KR101809369B1 - 전도성 구조체 및 그 제조 방법, 그를 포함하는 터치 센서 및 터치 센서의 제조 방법 및 터치 센싱 방법 - Google Patents

전도성 구조체 및 그 제조 방법, 그를 포함하는 터치 센서 및 터치 센서의 제조 방법 및 터치 센싱 방법 Download PDF

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천성우
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

전도성 구조체가 제공된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체는, 내부에 뼈대 및 기공이 마련되며 유연성을 가진 템플레이트(template) 및 상기 뼈대 및 기공에 응집(aggregation)하여 형성된 전도성 물질로 이루어질 수 있다.

Description

전도성 구조체 및 그 제조 방법, 그를 포함하는 터치 센서 및 터치 센서의 제조 방법 및 터치 센싱 방법{Conductive Structure, Manufacturing Method thereof, Touch Sensor comprising the Conductive Structure, Manufacturing Method for the Touch sensor and Touch Sensing Method}
본 발명은 전도성 구조체 및 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서 그리고 이들의 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는 전도성 물질이 템플레이트의 뼈대 뿐 아니라 기공에까지 응집하여 형성된, 전도성 구조체 및 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서 그리고 이들의 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, 고 전도도의 전도성 구조체, 및 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서 그리고 이들의 제조 방법 그리고 터치 센싱 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 고 복원력을 가지는 전도성 구조체, 및 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서 그리고 이들의 제조 방법 그리고 터치 센싱 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 방법이 간이한, 전도성 구조체, 및 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서 그리고 이들의 제조 방법 그리고 터치 센싱 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고 유연성의 전도성 구조체, 및 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서 그리고 이들의 제조 방법 그리고 터치 센싱 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 터치되는 대상물의 표면 거칠기를 센싱할 수 있는 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서 그리고 이들의 제조 방법 그리고 터치 센싱 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상기 언급한 기술적 과제들에 제한되지 아니하며, 이하의 설명에 의하여 보다 명확하게 이해될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체는, 내부에 뼈대 및 기공이 마련되며 유연성을 가진 템플레이트(template) 및 상기 뼈대 및 기공에 응집(aggregation)하여 형성된 전도성 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 물질은, 그래핀 플레이크(graphene flake)로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 템플레이트는 스펀지로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체 제조 방법은, 내부에 뼈대 및 기공이 마련되며 유연성을 가지는 템플레이트가 제공되는 제1 단계 및 전도성 물질 분산액에 상기 템플레이트를 함침하여, 상기 뼈대 및 기공에 전도성 물질을 응집하여 형성시키는 제2 단계를 포함할 수 있이다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 물질은, 그래핀 플레이크로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 단계는 반복적으로 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서는 내부에 뼈대 및 기공을 가지는 유연성 템플레이트와 상기 뼈대 및 기공에 응집하여 형성된 전도성 물질을 포함하며, 대상물의 터치에 따라 변형하는 전도성 구조체, 제1 기판 및 상기 제1 기판과 상기 전도성 구조체 사이에 마련되는 제1 전극;을 포함하는 전도성 구조체를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 기판과 상기 전도성 구조체를 기준으로 반대 면에 마련되는 제2 기판 및 상기 제2 기판과 상기 전도성 구조체 사이에 마련되는 제2 전극을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 기판을 통하여 대상물이 터치되는 경우, 상기 전도성 구조체의 전도도가 증가할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 구조체의 전도도는 상기 제1 전극을 통하여 센싱될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 구조체는, 대상물의 터치에 따라 상기 전도성 구조체의 두께가 얇아지도록 변형할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 대상물의 터치가 제거된 경우, 상기 전도성 구조체의 유연성에 의하여 상기 전도성 구조체의 변형이 복원될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 기판의 대상물이 터치되는 면 상에 센싱 기판을 더 포함하며, 상기 센싱 기판은 센싱 패턴을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 물질은, 그래핀 플레이크, 나노물질 및 이차원 물질 중 적어도 하나의 물질로 이루어지고, 상기 템플레이트는 스펀지로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체를 이용한 터치 센싱 방법은, 전도성 구조체를 포함한 터치 센서에 대상물이 터치되어, 상기 전도성 구조체가 변형하는 단계 및 상기 전도성 구조체의 변형에 따른 전도도 변화를 감지하여, 상기 대상물의 터치 또는 표면 거칠기를 센싱하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체를 포함한 터치 센서 제조 방법은, 전도성 물질 분산액에 유연성을 가지며 내부에 뼈대 및 기공이 마련된 템플레이트를 함침하여, 상기 뼈대 및 기공에 전도성 물질을 응집하여 전도성 구조체를 형성시키는 단계 및 상기 전도성 구조체의 상면 및 하면 중 적어도 하나의 면에 대상물의 터치에 따른 상기 전도성 구조체의 변형을 감지하는 전극을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 구조체의 상면 상에, 상기 대상물의 거칠기를 감지하는 센싱 패턴을 더 형성하는 전도성 구조체를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 물질은, 그래핀 플레이크, 나노물질 및 이차원 물질 중 적어도 하나의 물질로 이루어지고, 상기 템플레이트는 스펀지로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 내부에 뼈대 및 기공이 마련되며 유연성을 가진 템플레이트(template) 및 상기 뼈대 및 기공에 응집(aggregation)하여 형성된 전도성 물질로 이루어진 전도성 구조체를 제공할 수 있다. 이 때, 전도성 물질은 예를 들어, 그래핀 플레이크로 이루어질 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 내부에 뼈대 및 기공이 마련되며 유연성을 가지는 템플레이트가 제공되는 제1 단계 및 전도성 물질 분산액에 상기 템플레이트를 함침하여, 상기 뼈대 및 기공에 전도성 물질을 응집하여 형성시키는 제2 단계를 포함하는 전도성 구조체 제조 방법을 제공할 수 있다. 이 때, 전도성 물질은 예를 들어, 그래핀 플레이크로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 템플레이트의 뼈대 뿐 만 아니라 기공에도 그래핀 플레이크 응집력을 통하여 그래핀 플레이크를 형성할 수 있으므로, 고 전도도를 제공할 수 있음은 물론이며, 템플레이트의 유연성으로 인하여 터치 복원력을 제공할 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 보다 간이한 방법으로 고 전도도, 고 복원력, 고 유연성의 전도성 구조체, 및 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서 그리고 이들의 제조 방법 그리고 터치 센싱 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체 제조 방법을 설명하기 위한 순서도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 전도성 구조체를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 전도성 구조체의 특성을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서의 성능 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 대상물의 표면 거칠기를 감지하는 터치 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 대상물의 표면 거칠기를 감지하는 터치 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 대상물의 표면 거칠기를 감지하는 터치 센서의 성능 특성을 설명하기 위한 도면이다.
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 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체 제조 방법을 설명하기 위한 순서도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체 제조 방법은, 내부에 뼈대 및 기공이 마련되며 유연성을 가지는 템플레이트가 제공되는 제1 단계(S100) 및 전도성 물질 분산액에 상기 템플레이트를 함침하여, 상기 뼈대 및 기공에 전도성 물질를 응집하여 형성시키는 제2 단계(S110) 중 적어도 하나의 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하 각 단계에 대하여 설명하기로 한다.
단계 S100에서, 내부에 뼈대(skeleton) 기공(pore)이 마련되어 유연성을 가지는 템플레이트(template)가 제공될 수 있다.
템플레이트의 내부 뼈대 및 기공은 전도성 물질이 형성될 수 있는 구조적인 공간을 제공할 수 있다.
또한, 템플레이트는 유연성을 가질 수 있다. 템플레이트가 유연성을 가지므로 대상물의 터치 압력에 따라 템플레이트는 구조적으로 변형할 수 있다. 예를 들어, 템플레이트는 대상물의 터치 압력에 따라 얇아질 수 있다. 또한, 템플레이트에 가해지던 대상물의 터치 압력이 제거되는 경우, 구조적으로 복원될 수 있다. 이에 따라 템플레이트는 반복적인 터치 압력에 대하여 우수한 응답 특성을 제공할 수 있다.
예를 들어, 템플레이트는 스펀지 예를 들어, 폴리우레탄(polyurethane)으로 이루어진 스펀지로 이루어질 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 템플레이트가 스펀지인 경우를 상정하기로 한다.
단계 S110에서 전도성 물질 분산액에 상기 템플레이트가 함침되어, 상기 뼈대 및 기공에 전도성 물질이 응집하여 형성될 수 있다.
전도성 물질은, 예를 들어, 그래핀 플레이크(graphene flake), 나노 물질 및 이차원 물질 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 나노 물질은 예를 들어, 탄소나노튜브, 나노와이어, 나노 파이버 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 이차원 물질은, 이황화 몰리브덴(MoS2), 이황화 텅스텐(WS2) 중 적어도 하나일 수 있다. 또한, 전도성 물질은, PVDF(Polyvinylidene fluoride), ZnO 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 전도성 물질은 그래핀 플레이크 경우를 상정하기로 하며, 본 발명의 기술적 사상이 그래핀 플레이크에 제한되는 것은 아니다.
그래핀 플레이크 분산액을 제조하기 위하여, 먼저, 그래핀 플레이크가 합성될 수 있다. 그래핀 플레이크는 그래파이트를 소니케이터(sonicator) 또는 볼 밀링(ball milling)하여 작은 크기 예를 들어, 단 원자 사이즈(single-atomic size)로 분해함으로써 제조될 수 있다.
제조된 그래핀 플레이크를 이용하여 그래핀 플레이크 분산액이 제조될 수 있다. 그래핀 플레이크 분산액 제조 방법은, 용매에 그래핀 플레이크 섞는 단계를 포함할 수 있다. 용매는 예를 들어, 물 또는 DMF(Di Methyl Formamide) 용액일 수 있다. 그래핀 플레이크는 DMF 용매에 설정된 농도로 믹싱될 수 있다. 예를 들어, DMF 용매 ml 당 그래핀 플레이크의 양은 0.125mg 내지 2.0mg 일 수 있다.
제조된 그래핀 플레이크 분산액의 분산도를 향상시키기 위하여, 약 3시간 동안 소니케이션(sonication) 한 후 자석 바(magnetic bar)를 이용하여 400rpm에서 1시간 동안 처리할 수 있다. 이로써, 균일한(homogeneous)한 그래핀 플레이크 분산액을 획득할 수 있다.
제조된 그래핀 플레이크 분산액에 단계 S100에서 준비된 템플레이트를 함침시킬 수 있다. 예를 들어, 템플레이트를 그래핀 플레이크 분산액에 딥-코팅(dip-coating)하고, 베이킹 오븐(baking oven)에서 약 170도로 드라이할 수 있다. 템플레이트를 그래핀 플레이크 분산액에 딥-코팅하게 되면, 그래핀 플레이크가 템플레이트의 뼈대 및 템플레이트의 기공에도 형성될 수 있다. 특히, 그래핀 플레이크는 그래핀 플레이크의 응집(aggregation)에 의하여, 템플레이트의 뼈대 뿐 만 아니라 기공에 높은 표면적을 가지도록 형성될 수 있다.
이와 같은 딥-코팅은 반복적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 딥-코팅은 30회 수행될 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체의 제조 방법에 따라서, 내부에 뼈대 및 기공이 마련되며 유연성을 가진 템플레이트 및 상기 뼈대 및 기공에 응집(aggregation)하여 형성된 전도성 물질로 이루어진 전도성 구조체가 제공될 수 있다. 이에 따라 대상물의 터치에 따라 그래핀 플레이크 간의 접촉에 의하여 전기 전도성이 높아질 수 있다. 이로써, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체는 감압식 터치 센서에 활용될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체 및 전도성 구조체의 제조 방법은, 간이한 방법으로 수행될 수 있음은 물론이며, 템플레이트의 특성과 그래핀 플레이크의 특성을 동시에 활용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시 예에 따른 템플레이트의 유연성에 의하여, 고 복원력을 제공함으로써, 반복적인 터치 입력을 감지할 수 있다. 또한, 그래핀 플레이크의 높은 표면적에 의하여, 고 민감도를 제공할 수 있다.
만약, 종래 기술과 같이 그래핀 옥사이드(graphene oxide) 분산액에 템플레이트를 함침시켜, 전도성 구조체를 제조하는 경우, 그래핀 옥사이드를 환원시키기 위한 별도의 공정이 추가적으로 필요하다는 단점이 있다. 또한, 그래핀 옥사이드를 환원시킨다고 하더라도 완벽한 환원이 이루어지지 않는다. 통상적으로 약 70%의 그래핀 옥사이드가 환원될 뿐 약 30%의 그래핀 옥사이드는 환원되지 않는 것으로 알려져 있다. 따라서, 그래핀 옥사이드를 환원시키는 방법으로는 고 전도도의 전도성 구조체를 생성하는 데 어려움이 있다. 또한, 종래 기술에 따르면 그래핀 옥사이드는 응집이 제대로 이루어지지 않기 때문에, 그래핀 옥사이드가 템플레이트의 기공에까지 형성되지 못하는 문제가 있다. 이 경우, 대상물의 터치가 있더라도 그래핀 간의 접촉 경로가 템플레이트의 뼈대에만 생성되기 때문에 고 민감도의 터치 센서를 제공할 수 없다는 한계가 있다.
이와 달리, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체 및 전도성 구조체의 제조 방법에 따르면, 그래핀 플레이크를 템플레이트에 직접 형성시킴으로써, 환원과정과 같은 별도의 공정 없이도 전도성 구조체를 획득할 수 있으므로 공정적인 간이함을 제공할 수 있다. 또한, 그래핀 플레이크의 응집력을 이용하여 템플레이트의 뼈대 및 기공에도 그래핀 플레이크가 형성될 수 있다. 따라서, 대상물의 터치에 따라 그래핀 플레이큭 간의 표면 접촉 면적이 넓어지게 되므로 고 전도도 및 고 민감도의 터치 센서를 제공할 수 있다. 나아가 그래핀 플레이크가 응집된 형태로 템플레이트 내부에 형성되므로, 그래핀 플레이크가 템플레이트의 형상 복원에 기여할 수 있다.
이상 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체의 제조 방법과 나아가 이에 따라 제조된 전도성 구조체를 설명하였다. 이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 전도성 구조체를 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 전도성 구조체를 도시한다. 보다 구체적으로 도 2는 도 1을 참조하여 설명한 전도성 구조체의 제조 방법에 따라 제조된 전도성 구조체를 도시한다.
도 2(a)는 초기 상태의 템플레이트의 내부 구조를 도시한다. 도 2(a)를 참조하면, 템플레이트는 다수의 뼈대 및 뼈대와 뼈대 사이의 기공으로 형성된 것으로 확인할 수 있다.
도 2(b)를 참조하면, 템플레이트의 뼈대 뿐 만 아니라 템플레이트의 기공에도 그래핀 플레이크가 응집하여 형성된 것을 확인할 수 있다. 참고로, 도 2(b)에 따른 전도성 구조체는, 1mg/ml의 그래핀 플레이크 DMF 분산액에 폴리우레탄 스펀지를 딥-코팅하여 제조한 것이다.
도 2(c) 및 도 2(d)는 도 2(b)의 확대 사진으로서, 도 2(c) 및 도 2(d)를 참조하면, 템플레이트의 기공에도 그래핀 플레이크 입자 들이 응집하여 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 전도성 구조체의 특성을 도시한다.
도 3(a)의 좌측의 전도성 구조체는 1mg/ml(그래핀 플레이크/DMF 분산액)인 분산액에 딥-코팅을 3회 수행한 샘플이며, 도 3(a)의 우측의 전도성 구조체는 1mg/ml(그래핀 플레이크/DMF 분산액)인 분산액에 딥-코팅을 30회 수행한 샘플이다. 도 3(a)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 딥-코팅 횟수가 많을 수록 초기 흰색의 템플레이트의 색깔이 그래핀 플레이크가 가지는 검은색으로 변하는 것을 확인할 수 있다.
도 3(b)는 도 3(a)에 따라 제조된 전도성 구조체를 컷팅한 사진을 도시한다. 도 3(b)에 도시된 바와 같이 그래핀 플레이크가 템플레이트의 내부에까지 침투하여 형성되므로 템플레이트의 색이 검은색으로 변하는 것을 확인할 수 있다.
도 3(c)는 그래핀 플레이크의 분산액 농도에 따른 전도성 구조체의 전도도 변화를 도시한다. 도 3(c)를 참조하면, 그래핀 플레이크의 농도를 증가시킬수록 전도도가 향상되는 것을 확인할 수 있다.
이상 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 전도성 구조체의 실험 결과를 설명하였다. 이하에서는 도 4 내지 도 7을 참조하여 상술한 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서의 제조 방법과 그에 따라 제조된 터치 센서에 대하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도를 도시하고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서는, 도 1에 도시된 단계 S110 이후에, 전도성 구조체 변형 감지 전극 및 기판을 형성하는 단계(S120)를 더 수행함으로써, 제조될 수 있다.
보다 구체적으로, 전도성 구조체의 상면 및 하면 중 적어도 하나의 면에는 전극이 형성될 수 있다. 전극은, 대상물의 터치에 따라 전도성 구조체가 변형되는 경우 변화하는 전도성 구조체의 전도도를 측정하기 위한 구성일 수 있다. 이를 위하여, 상기 전극은 다양한 전도성 물질 예를 들어, Pt, Cr, Au, ITO 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 전극은 Pt인 경우를 상정하기로 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전극은 상기 전도성 구조체의 상면 및 하면에 각각 형성될 수도 있고, 상기 전도성 구조체의 상면 및 하면 중 하나의 면에만 선택적으로 형성될 수 있다.
상기 전극 상에는 기판이 형성될 수 있다. 기판은, 외부로부터 전극 및 전도성 구조체를 보호하는 동시에 대상물의 터치에 따라 변형할 수 있는 유연한 소재로 구성될 수 있다. 예를 들어, 기판은 PET(Polyethylene terephthalate) 또는 PEN(Polyethylenenaphthalate)으로 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 기판은 PET인 경우를 상정하기로 한다.
일 실시 예에 따르면, 전극 및 기판이 제조된 후 전도성 구조체에 형성될 수 있다. 이 경우, 전극 및 상기 기판의 일 면에 코팅 방식으로 제조된 후 전도성 구조체에 형성될 수 있다. 이와 달리, 전도성 구조체에 전극을 먼저 형성하고 기판을 형성할 수 있음은 물론이다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 전극은 전도성 구조체의 일 면을 덮을 수 있도록 마련될 수도 있고, 전도성 구조체의 일 면 중 특정 영역에만 형성될 수도 있다. 만약, 상기 전극이 전도성 구조체의 일 면을 덮는 경우, 대상물의 터치에 따라 전도성 구조체가 변형될 수 있도록 상기 전극도 유연성을 가지도록 구성될 수 있다.
도 5(a)는 도 4를 참조하여 설명한 전도성 구조체를 포함한 터치 센서의 일 예를 도시한다. 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체를 포함한 터치 센서는 전도성 구조체(100)를 중심으로 전도성 구조체의 상면에 형성되는 제1 전극(110), 상기 제1 전극 상면에 형성되는 제1 기판(120)을 포함할 수 있고, 나아가 전도성 구조체의 하면에 형성되는 제2 전극(130), 상기 제2 전극 하면에 형성되는 제2 기판(140)을 포함할 수 있다.
도시하지는 않았으나, 상술한 바와 같이, 전극이 전도성 구조체의 일 면에만 마련될 수도 있음은 물론이다. 또한, 전극이 전도성 구조체의 일 면 중 특정 영역에만 형성될 수도 있음은 물론이다.
도 5(b)는 대상물(T)의 터치에 따른 터치 센서의 변형을 설명하기 위한 도면이다. 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 대상물의 터치가 있는 경우, 기판, 전극, 전도성 구조체에 변형이 야기될 수 있다. 이에 따라, 전도성 구조체에 포함된 그래핀 플레이크의 표면 접촉 정도가 변하게 되므로 전도성 구조체의 전도도가 변하게 된다. 전도성 구조체의 전도도 변화는 전극을 통하여 측정될 수 있다. 한편, 대상물의 터치가 제거되는 경우, 템플레이트의 복원력에 의하여 전도성 구조체, 전극, 기판의 형상이 복원될 수 있다. 이 때, 전도성 구조체의 기공에 형성된 그래핀 플레이크는 추가적인 복원력을 제공할 수 있다.
이상 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 터치 센서를 설명하였다. 이하에서는 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서의 성능 특성을 설명하기로 한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서의 성능 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6(a)는 대상물의 터치 전(도 6(a) 좌측)과 대상물의 터치 상태(도 6(b) 우측)를 도시한다. 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 대상물의 터치 전에는 그래핀 플레이크가 이격하여 위치하고, 대상물의 터치가 발생하면 전도성 구조체가 얇아지게 되므로 내부의 그래핀 플레이크들이 서로 접촉하는 것을 확인할 수 있다. 이로써, 대상물의 터치에 따라 그래핀 플레이크를 통하여 전도 경로(conductive path)가 생성될 수 있다.
도 6(b)는 정 압력(static pressure)에 따라 터치 센서의 전도도 변화를 도시한다. 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 0,24kPa, 1kPa, 10kPa의 정 압력이 터치됨에 따라 전도도가 변하는 것을 확인할 수 있다. 터치에 따른 정 압력의 증가는 그래핀 플레이크 간의 접촉 면적을 향상시키므로 전도도가 증가하는 것으로 이해될 수 있다.
도 6(c)는 정 압력에 따른 전도도 변화로 부터 감도(S)를 측정한 결과이다. 도 6(c)에 도시된 바와 같이, 약20,000Pa의 넓은 압력 범위에 대하여 우수한 감도를 제공하는 것을 확인할 수 있다.
도 7(a)는 60 내지 640kPa의 동 압력(dynamic pressure)을 가한 경우의 전도도 변화를 도시한다. 터치를 통하여 60 내지 640kPa의 동 압력을 0.2초 간격으로 가한 경우에도 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 센서는 고 신뢰도의 전도도의 변화를 제공하는 것으로 확인되었다.
도 7(b)는 500Pa의 압력을 가한 경우 정상 상태에 도달하는 시간을 나타내는 실험 결과이다. 도 7(b)에 도시된 바와 같이 500Pa의 터치 압력을 가한 경우, 전도성 구조체가 34ms 이후 변형이 완료된 것으로 확인되었다. 또한, 500Pa의 터치 압력을 제거한 경우, 5ms 이내에 복원이 완료된 것을 확인할 수 있다. 이는 전도성 구조체의 템플레이트와 그래핀 플레이크가 우수한 복원 특성을 제공하기 때문인 것으로 해석된다.
이상, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서의 제조 방법 및 그에 따라 제조된 터치 센서를 설명하였다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 센서의 제조 방법 및 그에 따라 제조된 터치 센서는, 템플레이트 내부에 응집 형성된 그래핀 플레이크를 통하여 고 민감도, 고 복원력을 제공할 수 있다.
이하에서는 도 8 내지 도 10을 참조하여 표면 거칠기를 감지하는 터치 센서의 제조 방법 및 그에 따라 제조된 터치 센서를 설명하기로 한다. 도 1 내지 도 7을 참조하여 상술한 본 발명의 일 실시 예가 적용될 수 있음은 물론이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 대상물의 표면 거칠기를 감지하는 터치 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도를 도시하고, 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 대상물의 표면 거칠기를 감지하는 터치 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 대상물의 표면 거칠기를 감지하는 터치 센서는 도 4에 도시된 단계 S120 이후에 대상물의 표면 거칠기를 센싱하는 센싱 패턴을 형성하는 단계(S130)를 수행함으로써 구현될 수 있다.
상기 센싱 패턴은, 터치 대상물의 표면 거칠기를 측정하기 위한 구성으로서, 예를 들어, 예를 들어, 기판은 PET(Polyethylene terephthalate) 또는 PEN(Polyethylenenaphthalate)으로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면 상기 센싱 기판은 제1 기판과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 센싱 기판도 PET로 이루어질 수 있다.
상기 센싱 패턴은 다양한 방법으로 제조될 수 있다.
예를 들어, 터치 대상 면인 상기 제1 기판(120) 상에 센싱층을 형성하고, 센싱층 상에 포토레지스터 예를 들어, SU-8을 형성할 수 있다. 이 후 센싱층으로부터 센싱 패턴을 형성하기 위하여 노광 공정이 수행될 수 있다. 이후 에칭 공정을 통하여 불필요한 부분이 제거될 수 있다. 이로써, 도 9에 도시된 바와 같이 제1 기판(120) 상에 센싱 패턴(150)이 형성될 수 있다.
이와 달리, 센싱 패턴(150)은 상기 제1 기판(120)과 일체로 제조될 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(120)의 일부를 패터닝함으로써, 상기 제1 기판(120)이 센싱 패턴을 포함하도록 형성할 수 있다. 이 경우, 센싱 패턴을 보다 간이한 방법으로 형성할 수 있으므로 제조상의 편의를 제공할 수 있다.
상기 센싱 패턴(150)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.
이상 도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 대상물의 표면 거칠기를 감지하는 터치 센서의 제조 방법 및 그에 따라 제조된 터치 센서를 설명하였다. 이하에서는 도 10을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 대상물의 표면 거칠기 감지 성능을 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 대상물의 표면 거칠기를 감지하는 터치 센서의 성능 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 대상물의 표면 거칠기를 감지하는 터치 센서의 개념도를 도시한다. 도 10(a)에 도시된 바와 같이, 표면 거칠기를 가진 대상물이 터치 센서를 터치하게 되면, 센싱 패턴(150)의 변형이 발생하게 되고, 센싱 패턴의 변형에 따라 전도성 구조체의 변형이 야기되게 된다. 따라서, 표면 거칠기가 전기 신호로 변환될 수 있다.
도 10(b)는 표면에 두 개의 돌출 부위를 가진 터치 대상물(상단)과 표면에 한 개의 돌출 부위를 가진 터치 대상물(하단)의 터치에 따른 전도성 구조체의 전도도 변화를 도시한다. 도 10(b)를 참조하면, 터치 대상물의 표면 거칠기에 따라 서로 상이한 전도도 피크가 발생함을 알 수 있다. 이에 따라 표면 거칠기가 감지될 수 있다.
도 10(c)는 표면에 주기적인 패턴이 형성된 터치 대상물의 터치에 따른 응답 특성을 주파수 변환하여 나타낸 실험 결과이다. 도 10(c)를 참조하면, 터치 대상물의 표면 이동 속도(도 10(a)의 이동 모션(slipping motion) 방향)에 따라 상응하는 피크가 발생함을 확인할 수 있다.
도 8 내지 도 10을 참조하여 상술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 센서의 제조 방법 및 그에 따라 제조된 터치 센서에 따르면, 센싱 패턴이라는 간단한 구성을 통하여 터치되는 대상물의 표면 거칠기를 감지하는 효과를 제공할 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.
100: 전도성 구조체
110: 제1 전극
120: 제1 기판
130: 제2 전극
140: 제2 기판
150: 센싱 패턴

Claims (18)

  1. 두께 방향 내부에 다수의 뼈대들 및 상기 뼈대들 사이에 기공이 마련되며 유연성을 가진 템플레이트(template); 및
    상기 템플레이트 내부의 뼈대들 및 기공에 응집(aggregation)하여 형성된 전도성 물질;로 이루어진 전도성 구조체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전도성 물질은, 그래핀 플레이크(graphene flake)로 이루어진 전도성 구조체.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 템플레이트는 스펀지인 전도성 구조체.
  4. 두께 방향 내부에 다수의 뼈대들 및 상기 뼈대들 사이에 기공이 마련되며 유연성을 가지는 템플레이트가 제공되는 제1 단계; 및
    전도성 물질 분산액에 상기 템플레이트를 함침하여, 상기 템플이트 내부의 뼈대들 및 기공에 전도성 물질을 응집하여 형성시키는 제2 단계를 포함하는 전도성 구조체 제조 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 전도성 물질은, 그래핀 플레이크로 이루어진 전도성 구조체 제조 방법
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 단계는 반복적으로 수행되는 전도성 구조체 제조 방법.
  7. 두께 방향 내부에 다수의 뼈대들 및 상기 뼈대들 사이에 기공을 가지는 유연성 템플레이트와 상기 템플레이트 내부의 뼈대들 및 기공에 응집하여 형성된 전도성 물질을 포함하며, 대상물의 터치에 따라 변형하는 전도성 구조체;
    제1 기판; 및
    상기 제1 기판과 상기 전도성 구조체 사이에 마련되는 제1 전극;을 포함하는 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 전도성 구조체를 기준으로 반대 면에 마련되는 제2 기판; 및
    상기 제2 기판과 상기 전도성 구조체 사이에 마련되는 제2 전극을 포함하는 전도성 구조체를 포함하는 터치 센서.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 기판을 통하여 대상물이 터치되는 경우, 상기 전도성 구조체의 전도도가 증가하는 전도성 구조체를 포함한 터치 센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 전도성 구조체의 전도도는 상기 제1 전극을 통하여 센싱되는 전도성 구조체를 포함한 터치 센서.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 전도성 구조체는, 대상물의 터치에 따라 상기 전도성 구조체의 두께가 얇아지도록 변형하는 전도성 구조체를 포함한 터치 센서.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 대상물의 터치가 제거된 경우, 상기 전도성 구조체의 유연성에 의하여 상기 전도성 구조체의 변형이 복원되는 전도성 구조체를 포함한 터치 센서.
  13. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 기판의 대상물이 터치되는 면 상에 센싱 기판을 더 포함하며, 상기 센싱 기판은 센싱 패턴을 더 포함하는 전도성 구조체를 포함한 터치 센서.
  14. 제7 항에 있어서,
    상기 전도성 물질은, 그래핀 플레이크, 나노물질 및 이차원 물질 중 적어도 하나의 물질로 이루어지고,
    상기 템플레이트는 스펀지로 이루어진 전도성 구조체를 포함한 터치 센서.
  15. 제7 항 내지 제14 항 중 어느 한 항의 전도성 구조체를 포함한 터치 센서에 대상물이 터치되어, 상기 전도성 구조체가 변형하는 단계; 및
    상기 전도성 구조체의 변형에 따른 전도도 변화를 감지하여, 상기 대상물의 터치 또는 표면 거칠기를 센싱하는 단계를 포함하는 전도성 구조체를 이용한 터치 센싱 방법.
  16. 전도성 물질 분산액에 유연성을 가지며 두께 방향 내부에 다수의 뼈대들 및 상기 뼈대들 사이에 기공이 마련된 템플레이트를 함침하여, 상기 템플레이트 내부의 뼈대들 및 기공에 전도성 물질을 응집하여 전도성 구조체를 형성시키는 단계; 및
    상기 전도성 구조체의 상면 및 하면 중 적어도 하나의 면에 대상물의 터치에 따른 상기 전도성 구조체의 변형을 감지하는 전극을 형성시키는 단계를 포함하는, 전도성 구조체를 포함한 터치 센서 제조 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 전도성 구조체의 상면 상에, 상기 대상물의 거칠기를 감지하는 센싱 패턴을 더 형성하는 전도성 구조체를 포함한 터치 센서 제조 방법.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 전도성 물질은, 그래핀 플레이크, 나노물질 및 이차원 물질 중 적어도 하나의 물질로 이루어지고,
    상기 템플레이트는 스펀지로 이루어진 전도성 구조체를 포함한 터치 센서 제조 방법.
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