KR102039029B1 - 압력 구동식 발광 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압력 구동식 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자는 제 1 면 및 상기 제 1 면에 대향하는 제 2 면을 가지며, 탄성 재료 및 상기 탄성 재료에 분산되는 무기 발광 입자들을 포함하고, 상기 제 2 면에 돌출되고 상부에 첨단부를 갖는 형상 가변 패턴 구조체들이 배열된 탄성 발광층; 및 상기 제 1 면 상에 배치되고, 서로 이격된 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 교류 전원이 인가되는 하부 전극을 포함하며, 상기 형상 가변 패턴 구조체들은, 상기 제 1 전극과 중첩되는 상기 탄성 발광층의 제 1 영역의 제 1 형상 패턴 구조체들 및 상기 제 2 전극과 중첩되는 상기 탄성 발광층의 제 2 영역의 제 2 형상 패턴 구조체들을 포함하며, 상기 제 1 형상 패턴 구조체들과 상기 제 2 형상 패턴 구조체들 사이를 가로질러 접촉하는 도전성 외부 객체가 상기 형상 가변 패턴 구조체들을 가압하여 발광할 수 있다.
Description
본 발명은 전자 소자 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 압력 구동식 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 사물인터넷(Internet of Things: IoT)에 기반하여 개인 전자 장치부터 헬스 케어 및 인공 지능 시스템에 폭넓은 적용이 가능한 압력 센서에 대한 수요가 끊임 없이 증가하고 있다. 상기 압력 센서에 인가되는 압력은 단위 면적당 가해지는 힘으로 정의되며, 이를 정확히 감지하는 것은 단순히 터치(touch)를 인식하는 것 이상의 중대한 의미가 있다. 상기 압력 센서가 단순히 터치를 감지하는 2 차원적인 기능을 넘어서서 압력의 강도를 구분할 수 있는 3 차원적인 기능을 수행하게 되면, 응용 분야의 확대가 가능해진다.
상기 압력은 수직으로 작용 하는 수직 항력(normal force) 뿐만 아니라, 굽힘력(Bending force), 꼬임력(torsion force), 또는 전단력(shear force)과 같은 다양한 형태로 상기 압력 센서에 인가될 수 있기 때문에, 상기 압력 센서는 다양한 형태의 압력에 대응하기 위한 유연성이 요구되며, 통상적으로 상기 유연성의 확보를 위해 유기 재료를 이용하여 제조된다. 또한, 상기 압력 센서의 특성상 감지하고자 하는 대상과 직접적으로 접촉이 이루어져야 하기 때문에, 곡면 또는 울퉁불퉁한 표면을 갖는 감지 대상과 센서와의 부드러운 접촉을 위해 상기 유연성은 필수불가결한 요소이다. 상기 유연성을 갖는 압력 센서는, 최근에 전자피부(E-skin), 웨어러블(wearable) 기기, 또는 휴대용(portable) 기기 같은 다양한 분야로의 응용 가능성을 위해 활발히 연구되고 있다.
새로운 휴먼-기기 인터페이스로서 사용자에게 시각, 청각, 또는 2 가지 이상의 동시적으로 조합된 감각인 공감각적 정보를 제공하기 위해서, 발광 특성을 갖는 압력 센서가 제안되었다. 상기 압력 센서는 유연성 이외에도, 고감도(high sensitivity), 빠른 응답 시간과 회복시간(fast response and relaxation times), 높은 안정성(excellent stability) 및 넓은 구동 주파수의 범위 같은 특성이 요구된다. 그러나, 종래의 압력 센서는 50 KHz 내지 100 KHz 범위의 구동 주파수를 가지므로, 공감각적 정보를 전달하기 위한 센서로 활용하는데 제한될 수 있다. 또한, 이러한 발광 특성을 갖는 압력 센서는 수 kPa 내지 수백 GPa의 광범위한 범위 압력 변화에 대하여 요구되는 민감도를 충족시키기 어려울 수 있다.
그러므로, 다양한 형태로 압력 센서에 작용할 수 있는 힘에 대응하여 접촉 감도를 향상시키고 넓은 구동 주파수의 범위를 가지며, 수 kPa 내지 수백 GPa의 광범위한 범위 압력 변화에 대하여 고민감도를 갖는 공감각인 정보를 전달하는 압력 센서가 요구된다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 다양한 접촉 형태에 대응하여 접촉 강도를 향상시키면서도 넓은 구동 주파수의 범위를 가지며, 수 kPa 내지 수백 GPa의 광범위한 범위 압력 변화에 대하여 고민감도를 갖는 공감각인 정보를 전달하는 압력 구동식 발광 소자를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 압력 구동식 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 제 1 면 및 상기 제 1 면에 대향하는 제 2 면을 가지며, 탄성 재료 및 상기 탄성 재료에 분산되는 무기 발광 입자들을 포함하고, 상기 제 2 면에 돌출되고 상부에 첨단부를 갖는 형상 가변 패턴 구조체들이 배열된 탄성 발광층; 및 상기 제 1 면 상에 배치되고, 서로 이격된 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 교류 전원이 인가되는 하부 전극을 포함하며, 상기 형상 가변 패턴 구조체들은, 상기 제 1 전극과 중첩되는 상기 탄성 발광층의 제 1 영역의 제 1 형상 패턴 구조체들 및 상기 제 2 전극과 중첩되는 상기 탄성 발광층의 제 2 영역의 제 2 형상 패턴 구조체들을 포함하며, 상기 제 1 형상 패턴 구조체들과 상기 제 2 형상 패턴 구조체들 사이를 가로질러 접촉하는 도전성 외부 객체가 상기 형상 가변 패턴 구조체들을 가압하여 발광하는 압력 구동식 발광 소자가 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가압하는 세기에 따라 상기 탄성 발광층의 발광 강도가 가변될 수 있다. 또한, 상기 가압하는 세기에 따라 상기 하부 전극과 상기 도전성 외부 객체 사이의 상기 탄성 발광층의 커패시턴스 용량이 가변될 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 반주기 동안, 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극, 상기 도전성 외부 객체 및 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극의 방향으로 전계가 형성되고, 제 2 반주기 동안, 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극, 상기 도전성 외부 객체 및 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극의 방향으로 전계가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 도전성 외부 객체가 상기 형상 가변 패턴 구조체들의 첨단부에 접촉하기 전까지, 상기 하부 전극의 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 이격 공간은 제 1 유전체로서 정의될 수 있다. 상기 도전성 외부 객체가 상기 형상 가변 패턴 구조체들의 첨단부에 접촉하거나, 상기 도전성 외부 객체가 상기 형상 가변 패턴 구조체들의 첨단부를 가압하여 상기 도전성 외부 객체와 상기 첨단부 사이의 접촉 면적을 증가시키거나 또는 상기 형상 가변 패턴 구조체들 간의 이격 공간의 면적을 감소시키는 동안에, 상기 형상 가변 패턴 구조체들 간의 이격 공간은 제 2 유전체로서 정의될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 형상 가변 패턴 구조체는, 상기 도전성 외부 객체에 가까워질수록 단면적이 점진적으로 작아지는 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 형상 가변 패턴 구조체는, 원기둥, 다각형 기둥, 원뿔, 다각뿔, 원뿔대, 또는 다각뿔대 형상을 가질 수 있다. 상기 도전성 외부 객체는 상부 전극으로서 기능하며, 상기 도전성 외부 객체는 사용자의 손가락 및 스타일러 펜 중 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 탄성 재료는, PDMS(polydimethylsiloxane), 열가소성 러버(thermoplastic rubber), 실리콘 러버(silicone rubber), 플루오로 실리콘 러버(fluoro silicone rubber), 비닐메틸실리콘 러버(vinyl methyl silicone rubber), 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber), 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 러버(styrene-ethylene-butylene-strylene rubber), 아크릴 러버(acryl rubber), 부타디엔 러버(butadiene rubber), 클로로이소부틸렌 이소프렌러버(chloro isobutylene isoprene rubber), 폴리크로로프렌(polychloroprene rubber), 에피클로로히드린 러버(epichlorohydrin rubber), 에틸렌 프로필렌 러버(ethylene propylene rubber), 에틸렌프로필렌디엔 러버(ethylene propylene diene rubber), 폴리에테르우레탄 러버(polyether urethane rubber), 폴리이소프렌 러버(polyisoprene rubber), 이소부틸렌 이소프렌 부틸 러버(isobutylene isoprene butyl rubber), 아크릴로니트릴 부타디엔 러버(acrylonitrile butadiene rubber), 폴리우레탄 러버 (polyurethane rubber) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 무기 발광 입자는 Ⅰ-Ⅶ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체 및 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 중 어느 하나를 포함하고, 상기 Ⅰ-Ⅶ족 반도체는 CuCl. CuBr, CuI, AgI 중 어느 하나, 또는 둘 이상의 조합을 포함하고, 상기 Ⅲ-Ⅴ족 반도체는 GaN, GaP, GaAs, InP, AlGaN, AlGaP, AlInGaN, InGaAs, GaAsP 중 어느 하나, 또는 둘 이상의 조합을 포함하며, 상기 Ⅱ-Ⅵ족 반도체는 CdO, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdZnTe, HgCdTe, HgZnTe 중 어느 하나, 또는 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 무기 발광 입자는 ZnS계 발광체를 포함하며, 상기 ZnS계 발광체는 ZnS에 적어도 하나의 전이 금속 또는 전이후 금속이 활성제로 첨가되어서 적색, 녹색, 또는 청색의 발광색을 발현할 수 있다. 상기 적색의 발광 색을 유도하는 ZnS계 형광체는 ZnS:Mn 의 황화물을 포함하고, 상기 녹색의 발광 색을 유도하는 ZnS계 형광체는 ZnS:Cu, ZnS:Al, ZnS:Cu:Al, ZnS:Cu:Al:Au, (Zn,Cd)S:Cu:Al, (Zn,Cd)S:Cu, (Zn,Cd)S:Cu:Al:Au 의 황화물을 포함하며, 상기 청색의 발광 색을 유도하는 ZnS계 형광체는 ZnS:Ag, ZnS:Ag:Cl, ZnS:Ag:Cl:Al, (Zn,Cd)S:Ag, ZnS:Ag:Cl:Al:Mg, (Zn,Cd)S:Ag:Cl, (Zn,Cd)S:Ag:Cl:Al, (Zn,Cd)S:Ag:Cl:Mg 의 황화물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하부 전극 또는 상기 상부 전극 중 하나는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO), 산화아연(zinc oxide, ZnO), 인듐 도핑된 산화아연(indium doped ZnO, IZO), 알루미늄 도핑된 산화아연(aluminium doped ZnO, AZO), 갈륨 도핑된 산화아연(gallium doped ZnO, GZO), 산화주석(tin oxide) 및 불소 도핑된 산화주석(fluorine doped tin oxide, FTO), 탄소 나노 튜브(CNT: Carbon Nano Tube), 그래핀(Graphene), 은 나노 와이어(Ag Nano Wire), 메탈 매시, 하이브리드 메탈 임베디드, 전도성 고분자 재료 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압력 구동식 발광 소자는 지문 인식 센서, 디스플레이 소자 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 형상 가변 패턴 구조체를 갖는 실리콘 몰드를 준비하는 단계; 상기 실리콘 몰드 상에, 탄성 재료 및 무기 발광 입자들을 포함하는 전구체 용액을 코팅하여 탄성 발광층을 형성하는 단계; 상기 탄성 발광층 상에, 전극 재료를 포함하는 전구체 용액을 코팅하여, 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극을 에칭을 통해 제 1 전극과 제 2 전극으로 분리하는 단계; 및 상기 탄성 발광층과 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 상기 실리콘 몰드로부터 분리하는 단계를 포함하는 압력 구동식 발광 소자의 제조 방법이 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제 1 전극과 제 2 전극으로 분리하는 단계 후에, 상기 하부 전극의 적어도 일부 영역에 VHB 필름을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 탄성 재료 및 상기 탄성 재료에 분산되는 무기 발광 입자들을 포함하며, 어느 한 면에 돌출되고 상부에 첨단부를 갖는 형상 가변 패턴 구조체들이 배열된 탄성 발광층을 이용함으로써, 넓은 구동 주파수의 범위를 가지며, 수 kPa 내지 수백 GPa의 광범위한 범위 압력 변화에 대하여 고민감도를 갖는 공감각인 정보를 전달하는 압력 구동식 발광 소자가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 근접 터치 수단으로 사용 가능하고 도전성을 갖는 객체(예: 손가락, 스타일러 펜)가 압력 구동식 발광 소자의 상부 전극으로 기능함으로써, 새로운 구동 원리와 동작 메커니즘을 갖는 교류 기반의 발광 소자가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 이점을 갖는 압력 구동식 발광 소자의 제공 방법이 제공될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 사시도이며, 도 1b는 압력 구동식 발광 소자 내의 탄성 발광층을 확대한 도면이고, 도 1c는 탄성 발광층 내의 무기 발광 입자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 무부하(unloading) 상태를 나타내는 도면이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 부하(loading) 상태를 나타내는 도면이다.
도 4a와 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 가압 상태를 나타내는 도면이다.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 구동 상태에 따른 커패시턴스 용량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 8a은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수에 따른 압력 구동식 발광 소자의 유전 상수 값을 나타내는 그래프이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 값을 나타내는 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간에 따른 비교 예(flat)와 본원 발명(Pyramidal)의 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이며, 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력에 따른 비교 예(flat)와 본원 발명(Pyramidal)의 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이고, 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 및 압력에 따른 비교 예(flat)와 본원 발명(Pyramidal)의 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이고, 도 9d는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 횟수에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력에 따른 압력 구동식 발광 소자의 광 세기를 나타내는 그래프이고, 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력에 따른 압력 구동식 발광 소자의 광 휘도를 나타내는 도면이다.
도 11a과 도 11b은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 외부 객체의 모양에 따라 압력 구동식 발광 소자가 발광하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 12a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자를 이용한 지문 인식의 예를 보여주는 도면이고, 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 외부 객체가 동전으로 사용되는 경우, 시간에 따른 압력 구동식 발광 소자의 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 14a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무기 발광 입자와 탄성 재료의 비율에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 값을 나타내는 그래프이며, 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 경화제에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 값을 나타내는 그래프이고, 도 14c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 세기에 따른 압력 구동식 발광 소자의 휘도 값을 나타내는 그래프이고, 도 14d는 주파수 변화에 따른 발광 소자의 CIE 색도도 (chromaticity diagram)이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 무부하(unloading) 상태를 나타내는 도면이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 부하(loading) 상태를 나타내는 도면이다.
도 4a와 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 가압 상태를 나타내는 도면이다.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 구동 상태에 따른 커패시턴스 용량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 8a은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수에 따른 압력 구동식 발광 소자의 유전 상수 값을 나타내는 그래프이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 값을 나타내는 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간에 따른 비교 예(flat)와 본원 발명(Pyramidal)의 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이며, 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력에 따른 비교 예(flat)와 본원 발명(Pyramidal)의 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이고, 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 및 압력에 따른 비교 예(flat)와 본원 발명(Pyramidal)의 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이고, 도 9d는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 횟수에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력에 따른 압력 구동식 발광 소자의 광 세기를 나타내는 그래프이고, 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력에 따른 압력 구동식 발광 소자의 광 휘도를 나타내는 도면이다.
도 11a과 도 11b은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 외부 객체의 모양에 따라 압력 구동식 발광 소자가 발광하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 12a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자를 이용한 지문 인식의 예를 보여주는 도면이고, 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 외부 객체가 동전으로 사용되는 경우, 시간에 따른 압력 구동식 발광 소자의 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 14a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무기 발광 입자와 탄성 재료의 비율에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 값을 나타내는 그래프이며, 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 경화제에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 값을 나타내는 그래프이고, 도 14c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 세기에 따른 압력 구동식 발광 소자의 휘도 값을 나타내는 그래프이고, 도 14d는 주파수 변화에 따른 발광 소자의 CIE 색도도 (chromaticity diagram)이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 기판 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 기판 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 기판 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다.
본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.
본 명세서에서, "투명한"이란 용어는, 가시광선, 적외선, 또는 자외선 영역 모두의 대역에 있어 투광도를 갖는 것에 한정되지 아니하며, 이들 영역의 일부 파장 대역에 있어 투광도를 갖는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자(10)의 사시도이며, 도 1b는 압력 구동식 발광 소자(10) 내의 탄성 발광층(LL)을 확대한 도면이고, 도 1c는 탄성 발광층(LL) 내의 무기 발광 입자(IOP)의 단면도이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 압력 구동식 발광 소자(10)는, 탄성 발광층(LL) 및 하부 전극(EL1, EL2)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 탄성 발광층(LL)은 기판(TF) 상에 배치될 수 있다. 탄성 발광층(LL)은 제 1 면 및 상기 제 1 면에 대향하는 제 2 면을 갖고, 탄성 재료 매트릭스(PF) 및 탄성 재료 매트릭스(PF)에 분산되는 무기 발광 입자들(IOP)을 포함하고, 상기 제 2 면에 돌출되고 상부에 첨단부를 갖는 형상 가변 패턴 구조체들(ES)이 배열될 수 있다. 제 1 전극(EL1) 및 제 2 전극(EL2)은 탄성 발광층(LL)의 상기 제 1 면 상에 배치되고, 서로 이격될 수 있다. 제 1 전극(EL1)과 제 2 전극(EL2) 사이에 교류 전원(AC)이 인가될 수 있으며, 이하 제 1 전극(EL1) 및 제 2 전극(EL2)을 통칭하여 하부 전극(EL)라 칭한다. 형상 가변 패턴 구조체들(ES)은, 제 1 전극(EL1)과 중첩되는 탄성 발광층(LL)의 제 1 영역(S1)의 제 1 형상 패턴 구조체들(ES1) 및 제 2 전극(EL2)과 중첩되는 탄성 발광층(LL)의 제 2 영역(S2)의 제 2 형상 패턴 구조체들(ES2), 이격 공간(gap1)과 중첩되는 탄성 발광층(LL)의 제 3 영역(S3)의 제 3 형상 패턴 구조체들(ES3)을 포함할 수 있다. 제 1 형상 패턴 구조체들(ES1)과 제 2 형상 패턴 구조체들(ES2) 사이를 가로질러 접촉하는 후술할 도전성 외부 객체(CO)가 형상 가변 패턴 구조체들(ES)을 가압함으로써, 탄성 재료 매트릭스(PF)에 분산되는 무기 발광 입자들(IOP)을 발광 시킬 수 있다. 본 발명에서, 교류 전원(AC)은 사인파(sine wave) 또는 구형파(사각파, square wave)일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에서, 상기 가압하는 세기에 따라 탄성 발광층(LL)의 발광 강도가 가변되거나, 상기 가압하는 세기에 따라 하부 전극(EL)과 도전성 외부 객체(CO) 사이의 탄성 발광층(LL)의 커패시턴스 용량이 가변될 수 있다. 도전성 외부 객체(CO)가 형상 가변 패턴 구조체들(ES)의 첨단부에 접촉하기 전까지, 하부 전극의 제 1 전극(EL1)과 제 2 전극(EL2) 사이의 이격 공간(gap1)은 제 1 유전체로서 정의될 수 있다. 도전성 외부 객체(CO)가 형상 가변 패턴 구조체들(ES)의 첨단부에 접촉하거나, 도전성 외부 객체(CO)가 형상 가변 패턴 구조체들(ES)의 첨단부를 가압하여 도전성 외부 객체(CO)와 상기 첨단부 사이의 접촉 면적을 증가시키거나 또는 형상 가변 패턴 구조체들(ES) 간의 이격 공간(gap2)의 면적을 감소시키는 동안에, 형상 가변 패턴 구조체들(ES) 간의 이격 공간(gap2)은 제 2 유전체로 정의될 수 있다.
도전성 외부 객체(CO)는 상부 전극으로서 기능하며, 도전성 외부 객체(CO)는 사용자의 손가락 및 스타일러 펜 중 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이들에 제한되지 않는다. 예컨대, 도전성을 갖는 모든 물체 또는 물건들이 상부 전극으로서 이용 가능하며, 상기 상부 전극은 탄성 발광층(LL)의 제 2 면에 접촉되거나 탄성 발광층(LL)을 가압하는 용도로 이용될 수 있다.
도 1b를 다시 참조하면, 탄성 발광층(LL)의 상부에 배치되며 탄성 재료 매트릭스(PF)로 구성되는 형상 가변 패턴 구조체(ES)는 도전성 외부 객체(CO)에 가까워질수록 단면적이 점진적으로 작아지는 형상을 가질 수 있다. 형상 가변 패턴 구조체(ES)는 원기둥, 다각형 기둥, 원뿔, 다각뿔, 원뿔대, 또는 다각뿔대 형상을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 형상들에 제한되지 않는다. 또한, 도 1a에서는 하나의 다각뿔 형상을 갖는 형상 가변 패턴 구조체들(ES)들이 배열되는 것을 예시적으로 설명하고 있지만, 일 실시예에서, 서로 다른 2 이상의 형상들을 갖는 형상 가변 패턴 구조체들(ES)이 랜덤하게 또는 규칙적으로 배열될 수 있다. 일 실시예에서, 형상 가변 패턴 구조체들(ES)는 사각뿔 형상을 갖는 피라미드 구조체를 포함하며, 상기 피라미드 구조체의 최대 지름(또는 크기)은 대략 5 ㎛ 정도일 수 있다.
탄성 재료 매트릭스(PF)는, PDMS(polydimethylsiloxane), 열가소성 러버(thermoplastic rubber), 실리콘 러버(silicone rubber), 플루오로 실리콘 러버(fluoro silicone rubber), 비닐메틸실리콘 러버(vinyl methyl silicone rubber), 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber), 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 러버(styrene-ethylene-butylene-strylene rubber), 아크릴 러버(acryl rubber), 부타디엔 러버(butadiene rubber), 클로로이소부틸렌 이소프렌러버(chloro isobutylene isoprene rubber), 폴리크로로프렌(polychloroprene rubber), 에피클로로히드린 러버(epichlorohydrin rubber), 에틸렌 프로필렌 러버(ethylene propylene rubber), 에틸렌프로필렌디엔 러버(ethylene propylene diene rubber), 폴리에테르우레탄 러버(polyether urethane rubber), 폴리이소프렌 러버(polyisoprene rubber), 이소부틸렌 이소프렌 부틸 러버(isobutylene isoprene butyl rubber), 아크릴로니트릴 부타디엔 러버(acrylonitrile butadiene rubber), 폴리우레탄 러버 (polyurethane rubber) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 탄성 발광층(LL)의 하부는 상부에 형상 가변 패턴 구조체(ES)이 배치되는 것과 달리, 하부는 형상 가변 패턴 구조체(ES)가 배치되지 않으나, 탄성 재료 매트릭스(PF) 내부에 무기 발광 입자들(IOP)이 포함될 수 있다.
도 2c를 다시 참조하면, 무기 발광 입자(IOP)는 발광 특성을 갖는 압전 재료를 구성된 코어(IN), 코어(IN) 내부에 배치되는 서로 다른 적어도 하나의 도펀트들(DP), 그리고 코어(IN)를 둘러싸는 절연체(LP)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 절연체(LP)는 전술한 탄성 재료 매트릭스(PF)일 수 있다.
무기 발광 입자(IOP)는 Ⅰ-Ⅶ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체 및 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 Ⅰ-Ⅶ족 반도체는 CuCl. CuBr, CuI, AgI 중 어느 하나, 또는 둘 이상의 조합을 포함하고, 상기 Ⅲ-Ⅴ족 반도체는 GaN, GaP, GaAs, InP, AlGaN, AlGaP, AlInGaN, InGaAs, GaAsP 중 어느 하나, 또는 둘 이상의 조합을 포함하며, 상기 Ⅱ-Ⅵ족 반도체는 CdO, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdZnTe, HgCdTe, HgZnTe 중 어느 하나, 또는 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 무기 발광 입자는 ZnS계 발광체를 포함하며, 상기 ZnS계 발광체는 ZnS에 적어도 하나의 전이 금속 또는 전이후 금속이 활성제로 첨가되어서 적색, 녹색, 또는 청색의 발광색을 발현할 수 있다. 상기 적색의 발광 색을 유도하는 ZnS계 형광체는 ZnS:Mn 의 황화물을 포함하고, 상기 녹색의 발광 색을 유도하는 ZnS계 형광체는 ZnS:Cu, ZnS:Al, ZnS:Cu:Al, ZnS:Cu:Al:Au, (Zn,Cd)S:Cu:Al, (Zn,Cd)S:Cu, (Zn,Cd)S:Cu:Al:Au 의 황화물을 포함하며, 상기 청색의 발광 색을 유도하는 ZnS계 형광체는 ZnS:Ag, ZnS:Ag:Cl, ZnS:Ag:Cl:Al, (Zn,Cd)S:Ag, ZnS:Ag:Cl:Al:Mg, (Zn,Cd)S:Ag:Cl, (Zn,Cd)S:Ag:Cl:Al, (Zn,Cd)S:Ag:Cl:Mg 의 황화물을 포함할 수 있다.
하부 전극(EL)은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO), 산화아연(zinc oxide, ZnO), 인듐 도핑된 산화아연(indium doped ZnO, IZO), 알루미늄 도핑된 산화아연(aluminium doped ZnO, AZO), 갈륨 도핑된 산화아연(gallium doped ZnO, GZO), 산화주석(tin oxide) 및 불소 도핑된 산화주석(fluorine doped tin oxide, FTO), 탄소 나노 튜브(CNT: Carbon Nano Tube), 그래핀(Graphene), 은 나노 와이어(Ag Nano Wire), 메탈 매시, 하이브리드 메탈 임베디드, 전도성 고분자 재료 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 전도성 고분자 재료는 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT), PEDOT:PSS(폴리-(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트),폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 무기 발광 입자(IOP)의 크기는 형상 가변 패턴 구조체들(ES)의 크기보다 커서, 형상 가변 패턴 구조체 내부에 존재하지 않는다. 다른 실시예에서, 무기 발광 입자(IOP)의 크기가 형상 가변 패턴 구조체들(ES)의 크기보다 작아서, 적어도 일부가 형상 가변 패턴 구조체 내부에 존재할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 무부하(unloading) 상태를 나타내는 도면이다. 본 발명에서, 상기 무부하 상태는 상부 전극으로서 기능하는 도전성 외부 객체(CO)가 탄성 발광층(LL) 상에 접촉하지 않는 상태를 지칭할 수 있다.
도 2를 참조하면, 압력 구동식 발광 소자가 무부하 상태인 경우에, 제 1 전극(EL1)과 제 2 전극(EL2) 사이에 교류 전원(AC)에 의해 형성되는 전계(EF)는 탄성 발광층(LL)과 수평하게 형성될 수 있다. 예컨대, 제 1 반주기 동안에, 전계(EF)는 제 1 전극(EL1)에서 제 2 전극(EL2) 방향으로 수평하게 형성되고, 제 2 반주기 동안에, 전계(EF)는 제 2 전극(EL2)에서 제 1 전극(EL1) 방향으로 수평하게 형성될 수 있다. 이때, 도전성 외부 객체(CO)가 탄성 발광층(LL) 상에 접촉하지 않는 상태에서, 제 1 전극(EL1)과 도전성 외부 객체(CO) 사이 또는 제 2 전극(EL2)과 도전성 외부 객체(CO) 사이 경로가 형성되지 않기 때문에, 제 1 전극(EL1)과 도전성 외부 객체(CO) 사이 또는 제 2 전극(EL2)과 도전성 외부 객체(CO) 사이에 전계는 탄성 발광층(LL)에 차단될 수 있기 때문에, 전계(EF)는 제 1 전극(EL1)과 제 2 전극(EL2) 사이에 수평하게 형성될 수 있다. 또한, 제 1 전극(EL1)과 제 2 전극(EL2) 사이의 이격 공간(gap1)에는 공기(Air1)가 존재할 수 있으며, 이격 공간(gap1) 내의 공기(Air1)로 인해서 제 1 전극(EL1)과 제 2 전극(EL2) 사이의 이격 공간(gap1)은 유전체로서 기능하게 될 수 있다. 따라서, 제 1 전극(EL1)과 제 2 전극(EL2) 사이의 이격 공간(gap1)은 초기 낮은 커패시턴스(Cair)를 가질 수 있다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 부하(loading) 상태를 나타내는 도면이다. 본 발명에서, 상기 부하 상태는 상부 전극으로서 기능하는 도전성 외부 객체(CO)가 탄성 발광층(LL) 상에 접촉하는 상태를 지칭할 수 있다. 도전성 외부 객체(CO)가 탄성 발광층(LL)과 접촉함으로써, 제 1 전극(EL1), 탄성 발광층(LL)의 제 1 영역(S1), 도전성 외부 객체(CO), 탄성 발광층(LL)의 제 2 영역(S2) 그리고 제 2 전극(EL2)의 경로가 형성되어, 제 1 영역(S1)과 제 2 영역(S2) 사이를 전기적으로 결합시킬 수 있다.
도 3a를 참조하면, 제 1 반주기 동안에, 전계(EF)는 제 1 전극(EL1), 탄성 발광층(LL)의 제 1 영역(S1), 도전성 외부 객체(CO), 탄성 발광층(LL)의 제 2 영역(S2) 그리고 제 2 전극(EL2)의 경로를 따라 형성될 수 있다. 탄성 발광층(LL)의 제 1 영역(S1)과 탄성 발광층(LL)의 제 2 영역(S2)에 분극이 형성될 수 있다. 구체적으로, 탄성 발광층(LL)의 제 1 영역(S1)은 제 1 방향으로 분극이 형성되고, 반면 탄성 발광층(LL)의 제 2 영역(S2)은 상기 제 1 방향과 반대 방향인 제 2 방향으로 분극이 형성될 수 있다. 또한, 탄성 발광층(LL)의 제 1 영역(S1)과 탄성 발광층(LL)의 제 2 영역(S2)은 각각 형상 가변 패턴 구조체들(ES)이 존재하는 영역(A)과 하나의 가변 패턴 구조체와 인접한 다른 하나의 가변 패턴 구조체 사이 공기(Air2)로 채워지는 이격 공간(gap2)이 존재하는 영역(B)으로 구분될 수 있다. 영역(A)은 상부 전극으로서 기능하는 도전성 외부 객체(CO)와 하부 전극(EL)은 탄성 재료 매트릭스(PF)을 통해, 결합될 수 있으며, 탄성 재료 매트릭스(PF)은 도전성 외부 객체(CO)와 하부 전극(EL) 사이에서 유전체로서 기능할 수 있다. 또한, 도전성 외부 객체(CO)를 통해 가해지는 압력에 의해 하부 전극(EL)과 도전성 외부 객체(CO) 사이의 거리가 조절되며 이로 인해 영역(A)에 대한 커패시턴스가 조절될 수 있다. 영역(B)은 탄성 재료 매트릭스(PF)와 공기(Air2)로 채워지는 이격 공간(gap2)이 존재하여, 탄성 재료 매트릭스(PF)가 갖는 유전 상수, 유전체로 기능하는 공기(Air2)의 유전 상수, 그리고 하부 전극(EL)과 도전성 외부 객체(CO) 사이의 거리에 의해 영역(B)에 대한 커패시턴스가 조절될 수 있다. 바람직하게, 탄성 재료 매트릭스(PF)의 유전 상수가 공기(Air2)의 유전 상수보다 크며, 이로 인해, 영역(A)의 커패시턴스가 영역(B)의 커패시턴스 보다 클 수 있다. 다른 실시예에서, 탄성 재료 매트릭스(PF)의 유전 상수가 공기(Air2)의 유전 상수보다 작은 경우, 영역(A)의 커패시턴스가 영역(B)의 커패시턴스 보다 작을 수 있다.
도 3b를 참조하면, 제 2 반주기 동안에, 전계(EF)는 제 2 전극(EL2), 탄성 발광층(LL)의 제 2 영역(S2), 도전성 외부 객체(CO), 탄성 발광층(LL)의 제 1 영역(S2) 그리고 제 1 전극(EL1)의 경로를 따라 형성될 수 있다.
도 3a와 유사하게, 탄성 발광층(LL)의 제 2 영역(S1)과 탄성 발광층(LL)의 제 2 영역(S2)에 분극이 형성될 수 있다. 구체적으로, 탄성 발광층(LL)의 제 1 영역(S1)은 제 2 방향으로 분극이 형성되고, 반면 탄성 발광층(LL)의 제 2 영역(S2)은 상기 제 2 방향과 반대 방향인 제 1 방향으로 분극이 형성될 수 있다. 또한, 탄성 발광층(LL)의 제 1 영역(S1)과 탄성 발광층(LL)의 제 2 영역(S2)은 각각 형상 가변 패턴 구조체들(ES)이 존재하는 영역(A’)과 하나의 가변 패턴 구조체와 인접한 다른 하나의 가변 패턴 구조체 사이 공기(Air2)로 채워지는 이격 공간(gap2)이 존재하는 영역(B’)으로 구분될 수 있다. 영역(A’)은 탄성 재료 매트릭스(PF)만 존재하여, 탄성 재료 매트릭스(PF)의 유전 상수 그리고 하부 전극(EL)과 도전성 외부 객체(CO) 사이의 거리에 의해 영역(A’)에 대한 커패시턴스가 조절될 수 있다. 영역(B’)은 탄성 재료 매트릭스(PF)와 공기(Air2)로 채워지는 이격 공간(gap2)이 존재하여, 탄성 재료 매트릭스(PF)가 갖는 유전 상수, 유전체로 기능하는 공기(Air2)의 유전 상수, 그리고 하부 전극(EL)과 도전성 외부 객체(CO) 사이의 거리에 의해 영역(B’)에 대한 커패시턴스가 조절될 수 있다. 바람직하게, 탄성 재료 매트릭스(PF)의 유전 상수가 공기(Air2)의 유전 상수보다 크며, 이로 인해, 영역(A’)의 커패시턴스가 영역(B’)의 커패시턴스 보다 클 수 있다. 다른 실시예에서, 탄성 재료 매트릭스(PF)의 유전 상수가 공기(Air2)의 유전 상수보다 작은 경우, 영역(A’)의 커패시턴스가 영역(B’)의 커패시턴스 보다 작을 수 있다.
일 실시예에서, 부하(loading) 상태를 갖는 압력 구동식 발광 소자는 2 개의 커패시턴스(CPDMS)와 1 개의 저항(RC.O)이 직렬 연결된 등가회로로 나타낼 수 있다. 구체적으로, 2 개의 커패시턴스(CPDMS) 사이에 저항(RC.O)이 배치되어, 2 개의 커패시턴스(CPDMS)는 직렬 연결될 수 있다.
도 4a와 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 가압 상태를 나타내는 도면이다. 본 발명에서, 상기 가압 상태는 도 3a 또는 도 3b의 부하 상태에서 도전성 외부 객체(CO)을 통해 외부 압력이 탄성 발광층(LL)으로 전달되어, 도전성 외부 객체(CO)와 탄성 발광층(LL)의 첨단부 사이의 접촉 면적이 증가되며 반면 하나의 가변 패턴 구조체와 인접한 다른 하나의 가변 패턴 구조체 사이 공기(Air2)로 채워지는 이격 공간(gap2)의 면적이 감소되는 상태를 지칭할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 대한 설명은 모순되지 않는 한 도 3a와 도 3b를 참조할 수 있다. 도 3a 및 도 3b와 도 4a 및 도 4b 사이의 차이점은 도전성 외부 객체(CO)와 하부 전극(EL) 사이의 거리가 짧아져서, 도 3a 및 도 3b의 압력 구동식 발광 소자(10)의 커패시턴스 보다 도 4a 및 도 4b 사이의 압력 구동식 발광 소자(10)의 커패시턴스가 커질 수 있다. 구체적으로, 도 3a 및 도 3b의 영역(A, A’)에 대한 커패시턴스 보다 도 4a 및 도 4b의 영역(A, A’)에 대한 커패시턴스가 크며, 도 3a 및 도 3b의 영역(B, B’)에 대한 커패시턴스 보다 도 4a 및 도 4b의 영역(B, B’)에 대한 커패시턴스가 클 수 있다.
전술한 바와 같이, 도전성 외부 객체(CO)가 탄성 발광층(LL)에 접촉하기 전에는 하부 전극(EL1, EL2) 사이의 공기가 유전체로서 역할을 하게 되며, 도전성 외부 객체(CO)가 탄성 발광층(LL)에 접촉한 후에는 교류 전계 전기장이 도전성 외부 객체(CO)를 통해 생성되어 탄성 재료 매트릭스(PF)와 무기 발광 입자(IOP)를 포함하는 탄성 발광층(LL)이 유전체로서 기능하게 되어, 커패시턴스 값이 증가되며 동시에 작은 압력에 대하여도 높은 민감도를 가질 수 있다. 또한, 종래에는 발광 소자는 50 kHZ 내지 100 kHZ 범위의 교류 구동 주파수로 동작 가능하나, 본 발명의 무기 발광 입자(IOP)는 100 Hz 내지 400 kHz의 교류 구동 주파수로 종래보다 넓은 구동 주파수 범위에서 동작 가능하다.
더하여, 인체에 무해한 재료를 사용할 경우 인체에 적용하여 심박 측정, 근육과 인체의 움직임 등 다양한 헬스모니터링을 위한 센서 및 이미징 디스플레이 로서 다양하게 활용될 수 있다.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 구동 상태에 따른 커패시턴스 용량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 무부하 상태(unloading)의 커패시턴스(C0)가 부하 상태(loading) 상태의 커패시턴스(Cc)보다 작고, 부하 상태(loading) 상태의 커패시턴스(Cc)는 가압 상태의 커패시턴스(Cp)보다 작다. 압력이 증가함에 커패시턴스 변화가 커지는 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 압력 구동식 발광 소자(10)는 압력에 따라 커패시턴스(또는 정전용량)이 변하는 것으로서, 도 2와 같이, 무부하 상태에서 하부 전극간 사이에 존재하는 공기(Air1)이 유전체로 기능하여, 압력 구동식 발광 소자(10)는 낮은 정전용량을 가지며, 도전성 외부 객체(CO)가 압력 구동식 발광 소자(10)의 탄성 발광층(LL)의 첨단부에 접촉하는 경우, 도전성 외부 객체(CO)를 통해 정전용량이 증가하고, 더하여, 외부 압력을 통해 정전용량을 증가시킬 수 있다. 이러한 정전용량의 변화를 이용하여, 압력 구동식 발광 소자(10)는 고민감도 및 고유연성을 가질 수 있다. 또한, 압력 구동식 발광 소자(10)는 압력 감지 뿐만 아니라 탄성 재료 매트릭스(예: PDMS)와 무기 발광 입자(예: ZnS:Cu)를 포함하는 탄성 발광층(LL)의 광 방출을 통해서 시각화 또는 이미징화가 가능하다.
본 발명의 압력 구동식 발광 소자(10)는 종래의 정전용량 기반의 압력 센서의 상부 전극과 하부 전극 사이의 유전체를 이용하는 방식과 달리, 하부전극 사이의 공기층을 유전체로 이용하여 매우 낮은 정전용량 값을 유지할 수 있으며, 상부 전극으로서 도전성 외부 객체(CO)가 접촉 또는 근접할 시, 고민감도 정전용량 센서의 특성을 가지며, 동시에 도전성 외부 객체(CO)의 이미징을 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명의 압력 구동식 발광 소자(10)는 도전성 외부 객체(CO)의 접촉만으로 정전용량 변화 값을 가질 수 있으며, 수 kPa 내지 수백 GPa의 광범위한 압력 변화에 고민감도 측정이 가능하다. 또한, 피라미드 구조체 같은 형상 가변 패턴 구조체의 영향으로 도전성 외부 객체(CO)의 민감도를 향상시켜 고해상도의 이미징을 구현할 수 있다. 더하여, 인체에 무해한 재료를 이용하기 때문에, 인체에 적용하여 심박 측정, 근육과 인체의 움직임 같은 다양한 헬스 모니터링을 위한 센서 및 이미징 디스플레이 소자로서 다양하게 활용 가능하다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6를 참조하면, 압력 구동식 발광 소자의 제조 방법이 형상 가변 패턴 구조체를 갖는 실리콘 몰드(PSW)를 준비하는 단계, 실리콘 몰드(PSW) 상에, 탄성 재료 매트릭스(PF) 및 무기 발광 입자들(IOP)을 포함하는 전구체 용액(P)을 코팅하여 탄성 발광층(LL)을 형성하는 단계(S1, S2), 탄성 발광층(LL) 상에, 전극 재료를 포함하는 전구체 용액을 코팅하여, 하부 전극을 형성하는 단계(S3), 하부 전극(EL)을 에칭을 통해 제 1 전극(EL1)과 제 2 전극(EL2)으로 분리하는 단계(S4), 탄성 발광층(LL)과 제 1 전극(EL1)과 제 2 전극(EL2)을 실리콘 몰드(PSW)로부터 분리하는 단계(S5, S6, S7)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 형상 가변 패턴 구조체(ES)는 원기둥, 다각형 기둥, 원뿔, 다각뿔, 원뿔대, 또는 다각뿔대 형상을 가질 수 있다. 바람직하게, 형상 가변 패턴 구조체들(ES)는 사각뿔 형상을 갖는 피라미드 구조체일 수 있다.
탄성 발광층(LL)과 제 1 전극(EL1)과 제 2 전극(EL2)을 실리콘 몰드(PSW)로부터 분리하는 단계는 VHF 같은 접착 테이프(TF)를 하부 전극 상에 붙이는 단계(S5), 이후 VHF 접착 테이프(TF)를 이용하여 탄성 발광층(LL)과 탄성 발광층(LL)에 형성된 제 1 전극(EL1)과 제 2 전극(EL2)를 실리콘 몰드(PSW)로부터 분리시키는 단계(S6), 그리고 선택적으로 VHF 접착 테이프(TF)를 탄성 발광층(LL)로부터 분리시키는 단계(S7)를 포함할 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자의 SEM(scanning electron microscope) 사진이다. 구체적으로, 도 7a는 압력 구동식 발광 소자(10)의 상부의 정면에서 본 SEM 이미지이며, 도 7b는 압력 구동식 발광 소자(10)의 상측면에서 본 SEM 이미지이고, 도 7c는 압력 구동식 발광 소자(10)의 단면도에 대한 SEM 이미지이다. 일 실시예에서, 탄성 재료 매트릭스(PF)는 PDMS이고, 무기 발광 입자(IOP)는 구리가 도핑된 황화아연(ZnS:Cu)이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수에 따른 압력 구동식 발광 소자의 유전 상수 값을 나타내는 그래프이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 전극 사이의 gap1에 채워지는 재료와 주파수에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 값을 나타내는 그래프이다.
도 8a는 PDMS 내의 ZnS:Cu 입자의 함량에 따른 유전상수 값을 주파수에 따라 측정한 그래프로서, 도 8a를 참조하면, PDMS 내에 ZnS:Cu 입자 함량이 높을수록 유전 상수 값이 증가함을 알 수 있으며, 이는 PDMS 내에 ZnS:Cu 입자 함량이 높을수록 고성능의 센싱이 가능한 것을 의미하다.
도 8b를 참조하면, gap1 사이에 공기층으로 채워진 경우의 커패시턴스, gap1 사이에 PDMS 또는 ZnS:Cu 입자가 포함된 PDMS으로 채워진 경우의 커패시턴스를 비교하면, 전극 간의 커패시턴스 값으로 공기 층으로 채워진 경우 가장 낮은 커패시턴스를 갖는 것을 알 수 있다. 즉, gap1 사이에 공기층으로 채워진 경우에, 초기 커패시턴스 값이 낮아 센싱에 따른 큰 변화를 가질 수 있다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간에 따른 비교 예(flat)와 본원 발명(Pyramidal)의 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이며, 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력에 따른 비교 예(flat)와 본원 발명(Pyramidal)의 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이고, 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 및 압력에 따른 비교 예(flat)와 본원 발명(Pyramidal)의 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이고, 도 9d는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 횟수에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에서, 상부 전극은 PET/ITO, 를 사용하며, 탄성 재료 매트릭스(PF)는 PDMS으로 사용하고, 무기 발광 입자(IOP)는 구리가 도핑된 황화아연(ZnS:Cu)을 사용하고, 하부 전극은 PEDOT:PSS를 사용한 압력 구동식 발광 소자는, 피라미드 형태(Pyramidal)의 형상 가변 패턴 구조체를 포함할 수 있다. 그리고 비교 예로서, 형상 가변 패턴 구조체를 포함하지 않는, 즉, 평면(Flat)의 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화(△C/C0)를 비교하였다. 여기서, C0는 공기의 유전 상수에 따른 커패시턴스이며, △C는 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화 값으로써, 소자의 유전층에 해당하는 커패시턴스 크기 변화량으로 지칭할 수 있다. 또한, △C는 어떠한 외부 자극에 따른 변화를 시그널로 측정하기 위한 파라미터로서, 커패시턴스 변화량이 클수록 센싱 성능이 높음을 의미한다.
도 9a를 참조하면, 비교 예의 압력 구동식 발광 소자(Flat)는 접촉 상태일 때(contact)와 비접촉 상태(non-contact)일 때의 커패시턴스의 차이가 피라미드 형태(Pyramidal)의 형상 가변 패턴 구조체를 갖는 압력 구동식 발광 소자(Pyramidal)의 커패시턴스의 차이보다 크다. 이는 커패시턴스 값이 접촉 면적과 거리에 영향을 받기 때문에, 비교 예의 플래트한 경우 거리가 짧고, 접촉한 면적이 넓지만, 본 발명의 피라미드인 경우, 거리가 길고, 상부에 첨단부만 접촉하여 면적이 작아지지 때문에, 비교 예의 압력 구동식 발광 소자(Flat)보다 본원 발명의 피라미드 형태(Pyramidal)의 형상 가변 패턴 구조체를 갖는 압력 구동식 발광 소자(Pyramidal)가 초기 접촉 상태의 캐패시턴스 값은 작을 수 있다.
도 9b를 참조하면, 피라미드 형태(Pyramidal)의 형상 가변 패턴 구조체를 갖는 압력 구동식 발광 소자(Pyramidal)의 압력에 따른 커패시턴스 변화(△C/C0) 값이 압력 구동식 발광 소자(Flat)의 압력에 따른 커패시턴스 변화(△C/C0) 값보다 커질 수 있다.
도 9c를 참조하면, 압력이 커짐에 따라 커패시턴스 변화(△C/C0) 값이 커지는 것을 알 수 있다.
도 9d를 참조하면, 압력 횟수에 상관없이 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화가 일정하게 나타난다. 이는 압력 구동식 발광 소자의 내구성이 일정하게 유지되는 것을 의미한다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력에 따른 압력 구동식 발광 소자의 광 세기를 나타내는 그래프이고, 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력에 따른 압력 구동식 발광 소자의 광 휘도를 나타내는 도면이다. 이때, 압력 구동식 발광 소자의 구동 주파수는 일정하게 유지된다.
도 10a와 도 10b를 참조하면, 가해지는 압력에 상관없이 일정한 파장이 출력되며, 출력되는 파장에 해당하는 광의 세기가 압력에 비례하여 증가한다. 또한, 가해지는 압력에 따라 압력 구동식 발광 소자의 광 휘도는 증가한다.
도 11a와 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 외부 객체의 모양에 따라 압력 구동식 발광 소자가 발광하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 11a을 참조하면, 나비 모양의 도전성 외부 객체(I210)를 통해 압력 구동식 발광 소자에 압력이 인가되는 경우, 압력 구동식 발광 소자는 나비 모양의 형태로 시각화 또는 이미징화 하여 출력할 수 있다(I220). 이때, 출력되는 광의 세기는 가해지는 압력에 비례한다.
도 11b을 참조하면, 나뭇잎 모양의 도전성 외부 객체(I310)를 통해 압력 구동식 발광 소자에 압력이 인가되는 경우, 압력 구동식 발광 소자는 나뭇잎 모양의 형태로 시각화 또는 이미징화 하여 출력할 수 있다(I320). 이때, 출력되는 광의 세기는 가해지는 압력에 비례한다.
도 12a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 구동식 발광 소자를 이용한 지문 인식의 예를 보여주는 도면이고, 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12a를 참조하면, 도전성 외부 객체로서 손가락을 이용하는 경우 손가락 지문이 시각화되어 출력될 수 있다. (i), (ii), (iii)는 불연속적 시간을 의미하는 것이며, 시간 변화에 따른 비교 예의 압력 구동식 발광 소자(Flat)로 통해 출력된 지문과 피라미드 형태(Pyramidal)의 형상 가변 패턴 구조체를 갖는 압력 구동식 발광 소자(Pyramidal)로 통해 출력된 지문이다. 비교 예의 압력 구동식 발광 소자(Flat)의 지문 해상도보다 피라미드 형태(Pyramidal)의 형상 가변 패턴 구조체를 갖는 압력 구동식 발광 소자(Pyramidal)의 지문 해상도가 우수한 것을 알 수 있다. 이는 압력 구동식 발광 소자(Pyramidal)의 무부하 상태, 부하 상태 그리고 가압 상태에 따른 커패시턴스의 변화가 가능하기 때문에 비교 예보다 고해상도의 결과를 얻을 수 있다.
도 12b를 참조하면, 비교 예의 압력 구동식 발광 소자(Flat)보다 피라미드 형태(Pyramidal)의 형상 가변 패턴 구조체를 갖는 압력 구동식 발광 소자(Pyramidal)의 커패시턴스 변화가 큰 것을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 외부 객체가 동전으로 사용되는 경우, 시간에 따른 압력 구동식 발광 소자의 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 13를 참조하면, 압력 구동식 발광 소자가 고민감도의 접촉이 가능하기 때문에, 도전성 외부 객체로서 동전 같은 다양한 도전성 객체를 상부 전극으로 이용할 수 있다. 반면, 종래에는 상부 전극으로 이용되는 객체가 발광층 사이의 접촉에 민감하게 반응함으로써, 상부 전극으로 이용될 수 있는 객체가 제한적일 수 밖에 없다.
도 14a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무기 발광 입자와 탄성 재료의 비율에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 값을 나타내는 그래프이며, 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 경화제에 따른 압력 구동식 발광 소자의 커패시턴스 값을 나타내는 그래프이고, 도 14c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 세기에 따른 압력 구동식 발광 소자의 휘도 값을 나타내는 그래프이고, 도 14d는 주파수 변화에 따른 발광 소자의 CIE 색도도 (chromaticity diagram)이다.
도 14a를 참조하면, 무기 발광 입자로 사용되는 ZnS:Cu 입자와 탄성 재료로 이용되는 PMDS의 비율에 따라 커패시턴스 변화의 크기가 달라지는 것을 알 수 있다. 예컨대, ZnS:Cu 입자와 PMDS의 비율이 1:1 또는 2:1인 경우, 3:1의 비율을 같는 경우보다 커패시턴스 변화가 큰 것을 알 수 있다. 그리고, PMDS만 있는 경우 가장 낮은 커패시턴스 변화를 갖는다.
도 14b를 참조하면, 경화제(curing agent)의 비율에 따른 커패시턴스 변화의 크기가 달라지는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 경화제의 함유량이 클수록 커패시턴스 변화가 작아질 수 있다.
전술한 바와 같이, PMDS 내에 ZnS:Cu 입자 함량이 커질수록 또는 경화제가 작을수록 커패시턴스 변화가 커지며, 이는 낮은 압력에서도 피라미드 변화가 크기 때문에 높은 민감도를 가질 수 있다.
도 14c 및 도 14d를 참조하면, 전계 세기에 비례하여 광의 휘도가 증가한다. 또한, 구동 주파수가 증가할수록 휘도(luminance)가 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 구동 주파수 변환에 따른 색깔이 튜닝될 수 있다. 구동 주파수가 커질수록 파장은 짧아지며 구동 주파수가 작을수록 파장이 길어지는 것으로 나타난다. 이러한 주파수 의존에 따른 색 변환 특성을 이용하여 압력 구동식 발광 소자에서 칼라 튜닝이 가능하다.
전술한 바와 같이, 발 발명의 압력 구동식 발광 소자(10)는 2 개의 하부 전극에 교류 전압이 인가될 때, 피라미드 구조의 탄성 발광체에 접촉된 상부 전극을 통하여 전기장이 인가가 되고 발생하는 교류 전계 기반 전기장에 의해 무기물 발광 입자가 발광하는 구동 원리를 갖는다. 종래 디스플레이 소자는 절연체층 위로 상부 전극 역할을 하는 객체의 접촉 여부가 매우 중요하여 전도도가 높은 물질을 상부 전극으로 이용하여야 하기 때문에 어려움이 있다. 그러나, 본 발명에서 고무 탄성체의 피라미드 구조를 이용하여 다양한 도전성 객체(예: 손가락, 동전 등등)와 접촉이 용이하다. 또한, 피라미드 구조체의 영향으로 손가락 같은 전도성 객체를 이용하여 인가되는 압력에 따라, 소자의 커패시턴스 또는 정전용량 변화 측정이 가능하다. 종래의 압력에 의한 정전용량 변화 센서는 소자의 하부 전극과 상부 전극 사이의 연결로 각각의 전극 사이에 위치하는 유전체층의 유전율 변화에 따라 측정이 가능하다. 반면에 본 발명에서는 하부 전극 간의 연결로 인해 전도성 물체의 접촉이 있기 전에는 전극 간에 존재하는 공기가 유전체로서 역할을 하게 되며, 전도성 객체와 접촉이 이루어지면 교류 전계 전기장이 전도성 객체를 통해 형성되어, 고무 탄성체와 무기 발광 입자의 복합층이 유전체 역할을 하게 되어 정전용량 값이 증가한다. 정전용량의 증가와 동시에 도전성 객체의 고민감도 측정이 가능하다. 또한, 종래 기술의 한계점으로는 소자의 교류 구동 주파수가 50 kHz 내지 100 kHz로 제한적인 반면 본 발명에서는 무기 발광 입자의 경우 100 Hz 내지 400 kHz로 교류 구동 주파수의 범위가 매우 넓다. 이처럼 종래에 상부 전극 역할을 하는 전도성 객체의 전도도가 낮을 경우에 소자가 구동되지 않았지만, 본 발명에서는 낮은 도도를 갖더라도 낮은 주파수 영역대에서 발광이 가능하기 때문에 다양한 전도성 객체의 감지 및 이미징 형성이 가능하다. 더불어, 전도체와 접촉하는 표면이 평평한 SiO2 절연체 층이 아닌 피라미드 구조체로 이루어진 PDMS 같은 고무 탄성체를 이용하여 전도체와의 접촉능을 향상시켜서 전도체의 활용성과 효율성을 크게 확장하였다. 나아가, 사람의 손가락은 전도체로서 역할을 할 수 있기 때문에 손가락을 피라미드 구조의 고무 탄성체에 접촉할 경우 손가락의 지문 전체가 높은 성능을 갖으며 발광하는 일종의 지문 접촉 발광 센서로 응용 가능하다.
일 실시예에서, 본 발명의 압력 구동식 발광 소자는 인공 공감각 디스플레이 또는 지문 인식 센서로서 이용 가능하며, 종래의 디스플레이 및 센서와 다른 신개념의 소자로 개인 정보화 시대의 스마트 디스플레이 및 센서로 적용될 수 있다. 또한, 피라미드 구조의 고무 탄성체 층 아래로의 인터페이스를 구현함으로써, 고무 탄성체 층 위로는 다양한 상부 전극의 활용으로 인해서 향후 개인이 직접 디자인하고 표시하는 형식으로 customized re-writable electric writing 방식으로 산업적으로 개발될 수 있다. 본 발명은 투명 디스플레이, 지문접촉 발광 센싱(Fingerprint contact light-emitting sensor), re-writable 전자보드 (light emitting electric board: LE e-board) 등 차세대 성장 동력 기술로 응용 될 수 있다. 인체 정보의 직접적 시각화 기술은 극한 상황에서 인간의 인지 능력의 한계를 극복 할 수 있는 미래 기술로 적용 가능하며, 또한 인간의 감지 능력 장애를 극복할 수 있는 대체 기술로 활용이 가능하다. 또한 청각, 촉각 등 인체정보와 같은 타 감각 정보의 시각화가 가능한 인체감지 능력의 한계를 극복하는 스마트 디스플레이 및 센서는 웨어러블 디바이스 뿐만 아니라, 차세대 휴대용 및 차량용 디스플레이, 광고용 스마트 윈도우, 미디어 파사드 대체기술 등 매우 광범위한 분야에 응용 가능성을 갖는다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10: 압력 구동식 발광 소자
LL: 탄성 발광층
EL1, EL2: 하부 전극
TF: 기판
ES: 형상 가변 패턴 구조체
PF: 탄성 재료
IOP: 무기 발광 입자
IN: 코어
DP: 도펀트
LP: 절연체
CO: 도전성 외부 객체
LL: 탄성 발광층
EL1, EL2: 하부 전극
TF: 기판
ES: 형상 가변 패턴 구조체
PF: 탄성 재료
IOP: 무기 발광 입자
IN: 코어
DP: 도펀트
LP: 절연체
CO: 도전성 외부 객체
Claims (18)
- 제 1 면 및 상기 제 1 면에 대향하는 제 2 면을 가지며, 탄성 재료 및 상기 탄성 재료에 분산되는 무기 발광 입자들을 포함하고, 상기 제 2 면에 돌출되고 상부에 첨단부를 갖는 형상 가변 패턴 구조체들이 배열된 탄성 발광층; 및
상기 제 1 면 상에 배치되고, 서로 이격된 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 교류 전원이 인가되는 하부 전극을 포함하며,
상기 형상 가변 패턴 구조체들은, 상기 제 1 전극과 중첩되는 상기 탄성 발광층의 제 1 영역의 제 1 형상 패턴 구조체들 및 상기 제 2 전극과 중첩되는 상기 탄성 발광층의 제 2 영역의 제 2 형상 패턴 구조체들을 포함하며,
상기 제 1 형상 패턴 구조체들과 상기 제 2 형상 패턴 구조체들 사이를 가로질러 접촉하는 도전성 외부 객체가 상기 형상 가변 패턴 구조체들을 가압하여 발광하는 압력 구동식 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 가압하는 세기에 따라 상기 탄성 발광층의 발광 강도가 가변되는 압력 구동식 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 가압하는 세기에 따라 상기 하부 전극과 상기 도전성 외부 객체 사이의 상기 탄성 발광층의 커패시턴스 용량이 가변되는 압력 구동식 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
제 1 반주기 동안, 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극, 상기 도전성 외부 객체 및 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극의 방향으로 전계가 형성되고,
제 2 반주기 동안, 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극, 상기 도전성 외부 객체 및 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극의 방향으로 전계가 형성되는 압력 구동식 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 도전성 외부 객체가 상기 형상 가변 패턴 구조체들의 첨단부에 접촉하기 전까지, 상기 하부 전극의 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 이격 공간은 제 1 유전체로서 정의되는 압력 구동식 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 도전성 외부 객체가 상기 형상 가변 패턴 구조체들의 첨단부에 접촉하거나, 상기 도전성 외부 객체가 상기 형상 가변 패턴 구조체들의 첨단부를 가압하여 상기 도전성 외부 객체와 상기 첨단부 사이의 접촉 면적을 증가시키거나 또는 상기 형상 가변 패턴 구조체들 간의 이격 공간의 면적을 감소시키는 동안에, 상기 형상 가변 패턴 구조체들 간의 이격 공간은 제 2 유전체로서 정의되는 압력 구동식 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 형상 가변 패턴 구조체는,
상기 도전성 외부 객체에 가까워질수록 단면적이 점진적으로 작아지는 형상을 갖는 압력 구동식 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 형상 가변 패턴 구조체는,
원기둥, 다각형 기둥, 원뿔, 다각뿔, 원뿔대, 또는 다각뿔대 형상을 갖는 압력 구동식 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 도전성 외부 객체는 상부 전극으로서 기능하며,
상기 도전성 외부 객체는 사용자의 손가락 및 스타일러 펜 중 하나인 것을 특징으로 하는 압력 구동식 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 탄성 재료는, PDMS(polydimethylsiloxane), 열가소성 러버(thermoplastic rubber), 실리콘 러버(silicone rubber), 플루오로 실리콘 러버(fluoro silicone rubber), 비닐메틸실리콘 러버(vinyl methyl silicone rubber), 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber), 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 러버(styrene-ethylene-butylene-strylene rubber), 아크릴 러버(acryl rubber), 부타디엔 러버(butadiene rubber), 클로로이소부틸렌 이소프렌러버(chloro isobutylene isoprene rubber), 폴리크로로프렌(polychloroprene rubber), 에피클로로히드린 러버(epichlorohydrin rubber), 에틸렌 프로필렌 러버(ethylene propylene rubber), 에틸렌프로필렌디엔 러버(ethylene propylene diene rubber), 폴리에테르우레탄 러버(polyether urethane rubber), 폴리이소프렌 러버(polyisoprene rubber), 이소부틸렌 이소프렌 부틸 러버(isobutylene isoprene butyl rubber), 아크릴로니트릴 부타디엔 러버(acrylonitrile butadiene rubber), 폴리우레탄 러버 (polyurethane rubber) 중 어느 하나를 포함하는 압력 구동식 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 무기 발광 입자는 Ⅰ-Ⅶ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 및 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 중 어느 하나를 포함하는 압력 구동식 발광 소자. - 제 11 항에 있어서,
상기 Ⅰ-Ⅶ족 반도체는 CuCl. CuBr, CuI, AgI 중 어느 하나, 또는 둘 이상의 조합을 포함하고,
상기 Ⅲ-Ⅴ족 반도체는 GaN, GaP, GaAs, InP, AlGaN, AlGaP, AlInGaN, InGaAs, GaAsP 중 어느 하나, 또는 둘 이상의 조합을 포함하며,
상기 Ⅱ-Ⅵ족 반도체는 CdO, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdZnTe, HgCdTe, HgZnTe 중 어느 하나, 또는 둘 이상의 조합을 포함하는 압력 구동식 발광 소자. - 제 12 항에 있어서,
상기 무기 발광 입자는 ZnS계 발광체를 포함하며,
상기 ZnS계 발광체는 ZnS에 적어도 하나의 전이 금속 또는 전이후 금속이 활성제로 첨가되어서 적색, 녹색, 또는 청색의 발광색을 발현하는 압력 구동식 발광 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 적색의 발광 색을 유도하는 ZnS계 발광체는 ZnS:Mn 의 황화물을 포함하고,
상기 녹색의 발광 색을 유도하는 ZnS계 발광체는 ZnS:Cu, ZnS:Al, ZnS:Cu:Al, ZnS:Cu:Al:Au, (Zn,Cd)S:Cu:Al, (Zn,Cd)S:Cu, (Zn,Cd)S:Cu:Al:Au 의 황화물을 포함하며,
상기 청색의 발광 색을 유도하는 ZnS계 발광체는 ZnS:Ag, ZnS:Ag:Cl, ZnS:Ag:Cl:Al, (Zn,Cd)S:Ag, ZnS:Ag:Cl:Al:Mg, (Zn,Cd)S:Ag:Cl, (Zn,Cd)S:Ag:Cl:Al, (Zn,Cd)S:Ag:Cl:Mg 의 황화물을 포함하는 압력 구동식 발광 소자. - 제 9 항에 있어서,
상기 상부 전극은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO), 산화아연(zinc oxide, ZnO), 인듐 도핑된 산화아연(indium doped ZnO, IZO), 알루미늄 도핑된 산화아연(aluminium doped ZnO, AZO), 갈륨 도핑된 산화아연(gallium doped ZnO, GZO), 산화주석(tin oxide) 및 불소 도핑된 산화주석(fluorine doped tin oxide, FTO), 탄소 나노 튜브(CNT: Carbon Nano Tube), 그래핀(Graphene), 은 나노 와이어(Ag Nano Wire), 메탈 매시, 하이브리드 메탈 임베디드, 전도성 고분자 재료 중 어느 하나를 포함하는 투명 전극인 압력 구동식 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 압력 구동식 발광 소자는 지문 인식 센서 또는 인공 공감각 디스플레이 소자로 이용되는 압력 구동식 발광 소자. - 형상 가변 패턴 구조체를 갖는 실리콘 몰드를 준비하는 단계;
상기 실리콘 몰드 상에, 탄성 재료 및 무기 발광 입자들을 포함하는 전구체 용액을 코팅하여 탄성 발광층을 형성하는 단계;
상기 탄성 발광층 상에, 전극 재료를 포함하는 전구체 용액을 코팅하여, 하부 전극을 형성하는 단계;
상기 하부 전극을 에칭을 통해 제 1 전극과 제 2 전극으로 분리하는 단계; 및
상기 탄성 발광층과 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 상기 실리콘 몰드로부터 분리하는 단계를 포함하는 압력 구동식 발광 소자의 제조 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 제 2 전극으로 분리하는 단계 후에, 상기 하부 전극의 적어도 일부 영역에 VHB 필름을 형성하는 단계를 더 포함하는 압력 구동식 발광 소자의 제조 방법.
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| KR1020180081505A KR102039029B1 (ko) | 2018-07-13 | 2018-07-13 | 압력 구동식 발광 소자 및 이의 제조 방법 |
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2018
- 2018-07-13 KR KR1020180081505A patent/KR102039029B1/ko active IP Right Grant
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