KR20180127259A - 지문 센서용 투명 전극 구조체 및 이를 포함하는 지문 센서 - Google Patents

지문 센서용 투명 전극 구조체 및 이를 포함하는 지문 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 높은 투과도 및 높은 전기 전도도를 가지는 지문 센서용 투명 전극 구조체를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체는, 제1 방향으로 연장된 복수의 제1 도전 라인들을 포함하는 제1 전극; 상기 제1 방향에 대하여 일정한 각도를 가지는 제2 방향으로 연장된 복수의 제2 도전 라인들을 포함하는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치여 전기적으로 절연하는 유전층;을 포함하고, 상기 제1 전극의 상기 제1 도전 라인들은 0 ㎛ 초과 내지 150 ㎛ 이하 범위의 폭을 가지고, 2 ㎛ 이상 내지 50 ㎛ 이하 범위의 간격을 가지고, 550 nm의 광에 대하여 70% 이상 내지 100 % 미만 범위의 투과도를 가지고, 0 Ω/□ 초과 내지 20 Ω/□ 이하 범위의 면저항을 가지고, 10 fF 이상 내지 500 μF 이하 범위의 캐패시턴스를 가지고, 지문 접촉 시 상기 캐패시턴스가 0.01% 이상 내지 50% 이하 범위의 감소를 나타낸다.

Description

지문 센서용 투명 전극 구조체 및 이를 포함하는 지문 센서{Transparent electrode structure using for finger print sensor and finger print sensor having the same}
본 발명의 기술적 사상은 지문 센서용 투명 전극 구조체 및 이를 포함하는 지문 센서에 관한 것이다.
최근의 모바일 기기들은 화면 대형화의 추세를 보이고 있고, 이에 따라 홈 버튼과 같은 물리적 버튼을 최소화하거나 또는 제거하는 방식으로 발전되고 있다. 이러한 물리적 버튼의 제거 경향에 따라 디스플레이에 일체화된 버튼의 개발이 가속되고 있다. 또한, 지문을 이용한 버튼이 등장하고 있는 경향에 따라 디스플레이와 일체화된 지문센서의 개발이 요구되고 있다.
지문센서는 일반적으로 캐패시턴스 방식을 채용하고 있으며, 크게 단위 셀 구동방식과 매트릭스 구동 방식으로 구분될 수 있다. 단위 셀 구동방식은 지문을 인식하는 센서를 개별적으로 구동하는 복수의 단위 셀들로 구성하는 것으로서, 인듐 주석 산화물이나 실리콘 등 다양한 물질을 사용할 수 있고, 노이즈가 작은 장점이 있으나, 공정이 복잡하고 많은 층들을 포함하게 되므로 투명성이 저하되는 단점이 있으므로 투명 전극으로서 적용에 한계가 있다.
매트릭스 구동 방식은 x축으로 연장되는 상부 전극과 y축으로 연장되는 하부 전극을 이격 교차시켜 라인-바이-라인(line-by-line) 형상으로 구성하는 것으로서, 소자 구조가 단순하고 상부 전극 및 하부 전극 만으로 소자 제작이 가능하여 투과도가 높은 장점이 있는 반면, 노이즈가 큰 단점이 있어 10 kHz 이상의 고주파수 구동이 요구된다. 투명 전극에 많이 사용되는 인듐 주석 산화물은 저항값이 높아 10 kHz 이상의 고주파수 대역에서는 구동이 어려운 한계가 있다. 또한, 인듐 주석 산화물은 유연성이 부적하여 신축성 디스플레이에 적용되기 어려운 한계가 있다. 따라서, 지문 센서를 위하여 높은 투과도 및 높은 전기 전도도를 가지는 투명 전극이 요구된다.
한국등록실용신안 제20-0392690호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 투과도 및 높은 전기 전도도를 가지는 지문 센서용 투명 전극 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 높은 투과도 및 높은 전기 전도도를 가지는 지문 센서용 투명 전극 구조체를 포함하는 지문센서를 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체는, 제1 방향으로 연장된 복수의 제1 도전 라인들을 포함하는 제1 전극; 상기 제1 방향에 대하여 일정한 각도를 가지는 제2 방향으로 연장된 복수의 제2 도전 라인들을 포함하는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치여 전기적으로 절연하는 유전층;을 포함하고, 상기 제1 전극의 상기 제1 도전 라인들은 0 ㎛ 초과 내지 150 ㎛ 이하 범위의 폭을 가지고, 2 ㎛ 이상 내지 50 ㎛ 이하 범위의 간격을 가지고, 550 nm의 광에 대하여 70% 이상 내지 100 % 미만 범위의 투과도를 가지고, 0 Ω/□ 초과 내지 20 Ω/□ 이하 범위의 면저항을 가지고, 10 fF 이상 내지 500 μF 이하 범위의 캐패시턴스를 가지고, 지문 접촉 시 상기 캐패시턴스가 0.01% 이상 내지 50% 이하 범위의 감소를 나타낸다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 전극의 상기 제2 도전 라인들은 0 ㎛ 초과 내지 150 ㎛ 이하 범위의 폭을 가지고, 2 ㎛ 이상 내지 50 ㎛ 이하 범위의 간격을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 교차되어 구성되는 단위 셀은 각각 10 fF 이상 내지 500 μF 이하의 범위의 캐패시턴스를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 유전층은 10 nm 이상 내지 50 ㎛ 이하의 범위의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 유전층은 2 이상 내지 15 이하의 범위의 유전 상수를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전극 상에 배치된 덮개층을 더 포함하고, 상기 덮개층은 4 이상 내지 15 이하의 범위의 유전 상수를 가지고, 70% 이상 내지 100% 미만의 투과도를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전극 또는 제2 전극은 제1 직경을 가지는 제1 나노 구조체와 상기 제1 직경에 비하여 작은 제2 직경을 가지는 제2 나노 구조체가 서로 결합하여 형성한 하이브리드 구조체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 나노 구조체는, 100 nm 이상 내지 10 ㎛ 이하의 범위의 상기 제1 직경을 가질 수 있고, 상기 제2 나노 구조체는, 10 nm 이상 내지 100 nm 이하의 범위의 상기 제2 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 나노 구조체는 주 전도 경로를 형성하고, 상기 제2 나노 구조체는 상기 제1 나노 구조체가 이루는 빈 공간에 배치되어 상기 제1 나노 구조체를 전기적으로 연결시켜 보조 전도 경로를 제공할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 나노 구조체의 전도 경로가 단락되는 경우에, 상기 제2 나노 구조체에 의하여 전도 경로를 제공할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 나노 구조체와 상기 제2 나노 구조체의 비율은 10:90 내지 90:10의 범위를 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 지문 센서는 상술한 지문 센서용 투명 전극 구조체를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 10 kHz 이상 내지 1 MHZ 이하 범위의 구동 주파수를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 지문의 리지와 밸리에 따른 캐패시턴스 변화가 0.01% 이상 내지 50% 이하 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 1 V 이상 내지 100 V 이하 범위의 구동 전압을 가질 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 지문 센서는 선형의 제1 전극과 선형의 제2 전극이 서로 교차하는 매트릭스 방식으로 구성된 지문 센서용 투명 전극 구조체를 포함하고, 상기 제1 전극과 제2 전극은 각각 서로 다른 직경의 제1 나노 구조체와 제2 나노 구조체로 구성된다. 상기 제1 나노 구조체는 주 전도 경로를 형성하고, 상기 제2 나노 구조체는 상기 제1 나노 구조체가 이루는 빈 공간에 배치되어 상기 제1 나노 구조체를 전기적으로 연결시켜 보조 전도 경로를 제공함에 따라, 종래의 메쉬 구조의 전극의 단락 현상을 방지할 수 있고, 이에 따라 균일하고 향상된 전기적 특성을 제공할 수 있다.
또한, 상기 지문 센서는 매트릭스 형상에 따른 노이즈 감소를 위한 고주파 범위에서 사용제한에 대하여 프린징 캐패시턴스를 향상시킴에 따라 지문 감지의 민감도를 형성할 수 있다.
또한, 상기 지문 센서는 나노 구조체를 이용함에 따라 종래의 인듐 주석 산화물이 제공하기 어려운 유연성을 가질 수 있으므로, 다양한 모바일 기기에 보안방식으로써 사용이 가능하여 웨어러블 전자기기등에 적용될 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서에서 감지되는 인체의 지문을 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서의 구동방법을 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체에 대한 지문 접촉 시의 캐패시턴스 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체에 포함된 전극을 형성하는 방식을 설명하는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체의 주사전자현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체의 전기 방사(electro-spinning) 시간에 따른 면저항의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체의 전기 방사 시간에 따른 투과도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서를 나타내는 사진이다.
도 11은 도 10의 지문 센서를 이용하여 측정한 지문 접촉 시의 캐패시턴스 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서에 대하여 지문 접촉 시의 캐패시턴스 변화를 지문 센서의 전체 면적에 대하여 도시한다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서의 덮개층의 두께에 따른 캐패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서에서 감지되는 인체의 지문을 도시하는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 인체의 지문은 사람마다 다른 독창적인 지문 패턴을 가지고 있으나, 그 형상에 따라 분류하면, 아치형(arch), 소용돌이형(whorl), 단일 루프형(simple loop) 및 이중 루프형(double loops)으로 분류될 수 있다. 이러한 지문들은 돌출된 부분인 리지(ridge, 1)와 함몰된 부분인 밸리(valley, 2)로 구성되어 상기 지문 패턴을 형성한다. 일반적으로, 리지(1)는 100 ㎛ 이상 내지 400 ㎛ 이하 범위의 폭을 가지고, 밸리(2)는 60 ㎛ 이상 내지 220 ㎛ 이하 범위의 폭을 가진다. 밸리(2)의 폭의 평균은 약 109 ㎛이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서의 구동방법을 도시하는 개략도이다.
도 2를 참조하면, 지문의 리지(1)가 지문 센서의 전극(3)에 접촉하거나 또는 전극(3) 상에 위치한 보호막(4)에 접촉하면, 지문의 밸리(2)와 전극(3) 사이에 공간이 생기게 되고 이러한 공간은 캐패시터(5)의 기능을 수행하게 된다. 따라서, 캐패시터(5)에 의하여 반응 신호를 생성하며, 즉, 캐패시터(5)가 생성된 영역이 반응 신호 발생 영역이 된다. 구체적으로, 지문센서로부터의 리지(1)와 밸리(2)의 거리차로부터 야기되는 캐패시턴스 차이를 이용하여 리지(1)와 밸리(2)를 감지하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체(100)의 평면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체(100)의 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 지문 센서용 투명 전극 구조체(100)는 제1 전극(110), 제2 전극(120), 및 유전층(130)을 포함한다. 또한, 지문 센서용 투명 전극 구조체(100)는 제1 전극(110) 상에 위치한 덮개층(140)을 더 포함할 수 있다. 지문 센서용 투명 전극 구조체(100)는 그 용도가 지문 센서에 한정되는 것이 아니고 다양한 분야에 적용될 수 있다.
제1 전극(110)은 제1 방향으로 연장된 복수의 제1 도전 라인들(111, 112)을 포함한다. 제2 전극(120)은 상기 제1 방향에 대하여 일정한 각도를 가지는 제2 방향으로 연장된 복수의 제2 도전 라인들(121, 122)을 포함한다. 상기 일정한 각도는 0도 초과 내지 90도 이하일 수 있고, 예를 들어 제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 서로 수직일 수 있다. 제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 매트릭스 형상을 형성할 수 있다. 제1 전극(110)과 제2 전극(120)이 교차되어 구성되는 적색 원형 영역에서는 단위 셀(190)이 형성된다.
제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 중 적어도 어느 하나는 하기와 같은 치수를 만족하여야 한다. 지문의 리지와 밸리의 주기가 최대 150 ㎛ 수준이므로, 제1 전극(110)의 제1 도전 라인들(111, 112)의 폭(W)은 0 ㎛ 초과 내지 150 ㎛ 이하 범위를 가질 수 있다. 이와 유사하게, 제2 전극(120)의 제2 도전 라인들(121, 122)은 0 ㎛ 초과 내지 150 ㎛ 이하 범위의 폭을 가질 수 있다. 지문의 리지와 밸리 사이의 평균 주기에 따라 제1 전극(110)의 제1 도전 라인들(111, 112) 사이의 간격(S)이 정해질 수 있고, 이에 따라 제1 도전 라인들(111, 112) 사이의 간격(S)은 2 ㎛ 이상 내지 50 ㎛ 이하 범위일 수 있다. 이와 유사하게, 제2 전극(120)의 제2 도전 라인들(121, 122) 사이의 간격은 2 ㎛ 이상 내지 50 ㎛ 이하 범위일 수 있다. 제1 전극(110)은 상대적으로 상측에 배치될 수 있으므로 상측 전극으로 지칭될 수 있고, 제2 전극(120)은 상대적으로 하측에 배치될 수 있으므로 하측 전극으로 지칭될 수 있다. 제1 전극(110)과 제2 전극(120)을 구성하는 물질은 하기에 상세하게 설명하기로 한다.
유전층(130)은 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이에 위치하고, 제1 전극(110)과 제2 전극(120)을 전기적으로 절연할 수 있다. 유전층(130)은 광을 통과시키는 투명한 물질을 포함할 수 있다. 또한, 유전층(130)은 원하는 파장의 광을 선별적으로 통과시키는 물질을 포함할 수 있다. 유전층(130)은 예를 들어 유리, 석영, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 하프늄 산화물, 또는 폴리머를 포함할 수 있고, 예를 들어, SU-8과 같은 에폭시계 포토레지스트, 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리메틸메스아크릴레이트(PMMA), 또는 폴리디메틸실록산(PDMS) 등을 포함할 수 있다.
덮개층(140)은 제1 전극(110) 상에 위치하여, 제1 전극(110)을 지문 접촉이나 외부 환경으로부터 보호할 수 있다. 덮개층(140)은 광을 통과시키는 투명한 물질을 포함할 수 있고, 유전층(130)에 적용되는 물질과 실질적으로 동일한 물질을 포함할 수 있다.
지문 센서용 투명 전극 구조체(100)는 광에 대하여 일정 수준 이상의, 예를 들어 60% 이상 내지 100 % 미만 범위의 투과도를 가질 수 있고, 예를 들어 550 nm의 광에 대하여 70% 이상 내지 100 % 미만 범위의 투과도를 가질 수 있다. 이러한 투과도는 디스플레이에 통합된 지문 센서를 구현할 수 있다.
또한, 지문 센서용 투명 전극 구조체(100)는, 예를 들어 0 Ω/□ 초과 내지 20 Ω/□ 이하 범위의 면저항을 가질 수 있고, 예를 들어 0 Ω/□ 초과 내지 10 Ω/□ 이하 범위의 면저항을 가질 수 있다. 여기에서 "□"는 "square"를 의미한다. 이러한 범위의 면저항은 고해상도 패턴에서 교류 구동을 가능하게 한다.
이하에서는, 지문 센서용 투명 전극 구조체(100)에 의하여 발생하는 캐패시턴스 변화에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
지문 센서용 투명 전극 구조체(100)와 같은 박막 캐패시터 어레이의 경우에는 하기와 같은 두 가지 종류의 캐패시턴스를 고려하여야 하며, 이는 병렬 캐패시턴스(Parallel capacitance)와 프린징 캐패시턴스(fringing capacitance)이다. 상기 병렬 캐패시턴스는 전극이 교차하는 영역(도 3의 190)의 캐패시턴스이고, 상기 프린징 캐패시턴스는 전극의 에지(edge)와 에지 사이의 캐패시턴스이다. 따라서, 전체 캐패시턴스는 하기의 식과 같이 상기 병렬 캐패시턴스와 상기 프린징 캐패시턴스의 합으로 나타난다.
Figure pat00001
(여기에서, ε는 전극 사이 공간의 유전율, w는 전극의 폭, l은 전극의 길이, d는 상측 전극과 하측 전극 사이의 거리, h는 전극의 두께임)
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체(100)에 대한 지문 접촉 시의 캐패시턴스 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 상기 지문 센서용 투명 전극 구조체에 지문 접촉시 캐패시턴스가 감소되는 변화를 나타낸다. 지문의 리지(ridge) 또는 밸리(valley)가 접촉되는 경우 캐패시턴스의 감소가 나타나며, 그 감소 정도는 0.01% 이상 내지 50 % 이하의 범위일 수 있다. 도 5에서는 리지가 접촉되는 경우 캐패시턴스의 저하가 밸리 접촉시에 비하여 큰 것으로 도시되어 있으나, 이는 예시적이며 밸리가 접촉되는 경우의 캐패시턴스 저하가 더 큰 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
다시 도 3을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체(100)는 하기와 같은 특성을 가질 수 있다.
지문 센서용 투명 전극 구조체(100)는, 예를 들어 10 fF 이상 내지 500 μF 이하 범위의 수치의 전체 캐패시턴스를 가질 수 있다. 제1 전극(110)과 제2 전극(120)이 교차되어 구성되는 단위 셀(190)은 각각, 예를 들어 10 fF 이상 내지 500 μF 이하의 범위의 캐패시턴스를 가질 수 있다. 상기 캐패시턴스의 수치가 상기 범위에 비하여 큰 경우에는 고주파 구동이 어려울 수 있다. 지문 센서용 투명 전극 구조체(100)는 지문 접촉 시 상기 캐패시턴스가 0.01% 이상 내지 50% 이하 범위의 감소를 나타낼 수 있다. 이 때, 상기 감소의 범위는 시간 등에 따른 평균값일 수도 있다.
유전층(130)은 상기 캐패시턴스 수치를 나타내는 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 10 nm 이상 내지 50 ㎛ 이하의 범위의 두께를 가질 수 있다. 유전층(130)은, 예를 들어 2 이상 내지 15 이하의 범위의 유전 상수를 가질 수 있다.
덮개층(140)은 민감도의 증가를 위하여 유전 상수가 중요하다. 덮개층(140)은, 예를 들어 4 이상 내지 15 이하의 범위의 유전 상수를 가질 수 있다. 덮개층(140)은, 예를 들어 70% 이상 내지 100% 미만의 투과도를 가질 수 있다. 덮개층(140)은 상술한 바와 같은 유전층(130)과 동일하거나 유사한 물질로 구성될 수 있다.
지문 센서용 투명 전극 구조체(100)를 이용하여 지문 센서를 형성한 경우에는, 상기 지문 센서를 구동하기 위하여는, 노이즈 감소를 위하여 고주파 구동이 필요하며, 예를 들어 10 kHz 이상 내지 1 MHZ 이하 범위, 예를 들어 100 kHz 이상 내지 1 MHZ 이하 범위의 구동 주파수를 가질 수 있다. 상기 지문 센서는 지문의 리지와 밸리에 따른 캐패시턴스 변화가 0.01% 이상 내지 50% 이하 범위를 가질 수 있다. 상기 지문 센서는 1 V 이상 내지 100 V 이하 범위의 구동 전압을 가질 수 있다. 상기 구동 전압 범위는 웨어러블 기기 및 스마트 기기에 사용되기에 적합하다.
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체(100)의 제1 전극(110) 또는 제2 전극(120)을 구성하는 구조 및 물질에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체에 포함된 전극을 형성하는 방식을 설명하는 모식도이다.
도 6을 참조하면, 상기 제1 전극(110) 또는 상기 제2 전극(120)은 제1 직경을 가지는 제1 나노 구조체와 상기 제1 직경에 비하여 작은 제2 직경을 가지는 제2 나노 구조체가 서로 결합하여 형성한 하이브리드 구조체를 포함한다. 상기 제1 나노 구조체는 주 전도 경로를 형성하고, 상기 제2 나노 구조체는 상기 제1 나노 구조체가 이루는 빈 공간에 배치되어 상기 제1 나노 구조체를 전기적으로 연결시켜 보조 전도 경로를 제공할 수 있다. 또한, 미세 패턴을 형성하게 되어 상기 제1 나노 구조체의 전도 경로가 단락되는 경우에, 상기 제2 나노 구조체에 의하여 전도 경로가 제공될 수 있다.
상기 제1 나노 구조체는, 예를 들어 100 nm 이상 내지 10 ㎛ 이하의 범위의 상기 제1 직경을 가질 수 있다. 상기 제1 나노 구조체는 전도성을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 철(Fe) 등을 포함할 수 있다. 상기 제1 나노 구조체는 동축 전기방사 방법을 이용하거나 또는 나노 트롯 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 제2 나노 구조체는, 예를 들어 10 nm 이상 내지 100 nm 이하의 범위의 상기 제2 직경을 가질 수 있다. 상기 제2 나노 구조체는 전도성을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 철(Fe) 등을 포함할 수 있다. 상기 제1 나노 구조체와 상기 제2 나노 구조체는 동일하거나 다른 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 나노 구조체는 전기 방사, 에어 스프레이, 전기적 스프레이, 바 코팅 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
금속 전극이나 인듐 주석 산화물 투명전극과 같은 2차원 전극의 경우에는 프린징 캐패시턴스에 비하여 병렬 캐패시턴스가 더 크므로, 접촉 민감도를 증가시키기 위하여 전극 패턴의 형상을 다양하게 형성시키는 한계가 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체는 제1 전극과 제2 전극으로 구성된 1차원 전극(즉, 선형 전극)을 형성하면 프린징 캐패시턴스를 최대화할 수 있으므로, 종래의 복잡한 패턴을 형성하는 대신에 단순한 선형 패턴을 이용하여 높은 접촉 민감도를 구현할 수 있다.
상기 제1 나노 구조체로만 전극을 구성하는 경우에는 고해상도의 패턴을 형성하기 어렵고, 상기 제2 나노 구조체로만 전극을 구성하는 경우에는 높은 저항을 가지므로, 예를 들어 10 kHz 이상의 고주파에서, 예를 들어 100 kHz 이상의 고주파에서 구동하기 어렵다. 본 발명의 기술적 사상에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체는 상기 제1 나노 구조체와 제2 나노 구조체를 가짐에 따라 프린징 캐패시턴스를 증가시킬 수 있고, 고주파 구동을 가능하게 할 수 있다. 또한, 상기 제1 나노 구조체와 상기 제2 나노 구조체의 비율을 조절하여 메쉬 구조를 형성할 수 있고, 이에 따라 프린징 캐패시턴스를 최대화할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체의 주사전자현미경 사진이다.
도 7을 참조하면, 상기 지문 센서용 투명 전극 구조체는 도 6의 모식도에서 설명한 바와 같은 상기 제1 나노 구조체와 상기 제2 나노 구조체가 나타나 있다. 상기 제1 나노 구조체 및 상기 제2 나노 구조체는 은으로 구성되어 있다. 상기 지문 센서용 투명 전극 구조체는 550 nm에서 88%의 투과도를 가지고, 1.61 ± 0.1 Ω/□의 면저항을 가진다.
이하에서는, 상기 지문 센서용 투명 전극 구조체를 제조함에 있어서, 제1 나노 구조체를 먼저 형성하고, 이후 제2 나노 구조체를 전기 방사에 의하여 형성하는 경우에 전기 방사 시간에 따른 특성 변화를 분석하였다. 전기 방사 시간이 증가됨에 따라 제2 나노 구조체의 양이 증가된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체의 전기 방사 시간에 따른 면저항의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 40초의 전기 방사에서 1.61 ± 0.1 Ω/□의 면저항을 나타내며, 이후 전기 방사 시간이 증가됨에 따라 면저항이 감소되었다. 대략 100초 이내의 전기 방사 시간의 범위에서는 면저항의 감소가 급격하게 나타났고, 100초 이후의 전기 방사 시간에서는 면저항의 감소가 완만하게 나타났다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체의 전기 방사 시간에 따른 투과도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 40초의 전기 방사에서 550nm 광에 대하여 88%의 투과도를 나타내며, 이후 전기 방사 시간이 증가됨에 따라 투과도가 감소되었다. 대략 100초 이내의 전기 방사 시간의 범위에서는 면저항의 감소가 급격하게 나타났고, 100초 이후의 전기 방사 시간에서는 면저항의 감소가 완만하게 나타났다.
표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체의 특성을 나타내는 표이다.
면저항
(Ω/□)		 투과도
(%)		 최대 선폭
(㎛)		 고주파구동
가능여부		 지문 접촉시
캐패시턴스 변화
제1나노구조체 3 90 200 X X
제2나노구조체 30 90 20 X X
하이브리드구조체 30 98 50 X X
하이브리드구조체 20 94 50 O 8%
하이브리드구조체 10 93 50 O 9%
하이브리드구조체 1.2 88 50 O 15%
하이브리드구조체 1.1 85 50 O 15%
하이브리드구조체 0.9 73 50 O 16%
하이브리드구조체 0.8 65 50 O 12%
하이브리드구조체 0.7 55 50 O 9%
하이브리드구조체 0.5 49 50 O 6%
하이브리드구조체 0.05 38 50 O 4%
하이브리드구조체 0.012 21 50 O 3%
표 1을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 따라 하이브리드 구조체를 형성하는 경우에, 면저항을 제2 나노구조체 만을 포함하는 경우의 30 Ω/□에 비하여 감소시킬 수 있고, 심지어는 제1 나노구조체 만을 포함하는 경우의 3 Ω/□에 비하여도 감소시킬 수 있다. 이는, 상기 제2 나노 구조체의 함량이 증가되어 제1 나노 구조체가 이루는 빈 공간에 상기 제2 나노 구조체가 배치되어 확장된 전도 경로를 제공하는 것이기 때문으로 분석된다. 그러나, 상기 제2 나노 구조체가 증가됨에 따라 투과도의 감소를 가져오게 됨을 유의한다.
따라서, 투과도 60% 이상, 면저항 20 Ω/□ 이하, 지문 접촉에 따른 캐패시턴스 변화 7% 이상을 기준으로 최적 조건을 도출할 수 있다. 따라서, 상기 제1 나노 구조체와 상기 제2 나노 구조체의 비율은, 예를 들어 10:90 내지 90:10의 범위에서, 예를 들어 30:70 내지 90: 10의 범위에서 지문 센서의 구동이 가능할 것으로 분석된다. 상기 범위는 지문 센서용 투명 전극 구조체를 현미경을 이용하여 제1 나노 구조체와 제2 나노 구조체의 형상 분포를 분석함에 의하여 도출될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서를 나타내는 사진이다. 도 9는 도 10의 지문 센서를 이용하여 측정한 지문 접촉 시의 캐패시턴스 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 투명한 선형 전극들이 서로 교차된 형태의 투명 지문센서 제작하였다. 150 kHz의 주파수에서 3V의 전압에서 손가락을 이동하면서 리지와 밸리가 접촉되는 경우의 캐패시턴스의 변화를 확인하였다. 지문의 리지와 밸리의 접촉 시 캐패시턴스 수치가 변화됨에 따라, 상기 지문 센서는 높은 민감도를 가짐을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서에 대하여 지문 접촉 시의 캐패시턴스 변화를 지문 센서의 전체 면적에 대하여 도시한다.
도 12를 참조하면, 지문의 리지와 밸리의 형상이 다른 캐패시턴스 수치를 나타내는 다른 색상으로 명확하게 나타나 있으므로, 상기 지문 센서는 높은 민감도를 가짐을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 센서의 덮개층의 두께에 따른 캐패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 덮개층의 두께가 두꺼워짐에 따라 캐패시턴스의 변화가 감소됨을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
1: 리지, 2: 벨리, 3: 전극, 4: 보호막, 5: 캐패시터
100: 지문 센서용 투명 전극 구조체,
110: 제1 전극, 111, 112: 제1 도전 라인들,
120: 제2 전극, 121, 122: 제2 도전 라인들, 130: 유전층,
140: 덮개층, 190: 단위 셀,

Claims (15)

  1. 제1 방향으로 연장된 복수의 제1 도전 라인들을 포함하는 제1 전극;
    상기 제1 방향에 대하여 일정한 각도를 가지는 제2 방향으로 연장된 복수의 제2 도전 라인들을 포함하는 제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치여 전기적으로 절연하는 유전층;을 포함하고,
    상기 제1 전극의 상기 제1 도전 라인들은 0 ㎛ 초과 내지 150 ㎛ 이하 범위의 폭을 가지고, 2 ㎛ 이상 내지 50 ㎛ 이하 범위의 간격을 가지고,
    550 nm의 광에 대하여 70% 이상 내지 100 % 미만 범위의 투과도를 가지고,
    0 Ω/□ 초과 내지 20 Ω/□ 이하 범위의 면저항을 가지고,
    10 fF 이상 내지 500 μF 이하 범위의 캐패시턴스를 가지고,
    지문 접촉 시 상기 지문 접촉에 따른 캐패시턴스가 0.01% 이상 내지 50% 이하 범위의 감소를 나타내는, 지문 센서용 투명 전극 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 전극의 상기 제2 도전 라인들은 0 ㎛ 초과 내지 150 ㎛ 이하 범위의 폭을 가지고, 2 ㎛ 이상 내지 50 ㎛ 이하 범위의 간격을 가지는, 지문 센서용 투명 전극 구조체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 교차되어 구성되는 단위 셀은 각각 10 fF 이상 내지 500 μF 이하의 범위의 캐패시턴스를 가지는, 지문 센서용 투명 전극 구조체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 유전층은 10 nm 이상 내지 50 ㎛ 이하의 범위의 두께를 가지는, 지문 센서용 투명 전극 구조체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 유전층은 2 이상 내지 15 이하의 범위의 유전 상수를 가지는, 지문 센서용 투명 전극 구조체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 상에 배치된 덮개층을 더 포함하고, 상기 덮개층은 4 이상 내지 15 이하의 범위의 유전 상수를 가지고, 70% 이상 내지 100% 미만의 투과도를 가지는, 지문 센서용 투명 전극 구조체.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 또는 제2 전극은 제1 직경을 가지는 제1 나노 구조체와 상기 제1 직경에 비하여 작은 제2 직경을 가지는 제2 나노 구조체가 서로 결합하여 형성한 하이브리드 구조체를 포함하는, 지문 센서용 투명 전극 구조체.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 나노 구조체는, 100 nm 이상 내지 10 ㎛ 이하의 범위의 상기 제1 직경을 가지고, 상기 제2 나노 구조체는, 10 nm 이상 내지 100 nm 이하의 범위의 상기 제2 직경을 가지는, 지문 센서용 투명 전극 구조체.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 나노 구조체는 주 전도 경로를 형성하고, 상기 제2 나노 구조체는 상기 제1 나노 구조체가 이루는 빈 공간에 배치되어 상기 제1 나노 구조체를 전기적으로 연결시켜 보조 전도 경로를 제공하는, 지문 센서용 투명 전극 구조체.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 나노 구조체의 전도 경로가 단락되는 경우에, 상기 제2 나노 구조체에 의하여 전도 경로를 제공하는, 지문 센서용 투명 전극 구조체.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 나노 구조체와 상기 제2 나노 구조체의 비율은 10:90 내지 90:10의 범위를 가지는, 지문 센서용 투명 전극 구조체.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 따른 지문 센서용 투명 전극 구조체를 포함하는 지문 센서.
  13. 청구항 12에 있어서,
    10 kHz 이상 내지 1 MHZ 이하 범위의 구동 주파수를 가지는, 지문 센서.
  14. 청구항 12에 있어서,
    지문의 리지와 밸리에 따른 캐패시턴스 변화가 0.01% 이상 내지 50% 이하 범위를 가지는, 지문 센서.
  15. 청구항 12에 있어서,
    1 V 이상 내지 100 V 이하 범위의 구동 전압을 가지는, 지문 센서.
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