KR101824800B1 - 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서로 다른 두 물질이 닿았을 때, 각각 반대 극으로 대전되는 정전기 현상을 그래핀에 응용하는 터치 센서에 관한 것이다. 정전기 현상에 의하여 생긴 전압을 그래핀의 게이트 바이어스(gate bias)로써 이용하여 그래핀의 전하 수송 (carrer transport)을 제어하여 정전기를 발생시키는 물질의 종류에 상관없이 구동 가능하다. 투명전극을 정전기 소자로 이용하고, 그래핀을 트랜지스터로 이용함으로써 투명하고 유연한 터치 센서를 제작하였다.

Description

정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서 및 이의 제조 방법 {GRAPHENE TOUCH SENSORS USING TRIBOELECTRICITY AND METHOD OF FABRICATING THEREOF}
본 발명은 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서에 관한 것이고, 또한 본 발명은 이러한 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 디지털 기술의 발달에 따라 일상생활에서 우리가 사용하는 전자 장비들은 점점 더 얇아지고, 한손으로 갖고 다닐 수 있을 정도로 작아지고 가벼워졌다. 따라서 더 얇고 더 가볍게 만들기 위하여 키보드, 마우스를 포함하는, 휴대전화에 사용되는 키패드와 같은 입력장치(input device)의 크기와 무게는 점점 줄어들고 있으며, 시각적인 효과를 극대화 하고, 공간적인 제약을 줄이기 위하여 출력장치 (output device)인 스크린과 통합된 터치스크린(Touch screen) 혹은 터치패널 (Touch panel)로 제작되고 있다. 이러한 터치스크린은 그 구동방식에 따라 저항막 방식(Resistive type), 정전용량 방식(Capacitive type), 전기자기 방식(Electro-magnetic type), 소오 방식(SAW : Surface Acoustic Wave type), 적외선 방식 (Infra-red type), 초음파 방식(Ultrasonic type) 등이 있다.
최근에는 이러한 터치스크린 혹은 터치 센싱(Touch sensing)에 그래핀을 이용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그래핀은 탄소(carbon) 단원자층이 2차원 평면에 6각형 구조로 이루어져 있는 물질로, ~200,000cm2/Vs 의 전하이동도 (carrier mobility), ~5000W/mK 의 높은 열전도도(thermal conductivity), ~1TPa 의 영 계수(Young's modulus)를 갖고 있으며, 가시광선 투과도가 매우 좋아 아주 투명하다. 그러나 현재까지 연구되고 있는 그래핀 터치센싱 소자는 압력(vertical force, tensile/compressive strain)이 가해졌을 경우, 그래핀의 형태 변형에 따른 저항과 전도도 변화를 감지하는 원리이며, 종래의 그래핀 터치 스크린 소자는 일반적인 터치스크린과 같은 정전용량 방식으로써, 전도성 있는 물질이 닿을 때만 반응하며 습도가 높은 환경에서 반응성이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명에서는, 전도성 있는 전극 물질을 이용한 정전기 발전소자 (triboelectric generator)와 그래핀을 이용한 트랜지스터(transistor)가 하나의 소자를 구성함으로써, 정전기 현상에 의한 전압으로 그래핀의 전하 수송(charge transport)을 제어하여 높은 반응성을 갖는 터치 센서를 제작하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서는, 기판; 상기 기판 상의 동일 평면 상에 배치되며 서로 이격되어 있는 전극층 및 그래핀 채널층; 상기 전극층 및 상기 그래핀 채널층에 각각 일부가 접촉되어 연결되어 있는 게이트 유전층; 상기 그래핀 채널층의 양단에 형성되어 있는 소스 전극 및 드레인 전극; 및 상기 전극층 상에 형성된 접촉층을 포함하고, 상기 접촉층은 외부 마찰체의 접촉에 의해 정전기 포텐셜이 발생되어 그래핀 채널층의 전류 특성의 변화에 따라 터치가 감지된다.
상기 기판은 플렉서블한 기판이 이용되는 것이 바람직하고, 상기 게이트 유전층은 그래핀의 게이트 특성을 유도하며, 상기 게이트 유전층으로 2차원 절연 물질 또는 이온젤(ion gel)이 이용되는 것이 바람직하다.
상기 접촉층은 마찰 대전열(triboelectric series)의 가운데에 위치한 소재를 이용해 제작된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서는, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 전극층을 증착하는 단계; 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 전극층을 패터닝하는 단계; 상기 기판 상에 상기 전극층과 분리되도록 그래핀을 전사하는 단계; 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 그래핀 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 그래핀을 식각하여 그래핀 채널층을 형성하는 단계; 상기 전극층 및 상기 그래핀 채널층에 각각 일부가 접촉되어 연결되도록 게이트 유전층을 형성하는 단계; 및 상기 전극층 상에 접촉층을 부착시키는 단계를 포함한다.
상기 전극층을 패터닝하는 단계는 포지티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행되고, 상기 그래핀 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계는 네거티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행되며, 상기 그래핀을 식각하여 그래핀 채널층을 형성하는 단계는 포지티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행된다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서는, 기판; 상기 기판 상에 배치된 그래핀 채널층; 상기 그래핀 채널층 상에 배치된 게이트 유전층; 상기 그래핀 채널층 상에 배치되며 상기 게이트 유전층과 분리되어 상기 그래핀 채널층의 양단에 형성되어 있는 소스 전극 및 드레인 전극; 상기 게이트 유전층 상의 전극층; 및 상기 전극층 상의 접촉층을 포함하고, 상기 접촉층은 외부 마찰체의 접촉에 의해 정전기 포텐셜이 발생되어 그래핀 채널층의 전류 특성의 변화에 따라 터치가 감지된다.
상기 기판은 플렉서블한 기판이 이용되는 것이 바람직하고, 상기 게이트 유전층은 그래핀의 게이트 특성을 유도하며, 상기 게이트 유전층으로 2차원 절연 물질 또는 이온젤(ion gel)이 이용되는 것이 바람직하다.
상기 접촉층은 마찰 대전열(triboelectric series)의 가운데에 위치한 소재를 이용해 제작된다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 그래핀을 전사하는 단계; 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 그래핀 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 그래핀을 식각하여 그래핀 채널층을 형성하는 단계; 상기 그래핀 채널층 상에 게이트 유전층을 형성하는 단계; 상기 게이트 유전층 상에 전극층을 증착하는 단계; 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 전극층을 패터닝하는 단계; 및 상기 전극층 상에 접촉층을 부착시키는 단계를 포함한다.
상기 전극층을 패터닝하는 단계는 포지티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행되고, 상기 그래핀 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계는 네거티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행되며, 상기 그래핀을 식각하여 그래핀 채널층을 형성하는 단계는 포지티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행된다.
본 발명은 그래핀의 양극성(bipolar) 특성을 이용하여 터치 센서를 제공하고 있다. 그래핀은 +, - 게이트 바이어스에서 모두 전류를 통하는 양극성 특성을 갖고 있으므로, 대전에 의하여 정전기 발전소자에서 발생하는 전압이 +, - 에 상관없이 그래핀의 전하수송에 영향을 준다. 따라서 대전을 일으키는 물질, 환경에 상관없이 센싱이 가능하며 유연한(flexible) 기판 위에 정전기 소자의 투명한 전도성 전극을 이용함으로써 투명하고 유연한 터치 센서를 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 모식도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 측면 구조를 도시한다.
도 3a-3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 구동 메커니즘을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서에서 접촉층이 각각 알루미늄, 나일론과 대전이 일어났을 경우의 터치 센서의 전류 변화를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서에서 접촉층을 각각 맨손으로 터치한 경우와 라텍스 장갑을 끼고 터치한 경우의 터치 센서의 전류 변화를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서에 인가되는 압력에 따른 전류 변화를 나타낸다.
도 8는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 측면 구조를 도시한다.
도 9는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
본 발명은 서로 다른 두 물질이 닿았을 때, 각각 반대 극으로 대전되는 정전기 현상을 그래핀에 응용하는 터치 센서에 관한 것이다. 정전기 현상에 의하여 생긴 전압을 그래핀의 게이트 바이어스(gate bias)로써 이용하여 그래핀의 전하 수송 (carrer transport)을 제어하여 정전기를 발생시키는 물질의 종류에 상관없이 구동 가능하다. 투명전극을 정전기 소자로 이용하고, 그래핀을 트랜지스터로 이용함으로써 투명하고 유연한 터치 센서를 제작하였다.
본 발명은 정전기 발전소자(triboelectric generator)와 그래핀 트랜지스터 (transistor)를 하나의 터치센서로 구동하는 소자로써, 정전기 발전소자가 다른 물질과 접촉하여 일함수(wokr function) 차이에 의하여 서로 다른 극으로 대전되어 생기는 전압(triboelectric potential)을, 그래핀 트랜지스터의 전하수송(carrier transport)을 제어하는 게이트 바이어스로 사용하는 것을 구동 메커니즘으로 한다.
탄소(carbon) 단원자층이 2차원 평면에서 6각형 구조를 이루고 있는 그래핀은 반 금속(semi-metal)의 특성을 갖고 있으며, 매우 높은 전하이동도(carrier mobility), 열전도도(thermal conductivity), 영 계수(Young's modulus), 높은 기계적 안정성을 갖고 있다.
특히 가장 주목할 만한 점은 그래핀의 양극성(bipolar) 특성이다. 양극성 이란 +, - 양쪽 게이트 바이어스에 의한 전하수송 제어가 가능한 것을 의미한다. 따라서 어느 물질이 센서에 접촉을 하더라도, 반드시 한쪽은 +, 다른 쪽은 - 로 대전되고, 정전기 포텐셜이 발생한다. 그리고 이 정전기 포텐셜은 그래핀에 게이트 바이어스로 적용된다. 센서와 접촉하여 대전되는 물질의 종류(금속 혹은 폴리머), 습하거나 건조한 주변 환경에 의해 대전되는 정전기 전압의 부호에 상관없이 그래핀의 전류특성이 순간적으로 변하게 되며, 이를 통해 터치 되는 것을 센싱 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 모식도를 도시한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 측면 구조를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서는, 기판(10); 그래핀 채널층(20); 전극층(30); 소스 전극(60); 드레인 전극(70); 및 접촉층(40)을 포함한다.
기판(10)은 플렉서블 기판이 이용되는 것이 바람직하며, 이에 의해 최종적으로 유연한 터치 센서의 제작이 가능할 수 있다. 기판은 특별한 제약은 없으며, 예를 들어 셀롤로오스계 수지, PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), 폴리에틸렌 수지, 염화 폴리비닐 수지, 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), PES(polyethersulfone), PEEK(polyetherether ketone), PPS(polyphenylene sulfide), PI(polyimide)를 사용할 수 있다.
그래핀 채널층(20)은 기판 상에 배치되며, 기판 상에 배치되어 있는 전극층(30)과 동일 평면 상에 배치되나 서로 분리되어 이격되어 배치된다. 그래핀 채널층은 그래핀을 전사한 이후 그래핀을 식각하여 채널 형태로 패턴을 형성하여 제작된다. 그래핀을 전사하는데 있어서 이용되는 그래핀은 대면적 합성이 가능한 CVD 방식으로 제작된 그래핀을 이용함이 바람직하다.
전극층(30)은 그래핀 채널층(20)과 동일 평면 상에서 서로 분리되어 이격되어 배치된다. 투명하고 유연한 소자의 제작을 위해 전극 물질로는 ITO를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 전극층은 thermal evaporation, e-beam evaporation, sputtering 공정을 통해 기판 상에 증착된 이후 포토 리소그래피 공정을 통해 패턴을 형성하여 제작된다.
게이트 유전층(50)은 전극층(30) 및 그래핀 채널층(20)에 각각 일부가 접촉되어 연결되도록 형성된다. 도 2에서 보는 것처럼, 게이트 유전층(50)은 그래핀 채널층(20) 및 전극층(30) 상에 배치되며 각각 일부가 접촉되도록 배치된다. 이러한 게이트 유전층에 의해 그래핀의 게이트 특성이 유도되게 된다.
게이트 유전층(50)은 단순한 게이트 특성을 위해서는 일반적인 SiO2, Al2O3, HfO2 과 같은 high-K 물질을 전자 빔 증착, 열 증착 또는 ALD(atomic layer deposition) 공정을 통해 증착해도 상관없으나, 투명하고 유연한 소자를 위해서는 그래핀과 같은 2차원 절연물질인 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride) 또는 이온젤(ion gel)을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 투명하고 플렉서블한 2차원 물질 및 이온젤이 바람직하다.
소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)은 그래핀 채널층(20) 상에서 양단에 형성되도록 증착된다. 이에 의해 그래핀 트랜지스터가 이루어지며, 정전기 발전 소자에서 발생되는 정전기 포텐셜(triboelectric potential)은 그래핀 트랜지스터의 전하 수송을 제어하는 게이트 바이어스로 사용된다. 소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)을 통해 외부 회로(circuit)에 연결되어 터치에 따른 시그널을 확인할 수 있다.
전극층(30) 상에는 접촉층(40)이 형성되며, 이러한 접촉층(40)은 외부 마찰체가 접촉하여 대전이 일어나기 위한 접촉층으로써, 투명하고 유연한 폴리머 박막을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는 마찰 대전열(triboelectric series)의 가운데에 위치해 있는 소재를 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 PVA 폴리머 박막을 사용하는 것이 바람직하다. PVA를 사용할 경우 손쉽게 +, - 대전을 일으키는 것이 용이하며 이는 곧 +, - 게이트를 적용할 수 있음을 의미한다.
또한, 정전기 시리즈의 negative 쪽에 있는 PDMS 박막을 이용하는 것도 바람직할 수 있다. PDMS를 사용할 경우, 이보다 상대적으로 positive 쪽에 있는 다양한 금속, 폴리머와의 접촉을 센싱 할 수 있다.
접촉층(40)은 외부 마찰체(90)의 접촉에 의해 정전기 포텐셜이 발생되고, 이에 의해 그래핀 채널층의 전류 특성의 변화에 따라 터치가 감지된다. 이는 도 3a-3b와 함께 더욱 자세히 설명하도록 하겠다.
이와 같이 전극층 상에 접촉층을 형성시키고, 이러한 접촉층이 외부 물체와 접촉함에 의해 정전기 포텐셜이 발생될 수 있게 된다. 따라서 이 부분은 정전기 발전소자(triboelectric generator)에 해당하는 부분이며, 본 발명은 이러한 정전기 발전소자와 그래핀 트랜지스터가 결합되어 터치 센서를 구현하고 있다.
도 3a-3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 구동 메커니즘을 도시한다.
일반적으로 그래핀은 대기중에서 O2 또는 H2O 분자들에 의해 p 타입 특성으로 도핑돼 있기 때문에 Ids-Vgs 그래프에서 꼭지점(dirac point)이 오른쪽으로 시프트 된 상태로 있다. 이때, 정전기 효과에 의하여 양의 게이트 전압(positive)이 인가되면, 전류(Ids)는 게이트 전압이 인가되기 전 보다 줄어들게 되며, 음의 게이트 전압(negative)이 인가되면, 전류(Ids)는 게이트 전압이 인가되기 전 보다 증가하게 된다. 이러한 내용은 도 3a를 통해 확인할 수 있으며, 도 3a에서 보는 것처럼 정전기 효과에 의해 그래핀 트랜지스터에 인가되는 게이트 전압이 양의 게이트 전압(positive)일 경우 전류(Ids)는 감소하며, 음의 게이트 전압(negative)일 경우 전류(Ids)는 증가한다. 즉, 인가되는 게이트 전압에 따라, 게이트 전압이 인가되지 않았을 때를 기준으로 서로 상반되는 특성을 보여준다.
도 3b 및 3c를 참고하면, 접촉층(friction layer)에 닿는 물질이 접촉층보다 상대적으로 양(positive), 음(negative) 인지에 따라 대전되는 방향이 다르며 이때 발생하는 정전기 포텐셜은 그래핀에 게이트 바이어스로 적용된다. 그래핀은 양극성 특성이 있으므로 이 게이트 바이어스에 의해 그래핀의 전류특성이 변하게 되므로 이를 통해 터치의 센싱이 가능하다. 도 3b는 외부 마찰체(90)가 접촉층(40)보다 대전 특성이 양인 경우 그래핀에 음의 바이어스가 인가되는 모습을 도시하고 있고, 도 3c는 외부 마찰체(90)가 접촉층(40)보다 대전 특성이 음인 경우 그래핀에 양의 바이어스가 인가되는 모습을 도시하고 있다. 이처럼 그래핀의 특성의 양극성을 이용해 어느 물질이 센서에 접촉을 하더라도, 반드시 한쪽은 +, 다른 쪽은 - 로 대전되고, 정전기 포텐셜이 발생되어 터치의 감지가 가능하다. 센서와 접촉하여 대전되는 물질의 종류(금속 혹은 폴리머), 습하거나 건조한 주변 환경에 의해 대전되는 정전기 전압의 부호에 상관없이 그래핀의 전류특성이 순간적으로 변하게 되며, 이를 통해 터치 되는 것을 센싱 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
도 4에서 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계(S 410); 기판 상에 전극층을 증착하는 단계(S 420); 포토리소그래피 공정을 이용하여 전극층을 패터닝하는 단계(S 430); 기판 상에 전극층과 분리되도록 그래핀을 전사하는 단계(S 440); 포토리소그래피 공정을 이용하여 그래핀 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(S 450); 포토리소그래피 공정을 이용하여 그래핀을 식각하여 그래핀 채널층을 형성하는 단계(S 460); 전극층 및 그래핀 채널층에 각각 일부가 접촉되어 연결되도록 게이트 유전층을 형성하는 단계(S 470); 및 전극층 상에 접촉층을 부착시키는 단계(S 480)를 포함한다.
S 410 단계는 기판을 준비하는 단계로서 플렉서블 기판이 이용되는 것이 바람직하며, 이에 의해 최종적으로 유연한 터치 센서의 제작이 가능할 수 있다.
S 420 단계에서는 기판 상에 전극층을 증착하게 된다. 전극 물질로는 투명한 ITO가 이용되는 것이 바람직하다. ITO는 thermal evaporation, e-beam evaporation, sputtering 공정을 통해 다양한 기판에 증착될 수 있다. ITO 증착 시, 기판 전체에 증착할 수 있으며, 원하는 모양의 shadow mask가 준비되어 있다면 특정 부분만 증착할 수 있다.
S 430 단계에서는 포토리소그래피 공정을 이용하여 전극층을 패터닝한다. 증착된 전극을 포지티브 포토리소그래피 공정을 이용해 패턴을 만들고 필요한 부분 이외의 나머지는 식각(etching) 용액으로 식각한다. 식각 용액은 HCl, 왕수 (NHO3+3HCl) 혹은 커머셜하게 구입할 수 있는 ITO 식각용액을 이용한다.
S 440 단계에서는 그래핀을 전사하는 단계를 수행하게 된다. 구리(Cu) 혹은 니켈(Ni)을 촉매로 하여 CVD 성장된 그래핀을 기판에 전사하기 위해 염화철(FeCl3) 용액으로 구리/니켈을 식각한다. 상기 용액으로 완전히 제거되기 위해서는 최소 10분 이상의 시간을 소요로 한다. 만일 식각이 충분히 되지 않는다면 그래핀 반대 표면에 제거되지 않은 미세한 금속 알갱이들에 의해 그래핀 소자의 특성이 떨어지는 일이 발생한다.
S 450 단계에서는 포토리소그래피 공정을 이용하여 그래핀 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성한다. 이때는 전극 증착을 위한 패턴이므로 포토리소그래피 공정으로 네거티브 방식으로 전극이 올라갈 자리만을 현상액으로 현상한다. 포토리소그래피 공정이 끝나면 전자 빔 증발기(electron beam evaporator), 열 증발기(thermal evaporator), 스퍼터(sputter)와 같은 증착장비를 통하여 금속(metal) 전극을 증착한다. 이때, 전도성이 있는 금속이면 어떤 것이든 상관없다. 다만 그래핀과 금속의 접촉저항(contact resistance)을 고려하여, 상대적으로 저항이 낮은 금(Au)을 증착한다. 금은 그래핀과의 접착력(adhesion)이 좋지 않으므로 티타늄(Ti), 또는 크롬(Cr)과 같은 금속층을 약 2~5nm 정도 먼저 증착 후 금을 증착한다. 이때 금의 두께는 최소 30nm 이상 필요하다.
S 460 단계는 포토리소그래피 공정을 이용하여 그래핀을 식각하여 그래핀 채널층을 형성하는 단계이다. S 450 단계에서 소소 및 드레인 전극이 증착되고, 증착된 전극 사이에 그래핀 채널을 형성하기 위하여, 포지티브 포토리소그래피 방식을 이용하여 전극 사이에 그래핀 채널로 사용될 패턴을 형성한다. 이때 그래핀 채널의 크기는 제한을 두지 않는다. 그래핀을 원하는 모양으로 식각하기 위해 산소(oxygen) 플라즈마(plasma)를 이용하여 식각을 한다.
S 470 단계에서는 전극층 및 그래핀 채널층에 각각 일부가 접촉되어 연결되도록 게이트 유전층을 형성한다. 그래핀의 게이트 특성을 유도하기 위하여, 유전층(dielectric layer)를 형성해야 한다. 이때 유전층은 ITO 전극과 그래핀 양측에 모두 접촉이 되어 있어야 하며, 단순한 게이트 특성을 위해서는 일반적인 SiO2, Al2O3, HfO2 과 같은 high-K 물질을 전자 빔 증착, 열 증착 또는 ALD(atomic layer deposition) 공정을 통해 증착해도 상관없으나, 투명하고 유연한 소자를 위해서는 그래핀과 같은 2차원 절연물질인 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride) 또는 이온젤(ion gel)을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 편의상 bis(tri uoromethyl sulfonyl)imide ([EMIM][TFSI]) ion liquid, poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) monomer, and 2-hydroxy-2-methylpropiophenone (HOMPP) photo-initiator 를 적정 비율로 섞어 사용했으며, UV에 노출시켜 경화 시켰다.
S 480 단계에서는 전극층 상에 접촉층을 부착시킨다. 외부물질이 접촉하여 대전이 일어나기 위한 접촉층으로써, 투명하고 유연한 폴리머 박막을 사용한다. 바람직하게는 정전기 시리즈의 가운데에 위치해 있는 PVA 폴리머 박막을 사용하거나 혹은 정전기 시리즈의 음(-) 쪽에 있는 PDMS 박막을 사용함이 바람직하다. PVA를 사용할 경우 손쉽게 +, - 대전을 일으키는 것이 용이하며 이는 곧 +, - 게이트를 적용할 수 있음을 의미한다. 만일 PDMS를 사용할 경우, 이보다 상대적으로 양(+) 쪽에 있는 다양한 금속, 폴리머와의 접촉을 센싱 할 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 성능은 도 5 내지 8로부터 확인할 수 있다. 도 5 내지 8의 실시예에서 이용된 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서는 PEN 기판, ITO 전극, CVD로 성장된 그래핀 채널층, 이온젤 게이트 유전층, 및 PVA 폴리머 박막 접촉층으로 이루어진 센서가 이용되었다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서에서 접촉층이 각각 알루미늄, 나일론과 대전이 일어났을 경우의 터치 센서의 전류 변화를 나타낸다. 접촉물질이 금속(알루미늄), 폴리머(나일론)일 경우에도 상관없이 정전기 효과는 항상 일어나므로, 센싱이 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서에서 접촉층을 각각 맨손으로 터치한 경우와 라텍스 장갑을 끼고 터치한 경우의 터치 센서의 전류 변화를 나타낸다. 전도성이 있는 맨손으로 소자를 터치했을 경우와, 부도체인 라텍스 장갑을 낀 상태로 센서를 터치했을 경우에도 정전기 효과는 항상 일어나므로, 센싱이 가능하다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서에 인가되는 압력에 따른 전류 변화를 나타낸다. 0.8~80kPa 의 매우 넓은 범위의 압력을 감지할 수 있음을 확인할 수 있다. 이때, 더 큰 압력(터치) 에서는 더 큰 전류변화가 나타남을 알 수 있다.
지금까지는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서 및 그 제조 방법에 대해서 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서 및 그 제조 방법에 대해 설명하도록 하겠다. 양 실시예의 경우 그 구동 메커니즘은 동일하며, 그 구조 및 제조 방법에 있어서 미세한 차이가 존재하므로, 이하에서는 그 차이점을 위주로 설명하도록 하겠으며 중복되는 부분의 설명은 생략하도록 하겠다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서는 도 8에서 도시된다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서는, 기판(10); 그래핀 채널층(20); 게이트 유전층(50); 소스 전극(60); 드레인 전극(70); 전극층(30); 접촉층(40)을 포함한다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서는 그래핀 채널층과 전극층이 동일 평면 상에 존재하는 것이 아니고 서로 적층형태로 배치된다.
기판(10) 상에 그래핀 채널층(20)이 존재하고, 그래핀 채널층 상에 게이트 유전층(50)이 배치된다. 또한, 이러한 게이트 유전층 상에 전극층(30) 및 접촉층(40)이 차례대로 적층되어 정전기 발전소자(triboelectric generator)를 이룬다. 또한, 그래핀 채널층의 양단에는 소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)이 형성되어 그래핀 트랜지스터(transistor)를 이루고, 결국 서로 적층된 정전기 발전소자 및 그래핀 트랜지스터가 조합되어 하나의 터치 감지 센서를 완성한다.
구동 메커니즘 위에서 설명한 실시예와 동일하게 접촉층은 외부 마찰체의 접촉에 의해 정전기가 발생되며, 이에 의해 대전된 전하의 이동이 발생되어 그래핀 채널층의 전류 특성의 변화에 따라 터치가 감지되게 된다.
도 9는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계(S 1010); 기판 상에 그래핀을 전사하는 단계(S 1020); 포토리소그래피 공정을 이용하여 그래핀 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(S 1030); 포토리소그래피 공정을 이용하여 그래핀을 식각하여 그래핀 채널층을 형성하는 단계(S 1040); 그래핀 채널층 상에 게이트 유전층을 형성하는 단계(S 1050); 게이트 유전층 상에 전극층을 증착하는 단계(S 1060); 포토리소그래피 공정을 이용하여 전극층을 패터닝하는 단계(S 1070); 전극층 상에 접촉층을 부착시키는 단계(S 1080)를 포함한다.
전극층을 패터닝하는 단계는 포지티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행되고, 그래핀 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계는 네거티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행되며, 그래핀을 식각하여 그래핀 채널층을 형성하는 단계는 포지티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행된다.
나머지 과정들은 위에서 이미 설명한 실시예와 각각의 단계의 공정을 동일하므로 단계별 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 기판;
    상기 기판 상의 동일 평면 상에 배치되며 서로 이격되어 있는 전극층 및 그래핀 채널층;
    상기 전극층 및 상기 그래핀 채널층에 각각 일부가 접촉되어 연결되어 있는 게이트 유전층;
    상기 그래핀 채널층의 양단에 형성되어 있는 소스 전극 및 드레인 전극; 및
    상기 전극층 상에 형성된 접촉층을 포함하고,
    상기 접촉층은 외부 마찰체의 접촉에 의해 정전기 포텐셜이 발생되어 그래핀 채널층의 전류 특성의 변화에 따라 터치가 감지되며,
    상기 게이트 유전층은 그래핀의 게이트 특성을 유도하는,
    정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 플렉서블한 기판인,
    정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 유전층으로 2차원 절연 물질 또는 이온젤(ion gel)이 이용되는,
    정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉층은 마찰 대전열(triboelectric series)의 가운데에 위치한 소재를 이용해 제작되는,
    정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서.
  6. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 전극층을 증착하는 단계;
    포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 전극층을 패터닝하는 단계;
    상기 기판 상에 상기 전극층과 분리되도록 그래핀을 전사하는 단계;
    포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 그래핀 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
    포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 그래핀을 식각하여 그래핀 채널층을 형성하는 단계;
    상기 전극층 및 상기 그래핀 채널층에 각각 일부가 접촉되어 연결되도록 게이트 유전층을 형성하는 단계; 및
    상기 전극층 상에 접촉층을 부착시키는 단계를 포함하고,
    상기 전극층을 패터닝하는 단계는 포지티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행되는,
    정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 그래핀 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계는 네거티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행되는,
    정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 그래핀을 식각하여 그래핀 채널층을 형성하는 단계는 포지티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행되는,
    정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 제조 방법.
  10. 기판;
    상기 기판 상에 배치된 그래핀 채널층;
    상기 그래핀 채널층 상에 배치된 게이트 유전층;
    상기 그래핀 채널층 상에 배치되며 상기 게이트 유전층과 분리되어 상기 그래핀 채널층의 양단에 형성되어 있는 소스 전극 및 드레인 전극;
    상기 게이트 유전층 상의 전극층; 및
    상기 전극층 상의 접촉층을 포함하고,
    상기 접촉층은 외부 마찰체의 접촉에 의해 정전기 포텐셜이 발생되어 그래핀 채널층의 전류 특성의 변화에 따라 터치가 감지되며,
    상기 게이트 유전층은 그래핀의 게이트 특성을 유도하는,
    정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판은 플렉서블한 기판인,
    정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서.
  12. 삭제
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 게이트 유전층으로 2차원 절연 물질 또는 이온젤(ion gel)이 이용되는,
    정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 접촉층은 마찰 대전열(triboelectric series)의 가운데에 위치한 소재를 이용해 제작되는,
    정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서.
  15. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 그래핀을 전사하는 단계;
    포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 그래핀 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
    포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 그래핀을 식각하여 그래핀 채널층을 형성하는 단계;
    상기 그래핀 채널층 상에 게이트 유전층을 형성하는 단계;
    상기 게이트 유전층 상에 전극층을 증착하는 단계;
    포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 전극층을 패터닝하는 단계; 및
    상기 전극층 상에 접촉층을 부착시키는 단계를 포함하고,
    상기 전극층을 패터닝하는 단계는 포지티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행되는,
    정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 제조 방법.
  16. 삭제
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 그래핀 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계는 네거티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행되는,
    정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 제조 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 그래핀을 식각하여 그래핀 채널층을 형성하는 단계는 포지티브 포토리소그래피 공정을 이용하여 수행되는,
    정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서의 제조 방법.
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