KR102348562B1 - 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

지문인식 일체형 정적용량 터치스크린 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서에서 기판; 상기 기판 상에 위치하는 전극 소재 보호층; 및 터치 컨트롤러;를 포함하며, 상기 전극 소재 보호층은 매트릭스 수지 및 상기 매트릭스 수지 상에 분산된 복수의 전극 소재를 포함하고, 상기 전극 소재 보호층은 매트릭스 수지의 일부가 제거된 비-터치영역이 존재하고, 상기 비-터치영역에서 전극 소재의 일부분과 터치 컨트롤러의 접촉부가 직접 접촉하는, 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린이 제공된다.

Description

지문인식 일체형 정적용량 터치스크린 센서 및 그 제조방법{FINGER SENSOR INTEGRATED TYPE CAPACITANCE TOUCH SCREEN SENSOR AND THE METHOD FOR PRODICNG THE SAME}
본 명세서는 센서의 감도(시그널) 향상을 위한 접촉 저항이 개선된 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린 센서에 관하여 개시한다.
지문인식 터치스크린 센서는 미세패턴 및 복수의 미세채널로 구성되어 있으며, 지문의 융선과 골간 각각의 거리에 따라 발생하는 정적용량 차이를 검출하여 지문인식 기능 과 복수의 미세채널 중 지문 인식 센서 영역을 제외한 나머지 영역의 미세 채널들을 복수로 묶어 터치 신호의 감지를 위한 터치 그룹 채널들로 가능하도록 구성되어 있다.
다만, 터치 센서 대비하여 1/20배의 미세패턴(10 ㎛이하) 및 약 200배의 채널수(ch 6000 이상)가 필수이다 보니, 구동신호(Drive signal) 전달을 위한 투명전극 소재의 패턴과 IC 컨트롤러 간의 접촉 저항의 최소화가 중요한 기술과제로 남아 있으나, 종래의 터치센서에 적용되는 Ag 나노 와이어 전극-IC 컨트롤러의 스택업 구조(Stack-up)는 와이어-금속 간의 접촉면적이 작아서 접촉 저항 효율이 높지 않은 문제가 되어왔다(도 1).
본 발명의 구현예들은 구동신호 전달을 위한 투명전극 소재의 패턴과 IC 컨트롤러간 접촉 저항을 최소화 하고자 한다.
또한 전극 소재의 노출을 높이기 위한 전극 소재 보호층의 식각 과정에서 금속 나노 와이어와 같은 전극 소재가 손상을 입는 문제를 해결하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 기판; 상기 기판 상에 위치하는 전극 소재 보호층; 및 터치 컨트롤러;를 포함하며, 상기 전극 소재 보호층은 매트릭스 수지 및 상기 매트릭스 수지 상에 분산된 복수의 전극 소재를 포함하고, 상기 전극 소재 보호층에는 매트릭스 수지를 가지지 않는 비-터치영역이 존재하고, 상기 비-터치영역에서 전극 소재의 일부분과 터치 컨트롤러의 접촉부가 직접 접촉하는, 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린이 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 비-터치영역에서 전극 소재 보호층의 표면에 상기 전극 소재의 적어도 일부 또는 전부가 노출되는 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전극 소재는 나노 플레이트 또는 나노 와이어 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전극 소재는 표면에 금속 코팅층을 더 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 코팅은 팔라듐 또는 백금 중 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 코팅은 팔라듐을 포함하는 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전극 소재는 금속 나노 와이어를 포함하고, 상기 금속 나노 와이어는 20 nm 이하의 직경을 가질 수 있다.
상기 전극 소재는 금속 나노 와이어를 포함하고, 상기 금속 나노 와이어는 1000 이상의 종횡비를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 비-터치영역에서 전극 소재 보호층과 터치 컨트롤러의 접촉 저항은 접촉면적 0.031mm2 기준으로 20 Ω 이하 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 전술한 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린의 제조방법으로서, 기판 상에 전극 소재 보호층을 형성하는 단계; 및 상기 전극 소재 보호층에서 매트릭스 수지의 일부를 제거하여 비-터치영역을 형성하는 단계;를 포함하는, 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린 제조 방법이 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 매트릭스 수지 제거 단계는 플라즈마 에칭 공정으로 수행될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전극 소재의 표면에 금속 코팅층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 코팅층은 무전해 도금으로 형성될 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린 센서는 전극 소재 보호층에 매트릭스 수지를 가지지 않는 비-터치영역이 존재하여 전극 소재와 터치 컨트롤러의 접촉부가 직접 접촉할 수 있으며, 이를 통하여 접촉 저항을 최소화할 수 있다.
또한, 플라즈마 에칭 공정을 통하여 전극 소재 보호층의 매트릭스 수지 일부가 제거될 수 있으며, 이 과정에서 전극 소재 입는 손상을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래의 Ag 나노 와이어 전극-IC 컨트롤러의 스택업 구조(Stack-up)를 나타내는 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린 센서에서 매트릭스 수지의 일부가 제거된 전극 소재 보호층과(좌측), 비-터치영역에서 전극 소재의 일부분과 터치 컨트롤러의 접촉부가 직접 접촉한 것을 나타낸다(우측).
도 3은 본 발명의 일 구현예에서 금속 코팅된 전극 소재의 구조를 나타낸다.
도 4a는 본 발명의 일 구현예에서 금속 코팅된 은 나노 와이어로서, 플라즈마 식각 공정을 거친 이후의 SEM로 표면 분석한 결과를 도시한다.
도 4b는 금속 코팅되지 않은 은 나노 와이어로서, 플라즈마 식각 공정을 거친 이후의 SEM로 표면 분석한 결과를 도시한다.
이하, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
지문인식 일체형 정적용량 터치스크린
본 발명의 일 구현예에서, 기판; 상기 기판 상에 위치하는 전극 소재 보호층; 및 터치 컨트롤러;를 포함한다.
여기서, 상기 터치 컨트롤러는 터치 신호의 감지와 지문인식 감지의 처리를 수행하는 것으로서, 전극 소재 보호층의 표면의 일 영역에 위치할 수 있다. 따라서, 터치스크린의 일 영역에서 기판, 전극 소재 보호층, 및 터치 컨트롤러는 순차적으로 적층된 스택업 구조를 가질 수 있다.
한편, 전극 소재 보호층은 매트릭스 수지 및 상기 매트릭스 수지 상에 분산된 복수의 전극 소재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 전극 소재는 미세 패턴을 구성할 수 있으며, 구체적으로 미세 패턴이 세로 방향으로 배열되는 제1 채널 전극과 미세패턴이 가로 방향으로 배열되는 제2 채널 전극의 조합으로 교차하는 복수의 노드를 통하여 복수의 미세 채널을 형성할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 전극 소재 보호층은 매트릭스 수지를 가지지 않는 비-터치영역이 존재하고, 상기 비-터치영역에서 전극 소재의 일부분과 터치 컨트롤러의 접촉부가 직접 접촉할 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린 센서에서 매트릭스 수지의 일부가 제거된 전극 소재 보호층과 비-터치영역에서 전극 소재의 일부분과 터치 컨트롤러의 접촉부가 직접 접촉한 것을 도시하는데, 상기 비-터치영역에서는 전극 소재의 일부분과 터치 컨트롤러의 접촉부가 그 외의 영역에 비하여 더 큰 접촉 면적을 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 비-터치영역에서 전극 소재 보호층의 표면에 상기 전극 소재의 적어도 일부 또는 전부가 노출되는 것일 수 있다. 특히, 상기 비-터치영역은 매트릭스 수지가 적어도 일부 제거되기 때문에, 다른 영역에 비하여 전극 소재가 표면에 더 많이 노출되며, 따라서 더 큰 접촉 면적을 확보할 수 있다.
일 구현예에서, 전극 소재 보호층은 다른 영역에 비하여 비-터치영역에서 두께가 더 얇을 수 있다. 이는 비-터치영역에서 매트릭스 수지의 적어도 일부가 제거되어 매트릭스 수지를 가지지 않기 때문이며, 따라서 전극 소재 보호층의 표면 상에 전극 소재가 노출될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 전극 소재는 나노 플레이트 또는 나노 와이어 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 소재는 투명 전극 소재일 수 있다. 구체적으로, 상기 전극 소재는 금속 나노 플레이트, 금속 나노 와이어, 또는 금속 나노 입자를 포함할 수 있으며, 예컨대 은(Ag) 나노 와이어일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 전극 소재는 표면에 금속 코팅층을 더 포함할 수 있다. 도 3은 본 발명의 일 구현예에서 금속 코팅된 전극 소재의 구조를 도시하는데, 상기 금속 코팅층은 전극 소재의 물리적(기계적) 특성을 강화할 수 있으며, 예를 들어 전극 소재 보호층에서 매트릭스 수지를 제거하는 과정에서 전극 소재의 손상을 줄일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 금속 코팅은 팔라듐 또는 백금 중 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다. 바람직하게 상기 금속 코팅은 팔라듐을 포함할 수 있으며, 특히 상기 팔라듐 코팅을 하는 경우 전극 소재의 손상을 최소화할 수 있으며, 접촉 저항 효율을 상승시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 팔라듐 코팅은 전극 소재와 Pd착염(쿨로로팔라듐 계열[M2[PdCl4]] 1차 치환 반응을 통하여 전극 소재 표면에 Pd 결정핵을 생성 시킨 뒤, 이후 전기적 안정성을 위하여 Ag착염(암모늄착염 Ag(NH3)2)) 2차 치환반응으로 형성된 것일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 금속 코팅층은 5nm 이하의 두께, 예컨대 0.1 내지 5nm 두께를 가질 수 있다. 금속 코팅층의 두께가 5nm 초과인 경우 플라즈마 공정과 같은 외부 자극으로부터 전극 소재를 충분히 보호하지 못할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 전극 소재는 금속 나노 와이어를 포함하고, 상기 금속 나노 와이어는 20 nm 이하의 직경, 예를 들어 1 내지 20 nm 범위의 직경을 가질 수 있다. 상기 금속 나노 와이어의 직경이 20 nm 초과인 경우, 전극 소재의 분산성 및 코팅 안정성이 나쁠 수 있다.
일 구현예에서, 상기 전극 소재는 금속 나노 와이어를 포함하고, 상기 금속 나노 와이어는 1000 이상의 종횡비를 가질 수 있다. 상기 금속 나노 와이어의 종횡비가 1000 미만인 경우 전극 소재의 분산성 및 코팅 안정성이 나쁠 수 있다.
일 구현예에서, 상기 비-터치영역에서 전극 소재 보호층과 터치 컨트롤러의 접촉 저항은 접촉면적 0.031mm2 기준으로 20 Ω 이하의 범위를 가질 수 있다. 상기 접촉 저항(Ω)은 멀티 미터기를 이용하여 측정될 수 있다. 따라서, 전극 소재 보호층 상에 매트릭스 수지를 가지지 않는 비-터치영역을 포함하여 전극 소재와 터치 컨트롤러의 접촉부가 직접 접촉할 수 있으며, 이를 통하여 접촉면적 0.031mm2 기준으로 20 Ω 이하의 우수한 접촉 저항을 가질 수 있다.
지문인식 일체형 정적용량 터치스크린 제조 방법
본 발명의 다른 구현예에서, 전술한 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린의 제조방법으로서, 먼저 기판 상에 전극 소재 보호층을 형성할 수 있다.
구체적으로, 상기 전극 소재 보호층은 매트릭스 수지 및 상기 매트릭스 수지 상에 분산된 복수의 전극 소재를 포함하는 조성물을 기판 상에 코팅하여 형성될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 전극 소재의 표면 상에 금속 코팅층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 금속 코팅층은 무전해 도금으로 형성될 수 있다. 무전해 도금은 금속착염을 통한 도금으로서, 단순 합성 및 화학반응을 통한 대량 생산에 매우 용이하며, 전체적으로 균일한 도금을 통하여 분산성 및 안정성을 가짐과 동시에 우수한 기계적 성질을 가져올 수 있다.
한편, 전극 소재의 표면 상에 금속 코팅층을 형성하는 과정에서 환원제를 이용할 수 있으며, 다만 환원제의 양이 증가할수록 금속 코팅률은 높아지고, 도금된 금속 소재의 전체적인 수득량은 감소할 수 있다.
다음으로, 상기 전극 소재 보호층에서 매트릭스 수지의 일부를 제거하여 비-터치영역을 형성할 수 있다. 본 단계에서 비-터치영역의 매트릭스 수지가 적어도 일부 제거되기 때문에, 다른 영역에 비하여 전극 소재가 표면에 더 많이 노출되며, 따라서 더 큰 접촉 면적을 확보할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 매트릭스 수지 제거 단계는 플라즈마 에칭 공정으로 수행될 수 있다. 플라즈마 에칭 공정을 통하여 매트릭스 수지가 제거되는 경우 전극 소재의 손상을 최소화할 수 있다. 예컨대 플라즈마 에칭 공정에서 전극 소재의 잔존율은 95% 이상일 수 있다.
그런 뒤, 매트릭스 수지가 제거된 비-터치영역 상에 터치 컨트롤러를 적층할 수 있다. 이를 통하여 비-터치영역에서 전극 소재와 터치 컨트롤러의 접촉부와 직접 접촉할 수 있으며, 와이어-금속 간 접촉면적을 증가시켜, 우수한 접촉 저항 효율을 가질 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예들에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예: 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린 제조
금도금 은 나노 와이어 제조
Princeton Applied Research(Princeton,NJ)의 263 포텐셔스탯(potentiostat)/갈바노스탯을 모든 전기화학 실험에 사용했다. 1 인치 x 1인치의 은박을 반대극으로서 사용했다. 은 나노 와이어에 도막된 유리 슬라이드는 작용 전극이었다. 금 도금액, 즉 Technic 40 GOLD STRIKE RTU(등록상표)에 양 전극을 침지했다. 전극에 전류(1mA/in2)를 인가하고 2초부터 120초간 도금을 했다. 이어서 증착막을 탈이온수로 정성스럽게 씻어 없앰, 공기 중에서 건조시켜 표면에 금이 도금된 은 나노 와이어를 제조하였다.
터치스크린 제조
앞서 제조한 금도금 은 나노 와이어의 분산액을 잉크 제제화(formulation ink) 하여 PET 기재 필름에 도포한 이후 열 건조를 진행하였다. 와이어의 산화방지를 위하여 2차 오버 코트층을 도포한 이후 UV 건조를 진행하였다. 또한 지문인식 일체형 터치센서 설계도면을 적용하여 패턴화 공정을 진행하였다. Plated Au-Ag wire 전극과의 Metal Contact저항 최적화를 위하여 출력 10kw이하에서 플라즈마 전처리하여 오버 코팅층의 두께를 약 40% 낮추었다. Cu 금속 증착 이후 FPCB ACF공정을 통하여 모듈공정을 진행하여 터치스크린을 제조하였다.
실험예: 은 나노 와이어 표면 분석(SEM)
플라즈마 식각 여부에 따른 전극 소재의 손상 정도를 확인하기 위하여 SEM을 통한 표면 분석을 실시하였다. 분석 결과는 도 4a 및 4b에 도시하였다.
도 4a는 실시예의 금 도금 은 나노 와이어를 적용한 경우로서, 표면 상에 균일하게 분산된 것을 확인할 수 있다. 또한 플라즈마 식각 공정에도 불구하고 나노 와이어가 거의 손상을 입지 않은 것을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 우수한 기계적 성질을 확인할 수 있다.
반면, 도 4b는 금 도금을 하지 않은 은 나노 와이어를 적용한 경우로서, 대부분의 나노 와이어가 플라즈마 식각 공정으로 인하여 손상을 입은 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 구현예에 따른 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린 센서는 전극 소재 보호층에 매트릭스 수지를 가지지 않는 비-터치영역이 존재하여 전극 소재와 터치 컨트롤러의 접촉부가 직접 접촉할 수 있으며, 이를 통하여 접촉 저항을 최소화하고 전기 전도성을 높일 수 있다.
앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (13)

  1. 기판; 상기 기판 상에 위치하는 전극 소재 보호층; 및 터치 컨트롤러;를 포함하며,
    상기 전극 소재 보호층은 매트릭스 수지 및 상기 매트릭스 수지 상에 분산된 복수의 전극 소재를 포함하고,
    상기 전극 소재 보호층에는 매트릭스 수지를 가지지 않는 비-터치영역이 존재하고, 상기 비-터치영역에서 전극 소재의 일부분과 터치 컨트롤러의 접촉부가 직접 접촉하고,
    상기 전극 소재는 표면에 팔라듐 또는 백금을 포함하는 금속 코팅층을 더 포함하고,
    상기 비-터치영역에서 전극 소재 보호층과 터치 컨트롤러의 접촉 저항은 접촉면적 0.031mm2 기준으로 20 Ω이하 범위를 갖는, 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비-터치영역에서 전극 소재 보호층의 표면에 상기 전극 소재의 적어도 일부 또는 전부가 노출되는 것을 특징으로 하는, 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 소재는 나노 플레이트 또는 나노 와이어 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 코팅은 팔라듐을 포함하는 것을 특징으로 하는, 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극 소재는 금속 나노 와이어를 포함하고, 상기 금속 나노 와이어는 20 nm 이하의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는, 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극 소재는 금속 나노 와이어를 포함하고, 상기 금속 나노 와이어는 1000 이상의 종횡비를 갖는 것을 특징으로 하는, 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린.
  9. 삭제
  10. 제1항 내지 제3항 및 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항의 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린의 제조방법으로서,
    기판 상에 전극 소재 보호층을 형성하는 단계; 및
    플라즈마 에칭 공정을 수행하여 상기 전극 소재 보호층에서 매트릭스 수지의 일부를 제거하여 비-터치영역을 형성하는 단계;를 포함하는, 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전극 소재의 표면에 금속 코팅층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 금속 코팅층은 무전해 도금으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 지문인식 일체형 정적용량 터치스크린 제조 방법.
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KR101482780B1 (ko) * 2013-08-29 2015-01-15 (주)탑나노시스 전도성 나노와이어필름 제조 방법 및 상기 제조방법으로 제조된 전도성 나노와이어 필름을 포함하는 터치패널

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