KR20200050638A - 터치를 감지하는 압전성 고분자 기반 투명 압력 센서 - Google Patents

터치를 감지하는 압전성 고분자 기반 투명 압력 센서 Download PDF

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Abstract

실시예들은 제1 투명 기판 상에 형성된 복수의 제1 투명 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 압전층; 및 제2 투명 기판에 형성된, 압전층에 접촉하는 복수의 제2 전극(330)을 포함하되, 제1 투명 기판 또는 제2 투명 기판에 터치에 의한 압력이 가해지는 경우, 상기 압전층의 변형에 따른 전기 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서에 관련된다.

Description

터치를 감지하는 압전성 고분자 기반 투명 압력 센서{TRANSPARENT PRESSURE SENSOR BASED ON PIEZOELECTRIC POLYMER THAT SENSES TOUCH}
본 발명은 투명 압력 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압전성 고분자(piezoelectric polymer)를 이용하여 터치에 의한 압력에 기초한 전기 신호를 출력함으로써 터치를 감지할 수 있는 투명 압력 센서에 관련된다.
최근 사용자가 편리하게 사용할 수 있는 터치 스크린 장치가 장착된 전자 기기에 대한 수요가 매우 높은 상태이다. 이러한 전자 기기는 터치 스마트 폰, 터치 스마트 TV 등이 대표적이다. 상기 전자 기기에서는 사용자의 터치를 감지하는 것이 매우 중요하다.
사용자의 터치를 감지하는 터치 센서는 크게 정전용량 방식과 저항막 방식으로 분류된다.
정전용량 방식은 사용자의 터치에 따른 정전기를 이용하여 터치를 감지하는 방식으로서, 약한 터치에도 입력이 가능하고, 여러 접촉 부위를 동시에 감지하는 멀티 터치를 지원한다. 또한, 유전체가 코팅된 액정 유리를 사용하기 때문에 화질이 저하될 우려가 낮다.
그러나, 정전기 유도가 필수적이므로, 입력 수단에 제한이 있다. 예를 들어, 일반적인 장갑을 끼고 터치하는 경우 입력이 어려우며, 공정이 복잡하고 가격이 비싸다는 단점이 있다.
반면, 저항막 방식은 사용자의 터치로 인해 압력이 가해지면, 압력에 따른 전류, 저항의 변화를 감지하여 터치를 감지한다. 따라서, 입력 수단이 반드시 정전기를 유도하지 않아도 되는 장점이 있다.
그러나, 저항막 방식은 화면 입력이 이루어질 때 터치의 강도 또는 힘을 인식하지 못하고 단순한 위치 정보만을 인식할 수밖에 없다는 한계를 가지고 있다.
특허공개공보 제10-2014-0109002호 (2014.09.15.)
본 발명의 일 측면에 따르면, 압전성 고분자(piezoelectric polymer)를 이용하여 터치에 의한 압력에 기초한 전기 신호를 출력함으로써 터치를 감지할 수 있는 투명 압력 센서를 제공할 수 있다.
이 외에도 상기 투명 압력 센서를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 투명 압력 센서는 제1 투명 기판 상에 형성된 복수의 제1 투명 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 압전층; 및 제2 투명 기판에 형성된, 압전층에 접촉하는 복수의 제2 전극(330)을 포함할 수 있다. 여기서, 투명 압력 센서는 제1 투명 기판 또는 제2 투명 기판에 터치에 의한 압력이 가해지는 경우, 상기 압전층의 변형에 따른 전기 신호를 출력한다.
일 실시예에서, 상기 복수의 제1 투명 전극은 제1 방향으로 형성되고, 복수의 제2 투명 전극은 제2 방향으로 형성되고, 상기 제1 방향 및 제2 방향은 평행이 아닐 수 있다.
상술한 실시예들에 있어서, 출력된 전기 신호를 분석하는 데이터 처리부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 데이터 처리부는 상기 출력된 전기 신호의 출력 전압에 기초하여 가해진 압력의 세기를 결정하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 데이터 처리부는 상기 출력된 전기 신호의 출력 전압에 기초하여 가해진 압력의 위치를 결정하도록 더 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 데이터 처리부는 복수의 제1 투명 전극 및 제2 투명 전극에서 전기 신호를 출력한 투명 전극을 결정하고, 상기 결정된 투명 전극에 기초하여 가해진 압력의 위치를 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 데이터 처리부는 상기 전기 신호의 출력 전압 위상차의 부호에 더 기초하여 가해진 압력의 위치를 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전성 고분자층은 PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CTFE 및 이들의 조합을 포함한 그룹에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 투명 전극 또는 제2 투명 전극은 Ag NW(nano-wire) 전극, PEDOT PEDOT(Poly 3,4-ethylenedioxythiophene) 전극, 또는 메탈 메쉬(metal mesh) 전극으로 구현되는 전극일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전층은 15pa 이상의 압력에 의해 변형되는 경우, 20mV 이상의 출력 전압을 갖는 전기 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 투명 압력 센서를 제조하는 방법은 복수의 제1 투명 전극을 제1 투명 기판 상에 형성하는 단계; 압전층을 상기 제1 전극 상에 형성하는 단계; 및 제2 투명 기판 상에 복수의 제2 전극을 형성하여 상기 압전층에 상기 제2 전극이 접촉하도록 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 투명 전극 또는 제2 투명 전극은 패터닝에 의해 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전층을 형성하는 단계는 압전성 고분자 물질을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전층을 형성하는 단계는 코팅 이후에 열처리를 가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열처리는 진공 상태에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 투명 압력 센서는 압전 방식으로 구동되는 압력 센서로서, 자가 발전(self-power) 형태로 동작 가능한 센서이다. 상기 투명 압력 센서는 압전성 고분자 물질을 이용하여 터치 압력에 따른 출력 전압을 갖는 전기 신호를 출력하도록 구성된다.
상기 투명 압력 센서는 터치의 위치 정보 및 터치의 세기 정보를 모두 얻을 수 있다. 특히, 상기 투명 압력 센서는 15Pa, 5Pa 등과 같은 미세한 압력을 감지할 수 있는 우수한 압력 감지 기능을 가진다.
이와 동시에, 벤딩(bending) 상태에서도 압력 신호의 출력이 가능하다. 또한, 많은 회수의 벤딩이 가해져도 압력 신호가 안정적으로 출력되어, 높은 신뢰성을 가진다.
또한, 상기 투명 압력 센서는 높은 투과율(대략 80%)을 가진다.
이러한 효과로 인해, 상기 투명 압력 센서는 터치 스크린이 장착되는 다양한 전자 기기에 활용될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 투명 압력 센서의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 압전층(200)의 물질을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 투명 압력 센서를 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4f는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 투명 압력 센서의 투명도를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 투명 압력 센서에 가해진 터치 압력을 감지하는 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 투명 압력 센서에 가해진 터치 압력의 위치를 감지하는 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7f는, 본 발명의 일 실험예에 따른, 투명 압력 센서에 가해진 압력의 세기에 따른 출력 전압 특성을 도시한 도면이다.
도 8a 내지 도 8f는, 본 발명의 일 실험예에 따른, 투명 압력 센서가 플랫 상태인 경우의 출력 전압 특성을 도시한 도면이다.
도 9a 내지 도 9f는 도 8의 투명 압력 센서가 벤딩 상태인 경우의 출력 전압 특성을 도시한 도면이다.
도 10a 내지 도 10f는, 본 발명의 실시예들에 따른, 투명 압력 센서의 신뢰성을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 확정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것이지, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 발명 및 첨부 된 특허청구의 범위에서 사용되는 단수 표현은 아래위 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현도 포함하는 것을 의도한다. 또한 본 발명에서 사용한 “및/또는”이라는 용어에 대해서는 하나 또는 복수의 관련되는 열거한 항목들의 임의 또는 모든 가능한 조합들을 포함하는 것으로 이해 하여야 한다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90° 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1a 및 도 1b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 투명 압력 센서의 구조를 도시한 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 투명 압력 센서(1)는 투명 기판(110), 투명 전극(130), 압전층(200), 투명 전극(330), 및 투명 기판(310)을 포함한다. 일 실시예에서, 투명 압력 센서(1)는 사용자의 터치에 따른 압력(이하, 터치 압력)을 감지할 수 있다. 투명 압력 센서(1)는 사용자가 투명 기판(110 또는 310)을 터치하는 경우, 터치 압력에 기초하여 압전층(200)이 전기 신호를 출력하도록 구성된다.
여기서, “투명”은 가시광선 대부분이 물질을 통과하여 사람의 망막세포, 또는 기타 외부 전자 장치가 물질의 반사광을 거의 수신하지 못하는 상태를 의미한다.
투명 기판(110, 130)은 투명 전극(130, 330)을 지지하고, 투명 전극(130, 330) 및 압전층(200)을 외부로부터 보호한다. 상기 투명 기판(110, 310)은 투명하도록 구성되고, 또한, 투명 압력 센서(1)가 벤딩 가능하도록 플렉서블하게 구성된다. 일 예에서, 투명 기판(110 또는 310)은 PEN(polyethyelenen napthalate), PET(polyethyeleneterepthalate), PP(polyphenylene), PI(polyimide), PC(polycarbonate) 등과 같은 고분자 물질로 이루어진다. 그러나, 투명 기판(110, 310)의 성분은 이에 제한되지 않으며, 투명 전극(130, 330)을 지지할 수 있고 투명하며 플렉서블한 다양한 물질로 이루어질 수 있다.
복수의 투명 전극(130, 330)은 압전층(200)의 양 면에 배치된다. 투명 전극(130, 330)은 압전층(200)으로부터 발생된 전기 신호를 수신하면서, 투명하도록 구성된다. 일 예에서, 투명 전극(130, 330)은 은나노 와이어(Ag NW) 전극, PEDOT(Poly 3,4-ethylenedioxythiophene) 전극, 메탈 메쉬(metal mesh) 전극 등으로 구현될 수 있다.
투명 전극(130, 330)은 다양한 패터닝 방법에 의해 투명 기판(110, 310)의 일 면 상에 형성된다. 예를 들어, 투명 전극(130, 330)은 포토리소그래피, 레이저 패터닝, 전극 패터닝, 배리어 도금 방식 등에 의해 형성될 수 있다. 또는, 투명 전극(130, 330)은 PET/라미네이트(lamination) 방식에 의해 형성될 수도 있다.
투명 전극(130, 330)은 동일한 평면 상에 형성될 때, 서로 평행하게 배치된다. 예를 들어, 투명 전극(130)은 제1 방향으로 평행하게 배치되고, 투명 전극(330)은 제2 방향으로 평행하게 배치된다.
한편, 투명 전극(130) 및 투명 전극(330)은 터치 압력 지점을 결정할 수 있도록 평행하지 않은 배열로 배치된다. 일 실시예에서, 투명 전극(130)과 투명 전극(330)은 수직으로 배치된다. 그러나, 이에 제한되지 않으며, 수직 이외에 평행하지 않은 다양한 배치각을 갖는 배열로 배치될 수도 있다. 이에 대해서는 아래의 도 6을 참조하여 보다 상세하게 서술한다.
압전층(200)은 사용자의 터치가 투명 압력 센서(1)에 가해지는 경우, 투명 기판(110 또는 310) 및 투명 전극(130 또는 330)을 통해 터치 압력을 수신하고, 터치 압력에 따른 전기 신호(즉, 전기 에너지)를 생성한다. 이에 대해서는 아래의 도 5를 참조하여 보다 상세하게 서술한다.
이러한 압전층(200)은 압전 특성을 가지면서 투명한 물질로 구성된다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 압전층(200)의 물질을 설명하기 위한 도면이다.
압전층(200)은 압전 특성을 갖는 고분자 물질로 이루어진다. 일 예에서, 압전층(200)은 압전성 고분자 물질(예컨대, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TrFE-CTF) 등)로 이루어질 수 있다.
이러한 압전성 고분자 중합체는 쌍극자기를 가진다. 터치의 압력에 의해 상기 압전성 고분자 중합체에 변형이 생기는 경우, 변형에 의해 쌍극자의 배열이 이동하여 변형 지점에 전위차가 생성된다. 압전성 고분자 중합체는 절연체로서 전류는 그 자체를 통해 흐르지 않지만, 변형 지점이 회로로 연결되면 전류가 흐를 수 있다.
또한, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CTFE) 등은 PVDF에 비해 압전 상수가 크고, 용액 캐스팅이 가능하여 필름 두께와 크기 조절이 용이한 장점이 있다. 그리고 가열 처리될 경우 높은 투명도를 가진다.
도 3a 내지 도 3e는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 투명 압력 센서를 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 투명 전극(130)이 투명 기판(110) 상에 이미 형성된 패터닝 투명 기판(100)이 준비된 보드(10) 상에 배치된다. 상기 패터닝된 투명 기판(100)은 투명 기판(110) 상에 일 방향으로 평행하게 패터닝된 복수의 투명 전극(130)을 포함한다.
상기 보드(10)는 압전층(200)을 형성하기 위한 고정 스테이지를 제공한다. 일 예에서, 보드(10)는 Glass-PDMS 보드일 수 있다.
도 3b 및 도 3c를 참조하면, 패터닝된 투명 기판(100)이 보드(10)에 고정된 이후 상기 패터닝 투명 기판(100) 상에 압전층(200)이 형성된다.
우선, 도 3b에 도시된 바와 같이, 압전층(200)을 형성하기 위해 압전성 고분자 물질을 포함한 용액을 패터닝된 투명 기판(100) 상에 분사한다. 그 후, 분사된 용액으로 패터닝된 투명 기판(100)을 코팅하여 압전층(200)을 형성한다. 일부 실시예에서, 분사된 압전성 고분자 용액의 코팅은 코팅용 바(bar)를 롤링함으로써 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 압전성 고분자 물질을 포함한 압전성 고분자 용액은 5wt%의 P(VDF-TrFE) 또는 P(VDF-TrFE-CTFE)을 포함한 용액일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 압전성 고분자 용액은 5wt%의 농도로 제작된 이후, 추가적인 처리 과정(예컨대, overnight stirring 및/또는 syringe filtering 등)이 더 적용된 용액일 수 있다.
그 후, 코팅된 용액에 열처리가 가해져 압전층(200)이 형성된다. 코팅된 압전성 고분자 용액이 가열되면, 용액이 건조해지면서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 압전층(200)을 형성한다. 일부 실시예에서, 코팅된 압전층(200)에 대한 열처리는 진공 상태에서 수행될 수 있다.
예를 들어, 압전성 고분자 용액으로 패터닝된 투명 기판(100)을 코팅한 뒤, 이를 진공 챔버 상에 배치하고 대략 70℃의 온도로 3시간 정도 가열되어 압전층(200)이 형성될 수 있다. 온도가 너무 높거나, 가열 시간이 너무 길어질 경우 압전층(200)의 압전 성능이 오히려 저하될 수 있다.
이 과정에서, 용액 건조에 따라 내열성이 향상되며, 높은 가시광 투과율을 가질 수 있다. 나아가, 변형에 따라 전기 신호를 유발하는 구동 변위 성능(즉, 압전 성능)도 향상될 수 있다.
그 후, 도 3e에 도시된 바와 같이, 압전층(200) 상에 투명 전극이 패터닝된 다른 투명 기판300을 배치한다. 상기 패터닝된 투명 기판(300)은 투명 기판(310) 및 투명 기판(310)의 일 면 상에 형성된 복수의 투명 전극(330)을 포함한다. 패터닝된 투명 기판(300)은 패터닝된 투명 기판(100)과 물질, 성능이 동일 또는 유사하므로, 자세한 설명은 생략한다. 패터닝된 투명 기판(100, 300)은 동일하거나, 또는 상이할 수도 있다.
패터닝된 투명 기판(300)은 복수의 투명 전극(330)이 압전층(200)에 접촉하도록 배치된다. 상기 복수의 투명 전극330은 압전층(200) 아래에 배치된 복수의 투명 전극(130)과 평행하지 않도록 배치된다. 일 실시예에서, 복수의 투명 전극(130)과 복수의 투명 전극(330)은 서로 수직 방향으로 배치된다.
이와 같이 제조된 투명 압전 센서(1)는 높은 투명도를 가진다.
도 4a 내지 도 4g는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 투명 압력 센서의 투명도를 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에 따른 투명 압력 센서(1)는 PET 투명 기판 상에 형성된 투명 전극, 그리고 압전층의 유형에 따라 투명 압력 센서(1) 는 대략 75% 이상의 투명도를 가진다.
도 4a에 도시된 바와 같이, PVDF-TrFE를 포함한 물질로 이루어진 압전층(200)과 Ag NW 투명 전극(130, 330)을 갖는 투명 압력 센서(1)는 87.2%의 투명도를 가진다. 도 4b에 도시된 바와 같이, PVDF-TrFE를 포함한 물질로 이루어진 압전층(200)과 PEDOT 투명 전극(130, 330)을 갖는 투명 압력 센서(1)는 81.11%의 투명도를 가진다. 도 4c에 도시된 바와 같이, PVDF-TrFE를 포함한 물질로 이루어진 압전층(200)과 Metal Mesh 투명 전극(130, 330)을 갖는 투명 압력 센서(1)는 76.65%의 투명도를 가진다.
또한, 도 4d에 도시된 바와 같이, PVDF-TrFE-CTFE를 포함한 물질로 이루어진 압전층(200)과 Ag NW 투명 전극(130, 330)을 갖는 투명 압력 센서(1)는 75.41%의 투명도를 가진다. 또한, 도 4e에 도시된 바와 같이, PVDF-TrFE-CTFE를 포함한 물질로 이루어진 압전층(200)과 PEDOT 투명 전극(130, 330)을 갖는 투명 압력 센서(1)는 79.72%의 투명도를 가진다. 또한, 도 4f에 도시된 바와 같이, PVDF-TrFE-CTFE를 포함한 물질로 이루어진 압전층(200)과 Metal Mesh 투명 전극(130, 330)을 갖는 투명 압력 센서(1)는 79.14%의 투명도를 가진다.
투명 압력 센서(1)00는 사용자의 터치가 패터닝된 투명 기판(100 또는 300)에 가해지는 경우, 압전층(200)이 변형되어 전기 신호가 출력된다. 출력되는 전기 신호는 출력 전압 특성으로 분석될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전기 신호를 분석하는 동작은 투명 전극(130, 330)과 전기적으로 연결된 데이터 처리부(미도시)에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 데이터 처리부는 데이터 수집부(data acquisition; DAQ) 및 연산부를 포함한다. 예를 들어, DAQ는 전극을 통해 출력된 전기 신호를 시간영역에서 얻기 위한 오실로스코프(oscilloscope)를 포함하며, 연산부는 오실로스코프의 신호를 분석하기 위한 하나 이상의 프로세스를 포함한 개인용 컴퓨터(Personal Computer)를 포함할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 일부 실시예에서는 다른 상이한 하나 이상의 데이터 처리 수단을 더 사용하여 신호 처리 및 분석을 수행할 수도 있다.
상기 데이터 처리부는 투명 압력 센서(1)의 구성요소일 수도 있고, 또는 투명 압력 센서(1)의 외부에 위치한 다른 장치(예컨대, 컴퓨터 등)일 수도 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 투명 압력 센서에 가해진 터치 압력을 감지하는 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
사용자의 터치가 투명 압력 센서(1)에 가해지는 경우, 압전층(200)은 투명 기판(110 또는 310) 및 투명 전극(130 또는 330)을 통해 터치 압력을 수신한다. 수신된 압력에 의해 기계적 에너지가 압전층(200)의 변형을 야기하고, 압전성 고분자 물질은 변형에 따른 전기 에너지를 생성한다. 생성된 전기 에너지는 출력 전압 특성으로 나타낼 수 있다.
도 5를 참조하면, 터치 압력이 가해질 경우 투명 압력 센서(1)의 출력 전압이 발생한다. 데이터 처리부는 상기 투명 압력 센서(1)의 출력 전압을 분석하고, 출력 전압 특성에 기초하여 터치 압력의 세기를 결정할 수 있다.
상기 전기 신호의 크기는 압전층(200)의 변형을 유발하는 기계적 에너지의 크기가 증가할수록 증가한다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 0.02N의 압력이 가해지는 경우에 비해, 0.06N의 압력이 가해지는 경우 투명 압력 센서(1)는 더 큰 출력 전압을 가진다.
데이터 처리부는 미리 저장된 전압-압력 세기 정보를 이용하여 검출된 출력 전압에 대응하는 압력 세기를 결정할 수 있다. 일 예에서, 미리 저장된 전압-압력 세기 정보는 아래의 도 7에 도시된 바와 같이, 압력 참조용 추를 이용하여 출력 전압을 측정함으로써 생성된 정보일 수 있다.
일부 실시예에서, 데이터 처리부는 특정 기준을 만족하는 전기 신호를 수신한 경우 (예를 들어, 특정 임계치 이상의 출력 전압 특성을 갖는 전기 신호를 수신한 경우) 유의미한 압력(예컨대, 사용자의 터치, 또는 입력 지시 등)이 가해졌다고 판단하도록 더 구성될 수도 있다.
도 6a 내지 도 6c는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 투명 압력 센서에 가해진 터치 압력의 위치를 감지하는 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 투명 압력 센서(1)는 복수의 투명 전극(130) 및 다른 복수의 투명 전극(330)을 포함한다. 투명 전극(130)과 투명 전극(330)은 수직 구조 배열로 배치된다.
투명 압력 센서(1)에 터치가 가해지는 경우, 터치 압력에 의한 압전층(200)의 변형에 따라 해당 지점에서 출력 전압이 발생한다. 상기 해당 지점은 수직 구조를 갖는 투명 전극(130, 330)을 통해 해당 출력 전압을 갖는 전기 신호가 출력된다.
상기 출력된 전기 신호를 분석하여 터치 지점을 결정할 수 있다.
예를 들어, 투명 전극(330B) 상에 터치가 가해지는 경우, 출력 전압의 변화가 발생한 투명 전극(130, 330)을 결정한다. 그러면 투명 전극(130)을 일 축으로, 다른 투명 전극(330)을 일 축으로 하는, 투명 압력 센서(1)에 대응하는 가상의 평면에 있어서, 상기 결정된 투명 전극들을 이용하여 해당 터치 지점을 결정할 수 있다.
또한, 압전층(200)의 변형에 따른 전압 위상차에 기초하여 해당 터치 지점을 보다 정확하게 결정할 수 있다.
예를 들어, 투명 전극(330B) 상에 터치가 가해지는 경우, 터치가 가해진 지점의 압전층에서는 누르는 압력에 의한 변형으로서, 길이 방향의 팽창 변위가 발생한다. 반면, 상기 터치가 가해진 지점의 인접한 영역에서의 압전층에서는 상대적으로 길이 방향의 압축 변위가 발생한다. 따라서, 도 6b에 도시된 바와 같이 투명 전극(330B)에 인접한 투명 전극(330A)의 전압 위상차는 투명 전극(330B)의 전압 위상차와 반대로 나타난다. 또한, 도 6c에 도시된 바와 같이, 투명 전극(130A)에 인접한 투명 전극(130B, 130C)의 전압 위상차는 투명 전극(X2)의 전압 위상차와 반대로 나타난다.
전압 위상차의 부호에 따라 투명 전극을 분류하고, 보다 적은 수의 투명 전극을 결정하여 터치 압력 지점을 결정할 수 있다. 터치 지점의 면적이 비터치 지점의 면적 보다 작으므로, 터치 지점의 투명 전극의 수가 더 적기 때문이다. 도 6b를 참조하면, 터치 압력 지점의 투명 전극(130A, 330B)의 전압 위상차 부호가 비터치 지점의 다른 투명 전극들(330A, 130B, 130C)의 전압 위상차 부호와 상이하다.
이와 같이, 압전층(200) 양 면의 투명 전극(130, 330)을 이용하여 전기 신호를 출력하고, x축 및 y축의 신호로 산출함으로써 터치 지점의 위치를 결정할 수 있다. 나아가 전압 위상차에 더 기초하여 터치 지점의 위치를 결정할 수 있어, 보다 정확하게 터치 지점을 결정할 수 있고, 미세한 터치도 감지할 수 있다.
또한, 도 3의 제조 방법에 의해 제조된 투명 압력 센서(1)는 미세한 터치 압력도 감지할 수 있어 높은 민감도를 가진다. 또한, 벤딩 상태에서도 압력에 따른 전기 신호를 출력할 수 있고, 나아가 많은 벤딩이 가해져도 감지 성능이 저하되지 않아 높은 신뢰성을 가진다.
도 7a 내지 도 7f는, 본 발명의 일 실험예에 따른, 투명 압력 센서에 가해진 압력의 세기에 따른 출력 전압 특성을 도시한 도면이다.
도 7를 참조하면, 투명 압력 센서(1)는 15Pa(0.15g/cm3)의 압력도 감지할 수 있다. 일 실험예에서, 1cm*1cm*1cm의 크기를 가지면서 0.15g의 무게를 갖는 추를 이용하여 투명 압력 센서(1)에 15Pa의 압력을 가하고, 이에 따른 전기 신호를 출력하고 분석 가능한지 실험하였다.
여기서, 도 7a는 Ag NW 전극 및 PVDF-TrFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 7b는 PEDOT 전극 및 PVDF-TrFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 7c는 Metal Mesh 전극 및 PVDF-TrFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 7d는 Ag NW 전극 및 PVDF-TrFE-CTFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 7e는 PEDOT 전극 및 PVDF-TrFE-CTFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 7f는 Metal Mesh 전극 및 PVDF-TrFE-CTFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다.
도 7를 참조하면, 투명 압력 센서(1)는 15Pa의 터치 압력이 가해지는 경우에 약 20mV의 출력 전압 특성을 가질 수 있다. 즉, 투명 압력 센서(1)는 15Pa의 터치 압력도 감지할 수 있다.
또한, 일부 실시예에서, 투명 압력 센서(1)는 5Pa의 터치 압력이 가해지는 경우에 약 10mV의 출력 전압 특성을 얻을 수 있다. 상기 5pa에 대응하는 출력 전압 특성은 터치 압력을 감지지하기 충분한 정도의 출력 전압 특성 값이므로, 투명 압력 센서(1)는 5Pa의 터치 압력도 감지할 수 있다.
도 8a 내지 도 8f는, 본 발명의 일 실험예에 따른, 투명 압력 센서가 플랫 상태인 경우의 출력 전압 특성을 도시한 도면이고, 도 9a 내지 도 9f는 도 8의 투명 압력 센서가 벤딩 상태인 경우의 출력 전압 특성을 도시한 도면이다.
여기서, 도 8a 및 도 9a는 Ag NW 전극 및 PVDF-TrFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 8b 도 9b는, PEDOT 전극 및 PVDF-TrFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 8c 및 도 9c는 Metal Mesh 전극 및 PVDF-TrFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 8d 및 도 9d는 Ag NW 전극 및 PVDF-TrFE-CTFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 8e 및 도 9e는 PEDOT 전극 및 PVDF-TrFE-CTFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 8f 및 도 9f는 Metal Mesh 전극 및 PVDF-TrFE-CTFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다.
투명 압력 센서(1)는 플랫 상태에서 터치 압력이 가해지는 경우, 도 8에 도시된 바와 같이 200mV 이상의 출력 전압 특성을 가진다. 또한, 투명 압력 센서(1)는 벤딩 상태에서 터치 압력이 가해진 경우, 도 9에 도시된 바와 같이 200mV 이상의 출력 전압 특성을 가진다.
이와 같이, 투명 압력 센서(1)는 벤딩 상태에서도 상기 터치 압력을 감지할 수 있다. 나아가 상기 압력에 연관된 정보(위치, 세기 등)를 결정할 수 있다.
도 10a 내지 도 10f는, 본 발명의 일 실험예에 따른, 투명 압력 센서의 신뢰성을 설명하기 위한 도면이다. 도 10의 실험에서 신뢰성 검사를 위해, 5 cm X 5 cm 의 투명 압력 센서1는 굴곡 직경 10mm으로 8,000회 벤딩된다.
도 10에서 검은색 그래프는 벤딩 테스트 이전에 터치 압력에 따른 출력 전압 특성을 나타내고, 빨간색 그래프는 벤딩 테스트 이후의 터치 압력에 따른 출력 전압 특성을 나타낸다.
또한, 도 10a는 Ag NW 전극 및 PVDF-TrFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 10b는 PEDOT 전극 및 PVDF-TrFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 10c는 Metal Mesh 전극 및 PVDF-TrFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 10d는 Ag NW 전극 및 PVDF-TrFE-CTFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 10e는 PEDOT 전극 및 PVDF-TrFE-CTFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다. 도 10f는 Metal Mesh 전극 및 PVDF-TrFE-CTFE를 포함한 투명 압력 센서(1)를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 투명 압력 센서(1)는 8,000회의 벤딩이 가해지는 경우에도 대략 200mV 이상의 출력 전압 특성을 가지며, 벤딩 테스트 이후에도 투명 압력 센서(1)의 압력 감지 능력이 특별히 저하되지 않는다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 투명 압력 센서(100)는 우수한 압력 감지 성능 및 높은 투명도를 구비하므로, 터치 스크린 기능을 구비한 다양한 전자 기기에 활용될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 제1 투명 기판 상에 형성된 복수의 제1 투명 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 압전층; 및
    제2 투명 기판에 형성된, 압전층에 접촉하는 복수의 제2 전극(330)을 포함하되,
    제1 투명 기판 또는 제2 투명 기판에 터치에 의한 압력이 가해지는 경우, 상기 압전층의 변형에 따른 전기 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 투명 전극은 제1 방향으로 형성되고, 복수의 제2 투명 전극은 제2 방향으로 형성되고, 상기 제1 방향 및 제2 방향은 평행이 아닌 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    출력된 전기 신호를 분석하는 데이터 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 데이터 처리부는,
    상기 출력된 전기 신호의 출력 전압에 기초하여 가해진 압력의 세기를 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서.
  5. 제4항에 있어서, 상기 데이터 처리부는,
    상기 출력된 전기 신호의 출력 전압에 기초하여 가해진 압력의 위치를 결정하도록 더 구성된 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 데이터 처리부는,
    복수의 제1 투명 전극 및 제2 투명 전극에서 전기 신호를 출력한 투명 전극을 결정하고, 상기 결정된 투명 전극에 기초하여 가해진 압력의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 데이터 처리부는,
    상기 전기 신호의 출력 전압 위상차의 부호에 더 기초하여 가해진 압력의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압전성 고분자층은 PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CTFE 및 이들의 조합을 포함한 그룹에서 선택된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 투명 전극 또는 제2 투명 전극은 Ag NW(nano-wire) 전극, PEDOT PEDOT(Poly 3,4-ethylenedioxythiophene) 전극, 또는 메탈 메쉬(metal mesh) 전극으로 구현되는 전극인 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서.
  10. 제1항에 있어서, 상기 압전층은,
    15pa 이상의 압력에 의해 변형되는 경우, 20mV 이상의 출력 전압을 갖는 전기 신호를 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서.
  11. 복수의 제1 투명 전극을 제1 투명 기판 상에 형성하는 단계;
    압전층을 상기 제1 전극 상에 형성하는 단계; 및
    제2 투명 기판 상에 복수의 제2 전극을 형성하여 상기 압전층에 상기 제2 전극이 접촉하도록 배치하는 단계를 포함하는 투명 압력 센서를 제조하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 투명 전극 또는 제2 투명 전극은 패터닝에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서를 제조하는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 압전층은 압전성 고분자 물질이 코팅됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서를 제조하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 압전층은 코팅 이후에 열처리가 가해짐으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서를 제조하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 열처리는 진공 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 투명 압력 센서를 제조하는 방법.
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