플렉서블 전자회로

3. 응용 분야

플렉서블 회로는 유연성, 공간 절약, 생산 제약 등으로 인해 경성 회로 기판이나 수작업 배선 사용이 어려운 다양한 분야에서 커넥터로 자주 사용된다.

대부분의 플렉서블 회로는 집적 회로, 저항기, 커패시터와 같은 전자 부품을 상호 연결하는 수동 배선 구조이다. 그러나 일부는 직접 또는 커넥터를 통해 다른 전자 어셈블리 간의 상호 연결을 만드는 데만 사용된다. 소비자 가전 제품에서는 카메라, 개인용 엔터테인먼트 기기, 계산기, 운동 모니터 등에 플렉서블 회로가 사용된다. 플렉서블 회로는 소형 패키지에 많은 상호 연결이 필요한 산업 및 의료 기기에서도 발견된다. 휴대 전화는 플렉서블 회로가 널리 사용되는 또 다른 예이다.

• '''입력 장치'''

• '''디스플레이'''

• '''플렉시블 배터리'''

• '''자동차 회로'''

• '''프린터'''

• '''태양 전지'''

• '''피부형 회로'''

• '''인쇄 전자'''

3. 1. 입력 장치

3. 2. 디스플레이

3. 3. 플렉시블 배터리

3. 4. 자동차 회로

3. 5. 프린터

3. 6. 태양 전지

3. 7. 피부형 회로

3. 8. 인쇄 전자

4. 역사

20세기 초에 발급된 특허는 절연 재료 층 사이에 끼워진 평면 전기 도체에 대한 관심을 보여주며, 초기 전화 스위칭 응용 분야에 사용된 전기 회로가 그 결과물이다.^[15] 플렉스 회로라고 할 수 있는 가장 초기의 설명 중 하나는 1903년 앨버트 한센이 발표한 영국 특허에서 찾을 수 있는데, 파라핀 왁스가 코팅된 종이에 평평한 금속 도체를 사용하는 구조를 설명했다. 토머스 에디슨의 당시 연구 노트에는 셀룰로스 검을 리넨 종이에 바르고 흑연 가루를 입혀 유연한 회로를 만들려는 구상이 있었지만, 실제로 사용했다는 증거는 없다.

1947년 브루네티와 커티스가 발행한 "인쇄 회로 기술"은 유연한 절연 재료(예: 종이) 위에 회로를 만드는 것에 대한 간략한 설명을 담고 있다. 1950년대에 달그렌과 샌더스는 와이어 하네스를 대체하기 위해 유연한 기재에 평평한 도체를 인쇄하고 에칭하는 공정을 개발하고 특허를 획득했다. 같은 시기 Photocircuits Corporation에서 게재한 광고는 유연 회로에 대한 관심을 보여주었다.

플렉서블 회로는 전 세계적으로 다양하게 "유연 인쇄 배선, 플렉스 인쇄, 플렉시 회로" 등으로 알려져 있으며, 일본 전자 패키징 엔지니어들의 노력으로 많은 제품에 사용되고 있다. 플렉서블 회로는 가장 빠르게 성장하는 상호 연결 제품 시장 부문 중 하나이며, "플렉서블 전자"는 장치 내에서 활성 및 수동 기능을 모두 통합하는 플렉서블 회로 기술의 한 변형이다.

5. 플렉시블 회로 구조

플렉서블 회로는 구조에 상당한 차이를 보인다.

==== 단면 플렉스 회로 ====

단면 플렉서블 회로는 유연한 유전체 필름 위에 금속 또는 전도성 (금속 충전) 폴리머로 만들어진 도체 층을 가지고 있다. 부품 단자 기능은 한쪽 면에서만 접근할 수 있다. 부품 리드가 상호 연결을 위해 통과할 수 있도록 베이스 필름에 구멍을 형성할 수 있으며, 일반적으로 납땜을 통해 이루어진다. 회로 위에 보호 코팅을 사용하는 것이 가장 일반적인 관행이지만, 커버 레이어 또는 커버 코트와 같은 보호 코팅 유무에 관계없이 제작할 수 있다. 스퍼터링된 전도성 필름 위에 표면 실장 장치의 개발로 LED 유리뿐만 아니라 유연한 자동차 조명 복합재에서도 사용되는 투명 LED 필름의 생산이 가능해졌다.

==== 이중 접근 플렉스 회로 ====

이중 접근 플렉스 회로(Double access flex)는 배면 노출 플렉스 회로라고도 하며, 단일 도체 층을 가지고 있지만 양면에서 도체 패턴의 선택된 기능에 접근할 수 있는 플렉스 회로이다. 이러한 유형의 회로는 장점이 있지만, 기능에 접근하기 위한 특수 가공 요구 사항으로 인해 사용이 제한적이다.

==== 조각된 플렉스 회로 ====

조각된 플렉스 회로의 제조는 플렉스 회로 다단계 에칭 방식을 사용하는데, 이 방식은 도체 두께가 길이의 여러 지점에서 다른 완성된 구리 도체를 가진 플렉스 회로를 생성한다. 즉, 도체는 유연한 영역에서는 얇고 상호 연결 지점에서는 두껍다.

==== 양면 플렉스 회로 ====

이중 면 플렉스 회로는 두 개의 도체 층을 가지고 있다. 이 회로는 쓰루 홀이 있거나 없이 제작될 수 있지만, 도금된 쓰루 홀 방식이 훨씬 더 일반적이다. 도금된 쓰루 홀 없이 제작된 경우, 연결 기능은 한쪽 면에서만 접근할 수 있으며, 회로는 군사 규격에 따라 "Type V (5)"로 정의된다. 도금된 쓰루 홀 때문에 회로의 양쪽에 종단이 제공되어 양쪽에 부품을 배치할 수 있다. 설계 요구 사항에 따라, 이중 면 플렉스 회로는 완성된 회로의 한쪽, 양쪽 또는 어느 쪽에도 보호 커버 레이어를 사용하여 제작할 수 있지만, 일반적으로 양쪽에 보호 레이어가 있는 형태로 생산된다. 주요 장점 중 하나는 교차 연결을 쉽게 할 수 있다는 것이다. 많은 단면 회로는 교차 연결 때문에 이중 면 기판 위에 제작된다. 이러한 사용의 예로는 마우스패드를 마더보드에 연결하는 회로가 있다. 해당 회로의 모든 연결은 기판의 한쪽에만 위치하며, 다른 쪽을 사용하는 작은 교차 연결을 제외한다.

==== 다층 플렉스 회로 ====

다층 플렉서블 회로는 3개 이상의 도체 층을 가진 플렉서블 회로이다. 일반적인 경우 각 층은 도금된 관통 구멍을 통해 상호 연결되지만, 하위 회로 레벨의 특징에 접근할 수 있는 개구를 제공하는 것이 가능하므로 반드시 필요한 것은 아니다. 층들은 관통 구멍이 차지하는 영역을 제외하고, 전체 구조에서 연속적으로 적층될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 불연속 적층은 최대의 유연성이 요구되는 경우에 흔히 사용된다. 이는 굽힘이나 휘어짐이 발생할 영역을 접착하지 않음으로써 이루어진다.

==== 경성-연성 회로 기판 ====

경성-연성 회로 기판은 강성 기판과 연성 기판을 단일 구조로 적층하여 결합한 하이브리드 형태이다. 보강재가 부착되어 부품의 무게를 지탱하는 연성 회로 기판인 강성 연성 구조와는 다르다. 강성-연성 회로 기판은 하나 이상의 도체 층을 가질 수 있으며, 이 층들은 일반적으로 도금된 스루 홀로 상호 연결된다.^[16]

컴팩 컴퓨터(Compaq Computer)는 1990년대에 노트북 컴퓨터 보드에 이 방식을 선택했다. 컴퓨터의 주요 강성-연성 인쇄 회로 기판 어셈블리(PCBA)는 사용 중에 구부러지지 않았지만, 이후 컴팩 설계에서는 경첩이 달린 디스플레이 케이블에 강성-연성 회로 기판을 사용하여 테스트 과정에서 수만 번의 굴곡을 견딜 수 있도록 했다. 2013년까지 소비자용 노트북 컴퓨터에서 강성-연성 회로 기판의 사용이 보편화되었다.

강성-연성 기판은 군용 제품 설계에서 자주 사용되며, 상업용 제품에서도 점차 활용 범위가 넓어지고 있다. 일반적으로 다층 구조이지만, 때로는 2개의 금속 층 구조가 사용되기도 한다.^[16]

==== 고분자 후막 플렉스 회로 ====

고분자 후막(PTF) 플렉서블 회로는 고분자 필름 위에 회로 요소를 인쇄하여 만든다. 일반적으로 단일 도체 층 구조이지만, 인쇄된 절연 층으로 분리된 두 개 이상의 금속 층을 순차적으로 인쇄할 수 있다. 전도성이 낮아 특정 응용 분야로 제한되지만, PTF 회로는 약간 더 높은 전압의 저전력 응용 분야에서 사용되고 있다. 키보드가 일반적인 응용 분야이다.

5. 1. 단면 플렉스 회로

5. 2. 이중 접근 플렉스 회로

5. 3. 조각된 플렉스 회로

5. 4. 양면 플렉스 회로

5. 5. 다층 플렉스 회로

5. 6. 경성-연성 회로 기판

5. 7. 고분자 후막 플렉스 회로

6. 플렉시블 회로 재료

플렉서블 회로의 각 구성 요소는 제품 수명 동안 지속적으로 요구 사항을 충족할 수 있어야 한다. 또한, 이 재료는 플렉서블 회로 구성의 다른 요소와 함께 제조의 용이성과 신뢰성을 보장하기 위해 안정적으로 작동해야 한다. 다음은 플렉스 회로 구성의 기본 요소와 기능에 대한 간략한 설명이다.

'''기저 재료'''

기저 재료는 라미네이트의 기반을 제공하는 유연한 고분자 필름이다. 일반적인 상황에서 플렉스 회로 기저 재료는 플렉시블 회로의 대부분의 주요 물리적 및 전기적 특성을 제공한다. 접착제 미사용 회로 구조의 경우, 기저 재료가 모든 특성적 특성을 제공한다.

다양한 두께가 가능하지만, 대부분의 플렉시블 필름은 12 μm에서 125 μm (0.5mil에서 5mil)의 비교적 얇은 범위로 제공되지만, 더 얇거나 두꺼운 재료도 가능한다. 얇은 재료는 물론 더 유연하며 대부분의 재료에서 강성은 두께의 세제곱에 비례하여 증가한다. 따라서 예를 들어 두께가 두 배가 되면 재료는 8배 더 강성이 되고 동일한 하중에서 1/8만 휨니다.

기저 필름으로 사용되는 재료에는 폴리에스터(PET), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에테르이미드(PEI)와 다양한 플루오로폴리머(FEP) 및 공중합체가 있다. 폴리이미드 필름은 유리한 전기적, 기계적, 화학적 및 열적 특성이 혼합되어 있어 가장 널리 사용된다.

'''접착제'''

접착제는 라미네이트를 제작하기 위한 접착 매체로 사용된다. 내열성과 관련하여 접착제는 일반적으로 라미네이트의 성능 제한 요소이며, 특히 폴리이미드가 기본 재료인 경우 더욱 그렇다. 폴리이미드 접착제와 관련된 초기 어려움 때문에, 현재 많은 폴리이미드 플렉서블 회로에서는 다른 고분자 계열의 접착 시스템을 사용한다. 그러나 일부 최신 열가소성 폴리이미드 접착제가 중요한 진전을 보이고 있다.

기본 필름과 마찬가지로 접착제도 다양한 두께로 제공된다. 두께 선택은 일반적으로 응용 분야에 따라 결정된다. 예를 들어, 서로 다른 구리 호일 두께의 채움 요구 사항을 충족하기 위해 커버 레이어를 만들 때 서로 다른 접착제 두께가 일반적으로 사용될 수 있다.

'''금속 포일'''

금속 포일은 플렉서블 라미네이트의 전도성 요소로 가장 일반적으로 사용된다. 금속 포일은 일반적으로 회로 경로가 에칭되는 재료이다. 다양한 두께의 광범위한 금속 포일을 선택하여 플렉스 회로를 만들 수 있지만, 구리 포일은 모든 플렉서블 회로 응용 분야의 대부분을 차지한다. 구리는 비용과 물리적, 전기적 성능의 훌륭한 균형을 이루어 훌륭한 선택이다. 실제로는 많은 종류의 구리 포일이 있다. IPC는 인쇄 회로용 구리 포일의 8가지 유형을 식별하며, 이는 두 가지 더 넓은 범주인 전해 증착 및 압연으로 나뉘며, 각각 4가지 하위 유형을 가진다. 결과적으로, 다양한 최종 제품의 다양한 목적에 맞는 플렉스 회로 응용 분야에 사용할 수 있는 여러 종류의 구리 포일이 있다. 대부분의 구리 포일에서 베이스 필름에 대한 접착력을 향상시키기 위해 포일의 한쪽에 얇은 표면 처리를 일반적으로 적용한다. 구리 포일은 압연(압연) 및 전해 증착의 두 가지 기본 유형이 있으며, 그 특성은 매우 다르다. 압연 및 어닐링된 포일이 가장 일반적인 선택이지만, 전기도금된 더 얇은 필름이 점점 인기를 얻고 있다.

특정 비표준적인 경우, 회로 제조업체는 특수 구리 합금 또는 다른 금속 포일과 같은 특정 대체 금속 포일을 사용하여 특수 라미네이트를 만들도록 요구받을 수 있다. 이는 베이스 필름의 특성에 따라 접착제 유무에 관계없이 포일을 베이스 필름에 라미네이팅하여 수행된다.

6. 1. 기저 재료

6. 2. 접착제

6. 3. 금속 포일

7. 산업 표준 및 사양

사양은 제품의 외형과 성능에 대한 공통적인 이해 기반을 제공하기 위해 개발된다. 표준은 전자 산업 연결 협회(IPC)와 같은 제조업체 협회와 플렉서블 회로 사용자에 의해 직접 개발된다.

8. 관련 학술 출판물 및 학술 회의

IEEE 플렉서블 전자공학 저널(J-FLEX)^[17]

참조

_[1] 간행물 The developments of LEDs and SMD Electronics on transparent conductive Polyester film Vacuum International 2007-01
_[2] 웹사이트 Scottevest solar jacket and the Voltaic http://www.voltaicsy[...] 2014-01-15
_[3] 논문 Multifunctional cellulose-paper for light harvesting and smart sensing applications https://pubs.rsc.org[...] 2018-03-29
_[4] 논문 Photonic-Structured Perovskite Solar Cells: Detailed Optoelectronic Analysis https://pubs.acs.org[...] 2022
_[5] 논문 Soft-Microstructured Transparent Electrodes for Photonic-Enhanced Flexible Solar Cells 2021
_[6] 뉴스 Stretchy electronics go wireless for flexible wearables https://www.nature.c[...] 2021-12-14
_[7] 웹사이트 Custom Printed Electronics https://www.almax-rp[...] 2016-12-30
_[8] 논문 Multifunctional cellulose-paper for light harvesting and smart sensing applications https://pubs.rsc.org[...] 2018-03-29
_[9] 웹사이트 Thinfilm and InkTec awarded IDTechEx' Technical Development Manufacturing Award http://www.printedel[...] IDTechEx 2009-04-15
_[10] 웹사이트 PolyIC, ThinFilm announce pilot of volume printed plastic memories http://www.eetimes.c[...] EETimes 2009-09-22
_[11] 웹사이트 All set for high-volume production of printed memories http://www.printedel[...] Printed Electronics World 2010-04-12
_[12] 웹사이트 Thin Film Electronics Plans to Provide ‘Memory Everywhere’ http://www.printedel[...] Printed Electronics Now 2010-05
_[13] 웹사이트 Revolutionize Your Industrial Heating with Rotimpres https://printedelect[...] Heater 2024-10-14
_[14] 웹사이트 Capacitive keyboards - Rotimpres https://printedelect[...] Capacitive switch 2024-10-14
_[15] 서적 Printed Circuit Techniques National Bureau of Standards 1947-11-15
_[16] 웹사이트 Rigid Flex Circuits, Flexible Circuits, Flex Circuit Boards, PCB Flex http://gcaflex.com/f[...] 2018-02-27
_[17] 웹사이트 IEEE Journal on Flexible Electronics - IEEE Journal on Flexible Electronics (J-FLEX) publishes on sensors, transistors, related devices, circuits, systems on flexible, disposable, stretchable and degradable substrates https://ieee-jflex.o[...]
_[18] 간행물 2021 IEEE International Flexible Electronics Technology Conference (IFETC) https://ifetc.org/we[...]