Micro-Structured Anisotropic Elastomer Composite-Based Electrical Components for Soft Electronics

Abstract

Soft electronics provide stretchability beyond flexibility, enabling the implementation of a device capable of various deformations which are not realizable with a flexible device. In order to implement futuristic applications with soft electronics, a multi-functional system in which various single-level devices are integrated on the stretchable platform is needed. The components for the highly integrated multi-functional system can be divided into three main categories: a single-level functional device, a VIA for integrating each functional device in 3D scheme, and a probe unit forming electrical connections for signal transfer and inspection of fabricated devices. The material-based and structure-based strategies are applied to impart not only the softness, but also the functionality suitable for each role to the device components. In this dissertation, the novel strategies for implementing three main components on the stretchable platform for the highly integrated multi-functional system, by combining magnetically induced anisotropic structure of composite and micro-perforated membrane, are discussed. As a single-level active device for the multi-functional system, soft pressure sensor arrays with high resolution up to 100 ppi that can cover the resolution of various types of human tactile sense are developed. Patternability of ferromagnetic composite with the magnetic field is analyzed through the finite element analysis (FEA) and the need of a frame for isolation of sensor pixels is discussed. By introducing the micro-perforated membrane to the composite, the spatial resolution of pressure sensor arrays is determined as 100 ppi through the two-point discrimination test. Consequently, the real-time pressure mapping and categorization in the resolution of 100 ppi is demonstrated using the readout system. As a connector for the signal transfer and inspection process, the soft probe unit that prevents damage to the electrodes on deformable electronic devices caused by the physical contact is developed. With optimized replication process for the perforated membrane, the 500 ppi SPU without crosstalk within the contact electrodes is obtained. The low contact resistance and protective characteristics of the SPU are verified with application to the inkjet-printed electrodes on the flexible substrate. The feasibility of proposed SPU to the practical usage is confirmed with introduction to the commercial FPCB connector for inspection process and electrodes for solution-processed PLED. As a connecting link for integration of single-level devices, the mechanically durable stretchable VIA enabling the facile bottom-up stacking process is developed. The effect of micro-structures on dispersion of the mechanical stress to the elastomeric substrate under the stretched state is investigated with FEA simulation and digital image correlation (DIC) analysis of real samples. The mechanical durability and reliability of proposed VIA are verified with the stretching test and electrical measurement combining the transmission line method and 4-wire measurement method. To show the feasibility of proposed approach to the multi-layered stretchable electronics applications, stretchable passive matrix LED arrays operating stably under crumpled or biaxially stretched states are demonstrated. This study provides the novel methodologies for realization of key components for highly integrated stretchable electronics utilizing the micro-structured anisotropic elastomer composite. Impartment of functionality and enhancement of device performance are carried out with formation of the magnetic field, change of filler characteristics, and introduction of micro-structures. In addition to the verified feasibility of proposed methodologies, facile and large-area processability of the micro-perforated membrane fabricated by utilizing a mold facilitates the commercialization of the proposed technology. It is expected that systematic approaches to implementing soft electrical components through design, analysis, and optimization in this dissertation will pave the way for realization of highly integrated multi-functional stretchable electronic systems.

소프트 전자 소자(soft electronics)는 기기에 유연성 (flexibility)을 넘어 신축성(stretchability)을 부여함으로써, 플렉시블 소자로는 구현할 수 없었던 다양한 변형이 가능한 전자 장치의 구현을 가능하게 한다. 소프트 전자 소자를 통한 미래지향적인 기기의 구현을 위해서는 단일 소자를 신축성 플랫폼에 집적하여 다기능 시스템을 구현하는 것이 필요하다. 이러한 고집적 다기능 시스템을 구현하기 위한 구성 요소는 단일 기능성 소자, 단일 소자의 3차원 집적을 가능하게 하는 비아, 그리고 신호 전달과 기기의 검사를 위한 전기적 연결을 형성하는 프로브 유닛, 이렇게 크게 세 가지의 항목으로 나눌 수 있다. 각각의 구성 요소에 신축성뿐만 아니라 적합한 기능성을 부여하기 위해서 재료적인 측면과 구조적인 측면에서의 전략법이 사용된다. 본 논문에서는 자기장에 의해 유도되는 이방성 복합소재와 천공성 구조의 도입을 통해 각 구성 요소를 신축성 플랫폼 상에 구현하는 방법에 대해 논의한다. 다기능 시스템을 위한 단일 소자로서, 인체의 다양한 촉각의 해상도를 구현할 수 있는 고해상도 유연 압력 센서가 개발된다. 자기장을 통한 강자성 복합소재의 패턴 형성 가능성을 유한 요소 분석법을 통한 시뮬레이션으로 확인하고, 센서 픽셀을 분리시키기 위한 프레임의 필요성에 대해 논의한다. 천공성 구조물의 도입을 통해 패터닝된 압력 센서의 해상도가 이점식별검사를 통해 100 ppi로 확인된다. 결론적으로, 100 ppi의 해상도에서 실시간 압력 분포 측정 및 압력 분류가 출력 시스템을 통해 구현되었다. 신호 전달과 검사 공정을 위한 연결 장치로서, 변형 가능한 기기의 전극에의 물리적 접촉에 의해 발생하는 손상을 막을 수 있는 유연 프로브 유닛이 개발된다. 천공성 구조 형성을 위한 최적화된 공정을 통해 접촉 전극들 사이에 전기적 혼선이 발생하지 않는 500 ppi 해상도의 프로브 유닛이 제작된다. 유연 기판 상에 잉크젯 프린팅으로 제작된 전극에 적용함으로써, 프로브 유닛의 낮은 접촉 저항과 보호 특성을 확인한다. 플렉시블 디스플레이 패널의 검사를 위한 FPCB 커넥터나 용액 공정으로 제작된 폴리머 발광 다이오드(PLED) 전극에의 도입을 통해, 제안된 프로브 유닛의 실용화 가능성이 입증된다. 마지막으로 단일 소자를 집적하기 위한 연결부로서, 다층 구조를 위한 간단한 적층 공정 적용이 가능하고 기계적 내구성이 뛰어난 비아가 개발된다. 유한 요소 분석 시뮬레이션과 실제 샘플의 디지털 이미지 상관 분석을 통해, 인장 시 비아에 작용되는 기계적 응력(stress)을 신축성 기판으로 분산시키는 마이크로 구조물의 효과를 분석한다. 제안된 비아의 기계적 내구성과 신뢰성은 신축 테스트에서 전송선 기법과 4선 저항 측정법을 결합한 전기적 측정을 통해 확인된다. 다층 신축성 전자 기기를 위한 제안된 접근법의 실현 가능성은 구겨지거나 2축 인장 상태에서도 안정적으로 동작하는 수동 매트릭스 방식의 신축 발광 다이오드 배열을 통해 입증된다. 본 논문은 마이크로 구조를 가지는 이방성 엘라스토머 복합소재를 활용하여 고집적 신축 전자 소자를 위한 핵심 구성 요소를 구현하는 방법론을 제시한다는 데에 큰 의의가 있다. 자기장의 형성, 충전제의 특성 조절, 그리고 마이크로 구조의 도입을 통해 기능성 부여와 소자 성능 향상이 이루어진다. 제안된 방법론의 실현 가능성에 대한 입증과 더불어, 몰드를 활용해 제작된 마이크로 천공성막의 간단하고 대면적 공정 가능성은 제안된 기술의 상용화를 손쉽게 만들어 준다. 본 논문에서 다루어진 유연 전자 소자의 구현을 위한 다양한 설계, 분석, 그리고 최적화를 동반하는 체계적인 접근법은 고집적 다기능 신축성 전자 시스템의 구현을 위한 토대를 닦을 것으로 기대된다.