KR101088412B1 - 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

손가락 접촉에 따른 기판 표면의 유전율 변화로서 입력 명령을 감지하는 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서를 제공한다. 본 발명에 따른 접촉센서는 실리콘 기판(Substrate)과, 실리콘 기판 위에 일정 형태로 패터닝되는 한 쌍의 금속전극과, 금속전극 위에 증착되는 유전층 및 유전층 선택적 식각을 통해 외부로 노출되는 한 쌍의 접속전극을 포함하는 구성으로 이루어져서, 전극을 변위 시켜 센싱신호를 검출하는 것과 같은 종래 기계식 입력방식과는 달리, 양쪽 금속전극에 손가락을 접촉했을 때 변화하는 캐패시턴스(정전용량)로서 입력신호의 위치, 크기를 감지할 수 있다.

Description

비가압 캐패시터 타입의 접촉센서 및 그 제조방법{Capacitor type tactile sensor and manufacturing method}

본 발명은 캐패시터 타입의 접촉센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 전극 변형에 의해 센싱신호를 발생시키는 형태의 기계식 조작이 아닌 단순 손가락 접촉만으로 접촉위치 및 크기를 검출할 수 있는 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 휴대폰, 개인정보단말기(PDA), 노트북, 게임기, 내비게이션 등의 기기에서는 데이터 입력장치를 이용하여 원하는 기능을 선택적으로 입력할 수 있게 되어 있다. 특히 데이터 입력장치는 원하는 키를 손가락 등으로 눌러 해당 명령을 입력하는 키패드 방식(예컨대, 키보드)과 접촉면을 가볍게 터치함으로써 해당 명령을 인식하는 터치 패드와 같은 접촉식 입력장치로 대별된다.

그중에서도 접촉식 입력 장치에 사용되고 있는 명령(스위칭 신호) 입력 방법에는 정전용량방식과 저항방식이 있다.

정전용량방식은 서로 평행한 두 개의 전극 사이에 유전체가 삽입된 형태의 캐패시터(capacitor)와 같은 구조를 가진다. 이러한 정전용량방식에서의 정전용량은 두 개의 전극의 면적과 그 전극 사이의 거리 및 유전체의 유전율에 의해 결정되며, 전극변형에 따른 두 전극 사이의 거리 변화에 의해 변화하는 정전용량을 통하여 해당 명령의 위치 및 크기를 감지하는 방식이다.

정전용량방식을 채택한 접촉식 입력 모듈은 도 1에서와 같이, 필름, 플라스틱 또는 유리로 만들어진 기판(110)과, 기판 위에 증착된 투명전극(ITO Metal layer, 120)과, 투명전극(120)의 위에 적층된 절연층(130)으로 구성되며, 투명전극(120)의 위에 적층된 절연층(130)에 펜 또는 손가락을 접촉시키면, 투명전극(120) 위에 X, Y 검출용 신호가 인가된 상태가 되고, 이에 따라 투명전극(120) 사이의 정전용량 변화로써 접촉의 크기 및 위치를 검출한다.

저항방식은 상, 하부 기판에 각각 적층된 두 개 전극을 스페이서(sapcer)로서 이격시킨 형태의 구성을 가진다. 이러한 저항방식은 전극에 전류를 흘린 상태로 전극 접촉 시 이에 따라 변화하는 전압 변화를 측정하여 접촉 위치를 감지하는 방식으로, 상부전극 표면에 손가락 등을 접촉시키면 상부전극이 휘면서 하부전극과 접촉하여 두 전극면의 저항성분 때문에 병렬저항접속과 같은 형태가 되고 저항 값에 변화가 생긴다. 이때 전압의 변화량을 이용하여 접촉 위치를 검출할 수 있도록 한 방식이다.

도 2는 저항방식을 채택한 접촉식 입력 모듈의 단면도로서, 플라스틱 또는 유리로 구성된 상부기판(210)과 하부기판(210')과, 상부기판(210)의 저면과 하부기판(210')의 상면에 각각 적층된 투명전극(220, 220')들과, 상기 투명전극(220, 220')들 사이에서 이 투명전극(220, 220')들을 이격시키는 도트 스페이서(Dot sapcer, 230)로 구성되며, 투명전극(220, 220')들 위에 위치 검출을 위한 전기 신호를 인가한 상태로 손가락 또는 펜을 이용해 상부기판(210)을 누르면, 투명전극(220, 220') 간 상호 접촉이 이루어지며, 이때 하부 투명전극(220')에서 전기적 신호를 검출하고 검출된 신호의 크기를 토대로 위치를 산출한다.

이와 같은 종래의 접촉 감지 방식을 채택하는 접촉식 입력 모듈은, 전극을 변위시켰을 때 정전용량 변화 또는 전압의 크기 변화를 이용하여 입력 위치를 검출하는 것과 같이, 센서 표면에 손가락 접촉에 따른 기계적 굽힘을 이용하여 감지하는 방식을 채택하고 있다.

따라서 지속적인 사용시 전극판에 가해지는 반복적인 기계적 스트레스(전극판 변위)로 센서 수명이 단축되는 단점이 있으며, 반복되는 스트레스로 인해 전극판에 미세한 소성 변형이 발생한다면 전극판 사이의 거리가 변화되고 결국 정전용량이 기준치로부터 벗어나 입력신호를 인식하지 못하는 것과 같은 오동작이 발생할 수도 있다는 문제를 내포하고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 전극 변형을 통해 센싱신호를 검출하는 것과 같은 기계식 조작이 아닌 손가락 접촉만으로 접촉위치 및 크기를 검출할 수 있는 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, 실리콘 기판(Substrate); 실리콘 기판 위에 일정 형태로 패터닝되는 한 쌍의 금속전극; 금속전극 위에 증착되는 유전층; 유전층의 선택적 식각을 통해 외부로 노출되는 한 쌍의 접속전극;을 포함하여 이루어져, 접촉 시 상기 한 쌍의 금속전극 사이의 캐패시턴스 값의 변화로서 접촉 위치 및 크기를 감지하는 것을 특징으로 하는 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서를 제공한다.

상기 한 쌍의 금속전극은, 상호 이격되는 방향으로 볼록한 곡선면을 갖는 두 개의 반원호형 전극이 간극을 사이로 마주하는 형태로 형성된 구조일 수 있다. 이 경우 상기 전극이 손가락 끝의 곡면상의 볼부분과의 접촉에 용이한 원호형태를 취하므로 보다 향상된 접촉 감지도를 제공할 수 있다.

상기 유전층은 유전율은 높으면서 금속전극을 보호하기에 충분한 강성을 갖는 폴리머(Polymer)를 소재로 한 폴리머층 일 수 있다.

상기 금속전극 사이의 캐패시턴스 변화 값(C)은,

를 통해 산출될 수 있으며, 이때 ε₀ 는 공기 유전율, K₁ 은 폴리머 유전상수, K₂ 은 손가락 유전상수, S 는 전극 면적, d 는 전극 사이의 거리를 나타낸다.

상기 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서 제작을 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, (a) 실리콘 기판 위에 금속을 증착하고 패터닝하여 한 쌍의 금속전극을 형성시키는 단계; (b) 금속전극이 형성된 기판 위에 유전체를 증착하고 상기 금속전극 패턴으로 패터닝하여 유전층을 형성시키는 단계; 및 (c) 금속전극 일부가 외부로 노출되도록 상기 유전층을 선택적으로 식각하여 접속전극을 형성시키는 단계;를 포함하는 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서 제작방법을 제공한다.

(a) 단계에서 기판 위에 금속을 증착시킴에 있어서는 증착 두께 및 균일도에 따라 감지 정밀도가 달라질 수 있으므로, 기판 전반에 걸쳐 고르고 균일한 두께로 정밀 증착이 가능한 스퍼터링(Sputtering) 증착법을 이용함이 바람직하다.

(b) 단계에서 유전층은, 기판 위에 폴리머를 증착시켜 일정한 온도조건을 유지하는 환경에서 일정시간 동안 베이킹 한 뒤, 금속전극 패턴으로 자외선에 노광하여 현상액을 이용해 패터닝하는 것과 같이 이미 알려진 포토 레지스트 방식을 적용할 수 있다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 전극을 변위시켜 센싱신호를 검출하는 것과 같은 종래 기계식 입력방식과는 달리, 양쪽 금속전극에 손가락을 접촉했을 때 변화하는 캐패시턴스(정전용량)로서 입력신호의 위치, 크기를 감지할 수 있는 방식으로, 종래 정전용량방식 또는 저항방식에 비해 센서 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있고, 지속적인 사용에도 전극판의 변형 및 그에 따른 오작동과 같은 문제가 발생하지 않는다는 장점이 있다.

또한, 가로, 세로 N×N 배열과 같이 본 발명에 따른 센서를 규칙적으로 분포시키는 형태로 응용하는 경우에는, 손가락 접촉 시 접촉영역에서의 개별 센서 간 캐패시턴스 값을 차이를 통해 힘의 크기 및 접촉 위치를 정확하게 인식할 수 있는 모듈의 구현이 가능하므로, 모바일, 컴퓨터, 휴대기기 등 터치 스크린을 기반으로 하는 기술영역에 걸쳐 광범위하게 적용가능하다는 장점이 발현된다.

도 1은 종래 기술에 따른 정전용량방식 접촉센서를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 저항방식 접촉센서를 개략적으로 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서의 개략 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서의 평면 구성도.
도 5, 도 6, 도 7은 본 발명에 따른 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서의 여러 가지 다른 실시예를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 비가압 캐패시터 타입 접촉센서의 개념도.
도 9는 본 발명에 따른 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서의 제작과정을 개략적으로 도시한 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서의 평면 개략도이다.

도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서는 기판(SUBSTRATE, 10)을 기반으로, 이 기판 위에 한 쌍의 금속전극(20)이 간극을 사이로 마주하는 소정의 형태로 패터닝된 구성을 가진다.

상기 기판(SUBSTRATE, 10)은 절연성을 가진 소재로서, 고도의 평탄도가 요구되는 반도체 집적회로 제작에 일반적으로 사용되는 실리콘 기판이며, 금속전극(20)은 티타늄, 알루미늄, 구리 등과 같이 높은 전도성(傳導性)을 가지는 금속이 소재로 이용된다.

기판 위에 금속을 증착시킴에 있어서는 증착 두께 및 균일도에 따라 감지 정밀도가 달라질 수 있는 관계로, 기판 전반에 걸쳐 고르고 균일한 두께로 정밀 증착이 가능한 스퍼터링(SPUTTERING) 증착법을 이용하며, 기판 위에 증착된 금속층은 에칭(ETCHING)기법을 이용해 손가락과 같은 입력 매개체가 접촉하기에 적합한 형상으로 패터닝(PATTERNING)하여 금속전극(20)을 형성한다.

바람직하게 상기 한 쌍의 금속전극(20)은 도 4에서와 같이, 상호 이격되는 방향으로 볼록한 곡선면을 갖는 두 개의 반원호형 전극이 간극을 사이로 마주하는 형태로 형성되도록 하는 것이 좋다. 이는 상기 한 쌍의 금속전극(20)에 손가락 끝의 곡면상의 볼부분이 접촉했을 때 보다 향상된 접촉 감지도를 제공하기에 적합한 형상으로, 접촉 감지도 향상에 따른 센서 정밀도 향상에 유리하기 때문이다.

손가락 접촉 감지도를 고려했을 때 도 4에서와 같은 형태를 취하는 금속전극(20)이 바람직하지만, 이 외에도 도 5 내지 도 7의 다른 실시예에 도시된 [], <>, ㅣㅣ 등과 같이 두 개의 금속전극이 간극을 사이로 마주하여 그 사이에 캐패시터 영역을 형성할 수 있는 구성이면 특정한 형태, 형상에 구애됨이 없이 다양한 타입으로 적용가능하며, 이러한 변형예 역시 본 발명의 범주에 포함될 수 있다.

또한 도면에서는 금속전극(20) 한 쌍만이 도시된 형태의 센서에 대해 예시하고 있으나, 이는 본 발명에 따른 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서를 설명하기 위한 일례에 불과하며, 상기 금속전극(20)은 그 사용환경에 따라 일정한 면적에 다수의 금속전극(20)이 가로, 세로 규칙적인 배열을 갖는 어레이(ARRAY) 형태 또는 스위치 기능의 구현과 같이 지정된 특정위치에만 산포(散布)시킨 배열을 가질 수 있다.

가로, 세로 N×N 배열과 같이 본 발명에 따른 센서를 규칙적으로 분포시키는 형태로 응용하는 경우에는, 손가락 접촉 시 접촉영역에서의 개별 센서 간 캐패시턴스 값을 차이를 통해 힘의 크기 및 접촉 위치를 정확하게 인식할 수 있는 모듈의 구현이 가능하므로, 모바일, 컴퓨터, 휴대기기 등 터치 스크린을 기반으로 하는 기술영역에 걸쳐 광범위하게 적용가능하다.

한편, 상기 실리콘 기판(10) 위에는 유전층(30)이 증착 형성되어 상기 금속전극(20) 포함하여 기판 상면 전반을 커버링한다. 이때 상기 유전층(30)은 높은 유전율(誘電率)과 강도, 강성, 내염성 등과 같은 여러 가지 물리적 기계적 특성을 만족시키는 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재료(CFRP-Carbon Fiber Reinforced Polymer)를 소재로 이용하는 것이 좋다.

상기 유전층(30)은 기판 위에 폴리머를 증착시켜 일정한 온도조건을 유지하는 환경에서 일정시간 동안 베이킹 한 뒤, 금속전극(20) 패턴으로 자외선에 노광하여 현상액을 이용해 패터닝하는 것과 같이, 이미 잘 알려진 포토 레지스트 방식을 이용하여 금속전극(20) 패턴에 적합한 형태로 패터닝할 수 있다.

도 4 내지 도 7에서 도면식별부호 40은 중앙처리기판과 같은 구동 IC에 본 발명에 따른 접촉센서를 전기적으로 연결함에 있어 전기적 연결부에 해당하는 접속전극으로, 본 실시예에서의 상기 접속전극(40)은 상기 유전층(30) 일부 식각을 통해 한 쌍의 금속전극(20) 단부를 외부로 노출시킴으로써 형성가능하다.

도 8은 본 발명에 따른 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서 접촉 감지 원리를 설명하기 위한 개념도로서, 본 발명에 따른 접촉센서는 손가락 접촉 시 금속전극(20) 사이의 캐패시턴스 값의 변화로서 접촉 위치 및 크기를 감지할 수 있다.

상세히 설명하면, 금속전극(20) 사이의 캐패시턴스(capacitance) 값은 일반적으로,

(ε은 유전율, S는 전극 면적, d는 전극 사이의 거리)로 정의되어 진다.

이를 이용하면, 손가락 접촉 전 캐패시터 소자의 캐패시턴스 값은,

로 표현 가능하다. 이때 K₁은 금속전극(20)을 덮고 있는 유전층(30) 즉, 본 발명에서 폴리머의 유전상수이다.

이후 손가락이 캐패시터 소자에 접촉했을 때 캐패시턴스 값은,

로 변화하며, 여기에서 K₂는 손가락 유전상수이다.

즉, 본 발명에 따른 접촉센서는 손가락 접촉으로 인해 상기와 같이 변화하는 캐패시턴스 값을 측정함으로써, 손가락의 접촉 위치 및 크기를 포함하는 촉감을 감지할 수 있는 것이다.

도 9는 본 발명에 따른 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서의 제작과정을 개략적으로 도시한 도면으로서, 본 발명에 따른 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서는 후술되는 과정을 통해 제작될 수 있다.

도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서를 제작함에 있어서는 먼저, 실리콘 기판(10) 위에 금속을 증착하고 패터닝하여 한 쌍의 금속전극(20)을 형성시킨다. 이때 기판 위에 금속을 증착시킴에 있어서는 스퍼터링(Sputtering) 증착법을 이용하여 기판 전반에 걸쳐 고르고 균일한 두께로 증착시키며, 기판 위에 증착된 금속층은 에칭(ETCHING)기법을 이용해 손가락이 접촉하기에 적합한 형상으로 패터닝(PATTERING)한다.

다음으로 금속전극(20)이 형성된 실리콘 기판(10) 위에 유전체를 증착하고 상기 금속전극(20) 패턴으로 패터닝하여 유전층(30)을 형성시킨다. 구체적으로 유전층(30)은, 기판 위에 폴리머를 증착시켜 일정한 온도조건을 유지하는 환경에서 일정시간 동안 베이킹 한 뒤, 금속전극(20) 패턴으로 자외선에 노광하여 현상액을 이용해 패터닝하는 것과 같이, 이미 잘 알려진 포토 레지스트 방식을 채택한다.

다음 중앙처리기판과 같은 구동 IC에 본 발명에 따른 접촉센서를 전기적으로 연결함에 있어 전기적 연결부에 해당하는 접속전극(40)을 형성시킨다. 본 실시예에서의 상기 접속전극(40)은 유전층(30)에 덮여진 금속전극(20) 일부가 외부로 노출되도록 상기 유전층(30)을 선택적으로 식각함으로써 형성가능하다.

상기한 과정을 통해 제작되는 본 발명은, 전극을 변위 시켜 센싱신호를 검출하는 것과 같은 종래 기계식 입력방식과는 달리, 양쪽 금속전극에 손가락을 접촉했을 때 변화하는 캐패시턴스(정전용량)로서 입력신호의 위치, 크기를 감지할 수 있는 방식으로, 종래 정전용량방식 또는 저항방식에 비해 센서 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있고, 지속적인 사용에도 전극판의 변형 및 그에 따른 오작동과 같은 문제가 발생하지 않는다는 장점이 있다.

또한, 가로, 세로 N×N 배열과 같이 본 발명에 따른 센서를 규칙적으로 분포시키는 형태로 응용하는 경우에는, 손가락 접촉 시 접촉영역에서의 개별 센서 간 캐패시턴스 값을 차이를 통해 힘의 크기 및 접촉 위치를 정확하게 인식할 수 있는 모듈의 구현이 가능하므로, 모바일, 컴퓨터, 휴대기기 등 터치 스크린을 기반으로 하는 기술영역에 걸쳐 광범위하게 적용가능하다는 장점이 발현된다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 실리콘 기판
20 : 금속전극
30 : 유전층
40 : 접속전극

Claims (7)

1. 실리콘 기판(Substrate);
   실리콘 기판 위에 일정 형태로 패터닝되는 한 쌍의 금속전극;
   금속전극 위에 증착되는 유전층;
   유전층의 선택적 식각을 통해 외부로 노출되는 한 쌍의 접속전극;을 포함하여 이루어져,
   접촉 시 상기 한 쌍의 금속전극 사이의 캐패시턴스 값의 변화로서 접촉 위치 및 크기를 감지하는 것을 특징으로 하는 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 금속전극은, 상호 이격되는 방향으로 볼록한 곡선면을 갖는 두 개의 반원호형 전극이 간극을 사이로 마주하는 형태로 형성된 구조인 것을 특징으로 하는 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   유전층은 폴리머 복합재료를 소재로 하는 폴리머(Polymer)층 인 것을 특징으로 하는 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   캐패시턴스 변화 값은 하기의 수학식을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서.
   

   

   
   C : 캐패시턴스
   ε_{0 :} 공기 유전율
   K_{1 :} 폴리머 유전상수
   K₂ : 손가락 유전상수
   S : 전극 면적
   d : 전극 사이의 거리
   
5. (a) 실리콘 기판 위에 금속을 증착하고 패터닝하여 한 쌍의 금속전극을 형성시키는 단계;
   (b) 금속전극이 형성된 기판 위에 유전체를 증착하고 상기 금속전극 패턴으로 패터닝하여 유전층을 형성시키는 단계; 및
   (c) 금속전극 일부가 외부로 노출되도록 상기 유전층을 선택적으로 식각하여 접속전극을 형성시키는 단계;를 포함하는 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서 제작방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 (a) 단계에서 기판 위에 금속의 증착은, 스퍼터링(Sputtering) 증착법을 이용하여 증착시키는 것을 특징으로 하는 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서 제작방법.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 (b) 단계에서 유전층은, 기판 위에 폴리머를 증착시켜 일정한 온도조건을 유지하는 환경에서 일정시간 동안 베이킹 한 뒤, 금속전극 패턴으로 자외선에 노광하여 현상액을 이용해 패터닝하는 것을 특징으로 하는 비가압 캐패시터 타입의 접촉센서 제작방법.
   

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