KR20150047506A - 인쇄된 압전기 압력 감지 포일 - Google Patents

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요하노이움 리서치 포르슝스게젤샤프트 엠베하
에프하-오외 포르슝 ＆ 엔트뷔클룽 게엠베하
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Abstract

감지 장치가 제공되며, 상기 감지 장치는, 기판, 기판 상으로 인쇄되는 센서 잉크, 상기 센서 잉크 상으로 인쇄되는 전도성 폴리머 잉크, 상기 폴리머 잉크 상에 형성되는 전도성 탄소 페이스트, 및 전도성 탄소 페이스트 상에 인쇄되는 전도성 은 잉크를 포함한다. 또한 입력 장치에 의해 발생되는 신호를 프로세싱하기 위한 감지 장치가 제공되며, 상기 감지 장치는 신호를 증폭시키기 위한 연산 증폭기, 신호로부터의 신호 잡음을 필터링하기 위한 필터, 신호에 오프셋과 감쇠를 적용하기 위한 가산기, 신호를 디지털 출력 신호로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 마이크로제어기를 포함한다.

Description

인쇄된 압전기 압력 감지 포일{PRINTED PIEZOELECTRIC PRESSURE SENSING FOIL}
수년 동안, 터치 감지 장치가 점점 더 중요해졌다. 터치 감지 장치는 광학성, 저항성, 및 용량성 추적 장치의 3개의 서로 다른 카테고리로 나뉠 수 있다.
광학성 터치 솔루션은 주변 조명과 추적 물체의 물질에 크게 종속된다. 덧붙여, '터치' 입력과 '펜' 입력의 분리가 용이하게 가능하지 않다.
저항성 어레이 기반 센서는 보통 2개의 전도성 물질의 층으로 구성되는데, 하나는 수평 선을 갖고, 다른 하나는 수직 선을 가진다. 사용자가 표면을 터치할 때, 수평 레인과 수직 레인이 교대로 연결되어 전류의 흐름을 가능하게 한다.
이러한 방식이 저렴하고 에너지 효율적이더라도, 추적 분해능(tracking resolution)이 감지 라인들 간 공간으로 국한된다. 대안적으로, 잘 형성된 저항을 갖는 평면(plane) 유형 전도체가 상부 전극 및 하부 전극으로서 사용된다. 전압을 전극들 중 하나에 인가하고 전극 에지에 대한 나머지 전극의 저항을 검출함으로써 터치 신호가 측정된다. 이는 전극을 전압 분할기로서 취급하는 것과 유사하다. 여기서 분해능은 독출 일렉트로닉스의 감도, 전극들 사이의 이격거리(공간) 및 전극들의 전도율의 균일성에 의해 주로 결정된다. 그러나 표준 저항성 터치 패널 개념은 압력 감지에 적합하지 않다.
US 20090256817 Al에, IFSR(Interpolating Force Sensitive Resistance)을 기반으로 터치와 펜 모두를 추적하기 위한 저항성 압력 감지 터치-기반 입력 장치가 알려져 있다. 이 설정에서, 감지 물질이 종이 두께의 신축성/유연성 있는 물질 상에 장착되며 압력 입력을 감지할 수 있다.
용량성 터치 센서는 절연체, 가령, 유리 상에 배치되는 얇은 전도성 층으로 구성된다. 이 층은 커패시터의 전극으로서 역할한다. 표면 상의 터치가 패널의 정전기장의 왜곡을 도출하며 용량(capacitance)의 변화로서 측정 가능하다. 그러나 용량성 감지는 터치 위치만 측정할 수 있다(분해능이 터치 영역으로 한정된다). 압력 감지를 위해 적합하지 않을 수 있다. 이 기법의 또 다른 단점은 인체의 유전 속성(dielectric property)에 의존한다는 것이며, 따라서 스타일러스 또는 물체가 추적되지 않을 수 있다.
최신 압전기성 감지 장치가 장치 코너에 위치하는 압전기 트랜스듀서를 통한 터치-유도성 표면(음향) 파의 검출에 의해 간접적으로나마 압전기 효과를 활용한다. 이러한 장치는 요구되는 무기 압전기 물질 및 이와 관련된 조립 공정의 비용 때문에 비싸다. 이들 장치는 예를 들어 움직임 없는 손가락의 검출이 불가능하기 때문에 제한적인 사용자 대화(user interaction)만 제공한다.
WO 2012/025412 Al는 압전기 및 초전기 코팅을 생성하는 방법을 기재한다.
US 8,138,882 B2는 "지능형 바닥"에서 감지 장치를 사용하는 것을 기재한다.
앞서 언급된 센서 개념 중 일부가 멀티-터치 감지 능력을 제공하지만, 입력의 압력을 효율적이고 정확하게 추적하는 것이 가능하지 않다. 또한 펜과 터치 동작을 개별적으로 추적하는 것이 바람직하다. 덧붙여, 펜 및 터치 동작의 추적을 압력 추적과 조합하는 것이 바람직하다.
본 발명은 이들 그리고 그 밖의 다른 문제를 해결하는 것을 목표로 한다.
본 발명은 특허청구범위에 의해 정의된다.
도 1은 압전기 압력 감지 효과를 도시하는데, 좌측에 양 전하와 음 전하의 분포 및 중심이 도시되어 있다. 우측에 응력/힘의 상태에서의 전하 중심의 이동이 도시된다.
도 2는 사용자가 표면을 터치할 때(좌측)와 손가락을 뗄 때(우측) 압전기 출력 전압을 도시한다.
도 3은 조합된 압전기 및 초전기 센서로부터의 출력 신호를 도시하는데 좌측에 초전기 효과가 없는 압전기 응답인 출력 신호가 우측에 조합된 압전기 및 초전기 응답이 나타난다.
도 4는 예시적 센서의 구조를 도시한다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 감지 전자소자를 블록도로서 도시한다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 센서 매트릭스의 전극을 도시한다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 센서 매트릭스에 의한 스텝 응답의 보간을 도시한다.
도 8은 터치 동작에 응답하여 검출된 데이터의 프로세싱을 도시하되, 인가된 압력 곡선(상부), 최종 압전기 센서 신호(두번째), 추정 신호 값과 측정 신호 값 간 편차(세번째), 및 편차 곡선을 적분함으로써 얻어진 추정 압력 신호(네번째)를 도시한다.
도 9는 하드 플랫 스탬프(최좌측), 구조화된 기판 상의 센서(가운데), 및 돔-형태의 키패드의 어레이(최우측)를 이용한 각인 기법을 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 실제 터치 포인트 및 고스트 포인트의 십결을 도시한다.
본 발명의 예시적 실시예가 도면을 참조하여 이하에서 기재된다.
서문
본 발명의 하나의 실시예에서, 초전기 효과(pyroelectric effect)와 압전기 효과(piezoelectric effect)를 모두 지원하는 강유전성 물질(ferroelectric material)을 기초로 하는 압력 감지 입력 장치가 제공된다. 상기 강유전성 물질은 크고, 평면 및/또는 곡면 표면 상의 압력 변화를 감지하도록 사용될 수 있다. 입력 장치는 임의의 물질 상에 쉽게 인쇄될 수 있는 4개의 층의 샌드위치 구조를 가진다. 이 물질은 고분해능 광학 기반 감지 포일(sensing foil), 가령, US 2011/0310066 A1에 기재된 것, 또는 광학 스타일러스, 가령, US 2012/0127110 A1에 기재된 것과 조합되어 사용될 수 있다.
입력 장치는 양손과 펜 입력 추적을 지원한다. 장치를 구현하는 포일은 휘어질 수 있으며, 에너지 효율적이고 인쇄 공정으로 쉽게 제작될 수 있다.
상기 입력 장치는 또한 초전기 효과를 기초로 호버링 모드(hovering mode)를 지원한다.
압전기 효과
압전기 물질은 짜내지고 물이 나올 때의 젖은 스폰지와 같다. 신호의 진폭 및 주파수가 압전기 물질의 기계적 변형에 정비례한다. 압전-요소의 유도된 변형이 물질의 표면 전하 밀도의 변화를 야기하고 이는 전극들 간 전압을 도출한다(도 1). 압전 계수(piezoelectric coefficient)가 적용된 힘 단위 당 발생되는 전기 전하의 양을 기술한다.
PVDF 필름, 가령, 모든 압전기 물질이 기계적 응력의 변화에 비례하여 전기 전하를 형성하는 동적 물질이다. 따라서 압전기 물지 자체는 이들의 내부 저항 때문에 정적 측정에 적합하지 않다. 폴리머 필름에서 발생되는 전기 전하는 유전 상수, 필름의 내부 저항 및 필름이 연결되어 있는 인터페이스 전자소자의 입력 임피던스에 의해 결정된 시간 상수에 따라 쇠퇴된다(도 2).
초전기 효과
초전기 센서 물질은 일반적으로 온도 종속적인 분자 쌍극자 모멘트를 갖는 유전체 물질이다. 이들 물질은 열 에너지를 흡수함에 따라 팽창(또는 수축)된다. 팽창 때문에 간접적 압전기 신호가 발생된다. 가열 후 쌍극자의 무작위적 움직임에 의해 필름의 평균 분극(분자 쌍극자 모멘트들의 합)의 감소가 야기되며, 이ㄴ,s 필름 표면 상에 쌓일 전하를 발생시킨다. 압전기 및 응력과 유사하게, 추전기 추력 전류는 온도 변화의 속도에 비례한다. 초전기 전하 계수가 온도 변화율에 대해 발생되는 전기 전하량을 기술한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 앞서 언급된 물질 속성을 기초로 하여 넓은 면적에서 압력과 온도 변화를 감지하기 위해 압전기 및 초전기 폴리머 필름이 채용된다. 특히, 센서의 적절한 레이아웃과 조합하여 압전기 및 초전기 폴리머의 인쇄 가능한 제제(formulation)를 채용함으로써, 스크린 인쇄 공정에 의한 비용 효율적인 대면적 센서의 제조가 가능해진다. 이들 센서는 (터치 및/또는 펜 입력의) 압력 감지 및 추적뿐 아니라 IR 이미터(호버링 상호대화), 가령, 사람의 손의 접근성 또는 근접성을 검출을 할 수 있다.
도 3에서 압전기 및 초전기 효과가 비교되어, 약 500ms의 지속시간을 갖는 터치를 보여준다. 도 3의 오른쪽 측부에서 나타나는 바와 같이, 터치 신호로부터 가열 효과와 냉각 효과를 구별하는 것이 매우 복잡하다. 일부 상황에서, 이들 효과는 더 혼합될 수 있다. 일반적으로, 압전기 포일이 임의의 외부 광(열)원에 매우 민감하다.
이들 문제는 히트 싱크(heat sink)로서도 역할할 수 있는(따라서 초전기 응답을 감소시킬 수 있는) IR-광을 반사하는 층/박판을 추가함으로써 또는 이하에서 기재되는 포일 설계를 제공함으로써 해결될 수 있다.
포일 설계
하나의 실시예에서, 감지 포일(sensing foil)은 스크린 인쇄되고 유연하며 용량성이고, 지름 10mm의 원형의 센서 스팟들의 16 × 8 어레이를 기초로 한다. 터치 포일의 토대는 플라스틱 기판이며, 이는 인쇄된 물질을 위한 캐리어로서 역할한다. 다음 단계(128)에서, 원형 스팟(전극)이 캐리어 물질에 인쇄되고, 이들은 수평 방향으로 연결된다. 그 후, 플라스틱 기판의 전체가 강유전성 물질로 코팅된다. 그 후, 수직방향으로 연결된 전극들의 제 2 층이 인쇄된다. 2개의 전극 층들이 커패시터를 형성한다. 강유전성 센서 층의 전하 변경이 전극들 간 측정 가능한 전압을 야기한다.
도 4는 다음의 물질을 포함하는 포일 구조체의 샌드위치형 설계를 도시한다:
○ 투명 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기판(PET)에 의해 형성된 제 1 층,
○ 반투명 전도성 폴리머 물질로 형성된 제 2 층 내 전극,
○ 약 85 퍼센트의 투명성을 갖는 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 및 트리플루오로에틸렌(TrEE)으로 형성된 압전기 및 초전기 센서 물질, 및
○ 불투명 카본 또는 전도성 폴리머로 형성된 상부 전극.
엄격한 펜과 터치 구분을 갖는 경우(가령, 펜은 주석달기(annotation)를 위해 사용되고 터치는 조작(manipulation)을 위해 사용되는 경우), 두 입력 모두의 안정한 분리가 필요하다. 이를 이루기 위해, 하나의 실시예에서, 도시된 센서 포일이 US 201 1/0310066 A1에 기재된 유형의 포일과 조합되어, 안정한 펜 및 터치 추적을 제공할 수 있다. 이러한 추가 포일은 초전기 응답을 감소시키기 위해 온도 흡수 층으로서 역할한다.
멀티 터치
멀티-터치 감지를 위한 앞서 기재된 설계를 이용하여, 센서 포일의 설계로 인한 이른바 고스트 포인트(ghost point)가 발생할 수 있다. 멀티-터치 입력에서의 "고스트화"를 피하기 위해, 하나의 실시예에서, 특수 유형의 센서 포일이 사용된다. 상기 센서 포일은 기판의 두 면 모두 상에 적용되는 직교하는 상부 전극과 하부 전극의 격자 구조를 갖는 2개의 센서 층을 포함한다. 2개의 센서 격자의 상부 전극과 하부 전극의 방향은 45도만큼 회전되어, 2개의 센서 층 모두 상에서 실제 터치 포인트를 동일한 위치에서 나타내지만 서로 다른 위치에서 고스트 포인트를 발생시킨다. 두 포일 모두의 입력 신호를 뺌으로써, 나머지 신호는 고스트 포인트에 확실히 기여할 수 있고, 멀티-터치 적용예에서 올바른 터치 위치가 드러나게 된다.
바람직한 실시예에 대한 기술
센서 어레이의 제조
제조는 다음의 4개의 기능성 잉크를 이용한 스마트 액티브 매트릭스 센서 어레이의 저비용 인쇄에 의해 구현될 수 있다:
○ 플루오로폴리머 센서 잉크,
○ 전도성 폴리머 잉크,
○ 전도성 카본 페이스트, 및
○ 전도성 은 잉크.
상기 센서 잉크가 P(VDF-TrFE)(폴리(비닐리덴 플루오라이드 트리플루오로에틸렌)로 형성될 수 있다. 상기 폴리머 잉크는 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌 술폰산) 잉크로 형성될 수 있다.
기판이 투명하고 유연한(175㎛ 두께의) 플라스틱 포일로 형성됨으로써 스크린 인쇄 공정 중에 인가되는 기능성 물질(잉크)의 높은 유연성과 우수한 접착성을 제공한다. 상기 센서 잉크는 반결정질 구조(semi-crystalline structure)를 갖고 포일 상에 인쇄되어 5㎛ 두께의 투명 층을 형성할 수 있는 초전기 및 압전기 코폴리머 P(VDF-TrFE)를 기초로 한다. 센서 전극들을 Molex 1.00mm 피치(Pitch) FFC/FPC 연결자로 연결하기 위해 은 전도성 라인이 인쇄된다. 인쇄 단계 후, 각각의 층은 100℃에서의 짧은 어닐링 처리만 겪는다. 이 하소(calcination)가 완전한 용매 증발을 제공함으로써, 각각의 층의 기능 속성(전도율, 압전기 및 초전기 응답)을 증가시킬 수 있다. 간소한 열 요건 때문에, 전체 공정이 저온 제조로 간주될 수 있다.
눈으로 식별 가능하게 개선된 압전기 및 초전기 응답을 제공하기 위해, 비정질 매트릭스 내에 내장된(embed) 무작위적으로 정렬되고 쌍극자를 포함하는 나노-결정이 센서 전극에 수직으로 정렬된다. 이는 소이어-타워 회로(Sawyer-Tower-Circuit)를 이용해 센서의 히스테레시스 폴링(hysteresis poling)에 의해 구현될 수 있다. 충분하고 견고한 쌍극자 정렬을 위해, 항전기장력(coercive field strength)의 2배인 140MV/m의 범위의 전기장이 인가된다. 이 절차는 10㎐의 폴링 주파수에서 70 mC/m2의 매우 높은 잔류 분극을 야기한다.
최종 센서 포일이 인쇄되고, 대면적의, 유연하며 내구성이 있는 폴리머 센서를 제공하여, 실온 및 125℃의 퀴리 온도에서 20-30 pC/N의 압전 계수 d33과 40의 초전 계수 p33을 나타낸다.
감지 일렉트로닉스
도 5a에 도시된 바와 같이, 압전기 센서의 상응하는 회로가 내부 저항 Rs(1GΩ) 및 내부 커패시턴스 Cs(1nF)를 갖는 전류원이다. 센서의 내부 저항 및 내부 커패시턴스는 물리적 치수, 전기 전도율, 및 사용되는 물질의 유전율(permittivity)에 따라 달라진다. 포일을 터치하는 것은 측정하기 어려운 소량의 에너지만 발생시킨다. 따라서 임피던스 변환기가 사용되어 센서 신호를 증폭할 수 있다(도 5b). 상기 임피던스 변환기는 입력 전압을 출력 전압으로 전달하지만 신호 파워를 증폭시킨다. 입력 전류는 0 암페어에 가까운 것이 바람직하다. 따라서 초저 입력 전류(10fA 미만)를 지원하는 연산 증폭기(operational amplifier)가 바람직하다. 이러한 유형의 연산 증폭기의 단점은 온도 종속성이다. 따라서 1pA 입력 전류를 갖는 덜 온도 종속적인 연산 증폭기가 사용되고 추가 100MΩ 입력 저항이 추가된다. 덧붙여, 알려진 입력 저항은 신호에서 터치력(뉴튼(Newton))을 역으로 계산할 수 있게 한다.
다음 단계에서, 신호 잡음이 감소된다. 주위 메인 전압에 따라, 전기 잡음은 신호 스펙트럼에서 약 50Hz이다. 따라서 50Hz 노치 필터(Notch filter)가 사용되어 이 잡음을 제거할 수 있다(도 5c). 최종 단계에서, 신호에 오프셋 및 감쇠가 적용되어 마이크로-제어기의 내부 아날로그-디지털 변환기의 측정 범위(0 내지 3.3V)를 만족시킬 수 있다(도 5d).
도시된 실시예에서, ATMEL사의 높은 에너지 효율의 32-비트 Cortex-M3 마이크로-제어기가 채용된다(도 5e). 그 밖의 다른 일반적인 마이크로제어기와 비교하여, 신호 프로세싱이 기판 상에서 더 효율적으로 수행될 수 있는데, 데이터 유형이 최대 32-비트이며 고성능 곱셈이 지원되기 때문이다. 덧붙여 12비트 아날로그-디지털 변환기(초당 1백만 개의 샘플) 및 집적 USB 코어 유닛이 사용된다.
센서 매트릭스 스캐닝
하나의 실시예에서, 센서 매트릭스는 210×130㎟ 면적을 덮는 128개의 센서 스팟을 가진다. 하부 상의 전극들이 수평방향으로 연결되며 상부 상의 전극들이 수직방향으로 연결된다. 초저 누수 아날로그 멀티플렉서가 사용되어 수평방향 행(horizontal row)을 접지로 연결할 수 있다. 반면, 나머지 모든 행은 고 임피던스 상에 있게 된다(도 6).
모든 열이 임피던스 변환기 회로로 연결된다. 추가 아날로그 멀티플렉서가 임피던스 변환기 출력을 마이크로제어기의 아날로그 디지털 변환기들의 입력으로 스위치 온/오프하도록 사용된다.
모든 센서 스팟이 측정되고 이들의 출력 전압이 매 10ms마다 프로세싱 수단(컴퓨터)로 전송된다. 모든 128개의 센서들에 대한 스캔은 4.352ms(128×34㎲)가 걸린다. 요약하자면, 아날로그 멀티플렉서를 구동하는 데 대략 1㎲, 멀티플렉서 및 필터링 회로가 새 센서 출력에 대해 정착하도록 대기하는 데 25㎲, 그리고 마지막으로 A/D 변환을 위해 8㎲가 걸린다. 모든 센서를 스캔한 후, PC로 결과를 전송하도록 USB 코어의 DMA 제어기를 구성하기 위해 추가로 2㎲가 걸린다. 짧은 프로세싱 시간 때문에, 충분한 용량이 더 큰 포일 또는 더 높은 터치 포인트 밀도에 대해 남겨진다.
터치 프로세싱
센서 스파 상에서의 모든 압력 변화가 전하를 발생시키며 측정 가능한 전압을 야기한다. 어떠한추가 압력 변화도 발생하지 않는 경우, 압전기 필름의 내부 저항 및 측정 회로의 입력 저항을 통해 전압이 방전한다. 이 방전은 지수 함수를 따르며 지수 함수의 파라미터가 알려져 있는 경우 예측 가능하다.
예측되는 값의 모든 편차가 센서 상의 새로운 압력 변화에 의해 야기되어야 한다. 이는 센서 신호로부터의 압력 변화를 프로세싱하도록 사용될 수 있다. 추가 단계에서, 모든 압력 변화를 적분함으로써 압력 진행(pressure progress)이 계산될 수 있다.
100Hz의 샘플링율이 사용될 때 t는 10ms이다. 지수 함수의 시간 상수 τ가 센서의 내부 저항 및 커패시턴스뿐 아니라 측정 회로의 입력 임피던스에 종속적이다. 센서 스팟에 재현 가능한 힘을 적용하기 위해 공기압 측정 설정이 사용될 수 있다. 이 셋업은 하나의 단일 센서 스팟의 스텝 응답(step response)을 측정하는 데 도움이 된다. 지수 함수를 이용해 스텝 응답을 보간하기 위해 근사화 툴(fitting tool)이 사용될 수 있다(도 7).
보간된 지수 함수는 17.72 ms의 τ를 가진다. 그 후, 센서 출력으로부터 압력 진행을 프로세싱하기 위해 필요한 모든 파라미터가 알려져 있다. 도 8은 센서 출력으로부터 역 계산하여 압력을 계산할 수 있음을 보여준다. 인가된 압력이 첫 번째 그래프에서 도시된다. 제 2 그래프가 센서의 측정된 출력 전압을 보여준다. 지수 함수로부터 얻어진 예측된 값과 (압력 변화로 인해 유도된) 측정 값 간 편차가 세 번째 차트에서 나타난다. 마지막으로 편차들의 적분이 마지막 차트에서 플롯팅된다. 전압 진행이 인가된 압력에 비례한다.
펜 및 터치 추적
펜과 터치 추적을 위한 안정한 솔루션을 제공하기 위해, 앞서 기재된 포일 설계를, 예를 들어, ANOTO (RTM)에 의해 제공되는 바와 같이 추가 점 패턴과 조합하는 것이 바람직하다.
소프트웨어 기반 프로세싱을 통해 펜과 터치 분리가 실현된다. 조합된 입력 드라이버가 펜과 터치 입력 데이터를 동시에 모두 분석한다. 새 터치가 수행될 때마다, 입력 드라이버는 동일 스팟에서(작은 임계값 내에서) 약 50ms 동안 펜 입력에 대해 대기한다. 이 주기 동안, 모든 터치 데이터가 입력 드라이버에 임시 저장되게 된다. 펜 입력이 인식될 때마다, 입력 드라이버는 펜 입력만 전달하고 터치 입력을 무시한다. 그렇지 않은 경우, 임시 저장된 터치 데이터가 애플리케이션으로 규칙적으로 전달되게 된다.
애플리케이션
촉각/음향 피드백을 갖는 인간 기계 인터페이스(HMI)
하나의 실시예에서, 감지 장치 또는 본 발명이 HMI를 구현하도록 사용된다. PyzoFlex 기술을 기초로 하는 HMI 기술이 유연한 기판 상의 대면적에 걸쳐, 선택사항으로서 거의 투명한 전극을 인쇄함으로써, 터치-입력 기능을 저비용 프로세스로 제공할 가능성을 가진다. 각인에 의한 액티브 강유전성 물질의 3D-패터닝이 하나의 기능 층으로 음향 피드백과 조합된 패시브 햅틱을 가능하게 한다.
하나의 실시예에서, HMI 기술의 기본 요소는 투명 전극 또는 IR 흡수 전극 사이에 샌드위치된 유전체로서 반결정질 강유전성 폴리머 PVDF-TrFE를 기초로 하는 인쇄된 강유전성 센서 커패시터의 어레이이다. 상기 센서는 이의 압전 속성 때문에 압력의 변화에 감응하거나 초전 속성 때문에 온도 변화에 감응한다. 이러한 인쇄된 용량성 센서 어레이는 유기 트랜지스터 및 디스플레이 요소와 일체 구성될 수 있고, 터치 또는 근접성(비-터치)에 의해 제어될 수 있는 유연하고, 용이하게 프로세싱될 수 있으며, 저비용의 사용자 인터페이스로서 더 사용될 수 있다.
모든 층이 스크린 인쇄에 의해 증착될 수 있다. 투명하고 매끄러운 층이 요구되는 경우, 전극을 위한 가능한 물질은 (ⅰ) PEDOT:PSS 또는 (ⅱ) 현재 ITO 기술에 대한 대안으로서 인쇄 가능한 금속성 나노와이어가 있다. 저저항성 및/또는 우수한 IR 흡수율이 중요한 경우, 탄소 및 은(Ag)이 선택된 물질이다.
하나의 실시예에서 새 멤브레인 버튼 개념이 제공된다. 구체적으로, 인쇄된 압전기 폴리머가 입력을 위한 압력 센서로서 그리고 촉각 피드백을 위한 액추에이터로서 기능할 수 있지만, 음향 피드백을 가능하게 하는 확성기(loudspeaker)로서도 기능할 수 있다.
본 발명의 입력 장치가 인쇄될 때, 인쇄된 PVDF-TrFE의 접착제와 조합되는 백본(기판)의 강성이 센서 장치의 진동 출력에 영향을 미친다. 하나의 실시예에서, 촉각 및/또는 음향 사용자 피드백에 대한 진동 진폭을 증폭시키기 위해, 구조화된 기판, 가령, 유공 필름, 또는 열 압인/각인에 의해 제조되는 공동을 갖는 폴리머 필름 및 각인된 돔-형상의 센서 커패시터가 사용된다. 이는 도 9에 도시되어 있다.
결과는 액티브 폴리머에 부착된 전극에서 전하를 유도하는 키패드의 압력에 의해 유도된 변형을 기초로 하는 패시브 햅틱 피드백을 갖는 단순한 입력 키이다. 키의 신호 검출 후, (햅틱 감지, 음향 감지, 또는 둘 모두를 위한) 임의의 정의된 주파수 및 진폭의 전압 신호를 생성함으로써, 입력 장치로 연결된 프로세싱 수단이 액추에이터/스피커 상에서 액티브 피드백을 발생시킬 수 있다. 사용자에게 주어진 피드백의 최종 인상은 임의의 목적 및 주위환경에 대해 자유롭게 설계될 수 있다. 피드백 신호의 강도가 백본의 설계, 키패드의 크기, 및 센서로 전송된 신호에 의해 결정될 수 있다.
덧붙여, 전체 키 설계 및 기능에 영향을 미치지 않으면서 스피커의 소리 응답 및 음향 압력을 최적화하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예는 특정 주파수 및 소리 레벨로 음향 파를 발산하기 위해 최적화된 강성도를 갖는 돔-형태의 PVDF 센서의 제조를 포함한다.
(멀티) 터치 패널
압전기 멀티 터치 패널의 경우, 본 발명의 실시예에 따르는 전극 패턴은 인쇄 공정에 의해 제한되는 분해능을 갖는 어레이 유형 또는 더 높은 분해능을 갖는 저전도성 판형 전극을 기초로 하는 삼각 유형이다.
어레이 유형 (멀티) 터치 패널
본 발명의 하나의 실시예에서, 특히, 저비용의 인쇄 가능한 폴리머 페이스트에 의해 생성되는 진정한 압전기 센서를 기초로 하는 (멀티) 터치 패널이 제공된다. 앞서 기재된 실시예는 서로 다른 유형의 사용자 대화를 위해 대면적의 인쇄된 (멀티) 터치 센서를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 강유전성 폴리머가 가시 범위에서 투명하기 때문에, 투명 전극 물질을 이용해 터치스크린을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 단일 터치-포인트의 신뢰할만한 트리거를 위해, 겹치는 영역에서 압전기, 액티브, 용량성 영역을 형성하는 직교 정렬된 하부 및 상부 전극의 어레이형 구조가 제공된다.
그러나 멀티 터치 제스처가 캡처될 때, 키르히호프 법칙(Kirchhoff's law)에 의해 기술된 전하 분포로 인한 고스트 포인트의 생성이 단일 층 접근법에서 어려워진다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 이 문제는, 예를 들어, 종래 기술의 용량성 터치 스크린에서처럼 복잡하고 비싼 전자기기 및 소프트웨어의 조합을 이용하지 않고 해결된다. 오히려 이 실시예에서, 전극의 방향을 45도 기울임으로써 제 2 센서 층을 단일-터치 패널에 추가함으로써 신뢰할만한 멀티-터치 인식이 이뤄진다. 이 설계는 센서 패널들로부터의 압전기 센서 신호를 빼서 진정한 터치-포인트를 제거하고 전하 분포에 의해 야기되는 고스트-포인트를 드러냄으로써 터치 입력의 결정을 가능하게 한다. 이는 도 10에 도시된다.
판형 전극 삼각측량 패널
본 발명의 또 다른 실시예에서, 전극 물질들의 저항율의 차이를 활용하는 삼각측량 기반 압전기 터치 패널이 제공된다. 이 실시예에서 센서 포일의 코너에서 신호가 검출되고 센서 신호의 거리 종속적 감소가 저전도성 전극의 직렬 저항과 관련되기 때문에, 여기 포인트(excitation point)의 정확한 위치가 계산될 수 있다.
레이저 보호 벽
센서 장치 내에서 사용되는 액티브 폴리머가 압전기성 및 초전기성이거나(PVDF-TrFE) 둘 중 하나이도록 튜닝될 수 있는(PVDF-TrFE + 나노복합체) 본 발명의 하나의 실시예에서, 압력 변화에 의해 야기되는 터치 입력의 검출뿐 아니라 온도의 변화까지 감지될 수 있다.
앞서 기재된 (멀티) 터치 패널과 관련된 센서 구조를 이용함으로써, 국소적인 열 변화까지 검출될 수 있다. 적합한 프로세싱 수단과 조합하여, 열의 공간적으로 분해되는 변화가 기록되고 분석된다. 이 기술은 액티브 레이저 보호 벽의 비용 효율적인 제조, 가령, 자동화된 레이저 용접 시스템을 위해 또는 특정 레이저 클래스를 초과하여 자동화된 레이저 제조 시스템의 인근에서 사용될 수 있다.이들 적용예의 경우, 디포커싱된 또는 산란된 레이저 빔에 의해 발생되는 열을 센서 어레이로 직접 전달하기 위해 본 발명의 감지 장치에 포함되는 열 감지 센서-포일이 (일반적으로 적절한 두께의 금속 판으로 구성된) 패시브 레이저 하우징에 부착된다.
프로세싱 수단이 제공되어 위험성 있는 이벤트가 발생하는지 여부 또는 어느 유형의 이벤트인지를 결정하고, 신호 분포 및 진폭에 따라, 경보를 개시하거나 필요에 따라 레이저 시스템을 셧 다운할 수 있다.
이 실시예에서, 적절한 양의 센서 시트를 조합/스티치(stitch)함으로써 대면적 액티브 레이저-보호-벽을 제조하는 것이 가능하다. 또한 이는 위험성 이벤트 후 손상된 부분의 용이한 교체를 가능하게 한다. 추가로, 프로세싱 수단에 의해 온도 상승의 강도 및 위치가 드러날 수 있기 때문에, 센서 시트의 공간 분해능이 단순화된 에러 진단을 가능하게 한다.
에너지 수확기(Energy harvester)
본 발명의 하나의 실시예에서, 압력 및/또는 온도 변화가 발생할 때 감지 장치는 전극 상의 전하들을 분리하는 패시브 용량성 센서를 포함한다. 이들 특성 때문에, 센서는 기계적 및 열적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환기로서 사용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 감지 장치가 진동 변화 및/또는 열적 변동의 인근에서 에너지 수확기로서 사용될 수 있다.
기계적 에너지의 검출에 응답하여 발생된 전하가 진동 및/또는 열적 변화의 진폭 및 주파수 및 센서 면적에 종속적이다. 용량성 에너지 수확기의 설계가 기존 주위환경에 적합한 것이 바람직하다. 특히, 액티브 폴리머의 두께가 전류 대 전압 비에 영향을 미치고 여기될 액티브 영역의 크기가 발생된 전하의 양과 관련된다. 예를 들어, 0.7 ㎠의 면적을 갖는 단일 HMI-센서를 이용할 때, 단일 터치 이벤트에서 3nC가 발생될 수 있다. 센서 설계를 적합화함으로써, 발생된 에너지가 사용될 수 있다. 예를 들어 산업 자동화 환경 또는 주위 생활 지원(ambient assisted living)의 맥락에서 임의의 적절한 기기에서의 무선 센서 네트워크 내 무선 센서 노드를 바이어스할 수 있다.
지능형 바닥(intelligent floor)
본 발명의 감지 장치가 넓은 주파수 스펙트럼에 걸쳐 진동을 검출할 수 있다. 따라서 상기 감지 장치는 마이크로폰, 솔리드 본 음향 센서(solid bone sound sensor), 또는 가속도 센서로서 사용될 수 있다.
주위 생활 지원(가령, 지능형 바닥) 및 보안 적용예(가령, 기물 파손의 검출)의 맥락에서, 일반적인 소리 패턴이 특정 사건을 가리킨다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 예를 들어, 감지 장치가 건물의 하나의 방의 벽 또는 바닥에 부착된다. 다양한 주파수를 감지할 수 있는 감지 장치의 능력을 기초로 하여 진동 및/또는 표면이 검출 및 분석될 수 있다.
감지 장치의 크기, 형태, 및 두께를 변화시킴으로써 감지 장치의 음향 감도가 특정 주파수 대역으로 튜닝될 수 있다. 보안 적용예의 경우, 기록된 신호를 특정 이벤트를 지시하는 데이터를 저장하는 기준 데이터베이스와 비교하여, (가령, 기물파손, 사고 또는 그 밖의 다른 보안 관련 이벤트) 검출을 가능하게 함으로써 특정 이벤트(가령, 유리 파손)가 검출될 수 있다.
일상 생활에서의 유비쿼토스 컴퓨팅의 성장하는 분야(주위 생활 지원(ambient assisted living))에서, 관심이 증가하는 하나의 양태가 "지능형 바닥"이다(US 8,138,882 B2).
본 발명의 하나의 실시예에서, 바닥 구조물 내/상에 감지 장치가 구현된다. 감지 장치의 강건성 때문에, 압력/온도 변화를 위한 센서, 가속도 센서, 및/또는 솔리드 본 소리 센서로서의 용도를 위한 감지 장치의 강건성, 형태 및 능력 때문에, 감지 장치가 가령 움직이는 사람/동물, 음향 이벤트, 온도 변화(가령, 화재) 등의 검출 및 추적을 가능하게 한다.
앞서 기재된 실시예는 예시로서 기재된 것이며 이들 실시예의 변형이 이하의 특허청구범위 내에 포함됨이 자명할 것이다.

Claims (35)

  1. 감지 장치로서,
    기판,
    기판 상에 인쇄되어 제 1 센서 층을 형성하는 강유전성 센서 잉크, 및
    제 1 센서 층 상에 형성된 적어도 하나의 전도성 층
    을 포함하는, 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 전도성 층은
    제 1 센서 층 상으로 인쇄되어 제 1 전도성 층을 형성하는 전도성 잉크 - 잉크는 폴리머, 탄소, Ag, Cu 및/또는 금속 나노와이어를 포함함 - ,
    상기 전도성 층 상에 인쇄되어 제 2 전도성 층을 형성하는 탄소 잉크, 및
    전도성 잉크, 가령, 탄소 층 상에 인쇄되어 제 3 전도성 층을 형성하는 은 잉크
    중 적어도 하나를 포함하는, 감지 장치.
  3. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 전도성 층은 제 1 센서 층 아래의 기판 상에 인쇄되어 기판 상에 제 1 전도성 층을 형성하는 전도성 잉크, 특히, 폴리머, 탄소, 은, 구리, 금속 나노와이어 및/또는 탄소 나노튜브를 포함하는 전도성 잉크를 포함하는, 감지 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 센서 잉크는 초전기 및 압전기 폴리머, 특히, 코폴리머 P(VDF-TrFE) 또는 완화제 강유전성 테르폴리머 P(VDF-TrFE-CFE)로 형성된 폴리머를 포함, 및/또는 센서 잉크는 초전기 및 압전기 폴리머 내에 내장된 무기 강유전성 나노입자의 나노복합체로 형성되는, 감지 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 센서 층을 이용해 연결된 복수 제 1 전극 및 연결된 복수의 제 2 전극을 더 포함하며, 겹치는 제 1 전극과 제 2 전극의 쌍이, 센서 스팟에 각각 대응하는 커패시터를 형성하여 제 1 센서 층에 발생된 전하에 응답하여 측정 가능한 전압을 발생시키는, 감지 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제 2 센서 층을 더 포함하고, 상기 제 2 센서 층은, 특히, 인쇄에 의해 기판의 후면 상에 또는 제 1 센서 층의 상부 상에, 특히, 제 1 센서 층의 상부 상에서의 박층화(laminate)에 의해 제공될 수 있는, 감지 장치.
  7. 제6항에 있어서, 제 1 센서 층은 실질적으로 평행인 복수의 제 1 전도성 라인을 포함하고, 제 2 센서 층은 실질적으로 평행인 복수의 제 2 전도성 라인을 포함하며, 복수의 제 1 전도성 라인과 복수의 제 2 전도성 라인은 복수의 제 1 라인 및 복수의 제 2 라인의 길이 방향에 수직으로 뻗어 있는 축을 중심으로 서로에 대해 지정 각도, 가령, 45도만큼 회전되는, 감지 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 쌍극자를 포함하는 나노-결정을 포함하는, 감지 장치.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 쌍극자를 포함하는 나노-결정은 복수의 제 2 전극에 수직으로 정렬되는, 감지 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강유전성 센서 잉크가 인쇄된 강유전성 센서 커패시터의 어레이를 형성하고, 상기 센서 커패시터는 바람직하게는 투명 또는 IR-흡수 전극들 사이에 형성된 반결정질(semicrystalline) 강유전성 폴리머 PVDF-TrFE를 포함하는, 감지 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전극은 PEDOT:PSS, 인쇄 가능한 금속성 나노와이어, 탄소 및/또는 Ag를 포함하는, 감지 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 기판은 구조화된 기판, 가령, 유공 필름(perforated film) 또는 열 압인 또는 각인에 의해 제조되는 동공을 갖는 폴리머 필름를 포함하는, 감지 장치.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 가인된 돔-형태의 센서, 특히, PVDF 센서를 더 포함하는, 감지 장치.
  14. 제13항에 있어서, 돔-형태의 센서는 지정 주파수 및/또는 소리 레벨에서 음향 파를 생성하도록 구성된, 감지 장치.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극은 제 1 전극 어레이와 제 2 전극 어레이를 포함하고, 상기 제 1 전극 어레이와 제 2 전극 어레이는 서로에 대해, 바람직하게는 45°만큼 기울어진(tilt), 감지 장치.
  16. 제15항에 있어서, 제 1 전극 어레이 및 제 2 전극 어레이로부터의 센서 신호를 빼서 터치 위치를 식별하기 위한 프로세싱 수단을 포함하는, 감지 장치.
  17. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극은 저전도성 박층 전극을 포함하는, 감지 장치.
  18. 제17항에 있어서, 삼각측량을 기초로 터치 위치를 식별하기 위한 프로세싱 수단을 포함하는, 감지 장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 보호 벽 내에 포함되는, 감지 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 감지 장치는 패시브 레이저 하우징에 부착되는, 감지 장치.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 프로세싱 수단에 의해 감지 장치의 출력 신호를 프로세싱하고, 이벤트를 지시하는 출력 신호에 응답하여, 지정 응답, 가령, 알람 또는 연관된 레이저 시스템의 셧 다운을 트리거하기 위한 신호를 발생시키는, 감지 장치.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감지 장치는 진동, 음향 파 및/또는 열적 변동(thermal fluctuation)의 검출에 응답하여 신호를 발생시키고, 바람직하게는 진동, 음향 파 및/또는 열적 변동에 의해 발생된 에너지를 저장하도록 구성되는, 감지 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 에너지는 무선 네트워크 내 무선 센서 노드를 바이어스(bias)하도록 사용되는, 감지 장치.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 감지 장치는 마이크로폰, 솔리드 본 센서(solid bone sensor), 또는 가속도 센서를 구현하도록 제공되는, 감지 장치.
  25. 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진동, 음향 파 및/또는 열적 변동의 주파수, 진폭 및/또는 그 밖의 다른 파라미터를 검출하기 위한 프로세싱 수단과 함께, 검출된 파라미터와 연관된 이벤트를 검출하고, 선택사항으로서 각자의 검출된 이벤트와 연관된 응답, 가령, 알람을 트리거하는, 감지 장치.
  26. 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감지 장치는 건물의 표면에 부착 또는 바닥에 일체 구성되는, 감지 장치.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 따르는 감지 장치에 의해 발생되는 신호를 프로세싱하기 위한 프로세싱 장치로서, 상기 프로세싱 장치는 적어도
    신호를 증폭하기 위한 연산 증폭기,
    신호로부터 신호 잡음을 필터링하기 위한 필터,
    상기 신호에 오프셋(offset) 및/또는 감쇠(attenuation)를 적용하기 위한 가산기,
    신호를 디지털 출력 신호로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 마이크로제어기
    를 포함하는, 프로세싱 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 연산 증폭기가 10fA 미만, 바람직하게는 1pA의 입력 전류 및/또는 50-150MΩ, 바람직하게는 100MΩ의 입력 저항을 갖는, 프로세싱 장치.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 연산 증폭기는 임피던스 변환기에 의해 형성되는, 프로세싱 장치.
  30. 제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터는 노치 필터(notch filter), 바람직하게는 50Hz 노치 필터인, 프로세싱 장치.
  31. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 청구항 제5항의 입력 장치에 의해 발생되는 신호를 프로세싱하도록 구성되며, 겹치는 제 1 전극과 제 2 전극의 각각의 쌍이 복수의 임피던스 변환기 회로 중 하나씩에 연결되는, 프로세싱 장치.
  32. 제31항에 있어서, 복수의 임피던스 변환기 회로의 출력을 아날로그-디지털 변환기로 선택적으로 연결하기 위한 멀티플렉서를 더 포함하는, 프로세싱 장치.
  33. 제31항 또는 제32항에 있어서, 센서 스팟에 대응하는 제 1 전극과 제 2 전극 간 전압의 방전을 지시하는 함수를 결정함으로써 센서 값을 예측하도록 구성된 프로세싱 수단을 더 포함하는, 프로세싱 장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 프로세싱 수단은 센서 스팟 및 예측된 값에 대응하는 제 1 전극과 제 2 전극의 쌍 간의 감지된 전압의 편차를 검출함으로써 센서 상의 압력 변화를 결정하도록 구성되는, 프로세싱 장치.
  35. 제27항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    펜과 터치 동작을 나타내는 입력 데이터를 수신하고,
    펜과 터치 동작을 나타내는 데이터를 검출 및 분리하며,
    센서 스팟에서 터치 동작이 검출될 때 동일한 센서 스팟에서의 펜 동작의 검출을 위해 지정 주기 동안 대기하고, 펜 동작이 검출된 경우 터치 데이터는 전달하지 않고 펜 데이터를 추가 프로세싱을 위해 전달하며, 다른 경우 터치 데이터를 전달하도록 구성된 프로세싱 수단을 더 포함하는, 프로세싱 장치.
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