KR101676525B1 - 접촉된 그래핀 패턴들을 갖는 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

접촉된 그래핀 패턴들을 갖는 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

그래핀 터치 센서가 제공된다. 상기 그래핀 터치 센서는, 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 베이스 기판(base substrate), 상기 베이스 기판의 상기 제1 면 상의 제1 그래핀 패턴, 및 상기 제1 그래핀 패턴 상에 배치되되, 상기 제2 면에 대상물의 터치에 따라서 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되는 면적이 조절되는 제2 그래핀 패턴을 포함한다.

Description

접촉된 그래핀 패턴들을 갖는 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법{Graphene touch sensor comprising contacted graphene patterns and method of fabricating ths same}
본 발명은 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 서로 접촉된 제1 및 제2 그래핀 패턴들을 갖는 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
모바일 기기의 급속한 발전과 인간의 터치 감각을 모방하기 위한 노력으로 인하여, 터치를 기반으로 하는 기기의 개발이 주요한 이슈가 되고 있다. 현재까지 발명된 터치센서, 입는 전자기기 등은 터치의 유무를 센싱하기 위한 기능을 위해 개발되었다. 특히, 터치 센서에 사용되는 물질은 실리콘 또는 유리 기판 상에 배치된 ITO를 기반으로 하고 있다. 이러한 ITO 물질을 이용한 터치 센서는 유연하지 않아, 웨어러블 디바이스(Wearable Device), 커브드 디스플레이(curved display) 등에 활용되는 데 한계가 있다.
이에 따라, 나노 와이어, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 새로운 물질을 활용한 터치 센서의 개발이 진행 중이다. 예를 들어, 대한민국 특허공개공보 10-2013-0091493(출원번호 10-2012-0012817)에는, 고분자 스탬프와 유기 용매를 이용하여 패터닝된 그래핀 패턴층과 유기 절연체를 이용하여, 휨 특성이 우수하면서도 저가격화 및 대면적화가 가능한 그래핀 터치 패널 및 그 제조 방법이 개시되어 있다.
하지만, 이러한 그래핀 터치 센서들은 민감도가 낮고, 대상물의 터치 유무를 센싱할 뿐, 터치되는 대상물의 재질을 센싱하지 못하는 문제점이 있다. 이에 따라, 민감도가 우수하고, 유연하며, 대상물의 표면 특성(재질)을 센싱하기 위한 터치 센서에 대한 연구개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 고신뢰성의 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 유연한 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 고민감도의 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 투명한 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 터치되는 대상물의 재질을 센싱할 수 있는 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 터치 센서는, 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 베이스 기판(base substrate), 상기 베이스 기판의 상기 제1 면 상의 제1 그래핀 패턴, 및 상기 제1 그래핀 패턴 상에 배치되되, 상기 제2 면에 대상물의 터치에 따라서 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되는 면적이 조절되는 제2 그래핀 패턴을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 그래핀 패턴은, 상기 제2 면에 상기 대상물의 터치에 따라서 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되는 면적이 조절되는 중앙부(center portion), 및 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되지 않는 주변부(peripheral portion)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 터치 센서는, 상기 제1 그래핀 패턴의 양측에 배치되고, 상기 제1 그래핀 패턴과 이격되고, 상기 제2 그래핀 패턴과 연결된 전극막들을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 그래핀 패턴은, 상기 전극막들 상에 배치되는 에지부(edge portion)을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 기판의 상기 제1 면과 상기 전극막들의 상부면들 사이의 거리는, 상기 베이스 기판의 상기 제1 면과 상기 제1 그래핀 패턴의 상부면 사이의 거리보다 긴 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전극막들의 두께는 상기 제1 그래핀 패턴의 두께보다 두꺼운 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 터치 센서는, 상기 전극막들 및 상기 베이스 기판 사이에 배치된 구조물들(structures)을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 구조물들은 상기 베이스 기판과 일체(one body)를 이루는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 구조물들의 상부면들은, 상기 제1 그래핀 패턴이 배치되는 상기 베이스 기판의 상기 제1 면으로부터 돌출된 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 터치 센서는, 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 베이스 기판(base substrate), 및 상기 베이스 기판의 상기 제1 면 상의 그래핀 패턴을 포함하되, 대상물이 상기 제2 면에 기준 압력보다 낮은 압력으로 터치되는 경우, 상기 그래핀 패턴의 저항이 감소되고, 상기 대상물이 상기 제2 면에 상기 기준 압력보다 높은 압력으로 터치되는 경우, 상기 그래핀 패턴의 저항이 증가되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 패턴은, 상기 베이스 기판의 상기 제1 면 상의 제1 그래핀 패턴, 및 상기 제1 그래핀 패턴 상의 제2 그래핀 패턴을 포함하되, 상기 대상물이 상기 제2 면에 기준 압력보다 낮은 압력으로 터치되는 경우, 상기 제1 그래핀 패턴과 상기 제2 그래핀 패턴의 접촉 면적이 증가하여 상기 그래핀 패턴의 저항이 감소되고, 상기 대상물이 상기 제2 면에 상기 기준 압력보다 높은 압력으로 터치되는 경우, 상기 제2 그래핀 패턴의 탄소-탄소 결합 변형에 의해 상기 그래핀 패턴의 저항이 증가되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 터치 센서는, 상기 베이스 기판의 상기 제1 면 상에 배치되고, 상기 제1 그래핀 패턴의 양측에 상기 제1 그래핀 패턴과 이격된 전극막들을 더 포함하되, 상기 제2 그래핀 패턴은, 상기 전극막들 상의 에지부, 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되는 중앙부, 및 상기 에지부 및 상기 중앙부 사이에 정의되고 상기 제1 그래핀 패턴과 이격된 주변부를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 그래핀 터치 센서의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 터치 센서의 제조 방법은, 베이스 기판 상에 제1 그래핀 패턴을 전사(transfer)하는 단계, 상기 제1 그래핀 패턴의 양측에, 상기 제1 그래핀 패턴과 이격되도록 전극막들 형성하는 단계, 및 상기 전극막들 및 상기 제1 그래핀 패턴 상에, 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되는 중앙부 및 상기 전극막들에 접촉되는 에지부를 갖는 제2 그래핀 패턴을 전사하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 그래핀 패턴을 전사하는 단계는, 그래핀막을 갖는 금속 박막을 준비하는 단계, 상기 그래핀막을 갖는 금속 박막을 상기 베이스 기판에 부착시키는 단계, 및 상기 금속 박막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 그래핀 패턴을 전사하는 단계는, 그래핀막을 갖는 금속 박막을 준비하는 단계, 상기 그래핀막 상에 희생막을 코팅하는 단계, 상기 금속 박막을 상기 그래핀막으로부터 제거하는 단계, 상기 희생막 및 상기 그래핀막을 상기 베이스 기판 상에 배치시키는 단계, 및 상기 희생막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서는, 베이스 기판의 상에 배치된 제1 그래핀 패턴, 및 상기 제1 그래핀 패턴 상의 제2 그래핀 패턴을 포함하고, 대상물의 터치에 따라서 상기 제1 그래핀 패턴과 상기 제2 그래핀 패턴의 접촉 면적이 조절될 수 있다.
또한, 상기 대상물이 상대적으로 낮은 압력으로 터치되는 경우, 상기 제1 그래핀 패턴 및 상기 제2 그래핀 패턴을 포함하는 그래핀 패턴의 저항이 감소되고, 상기 대상물이 상대적으로 높은 압력으로 터치되는 경우, 상기 그래핀 패턴의 저항이 증가될 수 있다.
이에 따라, 고민감도 및 고신뢰성을 갖는 그래핀 터치 센서가 제공될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 터치 센싱 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 센싱 패턴을 포함하는 그래핀 터치 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 투과도를 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 센싱 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 사용된 베이스 기판의 두께에 따른 특성 변화를 설명하기 위한 것이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 주기적으로 일정한 압력을 인가한 경우 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 에에 따른 그래핀 터치 센서를 이용하여 사람의 맥박을 측정한 것이다.
도 12는 센싱 패턴이 부착된 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 터치되는 대상물의 터치 속도에 따른 응답 특성을 설명하기 위한 것이다.
도 13은 센싱 패턴이 부착된 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 터치되는 대상물의 터치 속도에 따른 응답 특성을 설명하기 위한 것으로, 측정 결과를 주파수 변환한 것이다.
도 14는 센싱 패턴이 부착된 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 인가되는 압력의 강도에 따른 그래핀 터치 센서의 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
또한, 본 명세서에서 "터치 센서"는 터치되는 대상물의 터치 유무, 터치 강도, 터치 속도 등을 센싱하고, 터치되는 대상물의 표면 특성(재질)을 센싱하는 것을 포함하는 의미로 사용되며, "터치"는 대상물이 직접적으로 터치되는 것 또는 간접적으로 터치되는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1을 참조하면, 베이스 기판(110, base substrate)이 제공된다. 상기 베이스 기판(110)은 유연한 기판(flexible substrate)일 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 기판(110)은, PET, PES, PI, PEN, 또는 PDMS 중에서 어느 하나일 수 있다. 상기 베이스 기판(110)은 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 포함할 수 있다.
상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면 상에 제1 그래핀 패턴(120)이 전사(transfer)될 수 있다. 상기 제1 그래핀 패턴(120)을 전사하는 단계는, 그래핀막을 갖는 금속 박막을 준비하는 단계, 상기 그래핀막을 갖는 상기 금속 박막을 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면에 부착하는 단계, 및 상기 금속 박막을 상기 그래핀막으로부터 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 박막은 구리(Cu) 박막일 수 있다. 이 경우, 상기 구리 박막은, FeCl3, HCl, 및 초순수 등을 이용하여 제거될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면 상에 전극막들(130)이 형성될 수 있다. 상기 전극막들(130)은 상기 제1 그래핀 패턴(120)의 양측에 형성될 수 있다. 상기 전극막들(130)은 상기 제1 그래핀 패턴(120)과 이격될 수 있다. 이로 인해, 상기 전극막들(130) 및 상기 제1 그래핀 패턴(120)은 전기적으로 연결되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전극막들(130)은 스퍼터 공정(sputter)으로 형성된 크롬(Cr), 금(Au), 또는 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 전극막들(130)의 상부면들은, 상기 제1 그래핀 패턴(120)의 상부면보다 높은 레벨(level)을 가질 수 있다. 다시 말하면, 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면을 기준으로, 상기 전극막들(130)의 상기 상부면들은 상기 제1 그래핀 패턴(120)의 상기 상부면보다 높은 곳에 위치할 수 있다. 이로 인해, 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면과 상기 전극막들(130)의 상기 상부면들 사이의 거리는, 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면과 상기 제1 그래핀 패턴(120)의 상기 상부면 사이의 거리보다 길 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 전극막들(130)의 두께는 상기 제1 그래핀 패턴(120)의 두께보다 두껍고, 이에 따라, 상기 전극막들(130)의 상기 상부면들이 상기 제1 그래핀 패턴(120)의 상기 상부면보다 높은 레벨을 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 전극막들(130)이 형성된 후, 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면 상에 제2 그래핀 패턴(140)이 전사될 수 있다. 상기 제2 그래핀 패턴(140)을 전사하는 단계는, 그래핀막을 갖는 금속 박막을 준비하는 단계, 상기 그래핀막 상에 희생막을 코팅하는 단계, 상기 금속 박막을 상기 그래핀막으로부터 제거하는 단계, 상기 그래핀막이 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면에 부착되도록 상기 희생막 및 상기 그래핀막을 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면 상에 배치시키는 단계, 및 상기 희생막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 금속 박막은 구리(Cu) 박막 일 수 있고, 상기 희생막은 PMMA일 수 있고, 상기 금속 박막은 FeCl3 용액 및 HCl을 이용하여 제거될 수 있고, 상기 희생막은 아세톤으로 제거될 수 있다.
상기 제2 그래핀 패턴(140)은, 중앙부(CP, center portion), 주변부(PP, peripheral portion), 및 에지부(EP, edge portion)을 포함할 수 있다. 상기 제2 그래핀 패턴(140)의 상기 중앙부(CP)는 상기 제1 그래핀 패턴(120)과 접촉될 수 있다. 후술되는 바와 같이, 상기 제2 그래핀 패턴(140)의 상기 중앙부(CP)는, 대상물의 터치에 따라서, 상기 제1 그래핀 패턴(120)과 접촉되는 면적이 조절될 수 있다. 상기 제2 그래핀 패턴(140)의 상기 에지부(EP)는 상기 전극막들(130) 상에 배치되고, 상기 전극막들(130)과 접촉될 수 있다. 상기 에지부(EP)를 갖는 상기 제2 그래핀 패턴(140)에 의해, 상기 전극막들(130)은 전기적으로 서로 연결될 수 있다. 상기 제2 그래핀 패턴(140)의 상기 주변부(PP)는 상기 에지부(EP) 및 상기 중앙부(CP) 사이에 정의될 수 있다. 상기 제2 그래핀 패턴(130)의 상기 주변부(PP) 및 상기 에지부(EP)는 상기 제1 그래핀 패턴(120)과 접촉하지 않을 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 터치 센싱 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 베이스 기판(110)의 상기 제2 면에 대상물이 터치되고, 상기 대상물의 터치는 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면 상에 배치된 그래핀 패턴(상기 제1 그래핀 패턴(120) 및 상기 제2 그래핀 패턴(140))으로 센싱될 수 있다.
구체적으로, 도 4 (a)에 도시된 것과 같이, 상기 대상물의 터치가 없는 경우, 상기 제1 그래핀 패턴(120)과 상기 제2 그래핀 패턴(140)이 접촉되는 면적(X)이 정의되고, 상기 제1 그래핀 패턴(120)과 접촉하지 않는 상기 제2 그래핀 패턴(140)의 면적(Y)이 정의된다.
도 4 (b)에 도시된 것과 같이, 상기 제1 그래핀 패턴(120) 및 상기 제2 그래핀 패턴(140)이 배치된 상기 베이스 기판(110)의 상기 제2 면에 대상물이 터치될 수 있다. 상기 대상물이 상기 베이스 기판(110)의 상기 제2 면에 터치되는 경우, 상기 제1 그래핀 패턴(120)과 상기 제2 그래핀 패턴(140)이 접촉되는 면적(X+△X)이, 도 4(a)에 도시된 것과 비교하여, 증가될 수 있다. 다시 말하면, 상기 대상물이 상기 베이스 기판(110)의 상기 제2 면에 대상물의 터치에 따라서, 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면 상에 배치된 제1 그래핀 패턴(120) 및 상기 제2 그래핀 패턴(140)의 접촉되는 면적(X 또는 X+△X)이 변경될 수 있다.
상기 대상물이 상대적으로 낮은 압력으로 상기 베이스 기판(110)의 상기 제2 면을 터치하는 경우, 상기 제1 그래핀 패턴(120)과 상기 제2 그래핀 패턴(140)이 접촉 면적(X+△X)이 증가되어, 상기 전극막들(130) 사이의 저항이 감소될 수 있다. 반면, 상기 대상물이 상대적으로 높은 압력으로 상기 베이스 기판(110)의 상기 제2 면을 터치하는 경우, 상기 제1 그래핀 패턴(120)과 접촉되지 않은 상기 제2 그래핀 패턴(140)의 일부분(Y+△Y)의 탄소(C)-탄소(C) 결합(bonding)의 변형에 의해, 상기 전극막들(130) 사이의 저항이 증가될 수 있다.
즉, 상기 대상물이 기준 압력보다 낮은 압력으로 상기 베이스 기판(110)의 상기 제2 면을 터치하는 경우, 상기 전극막들(130) 사이의 상기 제1 그래핀 패턴(120) 및 상기 제2 그래핀 패턴(140)의 저항이, 상기 제1 그래핀 패턴(120)과 상기 제2 그래핀 패턴(140)의 접촉 면적 증가(X+△X )로 인해 감소될 수 있다. 반면, 상기 대상물이 기준 압력보다 높은 압력으로 상기 베이스 기판(110)의 상기 제2 면을 터치하는 경우, 상기 전극막들(130) 사이의 상기 제2 그래핀 패턴(140)의 일부분(Y+△Y)의 저항이, 탄소(C)-탄소(C) 결합(bonding)의 변형으로 인해 증가될 수 있다. 이로 인해, 저항이 감소되는 저 압력 구간에서 고민감도를 갖고, 저항이 증가되는 고 압력 구간에서 높은 응답속도를 갖는 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 센싱 패턴을 포함하는 그래핀 터치 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 그래핀 터치 센서의 상기 베이스 기판(110)의 상기 제2 면 상에 센싱 패턴(152)을 갖는 상부 기판(150)이 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 센싱 패턴(152)을 갖는 상기 상부 기판(150)을 준비하는 단계는, 평평한(flat) 상부면을 갖는 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 상부면 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 기판을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 센싱 패턴(152)과 상기 상부 기판(150)은 일체(one body)를 구성할 수 있다. 이 경우, 도 5에 도시된 바와 달리, 상기 센싱 패턴(152)과 상기 상부 기판(150) 사이의 경계선은 생략될 수 있다.
상술된 바와 달리, 다른 실시 예에 따르면, 상기 센싱 패턴(152)을 갖는 상기 상부 기판(150)을 준비하는 단계는, 기판 상에 물질막을 형성하는 단계, 상기 물질막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 물질막을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 센싱 패턴(152)은 일 방향으로 연장되는 복수의 라인(line) 형태일 수 있다. 상기 복수의 라인은, 일정한 간격으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 복수의 라인 각각의 폭은, 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 상기 복수의 라인 각각의 높이는, 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 센싱 패턴(152)의 폭과 서로 인접한 센싱 패턴(152) 사이의 간격이, 실질적으로 서로 동일할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 상기 센싱 패턴(152)에 대상물이 터치되고, 상기 대상물의 표면에 특정한 패턴이 있는 경우, 상기 대상물 표면과 상기 센싱 패턴(152)의 접촉에 의해, 상기 대상물 표면의 특정 패턴에 따라, 상기 그래핀 패턴(120, 140)의 저항이 변화될 수 있다. 이에 따라, 상기 대상물의 표면 특성에 따른 상기 그래핀 패턴(120, 140)의 저항 변화를 통해, 상기 대상물의 질감(texture)을 센싱할 수 있는 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면 전극막들 및 베이스 기판 사이에 구조물이 배치될 수 있다. 이를, 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 6을 참조하면, 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면 및 상기 전극막들(130) 사이에 구조물들(112, structures)이 배치될 수 있다. 상기 구조물들(112)은 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면으로부터 돌출될 수 있다. 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면과 상기 구조물들(112)의 상부면들 사이의 거리는, 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면과 상기 제1 그래핀 패턴(120)의 상기 상부면 사이의 거리보다 길 수 있다.
상기 구조물들(112)에 의해, 상기 전극막들(130)의 상기 상부면들과 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면 사이의 거리는, 상기 제1 그래핀 패턴(120)의 상기 상부면과 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면 사이의 거리보다 길 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 구조물들(112)은 상기 베이스 기판(110)을 몰딩할 때 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 구조물들(112)과 상기 베이스 기판(110)은 일체(one body)를 이루고, 도 6에 도시된 바와 달리, 상기 구조물들(112)과 상기 베이스 기판(110) 사이의 경계면은 생략될 수 있다.
이와는 달리, 다른 실시 예에 따르면, 상기 구조물들(112)은 상기 베이스 기판(110)과 동일 또는 다른 물질로 상기 베이스 기판(110) 상에 부착된 것일 수 있다. 이 경우, 상기 구조물들(112)은 상기 제1 그래핀 패턴(120)의 형성 후, 또는 상기 제1 그래핀 패턴(120) 형성 전에 제공될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 투과도를 측정한 그래프이다.
도 7을 참조하면, PDMS를 베이스 기판으로 사용하여 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서를 제조하고, 투과도를 측정하였다. 약 550nm 파장 대역에서, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 투과도는 91.7%인 것으로 측정되었다. 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서가 높은 투명도를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 센싱 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 인가되는 압력에 다른 응답 특성(△R/R0)을 측정하였다. 도 6의 그래프에서 R0는 대상물의 터치가 없는 없는 상태의 저항이다. 도 6의 그래프에서 △R은, 대상물이 상기 그래핀 터치 센서에 터치된 상태의 저항의 변화량이다.
약 1KPa을 기준으로, 1KPa보다 낮은 압력에 대해서는, 터치되는 압력이 증가될수록 저항이 감소되는 것을 확인할 수 있다. 이는, 도 4를 참조하여 설명된 것과 같이, 제1 그래핀 패턴과 제2 그래핀 패턴의 접촉 면적의 증가에 기인한 것으로 해석된다. 반면, 1Kpa 보다 높은 압력에 대해서는, 터치되는 압력이 증가될수록 저항이 증가되는 것을 확인할 수 있다. 이는, 도 4를 참조하여 설명된 것과 같이, 제2 그래핀 패턴의 탄소(C)-탄소(C) 결합의 변형에 기인한 것으로 해석된다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서는, 상대적으로 낮은 압력 구간에서 저항이 감소되고, 상대적으로 높은 압력 구간에서 저항이 증가되는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 사용된 베이스 기판의 두께에 따른 특성 변화를 설명하기 위한 것이다.
도 9를 참조하면, 베이스 기판으로 사용된 PDMS의 두께를 달리하여 그래핀 터치 센서를 제조하고, PDMS의 두께에 따른 저항 변화를 측정하였다. 도 9에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(PDMS)의 두께가 증가함에 따라서, 제1 그래핀 패턴과 제2 그래핀 패턴의 접촉 면적 증가에 따른 저항의 변화량이 증가하고, 제2 그래핀 패턴의 탄소(C)-탄소(C) 결합의 변형에 기인한 저항의 변화량이 감소되는 것을 확인할 수 있다.
다시 말하면, 베이스 기판(PDMS)의 두께를 조절하여 그래핀 터치 센서의 저항 변화와 관련된 두 가지 요소(제1 그래핀 패턴과 제2 그래핀 패턴의 접촉 면적, 그래핀 패턴의 탄소-탄소 결합 변형)를 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 주기적으로 일정한 압력을 인가한 경우 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 상기 그래핀 터치 센서에 일정한 주기로 기준 압력보다 높은 압력을 인가하여, 커패시턴스의 변화를 측정하였다. 즉, 대상물에 의해 인가되는 압력이 상대적으로 높아, 인가되는 압력에 따라서 저항이 증가되는 구간에서 커패시턴스의 변화를 측정한 것이다. 도 10의 그래프에서 C0는 대상물의 터치가 없는 없는 상태의 커패시턴스이다. 도 10의 그래프에서 △C은, 대상물이 상기 그래핀 터치 센서에 터치된 상태의 커패시턴스 변화량이다.
주기적으로 일정한 압력이 인가되는 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 그래핀 터치 센서의 응답 특성(△C/C0)이 실질적으로 일정한 것으로 확인된다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 그래핀 터치 센서의 응답 특성의 신뢰성을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 에에 따른 그래핀 터치 센서를 이용하여 사람의 맥박을 측정한 것이다.
도 11을 참조하면, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 상기 그래핀 터치 센서를 사람의 손목에 부착한 후, 손목의 맥박을 측정하였다. 손목의 맥박의 expansion 및 relaxation에 대응하여 상기 그래핀 터치 센서의 응답 특성(△C/C0)이 명확하게 측정된 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 그래핀 터치 센서가 웨어러블 디바이스(Wearable device) 등에 활용되어, 사람의 생체 신호(예를 들어, 맥박 등)을 측정하는데 유용한 것을 확인할 수 있다.
도 12는 센싱 패턴이 부착된 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 터치되는 대상물의 터치 속도에 따른 응답 특성을 설명하기 위한 것이다.
도 12를 참조하면, 도 12에서 검은색 그래프는 200μm의 너비 및 100μm의 높이를 갖는 하나의 라인 형태의 센싱 패턴이 부착된 그래핀 터치 센서에 PET Tip을 이용하여 2mm/s, 1mm/s, 0.5mm/s, 0.1mm/s의 속도로 터치(접촉된 상태에서 일 방향으로 스캔)한 것을 측정한 것이다. 도 12의 붉은색 그래프는 200μm의 너비 및 100μm의 높이를 갖고 200μm의 간격으로 이격된 두 개의 라인 형태의 센싱 패턴이 부착된 그래핀 터치 센서에 PET Tip을 이용하여 2mm/s, 1mm/s, 0.5mm/s, 0.1mm/s의 속도로 터치한 것을 측정한 것이다.
상기 PET Tip들을 상기 그래핀 터치 패턴의 상기 센싱 패턴에 터치하는 속도에 따라서, 상기 그래핀 터치 패턴의 응답(△R/R0) 특성이 변화되는 것이 확인된다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서를 이용하여, 대상물의 터치 속도가 센싱될 수 있음이 확인된다.
도 13은 센싱 패턴이 부착된 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 터치되는 대상물의 터치 속도에 따른 응답 특성을 설명하기 위한 것으로, 측정 결과를 주파수 변환한 것이다.
도 13을 참조하면, 200μm의 너비 및 100μm의 높이를 갖고 200μm의 간격으로 이격된 20개의 돌출부를 갖는 라인 형태의 센싱 패턴이 부착된 그래핀 터치 센서에 PET Tip을 이용하여 0.4mm/s, 0.6mm/s, 0.8mm/s의 속도로 터치한 결과를 주파수 변환하였다.
PET Tip의 터치 속도에 따라서, 출력(amplitude) peak이 서로 다른 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서를 이용하여, 대상물의 터치 속도가 센싱될 수 있음이 확인된다.
도 14는 센싱 패턴이 부착된 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 인가되는 압력의 강도에 따른 그래핀 터치 센서의 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 14를 참조하면, 도 13을 참조하여 설명된 센싱 패턴이 부차된 그래핀 터치 센서에 PET tip으로 압력을 달리하면서 터치한 결과를 주파수 변환하였다. 도 14에 도시된 (1), (2), (3), 및 (4)의 순서로 높은 압력으로 상기 그래핀 터치 센서에 PET tip를 터치하였다. 도 14에 도시된 것과 같이, 서로 다른 압력으로 PET Tip을 상기 그래핀 터치 센서에 터치한 경우, 터치된 압력에 대응하여 출력의 크기(amplitude)가 다른 것으로 측정되었다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서를 이용하여, 대상물의 터치 압력이 센싱될 수 있음을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
110: 베이스 기판
112: 구조물들
120: 제1 그래핀 패턴
130: 전극막들
140: 제2 그래핀 패턴
CP: 중앙부
PP: 주변부
EP: 에지부
150: 상부 기판
152: 센싱 패턴

Claims (15)

  1. 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 베이스 기판(base substrate);
    상기 베이스 기판의 상기 제1 면 상의 제1 그래핀 패턴;
    상기 제1 그래핀 패턴 상에 배치되되, 상기 제2 면에 대상물의 터치에 따라서 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되는 면적이 조절되는 제2 그래핀 패턴; 및
    상기 제1 그래핀 패턴의 양측에 배치되고, 상기 제1 그래핀 패턴과 이격되고, 상기 제2 그래핀 패턴과 연결된 전극막들을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 그래핀 패턴은, 상기 제2 면에 상기 대상물의 터치에 따라서 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되는 면적이 조절되는 중앙부(center portion), 및 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되지 않는 주변부(peripheral portion)을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  3. 삭제
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 그래핀 패턴은, 상기 전극막들 상에 배치되는 에지부(edge portion)을 더 포함하는 그래핀 터치 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 기판의 상기 제1 면과 상기 전극막들의 상부면들 사이의 거리는, 상기 베이스 기판의 상기 제1 면과 상기 제1 그래핀 패턴의 상부면 사이의 거리보다 긴 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 전극막들의 두께는 상기 제1 그래핀 패턴의 두께보다 두꺼운 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 전극막들 및 상기 베이스 기판 사이에 배치된 구조물들(structures)을 더 포함하는 그래핀 터치 센서.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 구조물들은 상기 베이스 기판과 일체(one body)를 이루는 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 구조물들의 상부면들은, 상기 제1 그래핀 패턴이 배치되는 상기 베이스 기판의 상기 제1 면으로부터 돌출된 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  10. 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 베이스 기판(base substrate); 및
    상기 베이스 기판의 상기 제1 면 상의 그래핀 패턴을 포함하되,
    대상물이 상기 제2 면에 기준 압력보다 낮은 압력으로 터치되는 경우, 상기 그래핀 패턴의 저항이 감소되고, 상기 대상물이 상기 제2 면에 상기 기준 압력보다 높은 압력으로 터치되는 경우, 상기 그래핀 패턴의 저항이 증가되는 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 그래핀 패턴은,
    상기 베이스 기판의 상기 제1 면 상의 제1 그래핀 패턴; 및
    상기 제1 그래핀 패턴 상의 제2 그래핀 패턴을 포함하되,
    상기 대상물이 상기 제2 면에 기준 압력보다 낮은 압력으로 터치되는 경우, 상기 제1 그래핀 패턴과 상기 제2 그래핀 패턴의 접촉 면적이 증가하여 상기 그래핀 패턴의 저항이 감소되고,
    상기 대상물이 상기 제2 면에 상기 기준 압력보다 높은 압력으로 터치되는 경우, 상기 제2 그래핀 패턴의 탄소-탄소 결합 변형에 의해 상기 그래핀 패턴의 저항이 증가되는 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 베이스 기판의 상기 제1 면 상에 배치되고, 상기 제1 그래핀 패턴의 양측에 상기 제1 그래핀 패턴과 이격된 전극막들을 더 포함하되,
    상기 제2 그래핀 패턴은, 상기 전극막들 상의 에지부, 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되는 중앙부, 및 상기 에지부 및 상기 중앙부 사이에 정의되고 상기 제1 그래핀 패턴과 이격된 주변부를 포함하는 그래핀 터치 센서.
  13. 베이스 기판 상에 제1 그래핀 패턴을 전사(transfer)하는 단계;
    상기 제1 그래핀 패턴의 양측에, 상기 제1 그래핀 패턴과 이격되도록 전극막들 형성하는 단계; 및
    상기 전극막들 및 상기 제1 그래핀 패턴 상에, 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되는 중앙부 및 상기 전극막들에 접촉되는 에지부를 갖는 제2 그래핀 패턴을 전사하는 단계를 포함하는 그래핀 터치 센서의 제조 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 패턴을 전사하는 단계는,
    그래핀막을 갖는 금속 박막을 준비하는 단계;
    상기 그래핀막을 갖는 금속 박막을 상기 베이스 기판에 부착시키는 단계; 및
    상기 금속 박막을 제거하는 단계를 포함하는 그래핀 터치 센서의 제조 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 제2 그래핀 패턴을 전사하는 단계는,
    그래핀막을 갖는 금속 박막을 준비하는 단계;
    상기 그래핀막 상에 희생막을 코팅하는 단계;
    상기 금속 박막을 상기 그래핀막으로부터 제거하는 단계;
    상기 희생막 및 상기 그래핀막을 상기 베이스 기판 상에 배치시키는 단계; 및
    상기 희생막을 제거하는 단계를 포함하는 그래핀 터치 센서의 제조 방법.
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