KR101394370B1 - 전자 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 터치 패널 - Google Patents

전자 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 터치 패널 Download PDF

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Abstract

전자 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 터치 패널을 제공한다. 전자 소자는 수직으로 교차 배치되는 하부 전극과 상부 전극 사이의 교차 영역에 일정한 주기로 수직 정렬된 복수개의 금속 산화물 나노로드를 가지는 나노구조체를 구비하되, 각 나노로드의 직경과 높이를 동일하게 형성하여 균일한 소자 성능을 나타낼 수 있다. 또한, 전자 소자의 제조방법은 복수개의 수직한 기공이 형성된 나노 템플레이트를 이용하여 균일한 크기와 개수를 가지는 금속 산화물 나노구조체를 하부 전극 상에만 선택적으로 수직 성장시킬 수 있다. 또한, 터치 패널은 매트릭스 구조로 배치된 복수개의 터치셀 각각에 복수개의 압전 나노로드를 가지는 나노구조체를 구비하되, 각 터치셀은 동일한 개수의 금속 산화물 나노로드를 구비하여 사용자의 터치시 가해지는 압력에 대해 동일한 반응도를 가져, 정확한 터치 지점의 검출이 가능하다.

Description

전자 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 터치 패널{Electronic device, method for manufacturing the same and touch panel including the same}
본 발명은 전자 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 터치 패널에 관한 것으로, 보다 상세하게는 크로스바 구조로 배치된 전극의 교차 영역에 수직 정렬된 금속 산화물 나노구조체를 구비한 전자 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 터치 패널에 관한 것이다.
물질의 나노구조를 이용하여 새로운 전자 소자를 개발하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 양자점, 나노분말, 나노로드, 나노튜브, 양자우물, 나노복합체 등 수십 nm 크기의 나노구조체에서는 전자 가둠 현상으로 인해 기존의 박막 또는 벌크 형태에서와는 전혀 다른 광학적, 전기적, 자기적, 유전적 특성이 발현된다. 이러한 나노구조체의 특성을 이용하여 저전력으로 소자의 동작 효율을 높이기 위한 연구가 진행되고 있다.
그러나, 나노구조체를 소자화하기 위해서는 상기 나노 크기의 1차원 나노구조들을 각각 제어해야 하므로, 기존의 반도체 기술을 이용하여 이들을 제조하는 경우, 대량 생산이 어려울 뿐 아니라 소자 불량 및 오염을 일으키는 문제점이 있었다.
또한, 각 나노구조의 길이를 동일하게 하여 전기적 특성이 균일한 나노구조체를 제조하는 것이 용이하지 않으며, 원하는 영역에 나노구조들을 정확히 정렬시키는 것이 어려운 문제점이 있었다.
한편, 터치 패널은 통상적으로 PDA(Personal Digital Assistants)나 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display, LCD) 등의 디스플레이 장치에 설치되어 정보입력 수단으로 사용된다. 상기 터치 패널은 디스플레이 상에 선택 메뉴가 표시되도록 하여 사용자가 간편하게 디스플레이 장치를 구동시킬 수 있게 하는 입력 장치이다.
다양한 방식의 터치 패널 중 저항막 방식의 터치 패널은 박형, 소형, 경량, 소비 전력 등에서 다른 방식에 비해 장점을 가지는 것으로 알려져 있다.
통상적으로, 저항막 방식의 터치 패널은 서로 대향 배치된 상부 기판과 하부 기판으로 구성되며, 상부 기판 및 하부 기판 상에는 투명 도전막이 도포되고, 양단에는 전극이 형성된다. 상부 기판 및 하부 기판에 형성된 투명 도전막의 절연을 위하여 하부 기판에는 도트 스페이서(dot spacer)가 형성되고, 상부 기판과 하부 기판은 접착제 또는 접착 필름에 의하여 밀봉된다.
따라서, 사용자가 손가락이나 도구 등을 이용하여 터치 패널의 상부 기판을 누르게 되면, 상부 기판과 하부 기판이 서로 접촉되고, 그 접촉 위치가 검출됨으로써 터치 패널이 입력 장치로 기능할 수 있다.
그러나 종래의 저항막 방식의 터치 패널은 동시에 두 지점 이상의 터치(즉, 멀티 터치)가 발생한 경우 두 지점이 서로 전기적으로 단락되어 터치 지점을 산출할 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 상부 기판 및 하부 기판에 등전위를 형성시키기 위하여 별도의 전원 공급장치가 요구되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 크로스바 구조로 배치된 전극의 교차 영역 사이에 균일한 크기와 동일한 개수로 수직 정렬된 금속 산화물 나노구조체를 구비한 전자 소자 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 간단한 구조를 통해 멀티 터치 기능을 구현할 수 있고, 전체 셀에서 균일한 성능을 나타낼 수 있는 터치 패널을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 전자 소자를 포함한다. 상기 전자 소자는, 하부 전극, 상기 하부 전극과 수직 교차하도록 형성되는 상부 전극 및 상기 하부 전극과 상부 전극 사이의 교차 영역에 형성되며, 주기적으로 수직 정렬된 복수개의 금속 산화물 나노로드를 가지는 나노구조체를 포함한다.
상기 복수개의 금속 산화물 나노로드 각각의 직경과 높이는 서로 동일할 수 있다. 상기 금속 산화물 나노로드는 ZnO, CuO, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 하부 전극은 ITO 전극이고, 상기 상부 전극은 Pt 전극이며, 상기 금속 산화물 나노로드는 ZnO 나노로드일 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 전자 소자의 제조방법을 포함한다. 상기 제조 방법은 기판 상에 서로 나란하게 배열되는 복수개의 하부 전극을 형성하는 단계, 상기 하부 전극이 형성된 기판의 전면에 금속 산화물 씨드층을 형성하는 단계, 상기 금속 산화물 씨드층 상에 복수개의 수직한 기공이 형성된 나노 템플레이트를 형성하는 단계, 상기 하부 전극 상에 형성되어, 상기 나노 템플레이트의 기공 하부에 노출된 금속 산화물 씨드층을 성장시켜 상기 기판에 대해 수직이 되도록 금속 산화물 나노구조체를 형성하는 단계 및 상기 금속 산화물 나노구조체 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 나노 템플레이트는 절연성을 가지는 폴리머를 함유할 수 있다. 상기 나노 템플레이트는, 복수개의 필러를 가지는 나노임프린팅 스탬프를 제조하는 단계,상기 금속 산화물 씨드층의 전면에 광경화성 레지스트를 도포하고, 상기 나노임프린팅 스탬프를 사용하여 가압하는 단계, 상기 광경화성 레지스트에 광을 조사하여 경화시킨 후, 상기 나노임프린팅 스탬프를 제거하는 단계 및 상기 하부 전극 상에 형성된 금속 산화물 씨드층이 노출될 때까지 상기 광경화성 레지스트를 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물 나노구조체는 주기적으로 수직 정렬된 복수개의 금속 산화물 나노로드일 수 있다. 상기 금속 산화물 나노구조체는, 복수개의 수직한 기공을 가지는 나노템플레이트가 형성된 기판을 수열 합성용 용액 내에 배치하는 단계 및상기 기공을 따라 금속 산화물 나노구조체를 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 터치 패널을 포함한다. 상기 터치 패널은 하부 기판, 상기 하부 기판과 대향되게 배치되는 상부 기판, 상기 하부 기판 상에 서로 나란하게 배열되는 복수개의 하부 전극, 상기 상부 기판의 하면에 서로 나란하게 배열되며, 상기 하부 전극과 수직 교차하도록 형성되는 복수개의 상부 전극 및 상기 하부 전극과 상부 전극 사이의 교차 영역들에 형성되는 압전 나노구조체를 포함하되, 상기 압전 나노구조체는 주기적으로 배열된 복수개의 금속 산화물 나노로드이며, 상기 교차 영역들 각각은 동일한 개수의 금속 산화물 나노로드를 구비한다.
상기 압전 나노구조체는 ZnO, MgO, TiO2, SnO2 및 CdO 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 상부 전극 및 하부 전극은 투명 전극일 수 있다.
본 발명의 전자 소자에 따르면, 교차 영역이 이루는 각 픽셀 당 동일한 개수의 금속 산화물 나노로드를 구비하므로, 균일한 소자 성능을 나타낼 수 있다. 또한, 각 나노로드는 서로 분리되어 배치되므로, 전자의 이동시 인접 나노로드 간의 간섭이 발생하지 않아, 높은 전자 수송 능력을 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명의 전자 소자의 제조방법에 따르면, 나노 템플레이트를 이용하여 간단하고 용이하게 하부 전극 상에만 선택적으로 동일한 직경과 높이를 가지는 복수개의 금속 산화물 나노로드를 구비한 나노구조체를 형성할 수 있다.
나아가, 본 발명의 터치 패널에 따르면, 매트릭스 구조로 터치셀을 배치하여, 멀티 터치의 구현이 가능하다. 더욱이, 각 터치셀은 동일한 개수의 압전 나노로드를 구비하므로, 모든 터치셀은 사용자의 터치시 가해지는 압력에 대해 동일한 반응도를 가질 수 있다. 이로써, 정확한 터치 지점의 검출이 가능하다. 또한, 정해진 압력 이상에서만 모든 터치셀을 동작시키고, 미세한 터치시에는 동작하지 않도록 설정할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전자 소자의 사시도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 의한 전자 소자의 제조방법을 나타내는 공정도들이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 의한 나노임프린트 리소그래피 공정을 나타내는 공정도들이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시예에 의한 전자 소자의 제조단계별 SEM 이미지들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 터치 패널의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 터치 패널의 사시도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상면 등의 방향적인 표현은 그 기준에 따라 아래쪽, 하(부), 하면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며 절대적인 방향을 의미하는 것으로 한정 해석되어서는 안 된다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 생략된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전자 소자의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 하부 전극(20)이 배치된다. 상기 기판(10)은 유리, 석영(quartz) 또는 Al2O3 등의 투명 무기물 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판(10)은 PET(polyethylene terephthalate), PS(polystyrene), PI(polyimide), PVC(polyvinyl chloride), PVP(polyvinylpyrrolidone) 또는 PE(Polyethylene) 등의 투명 유기물 기판일 수 있다. 추후, 상기 기판(10)은 제거될 수 있다.
상기 하부 전극(20)은 투명 전극일 수 있다. 일 예로, 상기 하부 전극(20)은 투명 전도성 산화물을 함유할 수 있다. 예컨대, 상기 투명 전도성 산화물은 ITO, 도핑된 ZnO(AZO: Al 도핑, GZO: Ga 도핑, IZO: In 도핑, IGZO: In 및 Ga 도핑, MZO: Mg 도핑), Al 또는 Ga가 도핑된 MgO, Sn이 도핑된 In2O3, F가 도핑된 SnO2 및 Nb가 도핑된 TiO2 중에서 선택될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 도전성을 가지는 다양한 투명 전도성 산화물을 사용할 수 있다.
또한, 상기 하부 전극(20)은 금속 전극일 수 있다. 예컨대, 상기 금속은 Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 및 이들의 합금 중에서 선택될 수 있다.
상기 하부 전극(20)은 상기 기판(10) 상에 복수개 배치될 수도 있다. 이 때, 상기 복수개의 하부 전극(20)들은 서로 나란하게 배치될 수 있다.
상부 전극(40)은 상기 하부 전극(20)과 수직 교차하도록 형성된다. 즉, 상기 상부 전극 및 하부 전극은 크로스바(crossbar) 구조를 가지도록 형성된다. 상기 크로스바 구조의 전극 배치는 소자의 제조가 용이하고, 고집적에 유리한 이점이 있다.
상기 상부 전극(40)은 복수개 배치될 수도 있다. 상기 복수개의 상부 전극(40)들은 서로 나란하게 배치될 수 있다. 상기 상부 전극(40)은 상기 하부 전극(20)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
나노구조체(30)는 상기 하부 전극(20)과 상부 전극(40) 사이의 교차 영역에 형성된다. 상기 나노구조체(30)는 주기적으로 배열된 복수개의 금속 산화물 나노로드일 수 있다. 예컨대, 상기 금속 산화물은 ZnO, CuO, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 복수개의 금속 산화물 나노로드는 상기 기판(10)에 수직으로 정렬될 수 있다. 상기 각 금속 산화물 나노로드는 서로 동일한 간격으로 이격되어 배치될 수 있으며, 동일한 직경과 동일한 높이를 가질 수 있다. 이 때, 상기 금속 산화물 나노로드의 직경과 높이는 응용 분야에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
또한, 상기 하부 전극(20)과 상부 전극(40)이 복수개인 경우, 각 교차 영역마다 형성되는 복수개의 나노구조체(30)는 서로 동일한 개수의 금속 산화물 나노로드를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 전자 소자는 예컨대, UV 광을 검출하는 광검출기로 사용될 수 있다. 상기 금속 산화물 나노구조체(30)에 UV 광이 조사되면, 전자-정공쌍이 형성된다. 이 경우, 상기 금속 산화물 나노구조체(30)에 존재하는 공핍층이 줄어들게 된다. 따라서, 상기 금속 산화물 나노구조체(30)의 전기 전도도가 증가하고, 이를 센싱하여 UV 광을 검출한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전자 소자의 경우, 교차 영역이 이루는 각 픽셀 당 동일한 개수의 금속 산화물 나노로드를 구비하므로, 균일한 소자 성능을 나타낼 수 있다. 또한, 각 나노로드는 서로 분리되어 배치되므로, 전자의 이동시 인접 나노로드 간의 간섭이 발생하지 않아, 높은 전자 수송 능력을 나타낼 수 있다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 의한 전자 소자의 제조방법을 나타내는 공정도들이다.
도 2a를 참조하면, 기판(10) 상에 복수개의 하부 전극(20)을 형성한다. 상기 기판(10) 상에 복수개의 하부 전극(20)을 형성하는 방법은 통상의 증착법과 리소그래피법을 통해 수행될 수 있다. 상기 복수개의 하부 전극(20)은 일정 간격을 두고 나란히 형성될 수 있다.
상기 기판(10)은 투명 무기물 기판 또는 투명 유기물 기판일 수 있다. 상기 하부 전극(20)은 투명 전도성 산화물 전극 또는 금속 전극일 수 있다.
도 2b를 참조하면, 하부 전극(20)이 형성된 기판(10)의 전면에 금속 산화물 씨드층(31)을 형성한다. 이 때, 상기 금속 산화물 씨드층(31)은 20nm 이하의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 금속 산화물 씨드층(31)은 상기 하부 전극(20)이 형성된 기판(10)의 전면에 금속 산화물 전구체가 함유된 졸(sol) 용액을 도포한 후, 이를 열처리하여 형성할 수 있다.
예컨대, 상기 금속 산화물 전구체가 함유된 졸 용액은 ZnO, CuO, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 또는 ZrO2를 구성하는 전구체가 함유된 졸 용액일 수 있다. 상기 졸 용액을 기판(10) 상에 도포하기 위해 스핀 코팅, 딥 코팅, 드롭 코팅 또는 스프레이 코팅 등을 이용할 수 있다. 상기 열처리는 300 ∼ 700℃에서 수행될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 금속 산화물 씨드층(31) 상에 복수개의 수직한 기공(51)이 형성된 나노 템플레이트(50)를 형성한다.
일 예로, 상기 나노 템플레이트(50)는 UV를 이용한 나노 임프린트 리소그래피 공정을 통해 형성할 수 있다. 상기 나노 임프린트 리소그래피법을 통해 초미세 패턴인 나노 크기의 패턴을 형성할 수 있다. 상기 나노 임프린트 리소그래피법을 사용하면 더욱 정밀한 초미세 패턴을 간편하게 형성할 수 있는 이점이 있다.
상기 나노 템플레이트(50)는 UV광이 조사되면 경화될 수 있는 물질을 함유할 수 있다. 또한, 상기 나노 템플레이트(50)는 절연성을 가지는 물질을 함유할 수 있다. 일 예로, 상기 나노 템플레이트(50)는 PDMS 계열의 폴리머를 함유할 수 있다.
상기 나노 임프린트 리소그래피 공정을 설명하기로 한다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 의한 나노임프린트 리소그래피 공정을 나타내는 공정도들이다.
도 3a를 참조하면, 복수개의 필러를 가지는 나노임프린팅 스탬프(60)를 제조한다. 상기 나노임프린팅 스탬프(60)는 예컨대, PDMS(polymethylsiloxane) 등과 같은 고분자 재질로 이루어진 소프트 스탬프일 수 있다. 상기 PDMS 스탬프는 Si-O 결합의 특징으로 고온에 잘 견디며, 무독성이고 탄성력이 우수한 이점을 있다. 또한, 유리, Si 등으로 이루어진 하드 스탬프일 수도 있다. 이 때, 상기 소프트 스탬프 또는 하드 스탬프는 표면에 반대 패턴이 형성된 마스터 스탬프로부터 복제된 스탬프일 수 있다.
도 3b를 참조하면, 금속 산화물 씨드층(31)의 전면에 광경화성 레지스트(53)를 도포하고, 나노임프린팅 스탬프(60)를 사용하여 가압한다. 상기 광경화성 레지스트(53)는 스핀 코팅, 딥 코팅, 드롭 코팅 또는 스프레이 코팅 등을 이용하여 도포할 수 있다. 상기 나노임프린팅 스탬프(60)를 이용한 가압은 5 bar ∼ 20 bar의 압력으로 5분 ∼ 10분간 수행될 수 있다.
도 3c 및 도 3d를 참조하면, 광경화성 레지스트(53)에 광을 조사하여 경화시킨 후, 상기 나노임프린팅 스탬프(60)를 제거한다. 상기 광은 UV일 수 있다. UV가 조사되면, 상기 광경화 레지스트(53)가 경화되면서 상기 스탬프(60)의 패턴과 반대 형상을 가지는 패턴이 형성된다. 상기 패턴은 복수개의 홀 패턴일 수 있다.
도 3e를 참조하면, 하부 전극(20) 상에 형성된 금속 산화물 씨드층(31)이 노출될 때까지 광경화성 레지스트(53)를 식각하여 복수개의 수직 기공(51)을 가지는 나노 템플레이트(50)를 형성한다.
이 경우, 상기 하부 전극(20)은 일정한 높이를 가지므로, 상기 하부 전극(20)이 배치되지 않은 영역에 형성된 금속 산화물 씨드층(31)은 노출되지 않는다. 따라서, 이를 이용하여 하부 전극(20) 상에만 금속 산화물 나노구조체를 선택적으로 형성할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 나노 템플레이트(50)의 기공(51) 하부에 노출된 금속 산화물 씨드층(31)을 성장시켜 금속 산화물 나노구조체(30)를 형성한다. 상기 금속산화물 나노구조체(30)는 상기 기판(10)에 대해 수직으로 형성되는 금속 산화물 나노로드일 수 있다. 일 예로, 상기 금속 산화물 나노구조체(30)는 수열 합성법을 이용하여 형성될 수 있다.
구체적으로, 복수개의 수직 기공(51)이 형성된 나노 템플레이트(50)가 배치된 기판(10)을 수열 합성용 용액 내에 배치할 수 있다. 예컨대, 상기 수열 합성용 용액은 Zn 아세테이트, Zn 나이트레이트 또는 이들의 유도체가 용해된 증류수 용액일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 형성하고자 하는 금속 산화물 나노구조체(30)의 종류에 따라 다양하게 변화시킬 수 있다. 이 때, NaOH 또는 NH4OH를 첨가하여 상기 수열 합성용 용액의 pH를 조절할 수 있다.
상기 수열 합성용 용액을 일정 온도로 유지하여 하부 전극(20) 상에 금속 산화물 나노구조체(30)를 형성할 수 있다. 일 예로, 상기 금속 산화물 나노구조체(30)는 하부 전극(20) 상에 형성된 복수개의 수직 기공(51)을 따라 성장될 수 있다. 상기 금속 산화물 나노구조체(30)는 복수개의 금속 산화물 나노로드일 수 있다. 상기 금속 산화물 나노로드는 상기 금속 산화물 씨드층(31)으로부터 상기 수직 기공(51)을 통과하여 성장할 수 있다. 이 때, 상기 기공(51)의 간격이나 직경 등을 조절하여 금속 산화물 나노구조체(30)의 형태를 변화시킬 수 있다.
상기 하부 전극(20)이 배치되지 않은 영역에 형성된 금속 산화물 씨드층(31)은 나노 템플레이트(50)에 의해 차폐되므로, 수열 합성시 금속 산화물 나노로드가 성장되지 않는다. 즉, 금속 산화물 나노로드는 하부 전극(20) 상에서만 성장될 수 있다. 따라서, 이를 이용하여 하부 전극(20) 상에만 금속 산화물 나노로드를 선택적으로 수직 성장시킬 수 있다.
도 2e를 참조하면, 금속 산화물 나노구조체(30) 상에 상부 전극(40)을 형성한다.
일 예로, 상기 상부 전극(40)은 통상의 포토리소그래피법과 리프트-오프법을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 리프트-오프 용액으로 예컨대, 탈이온수(DI water)를 사용할 수 있다. 이 경우, 포토 레지스트(PR) 도포 이전에, 상기 탈이온수에 용해될 수 있는 물질이 함유된 보호층(미도시)을 사전 코팅하고, 포토리소그래피법을 수행할 수 있다. 상기 보호층은 예컨대, PVA(polyvinyl alcohol)일 수 있다. 이 때, 상기 보호층은 상부 전극(40)을 정의하기 위한 PR 패턴 형성시 상기 나노 템플레이트(50)의 손상을 방지할 수 있다. 상기 나노 템플레이트(50)는 절연성을 가지는 물질을 함유하므로, 상기 상부 전극(40)이 하부 전극(20)과 직접적으로 전기 접촉되는 것을 방지할 수 있다. 상기 상부 전극(40)은 상기 하부 전극(20)과 수직으로 교차하도록 형성될 수 있다.
상기 상부 전극(40)은 투명 전도성 산화물 전극 또는 금속 전극일 수 있다. 선택적으로, 상기 상부 전극(40) 형성 후, 상기 나노 템플레이트(50)를 제거할 수도 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실험예
1. 하부 전극 제조
포토리소그래피법으로 유리 기판 상에 ITO 전극을 형성하였다. 구체적으로, 유리 기판 상에 ITO층을 증착하고, 네거티브 PR(nLOF 2020)을 도포하였다. 이후, 크롬 마스크로 전극 영역을 정의하고, Ar 플라즈마를 이용하여 50sccm, 100mTorr 조건에서 120초 동안 건식 식각하였다.
2. ZnO 씨드층 ( seed layer ) 제조
스핀 캐스팅을 이용하여 ITO 전극이 형성된 유리 기판 상에 졸-겔(sol-gel) 전구체 박막을 형성하고 열처리하였다. 먼저, 징크 아세테이트(2.2g, Zn(CH3COO)2, Aldrich)를 무수 n-프로판올(n-propanol)에 용해시켰다. 이 때, 비이온계 계면활성제인 Triton X-100과 모노에탄올아민을 동일한 몰비로 첨가하고, 60℃에서 30분간 교반하여 점성을 가지는 투명한 졸을 제조하였다. 이후, 상온에서 냉각시키고, 0.45μm의 기공을 갖는 친수성 필터(Advance® PTFE)를 사용하여 오염물을 제거한 후, 하루 동안 보관하였다. 상기 과정을 거친 졸을 ITO 전극이 형성된 유리 기판 상에 5000rpm으로 스핀 코팅하고, 550℃에서 30초간 열처리하여 ZnO 씨드층을 형성하였다.
3. 폴리머 템플레이트 ( polymer template ) 제조
UV-나노임프린트 리소그래피법을 이용하여 ZnO 씨드층 상에 복수개의 수직한 기공을 가지는 폴리머 템플레이트를 제조하였다. 먼저, 200초 동안 6000rpm으로 스핀코팅하여 임프린트용 UV 경화 레지스트를 ZnO 씨드층 상에 형성하였다. 이 때, 상기 UV 경화 레지스트는 PDMS(Gelest, 87%), 가교제(ethylene glycol dimethacrylate, Aldrich, 10%) 및 라디칼 개시제(Irgacure 184, Ciba, 3%)를 포함한다. 이후, 레이저 홀로그래픽 리소그래피법을 이용하여 규칙적으로 배열된 필러(pillar)형의 투명 스탬프를 제조하였다. 이 때, 상기 필러는 600nm의 주기를 가지도록 배열되고, 상기 필러의 직경은 300nm였다. 이후, 상기 투명 스탬프를 사용하여 상기 임프린트용 UV 경화 레지스트를 5 bar의 압력으로 가압하고, 5분간 UV 광을 조사하여 상기 UV 경화 레지스트를 경화시켰다. 이후, 상기 투명 스탬프를 제거하여 복수개의 기공을 가지는 폴리머 템플레이트를 제조하였다. 이 때, 기공 내의 잔여물을 제거하고, ZnO 씨드층을 노출시키기 위해 CH4 플라즈마 가스를 이용하여 수직 방향으로 건식 식각을 수행하였다.
4. ZnO 나노로드 성장
0.05M 징크 나이트레이트 헥사하이드레이트(zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)2·6H2O, 순도 99.5%, Aldrich)와 0.07M 헥사메틸렌테트라아민(hexamethylenetetramine, C6H12N4, 순도 99.5%, Aldrich)이 포함된 탈이온수를 ZnO 성장 용액으로 사용하였다. 이 때, 상기 성장 용액의 pH는 7로 유지하였다. 이후, 상기의 공정을 통해 폴리머 템플레이트가 형성된 유리 기판을 상기 성장 용액 내에 배치하고, 93℃에서 1시간동안 컨벡션 오븐(convection oven) 내에 배치하여 ZnO 나노로드를 성장시켰다.
5. 상부 전극 제조
포토리소그래피법과 리프트-오프법을 이용하여 상기 ZnO 나노로드 상에 Pt 전극을 형성하였다. 먼저, 리프트-오프 용액으로 탈이온수(DI water)를 사용하기 위해 PVA(polyvinyl alcohol)/PR의 이중층을 형성하였다. PR 코팅 이전에 4wt% PVA가 용해된 탈이온수를 사전 코팅하고, 포토리소그래피법을 수행하였다. 현상 후, 50sccm, 20mTorr 조건에서 30초 동안 O2 플라즈마를 수행하여 PR 패턴을 PVA층에 전사하고, Pt를 150nm 증착하였다. 이후, 60℃에서 탈이온수에 침지하는 리프트-오프 공정을 수행하여 PVA층을 제거하고, Pt 전극을 형성하였다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시예에 의한 전자 소자의 제조단계별 SEM 이미지들이다.
도 4a를 참조하면, 폴리머 템플레이트는 규칙적으로 배열된 복수개의 수직 기공을 가짐을 확인할 수 있다. 상기 기공의 직경은 약 300nm이며, 600nm 간격으로 배열되어 있음을 확인할 수 있다. 또한, 상기 폴리머 템플레이트의 하부에 배치된 ITO 전극은 약 2μm의 폭을 가짐을 확인할 수 있다. 상기 폴리머 템플레이트에 형성된 복수개의 기공 중, 상기 ITO 전극 상에 위치하는 기공은 4개의 열(row)임을 확인할 수 있다.
도 4b 및 도 4c를 참조하면, ITO 전극 상의 4개의 열에만 ZnO 나노로드(ZnO NR)가 수직 성장된 것을 확인할 수 있다. 상기 ZnO 나노로드는 약 300nm의 직경을 가지며, 각 나노로드가 600nm의 간격으로 분리 형성된 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 ZnO 나노로드들은 일정한 높이를 가지며, 상기 높이는 폴리머 템플레이트의 두께와 동일한 것을 확인할 수 있다.
도 4d를 참조하면, ZnO 나노로드는 (0002) 결정면 방향(2θ= 34.2°)의 피크 강도가 가장 높은 것으로 보아, [0001] 방향으로 수직 성장하였음을 확인할 수 있다.
도 4e를 참조하면, 일정한 높이를 가지는 ZnO 나노로드 상에 Pt 전극이 형성되며, 상기 Pt 전극은 ITO 전극과 수직 교차하도록 형성됨을 확인할 수 있다. 상기 ITO 전극과 Pt 전극이 교차하는 영역의 면적은 2μm × 2μm 이며, 상기 영역에 배치된 ZnO 나노로드는 16개(4×4)임을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 터치 패널의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 터치 패널의 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 하부 기판(100)과, 상기 하부 기판(100)에 대향하도록 상부 기판(500)이 배치된다. 상에 복수개의 하부 전극(200)이 서로 나란하게 배열될 수 있다. 상기 하부 기판(100)과 상부 기판(500)은 유리 기판 또는 투명한 필름 기판일 수 있다. 예컨대, 상기 필름 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌나프탈렌디카르복실레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르술폰(PES), 폴리이미드(PI), 폴리비닐알코올(PVA), 시클릭 올레핀 공중합체(COC), 스틸렌 중합체, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
하부 기판(100) 상에 서로 나란하게 배열되는 복수개의 하부 전극(200)과, 상부 기판(500)의 하면에 서로 나란하게 배열되는 복수개의 상부 전극(400)이 수직으로 교차 배열될 수 있다. 상기 복수개의 하부 전극(200) 및 상부 전극(400) 각각은 전원 라인(미도시)과 연결될 수 있다. 상기 하부 전극(200)과 상부 전극(400)은 투명 전극일 수 있다. 예컨대, 상기 투명 전극은 ITO, 도핑된 ZnO(AZO: Al 도핑, GZO: Ga 도핑, IZO: In 도핑, IGZO: In 및 Ga 도핑, MZO: Mg 도핑), Al 또는 Ga가 도핑된 MgO, Sn이 도핑된 In2O3, F가 도핑된 SnO2 및 Nb가 도핑된 TiO2을 함유할 수 있다.
이들의 교차 영역에는 터치셀(S)이 복수개 배치될 수 있다. 따라서, 상기 터치셀(S)은 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 이 경우, 사용자가 터치하는 셀은 인접 셀에 영향을 미치지 않으므로, 멀티 터치 구현이 가능한 이점이 있다.
상기 터치셀(S)은 각각 압전 나노구조체(300)를 포함할 수 있다. 상기 압전 나노구조체(300)는 외부 압력에 의해 전위차 분극을 일으키는 압전 효과를 나타낼 수 있다.
즉, 사용자가 펜이나 손가락 등과 같은 소정의 입력 수단을 이용하여 상부 기판(500)의 표면을 가압하면, 상기 상부 전극(300)을 거쳐 압전 나노구조체(300)로 외력이 전달될 수 있다. 이 경우, 상기 압전 나노구조체(300)의 양측으로 양전하 및 음전하가 분극될 수 있다. 상기와 같이 분극 현상이 일어나면, 상기 압전 나노구조체(300)의 양측에 각각 접촉하는 상부 전극(400) 및 하부 전극(200) 사이에 기전력이 발생될 수 있다. 따라서, 상기 상부 전극(400) 및 하부 전극(200)과 전기적으로 연결된 외부 단자(미도시)에 전기적 신호가 발생될 수 있다. 상기 전기적 신호를 통해 터치 위치를 검출할 수 있다. 이 때, 분극 현상시 발생되는 기전력을 이용할 수 있으므로, 별도로 전원의 공급없이 터치 위치를 검출할 수 있는 이점이 있다.
일 예로, 상기 압전 나노구조체(300)는 주기적으로 배열된 복수개의 금속 산화물 나노로드일 수 있다. 예컨대, 상기 압전 나노구조체(300)는 ZnO, MgO, TiO2, SnO2 및 CdO 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 함유할 수 있다. 상기 압전 나노구조체(300)는 상기 하부 기판(200)과 상부 기판(500) 사이의 간격을 일정하게 유지시킬 수 있어, 통상적으로 사용되는 도트 스페이서를 생략할 수 있다.
상기 복수개의 터치셀(S) 각각은 동일한 개수의 금속 산화물 나노로드를 구비할 수 있다. 상기 금속 산화물 나노로드 각각은 서로 동일한 간격을 두고 이격 배치될 수 있으며, 동일한 직경과 동일한 높이를 가질 수 있다. 따라서, 모든 터치셀(S)은 사용자의 터치시 가해지는 압력에 대해 동일한 반응도를 가질 수 있다. 이로써, 정해진 압력 이상에서만 모든 터치셀(S)을 동작시키고, 미세한 터치시에는 동작하지 않도록 설정할 수도 있다.
10: 기판 20: 하부 전극
30: 금속 산화물 나노구조체 40: 상부 전극
50: 나노 템플레이트 51: 기공
100: 하부 기판 200: 하부 전극
300: 압전 나노구조체 400: 상부 전극
500: 상부 기판

Claims (12)

  1. 하부 전극;
    상기 하부 전극과 수직 교차하도록 형성되는 상부 전극;
    상기 하부 전극과 상부 전극 사이의 교차 영역에 형성되며, 주기적으로 수직 정렬된 복수개의 금속 산화물 나노로드를 가지는 나노구조체; 및
    상기 금속 산화물 나노로드의 측면을 감싸도록 배치된 절연체를 포함하고,
    상기 절연체는 각 금속 산화물 나노로드가 수직 정렬될 때, 복수개의 수직한 기공을 제공하는 나노 템플레이트가 잔류된 것을 포함하는 전자 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 금속 산화물 나노로드 각각의 직경과 높이는 서로 동일한 전자 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물 나노로드는 ZnO, CuO, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 전자 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전극은 ITO 전극이고, 상기 상부 전극은 Pt 전극이며, 상기 금속 산화물 나노로드는 ZnO 나노로드인 전자 소자.
  5. 기판 상에 서로 나란하게 배열되는 복수개의 하부 전극을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극이 형성된 기판의 전면에 금속 산화물 씨드층을 형성하는 단계;
    상기 금속 산화물 씨드층 상에 복수개의 수직한 기공이 형성된 나노 템플레이트를 형성하는 단계;
    상기 나노 템플레이트에 의해 상기 하부 전극 상에서 선택적으로 노출된 금속 산화물 씨드층을 성장시켜 상기 기판에 대해 수직이 되도록 금속 산화물 나노구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 금속 산화물 나노구조체 상에 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 나노 템플레이트를 잔류시켜서 나노로드들간의 절연막으로 역할하는 것인,
    전자 소자의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 나노 템플레이트는 절연성을 가지는 폴리머를 함유하는 전자 소자의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 나노 템플레이트를 형성하는 단계는,
    복수개의 필러를 가지는 나노임프린팅 스탬프를 제조하는 단계;
    상기 금속 산화물 씨드층의 전면에 광경화성 레지스트를 도포하고, 상기 나노임프린팅 스탬프를 사용하여 가압하는 단계;
    상기 광경화성 레지스트에 광을 조사하여 경화시킨 후, 상기 나노임프린팅 스탬프를 제거하는 단계; 및
    상기 하부 전극 상에 형성된 금속 산화물 씨드층이 노출될 때까지 상기 광경화성 레지스트를 식각하는 단계를 포함하는 전자 소자의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 금속 산화물 나노구조체는 주기적으로 수직 정렬된 복수개의 금속 산화물 나노로드인 전자 소자의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 금속 산화물 나노구조체를 형성하는 단계는,
    복수개의 수직한 기공을 가지는 나노템플레이트가 형성된 기판을 수열 합성용 용액 내에 배치하는 단계; 및
    상기 기공을 따라 금속 산화물 나노구조체를 성장시키는 단계를 포함하는 전자 소자의 제조방법.
  10. 하부 기판;
    상기 하부 기판과 대향되게 배치되는 상부 기판;
    상기 하부 기판 상에 서로 나란하게 배열되는 복수개의 하부 전극;
    상기 상부 기판의 하면에 서로 나란하게 배열되며, 상기 하부 전극과 수직 교차하도록 형성되는 복수개의 상부 전극;
    상기 하부 전극과 상부 전극 사이의 교차 영역들에 형성되고, 주기적으로 수직 배열된 복수개의 금속 산화물 나노로드이며, 상기 교차 영역들 각각은 동일한 개수의 금속 산화물 나노로드를 구비하는 압전 나노구조체; 및
    상기 금속 산화물 나노로드의 측면을 감싸도록 배치된 절연체를 포함하고,
    상기 절연체는 각 금속 산화물 나노로드가 수직 정렬될 때, 복수개의 수직한 기공을 제공하는 나노 템플레이트가 잔류된 것을 포함하는 터치 패널.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 압전 나노구조체는 ZnO, MgO, TiO2, SnO2 및 CdO 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 터치 패널.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 상부 전극 및 하부 전극은 투명 전극인 터치 패널.
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