KR20120111607A - Graphene touch sensor using piezoelectric effect - Google Patents

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KR20120111607A
KR20120111607A KR1020110030182A KR20110030182A KR20120111607A KR 20120111607 A KR20120111607 A KR 20120111607A KR 1020110030182 A KR1020110030182 A KR 1020110030182A KR 20110030182 A KR20110030182 A KR 20110030182A KR 20120111607 A KR20120111607 A KR 20120111607A
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piezoelectric effect
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이병훈
백은정
조천흠
황현준
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광주과학기술원
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Abstract

PURPOSE: A grapheme touch sensor using a piezoelectric effect is provided to recognize a pressure application point by using electric conduction variation of grapheme. CONSTITUTION: A first graphene pattern(120a) is formed on a lower substrate(100). A piezoelectric material film(140) is formed on the first graphene pattern. A second graphene pattern(120b) is formed on the piezoelectric material film. A cover film(200) is formed on the second graphene pattern.

Description

압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서{Graphene touch sensor using Piezoelectric effect}Graphene touch sensor using piezoelectric effect {Graphene touch sensor using Piezoelectric effect}

본 발명은 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전 물질막의 상, 하부에 그래핀 패턴을 형성하여 압력을 인가하는 경우에 발생하는 분극 현상에 의한 전계가 그래핀의 전기 전도도를 변화시킴으로써 이를 통해 압력 인가 지점을 인식해낼 수 있는 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a graphene touch sensor using a piezoelectric effect, and more particularly, an electric field due to polarization phenomenon generated when a pressure is applied by forming a graphene pattern on the upper and lower portions of the piezoelectric material film. It relates to a graphene touch sensor using a piezoelectric effect that can recognize the pressure application point by changing the conductivity.

휴대폰, 디지털 카메라, 태블릿 PC 등 최근 다양한 휴대용 전자기기가 보급됨에 따라, 이에 사용되는 터치 패널 또한 주목받고 있으며, 이에 관한 많은 연구가 진행 중에 있다. As various portable electronic devices such as mobile phones, digital cameras, and tablet PCs are recently spread, touch panels used for them are also attracting attention, and many researches on them are underway.

터치 패널은 크게 저항막 방식과 정전 용량 방식으로 구분할 수 있는 바, 인체 내부의 정전기를 이용하는 정전 용량 방식 터치패널의 경우 공정이 복잡하고 단가가 높다는 단점이 있었다.The touch panel can be largely classified into a resistive type and a capacitive type. In the case of the capacitive type touch panel using static electricity inside the human body, the process is complicated and the unit price is high.

또한 기존 저항막 방식의 터치 패널은 스페이서를 통하여 일정한 간격으로 대향하며 절연된 두 개의 도전막 사이에 손가락으로 누르는 등 압력이 인가되면 절연된 두 개의 도전막이 접촉하여 전기회로가 생성되는 원리를 이용한 것이다. 전기회로가 형성되면 양 모서리에서의 거리에 따른 저항의 선형 증가성을 기초로 전압의 분압비를 역산하여 압력이 인가된 지점의 좌표를 인식해 낼 수 있다. In addition, the conventional resistive touch panel uses a principle that an electric circuit is generated by contacting two insulated conductive layers when a pressure is applied, such as pressing a finger between two insulated conductive layers at regular intervals through a spacer. . Once the electrical circuit is formed, the coordinates of the point where the pressure is applied can be recognized by inverting the voltage partial ratio of the voltage based on the linear increase in resistance with distance at both edges.

그러나 상기와 같은 저항막 방식의 터치 패널은 압력에 의한 도전막의 굴곡 생성이 반복적으로 지속됨으로써 도전막의 내구성이 저하되었으며, 절연층-도전막-스페이서-도전막-절연층으로 이루어지는 다층 구조로 인하여 투명도가 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 투명 산화 도전막 전면에 일정한 전압 인가를 위하여 사용되는 전력의 지속적인 소모 및 발열 등의 문제점이 있었다. However, in the resistive touch panel as described above, durability of the conductive film is lowered due to repeated bending of the conductive film due to pressure. There was a problem that is lowered. In addition, there are problems such as continuous consumption of power and heat generation used for applying a constant voltage to the entire surface of the transparent oxide conductive film.

또한 패널의 역할을 하는 도전막이 상부 및 하부에 각각 존재하여, 스페이서를 통하여 분리된 도전막이 접촉하여야만 전류가 흘러 압력이 인가된 지점을 인식해 낼 수 있으므로, 반드시 상, 하부에 두 개의 도전막을 필요로 하였다.In addition, since the conductive film serving as a panel exists at the top and the bottom, respectively, the separated conductive film is contacted through the spacer to recognize the point where the current flows and the pressure is applied. It was set as.

한편, 압전 물질은 외부에서 기계적인 압력이 인가되는 경우 물질 내부에 분극이 유도되거나 또는 외부 전기장에 의하여 기계적인 변형이 일어나는 물질로서, 압력과 같은 기계적 신호를 전압과 같은 전기적 신호로 변환할 수 있는 특성을 가지므로 압력 센서나 초음파 센서 등과 같이 센서 분야에 많이 활용되고 있다.On the other hand, a piezoelectric material is a material in which polarization is induced inside the material or mechanical deformation occurs due to an external electric field when a mechanical pressure is applied from the outside. The piezoelectric material may convert a mechanical signal such as pressure into an electrical signal such as voltage. Due to its characteristics, it is widely used in sensor fields such as pressure sensors and ultrasonic sensors.

또한 그래핀은 2004년에 발견된 새로운 2차원 탄소물질로써, 탄소 원자 한 층으로 형성된 벌집구조의 2차원 박막이다. 상기 그래핀에 관한 연구는 현재까지 학계에서 활발하게 진행되어 오고 있으며, 최근 그래핀의 특성에 관하여 다양한 연구 결과들이 발표되었다. 그래핀은 높은 광학적 투명도, 뛰어난 신축성 및 유연성, 낮은 면저항값을 가져, 반도체 및 디스플레이 분야에서 각광받고 있다. Graphene is a new two-dimensional carbon material discovered in 2004. It is a honeycomb two-dimensional thin film formed of a layer of carbon atoms. The research on the graphene has been actively conducted in the academic world to date, and various research results regarding the characteristics of graphene have been recently published. Graphene is in the spotlight in the semiconductor and display fields due to its high optical transparency, excellent elasticity and flexibility, and low sheet resistance.

이에 본 발명의 목적은 압력을 인가하면 압전 효과를 발생시키는 압전 물질막을 형성하고 상기 압전 물질막의 상, 하부에 그래핀 패턴을 형성하여 압력 인가시 그래핀의 전체 저항 변화를 통하여 압력 인가 지점을 인식해낼 수 있는 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to form a piezoelectric material film that generates a piezoelectric effect when a pressure is applied, and to form a graphene pattern on the upper and lower portions of the piezoelectric material film to recognize the pressure application point through the change in the overall resistance of the graphene upon application of pressure. It is to provide a graphene touch sensor using a piezoelectric effect that can be achieved.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판상에 형성되며 양 단부에 전극을 구비한 그래핀막, 상기 그래핀막 상에 형성된 압전 물질막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is characterized in that it comprises a graphene film formed on a substrate and having electrodes at both ends, a piezoelectric material film formed on the graphene film.

또한, 하부 기판 상에 형성되는 제 1 그래핀 패턴, 상기 제 1 그래핀 패턴 상에 형성되는 압전 물질막, 상기 압전 물질막 상에 형성되는 제 2 그래핀 패턴 및 상기 제 2 그래핀 패턴 상에 형성되는 커버 필름을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the first graphene pattern formed on the lower substrate, the piezoelectric material film formed on the first graphene pattern, the second graphene pattern and the second graphene pattern formed on the piezoelectric material film It is characterized by including a cover film formed.

본 발명에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서는 그 구조가 간단하고, 그래핀 자체의 전기 전도도 변화를 이용하여 용이하게 압력 인가 지점을 인식해 낼 수 있는 효과가 있다.Graphene touch sensor using the piezoelectric effect according to the present invention has a simple structure, it is easy to recognize the pressure application point by using the electrical conductivity change of the graphene itself.

또한, 상,하부 그래핀 패턴의 접촉이 필요하지 않으므로 패널 역할을 하는 압전 물질막을 단일층으로 구성할 수 있어 비용이 절감되는 효과가 있다.In addition, since the contact between the upper and lower graphene patterns is not required, the piezoelectric material film serving as a panel may be configured as a single layer, thereby reducing costs.

도 1 은 본 발명에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서의 단일 소자 구조를 나타내는 도면이다.
도 2 는 본 발명에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서의 단일 소자 구조의 작동 원리를 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서의 어레이 구조의 분해도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서의 어레이 구조의 사시도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서의 어레이 구조의 측면도이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서의 어레이 구조에서 그래핀 패턴의 양단에 전극을 연결한 상태를 나타내는 도면이다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서의 측면도이다.
도 7b는 도 7a의 그래핀 터치 센서의 일부를 3차원으로 나타낸 도면이다.1 is a view showing a single device structure of the graphene touch sensor using the piezoelectric effect according to the present invention.
2 is a view showing the operation principle of a single element structure of the graphene touch sensor using the piezoelectric effect according to the present invention.
3 is an exploded view of the array structure of the graphene touch sensor using the piezoelectric effect according to an embodiment of the present invention.
4 is a perspective view of the array structure of the graphene touch sensor using the piezoelectric effect according to an embodiment of the present invention.
5 is a side view of the array structure of the graphene touch sensor using the piezoelectric effect according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing a state in which electrodes are connected to both ends of the graphene pattern in the array structure of the graphene touch sensor using the piezoelectric effect according to an embodiment of the present invention.
7A is a side view of a graphene touch sensor using a piezoelectric effect according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7B is a view illustrating a part of the graphene touch sensor of FIG. 7A in three dimensions.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 1 은 본 발명에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서의 단일 소자 구조를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a single device structure of the graphene touch sensor using the piezoelectric effect according to the present invention.

도 1 을 참조하면, 기판(100)상에 형성된 그래핀막(120), 상기 그래핀막(120) 상에 형성된 압전 물질막(140)이 순차적으로 적층된 구조가 도시된다. Referring to FIG. 1, the graphene film 120 formed on the substrate 100 and the piezoelectric material film 140 formed on the graphene film 120 are sequentially stacked.

상기 기판(100)은 예컨대, 투과도를 고려하여 유리 기판이 사용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 그래핀의 전기적 특성, 예컨대 전류의 흐름 등을 방해하지 않는 한도 내에서는 어떤 물질도 사용 가능하다. For example, a glass substrate may be used as the substrate 100 in consideration of transmittance. However, the present invention is not limited thereto, and any material may be used as long as it does not interfere with graphene's electrical characteristics, such as the flow of current.

상기 기판(100)상에 형성된 그래핀막(120)은 다양한 방법을 통하여 제조될 수 있다. 예컨대, 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 그래핀을 분리해내는 방법, 흑연 결정으로부터 박리된 그래핀 조각들을 화학적 방법을 통하여 용액 상에 분산시킨 후 이를 환원함으로써 그래핀을 얻는 방법 또는 전이금속층을 촉매층으로 하여 그래핀을 합성하는 화학적 기상 증착법 등을 통하여 제조할 수 있다. 상기의 방법 중 화학적 기상 증착법을 통하여 합성된 그래핀은 기존의 방법들에 비하여 면저항 및 투과도가 개선되며, 대면적화된 그래핀을 얻을 수 있는 장점이 있다. The graphene film 120 formed on the substrate 100 may be manufactured by various methods. For example, a method of separating graphene by mechanical force from graphite crystals, a method of obtaining graphene by dispersing graphene fragments separated from graphite crystals through a chemical method and then reducing them or a transition metal layer as a catalyst layer It can be prepared through a chemical vapor deposition method for synthesizing the graphene. Graphene synthesized by the chemical vapor deposition method of the above method has the advantage that the sheet resistance and transmittance is improved compared to the existing methods, it is possible to obtain a large area graphene.

상기 중 하나의 방법으로 형성된 그래핀을 기판 상에 전사하여 그래핀막(120)을 형성한다. 상기 전사하는 방법에는 예컨대, 전이금속층을 촉매층으로 하여 합성된 그래핀을 PMMA(Polymethylmethacrylate) 또는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 지지층으로 활용하여 전이금속층을 식각함으로써 전사하는 방법이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 공지된 다양한 방법을 통하여 제조된 그래핀을 기판 상에 전사시킬 수 있다.The graphene film 120 is transferred to the substrate to form the graphene film 120. For example, the transfer method may be performed by etching the transition metal layer by using graphene synthesized using the transition metal layer as a catalyst layer, using polymethylmethacrylate (PMMA) or polydimethylsiloxane (PDMS) as a support layer, but is not limited thereto. Graphene prepared through various known methods may be transferred onto a substrate.

상기의 방법을 통하여 기판 상에 형성된 그래핀막(120)의 양단부에 구동 회로와의 연결을 위하여 전극(160a, 160b)을 형성한다. 상기 전극(160a, 160b)은 예컨대, 금속인 크롬(Cr)/금(Au),티타늄백금(Ti/Pt), 팔라듐(Pd) 또는 은(Ag)을 사용할 수 있으며, 패턴 마스크를 이용하여 열증착하는 방법을 통하여 형성할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 전류를 유입 또는 유출시킬 수 있는 것이라면 다양한 재료를 사용할 수 있으며, 다양한 전극 형성 방법을 사용할 수 있다. Through the above method, electrodes 160a and 160b are formed at both ends of the graphene film 120 formed on the substrate for connection with the driving circuit. The electrodes 160a and 160b may use, for example, chromium (Cr) / gold (Au), titanium platinum (Ti / Pt), palladium (Pd), or silver (Ag), which are metals. It can be formed through the deposition method. However, the present invention is not limited thereto, and various materials may be used as long as the current can flow in or out, and various electrode forming methods may be used.

이후, 상기 전극(160a, 160b)이 형성된 그래핀막(120) 상에 압전 물질막(140)을 형성한다. 상기 압전 물질막은 세라믹 재료, 고분자 재료 또는 이들의 복합체 중 선택될 수 있다. 이 때, 상기 세라믹 재료는 Pb, Nb, Zr, Ga 또는 Ti를 포함하고, 상기 고분자 재료는, PVDF(폴리플르오르화비닐리덴) 또는 PAN(폴리아크릴니트릴)을 포함한다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 압전 효과를 발생시키는 물질이라면 어느 것이든 사용 가능하다. 상기의 압전 물질막(140)은 예컨대, 스핀코팅법을 통하여 형성될 수 있다. 또한 손가락이나 펜 등으로 터치하는 것과 같은 방법으로 압력을 인가하는 경우 소자의 데미지(damage)를 감소시키기 위하여 압전 물질막(140) 상에 예컨대, PET 필름과 같은 커버 시트(미도시)를 더 포함할 수 있다. Thereafter, the piezoelectric material layer 140 is formed on the graphene film 120 having the electrodes 160a and 160b formed thereon. The piezoelectric material film may be selected from a ceramic material, a polymer material, or a composite thereof. At this time, the ceramic material contains Pb, Nb, Zr, Ga or Ti, and the polymer material contains PVDF (polyvinylidene fluoride) or PAN (polyacrylonitrile). However, the present invention is not limited thereto, and any material that generates a piezoelectric effect may be used. The piezoelectric material layer 140 may be formed by, for example, spin coating. Further, a cover sheet (not shown) such as, for example, PET film is further included on the piezoelectric material layer 140 to reduce the damage of the device when applying pressure by a method such as touching with a finger or a pen. can do.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서의 단일 소자 구조의 작동 원리를 나타내는 도면이다.2 is a view showing the operation principle of a single element structure of the graphene touch sensor using the piezoelectric effect according to an embodiment of the present invention.

도 2 를 참조하면, 먼저 압전 물질막(140)의 분극 형성을 위하여서는 폴링(poling) 과정이 필요한 바, 그래핀막(120)을 전극으로 이용하여 폴링(poling)을 위한 바이어스 전압을 인가한다. 이후, 그래핀막(120)에 전류가 흐르는 상태에서 압전 물질막(140)을 손가락이나 펜 등으로 터치하는 것과 같이 압전 물질막(140)에 압력을 인가하는 경우 압전 효과에 의하여 분극 현상이 발생하며, 상기의 분극 현상으로 인하여 전계가 형성된다. 상기 형성된 전계는 그래핀막(120)에 영향을 주어 상기 그래핀막(120)의 저항이 변화되며, 이로 인하여 상기 그래핀막(120)의 전기 전도도가 변화한다. 따라서 상기 저항이 변화된 지점의 좌표를 인식함으로써 압력 인가 지점을 찾아낼 수 있다. Referring to FIG. 2, in order to form a polarization of the piezoelectric material layer 140, a polling process is required. A bias voltage for polling is applied using the graphene film 120 as an electrode. Subsequently, when pressure is applied to the piezoelectric material layer 140 such as touching the piezoelectric material layer 140 with a finger or a pen while a current flows in the graphene film 120, a polarization phenomenon occurs due to the piezoelectric effect. Due to the polarization phenomenon, an electric field is formed. The formed electric field affects the graphene film 120 to change the resistance of the graphene film 120, thereby changing the electrical conductivity of the graphene film 120. Therefore, it is possible to find the pressure application point by recognizing the coordinate of the point where the resistance is changed.

형성되는 전계의 방향은 초기 압전 물질막(140)을 폴링(poling)하는 방향에 따라 달라지므로 이를 통하여 상기 그래핀막(120)에 (+)전계 또는 (-)전계를 설정할 수 있으며, 이에 따라 전하 캐리어(180) 즉, 전자 또는 홀이 이동한다. Since the direction of the electric field to be formed varies depending on the direction in which the initial piezoelectric material film 140 is polled, a positive or electric field may be set in the graphene film 120 through the charge. The carrier 180, ie electrons or holes, moves.

도 3 은 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서의 어레이 구조의 분해도이다.3 is an exploded view of the array structure of the graphene touch sensor using the piezoelectric effect according to an embodiment of the present invention.

도 4 는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서의 어레이 구조의 사시도이다.4 is a perspective view of the array structure of the graphene touch sensor using the piezoelectric effect according to an embodiment of the present invention.

도 5 는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서의 어레이 구조의 측면도이다.5 is a side view of the array structure of the graphene touch sensor using the piezoelectric effect according to an embodiment of the present invention.

도 3 내지 도 5 를 참조하면, 하부 기판(100)상에 형성되는 제 1 그래핀 패턴(120a), 상기 제 1 그래핀 패턴(120a) 상에 형성되는 압전 물질막(140), 상기 압전 물질막(140) 상에 형성되는 제 2 그래핀 패턴(120b) 및 상기 제 2 그래핀 패턴(120b)상에 형성되는 커버 필름(200)을 포함하여 구성된다.3 to 5, the first graphene pattern 120a formed on the lower substrate 100, the piezoelectric material layer 140 formed on the first graphene pattern 120a, and the piezoelectric material. The second graphene pattern 120b is formed on the film 140 and the cover film 200 is formed on the second graphene pattern 120b.

상기 그래핀 터치 센서의 어레이를 터치 패널로 이용하기 위해서는 상기 하부 기판(100)이 투명하여야 하는 바, 그래핀은 높은 인장강도 및 탄성을 가지는 등 기계적 특성이 좋기 때문에 투명하고 유연성 있는 가요성 투명기판이 사용될 수 있다. 예컨대, 고분자 물질이 그 일예가 될 수 있다. 따라서 상기 가요성 투명기판은 PDMS(polydimethylsiloxane), PET(polyethylene terephthalate), 에폭시수지(epoxy resin), 아크릴수지(acrylic resin) 및 PP(polypropylene) 중에서 적어도 하나 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 투명하고 유연성이 있는 물질이면 어느 것이든 선택될 수 있다. In order to use the array of graphene touch sensors as a touch panel, the lower substrate 100 should be transparent, and since graphene has good mechanical properties such as high tensile strength and elasticity, it is transparent and flexible flexible transparent substrate. This can be used. For example, a polymeric material may be one example. Accordingly, the flexible transparent substrate may be selected from at least one of polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene terephthalate (PET), epoxy resin, acrylic resin, and polypropylene (PP), but is not limited thereto. Any material that is transparent and flexible can be selected.

상기의 하부 기판(100) 상에 제 1 그래핀 패턴(120a), 압전 물질막(140), 제 2 그래핀 패턴(120b)을 형성한다. The first graphene pattern 120a, the piezoelectric material layer 140, and the second graphene pattern 120b are formed on the lower substrate 100.

먼저 제 1 그래핀 패턴(120a)의 형성을 위하여 그래핀을 제조한다. 그래핀은 예컨대, 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 그래핀을 분리해내는 방법, 흑연 결정으로부터 박리된 그래핀 조각들을 화학적 방법을 통하여 용액 상에 분산시킨 후 이를 환원함으로써 그래핀을 얻는 방법 또는 전이금속층을 촉매층으로 하여 그래핀을 합성하는 화학적 기상 증착법 등을 통하여 제조할 수 있다. 상기의 방법 중 화학적 기상 증착법을 통하여 합성된 그래핀은 기존의 방법들에 비하여 면저항 및 투과도가 개선되며, 대면적화된 그래핀을 얻을 수 있는 장점이 있다. First, graphene is manufactured to form the first graphene pattern 120a. Graphene is a method for separating graphene by mechanical force from graphite crystals, for example, a method of obtaining graphene by dispersing graphene fragments separated from graphite crystals through a chemical method and then reducing them, or a transition metal layer. It can be prepared through a chemical vapor deposition method for synthesizing graphene using a catalyst layer. Graphene synthesized by the chemical vapor deposition method of the above method has the advantage that the sheet resistance and transmittance is improved compared to the existing methods, it is possible to obtain a large area graphene.

상기 중 하나의 방법으로 형성된 그래핀을 기판 상에 전사하여 그래핀막을 형성한다. 전사하는 방법에는 예컨대, 전이금속층을 촉매층으로 하여 합성된 그래핀을 PMMA(Polymethylmethacrylate) 또는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 지지층으로 활용하여 전이금속층을 식각함으로써 전사하는 방법이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 공지된 다양한 방법을 통하여 제조된 그래핀을 기판 상에 전사시킬 수 있다. The graphene formed by any of the above methods is transferred onto a substrate to form a graphene film. For example, the transfer method may be performed by etching the transition metal layer by using graphene synthesized using the transition metal layer as a catalyst layer as a support layer using polymethylmethacrylate (PMMA) or polydimethylsiloxane (PDMS), but is not limited thereto. Graphene produced through various known methods can be transferred onto a substrate.

그 후 상기 하부 기판(100) 상에 전사된 그래핀막을 포토리소그래피 공정을 통하여 패터닝한다. 이 때, 패터닝 공정에서는 예컨대, 산소 플라즈마(O2 plasma)를 이용하여 제 1 그래핀 패턴(120a)을 형성할 수 있다.Thereafter, the graphene film transferred on the lower substrate 100 is patterned through a photolithography process. In this case, in the patterning process, for example, the first graphene pattern 120a may be formed using an oxygen plasma (O 2 plasma).

상기 제 1 그래핀 패턴(120a)의 양단부에 구동 회로와의 연결을 위한 전극을 형성한다. 상기 전극(160a, 160b)은 예컨대, 금속인 크롬(Cr)/금(Au), 티타늄백금(Ti/Pt), 팔라듐(Pd) 또는 은(Ag)을 사용할 수 있으며, 패턴 마스크를 이용하여 열증착하는 방법을 통하여 형성할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 전류를 유입 또는 유출시킬 수 있는 것이라면, 다양한 재료를 사용할 수 있으며, 다양한 전극 형성 방법을 사용할 수 있다. Electrodes for connection with a driving circuit are formed at both ends of the first graphene pattern 120a. The electrodes 160a and 160b may be made of, for example, chromium (Cr) / gold (Au), titanium platinum (Ti / Pt), palladium (Pd), or silver (Ag), which are metals. It can be formed through the deposition method. However, the present invention is not limited thereto, and various materials may be used, and various electrode forming methods may be used as long as the current can flow in or out.

이후, 상기 전극이 형성된 제 1 그래핀 패턴(120a) 상에 압전 물질막(140)을 형성한다. 상기 압전 물질막은 세라믹 재료, 고분자 재료 또는 이들의 복합체 중 선택될 수 있다. 이 때, 상기 세라믹 재료는 Pb, Nb, Zr, Ga 또는 Ti를 포함하고, 상기 고분자 재료는, PVDF(폴리플르오르화비닐리덴) 또는 PAN(폴리아크릴니트릴)을 포함한다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 압전 효과를 발생시키는 물질이라면 어느 것이든 사용 가능하다. 상기의 압전 물질막(140)은 예컨대, 스핀코팅법을 통하여 형성될 수 있다. Thereafter, the piezoelectric material layer 140 is formed on the first graphene pattern 120a on which the electrode is formed. The piezoelectric material film may be selected from a ceramic material, a polymer material, or a composite thereof. At this time, the ceramic material contains Pb, Nb, Zr, Ga or Ti, and the polymer material contains PVDF (polyvinylidene fluoride) or PAN (polyacrylonitrile). However, the present invention is not limited thereto, and any material that generates a piezoelectric effect may be used. The piezoelectric material layer 140 may be formed by, for example, spin coating.

그리고 상기 압전 물질막(140)의 상부에 제 2 그래핀 패턴(120b)을 형성한다. 이 때 압전 물질막(140) 상에 그래핀막을 형성한 후 패터닝 공정을 거쳐 그래핀 패턴을 형성하는 경우 압전 물질막(140)에 데미지(damage)를 가할 우려가 있다. 따라서 그래핀막을 전사하기 전, 그래핀 제조 공정 수행시 패터닝 공정을 수행하여 그래핀 패턴을 형성한 후 이를 압전 물질막(140) 상에 전사할 수 있다. A second graphene pattern 120b is formed on the piezoelectric material layer 140. In this case, when the graphene pattern is formed after the graphene film is formed on the piezoelectric material layer 140 and then patterned, there is a risk of damaging the piezoelectric material layer 140. Therefore, before the graphene film is transferred, the graphene pattern may be formed by performing a patterning process during the graphene manufacturing process, and then transferred onto the piezoelectric material layer 140.

그러나 상기 압전 물질막(140)의 상부에 제 2 그래핀 패턴(120b)을 형성하는 방법은 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대, 압전 물질막(140) 상에 유전체 박막을 형성시켜 그래핀을 전사한 후 패터닝하는 방법 등 다양한 방법을 통하여 형성할 수 있다. 상기와 같은 공정을 통하여 형성된 제 2 그래핀 패턴(120b)의 양단부에 구동 회로와의 연결을 위한 전극을 형성한다.However, the method of forming the second graphene pattern 120b on the piezoelectric material layer 140 is not limited thereto. For example, the graphene may be transferred by forming a dielectric thin film on the piezoelectric material layer 140. It can be formed through a variety of methods, such as after patterning. Electrodes for connection with a driving circuit are formed at both ends of the second graphene pattern 120b formed through the above process.

상기 그래핀 전사 과정과 전극 형성 과정은 앞서 설명한 바 있으므로 생략하기로 한다. 이 때, 상기 제 1 그래핀 패턴(120a) 및 제 2 그래핀 패턴(120b)은 예컨대, 상기 압전 물질막(140)을 사이에 두고 수직으로 교차하는 격자형 구조로 형성될 수 있다. 그러나 서로 중첩되는 부분이 존재하는 한 이에 한정되지 않으며, 다양한 패턴으로 형성될 수 있다. The graphene transfer process and the electrode formation process are described above and will be omitted. In this case, the first graphene pattern 120a and the second graphene pattern 120b may be formed in a lattice structure vertically intersecting, for example, with the piezoelectric material layer 140 therebetween. However, the present invention is not limited thereto as long as there are overlapping portions, and may be formed in various patterns.

이후, 상기 제 2 그래핀 패턴(120b)상에 커버 필름(200)을 형성한다. 상기 커버 필름(200)은 터치 센서의 디자인을 구현하며, 신뢰성 확보를 위하여 필요하다. 또한 외부의 충격 등에 의한 손상을 방지하기 위한 보호막 역할을 수행한다. 상기 커버 필름(200)은 PDMS(polydimethylsiloxane), PET(polyethylene terephthalate), 에폭시수지(epoxy resin), 아크릴수지(acrylic resin) 및 PP(polypropylene) 중에서 적어도 하나 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 투명하고 유연성이 있는 물질이면 어느 것이든 선택될 수 있다. Thereafter, a cover film 200 is formed on the second graphene pattern 120b. The cover film 200 implements the design of the touch sensor and is required to secure reliability. In addition, it serves as a protective film to prevent damage due to external impact. The cover film 200 may be selected from at least one selected from polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene terephthalate (PET), epoxy resin, epoxy resin, and polypropylene, but is not limited thereto. Any material that is transparent and flexible can be selected.

따라서, 상기 하부 기판(100)과 커버 필름(200)은 같은 물질로 형성되어 소자의 상하 구분 없이 사용할 수 있다. 즉, 하부 기판(100)을 상부로 위치시키고, 커버 필름(200)을 하부로 위치시켜 사용할 수 있다.Therefore, the lower substrate 100 and the cover film 200 may be formed of the same material so that the lower substrate 100 and the cover film 200 may be used without distinguishing the upper and lower parts of the device. That is, the lower substrate 100 may be positioned upward, and the cover film 200 may be positioned downward.

도 6 은 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서의 어레이 구조에서 그래핀 패턴의 양단에 전극을 연결한 상태를 나타내는 도면이다.6 is a view showing a state in which electrodes are connected to both ends of the graphene pattern in the array structure of the graphene touch sensor using the piezoelectric effect according to an embodiment of the present invention.

도 6 을 참조하면, 양단에 연결된 전극들(160a, 160b)은 전압을 인가하며, 압력에 의하여 제 1 그래핀 패턴(120a) 및 제 2 그래핀 패턴(120b)의 저항이 변화함으로써 상기 그래핀 패턴들에 흐르는 전류의 변화를 감지할 수 있다. 도면상에는 압전 물질막(140) 상에 형성한 제 2 그래핀 패턴(120b)에 연결된 전극의 상태만을 도시하였으나, 제 1 그래핀 패턴(120a)에도 동일한 방법으로 전극을 연결할 수 있다.Referring to FIG. 6, the electrodes 160a and 160b connected to both ends apply a voltage and the resistance of the first graphene pattern 120a and the second graphene pattern 120b is changed by pressure. Changes in the current flowing through the patterns can be detected. Although only the state of the electrode connected to the second graphene pattern 120b formed on the piezoelectric material layer 140 is illustrated in the drawing, the electrode may be connected to the first graphene pattern 120a in the same manner.

한편, 상기의 방법을 통하여 형성된 터치 센서의 어레이 구조가 터치 패널로 동작하는 원리는 다음과 같다. 먼저, 압전 물질막(140)의 분극 형성을 위하여서는 폴링(poling) 과정이 필요한 바, 제 1 그래핀 패턴(120a) 및 제 2 그래핀 패턴(120b)을 이용하여 폴링(poling)을 위한 바이어스 전압을 인가한다. On the other hand, the principle that the array structure of the touch sensor formed by the above method to operate as a touch panel is as follows. First, in order to form the polarization of the piezoelectric material layer 140, a polling process is required. A bias for polling is performed using the first graphene pattern 120a and the second graphene pattern 120b. Apply voltage.

이후 전류가 흐르는 상기 제 1 그래핀 패턴(120a) 및 제 2 그래핀 패턴(120b)에는 손가락이나 펜 등으로 터치하는 것과 같이 압전 물질막(140)에 압력을 인가하는 경우 압전 효과에 의하여 분극 현상이 발생하며, 상기의 분극 현상으로 인하여 전계가 형성된다. 상기 형성된 전계는 제 1 그래핀 패턴(120a) 및 제 2 그래핀 패턴(120b)에 영향을 주어 저항이 변화되며, 상기의 저항 변화를 측정하여 제 1 그래핀 패턴(120a)(x축 또는 y축) 및 제 2 그래핀 패턴(120b)(y축 또는 x축)의 좌표를 찾아낸다. 이를 통하여 압력 인가 지점의 위치 좌표(x, y)를 찾아낼 수 있다. After the current flows, the first graphene pattern 120a and the second graphene pattern 120b are polarized due to a piezoelectric effect when pressure is applied to the piezoelectric material layer 140 such as a touch with a finger or a pen. Occurs, and an electric field is formed due to the polarization phenomenon. The formed electric field affects the first graphene pattern 120a and the second graphene pattern 120b so that the resistance changes, and the resistance change is measured to measure the first graphene pattern 120a (x-axis or y). Axis) and the coordinates of the second graphene pattern 120b (y-axis or x-axis). Through this, the position coordinates (x, y) of the pressure application point can be found.

이 때, 형성되는 전계의 방향은 초기 압전 물질막(140)을 폴링(poling)하는 방향에 따라 달라지므로 이를 통하여 상기 제 1 그래핀 패턴(120a) 및 제 2 그래핀 패턴(120b)에 (+)전계 또는 (-)전계를 설정할 수 있으며, 이에 따라 상기 제 1 그래핀 패턴(120a) 및 제 2 그래핀 패턴(120b)에 각각 전하 캐리어 즉, 전자 또는 홀이 이동한다. In this case, since the direction of the electric field to be formed varies depending on the direction in which the initial piezoelectric material layer 140 is polled, the positive electric field is formed on the first graphene pattern 120a and the second graphene pattern 120b (+). An electric field or a negative electric field may be set. Accordingly, charge carriers, ie, electrons or holes, move in the first graphene pattern 120a and the second graphene pattern 120b, respectively.

도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서의 측면도이다.7A is a side view of a graphene touch sensor using a piezoelectric effect according to another embodiment of the present invention.

도 7b는 도 7a의 그래핀 터치 센서의 일부를 3차원으로 나타낸 도면이다.FIG. 7B is a view illustrating a part of the graphene touch sensor of FIG. 7A in three dimensions.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 또한 상기 제 1 그래핀 패턴(120a) 및 제 2 그래핀 패턴(120b)의 사이에 형성되는 압전 물질막(140)은 격자 구조의 교차하는 부분에 도트(dot) 형태로 형성될 수 있으며, 상기의 경우, 보다 정밀하게 압력 인가 지점을 인식하는 것이 가능한 이점이 있다.Referring to FIGS. 7A and 7B, the piezoelectric material layer 140 formed between the first graphene pattern 120a and the second graphene pattern 120b may have dots at intersections of the lattice structures. ), And in the above case, it is possible to recognize the pressure application point more precisely.

본 발명에 의한 그래핀 터치 센서에 31.21kpa 내지 249.68kpa의 압력을 가한 경우 그래핀막 또는 제 1 그래핀 패턴 및 제 2 그래핀 패턴에 0.73V 내지 5.88V까지 바이어스 전압을 가할 수 있으며, 인가되는 압력의 세기에 따라 압전 효과시 발생하는 분극현상에서의 분극량을 조절할 수 있으므로 본 발명에 의한 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서는 게임, 로봇촉각센서 등 다양한 분야로 응용할 수 있다.When a pressure of 31.21kpa to 249.68kpa is applied to the graphene touch sensor according to the present invention, a bias voltage may be applied to the graphene film or the first graphene pattern and the second graphene pattern to 0.73V to 5.88V, and the applied pressure Since the amount of polarization in the polarization phenomenon generated by the piezoelectric effect can be adjusted according to the strength of the graphene touch sensor using the piezoelectric effect according to the present invention can be applied to various fields such as games, robot tactile sensors.

100 : 하부기판
120 : 그래핀막
120a : 제 1 그래핀 패턴
120b : 제 2 그래핀 패턴
140 : 압전 물질막
160a, 160b : 전극
180 : 전하 캐리어
200 : 커버 필름100: lower substrate
120: graphene film
120a: first graphene pattern
120b: second graphene pattern
140: piezoelectric material film
160a, 160b: electrode
180: charge carrier
200: cover film

Claims (12)

기판상에 형성되며 양 단부에 전극을 구비한 그래핀막;
상기 그래핀막 상에 형성된 압전 물질막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서.A graphene film formed on the substrate and having electrodes at both ends thereof;
Graphene touch sensor using a piezoelectric effect, comprising a piezoelectric material film formed on the graphene film. 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀막은 상기 압전 물질막에 인가되는 압력에 따라 분극 현상이 발생하여 그에 따른 전계로 인하여 압력 인가 지점에서 저항이 변화하는 것을 특징으로 하는 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서.The method of claim 1,
The graphene film is a graphene touch sensor using a piezoelectric effect, characterized in that the polarization phenomenon occurs in accordance with the pressure applied to the piezoelectric material film, the resistance changes at the pressure application point due to the electric field. 제 1 항에 있어서,
상기 압전 물질막은 세라믹 재료, 고분자 재료 또는 이들의 복합체를 포함하고,
상기 세라믹 재료는 Pb, Nb, Zr, Ga 또는 Ti를 가지고, 상기 고분자 재료는, PVDF(폴리플르오르화비닐리덴) 또는 PAN(폴리아크릴니트릴)을 가지는 것을 특징으로 하는 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서.The method of claim 1,
The piezoelectric material film includes a ceramic material, a polymer material or a composite thereof,
The ceramic material has Pb, Nb, Zr, Ga, or Ti, and the polymer material has PVDF (polyvinylidene fluoride) or PAN (polyacrylonitrile). sensor. 하부 기판 상에 형성되는 제 1 그래핀 패턴;
상기 제 1 그래핀 패턴 상에 형성되는 압전 물질막;
상기 압전 물질막 상에 형성되는 제 2 그래핀 패턴; 및
상기 제 2 그래핀 패턴 상에 형성되는 커버 필름을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서.A first graphene pattern formed on the lower substrate;
A piezoelectric material film formed on the first graphene pattern;
A second graphene pattern formed on the piezoelectric material film; And
Graphene touch sensor using a piezoelectric effect, comprising a cover film formed on the second graphene pattern. 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 그래핀 패턴 및 상기 제 2 그래핀 패턴은 상기 압전 물질막에 인가되는 압력에 따라 분극 현상이 발생하여 그에 따른 전계로 인하여 압력 인가 지점에서 저항이 변화하는 것을 특징으로 하는 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서.The method of claim 4, wherein
Using the piezoelectric effect, the first graphene pattern and the second graphene pattern have a polarization phenomenon according to the pressure applied to the piezoelectric material film, and the resistance changes at the pressure application point due to the electric field. Graphene touch sensor. 제 4 항에 있어서,
상기 하부 기판은 가요성 투명기판인 것을 특징으로 하는 압전효과를 이용한 그래핀 터치 센서.The method of claim 4, wherein
The lower substrate is a graphene touch sensor using a piezoelectric effect, characterized in that the flexible transparent substrate. 제 6 항에 있어서,
상기 가요성 투명기판은 PDMS(polydimethylsiloxane), PET(polyethylene terephthalate), 에폭시수지(epoxy resin), 아크릴수지(acrylic resin) 및 PP(polypropylene)중에서 적어도 하나 선택되는 것을 특징으로 하는 압전효과를 이용한 그래핀 터치 센서.The method according to claim 6,
The flexible transparent substrate is graphene using a piezoelectric effect, characterized in that at least one selected from PDMS (polydimethylsiloxane), PET (polyethylene terephthalate), epoxy resin (epoxy resin), acrylic resin (PP) and polypropylene (PP) Touch sensor. 제 4 항에 있어서,
상기 커버 필름은 PDMS(polydimethylsiloxane), PET(polyethylene terephthalate), 에폭시수지(epoxy resin), 아크릴수지(acrylic resin) 및 PP(polypropylene)중에서 적어도 하나 선택되는 것을 특징으로 하는 압전효과를 이용한 그래핀 터치 센서.The method of claim 4, wherein
The cover film is a graphene touch sensor using a piezoelectric effect, characterized in that at least one selected from PDMS (polydimethylsiloxane), PET (polyethylene terephthalate), epoxy resin (epoxy resin), acrylic resin (acrylic resin) and PP (polypropylene) . 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하부 기판과 상기 커버 필름은 같은 물질로 형성되어 상하 구분 없이 센서로서 사용 가능한 것을 특징으로 하는 압전효과를 이용한 그래핀 터치 센서. 9. The method according to any one of claims 6 to 8,
The lower substrate and the cover film are formed of the same material, the graphene touch sensor using a piezoelectric effect, characterized in that can be used as a sensor without distinguishing the top and bottom. 제 4 항에 있어서,
상기 압전 물질막은 세라믹 재료, 고분자 재료 또는 이들의 복합체를 포함하고,
상기 세라믹 재료는 Pb, Nb, Zr, Ga 또는 Ti를 가지고, 상기 고분자 재료는, PVDF(폴리플르오르화비닐리덴) 또는 PAN(폴리아크릴니트릴)을 가지는 것을 특징으로 하는 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서.The method of claim 4, wherein
The piezoelectric material film includes a ceramic material, a polymer material or a composite thereof,
The ceramic material has Pb, Nb, Zr, Ga, or Ti, and the polymer material has PVDF (polyvinylidene fluoride) or PAN (polyacrylonitrile). sensor. 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 그래핀 패턴과 상기 제 2 그래핀 패턴은 상기 압전 물질막을 사이에 두고 수직으로 교차하는 격자형 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서.The method of claim 4, wherein
The graphene touch sensor using the piezoelectric effect, wherein the first graphene pattern and the second graphene pattern are formed in a lattice structure perpendicularly intersecting the piezoelectric material film therebetween. 제 4 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 압전 물질막은 제 1 그래핀 패턴과 제 2 그래핀 패턴이 이루는 격자 사이의 중첩부에 도트(dot) 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 효과를 이용한 그래핀 터치 센서.

The method according to claim 4 or 11, wherein
The piezoelectric material film is a graphene touch sensor using a piezoelectric effect, characterized in that formed in the shape of a dot (dot) overlapping the lattice formed between the first graphene pattern and the second graphene pattern.

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