KR20180112344A - 터치스크린 패널 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

교차 정렬된 금속 나노와이어를 포함하고, 전압변화를 통해 접촉위치를 인식하는 위치인식층; 및 상기 위치인식층의 상면에 적층되어 외부와의 접촉이 이루어지며, 메카노크로믹(Mechanochromic) 분자를 포함하여 색상의 변화를 통해 접촉강도를 인식하는 강도인식층;을 포함하는 터치스크린 패널이 소개된다.

Description

터치스크린 패널 및 그 제조방법 {TOUCH SCREEN PANEL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 강도인식층을 포함하는 터치스크린 패널에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정렬된 금속 나노와이어 네트워크를 이용하여 내구성이 뛰어난 투명전도막과 접촉강도에 따라 색상이 변하는 메카노크로믹 복합고분자를 결합하여 접촉강도를 인식하는 터치스크린 패널 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
터치스크린 패널은 스크린의 특정 위치에 사람의 손이나 물체가 닿으면 접촉위치를 인식하는 방식으로 사용된다. 일반적인 터치스크린 패널의 구조는 기판, 투명전도막, 절연막 등으로 구성된다. 작동 방식에 따라 널리 쓰이는 저항막방식과 정전용량방식이 대표적이다.
그 중 저항막 방식의 터치 패널의 경우 스페이서(Spacer)를 통하여 상하부 투명전도막이 일정한 간격을 가지고 마주보며 손가락이나 펜으로 인한 압력이 가해지면 두 개의 투명전도막이 접촉이 이루어지며 전기적 신호가 발생되어 위치를 인식하게 된다.
그러나 기존의 투명전도막은 반복적이고 지속적인 압력에 의해 전도막의 내구성 저하 문제로 플렉서블 터치스크린 패널의 제조에 한계점을 가진다. 또한, 저항막 방식의 터치 패널에 있어서는 접촉에 의한 터치 위치의 인식이 이루어질 때 터치의 강도 또는 힘을 인식할 수 없고 단순한 위치 정보만을 표시하는 한계점을 가진다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1452747 B1
상기한 바와 같이 동작하는 종래 기술에 의한 저항막 방식의 터치 패널에 있어서는 접촉에 의한 터치 위치의 인식이 이루어질 때 터치의 강도 또는 힘을 인식할 수 없고 단순한 위치 정보만을 표시하는 한계점을 가진다. 또한, 또한, 센서 상하부 투명전극의 내구성 저하 문제로 인해 플렉서블 터치스크린 패널 제조에 적용하기에 한계가 있다는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 외부로부터 가해지는 접촉강도에 대해 색이 변화하는 고분자를 결합하여 색변화 분석을 통해 터치 위치 뿐만 아니라 접촉 강도를 동시에 인식할 수 있는 플렉서블 터치스크린 패널을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 터치스크린 패널은 교차 정렬된 금속 나노와이어를 포함하고, 전압변화를 통해 접촉위치를 인식하는 위치인식층; 및 상기 위치인식층의 상면에 적층되어 외부와의 접촉이 이루어지며, 메카노크로믹(Mechanochromic) 분자와 PDMS(Polydimethylsiloxane) 분자가 결합된 복합분자를 포함하여 색상의 변화를 통해 접촉강도를 인식하는 강도인식층;을 포함한다.
상기 위치인식층은 가로축의 접촉위치를 인식하는 제1필름; 상기 제1필름의 상면 중 테두리를 따라 연결되어 테두리에 의해 구획된 중앙영역을 마련하는 스페이서; 및 상기 스페이서를 매개로 상기 제1필름과 연결되되, 상기 중앙영역과 이격 배치되고, 세로축의 접촉위치를 인식하는 제2필름;을 포함할 수 있다.
상기 제1필름의 상면 중 가로축 테두리에 한 쌍의 가로전극이 연결되고, 상기 제2필름의 하면 중 세로축 테두리에 한 쌍의 세로전극이 연결되며, 상기 스페이서는 상기 가로전극과 상기 제2필름 사이에 위치하는 가로부; 및 상기 세로전극과 상기 제1필름 사이에 위치하는 세로부;를 포함할 수 있다.
상기 제1필름의 상면으로부터 상기 가로부의 상면까지 이르는 높이는 상기 제2필름의 하면으로부터 상기 세로부의 하면까지 이르는 높이와 동일할 수 있다.
상기 제1필름은 복수의 금속 나노와이어가 가로축과 대응되는 방향으로 배열된 제1레이어; 및 상기 제1레이어와 상하방향으로 적층되며, 복수의 금속 나노와이어가 세로축과 대응되는 방향으로 배열되어 상기 제1레이어의 금속 나노와이어와 서로 교차되는 제2레이어;를 포함할 수 있다.
복수의 금속 나노와이어는 각각 길이방향을 가지며, 상기 제1레이어 및 상기 제2레이어의 정렬도는 하기 식(1)로 정의되고, 2/3 이상일 수 있다.
정렬도 = [A]/([A]+[B]) -------------------- 식(1)
([A]는 길이방향과 배열방향이 ±15° 이내의 차이를 갖는 금속 나노와이어의 개수, [B]는 길이방향과 배열방향이 ±15° 이상의 차이를 갖는 금속 나노와이어의 개수)
메카노크로믹 분자는 스피로피란(Spiropyran) 분자로 구성되고, 상기 강도인식층은 스피로피란-PDMS 복합분자로 이루어질 수 있다.
상기 강도인식층은 접촉강도가 증가함에 따라 정규화된 휘도의 크기가 증가할 수 있다.
기판 상에서 외주면을 따라 금속코일이 감겨진 로드를 이동시킴으로써 금속 나노와이어가 교차 정렬된 필름을 형성시키고, 복수로 구성된 필름을 상하방향으로 적층하여 위치인식층을 마련하는 제1단계; 및 상기 위치인식층의 상면에 메카노크로믹(Mechanochromic) 분자와 PDMS(Polydimethylsiloxane) 분자가 결합된 복합분자를 포함하여 색상의 변화를 통해 접촉강도를 인식하는 강도인식층을 적층하는 제2단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1단계는 상기 로드를 상기 기판의 상면으로부터 이격되는 위치에 위치시키고, 상기 로드와 상기 기판 사이에 금속 나노와이어가 포함된 분산액을 주입하는 주입과정; 및 상기 로드의 수평 이동에 따라 상기 금속코일 사이에 형성된 가이드홈을 통해 상기 로드의 이동방향과 동일한 방향으로 금속 나노와이어가 정렬되어 일정한 배열방향을 갖는 레이어를 마련하는 정렬과정;을 포함할 수 있다.
상기 제1단계에서는 상기 주입과정 및 상기 정렬과정을 한 세트로 반복 수행하되, 세트마다 상기 로드의 수평 이동방향을 달리함으로써 배열된 방향이 상이한 복수의 레이어가 상하방향으로 적층된 필름을 마련할 수 있다.
상기 주입과정 이전에는 상기 기판 상에 한 쌍으로 구성된 테이프 형상의 세퍼레이터를 서로 평행하도록 이격 배치하여 상기 기판과 상기 로드가 이격되는 거리를 설정하는 준비과정;을 더 포함할 수 있다.
상기 준비과정에서는 한 쌍의 세퍼레이터가 서로 이격 배치된 거리에 의해 상기 레이어의 가로 또는 세로 길이가 결정될 수 있다.
상기 제2단계는 바를 상기 위치인식층의 상면으로부터 이격되는 위치에 위치시키고, 상기 바와 상기 위치인식층 사이에 스피로피란(Spiropyran) 분자와 PDMS 분자가 결합된 복합분자를 포함하는 용액을 도포하는 도포과정; 및 상기 바의 수평 이동에 따라 상기 위치인식층의 상면에 상기 강도인식층을 적층하는 적층과정;을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 터치스크린 패널에 따르면 높은 밀도로 교차 정렬된 금속 나노와이어에 의해 두 투명 도전막의 접촉으로 생성되는 균일하고 정확한 전기적 신호 인식이 가능하며, 접촉강도를 색상의 변화를 통해 시각화함으로써 인식하는 것이 가능하다.
또한, 대면적(20 x 20cm2)으로 균일하게 정렬된 투명전극이기 때문에 전 면적으로 균일한 접촉위치 인식이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터치스크린 패널의 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터치스크린 패널의 측면을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터치스크린 패널에 나타나는 색상 변화를 분광방사 계측기(Spectoradiometer)를 활용하여 분석하는 모습을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터치스크린 패널에 가해지는 접촉강도에 대한 정규화된 휘도의 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터치스크린 패널에 가해지는 접촉강도에 따른 메카노크로믹(Mechanochromic) 색상 변화를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가시 범위(380~520nm)에서 청색 문자 "FNL"의 정규화된 휘도의 스펙트럼이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 터치스크린 패널에 가해지는 접촉강도에 대한 CIE 1931 색공간의 색좌표이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 터치스크린 패널에 쓰여진 문자 "A"와 로컬 힘 분포를 보여주는 접촉강도에 대한 힘 매핑 데이터의 10 × 10 픽셀 배열이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 터치스크린 패널의 제조방법을 나타낸 도면이며, 그 중에서도 위치인식층을 구성하는 필름에 있어서 기판 상에 레이어를 적층하여 필름을 제조하기 위한 모습을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 세퍼레이터를 활용한 터치스크린 패널의 제조방법을 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 스크린 패널을 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면 일 실시예에 따른 터치스크린 패널은 위치인식층(100)과 강도인식층(200)으로 구성된다.
위치인식층(100)의 경우 교차 정렬된 금속 나노와이어(1)를 포함하고, 전압변화를 통해 접촉위치를 인식하는 것이 가능하다. 위치인식층(100)은 가로축의 접촉위치를 인식하는 필름과 세로축의 접촉위치를 인식하는 필름이 서로 적층된 형태로 구성될 수 있으며 두 필름은 전압변화를 통해 접촉위치를 인식할 수 있다.
보다 구체적으로는 위치인식층(100)은 복수의 금속 나노와이어(1)들이 서로 교차 정렬되어 네트워크(Network)를 이루는 형태로 형성될 수 있으며 위치인식층(100)이 두 필름으로 구성될 경우 두 필름 간의 접촉에 따른 전압변화를 통해 접촉위치를 인식하는 기능을 수행할 수 있다.
바람직하게는 이소프로필 알코올(Isopropyl Alcohol, IPA), 물 등과 같은 용매에 은(Ag) 나노와이어, 구리(Cu) 나노와이어 등과 같은 금속 나노와이어(1) 및 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP) 등과 같은 고분자 물질이 혼합된 분산액이 위치인식층(100)을 형성하는 재료로서 이용될 수 있다.
금속 나노와이어(1) 중에서도 가격대비 내구성 및 전기 전도성이 뛰어난 은 나노와이어가 이용될 수 있다. 은 나노와이어의 경우 수백 마이크로미터의 길이와 20~40nm의 평균직경을 갖는 형태로 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
이와 같이 전기 전도성이 우수한 금속 나노와이어(1)를 교차 정렬된 형태로 배치함으로써 위치인식층(100)의 경우 면 저항은 낮고 광 투과도는 높으며 전기 전도성은 우수한 특성을 가질 수 있으며, 위치인식층(100)의 전 면적에 대해 고른 전기전도성을 제공할 수 있다.
후술하겠지만 위치인식층(100)의 단부에는 전극이 연결되어 필기도구를 터치스크린 패널에 접촉시킬 경우 전압변화를 통해 필기도구가 접촉되는 위치를 인식하는 것이 가능할 수 있다.
구부림에 의해 도전막에서의 내구성 저하가 일어나는 기존의 플렉서블 터치스크린 패널과는 달리 은 나노와이어가 적용된 위치인식층(100)의 경우 내구성이 뛰어나 잦은 구부림에도 플렉서블 터치패널 도전막으로 사용이 가능할 수 있다.
강도인식층(200)의 경우 위치인식층(100)의 상면에 적층되어 외부와의 접촉이 이루어지며, 메카노크로믹(Mechanochromic) 분자와 PDMS(Polydimethylsiloxane) 분자가 결합된 복합분자를 포함하여 색상의 변화를 통해 접촉강도를 인식하는 것이 가능하다.
강도인식층(200)은 위치인식층(100)의 상면에 적층되어 일체를 형성함으로써 터치스크린 패널을 구성할 수 있다. 필기도구 등과의 직접적인 접촉이 이루어지는 부분에 해당할 수 있다.
기존의 경우와 같이 위치인식층(100)의 상면에 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET) 등과 같은 고분자 물질로 이루어진 필름이 부착될 경우 필기도구가 접촉되어도 접촉강도에 대해서는 인식하는 것이 불가능하였다.
여기서 메카노크로믹 분자란 물리적 자극에 의해 선명한 색상 변화를 나타내며, 자극을 제거할 경우 다시 본래의 상태로 돌아가는 성질을 갖는 분자를 의미한다. 강도인식층(200)이 메카노크로믹(Mechanochromic) 분자와 PDMS(Polydimethylsiloxane) 분자가 결합된 복합분자를 포함하여 이루어질 수 있으며 이 경우 강도인식층(200)에 필기도구 등을 통하여 힘이 가해지게 되면 힘의 강도에 따라 강도인식층(200)에 색상의 변화가 나타나게 될 수 있다. 이에 따라 터치스크린 패널에 가해지는 접촉에 대해 위치인식은 물론 강도의 인식이 가능할 수 있다.
도 2를 참조할 때 상기 위치인식층(100)은 가로축의 접촉위치를 인식하는 제1필름(110); 상기 제1필름(110)의 상면 중 테두리를 따라 연결되어 테두리에 의해 구획된 중앙영역(C)을 마련하는 스페이서(120); 및 상기 스페이서(120)를 매개로 상기 제1필름(110)과 연결되되, 상기 중앙영역(C)과 이격 배치되고, 세로축의 접촉위치를 인식하는 제2필름(130);을 포함할 수 있다.
제1필름(110)은 교차 정렬된 금속 나노와이어(1)를 포함하는 재질로 이루어지며, 필기기구와 같이 외부로부터의 접촉에 대해 가로축의 접촉위치를 인식할 수 있다. 여기서 가로축이란 도 2에서 X축 방향으로 표현될 수 있다.
스페이서(120)는 제1필름(110) 상면의 테두리에 연결된다. 제1필름(110) 상면 중앙에 스페이서(120)에 의해 구획되는 중앙영역(C)이 형성될 수 있다. 중앙영역(C)의 경우 접촉위치와 접촉강도의 인식이 가능한 인식영역에 해당할 수 있다.
제2필름(130)은 제1필름(110)과 마찬가지로 교차 정렬된 금속 나노와이어(1)를 포함하는 재질로 이루어질 수 있고, 필기기구와 같이 외부로부터의 접촉에 대해 세로축의 접촉위치를 인식할 수 있다. 여기서 세로축이란 도 2에서 Y축 방향으로 표현될 수 있다. 제1필름(110) 및 제2필름(130)이 은 나노와이어와 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET)로 이루어질 경우 투명하며, 플렉서블(Flexible)한 특성을 가질 수 있다. 이에 따라 제1필름(110) 및 제2필름(130)을 포함하는 위치인식층(100)도 투명하고 플렉서블 특성을 가질 수 있다.
상기의 가로축 및 세로축은 어느 일축 및 일축과 수직한 타축을 지칭하기 위한 것으로서 보는 관점 및 기준에 따라 달라질 수 있으며 그 명칭에 구애받지 않을 수 있다.
제2필름(130)은 제1필름(110)의 상부에 위치하며 제2필름(130)의 하면이 스페이서(120)와 연결됨으로써 스페이서(120)를 통해 제1필름(110)의 테두리 부분과 제2필름(130)의 테두리 부분이 연결된 형태일 수 있다. 따라서 제1필름(110)의 중앙영역(C)은 제2필름(130)의 하면과 이격된 형태일 수 있다.
바람직하게는 상기 제1필름(110)의 상면 중 가로축 테두리에 한 쌍의 가로전극(111)이 연결되고, 상기 제2필름(130)의 하면 중 세로축 테두리에 한 쌍의 세로전극(131)이 연결되며, 상기 스페이서(120)는 상기 가로전극(111)과 상기 제2필름(130) 사이에 위치하는 가로부(121); 및 상기 세로전극(131)과 상기 제1필름(110) 사이에 위치하는 세로부(122);를 포함할 수 있다.
외부로부터의 접촉에 대해 가로축의 접촉위치를 인식하기 위해 가로전극(111)은 한 쌍으로 마련되어 제1필름(110)의 양단부, 구체적으로는 가로축의 테두리 부분에 연결된다. 가로전극(111)은 버스바(Busbar)로 구성될 수 있다. 가로전극(111)은 제1필름(110)의 상면 가로축 테두리에 연결됨으로써 제1필름(110)의 상면으로부터 상방으로 돌출된 형태로 형성될 수 있다.
마찬가지로 외부로부터의 접촉에 대해 세로축의 접촉위치를 인식하기 위해 세로전극(131)은 한 쌍으로 마련되어 제2필름(130)의 상하단부, 구체적으로는 세로축의 테두리 부분에 연결된다. 세로전극(131) 또한 버스바(Busbar)로 구성될 수 있다. 세로전극(131)은 제2필름(130)의 하면 세로축 테두리에 연결됨으로써 제2필름(130)의 하면으로부터 하방으로 돌출된 형태로 형성될 수 있다. 상기의 상방 및 하방이란 도 2에서 Z축으로 표현될 수 있다.
이때, 제1필름(110)과 제2필름(130) 사이에 배치되어 중앙영역(C)을 이격시키는 스페이서(120)는 가로부(121)와 세로부(122)로 구성될 수 있다. 가로부(121)의 경우 일면이 가로전극(111)의 상면에 연결되고 타면이 제2필름(130)의 하면에 연결되어 가로전극(111)과 제2필름(130)의 직접적인 접촉을 방지하도록 한다.
세로부(122)의 경우 일면이 세로전극(131)의 하면에 연결되고 타면이 제1필름(110)의 상면에 연결되어 세로전극(131)과 제1필름(110)의 직접적인 접촉을 방지하도록 한다.
보다 바람직하게는 가로전극(111) 및 세로전극(131)의 측면도 절연물질로 코팅되어 서로의 접촉이 방지되도록 할 수 있다. 서로 간에 접촉이 이루어질 경우 가로축 및 세로축의 접촉위치 인식에 방해가 될 수 있기 때문이다.
필기기구 등을 통해 외부로부터 터치스크린 패널에 힘이 가해지면 이에 의해 서로 이격되어 있던 제2필름(130)과 제1필름(110)의 중앙영역(C)이 접촉하게 됨으로써 전압변화가 이루어지고 가로전극(111)과 세로전극(131)이 각각 가로축과 세로축의 위치를 인식하여 외부로부터 힘이 가해진 접촉위치를 인식하는 것이다.
가로전극(111) 및 세로전극(131)의 경우 배선을 통해 컨트롤러 보드(300)와 연결되고, 컨트롤러 보드(300)는 컴퓨터 등의 디스플레이 디바이스(400)와 연결되어 필기기구 등을 통해 외부로부터 접촉이 이루어질 경우 컨트롤러 보드(300)를 통해 인식한 접촉위치를 디스플레이 디바이스(400) 상에 구현할 수 있다.
바람직하게는 상기 제1필름(110)의 상면으로부터 상기 가로부(121)의 상면까지 이르는 높이는 상기 제2필름(130)의 하면으로부터 상기 세로부(122)의 하면까지 이르는 높이와 동일할 수 있다.
도 2에서 d1으로 표현될 수 있는 제1필름(110)의 상면으로부터 가로부(121)의 상면까지 이르는 높이는 도 2에서 d2로 표현될 수 있는 제2필름(130)의 하면으로부터 세로부(122)의 하면까지 이르는 높이와 동일하게 형성됨으로써 제2필름(130)과 제1필름(110)의 중앙영역(C)이 이격된 거리가 동일하게 형성될 수 있다. 또한, 제2필름(130)과 제1필름(110)의 중앙영역(C)이 이격된 거리는 제1필름(110)의 상면으로부터 가로부(121)의 상면까지 이르는 높이 및 제2필름(130)의 하면으로부터 세로부(122)의 하면까지 이르는 높이와 동일하게 형성된다.
바람직하게는 상기 제1필름(110)은 복수의 금속 나노와이어(1)가 가로축과 대응되는 방향으로 배열된 제1레이어; 및 상기 제1레이어와 상하방향으로 적층되며, 복수의 금속 나노와이어(1)가 세로축과 대응되는 방향으로 배열되어 상기 제1레이어의 금속 나노와이어(1)와 서로 교차되는 제2레이어;를 포함할 수 있다.
제1레이어는 복수의 금속 나노와이어(1)가 일정한 방향성을 가지고 배열된 형태로 형성될 수 있다. 상기에서도 언급한 바와 같이 금속 나노와이어(1)는 15~35㎛의 길이와 20~40nm의 직경을 갖는 형태로 형성된 은 나노와이어로 구성될 수 있다.
제1레이어를 이루는 금속 나노와이어(1)의 길이방향이 가로축이 연장된 방향과 동일한 방향으로 배열되어 제1레이어를 구성할 수 있다.
제2레이어의 경우 제1레이어와 상하방향으로 서로 적층되는 형태로 연결된다. 제1레이어와 마찬가지로 복수의 금속 나노와이어(1)가 일정한 방향성을 가지고 배열된 형태로 형성될 수 있다. 제2레이어를 이루는 금속 나노와이어(1)의 길이방향이 세로축이 연장된 방향과 동일한 방향으로 배열되어 제2레이어를 구성할 수 있다.
제1레이어와 제2레이어의 적층 순서에 구애되지 않으며 서로 상하방향으로 적층되어 윗면과 아랫면을 형성하는 형태로 연결될 수 있다.
이에 따라 제1레이어의 금속 나노와이어(1)의 배열방향은 가로축과 동일한 방향으로 배열되고, 제2레이어의 금속 나노와이어(1)의 배열방향은 세로축과 동일한 방향으로 배열됨으로써 제1레이어의 금속 나노와이어(1)와 제2레이어의 금속 나노와이어(1)는 서로 직교하는 형태로 정렬될 수 있다.
제1필름(110)의 구성요소로 기판(S) 및 기판(S) 상에 적층된 제1레이어 및 제2레이어가 포함될 수 있으며 제2필름(130)의 경우도 마찬가지이다.
제1레이어 및 제2레이어는 서로 교차된 금속 나노와이어를 포함하는 레이어끼리 적층된 형태를 설명하기 위한 것일 뿐 레이어의 수를 한정하지 않는다. 제1필름(110)이 원하는 면 저항 및 광 투과도를 가질 때까지 복수의 레이어가 상하방향으로 적층될 수 있다.
바람직하게는 복수의 금속 나노와이어(1)는 각각 길이방향을 가지며, 상기 제1레이어 및 상기 제2레이어의 정렬도는 하기 식(1)로 정의되고, 2/3 이상일 수 있다.
정렬도 = [A]/([A]+[B]) -------------------- 식(1)
([A]는 길이방향과 배열방향이 ±15° 이내의 차이를 갖는 금속 나노와이어의 개수, [B]는 길이방향과 배열방향이 ±15° 이상의 차이를 갖는 금속 나노와이어의 개수)
정렬도는 제1레이어 또는 제2레이어를 이루는 금속 나노와이어(1)가 얼마나 일정한 방향성을 갖고 배열되어 있는 지를 나타낼 수 있는 척도가 된다.
금속 나노와이어(1)가 불규칙(Random)하게 배열될 경우 금속 나노와이어(1)끼리 서로 불필요하게 얽혀 면 저항 및 표면 거칠기가 높은 레이어가 형성되고 전기적 특성과 광학적 특성이 높지 않기 때문에 정렬도로써 레이어의 성질을 가늠할 수 있다.
정렬도가 높을수록 금속 나노와이어(1)에 의한 네트워크가 잘 구축되어 있어 높은 전기 전도성이 발현될 수 있고 면 저항은 낮으며 광 투과도는 높게 발현될 수 있다.
본 발명에 따른 제1레이어 및 제2레이어의 정렬도는 2/3 이상일 수 있으며 보다 바람직하게는 0.7 이상의 값을 가질 수 있다. 금속 나노와이어(1)가 일정한 방향성을 갖고 배열되도록 레이어를 제조하는 방법에 대해서는 후술하기로 한다.
메카노크로믹 분자는 스피로피란(Spiropyran) 분자로 구성되고, 상기 강도인식층은 스피로피란-PDMS 복합분자로 이루어질 수 있다.
구체적으로 강도인식층(200)에 적용되는 메카노크로믹 분자로는 스피로피란 분자가 이용될 수 있으며 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)와 함께 SP-PDMS 복합분자로 형성될 수 있다. 이와 같이 SP-PDMS 복합분자로 형성된 강도인식층(200)은 투명하며 플렉서블(Flexible)하다는 특성을 갖는다. 투명한 특성을 갖는 위치인식층(100)과 결합하여 투명하며 플렉서블(Flexible)할 뿐만아니라 강도인식이 가능한 터치스크린 패널을 구성할 수 있다.
도 3 내지 도 8을 참조할 때 바람직하게는 상기 강도인식층(200)은 접촉강도가 증가함에 따라 정규화된 휘도의 크기가 증가할 수 있다.
강도인식층(200)에 적용되는 접촉강도는 청색 변화로 나타난다. 접촉강도가 증가할 수록 청색이 진해진다. 이와 같은 청색으로의 색상 변화는 도 3과 같이 분광방사 계측기(Spectoradiometer)에 의해 분석될 수 있다. 청색의 진한 정도는 448nm에서의 정규화(Nomalized)된 휘도로 수치화될 수 있으며 강도인식층(200)에 적용된 접촉강도가 증가함에 따라서 정규화된 휘도가 증가할 수 있다. 도 4에서 볼 수 있듯이 선형적으로 증가하는 경향을 보인다.
도 5에서 확인할 수 있는 것과 같이 접촉강도에 따라 청색의 진한 정도를 나타내는 정규화된 휘도도 변함으로써 터치스크린 패널에 가해지는 힘을 반영하여 디스플레이에 나타내는 것이 가능하다. 즉, 도 5에서 F1에서 F5으로 갈수록 접촉강도가 세지는 것을 나타낸다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가시 범위(380~520nm)에서 청색 문자 "FNL"의 정규화된 휘도의 스펙트럼을 나타낸다.
도 7은 터치스크린 패널에 가해지는 접촉강도에 대한 CIE 1931 색공간의 색좌표로서 X-Y 좌표는 적용된 힘의 증가와 함께 진한 파란색 영역으로 이동한다.
도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치스크린 패널의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 9를 참조하면 일 실시예에 따른 터치스크린 패널의 제조방법은 기판(S) 상에서 외주면을 따라 금속코일(M)이 감겨진 로드(R)를 이동시킴으로써 금속 나노와이어(1)가 교차 정렬된 필름을 형성시키고, 복수로 구성된 필름을 상하방향으로 적층하여 위치인식층(100)을 마련하는 제1단계; 및 상기 위치인식층(100)의 상면에 메카노크로믹(Mechanochromic) 분자와 PDMS(Polydimethylsiloxane) 분자가 결합된 복합분자를 포함하여 색상의 변화를 통해 접촉강도를 인식하는 강도인식층(200)을 적층하는 제2단계;를 포함한다.
제1단계는 교차 정렬된 금속 나노와이어(1)를 포함하는 위치인식층(100)을 제조하는 단계이다. 기판(S)은 유리, 실리콘, 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 이들의 조합으로 이루어진 것일 수 있으며 이에 제한되지 않는다. 기판(S) 상에서 로드(R)를 이동시켜 금속 나노와이어(1)를 정렬시킨다.
바람직하게는 기판(S)과 금속 나노와이어(1)와의 접착력을 향상시키기 위해 기판(S) 상면에 표면처리가 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로는 기판(S)의 상면에 아민, 메틸, 하이드록실, 또는 이들의 조합인 작용기가 존재할 수 있다. 상기 메틸 작용기는 HMDS(hexamethyldisilazane), PMMA(poly(methyl methacrylate)) 및 이들의 혼합물을 처리함에 따라 형성될 것일 수 있다.
하이드록실 작용기는 O2 플라즈마 처리에 따라 형성될 것일 수 있다. 아민 작용기는 PLL(Poly-L-Lysine), APTES((3-Aminopropyl)triethoxysilane) 및 이들의 혼합물을 처리함에 따라 형성될 것일 수 있다.
아민 작용기가 존재하는 경우 양전하를 띄는 기판(S)과 음 전하를 띄는 금속 나노와이어(1) 사이에 강한 인력이 작용하여 금속 나노와이어(1)의 정렬도를 향상시킬 수 있으며, 기판(S)에 대한 금속 나노와이어의 접착력을 향상시킬 수 있다.
로드(R)의 외주면을 따라 금속코일(M)이 감겨지는데 금속코일(M) 사이에 일정한 간격의 가이드홈이 형성되며 가이드홈의 간격은 50~400㎛일 수 있다.
제2단계는 메카노크로믹(Mechanochromic) 분자와 PDMS(Polydimethylsiloxane) 분자가 결합된 복합분자를 포함하는 강도인식층(200)을 제조하여 위치인식층(100)의 상면에 적층하는 단계이다. 전술한 강도인식층(200)에 대한 설명으로 대체하기로 한다. 제1단계와 제2단계는 각각의 단계를 구분하기 위해 명명한 것으로서 순서에 구애되지 않을 수 있다.
보다 구체적으로 살펴보면, 상기 제1단계는 상기 로드(R)를 상기 기판(S)의 상면으로부터 이격되는 위치에 위치시키고, 상기 로드(R)와 상기 기판(S) 사이에 금속 나노와이어(1)가 포함된 분산액을 주입하는 주입과정; 및 상기 로드(R)의 수평 이동에 따라 상기 금속코일(M) 사이에 형성된 가이드홈을 통해 상기 로드(R)의 이동방향과 동일한 방향으로 금속 나노와이어(1)가 정렬되어 일정한 배열방향을 갖는 레이어를 마련하는 정렬과정;을 포함할 수 있다.
주입과정에서는 기판(S) 상에 위치시킨 로드(R)와 기판(S) 사이에 분산액을 주입한다. 분산액의 경우 상기에서도 언급한 바와 같이 로드(R)와 기판(S) 사이에 구획된 분산액은 금속 나노와이어(1), 에탄올 등과 같은 용매 및 폴리비닐피롤리돈 등과 같은 고분자 물질 등을 포함할 수 있다.
바람직하게는 분산액의 양이 증가함에 따라 금속 나노와이어(1)의 정렬도가 감소할 수 있다. 분산액 양이 증가할수록 금속 나노와이어(1)의 밀도가 증가하고 금속 나노와이어(1)들이 서로 얽히는 현상이 유발될 수 있기 때문이다. 또한, 분산액의 양이 증가함에 따라 기판(S) 상면과 가까운 분산액 하부에는 불규칙하게 정렬된 금속 나노와이어(1)가 증가하는 것도 이유가 된다.
따라서 한 층의 레이어를 형성함에 있어서 기판(S)의 단위 면적(1㎠) 당 분산액의 양을 0.48~1.28 ㎕/㎠ 로 제어하는 것이 타당하다.
주입과정 이후에는 정렬과정을 통해 로드(R)를 기판(S) 상면 상에서 이동시켜 금속 나노와이어(1)가 정렬된 레이어를 마련한다. 로드(R)에 감긴 금속코일(M) 사이에 형성된 가이드홈의 존재로 인해 분산액에 모세관힘이 부여될 수 있다. 모세관힘에 따라 로드(R)와 기판(S) 사이에서 분산액이 균일한 메니스커스(Meniscus)를 형성할 수 있다.
이로 인해 로드(R)의 금속코일(M)과 접하는 메니스커스 접촉선(20)이 형성되는데 로드(R)의 수평 이동에 의해 메니스커스 접촉선(20)도 함께 수평 이동하게 된다.
메니스커스 접촉선(20)의 수평 이동으로 인해 금속 나노와이어(1)가 정렬될 수 있는 전단력(Shear Force)과 전단력에 의한 동유체력(Hydrodynamic Force)이 유발됨으로써 일정한 배열방향을 갖는 레이어가 마련될 수 있다. 이러한 전단력과 동유체력 및 기판(S)과의 정전기적 힘의 상호 작용으로 인해 분산액 내 금속 나노와이어(1)가 정렬될 수 있다.
메니스커스 접촉선(20)이 이동하는 과정에서 분산액 내 용매의 증발에 의한 금속 나노와이어(1)의 정렬을 이용하는 경우 약 10~100㎛ s-1의 코팅속도를 이용하고 전단력과 동유체력이 매우 낮아서 금속 나노와이어(1)의 정렬도가 상대적으로 낮아질 수 있다.
로드(R)의 수평 이동속도를 변화시켜 10mm s-1 이상으로 로드(R)를 이동시켜 메니스커스 접촉선(20)을 빠르게 드래깅(Dragging)하면 금속 나노와이어(1)의 정렬도가 상대적으로 높아질 수 있다.
동유체력(F)은 하기의 식(2)로 표현된다.
Figure pat00001
----------식(2)
상기 식(2)에서 μ는 용매에 분산된 금속 나노와이어 잉크의 점도를 나타내고 U는 로드(R)를 이용한 드래깅 속도를 나타낸다. a는 금속 나노와이어의 길이를 나타내고 b는 금속 나노와이어의 반지름을 나타낸다.
실시예로서 은 나노와이어의 길이(a)는 약 20㎛으로 형성되고 반지름(b)는 약 17.5nm로 형성될 수 있다. 드래깅 속도는 10mm s-1으로 형성될 수 있다.
에탄올에 은 나노와이어 잉크가 분산된 경우 점도(μ)는 상온에서 약 9.12 × 10-3 Pa s로 형성될 수 있고 이소프로필 알콜(IPA)에 은 나노와이어 잉크가 분산된 경우 점도(μ)는 상온에서 약 9.37 × 10-3 Pa s로 형성될 수 있으며 물에 은 나노와이어 잉크가 분산된 경우 점도(μ)는 상온에서 약 9.52 × 10-3 Pa s로 형성될 수 있다.
상기 식(2)에 따라 분산액에 용매로서 에탄올이 이용된 경우 3.26nN의 동유체력이 계산되고, 이소프로필 알콜(IPA)이 이용된 경우 3.35nN의 동유체력이 계산되며, 물이 이용된 경우 3.4nN의 동유체력이 계산된다. 즉, 에탄올, 이소프로필 알코올, 물 모두 금속 나노와이어(1)를 높은 정렬도로 정렬시키기에 3.26~3.4nN로서 적절한 동유체력 값을 가진다고 볼 수 있다.
기판(S) 온도가 높아짐에 따라 분산액의 점도가 낮아질 수 있고 이에 따라 전단 응력이 약해지게 되어 금속 나노와이어(1)의 효과적인 정렬을 방해할 수 있다. 이에 메니스커스 온도구배 발생을 억제할 수 있도록 수평 이동 시 기판(S)의 온도를 20~30℃ 범위 내로 제어하는 것이 타당하다.
바람직하게는 상기 제1단계에서는 상기 주입과정 및 상기 정렬과정을 한 세트로 반복 수행하되, 세트마다 상기 로드(R)의 수평 이동방향을 달리함으로써 배열된 방향이 상이한 복수의 레이어가 상하방향으로 적층된 필름을 마련할 수 있다.
한 세트로 이루어진 주입과정과 정렬과정의 수행으로 인해 일방향으로 정렬된 한 층의 레이어가 마련된다. 이후 한 층의 레이어의 상면에 다시 주입과정과 정렬과정을 반복 수행함으로써 다층의 레이어가 적층된 필름이 마련될 수 있다.
다만, 한 층의 레이어 상면에 레이어를 적층하는 과정에서 이전 세트에서의 로드(R)의 이동방향과 그 다음 세트에서의 로드(R)의 이동방향을 다르게 한다. 이를 통해 한 층의 레이어의 정렬방향과 그 다음 층의 레이어의 정렬방향이 달리 구성될 수 있다.
따라서 한 층의 레이어를 구성하는 금속 나노와이어(1)와 그 다음 층의 레이어를 구성하는 금속 나노와이어(1)가 서로 교차되는 형태로 정렬되는 것이 구현 가능하게 된다. 바람직하게는 한 층의 레이어를 구성하는 금속 나노와이어(1)와 그 다음 층의 레이어를 구성하는 금속 나노와이어(1)가 직교될 수 있다.
레이어가 단층일 때 면 저항은 45Ωsq-1 이하일 수 있다. 구체적으로는 18.8 ~42.3Ωsq-1일 수 있다. 광투과도의 경우 88.0% 이상일 수 있다. 구체적으로는 88.2~97.0%일 수 있다.
편광특성의 경우 이방성(Anisotropic) 광학 특성을 가질 수 있는데 구체적으로는 360~364nm의 파장 영역에서 최대 흡광도가 나타날 수 있다. 이때 반가폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)은 28.48~37.23일 수 있다. 0~90° 범위에서 편광 각도가 증가할수록 최대 흡광도 값이 증가하고 500㎚ 초과의 파장 영역에서 흡광도 값은 감소할 수 있다.
본 발명에 따른 주입과정 및 정렬과정을 통해 레이어를 대면적화함이 가능하다. 면적은 1~1000cm2 범위일 수 있다. 대면적화하더라도 금속 나노와이어(1)의 정렬도가 높고 금속 나노와이어(1) 간의 간격을 용이하게 제어할 수 있으며 높은 선 밀도를 달성할 수 있다. 금속코일(M)이 감긴 로드(R)를 활용하는 제조 방법에 기인한 특성이다.
도 10을 참조하면 바람직하게는 상기 주입과정 이전에는 상기 기판(S) 상에 한 쌍으로 구성된 테이프 형상의 세퍼레이터(10)를 서로 평행하도록 이격 배치하여 상기 기판(S)과 상기 로드(R)가 이격되는 거리를 설정하는 준비과정;을 더 포함할 수 있다.
준비과정에서는 기판(S) 상에 세퍼레이터(10)를 마련한다. 세퍼레이터(10)는 한 쌍으로 구성되어 서로 평행하는 형태로 이격 배치될 수 있다. 세퍼레이터(10)가 기판(S) 상에서 상방으로 돌출된 높이만큼 기판(S)과 로드(R)가 서로 이격될 수 있으며 이에 따라 레이어의 두께가 결정될 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 준비과정에서는 한 쌍의 세퍼레이터(10)가 서로 이격 배치된 거리는 도 10에서와 같이 h로 표현될 수 있으며 이에 의해 상기 레이어의 가로 또는 세로 길이가 결정될 수 있다.
기판(S)과 로드(R) 사이의 이격거리를 결정할 수 있는 세퍼레이터(10)의 높이에 따라 메니스커스의 두께가 좌우될 수 있다.
세퍼레이터(10)의 높이가 높아지면 메니스커스의 두께가 두꺼워지고 전단속도는 감소하며 금속 나노와이어(1)의 정렬도 역시 감소하게 된다(
Figure pat00002
=
Figure pat00003
). 또한, 전단력의 구배(Gradient)가 발생하고 메니스커스의 하부에 불규칙하게 정렬된 금속 나노와이어(1)의 농도가 증가하게 된다. 따라서 세퍼레이터(10)를 이용하여 기판(S) 및 로드(R) 사이의 간격을 20~40㎛로 제어함이 타당하다.
바람직하게는 상기 제2단계는 바를 상기 위치인식층(100)의 상면으로부터 이격되는 위치에 위치시키고, 상기 바와 상기 위치인식층(100) 사이에 스피로피란(Spiropyran) 분자와 PDMS 분자가 결합된 복합분자를 포함하는 용액을 도포하는 도포과정; 및 상기 바의 수평 이동에 따라 상기 위치인식층(100)의 상면에 상기 강도인식층(200)을 적층하는 적층과정;을 포함할 수 있다.
바(Bar)의 경우 표면이 매끈한 막대 형태로 형성될 수 있다. 도포과정에서는 제1단계 이후 형성된 위치인식층(100)의 상면으로부터 이격되는 위치에 바를 위치시킨다. 이격된 거리에 따라 강도인식층(200)의 두께가 결정될 수 있으며 수백 마이크로미터(㎛)부터 수 밀리미터(mm)까지 형성될 수 있다.
용액은 스피로피란(Spiropyran) 분자와 PDMS 분자가 결합된 복합분자를 포함할 수 있다. 이와 같은 용액을 바와 위치인식층(100) 사이에 도포 후 적층과정을 통해 바를 수평 이동시켜 강도인식층(200)을 적층할 수 있다.
이에 따라 표면이 매우 균일한 강도인식층(200)을 형성시키는 것이 가능하며 외부로부터 가해지는 힘에 따른 정확한 접촉강도를 인식함에 있어서 이와 같은 균일한 표면 형성은 매우 중요할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
1 : 금속 나노와이어
10 : 세퍼레이터 20 : 메니스커스 접촉선
100 : 위치인식층 110 : 제1필름
111 : 가로전극 120 : 스페이서
121 : 가로부 122 : 세로부
130 : 제2필름 131 : 세로전극
200 : 강도인식층 300 : 컨트롤러 보드

Claims (14)

  1. 교차 정렬된 금속 나노와이어를 포함하고, 전압변화를 통해 접촉위치를 인식하는 위치인식층; 및
    상기 위치인식층의 상면에 적층되어 외부와의 접촉이 이루어지며, 메카노크로믹(Mechanochromic) 분자와 PDMS(Polydimethylsiloxane) 분자가 결합된 복합분자를 포함하여 색상의 변화를 통해 접촉강도를 인식하는 강도인식층;을 포함하는 터치스크린 패널.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 위치인식층은,
    가로축의 접촉위치를 인식하는 제1필름;
    상기 제1필름의 상면 중 테두리를 따라 연결되어 테두리에 의해 구획된 중앙영역을 마련하는 스페이서; 및
    상기 스페이서를 매개로 상기 제1필름과 연결되되, 상기 중앙영역과 이격 배치되고, 세로축의 접촉위치를 인식하는 제2필름;을 포함하는 터치스크린 패널.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1필름의 상면 중 가로축 테두리에 한 쌍의 가로전극이 연결되고, 상기 제2필름의 하면 중 세로축 테두리에 한 쌍의 세로전극이 연결되며,
    상기 스페이서는,
    상기 가로전극과 상기 제2필름 사이에 위치하는 가로부; 및
    상기 세로전극과 상기 제1필름 사이에 위치하는 세로부;를 포함하는 터치스크린 패널.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1필름의 상면으로부터 상기 가로부의 상면까지 이르는 높이는 상기 제2필름의 하면으로부터 상기 세로부의 하면까지 이르는 높이와 동일한 터치스크린 패널.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1필름은,
    복수의 금속 나노와이어가 가로축과 대응되는 방향으로 배열된 제1레이어; 및
    상기 제1레이어와 상하방향으로 적층되며, 복수의 금속 나노와이어가 세로축과 대응되는 방향으로 배열되어 상기 제1레이어의 금속 나노와이어와 서로 교차되는 제2레이어;를 포함하는 터치스크린 패널.
  6. 청구항 5에 있어서,
    복수의 금속 나노와이어는 각각 길이방향을 가지며,
    상기 제1레이어 및 상기 제2레이어의 정렬도는 하기 식(1)로 정의되고, 2/3 이상인 터치스크린 패널.
    정렬도 = [A]/([A]+[B]) -------------------- 식(1)
    ([A]는 길이방향과 배열방향이 ±15° 이내의 차이를 갖는 금속 나노와이어의 개수, [B]는 길이방향과 배열방향이 ±15° 이상의 차이를 갖는 금속 나노와이어의 개수)
  7. 청구항 1에 있어서,
    메카노크로믹 분자는 스피로피란(Spiropyran) 분자로 구성되고,
    상기 강도인식층은 스피로피란-PDMS 복합분자로 이루어진 터치스크린 패널.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 강도인식층은,
    접촉강도가 증가함에 따라 정규화된 휘도의 크기가 증가하는 터치스크린 패널.
  9. 기판 상에서 외주면을 따라 금속코일이 감겨진 로드를 이동시킴으로써 금속 나노와이어가 교차 정렬된 필름을 형성시키고, 복수로 구성된 필름을 상하방향으로 적층하여 위치인식층을 마련하는 제1단계; 및
    상기 위치인식층의 상면에 메카노크로믹(Mechanochromic) 분자와 PDMS(Polydimethylsiloxane) 분자가 결합된 복합분자를 포함하여 색상의 변화를 통해 접촉강도를 인식하는 강도인식층을 적층하는 제2단계;를 포함하는 터치스크린 패널의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1단계는,
    상기 로드를 상기 기판의 상면으로부터 이격되는 위치에 위치시키고, 상기 로드와 상기 기판 사이에 금속 나노와이어가 포함된 분산액을 주입하는 주입과정; 및
    상기 로드의 수평 이동에 따라 상기 금속코일 사이에 형성된 가이드홈을 통해 상기 로드의 이동방향과 동일한 방향으로 금속 나노와이어가 정렬되어 일정한 배열방향을 갖는 레이어를 마련하는 정렬과정;을 포함하는 터치스크린 패널의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1단계에서는,
    상기 주입과정 및 상기 정렬과정을 한 세트로 반복 수행하되, 세트마다 상기 로드의 수평 이동방향을 달리함으로써 배열된 방향이 상이한 복수의 레이어가 상하방향으로 적층된 필름을 마련하는 터치스크린 패널의 제조방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 주입과정 이전에는,
    상기 기판 상에 한 쌍으로 구성된 테이프 형상의 세퍼레이터를 서로 평행하도록 이격 배치하여 상기 기판과 상기 로드가 이격되는 거리를 설정하는 준비과정;을 더 포함하는 터치스크린 패널의 제조방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 준비과정에서는,
    한 쌍의 세퍼레이터가 서로 이격 배치된 거리에 의해 상기 레이어의 가로 또는 세로 길이가 결정되는 터치스크린 패널의 제조방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2단계는,
    바를 상기 위치인식층의 상면으로부터 이격되는 위치에 위치시키고, 상기 바와 상기 위치인식층 사이에 스피로피란(Spiropyran) 분자와 PDMS 분자가 결합된 복합분자를 포함하는 용액을 도포하는 도포과정; 및
    상기 바의 수평 이동에 따라 상기 위치인식층의 상면에 상기 강도인식층을 적층하는 적층과정;을 포함하는 터치스크린 패널의 제조방법.
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