능이 거의 일정 → 범용성 높음.

E-vest 접착 기술은 IC와 유연 회로를 안정적으로 연결해 극도의 신축성에서도 전기적·기계적 성능을 유지하는 가장 우수한 방식

 

 

a 신축성 디스플레이의 다양한 레이어와 구성 요소에 대한 개략적인 그림입니다. b 소프트 12×12 LED 디스플레이의 광학 이미지. c 비틀림 및 d 신축성이 있는 디스플레이. e 신축성 디스플레이는 다양한 변형 하에서 테스트되었습니다. 디스플레이는 하트 모양과 정사각형 모양을 번갈아 가며 나타냅니다. f 서로 다른 인장 변형 하에서 생존하는 LED의 비율. 100% 변형 하에서 서로 다른 신축 주기 후 생존하는 LED의 비율.

 

 

 

• (a) 여러 층(E-vest, PES HMA, 회로층)을 적층해 만든 구조를 설명.
• (b)~(d) 실제 장치 사진: 손으로 잡거나 비틀고, 100% 늘려도 LED가 정상적으로 켜짐.
• (e) 0%, 110%, 220% 변형 상태에서도 LED가 계속 발광 → 신축성 유지.
• (f) LED 생존율은 200%까지 거의 100% 유지, 400% 이상에서 절반 정도로 감소.
• (g) 반복 신축 2000회 이상에서도 LED 대부분이 살아남음 → 내구성 뛰어남.

 

이 장치는 수백 %까지 늘려도 LED가 켜지고, 수천 번 반복해도 안정적으로 작동하는 초신축·내구성 LED 매트릭스

 

• MPC 인터커넥트 제작
  • PVP 용액에 액체 금속(EGaIn)을 초음파 처리해 MPC 잉크 제작.
  • TPU 필름 위에 스크린 프린팅 후 건조.
  • 초기에는 절연 상태지만, 50% 신장 시 산화층이 깨져 전도성 확보.
• VIA 패치 제작
  • TPU 필름 위에 원형 MPC 패턴 인쇄 후 레이저 커팅.
  • 불필요한 TPU 제거 → VIA 패치 완성.
• 보강 필름 제작
  • PES 필름을 레이저 가공해 접착력 강화용 보강층 제작.
  • PES, PO, EVA, PA 등 다양한 폴리머 비교.
• E-vest 제작
  • 상용 FPC(플렉서블 인쇄회로) 기반.
  • PI 필름에 구리층을 레이저 드릴링·도금·에칭해 원하는 패턴 형성.
  • 동일한 회로 패턴을 가진 e-vest를 제작해 기판에 전송.
• 디스플레이 조립
  • VIA 패치와 MPC 층을 정렬 후 열압착(140–160 °C).
  • TPU 캡슐화 층으로 보호.
  • PES 층과 e-vest를 MPC 층에 열압착.
  • 납땜 페이스트(Sn42Bi58)로 전자부품 핀과 구리 접점 연결.
• 특성 평가
  • 인장·박리 시험으로 기계적 강도 측정.
  • 전기저항을 실시간 기록하며 신축·사이클 테스트.
  • SEM, 광학현미경으로 표면 관찰.
  • 접촉각 측정으로 폴리머-PI 계면 특성 분석.
  • 최종 stretchable LED 디스플레이를 실제 착용 테스트.

액체 금속 기반 MPC 잉크와 TPU/PES 필름, FPC(e-vest)를 조합해 신축성 디스플레이를 제작하고, 기계적·전기적 안정성을 평가