JP6499235B2 - 電気活性フィルムを含む接触感応素子、これを含む表示装置、及び電気活性フィルムの製造方法 - Google Patents
電気活性フィルムを含む接触感応素子、これを含む表示装置、及び電気活性フィルムの製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、電気活性フィルムを含む接触感応素子、これを含む表示装置、及び電気活性フィルムの製造方法に関し、より詳細には、誘電率及び光透過率に優れた電気活性フィルムを含む接触感応素子、これを含む表示装置、及び電気活性フィルムの製造方法に関する。
近年、液晶表示装置及び有機発光表示装置をはじめとする様々なディスプレイ装置を簡便に使用しようとするユーザの要求にしたがい、ディスプレイ装置をタッチして入力するタッチ方式の表示装置の使用が一般化されている。タッチ方式の表示装置において、ユーザに直接的かつ様々なタッチフィードバック（ｆｅｅｄｂａｃｋ）を提供するために、ハプティック（触覚、ｈａｐｔｉｃ）装置を活用する研究が続いている。特に、従来のハプティック装置は、表示パネルの後面に付着されているので、ユーザのタッチに対する即時かつ微細なフィードバックを提供することが難しかった。したがって、表示パネルの前面にハプティック装置を位置させることにより、ユーザのタッチに敏感であり、多様であり、直接的なフィードバックを提供しようとする研究が活発に進められている。また、近年、活発に開発されているフレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）表示装置とともに、ハプティック装置を用いて直接的かつ様々な表示装置の動作のための研究も共に進められている。
従来では、このようなハプティック装置として、表示装置に偏心モータ（Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｍａｓｓ；ＥＲＭ）、線形共振モータ（Ｌｉｎｅａｒ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ａｃｔｕａｔｏｒ；ＬＲＡ）のような振動モータが使用された。振動モータは、表示装置の全体を揺らすように設計されている。したがって、振動の強度を増加させるためには、振動モータの重さおよび大きさを増加させなければならないという問題があり、振動の程度を調節するための周波数変調が難しく、応答速度が非常に遅い。また、振動モータは、フレキシブル表示装置に使用するのに適切でないという短所があった。
上述したような問題を改善するために、ハプティック装置の材料として、形状記憶合金（Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ；ＳＭＡ）及び圧電性セラミックス（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｃｔｉｖｅ Ｃｅｒａｍｉｃｓ；ＥＡＣ）が開発されてきた。しかし、形状記憶合金（ＳＭＡ）は、反応速度が遅く、寿命が短く、不透明であり、圧電性セラミックス（ＥＡＣ）は、割れやすいので、表示装置、特に、フレキシブル表示装置に適用するのに困難があった。
これにより、最近、電気活性ポリマー（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ；ＥＡＰ）を用いたハプティック装置技術が多くの人々の関心を引いている。電気活性ポリマーとは、電気的刺激によって変形され得るポリマーであって、電気的刺激によって繰り返し的に膨脹、収縮、及び曲げが発生し得るポリマーを意味する。様々な種類の電気活性ポリマーのうち、強誘電性ポリマー（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ）と誘電性エラストマー（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）とが主に使用されている。例えば、強誘電性ポリマーとしては、ＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙ ＶｉｎｙｌｉＤｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）やＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（Ｐｏｌｙ（ＶｉｎｙｌｉＤｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）−ＴｒｉＦｌｕｒｏｒＥｔｙｌｅｎｅ）などが挙げられる。例えば、誘電性エラストマーとしては、シリコン系重合体、ウレタン系重合体、またはアクリル系重合体などが挙げられる。
しかしながら、強誘電性ポリマーは、優れた誘電率及び低電圧で優れた振動強度を有するにもかかわらず、光透過率をはじめとする光学特性が非常に劣るため、表示装置の前面に使用されるのに困難がある。それに対し、誘電性エラストマーは、光透過率及び光学特性に優れるが、強誘電性ポリマーに比べて誘電率が相対的に低いため、駆動電圧が高く、モバイルディスプレイなどのように電圧が相対的に低い表示装置にそのまま使用され難いという問題がある。
本発明の発明者達は上述したように、従来の誘電性エラストマーは駆動電圧が高いためモバイルディスプレイのような表示装置で使用し難く、強誘電性ポリマーは光透過率が低いため表示装置の前面に使用し難いということを見出した。
本発明が解決しようとする課題は、誘電率及び光透過率が共に優れた電気活性フィルムを含む接触感応素子及びこれを含む表示装置を提供することである。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、誘電率の大きい電気活性フィルムを使用することにより、駆動電圧が低く、振動強度が向上した接触感応素子及びこれを含む表示装置を提供することである。
また、本発明が解決しようとするさらに他の課題は、光透過率に優れた電気活性フィルムを使用することにより、表示パネルの前面に配置が可能な接触感応素子及びこれを含む表示装置を提供することである。
本発明の課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されていないさらに他の課題は、下記の記載から当業者に明確に理解されるであろう。
前述したような課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る接触感応素子が提供される。接触感応素子は、主鎖の少なくとも一部にフルオロ基またはクロロ基が結合されたシロキサンポリマーを含む電気活性フィルムを備え、電気活性フィルムは、延伸率が１００％以上である延伸が施されることにより、延伸前の電気活性フィルムよりも１５％以上向上した誘電率を有する。
本発明の他の特徴によれば、電気活性フィルムは、延伸率が３００％以上である延伸が施されることにより、延伸前の前記電気活性フィルムよりも３０％以上向上した誘電率を有することができる。
本発明のさらに他の特徴によれば、シロキサンポリマーは、（i）末端がビニル基に置換されたポリシロキサン及び主鎖の少なくとも一部にフルオロ基もしくはクロロ基が結合されたシリコン系架橋剤を架橋結合して製造される、または（ii）末端がビニル基に置換されたポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）及び主鎖に水素もしくはヒドロキシ基を含むシリコン系架橋剤を架橋結合した後、水素もしくはドロキシ基の少なくとも一部をフルオロ基もしくはクロロ基に置換することにより製造され得る。
本発明のさらに他の特徴によれば、電気活性フィルムは、１軸または２軸延伸が施されたものでありうる。
本発明のさらに他の特徴によれば、電気活性フィルムは、β−相（β−ｐｈａｓｅ）の構造を有することができる。
本発明のさらに他の特徴によれば、電気活性フィルムは、強誘電性ポリマー領域と誘電性ポリマー領域とが互いに交互に積層（ｓｔａｋｉｎｇ）されている多層構造を有することができる。
本発明のさらに他の特徴によれば、電気活性フィルムは、１ｋＨｚで測定した誘電率が７．０以上でありうる。
本発明のさらに他の特徴によれば、電気活性フィルムは、光透過率が８５％以上でありうる。
前述したような課題を解決するために、本発明の他の実施形態に係る表示装置が提供される。表示装置は、表示パネル、タッチパネル、及び接触感応素子を有する。接触感応素子は、主鎖の少なくとも一部にフルオロ基またはクロロ基が結合されたシロキサンポリマーを含む電気活性フィルムを備え、電気活性フィルムは、延伸率が１００％以上である延伸が施されることにより、延伸前の前記電気活性フィルムよりも１５％以上向上した誘電率を有する。
本発明のさらに他の特徴によれば、電気活性フィルムは、１軸または２軸延伸が施されたものでありうる。
前述したような課題を解決するために、本発明のさらに他の実施形態に係る電気活性フィルムの製造方法が提供される。電気活性フィルムの製造方法は、化学式１で表されるポリシロキサンと化学式２で表されるシリコン系架橋剤とを架橋結合することによって、シロキサンポリマーを製造するステップ、製造されたシロキサンポリマーの主鎖に結合された水素またはヒドロキシ基の少なくとも一部をフルオロ基またはクロロ基に置換することによって、置換されたシロキサンポリマーを製造するステップ及び置換されたシロキサンポリマーを製膜するステップを備える。
化学式１において、Ｒ１及びＲ２は各々独立的に、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル基、Ｃ１〜Ｃ２０のアリール基、Ｃ１〜Ｃ２０のシクロアルキル基または水素であり、ｍは１以上の整数である。
化学式２において、Ｒ３〜Ｒ７は各々独立的に、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル基、Ｃ１〜Ｃ２０のアリール基、Ｃ１〜Ｃ２０のシクロアルキル基または水素であり、Ｒ８は水素またはヒドロキシ基であり、ｎは０または１以上の整数であり、ｏは２以上の整数である。
前述したような課題を解決するために、本発明のさらに他の実施形態に係る電気活性フィルムの製造方法が提供される。電気活性フィルムの製造方法は、化学式２で表されるシリコン系架橋剤の主鎖に結合された水素またはヒドロキシ基の少なくとも一部をフルオロ基またはクロロ基に置換するステップ、置換されたシリコン系架橋剤と化学式１で表されるポリシロキサンとを架橋結合することによって、シロキサンポリマーを製造するステップ、及び製造されたシロキサンポリマーを製膜するステップを備える。
化学式１において、Ｒ１及びＲ２は各々独立的に、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル基、Ｃ１〜Ｃ２０のアリール基、Ｃ１〜Ｃ２０のシクロアルキル基または水素であり、ｍは１以上の整数である。
化学式２において、Ｒ３〜Ｒ７は各々独立的に、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル基、Ｃ１〜Ｃ２０のアリール基、Ｃ１〜Ｃ２０のシクロアルキル基または水素であり、Ｒ８は水素またはヒドロキシ基であり、ｎは０または１以上の整数であり、ｏは２以上の整数である。
本発明の他の特徴によれば、化学式１で表されるポリシロキサンに対する、化学式２で表されるシリコン系架橋剤を架橋結合させる体積比は９：１〜５：５でありうる。
本発明のさらに他の特徴によれば、製膜された電気活性フィルムを１軸延伸または２軸延伸するステップをさらに備えることができる。
その他、実施形態の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。
本発明は、誘電率及び光透過率が共に優れたシロキサンポリマーからなる電気活性フィルムを含む接触感応素子を提供することができる。
また、本発明は、誘電率の高い電気活性フィルムを用いて、駆動電圧が低く、振動強度が向上した接触感応素子を提供することができる。
また、本発明は、光透過率に優れた電気活性フィルムを用いて、表示パネルの上部に配置が可能な接触感応素子を製造する方法を提供することができ、最終的にユーザに直接的な触覚フィードバックを伝達することができる。
本発明による効果は、以上で例示された内容により制限されず、さらに様々な効果が本明細書内に含まれている。
本発明の利点及び特徴、そして、それらを達成する方法は、添付される図面とともに詳細に後述されている実施形態を参照すれば、明らかになるであろう。しかし、本発明は、以下において開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる様々な形で実現されるはずであり、単に、本実施形態は、本発明の開示が完全なようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範疇により定義されるだけである。
本発明に係る構成要素を解釈する際において、別の明示的な記載がなくても、誤差範囲を含むものと解析する。位置関係に対する説明の場合、例えば、「〜上に」、「〜上部に」、「〜下部に」、「〜側に」などで２つの部分の位置関係が説明される場合、「すぐ」または「直接」が使用されない限り、２つの部分間に１つ以上の他の部分が位置することもできる。
例えば、第１、第２などが様々な構成要素を述べるために使用されるが、これらの構成要素は、これらの用語により制限されない。これらの用語は、単に１つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用するものである。したがって、以下において言及される第１の構成要素は、本発明の技術的思想内で第２の構成要素でありうる。
明細書全体にわたって同一参照符号は、同一構成要素を表す。図面に示された各構成の大きさ及び厚さは、説明の便宜のために図示されたものであり、本発明が、図示された構成の大きさ及び厚さに必ず限定されるものではない。
本発明の種々の実施形態の各々の特徴が部分的にまたは全体的に互いに結合または組み合わせ可能であり、技術的に様々な連動及び駆動が可能であり、各実施形態が互いに対して独立的に実施可能でありうるし、相関関係により、共に実施可能でありうる。
本明細書において電気活性フィルムは、電圧が印加されることにより収縮または膨脹して、振動感を伝達できるフィルムを意味する。本明細書において接触感応素子は、接触感応素子に対するユーザの接触に対応してユーザに触覚フィードバックを伝達できる素子を意味する。
以下、添付された図面を参照して本発明の様々な実施形態を詳細に説明する。本明細書において、”＊”は同一であるか、相違した繰り返し単位または化学式と結合される部分を意味する。
図１は、本発明の一実施形態に係る接触感応素子の構造を説明するための概略的な断面図である。図１に示すように、本発明の一実施形態に係る接触感応素子１００は、電気活性フィルム１１０、電気活性フィルム１１０の下部に配置された第１の電極１２１、及び電気活性フィルム１１０の上部に配置された第２の電極１２２を備える。
電気活性フィルム１１０は、第１の電極１２１及び第２の電極１２２の間に配置されて、電気的な刺激によって振動または撓みを誘発する役割をする。電気活性フィルム１１０は、電気活性を有するポリマーであるシロキサンポリマーからなり、具体的には、主鎖の一部にフルオロ基（ｆｌｕｏｒｏ ｇｒｏｕｐ）またはクロロ基（ｃｈｌｏｒｏ ｇｒｏｕｐ）が結合されたシロキサンポリマーからなる。
本発明の電気活性フィルム１１０をなすシロキサンポリマーは、電気陰性度の高いフルオロ基またはクロロ基がシロキサンポリマーの主鎖に結合された構造を有しており、電気活性フィルム１１０内に分極現象が生じる。これにより、電気活性フィルム１１０は向上した誘電率を有する。
本発明のシロキサンポリマーは、従来の誘電性エラストマーとして使用されるポリシロキサンと類似した構造を有するので、優れた光透過率及び光学特性を有する。さらに、本発明のシロキサンポリマーは、主鎖を構成するＳｉの一部にフルオロ基またはクロロ基が結合されているため、強誘電性ポリマーの特性を有することができる。より具体的には、電気活性フィルム１１０に所定の大きさ以上の外部電場を加えると、シロキサンポリマーのＳｉ−ＦまたはＳｉ−Ｃｌ双極子が電場を加えた方向に選択的に配列される。これにより、電気活性フィルム１１０の分極度が向上する。また、外部電場を除去しても、Ｓｉ−ＦまたはＳｉ−Ｃｌ双極子が本来の状態に戻らない残留分極度（ｒｅｍａｎｅｎｔ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が存在するようになる。すなわち、本発明のシロキサンポリマーは、ポリビニリデンフルオライド（ｐｏｌｙ ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅｆｌｕｏｒｉｄｅ、ＰＶＤＦ）のような強誘電性ポリマーと類似した性質を有する。したがって、本発明のシロキサンポリマーは、従来の誘電性エラストマーに比べて高い誘電率を有する。
本発明の主鎖の一部にフルオロ基またはクロロ基が結合されたシロキサンポリマーは、末端がビニル基に置換されたポリシロキサンとシリコン系架橋剤（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｅｒ）との架橋結合により製造され得る。このとき、最終的なシロキサンポリマーの主鎖に結合されたフルオロ基またはクロロ基は、シリコン系架橋剤の主鎖から導かれた繰り返し単位に存在する。より具体的には、本発明の主鎖にフルオロ基またはクロロ基が結合されたシロキサンポリマーは、i）末端がビニル基に置換されたポリシロキサンと主鎖に水素またはヒドロキシ基を含むシリコン系架橋剤とを架橋結合させた後、水素またはヒドロキシ基をフルオロ基またはクロロ基に置換して製造され得る、あるいは（ii）末端がビニル基に置換されたポリシロキサンと主鎖の一部にフルオロ基またはクロロ基が結合されたシリコン系架橋剤とを架橋結合して製造され得る。
このとき、末端がビニル基に置換されたポリシロキサンは、従来の誘電性エラストマーの性質を有しているため、本発明のシロキサンポリマーに誘電性エラストマーの特性を付与する。さらに、主鎖の一部に結合されたフルオロ基またはクロロ基は、電気陰性度が高いので、本発明のシロキサンポリマーの分極度を向上させることによって誘電率を向上させる。
より具体的には、主鎖の一部にフルオロ基またはクロロ基が結合されたシロキサンポリマーは、下記の化学式１で表される末端がビニル基に置換されたポリシロキサンと下記の化学式２で表されるシリコン系架橋剤とを架橋結合した後、化学式２で表されるシリコン系架橋剤から導かれる繰り返し単位の主鎖に存在するＳｉ−Ｈの一部の水素またはＳｉ−ＯＨの一部のヒドロキシ基をフルオロ基またはクロロ基に置換することにより製造され得る。
化学式１において、Ｒ１及びＲ２は各々独立的に、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル基、Ｃ１〜Ｃ２０のアリール基、Ｃ１〜Ｃ２０のシクロアルキル基または水素であり、ｍは１以上の整数である。これに制限されるものではないが、化学式１のＲ１及びＲ２はＣ１〜Ｃ２０のアルキル基であることが好ましく、メチル基であることがさらに好ましい。ｍは５０〜５００の整数であることが好ましい。
化学式２において、Ｒ３〜Ｒ７は各々独立的に、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル基、Ｃ１〜Ｃ２０のアリール基、Ｃ１〜Ｃ２０のシクロアルキル基または水素であり、Ｒ８は水素またはヒドロキシ基であり、ｎは０または１以上の整数であり、ｏは２以上の整数である。これに制限されるものではないが、ｎは０であり、ｏは１０〜１００の整数であることが好ましい。
このとき、アルキル基の具体的な例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ノナデシル基、イコシル基、ヘンイコシル基、ドコシル基などが挙げられる。また、アリール基の具体的な例としては、フェニル基、トリル基、ビフェニル基、ｏ−、ｍ−、ｐ−テルフェニル基、ナフチル基、アントラニル基、フェナントレニル基、９−フェニルアントラニル基、９，１０−ジフェニルアントラニル基、ピレニル基などが挙げられる。また、シクロアルキル基の具体的な例としては、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルナン基、アダマンタン基、４−メチルシクロヘキシル基などが挙げられる。
また、本発明のシロキサンポリマーは、化学式２で表されるシリコン系架橋剤の主鎖に存在する水素またはヒドロキシ基をフルオロ基またはクロロ基に置換して、主鎖にＳｉ−ＦまたはＳｉ−Ｃｌを含むシリコン系架橋剤を製造した後、主鎖の一部がフルオロ基またはクロロ基に置換されたシリコン系架橋剤を化学式１で表される末端がビニル基に置換されたポリシロキサンと架橋結合することにより製造され得る。
本発明のシロキサンポリマーは、網構造を有する共重合体であることが好ましい。上述した方法により製造されたシロキサンポリマーは、末端がビニル基に置換されたポリシロキサンとシロキサン系架橋剤との架橋結合により製造される。このとき、ポリシロキサンの末端に存在するビニル基がシロキサン系架橋剤の主鎖に存在するＳｉ−ＨまたはＳｉ−ＯＨと反応して互いに垂直方向に架橋される。つまり、末端がビニル基に置換されたポリシロキサンとシロキサン系架橋剤とは互いに２次元的に結合されて、線形構造でない、連続的な網構造を有するようになる。これに制限されるものではないが、具体例は、下記の化学式３で表されるシロキサンポリマーから確認することができる。
化学式３において、Ａは化学式４の構造を表す。化学式４において、Ｒ９及びＲ１０は各々独立的に、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル基、Ｃ１〜Ｃ２０のアリール基、Ｃ１〜Ｃ２０のシクロアルキル基または水素であり、ｐは１以上の整数である。これに制限されるものではないが、化学式４のＲ９及びＲ１０はＣ１〜Ｃ２０のアルキル基であることが好ましく、メチル基であることがさらに好ましい。ｐは５０〜５００の整数であることが好ましい。
このとき、化学式３において、ａはシロキサン系架橋剤から導かれた繰り返し単位の例を表し、ｂ及びｃは末端がビニル基に置換されたポリシロキサンから導かれた繰り返し単位の例を表す。化学式３において確認することができるように、本発明のシロキサンポリマーは網構造を有する。
本発明において主鎖の一部にフルオロ基またはクロロ基が結合されたシロキサンポリマーからなる電気活性フィルム１１０は、延伸フィルムでありうる。これに制限されるものではないが、本発明の電気活性フィルム１１０は、ＭＤ方向（長手方向）またはＴＤ方向（幅方向）に１軸または２軸延伸が施されてよく、１００％〜５００％の延伸率で延伸されてよい。主鎖の一部にフルオロ基またはクロロ基が結合されたシロキサンポリマーからなる電気活性フィルム１１０を延伸する場合、シロキサンポリマーの主鎖が延びながら、フルオロ基またはクロロ基が同じ一方向に配列される。フルオロ基またはクロロ基が同じ方向に配列されれば、それぞれの分極方向が同一になるので、シロキサンポリマーの分極度がさらに向上し、電気活性フィルム１１０の誘電率が大きく向上する。
より具体的には、本発明のシロキサンポリマーは、条件によって種々の結晶構造を有することができる。延伸前後による主鎖の一部にフルオロ基またはクロロ基が結合されたシロキサンポリマーの結晶構造を示した図２を参照すれば、未延伸電気活性フィルムは、α−相（α−ｐｈａｓｅ）を表す。α−相は、主鎖によってフルオロ基またはクロロ基がトランス（ｔｒａｎｓ）形態及び捻れ（ｇａｕｃｈｅ）形態が混合されている状態を意味するので、ポリマー自体の分極度は小さい。また、結晶格子内でフルオロ基またはクロロ基が互いに向かい合うように配列されているので、α−相の総分極度が相殺され、電気活性フィルムの誘電率向上が制限される。
しかし、図２に示すように、電気活性フィルムを延伸する場合、シロキサンポリマーの主鎖が延びながら、シロキサンポリマーの主鎖に結合されたフルオロ基またはクロロ基間の立体障害（ｓｔｅｒｉｃ）が大きく解消され、フルオロ基またはクロロ基が共にトランス（ａｌｌ−ｔｒａｎｓ）形態からなっているβ−相（β−ｐｈａｓｅ）が形成され得る。すなわち、結晶格子内でフルオロ基またはクロロ基が同じ一方向に配列されており、分極度が最大になり得る。つまり、延伸された電気活性フィルムは、α−相からβ−相の構造に変わる。これにより、シロキサンポリマーからなる電気活性フィルムの誘電率はさらに向上する。一方、本発明の電気活性フィルムには、延伸工程とともに、ポリマーに高い直流電圧を印加して特定の電荷を有する原子を一方向に配列させるポーリング（ｐｏｌｌｉｎｇ）工程が加えられ得る。ポーリング工程によって電気活性フィルムの分極方向が一定に形成され得る。
また、本発明の電気活性フィルムを延伸する場合、強誘電性ポリマー（ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ）性質を表す領域と誘電性エラストマー（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）性質を表す領域とが区分されて形成され、２つの領域は交互に（ｌａｙｅｒ ｂｙ ｌａｙｅｒ）積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）された構造になる。
より具体的には、図２に示すように、延伸前の電気活性フィルムは、フルオロ基またはクロロ基が結合された主鎖が不規則な曲線をなし、フルオロ基またはクロロ基がランダムな方向に配列されてα−相のような構造を形成する。しかし、延伸後の電気活性フィルムは、引力により平たくなるので、フルオロ基またはクロロ基が結合された主鎖が直線に近い線形をなし、上述したように、フルオロ基またはクロロ基が同じ方向に向けて配列される。つまり、フルオロ基またはクロロ基が結合された主鎖は、ＰＶＤＦ系ポリマーのような従来の強誘電性ポリマーと類似した構造を有するため、強誘電性ポリマー領域を形成する。一方、シロキサンポリマーの主鎖間を結合するポリマーは、従来の誘電性エラストマーと類似した構造を有するため、誘電性ポリマー領域を形成する。最終的に、電気活性フィルムを延伸することにより、強誘電性ポリマー領域と誘電性ポリマー領域とが互いに交互に積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）されている多層構造が形成される。
電気活性フィルム１１０が上述したようにβ−相の構造を有するか、強誘電性ポリマー領域と誘電性ポリマー領域とが互いに交互に積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）されている多層構造を形成する場合、電気活性フィルム１１０は、強誘電性ポリマーの性質と誘電性エラストマーの性質とを同時に有することができるので、従来の強誘電性ポリマーの問題点であった光透過率が向上し、誘電性エラストマーの問題点であった誘電率が大きく向上する。
上述したように、本発明の電気活性フィルム１１０は、延伸により誘電率が向上する。具体的には、電気活性フィルム１１０は、延伸率が１００％以上である延伸により誘電率が１５％以上または２０％以上向上し、好ましくは、３０％以上向上する。電気活性フィルム１１０は、延伸倍率が増加するほど、シロキサンポリマーの主鎖に結合されたフルオロ基またはクロロ基の原子配列がさらに一定になり、分極度が向上するので、電気活性フィルム１１０の誘電率がさらに向上する。具体的には、電気活性フィルム１１０は、延伸率が３００％以上である延伸により誘電率が３０％以上または４０％以上向上し、好ましくは、５０％以上向上する。このように、本発明の電気活性フィルム１１０は、従来に誘電性エラストマーとして使用されたポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）と類似したシロキサンポリマーで形成されるが、シロキサンポリマーの主鎖にＳｉ−ＦまたはＳｉ−Ｃｌが結合されるので、延伸により誘電率が大きく向上する。
本発明の電気活性フィルム１１０は、誘電率が優れており、２５℃の条件下において１ｋＨｚで測定した誘電率が５．０以上であり、好ましくは、７．０以上である。誘電性エラストマーとして最も広く使用されるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）は、一般的に約２．５〜３．０程度の誘電率を表すが、本発明の電気活性フィルム１１０は、７．０以上の誘電率を表し、さらに電気活性フィルム１１０を延伸した場合には、８．０以上または１０．０以上の誘電率を表す。電気活性フィルム１１０の誘電率が前記範囲を満たす場合、接触感応素子の振動強度を向上させることができ、駆動電圧を低くすることができる。
また、本発明の電気活性フィルム１１０は、光透過率が８５％以上であることが好ましく、９０％以上であることがさらに好ましい。一般的に、表示パネルの前面に接触感応素子を配置するためには、接触感応素子の光透過率が８０％以上でなければならない。特に、電気活性を有するＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙ ＶｉｎｙｌｉＤｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）やＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（Ｐｏｌｙ（ＶｉｎｙｌｉＤｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）−ＴｒｉＦｌｕｒｏｒＥｔｙｌｅｎｅ）などのような強誘電性ポリマーの場合、一般的に７５％以下の光透過率を有するので、表示パネルの前面に配置するのが難しいという問題があった。しかし、本発明の電気活性フィルム１１０は、強誘電性ポリマーと誘電性エラストマーとの性質を共に含んでいるところ、光透過率及び誘電率に共に優れた接触感応素子として機能することができる。
本発明の電気活性フィルム１１０は、厚さが１０μｍ〜５００μｍであることが好ましく、２０μｍ〜２００μｍであることがさらに好ましい。電気活性フィルム１１０の厚さが前記範囲を満たす場合、接触感応素子１００の強い振動強度が実現され得る。
電気活性フィルム１１０の両表面には、電源供給のための第１の電極１２１及び第２の電極１２２が付着される。具体的には、図１において、電気活性フィルム１１０の下面に配置される電極を第１の電極１２１として、電気活性フィルム１１０の上面に配置される電極を第２の電極１２２として図示されている。
第１の電極１２１及び第２の電極１２２は、導電性物質で形成されることができ、これに制限されるものではないが、例えば、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、チタニウム（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム−銅合金（Ａｌ−Ｃｕ ａｌｌｏｙ）などのような金属物質で形成されるか、またはＰＥＤＯＴ［Ｐｏｌｙ（３，４−ＥｔｈｙｌｅｎｅＤｉＯｘｙＴｈｉｏｐｈｅｎｅ）］：ＰＳＳ［Ｐｏｌｙ（４−ＳｔｙｒｅｎｅＳｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ）］、ポリピロール（ｐｏｌｙｐｙｒｒｏｌｅ）、ポリアニリン（ｐｏｌｙａｎｉｌｉｎｅ）などのような導電性ポリマーからなることができる。また、第１の電極１２１及び第２の電極１２２は、接触感応素子１００の円滑な繰り返し的な駆動に適するように、炭素導電性グリース（ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｇｒｅａｓｅ）、カーボンブラック（Ｃａｒｂｏｎ Ｂｌａｃｋ）、または炭素ナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ；ＣＮＴ）に弾性体を混合して製造された軟質（ｓｏｆｔ）電極からなることができる。第１の電極１２１及び第２の電極１２２は、互いに同じ物質からなることができ、互いに相違した物質からなることもできる。
本発明の接触感応素子１００を表示パネル上に配置させる場合、第１の電極１２１及び第２の電極１２２は、接触感応素子の透明性を確保するために、透明な導電性物質を含むことが好ましい。これに制限されるものではないが、透明な導電性物質は、インジウム錫酸化物（Ｉｎｄｕｉｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ、ＩＴＯ）、グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）、金属ナノワイヤ、及び透明導電性酸化物（ＴＣＯ）からなる群より選ばれる１種でありうる。
第１の電極１２１及び第２の電極１２２は、様々な方式で電気活性フィルム１１０の両面に配置される。例えば、第１の電極１２１及び第２の電極１２２は、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、プリンティング（ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、スリットコーティング（ｓｌｉｔ ｃｏａｔｉｎｇ）などのような方式で電気活性フィルム１１０の両面に配置されることができる。特に、第１の電極１２１及び第２の電極１２２が同じ物質で配置される場合、第１の電極１２１及び第２の電極１２２は、同時に配置されることもできる。
第１の電極１２１及び第２の電極１２２は、外部から電圧が印加されて電場を形成する。ここで、電気活性フィルム１１０に電場を形成するために、第１の電極１２１と第２の電極１２２には互いに相違した大きさの電圧が印加されるか、互いに反対の電気的性質を有する電圧が印加され得る。例えば、第１の電極１２１に正（＋）の電圧が印加される場合、第２の電極１２２には負（−）の電圧または接地電圧が印加され、第１の電極１２１に負（−）の電圧が印加される場合、第２の電極１２２には正（＋）の電圧または接地電圧が印加され得る。ここで、第１の電極１２１に印加される電圧の電気的性質と第２の電極１２２に印加される電圧の電気的性質とが互いに反対に変更されることにより、電場の方向も共に変更される。
第１の電極１２１と第２の電極１２２とに印加される電圧は、交流（ＡＣ）電圧でありうるし、直流（ＤＣ）電圧でありうる。第１の電極１２１及び第２の電極１２２に交流電圧（ＡＣ）を印加する場合、電気活性フィルム１１０は、周期的に変位されることができ、振動する効果を出すことができ、第１の電極１２１及び第２の電極１２２に直流電圧（ＤＣ）を印加する場合、電気活性フィルム１１０は、曲げられた状態を維持することができる。
本発明の接触感応素子１００は、主鎖の少なくとも一部にフルオロ基またはクロロ基が結合されたシロキサンポリマーを含む、誘電率に優れた電気活性フィルム１１０を使用する。このとき、本発明において接触感応素子１００は、ユーザの必要に応じて、未延伸の電気活性フィルムを使用することができ、延伸された電気活性フィルムを使用することもできる。
すなわち、未延伸の電気活性フィルム及び延伸された電気活性フィルムは、ともに電気活性ポリマーとして使用される従来の誘電性エラストマーと比較して顕著に大きい誘電率を有するので、接触感応素子１００の駆動電圧を低め、振動強度を向上させることができる。
前述したように、本発明の電気活性フィルム１１０が延伸された場合、部分的に強誘電性ポリマー領域と誘電性エラストマー領域とを同時に含むハイブリッド型ポリマーが形成され、強誘電性ポリマーと誘電性エラストマーの特性が同時に発現される。より具体的に、電気陰性度の大きいフルオロ基及びクロロ基を含む強誘電性ポリマー領域は、電気活性フィルム１１０に電場が印加されることにより、強誘電性ポリマー領域の内部の双極子（ｄｉｐｏｌｅ）の整列方向が変更されることにより接触感応素子１００に力を伝達する。これとは異なり、誘電性ポリマー領域は、複数のポリシロキサン鎖が形成されている領域であるから、誘電性ポリマー領域は、電気活性フィルム１１０に電圧が印加されることにより発生する静電気的引力（Ｃｏｕｌｏｍｂｉｃ Ｆｏｒｃｅ）により収縮及び膨脹されて接触感応素子１００に力を伝達する。
図３は、本発明の一実施形態に係る接触感応素子１００を含む表示装置２００の構造を説明するための概略的な分解斜視図である。図３に示すように、本発明の一実施形態に係る表示装置２００は、下部カバー２１０、表示パネル２２０、接触感応素子１００、タッチパネル２３０、及び上部カバー２４０を備える。
下部カバー２１０は、表示パネル２２０、接触感応素子１００、及びタッチパネル２３０の下部を覆うように表示パネル２２０の下に配置される。下部カバー２１０は、表示装置２００内部の構成を外部の衝撃及び異物質や水分の浸透から保護する。例えば、下部カバー２１０は、これに制限されるものではないが、熱成形が可能であり、加工性のよいプラスチックのような物質からなることができる。また、下部カバー２１０は、近年、フレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）表示装置が活発に開発されていることにより、表示装置２００の形状変化によって共に変形され得る物質からなることができる。例えば、下部カバー２１０は、軟性を有するプラスチックのような物質からなることができる。
表示パネル２２０は、表示装置２００で映像を表示するための表示素子が配置されたパネルを意味する。表示パネル２２０は、これに制限されるものではないが、例えば、有機発光表示パネル、液晶表示パネル、電気泳動表示パネルなどのような様々な表示パネルが使用され得る。好ましくは、表示パネル２２０は、有機発光表示装置でありうる。有機発光表示装置は、有機発光層に電流を流すことにより、有機発光層が発光するようにする表示装置であり、有機発光層を使用して特定波長の光を発光する。有機発光表示装置は、少なくともカソード、有機発光層、アノードを備える。
有機発光表示装置も軟性を有して変形され得るように構成されることができる。すなわち、有機発光表示装置は、軟性を有するフレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）有機発光表示装置であって、フレキシブル基板を含む。フレキシブル有機発光表示装置は、外部から加えられる力により様々な方向及び角度で変形されることができる。
接触感応素子１００は、必要に応じて表示パネル２２０の下部に配置されることができ、表示パネル２２０の上部に配置されることもできる。図３では、接触感応素子１００の上部に配置されることと想定して説明する。具体的に、接触感応素子１００は、表示パネル２２０の上面に直接接触されるように配置されることができ、表示パネル２２０の上面と接触感応素子１００の下面との間に接着剤を用いて配置されることもできる。接着剤としては、これに制限されるものではないが、ＯＣＡ（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｌｅａｒ ａｄｈｅｓｉｖｅ）またはＯＣＲ（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｌｅａｒ ｒｅｓｉｎ）が使用され得るが、これに制限されるものではない。
図３に示された接触感応素子１００は、第１の電極１２１、第２の電極１２２、及び電気活性フィルム１１０を備える。接触感応素子１００の具体的な構成要素は、図１において説明した接触感応素子１００と同様であるから、詳細な説明を省略する。
接触感応素子１００は、表示パネル２２０と電気的に結合されることができる。例えば、表示パネル２２０に配置されたＦＰＣＢ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）と接触感応素子１００の電極が配線により互いに電気的に結合されることもできる。
接触感応素子１００上にはタッチパネル２３０が配置される。タッチパネル２３０は、表示装置２００に対するユーザのタッチ入力を感知し、タッチ座標を提供する機能を果たすパネルを意味する。
タッチパネル２３０は、配置される位置によって区分されることができる。例えば、表示パネル２２０の上部表面に付着するアッド−オン（Ａｄｄ−Ｏｎ）方式が使用され得る。他の例において、表示パネル２２０上に蒸着させるオン−セル（Ｏｎ−Ｃｅｌｌ）方式が使用され得る。さらに他の例において、表示パネル２２０の内部に形成したイン−セル（Ｉｎ−Ｃｅｌｌ）方式が使用され得る。また、タッチパネル２３０は、作動方式によって区分されることができる。例えば、静電容量方式、抵抗膜方式、超音波方式、赤外線方式などが使用され得るが、好ましくは、静電容量方式のタッチパネルがタッチパネル２３０として使用され得る。
また、タッチパネル２３０は、接触感応素子１００と電気的に結合されることができる。具体的に、タッチパネル２３０は、接触感応素子１００の電極と電気的に結合され、タッチパネル２３０で入力された様々なタッチ信号または電圧が接触感応素子１００に伝達され得る。
上部カバー２４０は、接触感応素子１００、表示パネル２２０、及びタッチパネル２３０の上部を覆うようにタッチパネル２３０上に配置される。上部カバー２４０は、下部カバー２１０と同様な機能をすることができる。また、上部カバー２４０も下部カバー２１０と同様に、同じ物質からなることができる。
また、表示装置２００は、光透過率及び誘電率に優れた電気活性フィルム１１０を使用することにより、低い駆動電圧と優れた光透過率を有するようになるので、表示パネルの前面に配置させることができる。これにより、本発明の表示装置２００は、ユーザに直接的なタッチ感とフィードバックを伝達することができる。
図４は、本発明の様々な実施形態に係る表示装置が有利に活用され得る実例を示す図である。図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係る接触感応素子を含むモバイル表示装置３００の例示的な外観図である。このとき、モバイル表示装置としては、スマートフォン、携帯電話、タブレットＰＣ、ＰＤＡなどのような小型装置が挙げられる。本発明の接触感応素子がモバイル表示装置３００に設けられる場合、タッチ強度によって微細な差異まで直接的にユーザに振動を伝達することができ、より強いタッチ感を伝達することもできる。ユーザは、モバイル表示装置３００で動画視聴、ゲーム、ボタン入力などを行うときにタッチとともに振動を感じることができるので、モバイル表示装置３００からより共感覚的な情報を伝達されることができる。
図４（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る接触感応素子を含む車両用ナビゲーション４００の例示的な外観図である。車両用ナビゲーション４００は、表示装置及び複数の操作要素を含むことができ、車両の内部に設置されたプロセッサにより制御されることができる。本発明の表示装置が車両用ナビゲーション４００に適用される場合、道路の高低、道路の状態、車両の進行状況などを多様にユーザに触覚的に提供できる。
図４（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る接触感応素子を含むＴＶ５００の例示的な外観図である。本発明の表示装置がＴＶ５００またはモニタのようなディスプレイ装置に使用される場合、ユーザは、ディスプレイ装置を介して特定物件の質感、話者の状態などを実際に経験するように感じることができるので、よりリアルな映像を楽しむことができる。
図４（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る接触感応素子を含む屋外広告板６００の例示的な外観図である。本発明の表示装置が屋外広告板６００に適用される場合、販売しようとする広告物品に対する触覚的な情報をユーザに直接伝達できるので、広告効果を極大化できる。
図４（ｅ）は、本発明の一実施形態に係る接触感応素子を含むスロットマシン７００の例示的な外観図である。スロットマシン７００は、表示装置、及び様々なプロセッサが内蔵されるハウジングを含むことができる。本発明の表示装置をスロットマシン７００に適用する場合、直接画像を動作させることにより、レバー引き、ルーレットホイールの回転、ルーレットボールの移動などをリアルに提供でき、ゲームに対する没入感を倍加させることができる。
図４（ｆ）は、本発明の一実施形態に係る接触感応素子を含む電子黒板８００の例示的な外観図である。電子黒板８００は、表示装置、スピーカ、及びこれらを外部の衝撃から保護するための構造物を含むことができる。本発明の表示装置を電子黒板８００に適用する場合、教育者は、スタイラスペンまたは指で表示装置に講義内容を入力するときに、直接黒板８００に板書するような感じが提供され得る。また、被教育者が電子黒板８００に表示されたイメージに対するタッチ入力を印加する場合、当該イメージに適した触覚的フィードバックが被教育者に提供され得るので、教育の効果が極大化され得る。
図５Ａ及び５Ｂは、本発明の様々な実施形態に係る主鎖の一部にフルオロ基またはクロロ基が結合されたシロキサンポリマーからなる電気活性フィルムの製造方法のフローチャートを示す図である。
本発明の電気活性フィルムの製造方法は、ハロゲン元素を含むシロキサンポリマーを製造する方法によって差異点があるところ、下記に記載するように、シロキサンポリマーを製造する方法を分離して２つの方法で説明する。
具体的には、図５Ａによる電気活性フィルムの製造方法は、末端がビニル基に置換されたポリシロキサンと主鎖にＳｉ−ＨまたはＳｉ−ＯＨを含むシリコン系架橋剤とを架橋させてシロキサンポリマーを製造した後、シリコン系架橋剤に由来する繰り返し単位の残存するＳｉ−ＨまたはＳｉ−ＯＨをフルオロ基またはクロロ基に置換するステップを含む。
まず、下記の化学式１で表されるポリシロキサンと下記の化学式２で表されるシリコン系架橋剤とを架橋結合させてシロキサンポリマーを製造する（Ｓ５１ａ）。
化学式１において、Ｒ１及びＲ２は各々独立的に、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル基、Ｃ１〜Ｃ２０のアリール基、Ｃ１〜Ｃ２０のシクロアルキル基または水素であり、ｍは１以上の整数である。これに制限されるものではないが、化学式１のＲ１及びＲ２はＣ１〜Ｃ２０のアルキル基であることが好ましく、メチル基であることがさらに好ましい。ｍは５０〜５００の整数であることが好ましい。
化学式２において、Ｒ３〜Ｒ７は各々独立的に、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル基、Ｃ１〜Ｃ２０のアリール基、Ｃ１〜Ｃ２０のシクロアルキル基または水素であり、Ｒ８は水素またはヒドロキシ基であり、ｎは０または１以上の整数であり、ｏは２以上の整数である。これに制限されるものではないが、ｎは０であり、ｏは１０〜１００の整数であることが好ましい。
化学式１で表されるポリシロキサンは、末端がビニル基に置換されたポリシロキサンであり、化学式２で表される架橋剤は、主鎖にＳｉ−ＨまたはＳｉ−ＯＨを含む鎖型シリコン系架橋剤である。これに制限されるものではないが、化学式１は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の末端をビニル基に置換したものでよく、化学式２は、架橋剤として末端がトリメチルシランに置換されたポリハイドロゲンメチルシロキサン（ＰＨＭＳ）でよい。
シロキサンポリマーを製造するステップ（Ｓ５１ａ）は、有機溶媒としてベンゼン、トルエン、ｎ−ヘプタン、エーテル、キシレン、トリエチルアミン、及びジイソプロピルアミンなどを使用することができ、５０℃〜８０℃で１時間〜４８時間の間行うことができる。
シロキサンポリマーを製造するステップ（Ｓ５１ａ）は、白金系触媒下で行うことができ、白金系触媒としては、これに制限されるものではないが、例えば、カルステッド触媒（Ｃａｒｓｔｅｄｔ’ｓ ｃａｔａｌｙｓｔ）であるＰｔ［（ＣＨ２＝ＣＨ−ＳｉＭｅ２）２Ｏ］１．５、ツァイゼ塩ダイマー（Ｚｅｉｓｅ ｓａｌｔ ｄｉｍｍｅｒ）であるＰｔ［（Ｃ２Ｈ４）Ｃｌ２］２などを使用することができる。このような触媒は、反応物１モルに対して０．０１モル％〜１モル％の含量として使用することができる。
このとき、化学式１で表されるポリシロキサンに対する化学式２で表される架橋剤を架橋結合させる体積比は９：１〜５：５の範囲であることが好ましく、８：２〜６：４の範囲であることがさらに好ましい。化学式２で表されるシリコン系架橋剤が前記範囲未満である場合、十分な架橋がなされないことがあり、前記範囲超過である場合、過度に硬度が上昇して、接触感応素子として使用するのに適切でないことがある。
シロキサンポリマーを製造するステップ（Ｓ５１ａ）において、化学式１で表されるポリシロキサンの末端に存在するビニル基は、そのビニル基の二重結合が解けながら、化学式２で表されるシリコン系架橋剤の主鎖に存在するＳｉ−Ｈの一部の水素と結合するか、またはＳｉ−ＯＨの一部のヒドロキシ基と結合する。すなわち、ポリシロキサンが、化学式２で表されるシリコン系架橋剤において、Ｒ５〜Ｒ７の置換基とは反応せず、Ｒ８の水素またはヒドロキシ基と架橋することによって、反応が進む。
このような架橋反応の結果物であるシロキサンポリマーは、上述したように、網構造を形成する。
次に、シロキサンポリマーを製造するステップ（Ｓ５１ａ）から製造されたシロキサンポリマーの主鎖に結合された水素またはヒドロキシ基の一部をフルオロ基またはクロロ基に置換する（Ｓ５２ａ）。
フルオロ基またはクロロ基に置換するステップ（Ｓ５２ａ）では、シロキサンポリマーを製造するステップ（Ｓ５１ａ）を経て製造されたシロキサンポリマーの主鎖に存在するＳｉ−Ｈの水素またはＳｉ−ＯＨのヒドロキシ基のうち、少なくとも一部をフルオロ基またはクロロ基に置換する。より具体的には、フルオロ基またはクロロ基に置換するステップ（Ｓ５２ａ）は、化学式２で表されるシリコン系架橋剤から導かれた繰り返し単位のＳｉ−Ｈの水素またはＳｉ−ＯＨのヒドロキシ基のうち、少なくとも一部をフルオロ基またはクロロ基に置換するステップである。すなわち、シロキサンポリマーを製造するステップ（Ｓ５１ａ）において化学式１で表されるポリシロキサン末端に存在するビニル基と反応して残った化学式２のＲ８の水素またはヒドロキシ基がフルオロ基またはクロロ基に置換される。
これに制限されるものではないが、シロキサンポリマーを製造するステップ（Ｓ５１ａ）において製造されたシロキサンポリマーをフッ化水素（ＨＦ）または塩化水素（ＨＣｌ）水溶液に反応させるか、Ｃｌ２及びＦ２ガスを注入して反応させることにより、Ｓｉ−ＨまたはＳｉ−ＯＨをＳｉ−ＦまたはＳｉ−Ｃｌに置換することができる。
次に、置換されたシロキサンポリマーを電気活性フィルムとして製膜する（Ｓ５３ａ）。置換されたシロキサンポリマーは、これに制限されるものではないが、様々な基材、例えば、ガラス、ＩＴＯ、プラスチック上に、スピンコーティング、ディップコーティング、ソルベントキャスティング、スリットコーティング、及びバーコーティングなどのコーティング法や共押出法を使用して、フィルム形態で製膜することができる。
次に、本発明は、製造された電気活性フィルムを延伸するステップをさらに含むことができる（Ｓ５４ａ）。電気活性フィルムを延伸するステップ（Ｓ５４ａ）は、α−相をβ−相に切り換えるためのものであって、Ｓ５３ａステップから製造された電気活性フィルムを一定の方向に引き伸ばす方法により行われる。延伸方法は大別して湿式延伸法と乾式延伸法とに区分される。乾式延伸法は、さらにロール間（ｉｎｔｅｒｒｏｌｌ）延伸方法、加熱ロール（ｈｅａｔｉｎｇ ｒｏｌｌ）延伸方法、圧縮延伸方法、テンター（ｔｅｎｔｅｒ）延伸方法などに区分される。湿式延伸法は、さらにテンター延伸方法、ロール間延伸方法などに区分される。本発明では、湿式延伸法と乾式延伸法とが共に使用され得るし、必要な場合、これらを組み合わせて使用することもできる。
このとき、電気活性フィルムは、必要に応じて例えばＭＤ方向（長手方向）またはＴＤ方向（幅方向）に、１軸（１方向）に沿って延伸されることができ、２軸（２方向）に沿って延伸されることもできる。２軸について、逐次延伸を行ってよく、あるいは同時に延伸を行ってよい。
電気活性フィルムを延伸するステップ（Ｓ５４ａ）において電気活性フィルムは、１００％〜５００％の延伸率で延伸されることが好ましい。なぜなら、延伸率が１００％未満である場合、電気活性フィルムがβ−相に完全に切り換えられ難く、延伸率が５００％超過である場合、フィルムが破断されるか、十分な厚さが確保され難いためである。
電気活性フィルムに対して、光学的特性及び機械的特性を安定化させるために、延伸処理後に熱処理（アニーリング）などを行うことができる。熱処理条件は、特に制限されず、当該技術分野に知られた任意の適切な条件を採用することができる。
次に、図５Ｂによる電気活性フィルムの製造方法は、主鎖にＳｉ−ＨまたはＳｉ−ＯＨを含むシリコン系架橋剤を先にフルオロ基またはクロロ基に置換した後、シロキサンポリマーを製造するために、置換されたシリコン系架橋剤を末端がビニル基に置換されたポリシロキサンと架橋するステップを含む。
図５Ｂに示すように、まず、化学式２で表されるシリコン系架橋剤の主鎖に結合された水素またはヒドロキシ基の少なくとも一部をフルオロ基またはクロロ基に置換する（Ｓ５１ｂ）。図５Ａと比較すると、化学式１で表されるポリシロキサンと化学式２で表されるシリコン系架橋剤とを架橋結合させる前に、化学式２で表されるシリコン系架橋剤の主鎖に存在する水素またはヒドロキシ基の一部をフルオロ基またはクロロ基に置換させるという点で差異がある。すなわち、化学式２のＲ８の水素またはヒドロキシ基の一部が、フルオロ基またはクロロ基に置換される。
これに制限されるものではないが、化学式２で表されるシリコン系架橋剤をフッ化水素（ＨＦ）または塩化水素（ＨＣｌ）水溶液に反応させるか、Ｃｌ２及びＦ２ガスを注入して反応させることにより、Ｓｉ−ＨまたはＳｉ−ＯＨの少なくとも一部をＳｉ−ＦまたはＳｉ−Ｃｌに置換することができる。
次に、置換された架橋剤と化学式１で表されるポリシロキサンとを架橋させてシロキサンポリマーを製造する（Ｓ５２ｂ）。このとき、フルオロ基またはクロロ基に置換されたシリコン系架橋剤と化学式１で表されるポリシロキサンとを架橋させる方法は、図５Ａに開示されたＳ５２ａステップと実質的に同様であるため、これに対する重複説明を省略する。
次に、シロキサンポリマーを電気活性フィルムとして製膜する（Ｓ５３ｂ）。また、製造された電気活性フィルムを延伸するステップをさらに含むことができる（Ｓ５４ｂ）。
電気活性フィルムを製膜するステップ及び製造された電気活性フィルムを延伸するステップは、図５Ａに開示されたＳ５３ａ及びＳ５４ａと実質的に同様であるため、これに対する重複説明を省略する。
以下では、実施例を介してシロキサンポリマー及びシロキサンポリマーを含む電気活性フィルムの製造をより詳細に説明する。
製造例：主鎖にフルオロ基が結合されたシロキサンポリマーの製造
シリコン系架橋剤として、ポリハイドロゲンメチルシロキサン（ＰＨＭＳ、重量平均分子量：３０００）１０ｇを１００ｍｌのトルエン溶媒に分散させた後、６０℃〜８０℃で１モル濃度のＨＦ３０ｍｌを添加して３時間の間処理して主鎖にフルオロ（Ｆ）が結合されたポリハイドロゲンメチルシロキサンを製造した。その後、末端がビニル基に置換されたポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ、重量平均分子量：約４００００）と製造された主鎖の一部にフルオロ（Ｆ）が結合されたポリハイドロゲンメチルシロキサンとを７：３の体積比で混合してシロキサンポリマーを製造した。
シリコン系架橋剤として、ポリハイドロゲンメチルシロキサン（ＰＨＭＳ、重量平均分子量：３０００）１０ｇを１００ｍｌのトルエン溶媒に分散させた後、６０℃〜８０℃で１モル濃度のＨＦ３０ｍｌを添加して３時間の間処理して主鎖にフルオロ（Ｆ）が結合されたポリハイドロゲンメチルシロキサンを製造した。その後、末端がビニル基に置換されたポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ、重量平均分子量：約４００００）と製造された主鎖の一部にフルオロ（Ｆ）が結合されたポリハイドロゲンメチルシロキサンとを７：３の体積比で混合してシロキサンポリマーを製造した。
（実施例１）
製造例によって製造されたシロキサンポリマーをバーコーティング法でガラス基材に塗布した後、６０℃で２時間の間処理して、シロキサンポリマーからなる未延伸電気活性フィルムを製造した。
製造例によって製造されたシロキサンポリマーをバーコーティング法でガラス基材に塗布した後、６０℃で２時間の間処理して、シロキサンポリマーからなる未延伸電気活性フィルムを製造した。
（実施例２）
末端がビニル基に置換されたポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ、重量平均分子量：約４００００）と製造された主鎖の一部にフルオロ（Ｆ）が結合されたポリハイドロゲンメチルシロキサンとを９：１の体積比で混合してシロキサンポリマーを製造したことを除いては、実施例１と同じ方法で未延伸電気活性フィルムを製造した。
末端がビニル基に置換されたポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ、重量平均分子量：約４００００）と製造された主鎖の一部にフルオロ（Ｆ）が結合されたポリハイドロゲンメチルシロキサンとを９：１の体積比で混合してシロキサンポリマーを製造したことを除いては、実施例１と同じ方法で未延伸電気活性フィルムを製造した。
（比較例１）
実施例１の電気活性フィルムの代わりに、誘電性エラストマーとしてポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を基材上に塗布した後、乾燥して未延伸電気活性フィルムを得た。
実施例１の電気活性フィルムの代わりに、誘電性エラストマーとしてポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を基材上に塗布した後、乾燥して未延伸電気活性フィルムを得た。
（比較例２）
製造例によって製造されたシロキサンポリマーでない、下記の化学式５で表されるポリジメチルシロキサン系ポリマー（商品名：Ｄｏｗ７３０、ダウコーニング社）を用いて、バーコーティング法で未延伸電気活性フィルムを製造した。
製造例によって製造されたシロキサンポリマーでない、下記の化学式５で表されるポリジメチルシロキサン系ポリマー（商品名：Ｄｏｗ７３０、ダウコーニング社）を用いて、バーコーティング法で未延伸電気活性フィルムを製造した。
（比較例３）
実施例１の電気活性フィルムの代わりに、強誘電性ポリマーであるＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（Ｐｏｌｙ（ＶｉｎｙｌｉＤｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）−ＴｒｉＦｌｕｒｏｒＥｔｙｌｅｎｅ）からなる電気活性フィルムを用いた。
実施例１の電気活性フィルムの代わりに、強誘電性ポリマーであるＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（Ｐｏｌｙ（ＶｉｎｙｌｉＤｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）−ＴｒｉＦｌｕｒｏｒＥｔｙｌｅｎｅ）からなる電気活性フィルムを用いた。
実験例１：誘電率測定及び延伸による誘電率の変化測定
実施例１〜２及び比較例１〜２の電気活性フィルムの誘電率を、ＬＣＲメートル（４２８４Ａ）を用いて２５℃で周波数１ｋＨｚでの静電容量を測定し、下記の数式６を用いることにより算出した。
実施例１〜２及び比較例１〜２の電気活性フィルムの誘電率を、ＬＣＲメートル（４２８４Ａ）を用いて２５℃で周波数１ｋＨｚでの静電容量を測定し、下記の数式６を用いることにより算出した。
ただし、εは誘電率であり、Ｃは静電容量（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）であり、εｏは真空誘電率であり、ｔは電気活性フィルムの厚さであり、Ａは電極の接触断面積である。
次に、実施例１〜２及び比較例１〜２の電気活性フィルムを、ロール間（ｉｎｔｅｒｒｏｌｌ）延伸方法を利用してＭＤ方向（長手方向）に各々１００％、３００％、及び４００％の延伸率で１軸延伸した。それぞれの延伸された電気活性フィルムの誘電率及び誘電率の変化率を測定した。測定結果は、下記の表１に表した。
表１を介して確認したように、実施例１〜実施例２の電気活性フィルムは、比較例１のような従来の誘電性エラストマーとして使用してきたポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）に比べて顕著に高い誘電率を有することが確認できた。また、本発明のシロキサンポリマーからなる電気活性フィルムの誘電率は、１００％以上の延伸率で延伸した後の誘電率が、延伸前の誘電率に比べて３０％以上向上し、３００％以上の延伸率で延伸した後の誘電率が、延伸前の誘電率に比べて４０％以上向上することが確認できた。また、従来のポリシロキサンが有し難い高い誘電率を達成できることが確認できた。
これとは異なり、比較例１で確認したように、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなる電気活性フィルムの誘電率は、延伸によって向上しないということが分かった。
また、実施例１と比較例１及び比較例２とを比較してみると、比較例２の電気活性フィルムの誘電率は、比較例１に比べて高い。しかし、比較例２の電気活性フィルムの誘電率は、実施例１に比べて低い。また、比較例２の電気活性フィルムの場合、実施例１のように、延伸による誘電率向上効果が弱いことを確認することができた。このような差異は、比較例２の電気活性フィルムと実施例１の電気活性フィルムとの間のポリマー構造の差異から起因する。化学式５で分かるように、比較例２の電気活性フィルムは、フルオロ基を含むポリジメチルシロキサン系ポリマーで構成される点で実施例１の電気活性フィルムと類似した点がある。しかし、比較例２の電気活性フィルムは、主鎖に直接フルオロ基が結合される実施例１とは異なり、分岐鎖にフルオロ基が結合されるという点において差異点がある。つまり、比較例２の電気活性フィルムは、実施例１の電気活性フィルムとは異なり、延伸によってフルオロ基が同じ方向に配列される効果を期待し難いので、実施例１の電気活性フィルムほど、分極度及び誘電率が向上しない。
実験例２：光透過率測定
実施例１〜２及び比較例１及び３の電気活性フィルムの光透過率を、ヘイズメートル（ＪＣＨ−３００Ｓ、Ｏｃｅａｎｏｐｔｉｃｓ社）を用いて測定した。測定結果は、下記の表２に表した。
実施例１〜２及び比較例１及び３の電気活性フィルムの光透過率を、ヘイズメートル（ＪＣＨ−３００Ｓ、Ｏｃｅａｎｏｐｔｉｃｓ社）を用いて測定した。測定結果は、下記の表２に表した。
表２を介して確認したように、実施例１〜実施例２は、従来の誘電性エラストマーより誘電率が顕著に向上するだけでなく、強誘電性ポリマー（比較例３）に比べて光透過率が顕著に優れたことが確認できた。したがって、本発明の電気活性フィルムは、誘電性エラストマーと類似して優れた光透過率を有しながらも、誘電率が顕著に向上して表示パネルの前面に配置されることができる。つまり、本発明の電気活性フィルムを含む接触感応素子は、ユーザをして直接的かつ様々な触覚フィードバックを提供することができる。
実験例３：接触感応素子の性能評価
本発明の電気活性フィルムを含む接触感応素子の性能を評価するために、振動加速度を測定した。図６Ａ〜６Ｃは、実施例１及び比較例１に対する振動加速度実験データである。具体的に、図６Ａは、実施例１により製造された未延伸の電気活性フィルムを含む接触感応素子に２ｋＶｐｐの電圧を印加する場合に測定される振動加速度のグラフを示す図である。図６Ｂは、実施例１により製造され、ロール間延伸方法を用いてＭＤ方向（長手方向）に３００％の延伸率で延伸された電気活性フィルムを含む接触感応素子に２ｋＶｐｐの電圧を印加する場合に測定される振動加速度のグラフを示す図である。また、図６Ｃは、比較例１の接触感応素子に２ｋＶｐｐの電圧を印加する場合に測定される振動加速度のグラフを示す図である。
本発明の電気活性フィルムを含む接触感応素子の性能を評価するために、振動加速度を測定した。図６Ａ〜６Ｃは、実施例１及び比較例１に対する振動加速度実験データである。具体的に、図６Ａは、実施例１により製造された未延伸の電気活性フィルムを含む接触感応素子に２ｋＶｐｐの電圧を印加する場合に測定される振動加速度のグラフを示す図である。図６Ｂは、実施例１により製造され、ロール間延伸方法を用いてＭＤ方向（長手方向）に３００％の延伸率で延伸された電気活性フィルムを含む接触感応素子に２ｋＶｐｐの電圧を印加する場合に測定される振動加速度のグラフを示す図である。また、図６Ｃは、比較例１の接触感応素子に２ｋＶｐｐの電圧を印加する場合に測定される振動加速度のグラフを示す図である。
図６Ｃに示すように、比較例１の接触感応素子に２ｋＶｐｐ電圧を印加する場合、アクチュエーションで０．１１Ｇの振動加速度が発生したが、図６Ａに示すように、実施例１により製造された未延伸電気活性フィルムを含む接触感応素子に２ｋＶｐｐ電圧を印加する場合、アクチュエーションで０．１６Ｇの振動加速度が発生したため、比較例１に比べて振動加速度が大きくなったことが確認できる。また、図６Ｂに示すように、延伸された電気活性フィルムを含む接触感応素子に２ｋＶｐｐ電圧を印加する場合、０．２４Ｇの振動加速度が測定されたため、振動加速度がさらに大きくなったことが確認できた。
以上、添付された図面を参照して本発明の実施形態をさらに詳細に説明したが、本発明は必ずこのような実施形態に局限されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で様々に変形実施されることができる。したがって、本発明に開示された実施形態は、本発明の技術思想を限定するためのものでなく、説明するためのものであり、このような実施形態によって本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は、下記の請求の範囲によって解析されなければならず、それと同等な範囲内にある全ての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解析されなければならないであろう。
Claims (16)
- 分岐鎖としてフルオロ基またはクロロ基を有するシロキサンポリマーを含み、前記フルオロ基または前記クロロ基が前記シロキサンポリマーの主鎖を構成する何れかのシリコン原子（Si）に直接結合された電気活性フィルムを備える接触感応素子。
- 前記シロキサンポリマーは、下記の化学式ａおよび化学式ｂで表される繰り返し単位を含む請求項１に記載の接触感応素子。
前記化学式ｂにおいて、Ｒ５〜Ｒ７は各々独立的に、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル基、Ｃ６〜Ｃ２０のアリール基、Ｃ３〜Ｃ２０のシクロアルキル基または水素であり、Ｒ８はフルオロ基またはクロロ基であり、ｎは０または１以上の整数であり、ｏは２以上の整数である。 - 前記シロキサンポリマーは、下記の化学式３で表される請求項１に記載の接触感応素子。
- 前記電気活性フィルムは、１軸または２軸延伸が施された請求項１に記載の接触感応素子。
- 前記電気活性フィルムは、延伸率が１００％以上である請求項１に記載の接触感応素子。
- 前記電気活性フィルムは、強誘電性ポリマー領域と誘電性ポリマー領域とが互いに交互に積層されている多層構造を有する請求項４に記載の接触感応素子。
- 前記電気活性フィルムは、１ｋＨｚで測定した誘電率が７．０以上である請求項１に記載の接触感応素子。
- 前記電気活性フィルムは、光透過率が８５％以上である請求項１に記載の接触感応素子。
- 表示パネル、タッチパネル、及び接触感応素子を有する表示装置であって、
前記接触感応素子は、分岐鎖としてフルオロ基またはクロロ基を有するシロキサンポリマーを含み、前記フルオロ基または前記クロロ基が前記シロキサンポリマーの主鎖を構成する何れかのシリコン原子（Si）に直接結合された電気活性フィルムを備える表示装置。 - 前記シロキサンポリマーは、下記の化学式ａおよび化学式ｂで表される繰り返し単位を含む請求項９に記載の表示装置。
前記化学式ｂにおいて、Ｒ５〜Ｒ７は各々独立的に、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル基、Ｃ６〜Ｃ２０のアリール基、Ｃ３〜Ｃ２０のシクロアルキル基または水素であり、Ｒ８はフルオロ基またはクロロ基であり、ｎは０または１以上の整数であり、ｏは２以上の整数である。 - 前記シロキサンポリマーは、下記の化学式３で表される請求項９に記載の表示装置。
- 前記電気活性フィルムは、１軸または２軸延伸が施された請求項９に記載の表示装置。
- 前記接触感応素子は、前記表示パネルの上部又は前記表示パネルの下部である請求項９に記載の表示装置。
- 前記表示パネルは、有機発光表示装置、フレキシブル有機発光表示装置、液晶表示パネル、電気泳動表示パネルのうちのひとつを含む請求項９に記載の表示装置。
- 前記タッチパネルは、アッド−オン・タッチパネル、イン−セル・タッチパネル及びオン−セル・タッチパネルのうちの一つを含む請求項９に記載の表示装置。
- 前記タッチパネルは、静電容量方式タッチパネル、抵抗膜方式タッチパネル、超音波方式タッチパネル及び赤外線方式タッチパネルのうちの一つを含む請求項９に記載の表示装置。
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