KR20120104326A

KR20120104326A - 광학적 및 전기적 성능이 개선된 다층 전극을 구비한 터치 감응 장치

Info

Publication number: KR20120104326A
Application number: KR1020127018096A
Authority: KR
Inventors: 마노지 니르말; 스티븐 피 마키; 도날드 제이 맥클루어; 조셉 더블유 우디
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-09-20
Also published as: WO2011084261A2; TWI521396B; EP2513764A4; US8730184B2; WO2011084261A3; US20110139516A1; JP2013514589A; EP2513764A2; EP2513764B1; CN102667691B; TW201207686A; CN102667691A; JP5873025B2

Abstract

터치 센서는 하나 이상의 다층 전극들을 포함하며, 상기 전극들은 투명 또는 반투명 중간 층들에 의해 분리된 적어도 2개의 투명 또는 반투명 전도성 층들을 포함한다. 중간 층은 전도성 필름 또는 전극을 포함하는 장치에서 특정 층들 사이에서 발생하는 계면 반사를 줄이는 데 도움이 되도록 제1 전도성 층과 제2 전도성 층 사이에서 전기 전도성 경로를 포함한다.

Description

광학적 및 전기적 성능이 개선된 다층 전극을 구비한 터치 감응 장치{TOUCH SENSITIVE DEVICE WITH MULTILAYER ELECTRODE HAVING IMPROVED OPTICAL AND ELECTRICAL PERFORMANCE}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2009년 8월 13일자로 출원된, 발명의 명칭이 "디스플레이 및 조명 장치와 태양 전지를 위한 광학적 및 전기적 성능이 개선된 전도성 필름 또는 전극(Conducting Film or Electrode with Improved Optical and Electrical Performance for Display and Lighting Devices and Solar Cells)"인 미국 특허 출원 제12/540394호; 및 2008년 6월 18일자로 출원된, 발명의 명칭이 "광학적 및 전기적 성능이 개선된 전도성 필름 또는 전극(Conducting Film or Electrode with Improved Optical and Electrical Performance)"인 미국 특허 출원 제12/141544호에 관한 것이다.

터치 스크린은 흔히 디스플레이 상에 입혀진 투명 터치 센서를 터치하여 명령을 신호로 보냄으로써 사용자가 연산 장치와 상호작용하게 하는 간단하고 직관적인 방식을 제공한다. 터치 센서는 전형적으로 투명 전도성 산화물로 형성된 단층(single-layer) 전극으로 구성된다.

본 발명에 부합되는 하나 이상의 전도성 다층 전극들을 갖는 터치 센서는 기재(substrate), 및 각각의 다층 전극에 대한, 투명 또는 반투명 중간 층(intervening layer)에 의해 분리된 2개의 투명 또는 반투명 전도성 층들을 포함한다. 이러한 전극을 포함하는 장치에서 발생하는 원치않는 계면 반사(interfacial reflection)를 줄이는 데 도움이 되는 중간 층은 2개의 전도성 층들 사이의 전기 전도성 경로(pathway)를 포함한다. 중간 층은 또한 굴곡 및 굽힘의 조건 하에서 전도성 층의 내구성을 개선시킨다. 전도성 층들 사이의 전도성 경로 및 중간 층의 사용은 더 얇은 개별 전도성 층들을 허용한다. 더 얇은 개별 전도성 층들은 합한 전도성 층 두께가 동일한 단일 전도성 층보다 더 가요성이다. 단일의 두꺼운 전도성 층의 굴곡은 2개의 더 얇은 전도성 층들이 온전하게 견뎌낼 조건 하에서 균열을 일으킬 것이다. 2개의 전도성 층들 사이의 전도성 경로는 또한 하나의 전도성 층에서의 균열이 전도도의 전체 손실로 이어지지 않도록 여분의 전기적 경로를 제공한다. 단일의 두꺼운 전도성 층에서, 균열은 개방 회로 및 조기 장치 고장으로 이어질 수 있다. 중간 층은 전도성 필름의 전체 가요성을 최적화하도록 선택될 수 있다.

첨부 도면은 본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하며, 상세한 설명과 더불어 본 발명의 이점 및 원리를 설명한다.
<도 1>
도 1은 터치 감응 장치 및 전자 장치의 개략도.
<도 2>
도 2는 예시적인 터치 감응 장치에 사용되는 터치 패널의 일부분의 단면을 도시하는 도면.
<도 3>
도 3은 예시적인 터치 감응 장치에 사용되는 터치 패널의 일부분의 단면을 도시하는 도면.
<도 4>
도 4는 전도성 경로를 구비한 중간 층을 갖는 다층 전극의 도면.
<도 5>
도 5는 중간 전도성 층을 갖는 다층 전극의 도면.
<도 6>
도 6은 전도성 입자가 결합제에 분산된 중간 층을 갖는 다층 전극의 도면.
<도 7>
도 7은 다수의 중간 층들을 갖는 다층 전극의 도면.
<도 8a>
도 8a는 다수의 중간 층들을 갖는 다층 전극의 도면.
<도 8b>
도 8b는 다수의 중간 층들을 갖는 X-축 다층 전극 및 다수의 중간 층들을 갖는 Y-축 다층 전극을 도시하는, 노드에서의 매트릭스형 터치 스크린의 단면의 도면.
<도 9a 내지 도 9c>
도 9a 내지 도 9c는 다층 전극들이 구현될 수 있는 다양한 패턴들을 도시하는 도면.
<도 10>
도 10은 매트릭스형 터치 스크린 시제품(prototype)을 위한 다층 전극 패턴의 평면도.

본 발명의 실시 형태는 전기적 및 광학적 성능이 개선된 다층 전극을 갖는 터치 센서에 관한 것이다. 전극은 예를 들어 층들 사이에 일어나는 반사가 장치 성능에 해로운 임의의 센서 또는 디스플레이 내부에 사용될 수 있다. 센서는 유리 또는 PET와 같은 임의의 적합한 기재 상에 배치될 수 있다. 다층 전극은 또한 불투명한 터치 센서 내로 포함될 수 있다. 다층 전극 패턴은 바아(bar), 삼각형, 허니콤, 또는 임의의 다른 적합한 패턴을 구현할 수 있다. 센서는 전극간 또는 전극-접지 커패시턴스(capacitance)의 변화를 검출하고 이에 의해 터치 또는 유사 터치(near touch)의 좌표를 결정하는 전자 구성요소에 결합될 수 있다.

다층 전극은 상이한 굴절률을 갖고 전기 전도성 경로를 갖는 중간 전도성 층 또는 절연 층과 함께, 특정 굴절률을 갖는 2개 이상의 전도성 층을 포함한다. 전도성 층과 중간 층은 각각 투명 또는 반투명이다. 전극 스택 내의 개별 층들의 두께와 개별 층들의 광 굴절률은 이들 기재가 터치 센서 내에 포함될 때 원치않는 프레넬 반사(Fresnel reflection)를 최소화하도록 조정된다. 일 실시 형태에서, 다층 전극의 전도성 층들은 대칭인데, 이는 이들이 동일한 두께를 갖는다는 것을 의미한다. 다른 실시 형태에서, 전도성 층들은 상이한 두께를 가질 수 있다.

이러한 다층 전극 구성은 블랙 레벨(black level), 채도(color saturation), 그리고 그에 따른 디스플레이의 콘트라스트(contrast)를 상당히 개선시킨다. 또한, 중간 층들은 전극의 전도성 층들 사이의 전기적 접촉을 가능하게 한다. 그 결과, 다층 전극의 전기 전도도는 스택 내의 개별 전도성 층들의 전기 전도도보다 더 높다. 전극의 표면 저항(sheet resistance)에 의해 터치 센서의 크기가 제한될 수 있으므로, 다층 전극은 더 큰 터치 센서의 제작을 가능하게 한다. 다층 전극을 사용하여 제작된 센서는 단층 전극을 갖는 장치에 비하여 상당히 개선된 전기적 및 광학적 성능을 나타낸다.

도 1에, 예시적인 터치 장치(110)가 도시되어 있다. 장치(110)는 전자 회로에 연결된 터치 패널(112)을 포함하며, 전자 회로는 간단함을 위해 114로 표시된 하나의 개략적인 상자로 함께 그룹화되어 있고 총칭하여 제어기라고 한다. 터치 패널(112)은 간단함을 위해 5x5 매트릭스의 열 전극(column electrode)(116a 내지 116e) 및 행 전극(row electrode)(118a 내지 118e)을 갖는 것으로서 도시되어 있지만, 다른 개수의 전극 및 다른 매트릭스 크기가 또한 사용될 수 있을 뿐만 아니라 단일의 비-패턴형 층과 같은 비-매트릭스형의 패턴을 비롯한 다른 전극 패턴이 표면 정전용량형(surface capacitive type) 터치 센서에 사용된다. 본 명세서에 기재된 바와 같은 다층 전극은, 일부 실시 형태에서, 감소된 저항 및 증가된 신호 대 잡음비로 인해 매우 큰 정전용량-기반 멀티터치 센서를 가능하게 할 수 있다.

패널(112) 상의 다층 전극은 개선된 전기적 및 광학적 특성을 초래하는, 본 명세서에 개시된 구성을 갖는다. 패널(112)은 전형적으로 사용자가 패널(112)을 통해 물체, 예를 들어 컴퓨터, 텔레비전, 핸드헬드 장치, 휴대폰, 또는 기타 주변 장치의 픽셀화된 디스플레이를 볼 수 있도록 실질적으로 투명하다. 경계(120)는 패널(112)의 가시 영역(viewing area)과 또한 바람직하게는, 사용되는 경우, 이러한 디스플레이의 가시 영역을 나타낸다. 다층 전극(116a 내지 116e, 118a 내지 118e)들은 가시 영역(120) 위에, 사시적인 평면도로 볼 때 공간적으로 분포되어 있다. 설명의 편의상, 다층 전극이 넓고 잘 보이도록 도시되어 있지만, 실제로는 비교적 좁고 사용자에게 잘 보이지 않게 되어 있을 수 있다. 게다가, 전극이 가변 폭 - 예를 들어, 전극간 프린지 전계(inter-electrode fringe field)를 증가시키고 그로써 전극간 용량성 커플링에 대한 터치의 효과를 증가시키기 위해 매트릭스의 노드의 근방에서 다이아몬드-형상 또는 기타 형상의 패드의 형태로 증가된 폭 - 을 가지도록 설계될 수 있다. 깊이 측면에서 볼 때, 열 전극과 행 전극 사이에 상당한 오옴 접촉(ohmic contact)이 일어나지 않도록 그리고 주어진 열 전극과 주어진 행 전극 사이의 유효 전기 커플링만이 용량성 커플링이도록 열 전극이 행 전극과는 상이한 평면에 있을 수 있다(도 1에서 볼 때, 열 다층 전극(116a 내지 116e)이 행 다층 전극(118a 내지 118e) 아래에 있다). 다층 전극의 매트릭스가 전형적으로 커버 유리, 플라스틱 필름 등의 아래에 있어서, 전극이 사용자의 손가락 또는 기타 터치-관련 도구와의 직접적인 물리적 접촉으로부터 보호되게 한다. 이러한 커버 유리, 필름 등의 노출된 표면은 터치 표면이라고 할 수 있다. 매트릭스 이외의 터치 감응 장치의 구성이 본 명세서에 개시된 다층 전극을 사용하여 또한 가능하다. 예를 들어, 소정 표면 상에 배치된 2개의 전극을 포함하는 용량성 버튼들이 버튼의 영역 내부에서 서로 충분히 밀접하게 되어 용량성 커플링을 갖도록 한다. 이들 2개의 전극(하나 또는 둘 모두는 다층 전극임)은 서로 동일한 층에 형성된 동일한 평면 상에 있을 수 있다. 또한, (복수의 전극들로 구성된) 매트릭스보다는, 단일 시트형(sheet-type) 전극과 같은 다른 구성이 또한 가능하다. 이러한 시트형 전극은 때때로 표면 정전용량형 센서에 사용되며, 전극은 전체 터치 표면을 실질적으로 덮는 비-패턴형 코팅이다. 일반적으로 말하면, 가장 잘 알려진 전극 구성이 본 명세서에 기재된 다층 전극을 사용하여 가능하다.

예시적인 실시 형태에서, 다층 전극(116a 내지 116e, 118a 내지 118e) 들 중 일부 또는 모두는 특정 굴절률을 갖는 둘 이상의 전도성 층 및 상이한 굴절률을 갖고 전기 전도성 경로를 갖는 중간 전도성 층으로 구성될 수 있다.

임의의 열 및 행 전극간의 용량성 커플링은 주로 전극들이 서로 가장 가까이 있는 영역에서의 전극들의 기하형태의 함수이다. 이러한 영역은, 도 1에서 일부가 도면부호로 표시된, 전극 매트릭스의 "노드"에 대응한다. 예를 들어, 열 다층 전극(116a)과 행 다층 전극(118d) 사이의 용량성 커플링은 노드(122)에서 주로 발생하고, 열 다층 전극(116b)과 행 다층 전극(118e) 사이의 용량성 커플링은 노드(124)에서 주로 발생한다. 도 1의 5x5 매트릭스는 25개의 이러한 노드를 가지며, 이들 중 임의의 노드가, 각자의 열 다층 전극(116a 내지 116e)을 제어기에 개별적으로 결합시키는 제어 라인(126)들 중 하나의 제어 라인의 적절한 선택 및 각자의 행 다층 전극(118a 내지 118e)을 제어기에 개별적으로 결합시키는 제어 라인(128)들 중 하나의 제어 라인의 적절한 선택을 통해, 제어기(114)에 의해 어드레싱될 수 있다.

상호 커패시턴스형(mutual capacitance-type) 시스템에서, 터치 위치(131)에 나타낸 바와 같이, 사용자의 손가락(130) 또는 기타 터치 도구가 장치(110)의 터치 표면과 접촉하거나 거의 접촉할 때, 손가락은 전극 매트릭스와 용량적으로 결합한다. 손가락은 매트릭스로부터, 특히 터치 위치에 가장 가까이 있는 그 전극으로부터 전하를 끌어내고, 그렇게 할 때, 손가락은 가장 가까운 노드(들)에 대응하는 전극들 사이의 커플링 커패시턴스를 변경한다. 예를 들어, 터치 위치(131)에서의 터치는 다층 전극(116c/118b)에 대응하는 노드에 가장 가깝게 있다. 바람직하게는, 제어기는, 있는 경우, 매트릭스의 모든 노드의 커패시턴스의 변화를 신속하게 검출하도록 구성되어 있고, 보간에 의해 노드들 사이에 있는 터치 위치를 정확하게 결정하기 위해 이웃 노드에 대한 커패시턴스 변화의 크기를 분석할 수 있다. 게다가, 제어기(114)는 유리하게도 동시에 또는 중복하는 때에 터치 장치의 상이한 부분에 가해지는 다수의 개별 터치들을 검출하도록 설계되어 있다. 따라서, 예를 들어, 다른 손가락(132)이, 손가락(130)의 터치와 동시에, 터치 위치(133)에서 장치(110)의 터치 표면을 터치하는 경우, 또는 각자의 터치가 적어도 시간적으로 중복하는 경우, 제어기는 바람직하게는 이러한 터치 둘 모두의 위치(131, 133)를 검출하고 터치 출력(114a)을 통해 이러한 위치를 제공할 수 있다.

많은 가능한 구동 및 검출 루틴(routine)이 가능하며 당업계에 알려져 있다. 커패시턴스 대 접지형 시스템은 전극들 사이의 커패시턴스보다는 전극 매트릭스의 노드 부근에서 일어나는 커패시턴스 대 접지의 변화를 측정한다.

이제 도 2로 돌아가면, 거기에서, 도 1의 장치(110)와 같은 터치 장치에서 사용하기 위한 다층 터치 센서(210)의 일부분의 개략도를 보게 된다. 터치 센서(210)는 유리, PET, 또는 내구성 코팅일 수 있는 상부 층(212)(사용자에게 가장 가까운 층일 것이며, 그 상부 표면(212a)은 터치 센서의 터치 영역을 한정할 것임)을 포함한다. 상부 전극 층(214)은 제1 세트의 다층 전극을 포함한다. 유전 층(216)은 하부 전극 층(218)으로부터 상부 전극 층을 분리하며; 하부 전극 층은, 일 실시 형태에서 제1 세트의 전극에 직교하는 한 세트의 다층 전극(218a 내지 218e)을 또한 포함한다. 다른 실시 형태에서, 상부 및 하부 전극들은 서로 직교하지 않는다. 하부 층(220)은, 상부 층과 같이, 유리, PET, 또는 다른 재료일 수 있다. 상부 층(212)의 노출된 표면(212a) 또는 하부 층(220)의 노출된 표면(220a)은 터치 센서(210)의 터치 표면이거나 이를 포함할 수 있다. 이는 터치 센서를 구성하는 스택의 단순화된 도면이며, 더 많거나 더 적은 층 및 다른 중간 층이 가능하다.

이제 도 3으로 돌아가면, 센서 스택(10), 즉 도 1의 장치(110)와 같은 터치 장치에서 사용하기 위한 다층 터치 센서(210)의 일부분의 개략적인 3차원 도면을 보게 된다. 도 3의 단면은 예를 들어 도 1의 노드(122 또는 124)에서 보여지는 것에 대응하며, 상부 층(212), 전극(214), 유전 층(216), 전극(218), 및 하부 층(220)을 포함한다. 전극에 의해 반사된 광은 반사(24, 26, 27, 28)로 나타내어진, 굴절률 부정합으로 인한 각각의 층 계면에서의 원치않는 프레넬 반사 및 평면 반사를 포함한다. 프레넬 반사는 전형적으로 광대역이며, 따라서 디스플레이의 채도를 저하시킨다. 전극에 의해 반사된 광은 산란 및 계면 프레넬 반사를 포함한다. 이들 반사는 아래에 놓인 디스플레이의 블랙 레벨을 저하시키고 그에 따라 콘트라스트 비를 저하시킨다. 이들은 또한, 특히 디스플레이가 오프되거나 전극보다 큰 영역에서 단색으로 설정된 때, 센서 내부의 전극을 사용자에게 더욱 눈에 띄게 한다.

프레넬 반사의 크기는 계면에서의 굴절률 비에 따라 좌우된다. 수직 입사에서, 이는 하기 식에 의해 결정된다:

여기서, n은 굴절률 n2, n1을 갖는 2개의 매체의 상대 굴절률(relative index)이다. 가장 높은 상대 굴절률을 갖는 계면에서 프레넬 반사가 가장 강하다. 도 3에 도시된 센서 스택(10)의 다양한 층들의 굴절률들은, 전극의 경우 n = 2.0이고 기재의 경우 n = 1.65이다. 센서 스택(10)에서, 가장 높은 굴절률 단차는 따라서 고굴절률 인듐 주석 산화물(ITO)과 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기재 사이의 계면에서 일어난다. 센서 스택(10)은 2개의 ITO/PET 계면을 포함한다. 조명에 따라, 이들 계면은 입사광의 상당 부분을 반사시킬 수 있고 전극을 사용자에게 꽤 눈에 띄게 할 수 있다.

비교해보면, 본 발명의 실시 형태의 다층 전극 설계는 양호한 광학적 및 전기적 성능 둘 모두를 초래한다. 이 다층 전극 설계에서의 중간 유전 층은 2개의 전도성 층들 사이의 전기적 접촉을 가능하게 하는 전기 전도성 경로를 갖는 투명 또는 반투명 층이다. 이 경로는 중간 층의 두께 및 침착 조건을 제어함으로써 자연적으로 형성될 수 있다. 기재에 가장 가까운 제1 전도성 층의 화학적 및 물리적 특성은 또한, 중간 층이 불연속적이어서 인접한 층들 사이의 전기적 접촉을 가능하게 하도록 중간 층의 습윤 특성을 변경함으로써 이들 경로의 형성을 가능하게 하도록 조정될 수 있다. 대안적으로, 이 경로는 레이저 융삭(laser ablation), 이온 충격 또는 습식/건식 에칭과 같은 기술을 사용하여 생성될 수 있다.

중간 층은 스퍼터링, 전자빔, 또는 열 증착(thermal evaporation)과 같은 증착 기술을 사용하여 침착될 수 있다. 중간 층은 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리올레핀, 폴리에폭사이드, 폴리에테르 등과 같은 공중합체를 비롯한 중합체, 및 금속 산화물, 질화물, 탄화물, 및 그 혼합물과 같은 무기 재료를 포함할 수 있다. 바람직한 비전도성 중간 층은 폴리아크릴레이트 및 규소 산화물을 포함한다. 중간 층은 또한 용액 코팅을 사용하여 형성될 수 있다. 단량체가 기재 상에 증발되며 원 위치에서(in-situ) 경화되는 울트라배리어 필름(ultrabarrier film) 공정도 또한 사용될 수 있다. 울트라배리어 필름은, 완전히 기술되어 있는 것처럼 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제5,440,446호, 제5,877,895호 및 제6,010,751호에 기재된 바와 같이, 예를 들어 유리나 다른 적합한 기재 상의 다수의 층들로 순차적으로 2개의 무기 유전체 재료를 진공 증착시키거나 또는 무기 재료와 유기 중합체의 교대 층들을 진공 증착시킴으로써 제조된 다층 필름을 포함한다.

일 실시 형태가 도 4의 스택(40)으로서 도시되어 있다. 다층 전극은, 투명 층(46) 내의 개구(48)를 통해 연장하여 전극(42, 50)을 접속시키는 전도성 링크(link, 44)를 포함하는 전기 전도성 경로를 갖는 저굴절률 투명 또는 반투명 층(46)에 의해 분리된 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO) 또는 반투명 전도성 산화물의 2개의 고굴절률 전도성 층(42, 50)을 포함한다. 기재(52)는 전극을 지지한다. 이들 층들은 개념을 설명하기 위해 떨어져 있는 것으로 도시되어 있다.

다른 실시 형태에서, 도 5의 스택(54)에 도시된 바와 같이, 중간 층은 양 면의 전도성 층들보다 더 낮은 굴절률을 갖는 투명 또는 반투명 전도체이다. 스택(54)에 포함된 다층 전극에서, 중간 전도성 층(58)이 TCO 또는 반투명 전도성 산화물의 2개의 인접한 전도성 층(56, 60)들 사이에서 연속적인 전기 전도성 경로를 제공할 수 있다. 기재(62)는 다층 전극을 지지한다. 중간 층(58)은 용액 코팅 또는 전착된 전도성 중합체를 포함할 수 있다. 이는 또한 증착된 투명 전도체일 수 있다. 전도성 중합체는 하기의 예시적인 재료, 즉 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 및 PEDOT/PSS(폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)/폴리스티렌설폰산)를 포함한다. 전도성 층들의 합한 두께는 표면 저항 요건에 의해 제한되며, 개별 층들의 두께는 원하는 광학적 특성을 위해 최적화된다.

또 다른 실시 형태에서, 도 6의 스택(64)에 도시된 바와 같이, 중간 층은 결합제 내에 분산된 전도성 입자를 포함한다. 결합제(68) 내의 전도성 입자(70)는 TCO 또는 반투명 전도성 산화물의 전도성 층(66, 72)들 사이에서 전도성 경로를 제공하여서, 다층 전극을 형성한다. 기재(74)는 스택을 지지한다. 결합제는 전도성 또는 절연성일 수 있다. 전도성 입자는 유기, 무기 또는 금속성일 수 있다. 전도성 입자는 또한 금속 코팅된 입자를 포함한다. 중간 층의 굴절률은 결합제와 전도성 입자의 부피 분율(volume fraction)을 변경함으로써 조정될 수 있다.

다층 전극을 위한 매트릭스와 매립된 전도성 나노입자에는 하기가 포함될 수 있다. 매트릭스는 임의의 투명 또는 반투명 (전도성 또는 절연성) 중합체(예를 들어, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 또는 상기 열거된 전도성 중합체), 또는 전도성(예를 들어, 상기 열거된 TCO) 또는 절연성(SiO₂, 규소 질화물(Si_xN_y), 아연 산화물(Z_nO), 알루미늄 산화물(Al₂O₃), 또는 마그네슘 불화물(MgF₂))인 투명 또는 반투명 무기 재료를 포함할 수 있다. 전도성 나노입자에는 상기 열거된 것들과 같은 전도성 중합체, 금속(예를 들어, 은, 금, 니켈, 크롬), 또는 금속 코팅된 입자가 포함될 수 있다. 매트릭스가 전도성이라면, 나노입자는 절연성일 수 있고, 특히 상기 열거된 절연성 재료(예를 들어, SiO₂, 규소 질화물, 아연 산화물, 또는 기타 절연성 재료)의 나노입자일 수 있다.

다층 전극을 사용하는 장치를 위한 기재에는 디스플레이 또는 전자 장치를 제조하는 데 사용하기 위한 임의의 유형의 기재 재료가 포함될 수 있다. 기재는, 예를 들어 유리 또는 기타 재료의 사용에 의해 강성으로 될 수 있다. 또한, 기재는 예를 들어 플라스틱 또는 기타 재료의 사용에 의해 만곡되거나 가요성으로 될 수 있다. 기재는 하기의 예시적인 재료, 즉 유리, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카르보네이트(PC), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리이미드(PI), 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 폴리사이클릭 올레핀(PCO), 셀룰로오스 트라이아세테이트(TAC), 및 폴리우레탄(PU)을 사용하여 제조될 수 있다.

기재에 적합한 기타 재료에는 클로로트라이플루오로에틸렌-비닐리덴 플루오라이드 공중합체(CTFE/VDF), 에틸렌-클로로트라이플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE), 플루오르화 에틸렌-프로필렌 공중합체(FEP), 폴리클로로트라이플루오로에틸렌(PCTFE), 퍼플루오로알킬-테트라플루오로에틸렌 공중합체(PFA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(TFE/HFP), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌-비닐리덴 플루오라이드 삼원중합체(THV), 폴리클로로트라이플루오로에틸렌(PCTFE), 헥사플루오로프로필렌-비닐리덴 플루오라이드 공중합체(HFP/VDF), 테트라플루오로에틸렌-프로필렌 공중합체(TFE/P) 및 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로메틸에테르 공중합체(TFE/PFMe)가 포함된다.

다른 적합한 기재에는 배리어 필름 및 울트라배리어 필름이 포함된다. 완전히 기재되어 있는 것처럼 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제7,468,211호에 배리어 필름의 일례가 기재되어 있다. 울트라배리어 필름은, 완전히 기재되어 있는 것처럼 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제5,440,446호, 제5,877,895호 및 제6,010,751호에 기재된 바와 같이, 예를 들어 유리나 다른 적합한 기재 상의 다수의 층들로 순차적으로 2개의 무기 유전체 재료를 진공 증착시키거나 또는 무기 재료와 유기 중합체의 교대 층들을 진공 증착시킴으로써 제조된 다층 필름을 포함한다.

다층 전극을 위한 TCO에는 하기의 예시적인 재료, 즉 ITO; 주석 산화물; 카드뮴 산화물(CdSn₂O₄, CdGa₂O₄, CdIn₂O₄, CdSb₂O₆, CdGeO₄); 인듐 산화물(In₂O₃, Ga, GaInO₃ (Sn, Ge), (GaIn)₂O₃); 아연 산화물(ZnO(Al), ZnO(Ga), ZnSnO₃, Zn₂SnO₄, Zn₂In₂O₅, Zn₃In₂O₆); 및 마그네슘 산화물(MgIn₂O₄, MgIn₂O_4--Zn₂In₂O₅)이 포함된다.

전술된 실시 형태는 중간 층에 의해 분리된 2개의 투명 또는 반투명 전도성 층들을 포함하지만, 도 7 및 도 8a에 도시된 바와 같이 원하는 광학적 및 전기적 특성에 따라 추가적인 투명 또는 반투명 전도성 층 및 중간 층이 추가될 수 있다. 도 7 및 도 8a에 도시된 스택(76, 90)은 단일 전극으로서 기능하는 하기의 층들, 즉 다수의 투명 또는 반투명 전도성 층(78, 82, 86)들, 이 전도성 층들 사이의 투명 또는 반투명 중간 층(80, 84)들, 및 기재(88)를 포함한다. 전극이 특정 장치에 대해 최적화되거나 조정된 임의의 수의 층들을 갖도록 전도성 층과 중간 층의 추가적인 층들이 마찬가지로 추가될 수 있다. 센서를 디스플레이 스택 상으로 포함시키는 것이 또한 가능한데, 여기서 디스플레이 스택과 접촉하는 층은 도 7에 도시된 전도성 층(78) 또는 도 8a에 도시된 절연 층(92)(예를 들어, 광학적으로 투명한 접착제)에 대해 도시된 바와 같이 필요한 대로 전도성이거나 절연성일 수 있다. 더욱이, 다층 전극은 원하는 최종 용도를 위한 상이한 광학적 특성에 맞추어 "조정될" 수 있다. 예를 들어, 중간 층을 위한 재료, 및 층들의 두께들은 디스플레이가 오프 상태에 있는 상태에서의 반사의 감소와 같은 요구되는 용도 또는 특성을 위해 변경될 수 있다.

도 7 및 도 8a는 3개의 전도성 층(및 2개의 중간 층)을 갖는 다층 전극을 도시하는 반면에, 도 8b는 3-전도성 층 스택을 각각 갖는 X-전극 및 Y-전극을 구비하는 매트릭스형 터치 스크린 상의 노드의 단면으로부터 스택(91)을 도시한다. 중간 층(80, 84)과 함께 전도성 층(78, 82, 86)은 예를 들어 X-축 전극을 구성한다. 광학적으로 투명한 적합한 접착제일 수 있는 절연 층(92) 또는 PET의 층은, 중간 층(80b, 84b)과 함께 전도성 층(78b, 82b, 86b)으로 구성되는 Y-축 전극으로부터 X-축 전극을 분리시킨다. 이러한 구성은 전극 당 3-전도성 층이지만, 다른 배열, 예를 들어 주어진 전극에 대해 3개의 전도성 층 그리고 다른 전극에 대해 3개 초과 또는 3개 미만의 전도성 층이 가능하다.

다층 전극은 전기영동 장치(브리지스톤(Bridgestone)의 분말의 사용을 포함함), 중합체 분산된 액정(PDLC) 장치, 및 무기 전계발광(IEL) 디스플레이 및 조명 장치와 같은 다른 디스플레이 장치와 함께 사용될 수 있다. 전기영동, PDLC, 및 IEL 장치의 예가 각각, 완전히 기재되어 있는 것처럼 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제7,365,900호, 제5,629,783호, 및 제7,538,483호에 기재되어 있다. 브리지스톤의 분말은 브리지스톤 코포레이션(Bridgestone Corporation)으로부터의 제목이 "신속 응답 - 액체 분말 디스플레이(Quick Response - Liquid Powder Display; QR-LPD)"인 간행물에 기재되어 있으며, 또한 완전히 기재되어 있는 것처럼 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제7,495,820호에 기재되어 있다.

도 9a 내지 도 9c는 다층 전극의 다양한 구성들을 도시한다. 도 9a는 배선 리드(wiring lead, 900)들이 서로 연결된, 시트형의 비-패턴형 다층 전극(901)을 도시한다. 도 9b는 바아로서 구성된 다층 전극(902)을 도시하고, 도 9c는 반복되는 다이아몬드 형상들로서 구성된 다층 전극(903)을 도시한다.

실시예 1

도 4에 도시된 3층 전극 설계를 갖는 전극 기재를, 도 9c에 도시된 바와 같은 다수의 평행한 다이아몬드형 전극들을 가지고 제작하였다. 3층 전극은 125 마이크로미터(0.005 인치) 두께의 PET의 롤 상으로 스퍼터링된 ITO(20 ㎚)/SiAlO_x (42 ㎚)/ITO(20 ㎚)로 이루어졌다.

이들 샘플의 표면 저항은 대략 123 오옴/스퀘어로 측정되었다. AC 저항 측정치를 이하의 절차에 따라 측정하였다. 수평 거리 및 수직 거리를 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 수평으로 연장되는 10개의 센서 바아 및 수직으로 연장되는 10개의 센서 바아 상에서 측정하였다. 그리고 나서, 표 2에 나타낸 바와 같이 수직 센서 시트의 저부에서 비-패턴형 ITO의 사각형에 대해 측정이 이루어졌다. 미국 뉴욕주 로체스터 소재의 옵티컬 게이징 프로덕츠 인크.(Optical Gaging Products Inc.)로부터의 아반트(Avant) 600 ZIP을 사용하여 전극 기재 상에서의 측정치를 취하였다. 플루크(Fluke) 77 시리즈 II 멀티-미터(미국 워싱턴주 에버레트 소재의 플루크 코포레이션(Fluke Corporation))를 이용하여 ITO 바아 및 ITO 영역의 저항 측정치를 취하였다. ITO의 저항을 정확하게 측정하기 위하여, 구리 테이프 조각을 양 단부들에 연결하였다. 이 구리 테이프 조각은 ITO 영역의 전체 폭을 덮었으며, 낮은 저항의 경로를 더 높은 저항의 ITO에 제공하였다. 저항 값을 폭으로, 또는 다이아몬드 패턴의 경우에는 평균 폭으로 나누어 오옴/스퀘어를 얻었다. 구리 테이프를 연결하는 z-축 접착제의 저항뿐만 아니라 프로브(probe)의 작은 연결 지점으로 인해, 700 오옴 측정치는 줄잡은 측정치이다.

48.3 ㎝(19 인치) 대각선의 컴퓨터 모니터 디스플레이의 전방에 걸쳐 사용하기 적합한 터치 센서를 다음과 같이 제작하였다: 전극 기재의 2개의 섹션들을 롤로부터 절단하였고 이들을 광학적으로 투명한 접착제(optically clear adhesive, OCA)를 사용하여 유리 기재 상에 직교하고 정렬되어 서로에 걸쳐 라미네이팅시켜, X-축 다층 전극(906) 및 Y-축 다층 전극(905)을 도시하는 도 10에 도시된 형태의 매트릭스 전극 센서를 형성하였다. 이때 센서 구성 층들은 다음과 같았다: 유리(아래에 놓인 디스플레이로부터 가장 먼, 전형적으로 터치 표면으로서 역할함), OCA, PET 전극 기재, OCA, 및 교차된 PET 전극 기재. 전기 시험의 대부분을 유리로부터 멀리 향하는 PET 표면 상에서 ITO 전극들을 갖는 시제품 - 시제품은 최외측 ITO 전극을 보호하기 위하여 교차된 전극 기재에 걸쳐 OCA의 다른 층 및 미변경 PET를 필요로 하였음 - 상에서 행하였다. ITO 전극이 유리로부터 멀리 향하게 하는 것은 시제품 시험을 위한 전극 층에의 보다 용이한 연결을 허용하였다.

(다층 전극을 갖는) 본 시제품 센서 및 유사하게 설계된 판매자-공급 센서(부품 번호 98-0003-3367-8, 미국 매사추세츠주 메듀엔 소재의 쓰리엠 터치 시스템즈(3M Touch Systems)로부터 입수가능함) 둘 모두의 퍼센트 광투과도는 90%였다(측정치들은 89.8 내지 90.1% 광투과도(%T)의 범위였음). 이들을, 모든 가시광선 파장에 걸쳐 평균된, 백색광을 사용한 명소시(photopic) 측정치를 제공하는 비와이케이 가드너 헤이즈-가드 플러스 머신(BYK Gardner haze-gard plus machine)(미국 메릴랜드주 컬럼비아 소재의 비와이케이-가드너 유에스에이(BYK-Gardner USA)로부터의 카탈로그 번호 4725)에서 측정하였다. 퍼센트 반사(%R)를 또한 측정하였다. 결과는 표 3에 있다:

3층 전극 설계는 양호한 광학적 성능과 함께 낮은 표면 저항을 가능하게 한다. 각각의 저굴절률 중간 층은 인접한 투명 전도성 층들 사이의 전기적 접촉을 가능하게 한다. 그 결과, 다층 전극의 전도도는 모든 전도성 층들의 합한 두께에 의해 결정된다. 전술된 48.3 ㎝(19 인치) 대각선의 터치 센서는 본질적으로 판매자-공급의 약 400 오옴/스퀘어 ITO 전극과 동일한 (약 90%의) 투과도를 가졌지만, 실시예의 센서는 표면 저항이 단지 약 125 오옴/스퀘어였는데, 이는 우수한 센서 신호 균일성을 가능하게 하였다.

상기 센서를, 2009년 11월 16일자로 출원된 통상적으로 양도되고 공계류 중인 미국 특허 출원 제12/618874호인 "문턱 전압 신호를 사용하는 터치 감응 장치(Touch Sensitive Device Using Threshold Voltage Signal)"에 기술된 바와 같이, 직교하는 2개의 세트의 전극들을 터치 센서 제어기 및 신호 처리 전자 장치에 부착시킴으로써 시험하였다. 터치 센서를 유리 측이 상향인 상태로 폼 패드(foam pad) 상에 배치하였다. 유리 상에서의 적어도 10 군데의 동시적인 손가락 터치들이 센서에 의해 정확하게 위치가 밝혀질 수 있었으며, 관련 전자 장치에 의해 표시될 수 있었다.

실시예 2

직교하는 2개의 세트의 다층 ITO/SiAlO_x/ITO 스택들로 만들어진 48.3 ㎝(19 인치) (대각선의) 터치 센서를 실시예 1에 대해 사용된 동일한 공정으로 PET 필름 상에 제작하였다. 이 센서를, 2009년 5월 29일자로 출원된 통상적으로 양도되고 공계류 중인 미국 특허 출원 제61/182366호인 "고속 멀티-터치 터치 장치 및 이를 위한 제어기(High-speed Multi-touch Touch Device and Controller Therefor)"에 기술된 바와 같이, 직교하는 2개의 세트의 전극들을 터치 센서 제어기 및 신호 처리 전자 장치에 부착시킴으로써 시험하였다. 유리 상에서의 적어도 10 군데의 동시적인 손가락 터치들이 센서에 의해 정확하게 위치가 밝혀질 수 있었으며, 관련 전자 장치에 의해 표시될 수 있었다.

시제품 센서가, 상기 실시예 1에서 광학적 측정치에 의해 나타낸 바와 같이, 동일한 퍼센트 광투과도를 유지하면서 증가된 전도도 및 개선된 신호 대 잡음을 제공할 수 있음이 밝혀졌다.

Claims

터치 감응 장치에서 사용하기 위한 센서로서,
센서는 기재(substrate) 상에 배치된 하나 이상의 전극들을 포함하고,
전극들 중 적어도 하나 이상은,
제1 투명 또는 반투명 전도성 층,
제2 투명 또는 반투명 전도성 층, 및
제1 전도성 층과 제2 전도성 층 사이에 위치된 투명 또는 반투명 중간 층을 포함하며,
중간 층은 제1 전도성 층과 제2 전도성 층 사이에서 전기 전도성 경로를 포함하는 센서.
제1항에 있어서, 제1 전도성 층 및 제2 전도성 층 각각은 투명 또는 반투명 전도성 산화물을 포함하는 센서.
제1항에 있어서, 하나 이상의 전극들은 단일의 비-패턴형(un-patterned) 전극을 포함하는 센서.
제1항에 있어서, 하나 이상의 전극들은 매트릭스를 형성하도록 기재 상에 배치된 패턴형 전극들을 포함하는 센서.
제1항에 있어서, 하나 이상의 전극들은 동일한 층 상에 배치된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 센서.
제1항에 있어서, 중간 층은 유전성 중합체 또는 무기 유전성 재료를 포함하는 센서.
제1항에 있어서, 중간 층은 제1 전도성 층 및 제2 전도성 층의 굴절률과는 상이한 굴절률을 갖는 전도성 층을 포함하는 센서.
제1항에 있어서, 전기 전도성 경로는 제1 전도성 층과 제2 전도성 층 사이의 개구를 통해 연장하는 전도성 링크를 포함하는 센서.
제1항에 있어서, 중간 층은 결합제를 포함하며, 전기 전도성 경로는 제1 전도성 층과 제2 전도성 층 사이에서 연장하고 결합제 내에 현탁되어 있는 전도성 입자를 포함하는 센서.
제1항에 있어서, 제1 전도성 층의 두께는 제2 전도성 층의 두께와 실질적으로 동일한 센서.
제1항에 있어서, 기재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 센서.
제11항에 있어서, 덮개(overlayment) 층을 추가로 포함하며, 전극은 기재와 덮개 층 사이에 배치되는 센서.
제12항에 있어서, 덮개 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 유리를 포함하는 센서.
제1항에 있어서, 전극들은 허니콤 패턴으로 배치되는 센서.
제1항에 있어서, 전극들은 전극 매트릭스를 형성하도록 기재 상에 배치되는 센서.
제1항에 있어서, 디스플레이를 추가로 포함하며, 센서는 디스플레이의 가시 스크린(viewing screen) 상에 나타나는 요소가 센서를 통해 보일 수 있도록 디스플레이 상에 배치되는 센서.
터치 감응 장치로서,
복수의 전극들을 갖는 제1 층,
복수의 전극들을 갖는 제2 층, 및
제1 층과 제2 층 사이에 배치된 유전 층을 포함하는 센서 - 제1 층 및 제2 층은 전극 매트릭스를 형성하도록 서로에 관하여 위치되고,
제1 층 또는 제2 층 내의 전극들 중 적어도 일부는,
제1 투명 또는 반투명 전도성 층,
제2 투명 또는 반투명 전도성 층, 및
제1 전도성 층과 제2 전도성 층 사이에 위치된 투명 또는 반투명 중간 층을 포함하며,
중간 층은 제1 전도성 층과 제2 전도성 층 사이에서 전기 전도성 경로를 포함함 - ; 및
센서의 전극들에 통신가능하게 결합되며, 전극들 중 적어도 일부로부터 신호를 수신하도록 그리고 이들 신호를 기초로 터치 센서 상에서의 터치 또는 유사 터치(near touch)의 좌표를 결정하도록 구성된 전자 장치를 포함하는 터치 감응 장치.
제17항에 있어서, 제1 전도성 층 및 제2 전도성 층 각각은 투명 또는 반투명 전도성 산화물을 포함하는 터치 감응 장치.
제17항에 있어서, 중간 층은 유전성 중합체 또는 무기 유전성 재료를 포함하는 터치 감응 장치.
제17항에 있어서, 중간 층은 제1 전도성 층 및 제2 전도성 층의 굴절률과는 상이한 굴절률을 갖는 전도성 층을 포함하는 터치 감응 장치.
제17항에 있어서, 전기 전도성 경로는 제1 전도성 층과 제2 전도성 층 사이의 개구를 통해 연장하는 전도성 링크를 포함하는 터치 감응 장치.
제17항에 있어서, 중간 층은 결합제를 포함하며, 전기 전도성 경로는 제1 전도성 층과 제2 전도성 층 사이에서 연장하고 결합제 내에 현탁되어 있는 전도성 입자를 포함하는 터치 감응 장치.
제17항에 있어서, 제1 전도성 층의 두께는 제2 전도성 층의 두께와 실질적으로 동일한 터치 감응 장치.
제17항에 있어서, 덮개 층 및 기재를 추가로 포함하며, 전극들은 기재와 덮개 층 사이에 배치되는 터치 감응 장치.
제24항에 있어서, 덮개 층 또는 기재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 유리를 포함하는 터치 감응 장치.
제25항에 있어서, 전극들은 허니콤 패턴으로 배치되는 센서.
제17항에 있어서, 디스플레이를 추가로 포함하며, 센서는 디스플레이의 가시 스크린 상에 나타나는 요소가 센서를 통해 보일 수 있도록 디스플레이 상에 배치되는 센서.