전기 엔지니어가 기능적 표면에 직접 회로를 통합하기 위해 인-몰드 전자기술을 사용하는 방법

매끄럽고 이음매 없는 대시보드 컨트롤을 누르는 상상을 해보세요. 그것은 표면 자체의 일부인 것처럼 보이며, 버튼도, 베젤도 없이, 당신의 손길에 반응하여 빛나는 우아한 인터페이스입니다. 이것처럼 마법 같은 상호작용의 뒤에는 인 몰드 전자기술(IME)이라고 불리는 혁명적인 접근 방식이 있습니다. 여기서 회로는 더 이상 인쇄 회로 기판의 표면에 부착되지 않습니다. 그것들이 표면이 되었습니다.

전통적인 인터페이스의 문제점

수십 년 동안, 전자 인터페이스는 같은 기본 구조를 따랐습니다: 구성 요소로 채워진 강성 회로 기판, 버튼과 스위치 같은 별도의 기계적 요소에 연결되고, 모두 보호 케이스 안에 수용됩니다. 이 접근 방식은 내재된 한계를 만듭니다:

• 디자인 제약: 전통적인 인터페이스는 미적 가능성을 제한하는 컷아웃, 베젤, 그리고 장착 하드웨어를 요구합니다.
• 신뢰성 문제: 각 기계적 연결은 잠재적인 실패 지점을 나타냅니다.
• 제조 복잡성: 조립은 여러 단계, 구성 요소, 그리고 공정을 요구합니다.
• 공간 및 무게 패널티: 별도의 PCB, 버튼, 그리고 하우징은 귀중한 공간을 소비하고 무게를 더합니다.
• 환경 취약성: 이음새와 개구부는 습기와 오염물의 진입 지점을 만듭니다.

IME 혁명

인-몰드 전자기술(IME)은 전자 회로를 평평한 필름 위에 직접 인쇄한 다음 이를 3차원 형태로 만들고 사출 성형 플라스틱 내부에 봉입함으로써 이 패러다임을 근본적으로 변화시킵니다. 그 결과 전자 부품과 구조가 하나로 통합된 단일 구성요소가 됩니다.

IME 공정은 일반적으로 다음 단계를 따릅니다:

• 인쇄: 전도성, 저항성, 그리고 유전체 잉크가 평평한 열가소성 필름 위에 스크린 인쇄됩니다.
• 부품 배치: 표면 실장 부품이 전도성 접착제를 사용하여 부착됩니다.
• 열성형: 인쇄된 필름을 가열하여 원하는 3차원 형태로 만듭니다.
• 사출 성형: 형성된 필름을 금형에 넣고 그 뒤에 플라스틱을 주입하여 견고한 구조를 만듭니다.

이 접근 방식은 변혁적인 이점을 제공합니다:

• 디자인 자유: 곡선이 있는 윤곽 표면에 전자 기능을 통합할 수 있습니다.
• 부품 통합: 한때 수십 개의 부품이 필요했던 것을 단일 구성요소로 제조할 수 있습니다.
• 향상된 내구성: 이음새나 기계적 연결이 없어 IME 인터페이스는 습기, 먼지, 그리고 물리적 손상에 대해 본질적으로 더욱 저항력이 있습니다.
• 무게 감소: 별도의 PCB, 하우징, 그리고 장착 하드웨어를 제거함으로써 무게를 40-70%까지 줄일 수 있습니다.
• 제조 효율성: 부품 수가 적을수록 조립 단계와 공급망 의존성이 줄어듭니다.

IDTechEx에 의한 연구에 따르면, IME는 복잡한 사용자 인터페이스의 부품 수를 최대 90%까지 줄이면서 제조 비용을 20-30%까지 감소시킬 수 있습니다.

실제 성공 사례

자동차: 포드의 머스탱 Mach-E 센터 콘솔

포드의 전기 머스탱 Mach-E는 IME 기술을 사용하여 제조된 혁신적인 센터 콘솔을 특징으로 합니다. 

이 디자인은 대시보드 배선의 50%를 제거하고 전통적인 접근 방식에 비해 조립 시간을 30% 이상 줄였습니다.

콘솔은 용량성 터치 센서, LED 지시등, 그리고 햅틱 피드백 요소를 전통적인 디자인에서 필요했을 별도의 부품 없이 단일 성형 부품으로 통합합니다.

소비자 전자제품: 월풀의 스마트 가전 제어

월풀의 프리미엄 가전 제품 라인은 IME 제어 패널을 특징으로 하며, 외관과 기능 모두를 변화시켰습니다. 그들의 식기세척기 제어 패널은 15개의 터치 감응식 제어, 상태 지시등, 그리고 디스플레이 창을 단일, 매끄러운 표면으로 통합하여 깨끗이 닦을 수 있습니다.

구매자들은 아름답고 청소하기 쉬운 가전제품을 선호합니다. IME는 Whirlpool과 같은 제조 회사들이 전통적인 버튼 인터페이스에서 먼지와 습기가 모이는 틈새를 없앨 수 있게 해줍니다.

IME 패널은 기계식 버튼 배열보다 청소 화학물질에 대한 저항성이 300% 더 높다는 것이 입증되었으며, 제어 관련 보증 청구를 45% 감소시켰습니다.

의료: 필립스 휴대용 초음파 인터페이스

필립스 헬스케어의 최신 휴대용 초음파 장치는 사용성과 감염 제어 모두에 혁명을 일으킨 IME 제어 표면을 특징으로 합니다. 이음매 없는 인터페이스는 오염물질이 숨을 수 있는 틈새를 제거하여 환자 간 완전한 소독을 가능하게 합니다.

IME는 제조업체들이 병원급 소독제에도 견딜 수 있는 인터페이스를 만들면서 완벽한 기능을 유지할 수 있게 해주었습니다.

공학 과정: 개념부터 생산까지

전기 공학자들이 IME 디자인에 접근하는 방식을 이해하기 위해, 개념부터 생산에 이르기까지 자동차 기후 제어 패널의 가상 개발을 따라가 보겠습니다.

1. 디자인 개념화

전통적인 전자 디자인이 회로도로 시작하는 것과 달리, IME 디자인은 물리적 형태와 사용자 상호작용으로 시작합니다. 엔지니어와 산업 디자이너들은 첫날부터 협력하여 다음을 정의합니다:

• 세 차원 표면 기하학
• 사용자 상호 작용 지점 및 피드백 메커니즘
• 환경 요구 사항(온도 범위, 햇빛 노출, 청소 화학물질)
• 기계적 성능 요구 사항(충격 저항, 작동력)

2. 재료 선택

IME 성공에 있어 재료 선택은 매우 중요합니다. 엔지니어는 다음을 고려해야 합니다:

• 기본 필름: 일반적으로 PET 또는 PC로, 열성형 및 사출 성형 온도를 견딜 수 있어야 합니다.
• 전도성 잉크: 은 기반 잉크가 일반적이지만, 비용에 민감한 응용 프로그램의 경우 탄소 잉크를 사용할 수 있습니다.
• 유전체 재료: 신뢰할 수 있는 절연을 제공하면서도 유연성을 유지해야 합니다.
• 사출 성형 수지: 일반적으로 기본 필름과 호환되는 PC, ABS 또는 PC/ABS 혼합물입니다.

재료 호환성은 성공적인 IME의 기초입니다. 각 층은 여러 열 사이클을 거치며 접착력과 기능성을 유지해야 합니다.

3. 변형을 염두에 둔 회로 설계

전통적인 PCB 설계와 달리, IME 회로는 열성형 중에 늘어나고 변형된 후에도 올바르게 기능해야 합니다. 이를 위해서는:

1. 파단 없이 늘어날 수 있는 연신 구역을 가진 회로 설계
2. 고변형 지역에 부품 배치 피하기
3. 상당한 성형을 겪을 지역에서 늘어날 수 있는 회로 패턴(구불구불한 트레이스) 사용하기
4. 변형 과정을 시뮬레이션하여 스트레스 지점 예측하기

4. 프로토타이핑 및 검증

IME 프로토타이핑은 일반적으로 단계적 접근을 따릅니다:

1. 전기 검증: 성형 전 평평한 필름에서 회로 기능성 테스트하기
2. 성형 시험: 부품 없이 인쇄된 회로의 성형 가능성 테스트하기
3. 기능성 프로토타입: 부품이 포함된 완전한 조립체, 성형 후 전기 성능 테스트하기
4. 사출 성형 시험: 회로와 부품이 사출 과정을 견딜 수 있는지 검증하기
5. 환경 테스트: 프로토타입을 온도 순환, 습도, UV 노출 및 화학 저항성 테스트에 노출시키기

5. 생산 공학

프로토타입에서 생산으로의 확장은 신중한 공정 공학을 요구합니다:

1. 스크린 인쇄 최적화: 생산량에 걸쳐 일관된 잉크 증착을 보장하기
2. 부품 배치 정밀도: 정확하고 반복 가능한 부품 부착을 위한 고정구와 공정 개발하기
3. 성형 매개변수: 열성형을 위한 정확한 온도, 압력, 타이밍 정의하기
4. 사출 성형 설정: 회로 손상을 방지하기 위해 게이트 위치, 압력, 온도 최적화하기

이를 가능하게 하는 설계 도구들

성공적인 IME 디자인을 만들기 위해서는 전기, 기계, 제조 분야 간의 격차를 연결하는 전문 도구가 필요합니다.

Altium Designer: IME 혁명을 가능하게 하다

Altium Designer는 이 기술의 독특한 도전과제를 해결하는 IME 디자인을 위한 전문 기능을 개발했습니다:

• 재료별 설계 규칙: 사용되는 특정 잉크와 재료를 기반으로 설계 제약 조건 적용하기.
• 제조 출력: 스크린 인쇄, 부품 배치, 성형에 필요한 전문 출력 생성하기.

IME 개발에 있어 Altium Designer가 이상적인 주요 기능들은 다음과 같습니다:

• 인쇄 전자 설정: 레이어 스택 관리자에서 인쇄 전자 PCB 스택 업을 위한 전용 환경
• MCAD 인식: 기계 CAD 시스템에서 3D 모델의 원활한 가져오기
• 제조 문서: IME 생산에 필요한 특수 출력 생성

IME 워크플로우에서의 보완적 도구들

Altium Designer가 전기 설계 측면을 다루는 동안, 완전한 IME 워크플로우는 일반적으로 다음을 포함합니다:

• 기계 CAD: SOLIDWORKS 또는 Creo와 같은 도구로 3D 형태 설계
• 성형 시뮬레이션: Moldex3D 또는 Polyflow와 같은 소프트웨어로 열성형 과정 시뮬레이션
• 사출 성형 시뮬레이션: 형성된 회로에 사출 과정이 어떻게 영향을 미칠지 예측하는 도구

IME 설계 도전 과제 극복

이점에도 불구하고, IME는 엔지니어가 해결해야 할 독특한 도전 과제를 제시합니다:

1. 연장 및 트레이스 무결성

평평한 회로가 3D 형태로 형성될 때, 전도성 트레이스는 끊어지지 않고 늘어나야 합니다. 엔지니어들은 여러 전략을 개발했습니다:

• 세르펜틴 트레이스 패턴: 늘어날 때 곧게 펴질 수 있는 의도적인 곡선을 가진 트레이스 설계
• 그라데이션 두께: 상당한 변형이 예상되는 영역에서 잉크 두께를 다양하게 함
• 전략적 라우팅: 최대 변형 영역에서 트레이스 배치를 피함

2. 구성 요소 생존

표면 실장 구성 요소는 열성형 및 사출 성형 공정을 견뎌야 합니다:

1. 구성 요소 선택: 성형 및 사출에 필요한 온도 프로필에 적합한 구성 요소 선택
2. 전략적 배치: 변형이 최소화되는 영역에 구성 요소 배치
3. 보호 캡슐화: 사출 중 민감한 구성 요소를 보호하기 위해 추가 재료 사용

3. 테스트 및 품질 보증

전통적인 PCB 테스트 방법은 항상 IME에 적용되지 않습니다:

• 인-서킷 테스트: 3D 표면에서는 전통적인 침대-못 테스트가 종종 불가능합니다
• 기능 테스트: 3D 기하학에 맞는 맞춤형 테스트 픽스처 개발
• 광학 검사: 성형 후 트레이스 무결성을 검증하기 위해 3D 스캐닝 사용

미래 가능성

IME 분야는 빠르게 발전하고 있으며, 수많은 흥미로운 개발이 지평선에 있습니다:

신축성 있는 전자기기

차세대 IME는 100% 이상 늘어날 수 있는 진정으로 신축성 있는 회로를 통합하여 자동차 에어백 커버나 의료용 웨어러블과 같이 크게 변형 가능한 표면에 통합할 수 있습니다.

통합 센서

미래의 IME 디자인은 성형된 표면에 직접 인쇄된 센서를 통합할 것입니다:

• 터치 감지를 위한 압력 센서와 힘 피드백
• 환경 모니터링을 위한 온도 센서
• 구조물 건강 모니터링을 위한 스트레인 게이지
• 공기 질 감지를 위한 가스 센서

생분해성 및 지속 가능한 IME

지속 가능성이 점점 중요해짐에 따라, 연구자들은 친환경 IME 재료를 개발하고 있습니다:

• 생분해성 기판 필름
• 수성 전도성 잉크
• 재활용 가능한 몰딩 화합물

결론

인-몰드 전자기술은 전자 인터페이스에 대한 우리의 생각을 근본적으로 변화시킵니다. 회로를 기능적 표면에 직접 통합함으로써, IME는 전자와 구조 사이의 인공적 경계를 없애고, 더 우아하고, 내구성 있으며, 효율적인 제품을 만듭니다.

전기 엔지니어에게 IME는 새로운 사고방식을 요구합니다—초기 설계 단계부터 전기적, 기계적, 제조적 요소를 동시에 고려하는 것입니다. Altium Designer와 같은 도구는 이러한 통합 접근 방식을 지원하기 위해 발전하고 있으며, 엔지니어가 이 변혁적 기술의 전체 잠재력을 실현할 수 있도록 돕습니다. 자신만의 IME 제품을 설계하기 시작하려면, Altium에서 PCB 레이아웃 환경에서 Layer Stack Manager를 시작한 다음, 오른쪽 상단에 있는 3줄 아이콘을 선택하세요.

여러 PCB 유형이 있습니다. 예를 들어, Printed Electronics, Rigid-Flex 등이 있습니다. Printed Electronics를 선택하세요. PCB 스택업이 영구적으로 변경되며, 그 후에는 도전층 사이의 유전체 재료를 정의할 수 있습니다. 

Altium은 이러한 혁신적인 디자인의 설계 및 개발을 다루는 몇 안 되는 SaaS 회사 중 하나입니다. Altium Designer의 Printed Electronics에 대한 네이티브 지원은 연속 인쇄 실행 사이의 전기적 연결을 이해하는 디자인 환경을 제공합니다. 유전체 재료의 절연 영역을 수동으로 또는 트레이스 교차 위치에서 자동으로 생성할 수 있습니다.

이러한 도전성 재료(예: 구리)는 구부릴 수 있는 물체의 표면에 인쇄됩니다.

IME가 성숙해짐에 따라, 사용자 인터페이스를 넘어 구조적 전자기기로 확장되는 것을 볼 수 있을 것입니다. 여기서 전체 제품이 전자 부품을 위한 수동적인 하우징이 아니라 스마트하고 반응하는 시스템이 됩니다.

회로 보드를 넘어서 생각할 수 있는 엔지니어에게 미래가 속합니다. 전자기기를 단순히 수용할 부품으로 보지 않고, 그들이 만드는 제품의 통합된 요소로서 전자기기를 상상할 수 있는 사람들입니다.

Altium Designer가 Printed Electronics를 지원하고 전기 회로와 3차원 기계 부품의 통합을 가능하게 하는 방법을 탐색해보세요.