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1. 플렉스 PCB란 무엇인가?
1-1) 플렉스 PCB 설계의 정의와 특징
전자기기가 점점 작고 가벼워지고, 그 안에 들어가는 회로는 더 복잡해지고 있습니다.
이런 흐름 속에서 단단한 기판으로는 한계에 부딪히는 경우가 많아졌고, 그 대안으로 등장한 것이 바로 플렉스 PCB(Flexible Printed Circuit Board)입니다.
플렉스 PCB란 쉽게 말해, 휘어지는 회로 기판입니다.
종이처럼 얇은 재질 위에 회로를 형성하여, 접거나 말아도 회로가 유지됩니다.
전통적인 리지드(Rigid) 기판은 단단하고 굽힘이 불가능한 반면, 플렉스 기판은 원하는 형상으로 구부릴 수 있어 자유로운 3D 배선이 가능하다는 점이 핵심 장점입니다.
이러한 구조적인 유연성 덕분에 플렉스 PCB 설계는 기존의 리지드 PCB로는 불가능했던 다양한 기구적 제약을 극복할 수 있게 해줍니다.
특히 제한된 공간, 반복적인 굽힘, 고진동 환경 등에서도 안정적으로 동작하는 회로가 필요한 경우, 플렉스 회로는 거의 유일한 해법이 됩니다.
1-2) 플렉스 PCB 설계의 구조적 특징
플렉스 PCB를 처음 접하면 겉모습이 얇고 말랑해서 “이게 정말 회로야?” 싶을 정도로 생소하실 수 있습니다.
그런데 알고 보면, 이 얇은 한 장 안에도 꽤 많은 층이 정교하게 구성돼 있습니다.
가장 기본적인 구조를 설명드리면 다음과 같습니다.
- 기판층 (Base Film)
맨 아래 바탕이 되는 층이고, 보통 폴리이미드(Polyimide)라는 소재를 사용합니다.
이 소재가 유연하면서도 열과 화학물질에 강해서, 고온에서 납땜을 하거나 굽혔다 펴도 잘 버텨줍니다.
쉽게 말하면, 종이처럼 얇지만 굉장히 튼튼한 재료라고 생각하면 됩니다. - 동박층 (Copper Foil)
그 위에 붙는 게 바로 동박, 즉 구리 박판이에요. 우리가 회로를 그리는 부분입니다.
보통은 RA(Rolled Annealed) 동박을 쓰는데, 이건 말 그대로 구리를 눌러서 얇게 만든 형태라, 접었다 펴도 잘 찢어지지 않아서 플렉스 회로에 잘 맞습니다. - 접착층 (Adhesive Layer) (필요할 경우)
구리랑 기판 사이, 혹은 보호막과 기판 사이에 접착층이 들어가기도 합니다.
하지만 요즘은 ‘무접착 플렉스’도 많이 씁니다.
고주파 특성이나 정밀도가 중요할 땐 이 구조가 유리합니다. - 커버레이 (Coverlay)
회로 위를 덮어주는 보호막으로 습기나 먼지, 긁힘 같은 걸 막아줍니다.
이것도 대부분 폴리이미드로 되어 있고, 필요할 땐 SMT 부품이 들어갈 자리만 구멍을 내서 덮어줍니다.
간단히 말하면, “플렉스 전용 솔더마스크”라고 생각하시면 됩니다.
그리고 필요에 따라 이런 구성 위에 스티프너(Stiffener)라는 걸 덧붙이기도 합니다.
예를 들어 ZIF 커넥터를 꽂아야 하는 부분이나, 부품을 실장하는 구역처럼 기판이 너무 휘면 안 되는 부분에 딱딱한 보강재를 붙이는 겁니다.
재료는 보통 FR4나 PI를 씁니다.
간단하게 정리하면, 얇고 유연한 필름 위에 구리 회로를 만들고, 위아래로 보호층을 씌운 다음, 필요한 곳에는 딱딱한 보강재까지 덧붙인다.
이게 바로 플렉스 PCB의 기본 구조라고 생각하시면 됩니다.
1-3) 플렉스 vs 리지드 PCB 비교
Rigid PCB는 말 그대로 ‘딱딱한 기판’입니다.
대부분의 전자기기는 이 리지드 PCB를 기본으로 사용하고 있습니다.
그러나 복잡한 3D 설계가 필요한 제품이라면 플렉스 회로가 더 적합할 수밖에 없습니다.
플렉스 PCB 설계는 특히 구조적 제약이 많은 제품, 예를 들어 조립 후 내부 공간에 구부려 넣어야 하는 경우나, 이동·진동이 반복되는 장비에 매우 유리합니다.
물론 플렉스 PCB 설계는 재료 선택, 곡률 반경, 비아 배치 같은 요소를 아주 신중하게 설계해야 하기 때문에 일반 리지드 설계보다 훨씬 정밀한 고려가 필요합니다.
그래서 요즘은 플렉스 설계를 포함한 복합 구조, 즉 Rigid-Flex PCB 설계가 함께 활용되는 경우도 많습니다.
플렉스의 유연성과 리지드의 강성을 동시에 갖춘 구조입니다.
- 연관 참조 : PCB 설계 시 주의사항 1/2, Plane과 부품 배치,노이즈 방사, 다층 기판 등 주의 사항
- 연관 참조 : PCB 설계 시 주의사항 2/2,아날로그 PCB 패턴, 열처리,간섭,납땜 시 주의사항
- 연관 참조 : PCB 안테나 설계,안테나 유형, 설계 원칙, 성능지표 5개
- 연관 참조 : Rigid-Flex PCB 설계, 3가지 구성, 설계 체크, 주요 공정
- 연관 참조 : 플렉스 PCB 설계 2/2 ,비용 절감 및 생산성 향상, 단가 절감 체크리스트
2. 플렉스 PCB의 주요 장점 3가지
플렉스 PCB 설계를 처음 접하시는 분들은 이렇게 물어보실 수 있습니다.
“굽히는 회로가 필요하긴 한가요?”
하지만 막상 기구와 회로 설계를 함께 다뤄보면, 기존 리지드(Rigid) PCB만으로는 해결되지 않는 공간 문제, 연결 문제, 진동 문제들이 정말 많습니다.
이런 문제들을 실용적으로 해결해주는 게 바로 플렉스 PCB 설계입니다.
2-1) 경량화, 유연성, 고 신뢰성
가장 먼저 눈에 띄는 건 무게와 두께가 줄어든다는 점입니다.
플렉스 PCB는 말 그대로 얇고 가볍습니다.
보통 폴리이미드 같은 얇고 유연한 필름 위에 회로를 구성하기 때문에, 기존 리지드 기판보다 훨씬 더 슬림하게 제품을 설계할 수 있습니다.
두 번째는 유연성입니다.
기판 자체가 휘어지기 때문에, 내부 공간이 제한된 제품에서도 3차원으로 회로를 배치할 수 있습니다.
덕분에 조립도 쉬워지고, 설계의 자유도도 훨씬 높아지게 됩니다.
그리고 무엇보다 중요한 건 신뢰성입니다.
플렉스 PCB 설계를 하면 중간에 납땜 포인트나 커넥터 수가 줄어들게 됩니다.
이 말은 곧 고장 날 수 있는 지점 자체가 줄어든다는 뜻으로 볼 수 있습니다.
실제로 커넥터, 케이블, Harness 등을 제거하고 플렉스로 치환한 회로에서는 장기적인 고장률이 눈에 띄게 낮아지는 경우가 많습니다.
2-2) 커넥터·케이블 제거로 시스템 간소화
플렉스 PCB 설계의 또 하나 큰 장점은 시스템 구조를 훨씬 단순하게 만들 수 있다는 것입니다.
기존에는 기판 간 연결을 위해 항상 케이블, 커넥터, 납땜 포인트가 필요합니다.
하지만 플렉스 회로는 자체적으로 그 연결선을 포함하고 있기 때문에, 배선 없이 곧바로 회로를 이어주는 구조를 만들 수 있습니다.
예를 들어 두 개의 리지드 보드를 연결할 때, 일반적으로는 커넥터 2개와 케이블 1개가 필요하지만, 플렉스 PCB 설계를 적용하면 중간에 플렉스 필름 한 장만 연결해도 완성됩니다.
이렇게 되면 부품 수도 줄고, 조립도 간단해지고, 테스트 시간도 단축됩니다.
복잡한 기구 조립이 필요 없는 제품에서는 이 점이 정말 크게 작용합니다.
2-3) 열적 안정성과 진동 내성
플렉스 회로는 얇고 유연하며, 열에 강한 재료로 구성되어 있기 때문에 열 응력(thermal stress)을 분산시키는 데 매우 유리합니다.
특히 고온 환경이나 납땜 공정 중에도 뒤틀림이나 팽창이 적기 때문에, 열적 안정성이 높은 회로 설계가 가능합니다.
또한 진동 환경에서도 탁월한 내구성을 보입니다.
기계적 충격이 발생할 때, 딱딱한 리지드 기판은 그 충격을 고스란히 받는 반면, 플렉스 PCB는 구조적으로 충격을 완화하고 기계적 스트레스를 분산시킬 수 있는 유연한 성질을 가지고 있습니다.
실제로 모터 근처나, 차량/드론/항공기와 같이 진동이 많은 환경에서는, 플렉스 PCB 설계를 통해 커넥터 파손, 패턴 균열 같은 문제를 상당 부분 예방할 수 있습니다.
3. 플렉스 회로의 종류
플렉스 PCB 설계 시 이해해야 할 중요한 구성 요소 중 하나인 플렉스 회로의 종류에 대한 설명입니다.
실제 회로 설계와 제작에 직접 관여하는 기술자의 시선으로, 각각의 구조가 어떻게 사용되고, 어떤 특징을 갖는지를 중심으로 풀어서 설명드리겠습니다.
3-1) 단면 플렉스 (Single-sided Flex)
단면 플렉스는 가장 기본적인 형태의 플렉스 PCB입니다.
절연 필름 위에 단일 도체층(주로 동박)이 구성되어 있고, 그 위를 커버레이(Coverlay)라는 절연 필름으로 덮는 구조입니다.
전기적 연결이 단순한 회로이거나 고정된 위치에서 유연성만 요구되는 애플리케이션에서 주로 사용됩니다.
예를 들어, 잉크젯 프린터 헤드 연결부나 카메라 플렉스 케이블 등에 사용합니다.
3-1-1) 장점
- 구조가 간단하여 비용이 저렴
- 유연성이 가장 뛰어나며 곡률 반경(Radius of Bending)이 작음
- 설계와 제조 공정이 단순하여 양산성이 좋음
3-1-2) 플렉스 PCB 설계 시 주의사항
- 패턴 밀도가 낮은 회로에 적합
- 단면이기 때문에 귀환 전류 경로(Return Path) 확보에 주의 필요
- EMI 성능이나 차폐가 중요한 회로에는 부적합할 수 있음
3-2) 양면 플렉스 (Double-sided Flex)
양면 플렉스는 절연 필름의 양면에 도체층을 형성한 구조로, 양면 회로 간의 연결을 위해 플렉스용 비아(Via)를 형성합니다.
커버레이는 양면에 각각 부착됩니다.
양면 연결이 필요한 회로나 단순한 집적 회로가 필요한 Wearable 기기나 소형 전자제품에 사용되기 적합합니다.
3-2-1) 장점
- 단면 플렉스보다 더 복잡한 회로 설계 가능
- 기판의 공간 활용성이 높음
3-2-2) 플렉스 PCB 설계 시 고려사항
- 비아홀 가공 시 유연성 확보를 위해 레이저 드릴 또는 UV 드릴 공정을 적용
- 신뢰성을 확보하기 위한 도금 두께 및 비아 접속성 평가 필요
- 굽힘 영역(Bending Area)에는 가급적 비아를 피하는 설계 권장
3-3) 다층 플렉스 (Multilayer Flex)
다층 플렉스는 두 개 이상의 도체층을 갖는 구조로, 각 도체층 사이에는 절연 필름(PI 필름 등)이 적층되어 있습니다.
전층 간 연결을 위해 다층 비아(Via stack 또는 Blind/Buried via)가 사용됩니다.
고속 신호 전달이 필요한 디지털 시스템나, 좁은 공간에서 고밀도 연결이 필요한 의료 장비, 항공 전자장치 , 그리고 RF 회로나 차폐가 필요한 경우에 주로 사용됩니다.
3-3-1) 특징 및 장점
- 복잡한 설계를 지원하여 고집적화 및 소형화 가능
- 내부 차폐층(GND Plane) 구성이 가능해 EMI 대응이 용이
- 리지드-플렉스(Rigid-Flex)와 병합해 더욱 유연한 설계 가능
3-3-2) 플렉스 PCB 설계 시 주요 고려사항
- 적층 수 증가 시 굽힘성 저하 → 설계 초기 단계에서 유연 영역을 구분하여 계획
- 열 축적 및 스트레스 집중 방지를 위한 곡선 패턴 설계 권장
- 접착제(adhesive) 타입과 무접착(adhesiveless) 타입의 선택에 따라 유연성/신뢰성 달라짐
3-4) 커버레이 구조 설명 (Coverlay)
커버레이(Coverlay)는 도체 패턴을 보호하고 절연 역할을 하는 폴리이미드(PI) 필름 + 접착제로 구성된 층입니다.
일반적인 솔더마스크와는 달리, 플렉스 회로에서는 이 커버레이가 도체를 물리적으로 감싸는 구조로 적용됩니다.
3-4-1) 역할
- 도체 패턴 보호 및 절연
- 굽힘 반복 시 금속 피로 파단 방지
- 화학적, 기계적 내구성 확보
3-4-2) 설계 시 유의사항
- 커버레이의 절개(Opening) 위치는 패드, Via 등의 노출 영역에 맞게 정밀하게 설계 필요
- 개구부 크기는 패드보다 약간 크게 설계하여 정렬 오차 및 SMT 불량 예방
- 접착제가 흐르지 않도록 커버레이 폭, 두께, 위치에 대한 사전 검토 필요
플렉스 PCB 설계를 위해서는 단순히 유연하다는 특성에만 의존해서는 안 됩니다.
각 회로 구조의 특성과 커버레이의 역할을 정확히 이해하고, 적용 환경에 맞는 설계 전략을 수립해야 합니다.
특히 곡률 반경, 굽힘 횟수, 신호 속도 등의 요소는 플렉스 회로의 신뢰성과 직결되므로, 설계 초기 단계부터 충분한 고려가 필요합니다.
4. 설계 사양을 정하기 위한 기초 정보
플렉스 PCB 설계를 할 때는 단순히 회로를 어떻게 배치할지가 아니라, “이 회로가 어떤 환경에서, 어떤 방식으로 사용될 것인가”부터 정의해야 합니다.
이걸 처음에 정확하게 잡아야 재료 선택, 레이아웃, 스택업 설계, 제조 비용까지 전체 흐름이 자연스럽게 이어집니다.
4-1) 곡률 반경(Bending Radius), 굽힘 수명(Flex Life)
플렉스 PCB 설계에서 가장 먼저 고려해야 할 요소 중 하나는 굽힘 반경과 반복 굽힘 수명입니다.
플렉스 회로가 얼마나 자주, 얼마나 심하게 구부러지는지에 따라 재료 선택, 도체 패턴, 적층 구조가 달라져야 합니다
4-1-1) 곡률 반경(Bending Radius)
플렉스 회로를 얼마나 굽힐 것인지, 또 얼마나 자주 굽힐 것인지는 설계 사양 중 가장 중요한 기준입니다.
회로 두께에 따라 아래와 같은 최소 곡률 반경을 확보해야 합니다.
곡률 반경(r) 또는 굽힘 반지름은 유연한 인쇄 회로(FPC, flex)를 손상시키거나 수명을 단축시키지 않고 구부릴 수 있는 최소 차수입니다.
굽힘 반지름이 작을수록 FPC의 유연성이 커집니다(곡률 반지름이 작을수록 곡률이 증가합니다).
① IPC-2223에 곡률 반경
예를 들어, 두께가 200 μm인 단층 플렉스라면, 정적 사용할 경우 최소 2 mm 그리고, 동적 사용이면 최소 20 mm가 필요합니다 .
② 플렉스 PCB 최소 곡률 반경 예시 (두께 기준)
4-1-2) 반복 굽힘 수명(Flex Life)
동적 플렉스 회로는 수천 회에서 수백만 회 이상까지의 굽힘 수명이 요구되며, 다음 조건들을 함께 고려해야 합니다:
- 동박 종류: RA 동박(Rolled Annealed) 사용 필수
- 배선 방향: 굽힘 방향과 수직으로 배선
- 커버레이 디자인: 굽힘부에는 가능한 한 적용하지 않음
- 접착제: 무접착 구조가 유리
4-2) 사용 온도, 전류량, 회로 밀도
4-2-1）사용 온도
플렉스 회로의 절연체인 폴리이미드는 이론상 200°C 이상의 내열성을 가집니다.
하지만 실제로는 회로 전체에 포함되는 접착제, 커버레이, 납땜 재료 등이 열적 한계를 결정합니다.
- 일반적인 플렉스 PCB의 권장 사용 온도 범위: -40°C ~ +125°C
- 고온용 플렉스: 무접착 구조 + 고내열 접착제 사용 시 150~180°C 이상도 가능
참고로 고온 환경에선 접착제 내열성(예: 아크릴 vs 에폭시), 커버레이 재질을 반드시 제조사와 협의해야 합니다.
4-2-2) 전류량 (트레이스 폭/두께 기준)
플렉스 PCB 설계 시 전류가 많이 흐르는 회로에는 트레이스 폭과 구리 두께 계산이 필요합니다.
실제 적용에는 IPC-2221 표준을 참조하여 아래와 같은 기준을 사용할 수 있습니다.
또한 고속 회로나 RF 회로의 경우, 임피던스 제어도 병행 설계가 필요합니다 (Microstrip/Stripline 구조 등).
4-2-3) 회로 밀도
회로 밀도는 전체 설계 방향에 영향을 줍니다.
- 신호선 수가 많아질수록 레이어 수가 늘어남
- 배선 공간이 좁아지면 회로 폭·간격 최소 허용치를 넘게 됨
- 높은 밀도일수록 제조 비용 상승
그래서 설계 초기에 예상되는 핀 수, 신호 수, I/O 분포를 대략이라도 잡아두면, 레이아웃 제약을 줄이고, 빠르게 스택업 설계까지 이어갈 수 있습니다.
4-3) 플렉스 회로의 정적 vs 동적 사용
플렉스 PCB 설계에서는 회로의 ‘사용 방식’에 따라 전체 설계 전략이 달라집니다.
크게 정적 사용과 동적 사용으로 나눌 수 있습니다.
특히 동적 회로는 배선이 굽힘 방향에 수직이 되도록 설계하고, 곡률 반경은 최소 20배 이상, 커버레이 피복도 생략하거나 유연한 재질로 대체하는 것이 일반적입니다.
플렉스 PCB 설계의 첫걸음은 전기적·기계적 사양을 제대로 정의하는 것입니다.
굽힘 반경, 반복 수명, 온도 조건, 전류량, 신호 밀도 등을 초기에 명확히 해야 → 적절한 재료 선택과 레이아웃, 제조 방식까지 정확히 설계 가능합니다.
특히 동적 플렉스 회로는 ‘물리적으로 버티는 설계’가 핵심입니다.
5. 플렉스 PCB 재료 선택 가이드
플렉스 PCB 설계를 처음 하실 때, 많은 분들이 “어떤 구조로 설계할까?”를 먼저 고민하시는데, 사실 그보다 앞서 먼저 결정해야 할 게 있습니다.
바로 어떤 재료로 만들 것인가입니다.
재료가 바뀌면 설계 구조도 바뀌고, 제조 공정도 달라지며, 제품의 성능과 신뢰성까지 완전히 달라질 수 있습니다.
5-1) PI 필름, 접착제, 동박 종류(RA/ED)
5-1-1) 폴리이미드(PI) 필름
플렉스 PCB 설계에서 유연한 기판의 핵심이며, 가장 기본이 되는 절연층은 폴리이미드(PI) 필름입니다.
얇고 유연하면서도 고온, 고습, 화학 약품에 강해서 플렉스 회로의 구조적 기반을 담당합니다.
- 일반적으로 두께는 12μm, 25μm, 50μm 등 다양하게 선택 가능
- 얇을수록 유연성은 좋아지지만, 기계적 강도는 낮아질 수 있음
- 고온 환경에서는 무접착 폴리이미드 필름을 선호함
5-1-2) 접착제
PI 필름과 동박(또는 커버레이)을 붙일 때 사용하는 것이 접착제(Adhesive)입니다.
보통 아크릴 또는 에폭시 계열이 많이 쓰입니다.
최근에는 무접착(adhesiveless) 구조도 많이 사용됩니다.
접착제를 생략함으로써 얇고 더 안정적인 구조를 만들 수 있고, 고속 신호 설계, 고온 제품에서 특히 유리합니다.
5-1-3) 동박 (RA와 ED의 결정적 차이)
플렉스 PCB 설계에 쓰이는 동박에는 대표적으로 RA (Rolled Annealed) 동박과 ED (Electro Deposited) 동박이 있습니다.
RA 동박은 반복적으로 구부리는 동적 설계에 필수입니다.
반대로, 한 번만 접고 고정하는 정적 회로에는 ED 동박도 충분히 사용할 수 있어요.
5-2) Coverlay vs 커버코트 – 회로를 감싸는 방식의 차이
플렉스 회로에서 회로 패턴 위를 덮는 재료는 크게 커버레이(Coverlay)와 커버코트(Covercoat) 이 두 가지 방식으로 나뉩니다.
5-2-1) Coverlay (연 필름으로 감싸는 방식)
- 폴리이미드 필름 + 접착제로 구성
- 외부 환경(먼지, 습기, 마찰 등)으로부터 회로를 물리적으로 보호
- SMT 부품이 실장되는 부위는 레이저 컷이나 펀칭으로 오픈 가공 필요
고 내구성이 요구되거나, 강한 외부 환경에 노출되는 플렉스 PCB 설계에서는 기본적으로 Coverlay를 사용합니다.
5-2-2) Covercoat (인쇄 방식으로 도포)
- 감광성 절연 잉크를 인쇄 또는 스크린 프린팅하여 도포
- 사용 방식은 리지드 PCB의 솔더 마스크와 비슷
- 커버레이에 비해 얇고 저비용이지만, 기계적 보호력은 떨어짐
저가형 제품이나 비구부림 영역, 부품 미실장 회로 등에 사용됩니다.
5-3) 스티프너 재료
플렉스 PCB 설계에서는 회로 전체가 유연할 필요는 없습니다.
오히려 일부 영역은 딱딱하게 고정되어야 부품이 잘 실장되고, 기구적으로 견고해질 수 있습니.
이럴 때 사용하는 게 바로 스티프너(Stiffener)입니다.
스티프너는 회로 기판에 점착하거나, 열압착하거나, 접착제로 부착합니다.
스티프너는 전기적 역할은 하지 않으며, 순전히 기계적 보강을 위한 구조 부품입니다.