KR20180060842A - 접촉 감응 소자 및 그를 포함하는 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 접촉 감응 소자 및 그를 포함하는 표시 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자는 불소계 터폴리머(terpolymer) 및 하기 화학식 1로 표시되는 폴리머로 이루어지는 전기활성 필름을 포함하며, 상기 화학식 1에서, R은 에틸기 또는 메틸기이고, n은 1 이상의 정수이다.

Description

접촉 감응 소자 및 그를 포함하는 표시 장치{TOUCH SENSITIVE DEVICE AND DISPLAY DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 접촉 감응 소자 및 그를 포함하는 표시 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모듈러스(Modulus) 및 진동강도가 향상된 접촉 감응 소자 및 그를 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 촉각 피드백(Tactile feedback)을 제공하기 위해 햅틱(haptic) 장치를 활용하는 연구가 계속되고 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 울리도록 고안되어 있어, 진동 강도를 증가시키기 위해서는 질량체의 크기를 증가시켜야 하는 문제점이 있었고, 진동의 정도를 조절하기 위한 주파수 변조가 어려우며, 응답 속도가 매우 느리고, 플렉서블 표시 장치에 사용하기에 적절하지 못하다는 단점이 있었다.
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 반응 속도가 느리고 수명이 짧으며 불투명하고, 압전성 세라믹(EAC)은 깨지기 쉽기 때문에 표시 장치, 특히 플렉서블 표시 장치에 적용하기에 어려움이 있었다.
이에 따라, 최근, 전기활성 폴리머(Electro-Active Polymer; EAP)를 이용한 햅틱 장치 기술이 주목 받고 있다. 전기활성 폴리머란 전기적 자극에 의하여 변형될 수 있는 폴리머로서, 전기적 자극에 의해 반복적으로 팽창, 수축 및 벤딩(bending)될 수 있는 폴리머를 의미한다. 다양한 종류의 전기활성 폴리머 중 강유전성 폴리머(Ferroelectric Polymer)와 유전성 엘라스토머(Dielectric Elastomer)가 주로 사용되고 있다. 예를 들어, 강유전성 폴리머는 PVDF(Poly vinylidene fluoride)가 있고, 유전성 엘라스토머로는 실리콘계 중합체, 우레탄계 중합체 또는 아크릴계 중합체 등을 들 수 있다.
그러나, 강유전성 폴리머 중 대표적인 PVDF는 상대적으로 모듈러스(Modulus)가 우수하지만 4KV 이상의 고전압을 사용한 폴링(poling) 공정을 수반하기 때문에 공정 특성상 위험성이 있다. 한편, 유전성 엘라스토머는 광투과율 및 광학 특성이 우수하나, 강유전성 폴리머에 비해 유전율이 상대적으로 낮기 때문에, 구동 전압이 높아 모바일 디스플레이 등과 같이 전압이 상대적으로 낮은 표시 장치에 그대로 사용되기 어렵다는 문제점이 있다.
이에 따라, 공정 안정성과 유전율 및 광투과율 특성을 만족하면서 햅틱 장치의 모듈러스 및 진동강도를 향상시킬 수 있는 전기활성 폴리머에 대한 연구가 요구되고 있다.
[관련기술문헌]
1. 햅틱 표시 장치 및 이의 제조 방법 (국내특허출원번호 제 10-2016-0080955 호).
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 모듈러스와 동시에 진동강도가 향상된 접촉 감응 소자 및 그를 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 불소계 터폴리머(terpolymer) 및 하기 화학식 1로 표시되는 폴리머로 이루어지는 전기활성 필름을 포함한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서, R은 메틸기 또는 에틸기이고, n은 1이상의 정수이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 접촉 감응 소자는 불소계 터폴리머(terpolymer) 및 술포닐기(sulfonyl group)를 갖는 아크릴레이트(acrylate)계 폴리머로 이루어지는 전기활성 필름을 포함한다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 표시 패널, 터치 패널 및 접촉 감응 소자를 포함하고,접촉 감응 소자는, 불소계 터폴리머(terpolymer) 및 하기 화학식 1로 표시되는 폴리머로 이루어지는 전기활성 필름을 포함한다.
[화학식 1]
Figure pat00002
상기 화학식 1에서, R은 메틸기 또는 에틸기이고, n은 1이상의 정수이다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 높은 쌍극자 모멘트, 높은 유리전이 온도(Tg) 및 높은 유전율을 가진 신규 폴리머의 첨가로 모듈러스와 진동강도가 우수한 전기활성 필름을 구성하여, 모듈러스와 동시에 진동강도가 향상된 접촉 감응 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 모듈러스 및 진동강도가 향상된 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치를 구성하여, 표시 장치의 촉각 인지 효과를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 전기활성 필름에 사용된 PVDF-TrFE-CTFE 폴리머의 전계에 따른 분극 거동을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따라 합성된 PESEMA의 외관을 나타낸 전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 본 발명의 전기활성 필름의 GPEC 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 전기활성 필름의 1H-NMR 분석 결과를 나타낸 스펙트럼이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치의 개략적인 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2에 따른 전기활성 필름의 전압별 진동가속도 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2에 따른 전기활성 필름의 무게저항성 특성을 나타낸 그래프이다.
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. 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. 구성요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성요소를 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 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자의 개략적인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 전기활성 필름에 사용된 PVDF-TrFE-CTFE 폴리머의 전계에 따른 분극 거동을 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)는 전기활성 필름(110), 전기활성 필름(110) 아래에 배치된 제1 전극(120) 및 전기활성 필름(110) 상에 배치된 제2 전극(130)을 포함한다.
전기활성 필름(110)은 제1 전극(120) 및 제2 전극(130) 사이에 개재되어, 전기적인 자극에 의하여 진동 또는 휨을 유발하는 역할을 한다.
본 실시예의 전기활성 필름(110)은 불소계 터폴리머(terpolymer) 및 하기 화학식 1로 표시되는 폴리머로 이루어진다.
Figure pat00003
상기 화학식 1에서, R은 메틸기 또는 에틸기이고, n은 1 이상의 정수이다.
구체적으로, 불소계 터폴리머는 3종류의 단량체로 형성된 불소계 중합체로서, 전압 인가 시 진동을 발생하는 전기활성 폴리머(Electro-Active Polymer; EAP)이다. 예를 들어, 불소계 터폴리머는 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride; 이하 'PVDF'라 칭함)계 터폴리머일 수 있다. PVDF계 터폴리머는 PVDF-TrFE와 같은 코폴리머(copolymer)보다 모듈러스는 낮지만 고유전율(high-k)을 가지며, 고전압에서 진행되어 공정상 위험한 폴링(poling) 공정을 수반하지 않는다는 장점이 있다. 폴링 공정은 폴리머에 높은 직류 전압을 인가하여 특정한 전하를 갖는 원자들을 한 방향으로 배열시키는 공정이다.
예를 들어, PVDF계 터폴리머는 폴리비닐리덴플루오라이드-트리플루오르에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌(Polyvinylidene fluoride-Trifluoroethylene-Chlorotrifluoroethylene; 이하 'PVDF-TrFE-CTFE'라 칭함)을 사용할 수 있다. PVDF-TrFE-CTFE는 도 2에 도시된 전계에 따른 분극 거동을 보이는 완화 강유전체(Relaxor) 타입으로, 0.04GPa 내지 0.15GPa 범위의 모듈러스 특성을 가진다.
구체적으로, 화학식 1로 표시되는 폴리머는 불소계 터폴리머와의 혼합 시 상용성이 확보될 수 있는 신규한 아크릴레이트계 폴리머로서, 유리질(glassy)이면서 분극율(polarization yield) 57% 내지 67%, 유리전이 온도(Tg) 185℃ 내지 195℃인 특성을 가진다. 이러한 특성은 화학식 1로 표시되는 폴리머의 재료고유의 특성이며, 폴리머에 첨가된 부산물을 고려한 수치이다.
havriliak-Negami 이론에 의거하면, 화학식 1로 표시되는 폴리머는 술포닐기(sulfonyl group, -SO2-)의 높은 쌍극자 모멘트(4.25Debye)로 인하여 인가 주파수 변화에 따라 일축 배열(uniaxial arrangement)화가 가능하여 사슬 회전(chain rotation)이 발생한다.
즉, 화학식 1로 표시되는 폴리머는 높은 쌍극자 모멘트를 가진 탄소 사슬의 배열 및 이완(relaxation)를 이용하여 유전율이 향상되어 고유전율(high-k) 특성을 가진다.
화학식 1에서, R은 에틸기 또는 메틸기이다. 반드시 이에 제한되는 것은 아니나, 탄소의 사슬이 길어지면 유리전이 온도(Tg)가 지나치게 상승하므로, 화학식 1의 R은 메틸기 또는 에틸기인 것이 바람직하다.
이 경우, 화학식 1로 표시되는 폴리머는 하기 화학식 2로 표시되는 폴리에틸술포닐에틸메타크릴레이트(Polyethylsulfonylethylmetacrylate; PESEMA) 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 폴리메틸술포닐에틸메타크릴레이트(Polymethylsulfonylethylmetacrylate; PMSEMA)일 수 있다.
Figure pat00004
화학식 2에서, n은 1 이상의 정수이다.
Figure pat00005
화학식 3에서, n은 1 이상의 정수이다.
이러한 화학식 1로 표시되는 폴리머는 전기활성 필름(110)의 모듈러스(Modulus) 및 진동강도를 향상시키기 위한 첨가제로 사용된다.
일반적으로, 접촉 감응 소자에 있어서 인간이 인지할 수 있는 진동감은 누르는 힘에 의해 감소한다. 따라서, 진동강도를 향상시키려면 누르는 힘에 저항하려는 힘인 무게저항성(Blocking Force)을 증가시켜야 하고, 무게저항성을 향상시키려면 모듈러스를 증가시켜야 한다. 이는 하기 수학식 1 및 수학식 2에 나타난 바와 같이, 무게저항성이 재료의 강도 및 모듈러스에 비례하기 때문이다. 단, 하기 수학식 1의 강도는 영의 모듈러스(Young's Modulus)와 동일하다(kA=Y).
< 재료의 강도 (kA) >
Figure pat00006
(여기서, kA는 재료의 강도, Fmax는 압전액츄에이터가 부하 하중이 부가되었을 때 저항하는 최대 힘(최대 무게저항성), △L0는 초기 변위를 의미함.)
< 무게저항성 (F) >
Figure pat00007
(여기서, F는 무게저항성, N은 액츄에이터의 적층 수, S는 액츄에이터의 횡방향 단면적, L은 액츄에이터의 길이, Y는 영의 모듈러스, d33은 압전 상수, V는 인가전압을 의미함.)
특히, 수학식 2에 따르면, 무게저항성은 모듈러스 및 압전상수에 비례하므로, 무게저항성을 향상시키려면 모듈러스와 동시에 압전상수를 증가시켜야 한다. 그런데, 하기 수학식 3에 나타낸 바와 같이, 압전상수는 분극과 유전율에 비례한다.
< 압전상수 (d33) >
Figure pat00008
(여기서, d33은 압전 상수, ε는 유전 상수, P는 분극을 의미함.)
일반적으로, 폴리머의 높은 쌍극자 모멘트는 폴리머의 결정립을 작게 하고, 분극 및 모듈러스를 증가시키는 것으로 알려져 있다.
따라서, 전기활성 필름(110)은 쌍극자 모멘트가 높은 화학식 1로 표시되는 폴리머가 첨가됨으로써 분극과 모듈러스가 동시에 향상되고, 전술한 havriliak-Negami 이론에 의거하여 유전율 또한 향상된다.
또한, 화학식 1로 표시되는 폴리머는 쌍극자 모멘트가 높은 술포닐기를 포함함으로써 유리전이 온도(Tg)가 185℃ 이상으로 상승되는데, 이때, 유리전이 온도(Tg)의 증가는 모듈러스의 증가를 의미하므로, 전기활성 필름(110)은 모듈러스가 보다 향상된다.
일례로, 화학식 1로 표시되는 폴리머는 모듈러스 향상을 위해 전기활성 필름(110)의 전체 중량에 대하여 7.3중량% 내지 10중량%의 첨가량으로 첨가될 수 있다. 이때, 폴리머의 첨가량이 7.3중량% 미만이거나 10중량%를 초과할 경우, 불소계 터폴리머가 가져야 할 특성이 화학식 1의 구조를 갖는 폴리머에 의해 상실되어 효과가 불충분할 수 있으므로, 화학식 1 로 표시되는 폴리머는 상기 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.
화학식 1로 표시되는 폴리머는 중량 평균 분자량이 불소계 터폴리머와의 혼합 시의 상용성 확보를 위해 500 내지 1000 범위인 것이 바람직하나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기와 같은 구성의 전기활성 필름(110)은 높은 쌍극자 모멘트, 높은 Tg 및 고유전율을 특성을 지닌 화학식 1로 표시되는 폴리머의 첨가로 인해 분극 및 유전율의 향상과 더불어 모듈러스가 향상되고, 종국에는 무게저항성의 향상으로 인해 진동강도가 향상될 수 있다. 이러한 전기활성 필름(110)은 주파수 156Hz에서 무게저항성 0.2G 내지 0.6G, 모듈러스 0.6GPa 내지 0.8GPa, 유전율 5.0 내지 9.0 및 분극율 57% 내지 67%인 특성을 만족시킬 수 있다.
전기활성 필름(110)의 무게저항성 및 모듈러스가 상기 범위를 만족하는 경우, 접촉 감응 소자(100)의 모듈러스와 동시에 진동강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 전기활성 필름(110)의 유전율이 상기 범위를 만족하는 경우, 접촉 감응 소자(100)의 구동 전압을 낮출 수 있다.
상기에서, 무게저항성이 0.2G 미만일 경우, 진동강도가 저하될 수 있고, 반대로 무게저항성이 0.6G를 초과할 경우, 모듈러스가 너무 높아 전기활성 필름(110)이 딱딱해져서 화학식 1로 표시되는 폴리머의 진동 변위를 제한할 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 모듈러스가 0.6GPa 미만일 경우, 무게저항성이 저하될 수 있고, 반대로 모듈러스가 0.8GPa를 초과할 경우, 전기활성 필름(110)이 딱딱해져 화학식 1로 표시되는 폴리머의 진동 변위를 제한할 수 있어 바람직하지 않다. 한편, 전기활성 필름(110)의 유전율 및 분극율은 부산물을 고려한 화학식 1로 표시되는 폴리머의 재료고유의 특성이 반영된 것이다.
나아가, 전기활성 필름(110)은 광투과율 75% 이상인 특성을 만족시킬 수 있으며, 이는 후속한 실시예 1 및 실시예 2를 통해 확인하였다. 즉, 전기활성 필름(110)은 광투과율의 큰 저하없이 모듈러스와 진동강도의 향상이 가능하다.
본 실시예의 PESEMA의 모노머(ESEMA)에 대한 합성방법을 도식화하면 하기 반응식 1과 같고, 반응식 1에 따른 합성방법의 일례는 아래와 같다.
[반응식 1]
Figure pat00009
먼저, 100㎖ 3구 플라스크에 2-(메틸술포닐)에탄올((methylsulfonyl)ethanol) 4.52g(0.036몰), 디클로로메탄(dichloromethane; DCM) 40㎖ 및 트리에틸아민(Triethylamine; Et3N) 5.12g(0.056몰)을 적하한 후 혼합하여 혼합물을 생성한다. 다음, 혼합물을 0℃ 이하에서 N2 퍼징(purging)하며 30분 동안 교반한다. 다음, 교반된 혼합물을 에타크릴로일 클로라이드(ethacryloyl Chloride)에 천천히 적하하고 온도를 실온(25℃)까지 천천히 올린 후 실온(25℃)에서 24시간 동안 반응시킨다. 다음, 반응 후 트리에틸아민 하이드로클로라이드(triethylamine hydrochloride)는 필터로 제거하고, 잔류 용매는 감압증류로 제거한다. 다음, 반응생성물을 DCM에 재 용해시킨 후, 디에틸 에테르(diethyl ether)에 재 침전시키고, 이러한 용해-재 침전을 3회 반복한다. 최종, 제조된 모노머(ESEMA)를 실온 진공오븐에서 2일 동안 건조시킨다.
도 3은 본 발명에 따라 합성된 PESEMA의 외관을 나타낸 전자현미경(SEM) 사진으로서, PESEMA는 불투명한 유리질이면서 연한 노란색임을 확인할 수 있었다.
본 실시예의 전기활성 필름(110)에 대한 제조방법의 일례는 다음과 같다. 먼저, 일정량의 PVDF계 터폴리머와 같은 불소계 터폴리머 및 화학식 1로 표시되는 폴리머를 다이메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide; DMSO), 디메틸포름아미드(dimethylformamide; DMF) 등의 가용성 용매에 투입한 후 혼합하여 혼합물을 제조한다. 그런 다음, 혼합물을 스핀 코팅(Spin-coating) 등의 방식을 사용하여 제1 전극(120) 상에 코팅하여 코팅막을 형성한다. 이후, 코팅막을 차례로 50℃ 내지 100℃의 온도로 5분 내지 30분 동안 경화, 80℃ 내지 150℃의 온도로 10분 내지 30분 동안 건조, 및 100℃ 내지 150℃의 온도로 20분 내지 30분 동안 열처리한다. 다만, 가용성 용매, 경화 조건, 건조 조건, 열처리 조건 및 코팅 방법은 이에 제한되지 않으며, 당해 기술분야에 알려진 임의의 적절한 조건을 채용할 수 있다.
본 실시예의 전기활성 필름(110)의 화학식 1로 표시되는 폴리머, 예컨대 PESEMA(≒C8H12O4S)의 첨가 여부는 하기 표 1, 도 4 및 도 5 각각의 원소 분석, GPEC 측정 및 NMR 분석을 통해 검증하였다.
표 1은 본 실시예의 전기활성 필름(110)에 첨가된 PESEMA(≒C8H12O4S)의 단독 원소 분석 결과를 나타내며, 전기활성 필름(110)에서 PESEMA를 추출한 후 단독으로 측정하였다.
Figure pat00010
표 1의 원소 분석 측정 결과, 측정 원소의 이론치와 실측치 간에 유의차가 없으므로, 측정 원소는 PESEMA(≒C8H12O4S)로 추정 가능하며, 이를 통해 전기활성 필름(110)에 PESEMA(≒C8H12O4S)가 첨가된 것을 확인할 수 있었다.
도 4는 본 발명의 전기활성 필름의 GPEC(Gradient Polymer Elution Chromatography) 측정 결과를 나타낸 그래프로서, 이때, GPEC 측정 조건은 아래와 같다.
1)시스템: Waters Alliance 2690 Separations Module with column heater at 30℃
2)디텍터 1: Waters 996 Photodiode Array 디텍터
3)디텍터 2: LTA 어댑터를 가진 Alltech Model 500 ELSD with LTA Adapter (Drift Tube at 40℃, 1.75 Liters/min Nitrogen)
4)데이터 시스템: Waters Millennium 32 Chromatography Manager
5)컬럼(Column): As listed in Figures, 30℃
6)유속(Flow Rate): 1mL/min
7)샘플들: 0.2% 내지 0.5% 샘플들에 대해 10㎕ 내지 25㎕ 주입
도 4를 참조하면, GPEC 측정 시 PESEMA는 리텐션 타임(retention time; RT)이 19분대에 나타났다. GPEC 측정 시 RT는 물질의 고유 극성을 나타내는데, RT가 19분대인 것은 PESEMA이다. 따라서, GPEC 측정을 통해 전기활성 필름(110)에 PESEMA가 첨가된 것을 확인할 수 있었다.
도 5는 본 발명의 전기활성 필름의 1H-NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 분석 결과를 나타낸 스펙트럼으로서, DMSO-d6 용매의 추출 조건에서 시료의 특이적인 피크(peak)가 보여진다.
다시, 도 1을 참조하면, 전기활성 필름(110)의 양쪽 표면에는 전원 공급을 위한 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)이 부착된다. 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 전도성 물질로 형성될 수 있고, 이로써 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 금(Au), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 알루미늄-구리 합금(Al-Cu alloy) 등과 같은 금속 물질로 형성되거나 또는 PEDOT[Poly(3,4-EthyleneDiOxyThiophene)]:PSS[Poly(4-StyreneSulfonic acid)], 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline) 등과 같은 전도성 폴리머로 이루어질 수 있다.
또한, 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 접촉 감응 소자(100)의 원활한 반복적인 구동에 적합하도록, 탄소 도전성 그리스(carbon conductive grease), 카본 블랙(Carbon Black) 또는 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube; CNT)에 탄성체를 혼합하여 제조된 연질(soft) 전극으로 이루어질 수 있다. 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 서로 동일한 물질로 이루어질 수도 있고, 서로 상이한 물질로 이루어질 수도 있다.
한편, 본 발명의 접촉 감응 소자(100)를 표시 패널 상에 배치시키는 경우, 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 접촉 감응 소자의 투명성을 확보하기 위해, 투명한 전도성 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 이로써 제한되는 것은 아니나, 투명한 전도성 물질은 인듐 주석 산화물(Induim Tin Oxide; ITO), 그래핀(Graphene), 금속 나노 와이어 및 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide; TCO) 중에서 선택되는 1종일 수 있다.
제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 다양한 방식으로 전기활성 필름(110)의 양면에 배치된다. 예를 들어, 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 스퍼터링(sputtering), 프린팅(printing), 슬릿 코팅(slit coating) 등과 같은 방식으로 전기활성 필름(110)의 양면에 배치될 수 있다. 특히, 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)이 동일한 물질로 배치되는 경우, 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 동시에 배치될 수도 있다.
제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 외부로부터 전압이 인가되어 전기장을 형성한다. 여기서, 전기활성 필름(110)에 전기장을 형성하기 위해서, 제1 전극(120)과 제2 전극(130)에는 서로 상이한 크기의 전압이 인가되거나, 서로 반대의 전기적 성질을 갖는 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(120) 또는 제2 전극(130) 중 어느 하나에 양(+)의 전압이 인가되면, 나머지 전극에는 음(-)의 전압이 인가되거나 접지될 수 있다.
또한, 제1 전극(120)과 제2 전극(130)에 인가되는 전압은 교류(AC) 전압 또는 직류(DC) 전압일 수 있다. 제1전극(120) 및 제2 전극(130)에 교류 전압(AC)이 인가될 경우 전기활성 필름(110)은 주기적으로 변위될 수 있어, 진동하는 효과를 낼 수 있고, 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)에 직류 전압(DC)을 인가하는 경우, 전기활성 필름(110)은 구부러진 상태를 유지할 수 있다.
이와 같이 구성된 접촉 감응 소자(100)는 높은 쌍극자 모멘트, 높은 Tg 및 고유전율을 갖는 폴리머의 첨가로 유전율, 모듈러스 및 진동강도가 우수한 전기활성 필름(110)을 사용하여, 구동 전압은 낮추면서 모듈러스와 진동강도는 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치의 개략적인 분해 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치(600)는 하부 커버(610), 표시 패널(620), 접촉 감응 소자(100), 터치 패널(630) 및 상부 커버(640)를 포함한다.
하부 커버(610)는 표시 패널(620), 접촉 감응 소자(100) 및 터치 패널(630)의 하부를 덮도록 표시 패널(620) 아래에 배치된다. 하부 커버(610)는 표시 장치(600) 내부의 구성들을 외부의 충격 및 이물질이나 수분의 침투로부터 보호한다. 예를 들어, 하부 커버(610)는 열 성형이 가능하고 가공성이 좋은 플라스틱이나 표시 장치(600)의 형상 변화에 따라 함께 변형될 수 있는 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
표시 패널(620)은 표시 장치(600)에서 영상을 표시하기 위한 표시 소자가 배치된 패널을 의미한다. 표시 패널(620)로서, 예를 들어, 유기 발광 표시 패널, 액정 표시 패널, 전기 영동 표시 패널 등과 같은 다양한 표시 패널이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 표시 패널(620)은 유기 발광 표시 장치일 수 있다. 유기 발광 표시 장치는 유기 발광층에 전류를 흐르게 함으로써 유기 발광층이 발광하도록 하는 표시 장치이며, 유기 발광층을 사용하여 특정 파장의 빛을 발광한다. 유기 발광 표시 장치는 적어도 캐소드, 유기 발광층 및 애노드를 포함한다.
유기 발광 표시 장치도 연성을 갖고 변형될 수 있도록 구성될 수 있다. 즉, 유기 발광 표시 장치는 연성을 갖는 플렉서블(flexible) 유기 발광 표시 장치로서, 플렉서블 기판을 포함한다. 플렉서블 유기 발광 표시 장치는 외부에서 가해지는 힘에 의해 다양한 방향 및 각도로 변형될 수 있다.
접촉 감응 소자(100)는 표시 패널(620) 상에 배치될 수 있다. 접촉 감응 소자(100)는 표시 패널(620)의 상면에 직접 접촉되도록 배치될 수도 있고, 표시 패널(620)의 상면과 접촉 감응 소자(100)의 하면 사이에 접착제를 이용하여 배치될 수도 있다. 예를 들어, 접착제는 OCA(optical clear adhesive) 또는 OCR(optical clear resin)이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 도 6에서는 표시 패널(620) 상에 배치된 접촉 감응 소자(100)를 도시하였으나, 필요에 따라 접촉 감응 소자(100)는 표시 패널(620) 아래에 배치될 수도 있다.
도 6에 도시된 접촉 감응 소자(100)는 제1 전극(120), 제2 전극(130) 및 전기활성 필름(110)을 포함한다. 접촉 감응 소자(100)의 구체적인 구성요소는 도 1에서 설명한 접촉 감응 소자(100)와 동일하므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
접촉 감응 소자(100)는 표시 패널(620)과 전기적으로 연결될 수도 있다. 예를 들어, 표시 패널(620)에 배치된 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)와 접촉 감응 소자(100)의 전극이 배선에 의해 서로 전기적으로 연결될 수도 있다.
접촉 감응 소자(100) 상에는 터치 패널(630)이 배치된다. 터치 패널(630)은 표시 장치(600)에 대한 사용자의 터치 입력을 감지하고, 터치 좌표를 제공하는 기능을 수행하는 패널을 의미한다.
터치 패널(630)은 작동 방식에 따라 구분될 수도 있다. 예를 들어, 정전 용량 방식, 저항막 방식, 초음파 방식, 적외선 방식 등이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 정전 용량 방식의 터치 패널이 터치 패널(630)로서 사용될 수 있다.
또한, 터치 패널(630)은 접촉 감응 소자(100)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 터치 패널(630)은 접촉 감응 소자(100)의 전극들과 전기적으로 연결되어, 터치 패널(630)에서 입력된 다양한 터치 신호 또는 전압이 접촉 감응 소자(100)로 전달될 수 있다.
상부 커버(640)는 접촉 감응 소자(100), 표시 패널(620) 및 터치 패널(630)의 상부를 덮도록 터치 패널(630) 상에 배치된다. 상부 커버(640)는 하부 커버(610)와 동일한 기능을 할 수 있다. 또한, 상부 커버(640)도 하부 커버(610)와 마찬가지로 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
이와 같이 구성된 표시 장치(600)는 모듈러스 및 진동강도가 향상된 전기활성 필름(110)을 사용하여 표시 장치(600)의 모듈러스와 진동강도 역시 향상시킴으로써, 표시 장치(600)의 촉각 인지 효과를 향상시킬 수 있다. 표시 장치(600)는 전기활성 필름(110)의 특성이 반영되어 주파수 156Hz에서 무게저항성 0.2G 내지 0.6G, 모듈러스 0.6GPa 내지 0.8G인 특성을 만족시킬 수 있다.
본 실시예의 접촉 감응 소자(100)를 포함한 표시 장치(600)는 스마트폰, 핸드폰, 태블릿 PC, PDA 등과 같은 모바일 표시 장치일 수 있으며, 그 밖에 차량용 네비게이션, TV, 옥외 광고판, 슬롯 머신, 전자 칠판 등일 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시편의 제조
표 2에 기재된 조성으로 두께 500ÅA의 하부 ITO, 두께 35㎛의 전기활성 필름 및 두께 500ÅA의 상부 ITO가 적층된 가로 10cm x 세로 10cm 크기의 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2에 따른 시편들을 제작하였다.
이때, 전기활성 필름은 PVDF-TrFE-CTFE와 PESEMA를 DMSO 용매에 혼합하여 혼합물을 형성한 후, 이 혼합물을 300rpm으로 15초 동안 하부 ITO 상에 스핀 코팅하여 코팅막을 형성한 다음, 이 코팅막을 차례로 70℃ 온도로 10분 동안 경화, 100℃ 온도로 15분 동안 진공 건조 및 115℃ 온도로 30분 동안 열처리하여 제작하였다.
Figure pat00011
2. 물성 평가
실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2에 따른 시편들의 전기활성 필름의 주파수 156Hz에서의 전압별 진동가속도를 측정하여 진동 특성을 평가하였으며, 측정 결과는 도 7에 나타내었다.
또한, 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2에 따른 시편들의 전기활성 필름에 주파수 156Hz에서 400V 전압을 인가하여 무게저항성을 측정하였으며, 측정 결과는 도 8에 나타내었다.
또한, 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2에 따른 시편들의 전기활성 필름에 대한 모듈러스 및 광투과율을 측정하였으며, 측정 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2에 따른 전기활성 필름의 전압별 진동가속도 특성을 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2에 따른 전기활성 필름의 무게저항성 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 전기활성 필름의 진동가속도와 비교예 1 및 비교예 2의 전기활성 필름의 진동가속도 간에는 유의차가 없지만, 무게저항성은 본 발명에서 제시한 첨가제의 목표값을 만족하는 실시예 1 및 실시예 2의 전기활성 필름에서만 향상됨을 확인할 수 있었다.
Figure pat00012
표 3을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 전기활성 필름 모두 주파수 156Hz에서 모듈러스가 0.7GPa 이상 및 광투과율 75% 이상인 특성을 보였다.
특히, 본 발명에서 제시한 첨가제의 목표값을 만족하는 실시예 1 및 실시예 2의 전기활성 필름은 그렇지 못한 비교예 1 및 비교예 2에 비해 광투과율의 큰 저하없이 모듈러스가 향상됨을 알 수 있었다.
위의 실험 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에서 제시한 조건을 만족하는 실시예 1 및 실시예 2의 전기활성 필름은 그렇지 못한 비교예 1 및 비교예 2와 비교하여, 광투과율의 큰 저하없이 무게저항성과 동시에 모듈러스를 향상시킬 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 불소계 터폴리머(terpolymer) 및 하기 화학식 1로 표시되는 폴리머로 이루어지는 전기활성 필름을 포함한다.
[화학식 1]
Figure pat00013
화학식 1에서, R은 에틸기 또는 메틸기이고, n은 1이상의 정수이다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 화학식 1로 표시되는 폴리머의 술포닐기(sulfonyl group)는 4.25Debye의 쌍극자 모멘트를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 화학식 1로 표시되는 폴리머의 첨가량은 전기활성 필름의 전체 중량에 대하여 7.3중량% 내지 10중량%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 화학식 1로 표시되는 폴리머의 유리전이 온도(Tg)는 185℃ 내지 195℃ 이고, 화학식 1로 표시되는 폴리머의 분극율은 57% 내지 67%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 주파수 156Hz에서 전기활성 필름의 모듈러스는 0.6GPa 내지 0.8GPa이고, 전기활성 필름의 무게저항성은 0.2G 내지 0.6G인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전기활성 필름은 주파수 156Hz에서 유전율이 5.0 내지 9.0인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전기활성 필름은 광투과율이 75% 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 불소계 터폴리머는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)계 터폴리머인 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 접촉 감응 소자는 불소계 터폴리머(terpolymer) 및 술포닐기(sulfonyl group)를 갖는 아크릴레이트계 폴리머로 이루어지는 전기활성 필름을 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 주파수 156Hz에서 상기 전기활성 필름의 모듈러스는 0.6GPa 내지 0.8 GPa이고, 상기 전기활성 필름의 무게저항성은 0.2G 내지 0.6G인 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 표시 패널, 터치 패널 및 접촉 감응 소자를 포함하고, 상기 접촉 감응 소자는, 불소계 터폴리머(terpolymer) 및 하기 화학식 1로 표시되는 폴리머로 이루어지는 전기활성 필름을 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
Figure pat00014
상기 화학식 1에서, R은 메틸기 또는 에틸기이고, n은 1이상의 정수이다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 주파수 156Hz에서 표시 장치의 모듈러스는 0.6GPa 내지 0.8GPa이고, 표시장치의 무게저항성은 0.2G 내지 0.6G인 것을 특징으로 한다.
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 변형실시될 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. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 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: 전기활성 필름
120: 제1 전극 130: 제2 전극
600: 표시 장치 610 : 하부 커버
620: 표시 패널 630 : 터치 패널
640 : 상부 커버

Claims (12)

  1. 불소계 터폴리머(terpolymer) 및 하기 화학식 1로 표시되는 폴리머로 이루어지는 전기활성 필름을 포함하는, 접촉 감응 소자.
    [화학식 1]
    Figure pat00015

    상기 화학식 1에서, R은 메틸기 또는 에틸기이고, n은 1 이상의 정수이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 폴리머의 술포닐기(sulfonyl group)는 4.25Debye의 쌍극자 모멘트를 가지는, 접촉 감응 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 폴리머의 첨가량은
    상기 전기활성 필름의 전체 중량에 대하여 7.3중량% 내지 10중량%인, 접촉 감응 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 폴리머의 유리전이 온도(Tg)는 185℃ 내지 195℃ 이고, 상기 화학식 1로 표시되는 폴리머의 분극율은 57% 내지 67%인, 접촉 감응 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    주파수 156Hz에서 상기 전기활성 필름의 모듈러스는 0.6GPa 내지 0.8GPa이고, 상기 전기활성 필름의 무게저항성은 0.2G 내지 0.6G인, 접촉 감응 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기활성 필름은 주파수 156Hz에서 유전율이 5.0 내지 9.0인, 접촉 감응 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전기활성 필름은 광투과율이 75% 이상인, 접촉 감응 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 불소계 터폴리머는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)계 터폴리머인, 접촉 감응 소자.
  9. 불소계 터폴리머(terpolymer) 및 술포닐기(sulfonyl group)를 갖는 아크릴레이트(acrylate)계 폴리머로 이루어지는 전기활성 필름을 포함하는, 접촉 감응 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    주파수 156Hz에서 상기 전기활성 필름의 모듈러스는 0.6GPa 내지 0.8 GPa이고, 상기 전기활성 필름의 무게저항성은 0.2G 내지 0.6G인, 접촉 감응 소자.
  11. 표시 패널, 터치 패널 및 접촉 감응 소자를 포함하고,
    상기 접촉 감응 소자는,
    불소계 터폴리머(terpolymer) 및 하기 화학식 1로 표시되는 폴리머로 이루어지는 전기활성 필름을 포함하는, 표시 장치.
    [화학식 1]
    Figure pat00016

    상기 화학식 1에서, R은 메틸기 또는 에틸기이고, n은 1 이상의 정수이다.
  12. 제11항에 있어서,
    주파수 156Hz에서 상기 표시 장치의 모듈러스는 0.6GPa 내지 0.8GPa이고, 상기 표시장치의 무게저항성은 0.2G 내지 0.6G인, 표시 장치.
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