KR102447739B1 - 가변 소자 및 가변 소자 제조 방법 - Google Patents
가변 소자 및 가변 소자 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
가변 소자가 제공된다. 가변 소자는 전기 활성층을 포함한다. 제1 전극은 전기 활성층의 내부 중 하부에 배치된다. 제2 전극은 전기 활성층의 내부 중 상부에 배치된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자에서는 전기 활성층의 외부에 전극이 형성되는 경우보다 반복적인 구동에도 전극의 성능 저하가 억제되고 가변 소자의 수명이 증가될 수 있다.
Description
본 발명은 가변 소자 및 가변 소자 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가변 소자 내부에 전극을 포함하는 가변 소자 및 가변 소자 제조 방법에 관한 것이다.
전기 활성 고분자(Electro-Active Polymer; EAP)란 전기적 자극에 의하여 변형될 수 있는 고분자로서, 전기적 자극에 의해 반복적으로 팽창, 수축 및 벤딩(bending)될 수 있는 고분자를 의미한다. 다양한 종류의 전기 활성 고분자 중 강유전성 고분자(Ferroelectric Polymer)와 유전성 엘라스토머(Dielectric Elastomer)가 주로 사용되고 있다. 예를 들어, 강유전성 고분자에는 PVDF(Poly VinyliDene Fluoride)나 P(VDF-TrFE)(Poly(VinyliDene Fluoride)-TriFlurorEtylene)가 있고, 유전성 엘라스토머는 실리콘계, 우레탄계, 아크릴계 등으로 이루어질 수 있다.
강유전성 고분자의 경우, 가요성이 우수하고, 유전율이 우수하다는 장점이 있으나, 광투과율을 비롯한 광학 특성에 현저한 문제점이 있어, 표시 장치 전면에 사용되기에는 어려움이 있다. 또한, 유전성 엘라스토머의 경우, 투과도는 우수하나, 구동 전압이 높아 모바일 디바이스 등과 같이 구동 전압이 상대적으로 낮은 표시 장치에 그대로 사용되기 어렵다는 문제점이 있다.
다만, 전기 활성 고분자 중 유전성 엘라스토머는 일반적으로 형상이 다양하게 변형될 수 있는 플렉서빌리티 및 탄성을 갖는다. 이에 따라, 최근 활발하게 개발되고 있는 플렉서블(flexible) 표시 장치와 함께 유전성 엘라스토머가 활용될 수 있는 분야에 대한 연구가 계속되고 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 전기 활성 고분자로서 유전성 엘라스토머가 사용되는 것으로 상정하고 설명한다.
전기 활성 고분자로 이루어지는 전기 활성층의 양 상면 및 하면에 배치된 전극을 통해 전기 활성층에 전기장이 인가되는 경우, 전기 활성층 내부에 분극 현상(polarization)이 발생하는 성질을 갖고 있다. 이러한 분극 현상으로 인해 전기 활성층의 상부 및 하부에 배치된 전극에는 양전하와 음전하가 각각 축적되는데, 축적된 전하들 사이에 발생하는 정전기적 인력(Coulombic Force)에 의해 전기 활성층에 맥스웰 스트레스(Maxwell Stress)가 가해진다. 맥스웰 스트레스의 크기를 표현하는 식은 다음과 같다.
여기서, 맥스웰 스트레스는 전하들의 정전기적 인력에 의해 전기 활성 층이 두께 방향으로 수축하고 길이 방향으로 팽창하려는 힘을 의미한다. 맥스웰 스트레스에 의해 변형되는 전기 활성층의 성질로 인해, 전기 활성층은 가변 소자(Transformable device)의 전기 활성층을 구성하는 새로운 재료로 각광받고 있다.
[수학식 1]을 참조하면, 맥스웰 스트레스의 크기(P)는 전기 활성층의 유전율(
), 전기 전기장(E) 및 전압(V)의 크기에 비례한다. 맥스웰 스트레스의 크기가 증가하면 전기 활성층은 더 큰 변위를 갖거나 더 크게 변형된다. 이에 따라, 가변 소자의 변위 또는 변형 정도를 증가시키기 위해, 맥스웰 스트레스의 크기가 증가되어야 한다. 이에, 맥스웰 스트레스를 증가시킴과 동시에 가변 소자의 구동 전압을 낮추기 위해, 전기 활성층의 유전율을 높이거나 유효 전기장을 높이기 위한 연구가 진행 중이다.
전기 활성층의 플렉서빌리티 및 탄성과 맥스웰 스트레스에 의해, 가변 소자에서 전극의 배치 및 형성 방법이 중요한 문제로 대두되었다. 일반적인 전극 형성 방법인 스퍼터링(sputtering)에 의해 형성된 전극은, 전기 활성 고분자로 구성된 전기 활성층을 포함하는 가변 소자의 구동 시 변형에 의해 손상될 수 있고, 가변 소자가 반복적으로 구동됨에 따라 가변 소자의 성능이 저하된다. 다른 방법으로 전극이 형성된 지지기판들 사이에 전기 활성 고분자층이 삽입될 수 있다. 다만, 지지기판은 전기 활성층에 비해 가요성이 우수하지 못하므로, 지지기판에 의해 전기 활성층의 변위가 제한될 수 있다. 이에 따라, 전기 활성 고분자로 이루어지는 전기 활성층을 포함하는 가변 소자에 적용되는 전극은 변형에 적합한 연질(soft) 전극이 사용된다.
이러한 연질 전극으로 탄소 도전성 그리스(carbon conductive grease), 카본 블랙(Carbon Black) 또는 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube; CNT)에 탄성체를 혼합하여 제조된 전극이 사용되었다. 이러한 전극은 프린팅(printing) 공정에 의해 형성될 수 있으며, 면저항 특성이 좋지 않고, 공정의 용이성이 떨어진다는 문제점이 존재한다.
이에 따라, 반복적 구동에도 성능이 저하되지 않고, 맥스웰 스트레스에 의해 전기 활성층의 변위가 최대로 확보될 수 있으며, 제조 공정도 용이한 가변 소자 및 가변 소자 제조 방법에 대한 필요성이 존재한다.
[관련기술문헌]
고분자 유전체를 이용한 점자 출력 셀 및 이를 이용한촉감 디스플레이 장치 (특허출원번호 제10-2004-0021066호)
고분자 복합 압전체 및 그 제조 방법 (특허출원번호 제10-2013-7015459호)
본 발명의 발명자들은 상술한 바와 같이 가변 소자의 전극의 성능이 저하되고 수명이 단축되는 문제점을 해결하기 위해, 전기 활성층 내부에 전극이 형성된 새로운 구조의 가변 소자 및 그 제조 방법을 발명하였다.
이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 단순한 공정에 의해 전기 활성층 내부에 전극을 형성할 수 있는 가변 소자 및 가변 소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 전기 활성층 내부에 전극이 형성됨에 따라 반복적인 구동에 의해서도 전극의 성능이 유지되고 수명이 증가되는 가변 소자 및 가변 소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 가변 소자 내부에 전극이 형성됨에 따라 가변 소자 외부에서 전극을 접착하는데 사용되는 별도의 접착층 및 별도의 차폐층(shielding layer)이 요구되지 않아 두께가 얇아진 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자가 제공된다. 가변 소자는 전기 활성층을 포함한다. 제1 전극은 전기 활성층의 내부에 배치된다. 제2 전극은 전기 활성층의 내부에 배치되고, 제1 전극 상에 배치된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자에서는 전기 활성층의 외부에 전극이 형성되는 경우보다 반복적인 구동에도 전극의 성능 저하가 억제되고 가변 소자의 수명이 증가될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 전기 활성층은 전기 활성 고분자를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전기 활성층은 엘라스토머(elastomer)를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전기 활성층은 불순물 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 불순물은 도전성 물질, 침전제 및 도전성 물질과 침전제의 화합물 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전기 활성층 내에서 불순물의 농도는 제1 전극 및 제2 전극에 인접할수록 증가한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전기 활성층은 제1 전극 및 제2 전극을 둘러싸도록 배치된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전기 활성층의 두께는 100 ㎛ 내지 400 ㎛이다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 전극의 하면과 전기 활성층의 하면 사이의 두께 및 제2 전극의 상면과 전기 활성층의 상면 사이의 두께 중 적어도 하나는 0.1㎛ 내지 10㎛이다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 전극의 하면과 전기 활성층의 하면 사이의 두께 및 제2 전극의 상면과 전기 활성층의 상면 사이의 두께 중 적어도 하나는 전기 활성층의 두께에 비례한다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 표시 장치가 제공된다. 표시 장치는 터치 패널, 터치 패널 하부에 배치된 표시 패널 및 가변 소자를 포함한다. 가변 소자는 표시 패널 하부에 배치된다. 가변 소자는 전기 활성층 및 전기 활성층의 내부에 삽입된 전극으로 이루어진다. 가변 소자가 변형됨에 따라 표시 장치도 다양한 형태로 변형되어, 표시 장치는 다양한 형상으로 변형된 출력을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 표시 패널은 플렉서블 기판을 갖는다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 가변 소자의 하부에 배치된 하부 커버, 및 가변 소자의 상부에 배치된 상부 커버를 더 포함하고, 하부 커버 및 상부 커버는 플렉서빌리티(flexibility)를 갖는 물질로 이루어진다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 전기 활성층에 전압을 인가하기 위한 전극을 전기 활성층 내부에 용이하게 형성할 수 있고, 반복적인 구동에도 전극의 성능이 오랫동안 유지될 수 있는 가변 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 전극을 형성하기 위한 고가의 전극 형성 장비 없이, 짧은 공정 시간 내에 전기 활성층 내부에 전극이 형성될 수 있는 가변 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 가변 소자 내부에 전극이 삽입되어 가변 소자에 전극을 형성하는 경우 별도의 접착층 및 차폐층(shielding layer)이 필요 없으므로, 두께가 얇아져 박형화에 유리한 표시 장치를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자의 개략적인 단면도 및 전기 활성층의 높이에 대한 도전성 물질의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자 제조 방법을 설명하기 위한 공정 사시도다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 표시 장치의 다양한 변형 형태를 설명하기 위한 예시적인 상태도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 전자 신문의 예시적인 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 시계의 예시적인 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 커튼(curtain)의 예시적인 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자의 개략적인 단면도 및 전기 활성층의 높이에 대한 도전성 물질의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자 제조 방법을 설명하기 위한 공정 사시도다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 표시 장치의 다양한 변형 형태를 설명하기 위한 예시적인 상태도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 전자 신문의 예시적인 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 시계의 예시적인 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 커튼(curtain)의 예시적인 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 ‘직접’이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
소자 또는 층이 다른 소자 또는 층 위 (on)로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다. 도 1을 참조하면, 가변 소자(100)는 전기 활성층(110), 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)을 포함한다.
도 1을 참조하면, 전기 활성층(110)은 전기 활성 고분자로 구성된다. 구체적으로, 전기 활성층(110)은 유전성 엘라스토머(dielectric elastomer)로 이루어진다. 예를 들어, 전기 활성층(110)은 실리콘계, 우레탄계, 아크릴계 등의 유전성 엘라스토머로 이루어질 수 있다.
제1 전극(121)은 가변 소자(100)의 하부에 배치된 전극이다. 구체적으로, 제1 전극(121)은 전기 활성층(110) 내부에서 전기 활성층(110)의 하부에 배치된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 제1 전극(121)은 전기 활성층(110) 내부에서 전기 활성층(110)의 하면으로부터 이격되어 배치될 수도 있고, 도면에 도시되지는 않았으나 제1 전극(121)은 전기 활성층(110) 내부에서 전기 활성층(110)의 하면에 접하도록 배치될 수도 있다.
제2 전극(122)은 가변 소자(100)의 상부에 배치된 전극이다. 제2 전극(122)은 전기 활성층(110) 내부에서 전기 활성층(110)의 상부에 배치된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 제2 전극(122)은 전기 활성층(110) 내부에서 전기 활성층(110)의 상면 으로부터 이격되어 배치될 수도 있고, 도면에 도시되지는 않았으나 제2 전극(122)은 전기 활성층(110) 내부에서 전기 활성층(110)의 상면에 접하도록 배치될 수도 있다.
제1 전극(121)과 제2 전극(122)은 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 도전성 물질을 포함한다. 예를 들어, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 금속 파우더(metal powder), 탄소 나노튜브(carbon nanotube; CNT), 은 나노와이어(Ag-Nanowire; Ag-NW) 또는 전도성 고분자와 같은 다양한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 도전성 물질 외에 불순물을 더 포함할 수 있다. 여기서, 불순물은 침전제 또는 도전성 물질과 침전제의 화합물일 수 있다.
도 1에 도시되지는 않았으나, 전기 활성층(110)도 전기 활성 고분자 외에 불순물을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 불순물은 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)을 구성하는 도전성 물질과 동일한 물질, 침전제 및 도전성 물질과 침전제의 화합물 중 적어도 하나일 수 있다.
전기 활성층(110) 내에 불순물이 존재하는 경우, 전기 활성층(110) 내에서 불순물의 농도는 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)에 인접할수록 증가한다. 즉, 불순물의 농도는 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)의 주변에서 가장 높고, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 중간 부분인 전기 활성층(110)의 중심 부분에서 가장 낮다.
전기 활성층(110) 내의 불순물의 농도는 전기 활성층(110)에 가해지는 맥스웰 스트레스의 크기에 영향을 준다. 맥스웰 스트레스는 전기 활성층(110)의 유전율에 비례하고, 유전율은 전기 활성층(110) 내의 불순물에 의해 증가할 수 있다. 구체적으로, 전기 활성층(110) 내에 불순물이 존재하면, 전기 활성층(110)의 유전율이 증가하고, 이에 따라, 전기 활성층(110)에 가해지는 맥스웰 스트레스가 증가할 수 있다.
제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 연질 전극이다. 즉, 플렉서빌리티를 갖는 엘라스토머로 이루어지는 전기 활성층(110) 내에서 형상이 변형될 수 있도록, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)도 플렉서빌리티를 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 전기 활성층(110)의 내부에 삽입되어, 전기 활성층(110)의 형상이 변형되더라도 전극에 균열이 발생하거나 전극의 성능이 저하되지 않는다.
제1 전극(121)과 제2 전극(122)에 각각 공급되는 전하에 의해 생성되는 전기장에 의해 전기 활성층(110)이 변형되고, 이에 따라 가변 소자(100)가 변형된다. 구체적으로, 제1 전극(121)과 제2 전극(122)에 공급되는 전하의 극성에 따라 가변 소자(100)가 변형되는 방향 및 형상이 상이해질 수 있다. 이하에서는 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)에 의해 전기 활성층(110)이 변형되는 과정에 대해 상세히 설명한다.
제1 전극(121)은 전기 활성층(110)의 하부에 전하를 공급한다. 제2 전극(122)은 전기 활성층(110)의 상부에 전하를 공급한다. 이에 따라, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에는 전기장이 형성된다. 여기서, 제1 전극(121)과 제2 전극(122)에 공급되는 전하의 전기적 성질은 서로 반대일 수 있다. 즉, 제1 전극(121)에 양전하가 공급되면 제2 전극(122)에는 음전하가 공급되고, 제1 전극(121)에 음전하가 공급되면 제2 전극(122)에는 양전하가 공급된다. 여기서, 제1 전극(121)에 공급되는 전하의 전기적 성질과 제2 전극(122)에 공급되는 전하의 전기적 성질이 서로 반대로 변경됨에 따라, 전기장의 방향도 함께 변경된다. 즉, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 전기 활성층(110)에 인가되는 전압은 교류(AC) 전압일 수 있으며, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에서 교류 전압에 의한 전기장이 형성된다. 몇몇 실시예에서 제1 전극(121) 및 제2 전극(122) 중 하나에는 양전하 또는 음전하가 공급되고, 다른 하나는 접지될 수도 있다.
이에 따라, 제1 전극(121)가 제2 전극(122) 사이에 형성되는 전기장은 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 전기 활성층(110)에서 분극 현상을 발생시키고, 분극 현상에 의한 정전기적 인력에 의해 맥스웰 스트레스를 받는 전기 활성층(110)이 변형된다.
제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 교류 전압이 인가되면, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 전기장에 의해 전기 활성층(110)에서 맥스웰 스트레스가 발생한다. 이러한 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 인가되는 교류 전압의 진폭에 따라 전기 활성층(110) 및 가변 소자(100)의 변형되는 정도가 변한다. 구체적으로, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 인가되는 교류 전압의 진폭이 증가하면, 맥스웰 스트레스의 크기는 교류 전압의 진폭의 제곱에 비례하여 증가한다. 이에 따라, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 인가되는 교류 전압의 진폭이 증가하면, 맥스웰 스트레스의 크기가 증가하고, 전기 활성층(110) 및 가변 소자(100)의 형상은 큰 폭으로 변형된다.
또한, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 인가되는 교류 전압의 주파수에 따라 전기 활성층(110) 및 가변 소자(100)의 변형 속도도 변화한다. 구체적으로, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 인가되는 교류 전압의 주파수가 증가하면, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 인가되는 교류 전압의 극성이 빠르게 변화한다. 이에 따라, 전기 활성층(110) 및 가변 소자(100)에 가해지는 맥스웰 스트레스의 방향이 빠르게 변화하고, 전기 활성층(110) 및 가변 소자(100)의 변형되는 방향도 빠르게 변화한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자(100)에서는 반복적인 구동에도 성능이 장기간 유지될 수 있는 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)이 전기 활성층(110) 내부에 배치된다. 구체적으로, 제1 전극(121)이 전기 활성층(110) 내부의 하부에 삽입되고 제2 전극(122)이 전기 활성층(110) 내부의 상부에 삽입되어, 제1 전극(121)과 제2 전극(122)에서 공급되는 전하들에 의해 전기 활성층(110)에 전기장이 형성된다. 여기서, 전기 활성층 외부 표면에 연질 전극을 코팅 또는 프린팅하는 방식으로 제1 전극과 제2 전극을 형성하는 경우, 가변 소자가 반복적으로 구동됨에 따라 연질 전극이 파괴되거나 손상된다. 이에 따라, 연질 전극은 전극으로서 기능을 할 수 없게 되고, 가변 소자도 동작할 수 없게 된다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자(100)에서는 제1 전극(121)과 제2 전극(122)이 전기 활성층(110) 내부에 삽입되고, 변형에 적합한 물질로 구성되므로, 가변 소자(100)의 반복적인 구동에도 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)의 손상이 최소화될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자(100)의 전기 활성층(110)에 불순물이 포함되는 경우, 전기 활성층(110) 내의 불순물에 의해 맥스웰 스트레스의 크기가 증가한다. 구체적으로, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 전기 활성층(110) 내에는 전기 활성 고분자 외에도 불순물이 존재할 수 있고, 불순물을 포함하는 전기 활성 고분자는 불순물을 포함하지 않는 유전성 엘라스토머보다 높은 유전율을 갖는다. 이에 따라, 불순물을 포함하는 전기 활성층(110)은 불순물을 포함하지 않는 전기 활성층보다 높은 유전율을 가지므로, 유전율에 비례하는 맥스웰 스트레스의 크기도 증가한다.
이하에서는, 전기 활성층(110)의 내부에 제1 전극 및 제2 전극이 배치됨에 따라 가변 소자(110)의 구동 전압이 감소되는 것에 대한 상세한 설명을 위해 도 2를 함께 참조한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자의 개략적인 단면도 및 단면도에서 전기 활성층의 높이에 대한 도전성 물질의 농도를 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자의 개략적인 단면도이고, 도 2b는 도 2a에서 가변 소자의 일부(X)를 확대한 단면도이고, 도 2c는 도 2b의 가변 소자의 단면에서 높이에 따른 도전성 물질의 농도에 대한 그래프이다. 도 2는 도 1에 도시된 가변 소자(100)의 단면도이므로, 중복 설명은 생략한다.
도 2a를 참조하면, 제1 전극(121)은 전기 활성층(110)의 하면으로부터 이격되어 배치되고, 제2 전극(122)은 전기 활성층(110)의 상면으로부터 이격되어 배치된다. 이에 따라, 전기 활성층(110)이 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)을 모두 둘러싸도록 형성된다. 즉, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 전기 활성층(110) 내부에 삽입된다. 구체적으로, 전기 활성층용 물질에 주입된 도전성 물질이 전기 활성층의 하면으로부터 이격되도록 침전되어 전극이 형성된다. 예를 들어, 제1 전기 활성층용 물질에 도전성 물질이 주입되고, 주입된 도전성 물질이 제1 전기 활성층용 물질의 하면으로부터 이격되도록 침전되어 제1 전극(121)이 형성되고, 제2 전기 활성층용 물질에 도전성 물질이 주입되고, 주입된 도전성 물질이 제2 전기 활성층용 물질의 하면으로부터 이격되도록 침전되어 제2 전극(122)이 형성된다. 여기서, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 도전성 물질이 침전되어 임의의 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)이 형성된 후, 도 2a와 같이 제1 전극(121) 상에 제2 전극(122)이 배치되도록 제1 전기 활성층용 물질과 제2 전기 활성층용 물질을 합착하여 가변 소자(100)가 형성될 수 있다. 즉, 도 2a와 같이 가변 소자(100)에서 제1 전극(121)은 전기 활성층(110)의 하면으로부터 이격되어 형성되고, 제2 전극(122)은 전기 활성층(110)의 상면으로부터 이격되어 형성될 수 있다. 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)을 포함하는 가변 소자를 제조하는 구체적인 방법에 대해서는 도 3 및 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 후술한다.
이와 같이, 전기 활성층(110) 내부에서 제1 전극(121)의 하부 및 제2 전극(122)의 상부에 전기 활성층(110)이 형성되는 경우, 제1 전극(121)의 하부에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d1) 및 제2 전극(122)의 상부에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d2)는 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d3)보다 작다. 몇몇 실시예에서, 제1 전극(121)의 하부에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d1) 및 제2 전극(122)의 상부에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d2)는 서로 상이할 수도 있다.
여기서, 전기 활성층(110)의 두께(d)는 가변 소자(100)로 동작하는데 필요한 소비 전력과 구동 전압 및 가변 소자(100)로서 정상적인 동작을 할 수 있는지 여부를 고려하여 당업자에 의해 자유롭게 선택될 수 있다. 바람직하게는, 전기 활성층(110)의 두께(d)는 50㎛ 내지 400㎛일 수 있다. 보다 바람직하게는, 전기 활성층(110)의 두께(d)는 100㎛ 내지 300㎛일 수 있다. 여기서, 전기 활성층(110)의 두께(d)가 50㎛보다 작은 경우, 가변 소자(100)가 정상적으로 동작할 수 있는데 필요한 충분한 전압이 인가될 수 없다. 이에 따라, 가변 소자(100)가 정상적으로 동작할 수 없다. 또한, 전기 활성층(110)의 두께(d)가 400㎛보다 큰 경우, 가변 소자의 정상적인 구동에 필요한 맥스웰 스트레스를 발생시키기 위해 높은 구동 전압이 요구되고, 이에 따라 소비 전력이 지나치게 증가될 수 있다.
제1 전극(121)의 하부에 형성된 전기 활성층(110)의 부분 및 제2 전극(122)의 상부에 형성된 전기 활성층(110)의 부분은 차폐층(shielding layer)으로 기능할 수 있다. 즉, 제1 전극(121)의 하부에 형성된 전기 활성층(110)의 부분 및 제2 전극(122)의 상부에 형성된 전기 활성층(110)의 부분은 제1 전극(121)과 제2 전극(122)이 외부의 도전성 물질과 접촉하는 것을 차단할 수 있다. 이에 따라, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 제1 전극(121)의 하부에 형성된 전기 활성층(110)의 부분 및 제2 전극(122)의 상부에 형성된 전기 활성층(110)의 부분의 컨택홀을 통해 외부 전원 공급선과 연결될 수 있다.
제1 전극(121)의 하부에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d1) 및 제2 전극(122)의 상부에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d2)는 차폐층의 기능을 수행하는데 적합하도록 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(121)의 하부에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d1) 및 제2 전극(122)의 상부에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d2) 중 적어도 하나는 0.1㎛ 내지 10㎛일 수 있다. 여기서, 제1 전극(121)의 하부에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d1) 및 제2 전극(122)의 상부에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d2)가 0.1㎛보다 작은 경우, 제1 전극(121)의 하부에 형성된 전기 활성층(110) 및 제2 전극(122)의 상부에 형성된 전기 활성층(110)의 차폐층으로서 기능이 현저히 저하될 수 있고, 10㎛보다 큰 경우, 컨택홀을 통해 외부 전원 공급선과 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)을 연결하는 것이 어려워질 수 있다. 이 때, 전기 활성층(110)에 주입되는 도전성 물질의 농도, 비중 및 침전제의 유무를 조절하여 상술한 바와 같은 두께 관계를 갖는 전기 활성층(110)이 형성될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 전기 활성층(110)의 두께(d)가 300㎛인 경우, 제1 전극(121)의 하부에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d1) 및 제2 전극(122)의 상부에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d2)가 수㎛ 내지 10㎛이면, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d3)는 약 280㎛ 내지 290㎛로 형성될 수 있다.
제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에서의 전기 활성층(110)의 두께(d3)는 전기 활성층(110)에 가해지는 맥스웰 스트레스의 크기에 영향을 준다. 맥스웰 스트레스는 유효 전기장(effective field)의 크기에 비례하고, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 거리가 작아질수록 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 유효 전기장의 크기가 증가한다. 따라서, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 거리가 감소되어어 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 형성된 전기 활성층(110)의 두께(d3)가 감소됨에 따라, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에서 전기 활성층(110)에 인가되는 유효 전기장의 크기가 증가한다. 이에 따라, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 인가되는 교류 전압의 진폭을 최소화하면서 유효 전기장의 크기를 증가시키기 위해, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 거리가 좁아지도록 전기 활성층(110) 내부에 제1 전극(121) 및 제2 전극이 배치된다. 이에, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122) 각각이 전기 활성층(110)의 상면 및 하면에 배치된 경우, 즉, 제1 전극(121)과 제2 전극(122)이 전기 활성층(110)의 두께(d)만큼 이격된 경우와 비교하여 전기 활성층(110)에 인가되는 맥스웰 스트레스가 증가될 수 있고, 작은 진폭의 교류 전압만으로 가변 소자(100)가 구동될 수 있다.
도 2b 및 도 2c를 참조하면, 제1 전극(121)의 하면으로부터 전기 활성층(110)의 중앙을 향하면서, 도전성 물질의 농도가 점차 감소한다. 구체적으로, 전기 활성층(110)의 하면으로부터 전기 활성층(110)의 상면을 향하는 방향을 전기 활성층(110)의 두께 방향(Td)라고 정의하면, 도전성 물질의 농도(N)는 제1 전극(121)으로부터 전기 활성층(110)의 두께 방향(Td)을 따라 전기 활성층(110)의 중앙으로 진행할수록 점점 감소한다. 또한, 전기 활성층(110)의 하면과 제1 전극(121)의 하면 사이의 전기 활성층(110)에는 도전성 물질이 존재하지 않을 수도 있다. 즉, 도전성 물질이 실질적으로 전극의 기능을 하기 위해, 도전성 물질은 전기 활성층(110)의 하면으로부터 임의의 두께만큼 이격되도록 침전되고 제1 전극(121)의 두께에 대응하도록 침전되어 제1 전극(121)을 구성한다.
전기 활성층(110)의 두께 방향(Td)을 따라 도전성 물질의 농도(N)가 감소하면서, 도전성 물질의 농도가 특정 농도 N0(percolation threshold) 이하가 되는 경우, 도전성 물질은 전극의 기능을 할 수 없게 된다. 즉, 침전되어 형성된 제1 전극(121)의 상면으로부터 전기 활성층(110)의 두께 방향(Td)으로 진행할수록 도전성 물질의 농도(N)가 감소하여 전극으로 기능할 수 있는 농도인 N0 이하가 되므로, 제1 전극(121)의 상면과 전기 활성층(110)의 중앙 사이에 존재하는 도전성 물질은 실질적으로 전극을 구성하지 않는다. 마찬가지로, 도 2a와 같이 제2 전극(122)의 하면으로부터 전기 활성층(110)의 중앙으로 진행할수록 도전성 물질의 농도(N)가 감소하여 전극으로 기능할 수 있는 농도인 N0 이하가 되고, 이에 따라 제2 전극(122)의 하면과 전기 활성층(110)의 중앙 사이에 존재하는 도전성 물질은 실질적으로 전극을 구성하지 않는다.
이에 따라, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 전기 활성층(110)에는 도전성 물질이 존재할 수 있지만, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 전기 활성층(110)에 존재하는 도전성 물질은 전극의 기능을 하지 않을 수 있다. 다만, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 전기 활성층(110)에 존재하는 도전성 물질은 전기 활성층(110)의 유전율을 증가시켜 맥스웰 스트레스를 증가시키는 도펀트(dopant)로서 기능을 한다. 이에 따라, 전기 활성층(110)에 작용하는 맥스웰 스트레스가 증가하고, 동일한 맥스웰 스트레스를 발생시키기 위한 구동 전압이 감소될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자(100)에서는 전기 활성층(110) 내에 제1 전극(121)과 제2 전극(122)이 배치되어 맥스웰 스트레스의 크기가 증가한다. 구체적으로, 전기 활성층(110) 내부에 제1 전극(121)과 제2 전극(122)이 배치됨에 따라 전기 활성층(110) 외부에 전극이 배치되는 경우보다 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 거리가 감소된다. 이에 따라, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 유효 전기장의 크기가 증가하고, 유효 전기장의 크기에 비례하는 맥스웰 스트레스의 크기도 증가한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자 제조 방법을 설명하기 위한 공정 사시도다. 도 4a 내지 도 4d는 도 1에 도시된 가변 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 사시도들로서, 도 1을 참조하여 설명된 구성요소에 대한 중복 설명을 생략한다.
먼저, 도전성 물질이 제1 전기 활성층용 물질 및 제2 전기 활성층용 물질에 주입된다(S31).
도 4a를 참조하면, 도전성 물질이 제1 전기 활성층용 물질(491) 및 제2 전기 활성층용 물질(492)에 주입된다. 여기서, 제1 전기 활성층용 물질(491) 및 제2 전기 활성층용 물질(492)은 전기 활성 고분자와 같은 전기 활성 폴리머를 포함하고, 액체 상태이거나 반액체 상태일 수 있다. 즉, 제1 전기 활성층용 물질(491) 및 제2 전기 활성층용 물질(492)은 유동성을 갖는 물질로 도전성 물질이 주입될 수 있는 상태에 있다. 또한, 제1 전기 활성층용 물질(491) 및 제2 전기 활성층용 물질(492)에 침전제가 더 주입될 수 있고, 제1 전기 활성층용 물질(491) 및 제2 전기 활성층용 물질(492)에 경화제가 더 주입될 수도 있다.
여기서, 도전성 물질은 제1 전기 활성층용 물질(491) 및 제2 전기 활성층용 물질(492) 내에서 독립적으로 도전성을 갖는 물질을 포함한다. 또한, 도전성 물질은 침전제와의 화학 반응을 통해 도전성을 갖는 물질도 포함할 수 있다. 즉, 도전성 물질은 물질 자체가 도전성을 갖거나 물질 자체는 도전성을 갖지 않지만 침전제와 반응하여 도전성을 갖는 물질 모두를 포함한다. 예를 들어, 도전성 물질은 금속 파우더(metal powder), 탄소 나노튜브(carbon nanotube; CNT), 은 나노와이어(Ag-Nanowire; Ag-NW) 또는 전도성 고분자일 수 있다.
여기서, 침전제는 도전성 물질과 화학 반응하여 도전성 물질을 침전시키는 물질이다. 이에 따라, 침전제는 도전성 물질과 침전 반응을 일으켜 도전성 침전물로 변환될 수 있다. 예를 들어, 침전제는 하수 처리장에서 사용되는 침전제일 수도 있다.
여기서, 경화제는 유동성을 갖는 액체 상태 또는 반액체 상태인 제1 전기 활성층용 물질(491) 및 제2 전기 활성층용 물질(492)을 고체 상태로 경화시키는 물질이다. 경화제의 기능에 대해서는 도 4b를 참조하여 후술한다.
이어서, 도전성 물질을 침전시켜 제1 전기 활성층 및 제2 전기 활성층이 형성된다(S32). 여기서, 전극은 도전성 물질이 전기 활성층 내에서 하부로 침전되고, 동시에 제1 전기 활성층용 물질(491) 및 제2 전기 활성층용 물질(492)이 경화되면서 형성된다. 즉, 전기 활성층이 형성되는 과정에서 도전성 물질이 전기 활성층 내에서 하부로 침전되는 과정과 전기 활성층이 경화되는 과정은 동시에 진행될 수 있다. 다만, 전기 활성층이 빠른 속도로 경화될수록 전기 활성층 내에서 주입된 도전성 물질 중 침전된 도전성 물질의 비율이 작아질 수 있다. 이에 따라, 전기 활성층의 경화 속도가 빠르면, 전기 활성층 내의 불순물 농도가 증가할 수 있다.
도전성 물질은 제1 전기 활성층용 물질(491) 내에서 침전되어 제1 전극(121)을 형성한다. 구체적으로, 제1 전기 활성층용 물질(491) 내에서 도전성 물질은 자연적으로 자연 침전될 수 있다. 여기서, 자연 침전은 유동성을 갖는 제1 전기 활성층용 물질(491) 내에서 도전성 물질이 중력에 의해 침전되는 것을 의미한다. 예를 들어, 도전성 물질을 포함하는 제1 전기 활성층용 물질(491)을 가만히 24시간 이상 두면 중력에 의해 도전성 물질이 자연 침전된다.
또한, 제1 전기 활성층용 물질(491) 내에서 도전성 물질은 침전제에 의해 화학적 침전될 수 있다. 여기서, 화학적 침전은 유동성을 갖는 제1 전기 활성층용 물질(491) 내에서 도전성 물질이 침전제와의 화학 반응에 의해 침전되는 것을 의미한다. 예를 들어, 도전성 물질은 침전제와 화학 결합을 통해 도전성을 갖는 새로운 화학 침전물로 변화될 수 있고, 새로운 화학 침전물은 제1 전기 활성층용 물질(491)의 하부에 배치된다.
제1 전기 활성층용 물질(491)은 경화되면서 유동성이 감소될 수 있다. 구체적으로, 제1 전기 활성층(411)은 자연적으로 자연 경화될 수 있다. 여기서, 자연 경화는 상온에서 제1 전기 활성층용 물질(491)이 경화되는 것을 의미한다.
또한, 제1 전기 활성층용 물질(491)은 경화제에 의해 화학적 경화될 수 있다. 여기서, 화학적 경화는 제1 전기 활성층용 물질(491)이 화학 반응에 의해 경화되는 것을 의미하며, 경화제에 따라 경화되는 속도가 달라질 수 있다. 구체적으로, 제1 전기 활성층용 물질(491)과 경화제의 비율에 따라 제1 전기 활성층용 물질(491)이 경화되는 속도가 달라질 수 있다. 예를 들어, 제1 전기 활성층용 물질(491)과 경화제의 비율이 10:1에서 10:3으로 증가하면 경화되는 속도가 빨라진다.
또한, 제1 전기 활성층용 물질(491)은 열에 의해 경화될 수도 있다. 구체적으로, 제1 전기 활성층용 물질(491)은 상온보다 높은 온도, 예를 들어, 90℃에서 경화될 수 있다. 이에 따라, 제1 전기 활성층용 물질(491)을 열 경화하는 경우, 제1 전기 활성층용 물질(491)은 자연 경화하는 경우에 비해 더 빠른 속도로 경화될 수 있다.
또한, 제1 전기 활성층용 물질(491)은 광에 의해 경화될 수도 있다. 구체적으로, 제1 전기 활성층용 물질(491)은 예를 들어, 자외선(UV; UltraViolet)에 의해 경화될 수 있다. 이에 따라, 제1 전기 활성층용 물질(491)을 광 경화하는 경우, 제1 전기 활성층용 물질(491)은 자연 경화하는 경우에 비해 더 빠른 속도로 경화될 수 있다.
이와 같은 열 경화 및 광 경화에서는 화학적 경화에서와 상이한 경화제가 사용될 수 있으며, 제1 전기 활성층용 물질(491)과 경화제의 비율이 화학적 경화와는 상이해질 수 있다.
이에 따라, 제1 전기 활성층용 물질(491)이 자연 경화, 화학적 경화, 열 경화 및 광 경화에 의해 제1 전기 활성층용 물질(491)의 유동성이 급격하게 감소되고, 자연 침전 및 화학적 침전에 의해 도전성 물질이 급격하게 침전되어, 제1 전기 활성층(411) 내에 제1 전극(121)이 형성된다. 여기서, 경화 속도가 빨라지면 제1 전기 활성층용 물질(491)이 급격하게 경화되면서 도전성 물질, 침전제 및 경화제가 모두 침전되기 전에 제1 전기 활성층(411) 내에 제1 전극(121)이 형성된다. 이에 따라, 제1 전기 활성층(411) 내에 도전성 물질, 침전제 및 경화제를 포함하는 불순물의 농도가 증가한다. 불순물의 농도가 증가함에 따라 제1 전기 활성층(411)의 유전율도 다소 증가할 수 있다. 제1 전기 활성층(411)이 경화되면, 제1 전기 활성층(411)은 다른 전기 활성층과 합착될 수 있는 상태에 있게 된다.
제1 전기 활성층(411)의 하부에 제1 전극(121)이 형성된 과정과 동일한 과정을 통해 제2 전기 활성층(412)의 하부에 제2 전극(122)이 형성된다. 다만, 제2 전기 활성층(412)의 하부에 제2 전극(122)이 형성된 과정과 제1 전기 활성층(411)의 하부에 제1 전극(121)이 형성된 과정은 구체적인 자연 침전 및 자연 경화 시간 또는 새로운 화학 침전물의 구성 및 비율 등에서 상이한 점이 존재할 수도 있다. 즉, 제1 전극(121)과 제2 전극(122)은 동일한 과정으로 형성될 수 있지만, 제1 전극(121)과 제2 전극(122)이 형성되는 과정에서의 세부적인 공정 조건은 상이할 수도 있다.
이어서, 제1 전기 활성층 및 제2 전기 활성층이 합착된다(S33).
도 4c를 참조하면, 제1 전기 활성층(411)과 제2 전기 활성층(412)이 합착된다. 구체적으로, 도 4b에서의 제2 전기 활성층(412)의 상면이 제1 전기 활성층(411)의 상면과 접촉하도록, 제2 전기 활성층(412)이 뒤집혀서 제1 전기 활성층(411) 상에 배치된 후 합착 공정이 수행될 수 있다. 여기서, 제1 전기 활성층(411)과 제2 전기 활성층(412)은 서로 열합착될 수 있다. 구체적으로, 제1 전기 활성층(411)의 상면과 제2 전기 활성층(412)의 상면이 접촉하도록 배치된 이후, 제1 전기 활성층(411)의 하부와 제2 전기 활성층(412)의 상부에서 압력이 가해지고 가열된다. 예를 들어, 약 40 메가파스칼(MPa)의 압력이 제1 전기 활성층(411)과 제2 전기 활성층(412)에 가해지고, 제1 전기 활성층(411)과 제2 전기 활성층(412)이 150℃ 내지 200℃로 가열되어 완전히 합착될 수 있다.
구체적으로, 제1 전기 활성층(411) 및 제2 전기 활성층(412)에 가해진 열과 압력에 의해 제1 전기 활성층(411)의 상면과 제2 전기 활성층(412)의 상면 사이에서 경계면이 사라지고 하나의 전기 활성층(110)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 하나의 전기 활성층(110) 내에 제1 전극(121)이 하부에 배치되고 제2 전극(122)이 상부에 배치된 가변 소자(100)가 형성된다.
한편, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)이 외부의 전원에 연결되기 위해서 전기 활성층(110)의 일부가 제거될 수 있다. 구체적으로, 제1 전극(121)의 하부 또는 측부에 형성된 전기 활성층(110)의 일부 또는 제2 전극(122)의 상부 또는 측부에 형성된 전기 활성층(110)의 일부가 제거될 수 있다. 여기서, 전기 활성층(110)의 일부는 실리콘 에천트(silicon etchant)에 의해 제거될 수 있다. 제거된 전기 활성층(110)의 일부를 통해 배선이 제1 전극(121) 또는 제2 전극(122)과 접촉하도록 연결될 수 있고, 제1 전극(121) 또는 제2 전극(122)에 연결된 배선에 의해 가변 소자(100)에 전원이 공급된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자 제조 방법에서는 도전성 물질을 전기 활성층 내에서 침전시켜 용이하게 전극이 형성될 수 있다. 구체적으로, 전기 활성층 내에서 도전성 물질이 침전되어 연질 전극이 형성된다. 즉, 전기 활성층의 상부 또는 하부에 전극을 형성하기 위해 스퍼터링 장비와 같은 고가의 별도의 장비가 필요 없고, 중력에 의한 자연 침전 및 침전제에 의한 화학적 침전만으로 단순하고 용이하게 내부에 전극을 포함하는 전기 활성층이 대량으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 소자 제조 방법에서는 별도의 접착제 없이 전극이 내부에 형성된 복수의 전기 활성층을 열압착하여 가변 소자(100)가 용이하게 형성된다. 구체적으로, 전극이 전기 활성층의 내부에 배치되므로, 복수의 전기 활성층 외부에 전극이 배치되지 않는다. 이에 따라, 전기 활성층과 전극 사이 및 전극과 전극 사이를 접착하는 접착제가 필요 없고, 전기 활성층에 열 및 압력을 가하여 용이하게 가변 소자(100)가 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 5의 가변 소자(500)는 도 1의 가변 소자(100)와 비교하여 제2 전극(522)의 위치만 변경되었을 뿐, 다른 구성은 실질적으로 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 전기 활성층(110) 내부에 제1 전극(521) 및 제2 전극(522) 이 배치된다. 구체적으로, 제1 전극(521)은 전기 활성층의 하부에 배치되고, 제2 전극(522)은 전기 활성층(110)의 중심 부분에 가깝게 배치된다. 예를 들어, 제2 전극(522)은 전기 활성층(110)의 중심 부분보다 높은 부분에 배치될 수 있다. 즉, 도 4b에서의 제2 전기 활성층(412)의 상면이 제1 전기 활성층(411)의 상면과 접촉하도록, 제2 전기 활성층(412)이 뒤집히지 않고, 제2 전기 활성층(412)의 하면이 제1 전기 활성층(411)의 상면과 접촉하도록 배치된다. 이에 따라, 제1 전극(521)과 제2 전극(522) 사이의 거리(d4)는 도 2의 가변 소자(100)에서 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 거리(d3)보다 작아진다. 이에 따라, 제2 전극(522)이 전기 활성층(110)의 상부에 배치되는 경우보다 제1 전극(521)과 제2 전극(522) 사이의 거리가 감소한다. 제1 전극(521)과 제2 전극(522) 사이의 거리가 감소함에 따라, 전기 활성층(110)에 가해지는 맥스웰 스트레스의 크기도 증가된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 소자(500)에서는 제1 전극(521)과 제2 전극(522) 사이에서 맥스웰 스트레스의 크기가 증가한다. 구체적으로, 제1 전극(521)이 전기 활성층(110) 내에서 전기 활성층(110)의 하부에 배치되고, 제2 전극(522)은 도 2의 가변 소자(100)의 두께(d)의 반이 되는 중간 부분보다 높은 부분에 배치된다. 여기서, 제1 전극(521)과 제2 전극(522) 사이의 거리(d4)는 도 2의 가변 소자(100)에서 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 거리(d3)보다 작다. 이에 따라, 제1 전극(521)과 제2 전극(522) 사이에 형성된 전기 활성층의 두께(d4)가 감소하고, 제1 전극(521)과 제2 전극(522) 사이에 형성된 전기 활성층의 유효 전기장의 크기는 증가하여, 맥스웰 스트레스의 크기도 증가할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 분해 사시도이다. 도 6을 참조하면, 표시 장치(600)는 상부 커버(610), 터치 패널(620), 표시 패널(630), 가변 소자(640) 및 하부 커버(650)를 포함한다.
상부 커버(610)는 터치 패널(620), 표시 패널(630) 및 가변 소자(640)의 상부를 덮도록 터치 패널(620) 상에 배치된다. 상부 커버(610)는 표시 장치(600) 내부의 구성들을 외부의 충격 및 이물질이나 수분의 침투로부터 보호한다. 예를 들어, 상부 커버(610)는 열 성형이 가능하고 가공성이 좋은 플라스틱과 같은 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상부 커버(610)는 가변 소자(640)의 형상의 변화에 따라 함께 변형될 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상부 커버(610)는 플렉서빌리티를 갖는 플라스틱과 같은 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
가변 소자(100) 상에는 터치 패널(620)이 배치된다. 터치 패널(620)은 표시 장치(700)에 대한 사용자의 터치 입력을 감지하는 패널을 의미한다. 터치 패널(620)로서, 예를 들어, 정전 용량 방식, 저항막 방식, 초음파 방식, 적외선 방식 등이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 정전 용량 방식의 터치 패널(620)이 터치 패널(620)로서 사용될 수 있다.
도 6에 도시되지는 않았으나, 표시 패널(630), 가변 소자(640), 터치 패널(620) 및 상부 커버(610)를 서로 접착시키기 위한 접착층이 사용될 수 있다. 접착층은, 예를 들어, OCA(optical clear adhesive) 또는 OCR(optical clear resin)이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
표시 패널(630)은 표시 장치(600)에서 영상을 표시하기 위한 표시 소자가 배치된 패널을 의미한다. 표시 패널(630)로서, 예를 들어, 유기 발광 표시 패널, 액정 표시 패널, 전기 영동 표시 패널 등과 같은 다양한 표시 패널이 사용될 수 있다. 여기서, 표시 패널(630)은 유기 발광 표시 장치일 수 있다. 표시 패널(630)의 아래에 배치된 가변 소자(640)는 플렉서빌리티를 갖고 변형될 수 있으므로, 유기 발광 표시 장치도 플렉서빌리티를 갖고 변형될 수 있도록 구성될 수 있다. 즉, 유기 발광 표시 장치는 플렉서빌리티를 갖는 플렉서블(flexible) 유기 발광 표시 장치로서, 플렉서블 기판을 포함한다. 플렉서블 유기 발광 표시 장치는 외부에서 가해지는 힘에 의해 다양한 방향 및 각도로 변형될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 표시 패널(630)은 플렉서블 유기 발광 표시 장치로 구성된 것으로 상정하고 설명한다.
가변 소자(640)는 표시 패널(630) 하부에 배치된다. 구체적으로, 가변 소자(640)는 표시 패널(630) 하부에 배치된다. 가변 소자(640)는 표시 패널(630)의 하면에 직접 접촉되도록 배치될 수도 있고, 표시 패널(630)의 하면과 가변 소자(640)의 상면 사이에 접착층이 더 배치될 수도 있다. 여기서, 가변 소자(640)는 도 1 및 도 2에 도시된 가변 소자(100) 또는 도 5에 도시된 가변 소자(500) 중 하나일 수 있다.
또한, 가변 소자(640)는 표시 패널(630)과 전기적으로 연결될 수도 있다. 예를 들어, 표시 패널(630)에 배치된 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)와 가변 소자(640)의 전극이 배선에 의해 서로 전기적으로 연결될 수도 있다. 하부 커버(650)는 터치 패널(620), 표시 패널(630) 및 가변 소자(640)의 하부를 덮도록 가변 소자(640) 하부에 배치된다. 하부 커버(650)는 상부 커버(610)와 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 특히, 가변 소자(640)에 의해 다양한 형상으로 변형될 수 있는 터치 패널(620) 및 표시 패널(630)과 함께 변형될 수 있도록 하부 커버(650)도 플렉서빌리티를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 하부 커버(650)는 플렉서빌리티를 갖는 플라스틱과 같은 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
가변 소자(640)에 전압이 인가됨에 따라 가변 소자(640)가 변형된다. 이에 따라, 가변 소자(640)와 합착된 터치 패널(620) 및 표시 패널(630)도 가변 소자(640)의 변형에 따라 함께 변형되고, 표시 장치(600) 또한 변형된다.
본 발명의일 실시예에 따른 표시 장치(600)에서는 터치 패널(620), 표시 패널(630) 및 가변 소자(640)가 하나로 결합되고, 가변 소자(640)에 의해 표시 장치(600)가 다양한 형상으로 변형될 수 있다. 구체적으로, 가변 소자(640)에 전압이 인가되면 가변 소자(640)가 변형된다. 이에 따라, 가변 소자(640)가 변형되는 형상에 따라 터치 패널(620) 및 표시 패널(630)도 함께 변형된다. 즉, 표시 장치(600) 전체가 변형될 수 있으며, 가변 소자(640)의 변형에 의한 표시 장치(600)가 변형되는 모습에 대해서는 도 7을 참조하여 후술한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 표시 장치의 다양한 변형 형태를 설명하기 위한 예시적인 상태도이다. 도 7에서는 설명의 편의를 위해 표시 장치(700)가 스마트폰인 것으로 상정하고 설명한다.
도 7을 참조하면, 표시 장치(700)의 일부가 상부 또는 하부로 벤딩(bending)될 수 있다. 구체적으로, 표시 장치(700)에서 표시 화면(710)의 하부에 가변 소자가 고정되어 있고, 가변 소자의 구동에 의해 가변 소자 및 표시 장치(700) 전체가 변형된다. 즉, 가변 소자의 일부가 상부 또는 하부로 벤딩됨에 따라 표시 장치(700)의 일부도 상부 또는 하부로 벤딩될 수 있다. 여기서, 가변 소자의 일부가 일정한 주기를 가지고 상부 또는 하부로 벤딩됨에 따라 표시 장치(700)의 일부도 상부 또는 하부로 벤딩될 수 있다. 또한, 가변 소자의 일부가 상부 또는 하부로 벤딩된 상태에서 유지됨에 따라 표시 장치(700)의 일부도 상부 또는 하부로 벤딩된 상태에서 유지될 수 있다.
예를 들어, 표시 장치(700)에 입력되는 사용자의 터치 입력에 대응하는 출력으로 표시 장치(700)의 일부가 상부 또는 하부로 벤딩될 수 있다. 즉, 표시 장치(700)에서 메시지를 수신하거나, 표시 장치(700)에 음성 통화가 걸려오는 경우, 이에 대한 출력으로 표시 장치(700)의 일부가 상부 또는 하부로 벤딩될 수 있다.
표시 장치(700)에서 벤딩되는 부분, 벤딩되는 방향, 벤딩되는 시간 및 벤딩되는 방향이 변하는 주기 등은 표시 장치(700)를 통해 다양하게 설정될 수 있다. 즉, 가변 소자에 의한 표시 장치(700)의 형상의 변화는 사용자에 의해 다양하게 설정될 수 있으며, 위에 제시된 예시적인 형상의 변화에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 표시 장치(700)에서는 다양한 입력에 대응하여 입력에 따라 상이하게 가변 소자가 변형된다. 구체적으로, 변형되는 부분, 변형되는 방향, 변형이 지속되는 시간 및 변형되는 방향이 변하는 주기 등은 표시 장치(700)에 인가되는 입력마다 상이하게 설정될 수 있다. 이에 따라, 가변 소자에 의해 표시 장치(700)가 다양한 형상으로 변형되어 사용자에게 다양한 종류의 출력이 제공될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 전자 신문의 예시적인 도면이다. 도 8을 참조하면, 전자 신문(800)은 표시 패널(810) 및 표시 패널(810)의 하부에 합착된 가변 소자를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 전자 신문(800)에서 가변 소자에 의해 실제 종이 신문을 보는 것과 비슷한 느낌이 제공될 수 있다. 전자 신문(800)의 표시 패널(810)을 통해 페이지를 넘기는 신호를 입력하면, 신호가 입력된 부분의 가변 소자가 변형될 수 있다. 이에 따라, 가변 소자가 변형되면서 전자 신문(800)의 일부가 일시적으로 벤딩되어 종이 신문과 같이 페이지를 넘기는 느낌이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 전자 신문(800)에서 새로운 기사가 업로드되어 표시되는 경우, 전자 신문(800)의 일부가 변형되어 기사가 업로드 되었다는 사실이 제공된다. 예를 들어, 새로운 헤드라인을 갖는 기사가 업로드된 경우, 기사가 업로드된 부분의 가변 소자가 변형되어 기사의 업로드 사실이 즉각적으로 표시된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 시계의 예시적인 도면이다. 도 9를 참조하면, 시계(900)는 표시 패널(910) 및 표시 패널(910)의 하부에 합착된 가변 소자를 포함한다. 여기서, 설명의 편의를 위해 시계(900)는 스마트 워치(smart watch)로 상정하고 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 시계(900)에서 가변 소자에 의해 시계(900)의 다양한 기능이 구현될 수 있다. 시계(900)의 표시 패널(910)을 통해 일반적인 시간 정보가 표시된다. 또한, 시계(900)의 표시 패널(910)을 통해 날씨, 뉴스 등이 표시될 수 있다. 또한, 시계(900)는 간단한 통화 기능을 포함할 수 있으며, 시계(900)를 차고 있는 사용자의 심박수를 판단할 수도 있다. 여기서, 매시 정각을 알리거나 지정된 알람 시간을 알리기 위해 시계(900) 내부의 가변 소자가 수축될 수 있다. 이에 따라, 사용자의 손목을 조여 시간 정보가 제공될 수 있다. 또한, 새로운 날씨 정보나 뉴스가 표시되는 경우에도 시계(900) 내부의 가변 소자가 수축되거나, 전화가 수신되는 경우 시계(900)의 표시 패널(910)의 일부에 돌출부가 형성되어 정보가 제공될 수 있다. 또한, 시계(900)의 일부를 통해 측정된 사용자의 심박수가 위험 수준인 경우 시계(900) 내부의 가변 소자가 수축되거나 형상이 변하여 사용자에게 경고 알림이 제공될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 커튼(curtain)의 예시적인 도면이다. 도 10을 참조하면, 커튼(1000)은 표시 패널(1010) 및 표시 패널(1010)의 하부에 합착된 가변 소자를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자를 포함하는 커튼(1000)에서 가변 소자에 의해 외부 환경에 대한 정보가 다양한 방식으로 표현될 수 있다. 구체적으로, 커튼(1000)의 표시 패널(1010)을 통해 외부의 날씨가 정해진 화면으로 표시될 수 있고, 커튼(1000)의 형태가 변경되어 구체적인 날씨의 상태가 표현될 수 있다. 예를 들어, 흐린 날씨에 바람이 부는 경우, 커튼(1000)의 표시 패널(1010)을 통해 구름이 표시되고, 바람이 부는 방향 및 바람의 속도에 따라 가변 소자에 의해 커튼(1000)의 일부가 벤딩되고, 벤딩되는 부분의 면적도 상이해질 수 있다. 즉, 바람의 방향에 따라 실제 커튼이 접히거나 흔들릴 수 있는 방향이 커튼(1000)의 벤딩 방향으로 표현될 수 있고, 강한 바람일수록 커튼(1000)이 벤딩되는 부분의 면적이 증가할 수 있다. 또한, 유리창을 통해 입사되는 조도량이 일정 조도량 이하가 되면, 커튼(1000)이 자동으로 상부로 말려 올라가거나 좌측 또는 우측 방향으로 접힐 수도 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 500: 가변 소자
110: 전기 활성층
121, 521: 제1 전극
122, 523: 제2 전극
411: 제1 전기 활성층
412: 제2 전기 활성층
491: 제1 전기 활성층용 물질
492: 제2 전기 활성층용 물질
600, 700: 표시 장치
610: 상부 커버
620: 터치 패널
630, 710, 810, 910, 1010: 표시 패널
640: 가변 소자
650: 하부 커버
800: 전자 신문
900: 시계
1000: 커튼
110: 전기 활성층
121, 521: 제1 전극
122, 523: 제2 전극
411: 제1 전기 활성층
412: 제2 전기 활성층
491: 제1 전기 활성층용 물질
492: 제2 전기 활성층용 물질
600, 700: 표시 장치
610: 상부 커버
620: 터치 패널
630, 710, 810, 910, 1010: 표시 패널
640: 가변 소자
650: 하부 커버
800: 전자 신문
900: 시계
1000: 커튼
Claims (13)
- 전기 활성층;
상기 전기 활성층의 내부에 배치된 제1 전극; 및
상기 전기 활성층의 내부에 배치되고, 상기 제1 전극 상에 배치된 제2 전극을 포함하고,
상기 전기 활성층은 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 모든 면을 둘러싸도록 배치되고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 도전성 물질과 반응하는 침전제를 포함하는, 가변 소자. - 제1항에 있어서,
상기 전기 활성층은 전기 활성 고분자를 포함하는, 가변 소자. - 제2항에 있어서,
상기 전기 활성층은 엘라스토머(elastomer)를 포함하는, 가변 소자. - 제2항에 있어서,
상기 전기 활성층은 불순물 더 포함하는, 가변 소자. - 제4항에 있어서,
상기 불순물은 도전성 물질, 침전제 및 도전성 물질과 침전제의 화합물 중 적어도 하나를 포함하는, 가변 소자. - 제4항에 있어서,
상기 전기 활성층 내에서 불순물의 농도는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인접할수록 증가하는, 가변 소자. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전기 활성층의 두께는 100 ㎛ 내지 400 ㎛인, 가변 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극의 하면과 상기 전기 활성층의 하면 사이의 두께 및 상기 제2 전극의 상면과 상기 전기 활성층의 상면 사이의 두께 중 적어도 하나는 0.1㎛ 내지 10㎛인, 가변 소자. - 제9항에 있어서,
상기 제1 전극의 하면과 상기 전기 활성층의 하면 사이의 두께 및 상기 제2 전극의 상면과 상기 전기 활성층의 상면 사이의 두께 중 적어도 하나는 상기 전기 활성층의 두께에 비례하는, 가변 소자. - 터치 패널;
상기 터치 패널 하부에 배치된 표시 패널; 및
상기 표시 패널 하부에 배치된 가변 소자를 포함하고,
상기 가변 소자는 전기 활성층 및 상기 전기 활성층의 내부에 삽입된 전극으로 이루어지고,
상기 전기 활성층은 상기 전극의 모든 면을 둘러싸도록 배치되고,
상기 전극은 도전성 물질과 반응하는 침전제를 포함하는, 표시 장치. - 제11항에 있어서,
상기 표시 패널은 플렉서블 기판을 갖는, 표시 장치. - 제11항에 있어서,
상기 가변 소자의 하부에 배치된 하부 커버; 및
상기 가변 소자의 상부에 배치된 상부 커버를 더 포함하고,
상기 하부 커버 및 상기 상부 커버는 플렉서빌리티(flexibility)를 갖는 물질로 이루어진, 표시 장치.
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2015
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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