KR20170018610A - 폴리이미드 절연층을 갖는 사파이어 기판을 이용한 터치패널 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사파이어 기판을 윈도우로 사용한 폴리이미드 절연층을 갖는 사파이어 기판을 이용한 터치패널 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 터치패널은, 윈도우로 사용되는 사파이어 기판; 사파이어 기판 상에 형성된 제1 투명전극패턴; 제1 투명전극패턴이 형성된 사파이어 기판 상에 폴리이미드를 포함하여 이루어진 절연층; 및 절연층 상에 형성된 제2 투명전극패턴; 을 포함한다. 이에 의해, 제1, 제2 투명전극패턴의 교차점에서 단락을 방지하고, 불량을 감소시켜 제품 수율을 높일 수 있으며, 시인성을 확보할 수 있고, 광투과율과 정전 및 절연특성이 향상된 터치패널을 얻을 수 있다

Description

폴리이미드 절연층을 갖는 사파이어 기판을 이용한 터치패널 및 그 제조방법{TOUCH PANEL WITH POLYIMIDE INSULATING LAYER ON SAPPHIRE SUBSTRATE AND ITS MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 사파이어 기판을 윈도우로 사용한 터치패널 및 그 제조방법에 관한 것이다.

정전용량 방식의 터치패널은 그 구조에 따라 필름 라미네이트 타입, 글라스 라미네이트 타입, 윈도우 일체형, 디스플레이 일체형으로 나눌 수 있다.

그런데 종래 방식의 터치패널 대부분은 투명전극(ITO), 광학접착제(OCA 또는 OCR), 필름 등이 중첩된 다중 구조로 이루어져 광학 특성이 저하되고, 복잡한 공정에 따라 결함 발생 가능성이 높다는 문제점이 있었다.

모바일 기기에 사용되는 터치패널의 윈도우로는 소다라임(soda lime)을 기초로 나트륨 이온의 교환 및 강화 열처리로 광투과율과 강도를 향상시킨 코닝(Corning) 사의 고릴라 글라스가 많이 사용되고 있다. 그러나 고릴라 글라스 역시 표면 경도가 낮아 표면에 스크래치가 많이 발생하고 충격에 매우 취약하여 제품의 신뢰성이 낮다는 문제점이 있었다. 또한 기존 강화처리된 고릴라 글라스 상에 ITO 박막을 스퍼터링하여 증착하는 경우, 저온 증착시 증착 시간이 많이 소요되어 생산성이 낮고, 고온 증착시 강도가 낮아지는 문제점이 있다.

한편, 윈도우 일체형 터치패널은 별도의 센서 층 없이 1장의 강화커버글라스에 직접 전극을 형성하는 일체형 구조이다. 종래의 윈도우 터치패널에 관하여 한국 공개특허공보 제 10-2012-0055235호를 도 1을 참고하여 설명한다.

종래의 윈도우 터치패널은, 화상이 표시되어 터치 위치를 검출하는 표시 영역(1) 상에 제1 방향(X축 방향)을 따라 형성된 제1 센싱셀(2), 제1 센싱셀(2)을 제1 방향을 따라 연결하는 제1 연결라인(3), 제2 방향(Y축 방향)을 따라 형성된 제2 센싱셀(4) 및 제2 센싱셀(4)을 제2 방향을 따라 연결하는 제2 연결라인(5)이 구비된다. 제1 센싱셀(2)과 제2 센싱셀(4)은 서로 교호적으로 배치하고, 제1 연결라인(3)과 제2 연결라인(5)은 서로 교차되며, 사이에는 절연막(미도시)이 개재된다.

위와 같은 터치패널을 제조하기 위해서는, 각 연결라인의 교차점을 절연시키기 위한 브리지 타입(Bridge type)의 절연막 형성 공정을 수행해야만 했다. 브리지 타입의 절연막을 형성하기 위해서는 기판 전체에 절연층을 증착시키고, 증착된 절연층을 연결라인의 교차점과 대응되도록 브리지 타입으로 패터닝(Patterning)하는 공정을 수행하였다.

따라서, 절연막을 형성하는 공정이 복잡하여 제조 시간이 길고, 비용이 높아지는 등 생산효율이 저하될 뿐만 아니라, 브리지 타입의 절연막은 작게 패터닝 되므로 절연막의 좁은 면적으로 인한 연결라인의 단락(short-circuit)이 발생하기 쉽고, 이는 터치패널의 불량을 야기시켜 제품 수율이 감소하는 문제점이 있었다.

또한, 브리지 타입의 절연막은 표시 영역 상에서 제1, 제2 연결라인의 교차점 부분에만 중첩적으로 형성되어 위치에 따른 굴절률 차이가 커서 시인성이 떨어진다는 단점이 있었다.

상술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 제1, 제2 연결라인의 교차점에서 단락의 발생을 방지할 수 있는 폴리이미드 절연층을 갖는 사파이어 기판을 이용한 터치패널을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 제1, 제2 연결라인의 교차점에서도 시인성을 향상시킨 폴리이미드 절연층을 갖는 사파이어 기판을 이용한 터치패널을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 절연층을 형성하는 공정이 단순한 폴리이미드 절연층을 갖는 사파이어 기판을 이용한 터치패널 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 폴리이미드 절연층을 갖는 사파이어 기판을 이용한 터치패널은, 윈도우로 사용되는 사파이어 기판; 상기 사파이어 기판 상에 형성된 제1 투명전극패턴; 상기 제1 투명전극패턴이 형성된 사파이어 기판 상에 폴리이미드를 포함하여 이루어진 절연층; 및 상기 절연층 상에 형성된 제2 투명전극패턴; 을 포함한다.

바람직하게, 상기 절연층의 두께는 1μm ~ 2μm 이다.

바람직하게, 상기 절연층은, 폴리이미드로 이루어진 제1 절연층 및 중공 실리카로 이루어진 제2 절연층을 적층하여 구성한다.

바람직하게, 상기 제1 절연층의 두께는 1.6μm ~ 2.0μm이고, 제2 절연층의 두께는 90nm ~ 170nm 이다.

상술한 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 폴리이미드 절연층을 갖는 사파이어 기판을 이용한 터치패널 제조방법은, 윈도우로 사용되는 사파이어 기판 상에 제1 투명전극패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 투명전극패턴이 형성된 사파이어 기판 상에 폴리이미드를 포함한 코팅액을 도포하여 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 절연층 상에 제2 투명전극패턴을 형성하는 단계; 를 포함한다.

바람직하게, 상기 코팅액에 대하여 폴리이미드는, 1wt% ~ 3wt% 이다.

본 발명의 터치패널에 의하면, 제1 투명전극패턴이 형성된 기판 상에 절연층을 전체적으로 코팅한 뒤 제2 투명전극패턴을 형성함으로써, 제1, 제2 투명전극패턴의 교차점에서 단락을 방지하고, 불량을 감소시켜 제품 수율을 높일 수 있고, 시인성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명은 절연층이 폴리이미드를 포함하여 이루어짐으로써, 광투과율과 정전 및 절연특성이 향상된 터치패널을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 터치패널 제조방법에 의하면, 절연층 형성 단계에서 패터닝 공정을 거치지 않고, 기판 전체에 절연층을 형성함으로써, 공정 단계를 단순화시켜 생산효율을 높일 수 있다.

도 1은 종래의 터치패널을 나타낸 평면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 터치패널을 나타낸 단면도.
도 3은 유전체층의 커패시턴스를 측정하기 위한 상태를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 터치패널을 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 터치패널을 나타낸 단면도.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참고하여 구체적으로 설명한다. 또한, 본 명세서에서 구성요소들 간의 위치 관계를 설명하는 용어로서 사용되는 '상', '상부', '하', '하부'는 그 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수 있음을 배제하는 것은 아니다.

본 발명의 터치패널은 도 2에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(10), 제1 투명전극패턴(20), 절연층(30) 및 제2 투명전극패턴(40)으로 이루어진다.

사파이어 기판(10)은 윈도우로 사용되며, 기존에 사용되는 글라스보다 강도가 높아 스크래치 발생을 방지하고, 충격에 강하다.

제1 투명전극패턴(20)은 사파이어 기판(10) 상에 형성된다. 여기서 제1 투명전극패턴(20)은 제1 방향을 따라 형성된 투명전극(ITO)을 사용할 수 있다.

절연층(30)은 제1 투명전극패턴(20)이 형성된 사파이어 기판(10) 상부 전체에 형성된다. 이러한 절연층(30)은 폴리이미드를 포함한 코팅액을 도포하여 제1, 제2 투명전극패턴(20, 40) 사이를 절연시킨다. 따라서 제1 투명전극패턴(20)이 형성된 기판(10) 상에 절연층(30)을 전체적으로 코팅하므로, 제1, 제2 투명전극패턴(20, 40) 사이의 단락을 방지하여 제품 수율을 높일 수 있고, 절연층이 기판 전체에 균일하게 형성되므로 시인성이 향상된다.

제2 투명전극패턴(40)은 절연층(30) 상에 형성된다. 여기서 제2 투명전극패턴(40)은 제2 방향을 따라 형성된 투명전극(ITO)을 사용할 수 있다.

상술한 제1, 제2 방향은 기판 상의 X축 방향 및 Y축 방향일 수 있다.

이하에서는 본 발명의 터치패널 절연층의 구성과 특징에 따라 제1 내지 제 실시예로 구분할 수 있으며, 각 실시예의 구성요소는 기본적으로 동일하나, 일부 구성에 있어서, 차이가 있다. 또한 본 발명의 여러 실시예 중 동일한 기능과 작용을 하는 구성요소에 대해서는 도면상의 도면부호를 동일하게 사용하기로 한다.

1. 제1 실시예

본 발명의 제1 실시예에 의한 터치패널의 절연층은 폴리이미드로 이루어진다.

절연층(30)은 폴리이미드를 포함한 코팅액을 제1 투명전극패턴이 형성된 사파이어 기판 상에 코팅함으로써 형성한다. 코팅액은 투명 폴리이미드 용액과 분산액을 혼합하여 사용할 수 있다. 여기서 분산액은 중공 실리카 파우더와 에탄올과 같은 분산매를 혼합한 것이다.

제1 투명전극패턴(20)이 형성된 사파이어 기판(10) 상에 절연층을 형성하기 위하여 코팅액을 도포하는 방법으로는, 대표적으로 스핀코팅(Spin Coating), 바 코팅(Bar Coating) 및 딥 코팅(Dip Coating) 등이 있다.

이하에서는 다양한 도포 방법 중, 스핀 코팅 공정에 대하여 구체적으로 설명한다. 스핀 코팅 공정은 기판을 낮은 속도로 회전시키면서 기판 상에 코팅액을 고르게 퍼트리는 1차 코팅, 1차 코팅에 의해 코팅액이 고르게 퍼진 기판을 높은 속도로 회전시키며 코팅액이 코팅되는 두께를 조절하는 2차 코팅을 수행한 뒤, 코팅된 기판을 가열하여 굽는 Soft bake 및 Hard bake를 수행한다.

폴리이미드로 이루어진 절연층을 형성하기 위해 스핀 코팅(Spin Coating) 공정을 수행할 경우, 기판의 회전 속도와 코팅 시간에 따라 코팅되는 절연층의 두께가 상이하다.

아래의 표 1은 기판 회전 속도와 코팅 시간에 따른 절연층의 두께를 나타낸 것이다. 이때, 1차 코팅의 기판 회전 속도는 200rpm, 코팅 시간은 4초이고, Soft bake는 100℃에서 10분, 150℃에서 10분 동안 수행하며, Hark bake는 230℃에서 30분으로 고정하여 실험하였다.

기판의 회전 속도에 따른 절연층의 두께

1차 코팅		2차 코팅		Soft bake		Hard bake	절연층의 두께	구분
회전속도	코팅시간	회전속도	코팅시간	1차	2차
200rpm	4초	750rpm	20초	100℃에서 10분	150℃에서 10분	230℃에서 30분	1.94μm	실시예 1
		1000rpm					1.32μm	실시예 2
		1250rpm					1.19μm	실시예 3
		2000rpm					679.9nm	비교예 1
		3000rpm					437.1nm	비교예 2

절연층의 두께는 실시예 1 ~ 3과 같이 1μm ~ 2μm 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1.1μm ~ 1.9μm 로 형성할 수 있다. 절연층의 두께가 1μm 미만일 경우 5V의 전류를 인가하였을 때 제1, 제2 투명전극패턴(20, 40) 사이에 단락이 발생하여 절연특성을 나타내지 못하였고, 절연층의 두께가 2μm를 초과한 경우 또한 절연특성이 적절하지 못하였다. 따라서, 절연층의 두께를 1μm ~ 2μm 로 형성하기 위해서는 2차 코팅의 기판 회전 속도를 750rpm ~ 1250rpm 정도로 설정하는 것이 적절하다.

한편, 절연층을 구성하는 폴리이미드는 무색 투명하여 터치패널의 광투과율을 향상시킬 수 있다.

구체적으로, 빛의 파장이 400nm 이상일 때 사파이어 기판의 광투과율은 85%이나, 폴리이미드 절연층이 1μm ~ 2μm의 두께로 코팅된 사파이어 기판의 광투과율은 91% ~ 92%의 높은 광투과율을 나타낸다.

이하에서는 사파이어 기판 상에 형성된 폴리이미드 절연층의 두께에 따른 정전 및 절연특성을 비교한다.

절연층 두께에 따른 정전 및 절연 특성을 측정하기 위한 방법을 설명하면, 도 3에 도시한 바와 같이, 측정하고자 하는 유전체층(100)의 상부와 하부에 각각 형성된 은전극(200)과 ITO 투명전극(300)을 LCR meter 장비로 연결하여 두 전극(200, 300) 사이에 위치한 유전체층(100)의 커패시턴스(capacitance) 값을 측정하였다. 또한 Multi meter 장비를 이용하여, 유전체층(100)의 상, 하부 전극(200, 300) 사이의 저항을 측정하여 저항이 측정되면, 유전체층(100)에서 단락이 발생한다고 판단하였다.

아래의 표 2는 절연층 두께에 따른 커패시턴스와 유전율을 나타낸 것이다.

절연층 두께에 따른 커패시턴스와 유전율

절연층의 두께	커패시턴스[nF]	유전율
1.94μm	1.161672	2.54
1.32μm	1.665956	2.47
1.19μm	1.992081	2.67
679.9nm	3.351372	2.57
437.1nm	5.759485	2.83

표 2로부터 절연층의 두께가 1μm ~ 2μm 인 경우, 1nF ~ 2nF의 적절한 커패시턴스 값을 갖는다. 재료의 유전율은 유전체가 대면하는 전극의 면적, 재료의 두께 및 재료의 유전상수에 따라 결정된다. 따라서, 유전체의 두께가 두꺼워짐에 따라 유전상수가 작아지므로, 계산에 의한 유전율은 고유의 값을 갖는다. 그러나 표 2로부터 절연층의 두께에 따른 유전율의 값이 상이한 이유는 같은 조건에서 공정을 진행하여도 결과가 동일하지 않고, 유전상수의 측정에 변동이 있기 때문이다.

상술한 바와 같이 굴절률이 낮으면서도 커패시턴스 값이 높은 폴리이미드 절연층을 구성함으로써, 터치패널의 광투과율과 정전 및 절연특성을 향상시킬 수 있다.

2. 제2 실시예

본 발명의 제2 실시예에 의한 터치패널의 절연층은 도 4에 도시한 바와 같이, 폴리이미드와 중공 실리카를 포함한다.

절연층(31)은 폴리이미드와 중공 실리카를 혼합하여 구성한 코팅액을 제1 투명전극패턴(20)이 형성된 사파이어 기판(10) 상에 코팅함으로써 형성한다. 코팅액은 폴리이미드 용액과 분산액을 혼합한 용액에 분산제를 첨가하여 구성할 수 있다. 여기서 분산액은 중공 실리카 파우더와 분산매를 혼합한 것이다. 이때 분산매로는 에탄올을 사용하고, 분산제로는 BYK사의 상용의 분산제를 사용할 수 있으나, 분산매와 분산제의 종류는 이에 한정되지 않는다.

분산제와 용액의 혼합 비율은 1 : 100 ~ 1000 인 것이 적절하다. 또한, 코팅액에 대하여 폴리이미드의 중량비는 1wt% ~ 3wt%이고, 중공 실리카의 중량비는 1wt% ~ 10wt% 인 것이 바람직하다. 폴리이미드가 1wt% 미만이면 절연층에 전류가 통하여 단락이 발생하며, 이로써 절연 파괴가 일어나고, 반대로 3wt%를 초과하면 코팅되는 절연층의 두께가 두꺼워져 투과율이 저하된다. 또한, 중공 실리카가 1wt% 미만이면 절연층에 전류가 통하여 단락이 발생하며, 이로써 절연 파괴가 일어나고, 반대로 10wt%를 초과하면 코팅되는 절연층의 두께가 두꺼워져 투과율이 저하된다.

한편, 폴리이미드 용액과 분산액을 1 : 1로 혼합하여 코팅액을 제조할 수 있다.

절연층(31)의 두께는 1μm ~ 3μm 인 것이 바람직하다. 절연층(31)에 5V의 전류가 인가되면, 절연층의 두께가 1μm 미만일 경우 제1, 제2 투명전극패턴(20, 40) 사이에 전류가 단락되며, 절연 파괴가 발생하여 위험성이 높다. 반면, 절연층 두께가 3μm를 초과하는 경우 코팅된 절연층의 광투과율이 낮아진다.

코팅하지 않은 사파이어 기판은 85%의 광투과율을 보이고, 사파이어 기판에 1μm ~ 3μm 의 절연층을 코팅하면, 광투과율이 90%로 증가하는 것을 볼 수 있었다.

3. 제3 실시예

본 발명의 제3 실시예에 의한 터치패널의 절연층은 도 5에 도시한 바와 같이, 폴리이미드와 중공 실리카가 적층하여 이루어진다.

절연층은 도 5에 도시한 바와 같이, 제1, 제2 절연층(32, 33)으로 이루어진다.

제1 절연층(32)은 제1 투명전극패턴(20)이 형성된 사파이어 기판(10) 상에 폴리이미드를 코팅함으로써 형성한다. 제1 절연층(32)의 두께는 1.6μm ~ 2.0μm 인 것이 적절하다.

제2 절연층(33)은 제1 절연층(32) 상에 중콩 실리카를 졸겔법에 의해 코팅함으로써 형성한다. 제2 절연층(33)의 두께는 90nm ~ 170nm인 것이 적절하다.

제1, 제2 절연층(32, 33)의 두께가 너무 얇을 경우, 절연층에 전류가 통하여 단락이 발생하며, 이로써 절연 파괴가 일어나고, 너무 두꺼울 경우 코팅되는 절연층의 두께가 두꺼워 투과율이 저하되는 문제가 있다.

도면에 도시하지는 않았지만, 제1, 제2 절연층의 순서가 바뀌어도 무관하다.

본 발명의 다른 측면에 해당하는 터치패널 제조방법은, 상술한 터치패널을 제조하기 위한 공정으로, 제1 투명전극패턴을 형성하는 단계, 절연층을 형성하는 단계 및 제2 투명전극패턴을 형성하는 단계로 구분할 수 있으며, 이하에서는 공정 단계에 따라 순서대로 설명한다.

제1 투명전극패턴을 형성하는 단계는 윈도우로 사용되는 사파이어 기판 상에 제1 투명전극패턴을 형성한다.

절연층을 형성하는 단계는 제1 투명전극패턴이 형성된 사파이어 기판 상에 폴리이미드를 포함한 코팅액을 도포하여 절연층을 형성한다. 구체적으로, 제1 투명전극패턴이 형성된 사파이어 기판 상에 코팅액을 전체적으로 도포하여 증착시킨다. 이때 코팅액으로 상술한 실시예 1 ~ 3의 코팅액을 이용할 수 있다. 이로 인하여, 절연층을 형성하기 위해 별도의 패터닝 공정을 수행할 필요가 없으므로 공정 단계를 단순화시켜 생산효율을 높일 수 있다.

제2 투명전극패턴을 형성하는 단계는 절연층을 형성하는 단계에서 형성된 절연층 상에 제2 투명전극패턴을 형성한다.

이상에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상을 중심으로 그 변형물 또는 균등물에까지 미침은 자명하다 할 것입니다.

10 : 사파이어 기판
20 : 제1 투명전극패턴
30, 31 : 절연층
32 : 제1 절연층
33 : 제2 절연층
40 : 제2 투명전극패턴

Claims (6)

1. 윈도우로 사용되는 사파이어 기판;
   상기 사파이어 기판 상에 형성된 제1 투명전극패턴;
   상기 제1 투명전극패턴이 형성된 사파이어 기판 상에 폴리이미드를 포함하여 이루어진 절연층; 및
   상기 절연층 상에 형성된 제2 투명전극패턴; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치패널.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 절연층의 두께는 1μm ~ 2μm 인 것을 특징으로 하는 터치패널.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 절연층은, 폴리이미드로 이루어진 제1 절연층 및 중공 실리카로 이루어진 제2 절연층을 적층하여 구성하는 것을 특징으로 하는 터치패널.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1 절연층의 두께는 1.6μm ~ 2.0μm이고, 제2 절연층의 두께는 90nm ~ 170nm 인 것을 특징으로 하는 터치패널.
5. 윈도우로 사용되는 사파이어 기판 상에 제1 투명전극패턴을 형성하는 단계;
   상기 제1 투명전극패턴이 형성된 사파이어 기판 상에 폴리이미드를 포함한 코팅액을 도포하여 절연층을 형성하는 단계; 및
   상기 절연층 상에 제2 투명전극패턴을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치패널 제조방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 코팅액에 대하여 폴리이미드는, 1wt% ~ 3wt% 인 것을 특징으로 하는 터치패널.

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