KR20180047573A - 접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 표시 장치 - Google Patents

접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 표시 장치 Download PDF

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Abstract

접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 표시 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자는 전기 활성 폴리머(electric active polymer; EAP)로 이루어진 전기 활성층, 전기 활성층의 적어도 일면에 배치되는 전극 및 전기 활성층 및 상기 전극 상에 배치되고, 음의 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion; CTE)를 갖는 하드 코팅층을 포함함으로써, 수직 방향으로의 진동 효과를 극대화하고 내충격성을 향상시킬 수 있다.

Description

접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 표시 장치{TOUCH SENSITIVE DEVICE AND DISPLAY DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 접촉 감응 소자, 이를 포함하는 표시 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 진동 강도가 향상된 접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 표시 장치에 관한 것이다.
최근, 액정 표시 장치 및 유기 발광 표시 장치를 비롯한 다양한 디스플레이 장치를 간편하게 사용하려는 사용자들의 요구에 따라, 디스플레이 장치를 터치하여 입력하는 터치 방식의 표시 장치의 사용이 보편화되고 있다. 이에 따라 사용자에게 직접적이고 다양한 터치 피드백(feedback)을 제공하기 위해 햅틱(haptic) 장치를 활용하는 연구가 계속되고 있다. 특히, 종래의 햅틱 장치는 표시 패널 후면에 부착되어 있으므로, 사용자의 터치에 대한 즉각적이고 미세한 피드백을 제공하기 어려웠다. 따라서, 표시 패널의 상부에 햅틱 장치를 위치시킴으로써, 사용자의 터치에 민감하고 다양하며 직접적인 피드백을 제공하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
종래에는, 이러한 햅틱 장치로 표시 장치에 편심 모터(Eccentric Rotating Mass; ERM), 선형 공진 모터(Linear Resonant Actuator; LRA)와 같은 진동 모터가 사용되었다. 진동 모터는 표시 장치 전체를 진동시키도록 구성되어, 진동 강도를 증가시키기 위해서는 질량체의 크기를 증가시켜야 하는 문제점이 있었고, 진동의 정도를 조절하기 위한 주파수 변조가 어려우며, 응답 속도가 매우 느리다는 단점이 있다. 또한, 편심 모터와 선형 공진 모터는 불투명한 물질로 이루어지므로, 표시 패널의 상부에 배치되는 것이 불가능하였다.
상술한 바와 같은 문제점들을 개선하기 위하여, 햅틱 장치의 재료로서 형상 기억 합금(Shape Memory Alloy; SMA) 및 압전성 세라믹(Electro-Active Ceramics; EAC)이 개발되어 왔다. 그러나, 형상 기억 합금(SMA)은 반응속도가 느리고 수명이 짧으며 불투명한 물질로 이루어진다. 또한, 압전성 세라믹(EAC)은 외부 충격에 대한 내구성이 낮아 외부 충격에 의해 쉽게 깨지며, 불투명하고 박형화가 어렵다는 문제점이 있다.
[관련기술문헌]
1. ERM 액추에이터를 이용한 햅틱 효과 발생 방법 및 햅틱 지원 시스템 (한국특허출원번호 제10-2013-0011958호)
이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전기 활성층의 진동 효과를 극대화함으로써, 낮은 구동 전압으로 우수한 햅틱 효과를 구현할 수 있는 접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 표시 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 투명하면서도 표면의 경도가 우수한 접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 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 접촉 감응 소자는 전기 활성 폴리머(electric active polymer; EAP)로 이루어진 전기 활성층, 전기 활성층의 적어도 일면에 배치되는 전극 및 전기 활성층 및 상기 전극 상에 배치되고, 음의 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion; CTE)를 갖는 하드 코팅층을 포함함으로써, 수직 방향으로의 진동 효과를 극대화하고 내충격성을 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 표시 패널 및 표시 패널 상부 또는 하부의 접촉 감응 소자를 포함하고, 접촉 감응 소자는 전기 활성 폴리머로 이루어진 전기 활성층, 전기 활성층의 적어도 일면에 배치되는 전극 및 전기 활성층 및 상기 전극 상에 배치되고 음의 열팽창계수를 갖는 하드 코팅층을 포함하다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 전기 활성층의 표면의 특성을 변경하여 수직 방향으로의 진동 효과를 극대화할 수 있고, 이로 인해, 낮은 구동 전압으로 우수한 햅틱 효과를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 투명하면서도 표면의 경도가 우수하여 내충격성이 향상된 효과가 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자의 전기 활성층에 발생하는 압축력과 인장력을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 접촉 감응 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3a, 3b 및 3c는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 접촉 감응 소자의 진동 가속도를 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 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. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 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 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자의 전기 활성층에 발생하는 압축력과 인장력을 설명하기 위한 개략도이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 접촉 감응 소자(100)는 전기 활성층(110), 전극(120) 및 하드 코팅층(130)을 포함한다.
전극(120)은 전기적인 자극에 의하여 진동 또는 휨을 유도하도록 전기 활성층(110)에 전기장을 인가한다. 전극(120)은 필요에 따라 다양한 형태 및 다양한 수로 배치될 수 있다. 예를 들어, 전극(120)은 도 1a에 도시된 바와 같이 전기 활성층(110)의 상면 및 하면에 복수로 배치될 수도 있고, 전기 활성층(110)의 상면 및 하면 중 어느 하나의 면에 복수로 배치될 수도 있다.
구체적으로, 전기 활성층(110)의 상면 및 하면에 각각 전극(120)이 배치될 수 있다. 이때, 전기 활성층(110)의 상면에 배치되는 전극(120)은 X축 방향으로 연장되고, 전기 활성층(110)의 하면에 배치되는 전극(120)은 Y측 방향으로 연장되어, 서로 교차하여 매트릭스 형태로 배치되는 수직 배치 구조일 수 있다. 또한, 전극(120)이 전기 활성층(110)의 일면에만 배치되는 수평 배치 구조일 수도 있다. 뿐만 아니라, 하나의 셀(cell) 내에서 전기 활성층(110)의 상면 및 하면 각각에 복수의 전극(120)이 서로 대향하도록 배치되어, 전극(120)의 수직 배치 구조 및 수평 배치 구조 둘 모두가 구현될 수 있는 멀티레이어(multilayer) 형태일 수도 있다.
전극(120)은 도전성 물질로 이루어진다. 또한, 접촉 감응 소자(100)의 광투과율을 확보하기 위해, 전극(120)은 투명 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전극(120)은 인듐 주석 산화물(Induim Tin Oxide, ITO), 인듐 아연 산화물 (Indium Zinc Oxide, IZO), 그래핀(Graphene), 금속 나노 와이어 및 투명 전도성 산화물(TCO)등과 같은 투명 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 전극(120)은 메탈 메쉬(metal mesh)로 이루어질 수도 있다. 즉, 전극(120)은 금속 물질이 메쉬 형태로 배치되는 메탈 메쉬로 구성되어, 실질적으로 투명하게 시인될 수 있는 전극(120)으로 구성될 수도 있다. 다만, 전극(120)의 구성 물질은 상술한 예에 제한되지 않고, 다양한 투명 도전성 물질이 전극(120)의 구성 물질로 사용될 수 있다. 전극(120)이 복수로 구성되는 경우 전극 각각은 동일한 물질로 이루어질 수도 있고, 서로 상이한 물질로 이루어질 수도 있다.
전극(120)은 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전극(120)은 스퍼터링(sputtering), 프린팅(printing), 슬릿 코팅(slit coating) 등과 같은 방식으로 전기 활성층(110) 상에 형성될 수 있다.
전기 활성층(110)은 전압이 인가됨에 따라 그 형상이 변형되어 진동을 발생시킬 수 있는 층을 의미한다. 전기 활성층(110)은 전기적인 자극에 의하여 변형되는 전기 활성 폴리머(Electroactive Polymer; EAP)로 이루어진다. 예를 들어, 전기 활성 폴리머로는 유전성 엘라스토머(Dielectric Elastomer) 또는 강유전성 폴리머(Ferroelectric Polymer)일 수 있다. 구체적으로, 유전성 엘라스토머는 아크릴계 중합체, 우레탄계 중합체 및 실리콘계 중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 강유전성 폴리머는 폴리플루오르화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride, 이하 PVDF)계 폴리머일 수 있다. PVDF계 폴리머는 폴리머의 주쇄에 PVDF 반복 단위를 포함하는 폴리머를 의미하며, 예를 들어, PVDF 호모폴리머(homopolymer) 또는 PVDF 코폴리머(copolymer)일 수 있다.
전기 활성층(110)이 유전성 엘라스토머로 이루어지는 경우, 전기 활성층(110)에 전압이 인가됨에 따라 발생하는 정전기적 인력(Coulombic Force)에 의해 유전성 엘라스토머가 수축 및 팽창되어 접촉 감응 소자(100)가 변형되거나 진동할 수 있다. 전기 활성층(110)이 강유전성 폴리머로 이루어지는 경우, 전기 활성층(110)에 전압이 인가됨에 따라 전기 활성층(110) 내부의 쌍극자(dipole)의 정렬 방향이 변경되어 접촉 감응 소자가 변형될 수 있다. 필름 형태의 전기 활성층(110)은 투과율이 우수하므로, 접촉 감응 소자는 표시 패널의 전면에 부착되어 표시 장치에 용이하게 적용될 수 있다.
이때, 전기 활성층(110)을 구성하는 전기 활성 폴리머는 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion; CTE)가 양(포지티브, positive)의 값을 갖는다. 양의 열팽창계수를 갖는 전기 활성 폴리머는 열처리 공정에서 팽창하는 성질을 가지고 있으며, 음의 열팽창계수를 갖는 하드 코팅층(130)을 형성하는 과정에서 전기 활성층(110)의 표면 부분에 압축력이 부여된다. 이와 관련하여, 열팽창계수에 대한 구체적인 내용은 하드 코팅층(130)과 함께 상세히 후술한다.
한편, 전기 활성층(110)의 두께는 접촉 감응 소자(100)가 낮은 구동 전압으로도 충분한 진동을 발생시킬 수 있도록 결정될 수 있다. 예를 들어, 전기 활성층(110) 의 두께는 10㎛ 내지 200㎛일 수 있다. 전기 활성층(110)의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우, 충분한 진동을 발생시킬 수 있고, 구동 전압을 낮출 수 있다. 접착 감응 소자의 두께가 200㎛보다 큰 경우, 접촉 감응 소자(100)의 구동을 위해 과도한 구동 전압이 요구될 수 있기 때문이다.
하드 코팅층(130)은 전극(120) 및 전기 활성층(110) 상에 형성된다. 보다 구체적으로, 하드 코팅층(130)은 전극(120) 및 전기 활성층(110)과 접하도록 배치되어, 전극(120) 상에 배치되고 전극(120)이 배치되지 않은 전기 활성층(110) 상에도 배치된다. 하드 코팅층(130)은 접촉 감응 소자(100)의 외관을 보호하여 내구성을 향상시키고, 전기 활성층(110) 표면부의 경도를 향상시킴으로써 전기 활성층(110)으로부터 전달되는 진동힘을 강화시킨다.
하드 코팅층(130)은 음(네가티브, negative)의 열팽창계수를 갖는다. 하드 코팅층(130)을 전기 활성층(110) 상에 형성하는 경우, 일반적으로 코팅 조성물을 도포하여 코팅층을 형성한 다음 열을 가해주는 열처리 기법을 이용한다. 이때, 하드 코팅층(130)이 음의 열팽창 계수를 갖는 경우, 하드 코팅층(130)의 하부에 배치된 전기 활성층(110)의 표면부에 압축력(compressive force)이 부여되어 전기 활성층(110)의 표면부의 경도를 높이게 된다. 하드 코팅층(130)이 음의 열팽창계수를 가지는 경우 전기 활성층(110)이 받는 힘을 구체적으로 살펴보기 위해, 도 1b를 참조한다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)의 전기 활성층(110)에 발생하는 압축력과 인장력(tensile force)을 설명하기 위한 개략도이다. 도 1b를 참조하면, 전기 활성층(110)은 중앙부(111), 중앙부(111)의 상부에 위치하는 상부 표면부(112) 및 중앙부(111)의 하부에 위치하는 하부 표면부(113)로 구분될 수 있다. 상부 표면부(112) 및 하부 표면부(113)는 전기 활성층(110)과 하드 코팅층(130)이 접하는 전기 활성층(110)의 표면 및 표면 아래에 위치하는 임의의 두께의 공간을 포함한다. 이때, 중앙부(111), 상부 표면부(112) 및 하부 표면부(113)는 임의적으로 공간을 구분한 것으로 도 1b에 도시된 영역에 제한되는 것은 아니다.
전기 활성층(110)을 구성하는 전기 활성 폴리머는 양의 열팽창계수를 갖는다. 따라서, 하드 코팅층(130)을 열처리 공정에서 전기 활성층(110)은 좌우로 팽창하는 성질을 갖는다. 따라서, 열처리 공정을 거친 전기 활성층(110)은 도 1b에 표시된 바와 같이 전기 활성층(110)의 중심으로부터 좌우 방향으로 인장력(B)을 받는다. 구체적으로, 전기 활성층(110)의 중앙부(111)는 좌우 방향로 인장력(B)을 받는다.
이와 달리, 전기 활성층(110)의 상부 표면부(112) 및 하부 표면부(113)는 압축력(A)을 받는다. 구체적으로, 하드 코팅층(130)은 음의 열팽창계수를 갖기 때문에, 하드 코팅층(130)을 열처리하는 공정에서 하드 코팅층(130)은 수축하는 성질을 갖는다. 따라서, 열처리 공정에 의해 하드 코팅층(130)이 중심으로 수축함으로써, 하드 코팅층(130)과 접촉하는 전기 활성층(110)의 표면부 또한 수축하려는 힘을 받는다. 즉, 전기 활성층(110)의 상부 표면부(112)와 하부 표면부(113)는 하드 코팅층(130)에 의하여 압축력(A)을 받는다.
결국, 하드 코팅층(130)이 형성됨으로써 전기 활성층(110)의 중앙부(111)는 인장력(B)을 받고, 전기 활성층(110)의 상부 표면부(112) 및 하부 표면부(113)는 압축력(A)을 받는다. 압축력(A)을 받는 전기 활성층(110)의 상부 표면부(112) 및 하부 표면부(113)는 중앙부(111)와 비교하여 내부 저장 에너지가 증가되고 전기 활성층(110)의 수직 방향으로의 경도가 증가한다. 이로 인해, 전기 활성층(110)이 진동하는 경우 전기 활성층(110)의 중심으로부터 표면으로 전달되는 진동힘의 강화된다. 이로 인해, 전기 활성층(110)에 동일한 전압이 인가되더라도, 진동 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
하드 코팅층(130)을 구성하는 물질은, 음의 열팽창계수를 갖고 투명한 물질로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 하드 코팅층(130)을 구성하는 물질은 결정화된 투명 세라믹 물질일 수 있다. 예를 들어, 하드 코팅층(130)을 구성하는 물질은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3) 및 산화리튬(Li2O)이 결정화된 세라믹 물질일 수 있다. 예를 들어, β-유크립타이트(β-eucryptite, β-Li2OㆍAl2O3ㆍ2SiO2) 또는 β-스포듀민(β-spodumen, β-Li2OㆍAl2O3ㆍ4SiO2 또는 β-Li2OㆍAl2O3ㆍ9SiO2)가 사용될 수 있고, ZrW2O8(Zirconium tungstate), HfW2O8(hafnium tungstate), ZrMO2O8(zirconium molybdate) 또는 HfMO2O8(hafnium molybdate)가 사용될 수도 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하드 코팅층(130)은 음의 열팽창 계수를 갖는 세라믹 물질을 포함하는 조성물을 전기 활성층(110) 상에 도포한 후 열처리 공정을 통해 소결함으로써 형성될 수 있다. 한편, 열처리 공정은 저온과 고온을 반복하여 처리하는 복수의 사이클 과정을 거칠 수 있다. 하드 코팅층(130)을 구성하는 물질에 따라 복수의 사이클을 통해 전기 활성층(110)에 더욱 강한 압축력이 인가될 수 있다.
하드 코팅층(130)은 전극(120) 및 전기 활성층(110) 상부에 배치된다. 하드 코팅층(130)이 전극(120) 하부, 즉, 전극(120)과 전기 활성층(110) 사이에 배치되는 경우, 접촉 감응 소자(100)의 진동 강도가 저하되기 때문이다. 일반적으로 음의 열팽창계수를 갖는 하드 코팅층(130)은 유전율이 매우 작으므로, 전극(120) 사이에 배치되는 경우 전기 전기 활성층(110)의 진동에 방해가 되는 구성으로 작용할 수 있다.
구체적으로, 하드 코팅층(130)은 전극(120) 및 전기 활성층(110)의 표면을 덮도록 배치될 수 있다. 하드 코팅층(130)이 전기 활성층(110)의 표면과 접촉되어 배치되어야 하드 코팅층(130) 형성시 전기 활성층(110)의 표면부에 충분한 압축력을 부여할 수 있으며, 접촉 감응 소자(100)의 보호층의 역할을 할 수 있다.
하드 코팅층(130)의 두께는 10nm 내지 200nm일 수 있다. 이때, 하드 코팅층(130)의 두께는 하드 코팅층(130)이 배치된 전기 활성층(110)의 면으로부터의 두께를 의미한다. 하드 코팅층(130)의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우 전기 활성층(110)의 표면부에 충분한 인장력을 부여할 수 있으며, 접촉 감응 소자(100) 전체의 움직임을 방해하지 않는 범위 내에서 충분한 경도를 갖는 보호층의 역할을 할 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명의 예시를 위한 것이며, 하기 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
아크릴계 폴리머를 이용하여 전기 활성층을 20um의 두께로 제막한 다음, 양면에 상부 전극 및 하부 전극을 증착시켰다. 이후, 실리카(SiO2) 졸(sol), Al(NO3)3·9H2O 및 LiNO3를 증류수에 3시간 동안 교반하여 혼합하고, PVA 용액을 첨가하여 3시간 동안 교반하여 겔(gel) 상태의 코팅 조성물을 제조하였다. 제조된 코팅 조성물을 전기 활성층 및 전극을 모두 덮을 수 있도록 코팅한 다음 150℃에서 24시간동안 열처리하여, LiO2·Al2O3·4SiO2 스포듀민으로 이루어진 50nm 두께의 하드 코팅층을 형성하였다. 이때, 하드 코팅층의 열팽창계수는 -0.14x 10-6 /℃ 이다.
비교예 1
하드 코팅층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 접촉 감응 소자를 제조하였다.
비교예 2
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 접촉 감응 소자(200)를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 2를 참조하면, 하드 코팅층(230)은 전기 활성층(110)과 전극(220) 사이에 배치된다. 전기 활성층(110) 상에 곧바로 하드 코팅층(230)을 형성한 다음 전극(200)을 증착시키는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 도 2에 따른 접촉 감응 소자(200)를 제조하였다.
실험예 1 - 진동 가속도 측정
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 접촉 감응 소자에 있어서, 상부 전극에, 100Hz의 조건 하에서 상부 전극에 400V의 전압을 인가하고 하부 전극에 그라운드 전압을 인가하였을 때의 진동 가속도를 측정하였다. 측정 결과는 도 3a, 도 3b 및 도 3c에 도시하였다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 각각 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 접촉 감응 소자의 진동 가속도를 측정한 그래프이다. 도 3a 및 도 3b를 비교하면, 실시예 1은 약 0.9G의 진동 가속도를 나타내고, 비교예 1은 약 0.6G의 진동 가속도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 음의 열팽창계수를 갖는 하드 코팅층을 형성한 실시예 1에 따른 접촉 감응 소자는 하드 코팅층을 형성하지 않은 비교예 1에 비하여, 동일한 전압에서 현저히 높은 진동 가속도를 나타냄을 확인할 수 있었다. 즉, 동일한 인가 전압에 있어서 실시예 1에 따른 접촉 감응 소자의 진동 강도가 강하고, 동일한 진동 강도를 획득하기 위해 실시예 1에서는 비교예 1에 비해 더 낮은 전압이 요구되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 3a 및 도 3c를 비교하면, 비교예 2는 약 0.5G의 진동 가속도를 나태내는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 비교예 2를 비교하면, 음의 열팽창계수를 갖는 하드 코팅층이 전기 활성층 및 전극의 상부에 배치되는 경우, 하드 코팅층이 전기 활성층과 전극 사이에 배치되는 경우 월등히 높은 진동 가속도를 나타냄을 확인할 수 있었다. 하드 코팅층이 전기 활성층과 전극 사이에 배치되는 경우에는 하드 코팅층이 배치되지 않은 비교예 1에 비하여 진동 가속도가 오히려 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 전기 활성층의 표면부에 압축력이 발생하여 전기 활성층의 수직 방향으로 전달되는 진동힘이 증가할 지라도, 유전율이 낮은 하드 코팅층이 전극 사이에 배치됨으로써 오히려 접촉 감응 소자의 진동 강도를 저하시키기 때문이다.
상술한 바와 같이, 일반적으로 양의 열팽창계수를 가지는 전기 활성 폴리머로 이루어진 전기 활성층 및 전극의 상부에 음의 열팽창계수를 가지는 하드 코팅층을 배치시킴으로써, 접촉 감응 소자의 진동 강도를 크게 향상시킬 수 있고, 접촉 감응 소자의 외관에 경도가 우수한 보호층을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자는 내충격성이 향상됨과 동시에 사용자에게 직접적인 진동감을 전해줄 수 있는 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 4를 참조하면, 표시 장치(400)는 표시 패널(440), 접촉 감응 소자(100), 터치 패널(450) 및 커버(460)를 포함한다. 이때, 도 4의 표시 장치(400)에 포함된 접촉 감응 소자(100)는 도 1a를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)와 동일하다. 이에, 접촉 감응 소자(100)에 대한 중복 설명은 생략한다.
표시 패널(440)은 표시 장치(400)에서 영상을 표시하기 위한 표시 소자가 배치된 패널을 의미한다. 표시 패널(440)로서, 예를 들어, 유기 발광 표시 패널, 액정 표시 패널, 전기 영동 표시 패널 등과 같은 다양한 표시 패널이 사용될 수 있다.
표시 패널(440) 상에는 전기 활성층(110), 전극(120) 및 하드 코팅층(130)을 포함하는 접촉 감응 소자가(100) 배치된다. 이하에서는, 도 4에서 도시된 접촉 감응 소자가 도 1a에 도시된 접촉 감응 소자(100)인 것으로 설명한다. 구체적으로, 접촉 감응 소자(100)는 전기 활성 폴리머로 이루어진 전기 활성층 (110), 전기 활성층(110)의 적어도 일면에 배치된 전극(120) 및 전기 활성층 및 전극(120) 상에 배치되고 음의 열팽창계수를 갖는 하드 코팅층(130)을 포함한다.
접촉 감응 소자(100) 상에는 터치 패널(450)이 배치된다. 터치 패널(450)은 표시 장치(400)에 대한 사용자의 터치 입력을 감지하는 패널을 의미한다. 터치 패널(450)로서, 예를 들어, 정전 용량 방식, 저항막 방식, 초음파 방식, 적외선 방식 등이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 정전 용량 방식의 터치 패널이 터치 패널(450)로서 사용될 수 있다. 도 4에 도시된 표시 장치(400)는 별도로 제조된 터치 패널(450)이 표시 패널(440) 상에 별도로 배치되는 애드온(add-on) 타입의 터치 패널을 포함한다.
터치 패널(450) 상에는 커버(460)가 배치된다. 커버(460)는 표시 장치(400) 외부로부터의 충격으로부터 표시 장치(400)를 보호하기 위한 구성이다. 커버(460)는 투명한 절연성 물질로 이루어질 수 있다.
도 4에 도시되지는 않았으나, 표시 패널(440), 접촉 감응 소자(100), 터치 패널(450) 및 커버(460)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.
일반적으로 전기 활성 폴리머로 이루어진 전기 활성층을 포함하는 접촉 감응 소자는 투명성이 우수하다는 장점이 있으나 종래의 접촉 감응 소자에 비하여 진동 강도가 낮은 단점이 있었다. 이에, 모바일 장치와 같이 소형 디스플레이 장치에 접촉 감응 소자를 도입하기에는 너무 높은 구동 전압을 요구하였다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 투명하면서도 동시에 진동 강도가 향상된 접촉 감응 소자를 사용함으로써, 구동 전압을 감소시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 5에 도시된 표시 장치(500)는 도 5를 참조하여 설명한 표시 장치(400)와 비교하여 표시 패널(540)이 액정 표시 패널이고, 이에 따라 백라이트 유닛(570)을 더 포함하며, 별도의 터치 패널 대신 터치 센서가 표시 패널(540)에 일체화되도록 구비된 인-셀(in-cell) 타입의 터치 센서가 구성된다는 점이 상이할 뿐 다른 구성요소들은 실질적으로 동일하므로 중복 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 표시 패널(540)이 커버(460)와 접촉 감응 소자(100) 사이에 배치된다. 액정 표시 패널은 백라이트 유닛(570)으로부터 방출되는 빛의 투과율을 조정함으로써 화상을 표시한다. 액정 표시 패널은 하부 편광판, 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)를 포함하는 하부 기판, 액정층, 컬러 필터를 포함하는 상부 기판 및 상부 편광판을 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
표시 패널(540)은 표시 장치(500)에서 영상을 표시하기 위한 표시 소자가 배치된 패널임과 동시에 패널 내에 일체화되도록 구성된 터치 센서를 포함한다. 즉, 표시 패널(540) 내에 터치 센서가 배치되어, 인-셀 타입의 터치 센서를 구성한다. 인-셀 타입의 터치 센서에서는 표시 패널(540)의 공통 전극이 터치 전극으로 동시에 사용된다.
도 5에 도시된 표시 장치(500)는 액정 표시 장치이므로 표시 패널(540)의 하부에는 표시 패널(540)을 향해 출광하는 백라이트 유닛(570)이 배치된다.
표시 패널(540)과 백라이트 유닛(570) 사이에는 전기 활성층(110), 전극(120) 및 하드 코팅층(130)을 포함하는 접촉 감응 소자(100)가 배치된다.
일반적으로, 표시 패널이 액정 표시 패널이고, 인-셀 타입의 터치 센서가 표시 패널과 일체화되는 경우, 접촉 감응 소자가 터치 센서 상에 배치되면 접촉 감응 소자에 인가되는 고전압의 구동 전압에 의해 발생될 수 있는 노이즈에 의해 터치 입력에 대한 오인식의 문제가 발생한다. 이에, 접촉 감응 소자는 표시 패널 하부에 배치될 수 있다. 그러나, 접촉 감응 소자가 표시 패널 하부에 배치되게 되면, 사용자가 터치 입력을 가하는 위치로부터 멀리 위치하므로, 사용자에게 전달되는 진동 강도가 감소된다. 이에, 진동 강도의 감소를 최소화하기 위하여, 접촉 감응 소자를 액정 표시 패널과 백라이트 유닛 사이에 배치시키는 방법을 고려할 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 종래의 접촉 감응 소자에 사용되던 형상 기억 합금 또는 압전성 세라믹은 광투과율이 낮은 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 표시 장치(500)에서는 전기 활성 폴리머로 이루어진 전기 활성층 및 상기 전극 상에 음의 열팽창계수를 갖는 하드 코팅층을 배치시킴으로써, 투명성이 우수하면서도 진동 강도가 향상된다. 따라서, 접촉 감응 소자(100)가 액정 표시 패널과 백라이트 유닛 사이에 배치되는 경우에도, 백라이트 유닛으로부터 액정 표시 패널에 공급되는 광의 투과율이 우수하면서도 종래의 전기 활성 폴리머를 이용한 경우 보다 강한 진동을 전달할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예는 다음과 같이 설명될 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자는 전기 활성 폴리머(EAP)로 이루어진 전기 활성층, 전기 활성층의 적어도 일면에 배치되는 전극 및 전기 활성층 및 전극 상에 배치되고, 음의 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion; CTE)를 갖는 하드 코팅층을 포함한다.
전기 활성층은 양의 열팽창계수를 가질 수 있다.
하드 코팅층은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3) 및 산화리튬(Li2O)으로 이루어진 유크립타이트(eucryptite) 또는 스포듀민(spodumen)을 포함할 수 있다.
하드 코팅층은 ZrW2O8(Zirconium tungstate), HfW2O8(hafnium tungstate), ZrMO2O8(zirconium molybdate) 및 HfMO2O8(hafnium molybdate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
하드 코팅층은 저온과 고온을 반복하여 처리하는 열처리 공정에 의해 형성될 수 있다.
전기 활성층은 중앙부, 중앙부 상의 상부 표면부 및 중앙부 아래의 하부 표면부로 구성되고, 전극에 전압이 인가되지 않은 상태에서, 중앙부는 인장력(tensile force)을 받고, 상부 표면부 및 하부 표면부는 압축력(compressive force)을 받는 것일 수 있다.
하드 코팅층의 두께는 10nm내지 200nm일 수 있다.
하드 코팅층은 전극 및 전기 활성층의 표면을 덮을 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 표시 장치는 표시 패널 및 표시 패널 상부 또는 하부의 접촉 감응 소자를 포함하고, 접촉 감응 소자는 전기 활성 폴리머로 이루어진 전기 활성층, 전기 활성층의 적어도 일면에 배치되는 전극 및 전기 활성층 및 전극 상에 배치되고 음의 열팽창계수를 갖는 하드 코팅층을 포함한다.
전기 활성층은 양의 열팽창계수를 가질 수 있다.
표시 패널 상에 별도로 배치된 애드온(add-on) 타입의 터치 패널을 더 포함하고, 접촉 감응 소자는 표시 패널과 터치 패널 사이에 배치될 수 있다.
표시 패널은 표시 패널 내에 일체화되도록 구성된 터치 센서를 포함하는 액정 표시 패널이고, 액정 표시 패널 하부에 배치된 백라이트 유닛을 더 포함하며, 접촉 감응 소자는 액정 표시 패널과 백라이트 유닛 사이에 배치될 수 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: 접촉 감응 소자
110: 전기 활성층
120: 전극
130: 하드 코팅층
400, 500: 표시 장치
440, 540: 표시 패널
450: 터치 패널
460: 커버
570: 백라이트 유닛

Claims (12)

  1. 전기 활성 폴리머(electric active polymer; EAP)로 이루어진 전기 활성층;
    상기 전기 활성층의 적어도 일면에 배치되는 전극; 및
    상기 전기 활성층 및 상기 전극 상에 배치되고, 음의 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion; CTE)를 갖는 하드 코팅층을 포함하는, 접촉 감응 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 활성층은 양의 열팽창계수를 갖는, 접촉 감응 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 하드 코팅층은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3) 및 산화리튬(Li2O)으로 이루어진 유크립타이트(eucryptite) 또는 스포듀민(spodumen)을 포함하는, 접촉 감응 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 하드 코팅층은 ZrW2O8(Zirconium tungstate), HfW2O8(hafnium tungstate), ZrMO2O8(zirconium molybdate) 및 HfMO2O8(hafnium molybdate) 중 적어도 하나를 포함하는, 접촉 감응 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 하드 코팅층은 저온과 고온을 반복하여 처리하는 열처리 공정에 의해 형성된, 접촉 감응 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 활성층은 중앙부, 상기 중앙부 상의 상부 표면부 및 상기 중앙부 아래의 하부 표면부로 구성되고,
    상기 전극에 전압이 인가되지 않은 상태에서, 상기 중앙부는 인장력(tensile force)을 받고, 상기 상부 표면부 및 상기 하부 표면부는 압축력(compressive force)을 받는, 접촉 감응 소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 하드 코팅층의 두께는 10nm내지 200nm인, 접촉 감응 소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 하드 코팅층은 상기 전극 및 상기 전기 활성층의 표면을 덮는, 접촉 감응 소자.
  9. 표시 패널; 및
    상기 표시 패널 상부 또는 하부의 접촉 감응 소자를 포함하고,
    상기 접촉 감응 소자는 전기 활성 폴리머로 이루어진 전기 활성층, 상기 전기 활성층의 적어도 일면에 배치되는 전극 및 상기 전기 활성층 및 상기 전극 상에 배치되고 음의 열팽창계수를 갖는 하드 코팅층을 포함하는, 표시 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기 활성층은 양의 열팽창계수를 갖는, 표시 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 표시 패널 상에 별도로 배치된 애드온(add-on) 타입의 터치 패널을 더 포함하고,
    상기 접촉 감응 소자는 상기 표시 패널과 상기 터치 패널 사이에 배치된, 표시 장치.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 표시 패널은 상기 표시 패널 내에 일체화되도록 구성된 터치 센서를 포함하는 액정 표시 패널이고,
    상기 액정 표시 패널 하부에 배치된 백라이트 유닛을 더 포함하며,
    상기 접촉 감응 소자는 상기 액정 표시 패널과 상기 백라이트 유닛 사이에 배치된, 표시 장치.
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