WO2015178607A1 - 그래핀 터치 센서, 그 동작 방법, 및 그 제조 방법 - Google Patents

그래핀 터치 센서, 그 동작 방법, 및 그 제조 방법 Download PDF

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WO2015178607A1
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박완준
천성우
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    • G06F2203/04112—Electrode mesh in capacitive digitiser: electrode for touch sensing is formed of a mesh of very fine, normally metallic, interconnected lines that are almost invisible to see. This provides a quite large but transparent electrode surface, without need for ITO or similar transparent conductive material

Definitions

  • the present invention relates to a graphene touch sensor, a method of operating the same, and a method of manufacturing the same.
  • touch sensors, electronic devices, and the like which have been invented to date, have been developed for a function for sensing the presence of a touch.
  • the materials used in touch sensors are based on ITO disposed on silicon or glass substrates. Since the touch sensor using the ITO material is not flexible, there is a limit to being used in a wearable device, a curved display, and the like.
  • Korean Patent Publication No. 10-2013-0091493 Application No. 10-2012-0012817
  • using a graphene patterned layer and an organic insulator patterned using a polymer stamp and an organic solvent, while excellent in bending characteristics Disclosed are a graphene touch panel capable of low cost and large area, and a method of manufacturing the same.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a graphene touch sensor of high reliability, an operation method thereof, and a manufacturing method thereof.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a flexible graphene touch sensor, its operation method, and a manufacturing method thereof.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a graphene touch sensor with high sensitivity, its operation method, and a manufacturing method thereof.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a graphene touch sensor, an operation method, and a manufacturing method capable of sensing the material of the object to be touched.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a transparent graphene touch sensor and its manufacturing method.
  • the present invention provides a graphene touch sensor.
  • the graphene touch sensor may include a first pattern, a first pattern disposed on the first substrate, the first pattern having a first protruding region and a first concave region, A second substrate on a first substrate, a second pattern disposed on the second substrate so as to face the first pattern, the second pattern having the second protruding region and the second concave region, and the first pattern and the second pattern It may include a graphene film between.
  • the first protruding region and the second concave region may be disposed to face each other, and the first concave region and the second protruding region may be disposed to face each other.
  • the second substrate may include one surface on which the second pattern is disposed and the other surface facing the one surface, and the graphene touch pattern may be disposed on the other surface of the second substrate.
  • the apparatus may further include an upper substrate having a sensing pattern.
  • the sensing pattern may be in the form of a plurality of lines spaced apart from each other by a predetermined width and extending in one direction.
  • the first pattern and the second pattern may be in the form of a plurality of lines extending in one direction.
  • any one of the first pattern and the second pattern may include a shape of a plurality of dots spaced apart from each other and arranged two-dimensionally, wherein the first pattern and the second pattern The other may be in the form of a mesh that can accommodate the plurality of dots.
  • the width of the first pattern may be equal to the interval between the adjacent second patterns, and the width of the second pattern may be equal to the interval between the adjacent first patterns.
  • the first pattern and the second pattern may be formed of an insulating material.
  • the graphene touch sensor may include a first graphene pattern disposed on a first substrate, the first substrate, and including a first segment and a second segment spaced apart from each other.
  • the electrical connection of the second segment may be adjusted.
  • the graphene touch sensor may include a separation layer disposed between the first graphene pattern and the second graphene pattern and having an opening that exposes the second graphene pattern. ) May be further included.
  • a groove may be defined between the first segment and the second segment to cross the opening of the separator.
  • the first segment and the second segment may not be electrically connected by the groove.
  • a portion of the first segment adjacent to the groove and a portion of the second segment adjacent to the groove are in contact with the second graphene pattern to contact the first segment and
  • the second segment may be electrically connected.
  • the groove may extend in a first direction
  • the second graphene pattern may have a line shape extending in a second direction crossing the first direction
  • the graphene touch sensor may further include electrode layers between the first segment and the separator and between the second segment and the separator.
  • the graphene touch sensor may include a base substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, and a first graphene pattern on the first surface of the base substrate. And a second graphene pattern disposed on the first graphene pattern and having an area in contact with the first graphene pattern according to a touch of an object on the second surface.
  • the second graphene pattern, the center portion (center portion) that is in contact with the first graphene pattern is adjusted according to the touch of the object on the second surface, and the first graphene It may include a peripheral portion that is not in contact with the pattern.
  • the graphene touch sensor may further include electrode layers disposed on both sides of the first graphene pattern, spaced apart from the first graphene pattern, and connected to the second graphene pattern.
  • the second graphene pattern may further include an edge portion disposed on the electrode layers.
  • the distance between the first surface of the base substrate and the upper surfaces of the electrode layers may be longer than the distance between the first surface of the base substrate and the upper surface of the first graphene pattern. have.
  • the graphene touch sensor may further include structures disposed between the electrode layers and the base substrate, wherein the structures are integral with the base substrate, and the first graph The pin pattern may protrude from the first surface of the base substrate.
  • the graphene touch sensor may include a first pattern disposed on a first substrate and having a first protruding region and a first concave region, and a second protruding region and a second substrate disposed on a second substrate. And a second pattern having two concave regions.
  • the first pattern and the second pattern having the protruding region and the concave region are disposed to face each other, and when an object is touched by the graphene touch sensor, deformation of the graphene film disposed between the first pattern and the second pattern This can be increased.
  • a graphene touch sensor having improved sensitivity may be provided.
  • the graphene touch sensor includes a first graphene pattern including a first segment and a second segment spaced apart from each other on a first substrate, and a second graphene pattern on a second substrate.
  • the electrical connection between the first segment and the second segment by the second graphene pattern may be controlled according to whether the object is touched. Accordingly, a graphene touch sensor with high sensitivity and high reliability may be provided.
  • the graphene touch sensor according to the embodiment of the present invention, the first graphene pattern disposed on the base substrate, and the second graphene pattern on the first graphene pattern, according to the touch of the object
  • the contact area between the first graphene pattern and the second graphene pattern may be adjusted.
  • the resistance of the graphene pattern including the first graphene pattern and the second graphene pattern is reduced, when the object is touched at a relatively high pressure
  • the resistance of the graphene pattern may be increased. Accordingly, a graphene touch sensor having high sensitivity and high reliability may be provided.
  • FIG. 1 illustrates a first substrate structure of a graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to the first embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 and 3 are diagrams for describing a second substrate structure and a method of manufacturing the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates an upper substrate of a graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates a graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG 6 illustrates an operation method of the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG 7 and 8 illustrate examples of modifications of the first pattern and the second pattern included in the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph illustrating a response characteristic when a constant pressure is periodically applied to the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph illustrating a response characteristic according to pressure applied to the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph illustrating a continuous response characteristic of the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a graph illustrating a response characteristic according to a touch speed of an object touched by a graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a graph illustrating characteristics of the graphene touch sensor according to the strength of the pressure applied to the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a graph illustrating characteristics of a graphene touch sensor according to a texture of an object touched by the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 illustrates a first substrate structure of a graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to the second embodiment of the present invention.
  • 16 and 17 illustrate a second substrate structure included in the graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to the second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 18 to 20 are graphs illustrating a graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to a second embodiment of the present invention using a first substrate structure and a second substrate structure.
  • FIG. 21 is a view illustrating measuring transmittances of a first substrate structure and a second substrate structure manufactured according to the method for manufacturing the graphene touch sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 illustrates surface roughness of a second substrate manufactured according to a method of manufacturing a graphene touch sensor according to a second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 23 is a graph illustrating response characteristics when a constant pressure is periodically applied to the graphene touch sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 is a graph illustrating response characteristics when a pressure having a relatively high frequency is periodically applied to the graphene touch sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a graph illustrating response characteristics when a change in pressure is applied to the graphene touch sensor according to the second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 26 is a graph illustrating a continuous response characteristic of the graphene touch sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • 27 to 29 are views illustrating a graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 30 is a view for explaining a touch sensing method of the graphene touch sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 31 is a diagram for describing a graphene touch sensor including a sensing pattern according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 32 is a view illustrating a graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to a modified example of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 35 is a view illustrating a characteristic change according to a thickness of a base substrate used in the graphene touch sensor according to the third embodiment of the present invention.
  • 36 is a graph illustrating a response characteristic when a constant pressure is periodically applied to the graphene touch sensor according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 37 is a pulse measurement of a person using a graphene touch sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 38 illustrates a response characteristic according to a touch speed of an object touched by a graphene touch sensor according to a third embodiment of the present disclosure to which a sensing pattern is attached.
  • FIG. 39 is a graph illustrating a response characteristic according to a touch speed of an object touched by a graphene touch sensor according to a third embodiment of the present disclosure, in which a sensing pattern is attached. The measurement result is frequency-converted.
  • FIG. 40 is a graph illustrating characteristics of the graphene touch sensor according to the strength of the pressure applied to the graphene touch sensor according to the third embodiment of the present invention having a sensing pattern attached thereto.
  • first, second, and third are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Thus, what is referred to as a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment.
  • first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment.
  • second component in another embodiment.
  • Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment.
  • the term 'and / or' is used herein to include at least one of the components listed before and after.
  • connection is used herein to mean both indirectly connecting a plurality of components, and directly connecting.
  • the "touch sensor” is used as a meaning including sensing the presence or absence of a touched object, touch intensity, touch speed, and the like, and sensing the surface property (material) of the touched object. Is used to mean that the object is directly touched or indirectly touched.
  • a graphene touch sensor according to a first embodiment of the present invention, a manufacturing method thereof, and an operating method thereof will be described.
  • FIG. 1 illustrates a first substrate structure of a graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to the first embodiment of the present invention.
  • a first substrate structure including a first substrate 100 and a first pattern 110 on the first substrate 100 is provided.
  • the first substrate 100 may be a flexible substrate.
  • the first substrate 100 may be any one of PET, PES, PI, PEN, or PDMS.
  • the first pattern 110 may be formed on the first substrate 100.
  • the forming of the first pattern 110 may include forming a material layer on the first substrate 100, forming a photoresist pattern on the material layer, and forming the photoresist. Patterning the material layer using a pattern.
  • the material layer may be formed of an insulating material.
  • the material layer may be formed of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxide, or the like.
  • the first pattern 110 may be in the form of a plurality of lines extending in one direction.
  • the plurality of lines may be spaced apart from each other at regular intervals. Widths of each of the plurality of lines may be substantially the same as each other.
  • the height of each of the plurality of lines may be substantially the same as each other. According to one embodiment, the width of the first pattern 110 and the distance between the first pattern 110 adjacent to each other, may be substantially the same.
  • the first pattern 110 may include a first protruding region 110a and a first concave region 110b.
  • the first protruding region 110a may be defined on an upper surface of the first pattern 110.
  • the first concave region 110b may be defined between the first patterns 110 adjacent to each other. In other words, the first concave region 110b may be defined on an upper surface of the first substrate 100 exposed between the first patterns 110.
  • a plurality of first protruding regions 110a and first concave regions 110b may be provided on the first substrate 100 by the first pattern 110.
  • FIGS. 2 and 3 are diagrams for describing a second substrate structure and a method of manufacturing the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • a second substrate 200 is provided.
  • the second substrate 200 may be a flexible substrate.
  • the first substrate 200 may be any one of PET, PES, PI, PEN, or PDMS.
  • the second pattern 210 may be formed on one surface of the second substrate 200.
  • the second pattern 210 may be formed in the same manner as the first pattern 110 described with reference to FIG. 1.
  • the second pattern 210 may be formed of the same material as the first pattern 110.
  • the second pattern 210 may be in the form of a plurality of lines extending in one direction.
  • the plurality of lines may be spaced apart from each other at regular intervals. Widths of each of the plurality of lines may be substantially the same as each other.
  • the height of each of the plurality of lines may be substantially the same as each other. According to one embodiment, the width of the second pattern 210 and the distance between the adjacent second pattern 210 may be substantially the same.
  • the second pattern 210 may include a second protruding region 210a and a second concave region 210b.
  • the second protruding region 210a may be defined on an upper surface of the second pattern 210.
  • the second concave region 210b may be defined between the second patterns 210 adjacent to each other. In other words, the second concave region 210b may be defined on an upper surface of the second substrate 200 exposed between the second patterns 210.
  • a plurality of second protruding regions 210a and second concave regions 210b may be provided on the second substrate 200 by the second pattern 210.
  • a graphene layer 220 may be transferred on the second pattern 210. Transferring the graphene film 220 on the second pattern 210, preparing a metal thin film having the graphene film 220, coating a sacrificial film on the graphene film 220, Removing the metal thin film from the graphene layer 220, and the sacrificial layer and the graphene layer 220 are contacted with the second pattern 210 so that the graphene layer 220 is in contact with the second pattern 210. And disposing the sacrificial layer.
  • the metal thin film may be a copper (Cu) thin film
  • the sacrificial film may be PMMA
  • the metal thin film may be removed using FeCl 3 solution and HCl
  • the sacrificial film may be removed with acetone. have.
  • the electrode films 230 may be formed on the second pattern 210.
  • the electrode films 230 may be electrically connected to both sides of the graphene film 220.
  • the electrode layers 230 may include chromium (Cr) and / or gold (Au) formed by a deposition method.
  • the second substrate 200, the second pattern 210 on the second substrate 200, the graphene film 220 and the graphene film 220 on both sides of the second pattern 210 are both sides.
  • a second substrate structure including the electrode layers 230 may be provided.
  • FIG. 4 is a view illustrating an upper substrate of a graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to the first embodiment of the present invention.
  • an upper substrate 300 having a sensing pattern 310 is prepared.
  • preparing the upper substrate 300 having the sensing pattern 310 may include preparing a substrate having a flat upper surface, and forming a photoresist pattern on the upper surface of the substrate. Forming a substrate, and patterning the substrate using the photoresist pattern.
  • the sensing pattern 310 and the upper substrate 300 may constitute one body.
  • a boundary line between the sensing pattern 310 and the upper substrate 300 may be drawn.
  • preparing the upper substrate 300 having the sensing pattern 310 forming a material film on the substrate, forming a photoresist pattern on the material film And patterning the material layer using the photoresist pattern.
  • the sensing pattern 310 may be in the form of a plurality of lines extending in one direction.
  • the plurality of lines may be spaced apart from each other at regular intervals. Widths of each of the plurality of lines may be substantially the same as each other.
  • the height of each of the plurality of lines may be substantially the same as each other. According to an embodiment, the widths of the sensing patterns 310 and the intervals between the sensing patterns 310 adjacent to each other may be substantially the same.
  • FIG. 5 is for explaining a graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to the first embodiment of the present invention
  • Figure 6 is for explaining the operation method of the graphene touch sensor according to a first embodiment of the present invention .
  • a graphene touch sensor may include the first substrate structure described with reference to FIG. 1, and the second substrate structure described with reference to FIGS. 2 and 3. , And the upper substrate 300 having the sensing pattern 310 described with reference to FIG. 4.
  • the second substrate 200 may be disposed on the first substrate 100 so that the first pattern 110 and the second pattern 210 face each other.
  • the first protruding region 110a may be disposed to face the second concave region 210b
  • the second concave region 110b may be disposed to face the first protruding region 210a.
  • the second substrate 200 is formed on the first substrate 100 such that the first pattern 110 and the second pattern 210 including the concave region and the protruding region are interlocked with each other. Can be arranged.
  • the width of the first pattern 110 may be substantially the same as the distance between the adjacent second patterns 210 (the width of the second concave region 210b).
  • the width of the second pattern 210 may be substantially the same as the distance between the adjacent first patterns 110 (the width of the first concave region 110b). For this reason, the first pattern 110 and the second pattern 210 may be engaged with each other in the form of a cog wheel.
  • the upper substrate 300 may be disposed on the other surface of the second substrate 200 that faces the one surface (the second pattern 210 is formed).
  • the sensing pattern 310 may be exposed to the outside.
  • the graphene film 220 disposed between the first pattern 110 and the second pattern 210 may be physically modified.
  • the resistance of the graphene film 220 may be changed.
  • the presence or absence of touch of the object, touch intensity, or touch speed may be sensed.
  • the resistance of the graphene film 220 may change according to a specific pattern of the surface of the object by contact of the surface of the object with the sensing pattern 310.
  • a graphene touch sensor capable of sensing the texture of the object through a change in the resistance of the graphene film 220 according to the surface characteristics of the object, and a method of manufacturing the same may be provided.
  • first and second patterns 110 and 210 having the concave region and the protruding region are disposed to be engaged with each other, such that the graphene film between the first pattern 110 and the second pattern 210 is formed.
  • the degree of physical deformation of 220 may be increased.
  • any one of the first pattern and the second pattern may be in the form of a plurality of dots, and the other may be in the form of a mesh that may accommodate the plurality of dots. . This will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
  • FIG 7 and 8 illustrate examples of modifications of the first pattern and the second pattern included in the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • a first pattern 410 may be disposed on the first substrate 400.
  • the first substrate 400 may be the same substrate as the first substrate 100 described with reference to FIG. 1.
  • the first pattern 410 may be formed in the same manner as the first pattern 110 described with reference to FIG. 1.
  • the first pattern 410 may be in the form of a plurality of dots.
  • the plurality of dots may be two-dimensionally spaced apart from each other on the first substrate 400. Specifically, the plurality of dots may be arranged to form a row arranged in one direction and a column arranged in another direction crossing the one direction.
  • the first pattern 410 may include a first protruding region 410a and a first concave region 410a.
  • the first protruding region 410a may be defined on an upper surface of the first pattern 410.
  • the first concave region 410b may be defined between the first patterns 410 adjacent to each other. In other words, the first concave region 410b may be defined on an upper surface of the first substrate 400 exposed between the first patterns 410.
  • the first protrusion 410a and the first concave region 410b may be provided in plural on the first substrate 400 by the first pattern 410.
  • a second pattern 510 may be disposed on the second substrate 500.
  • the second substrate 500 may be the same substrate as the first substrate 100 described with reference to FIG. 1.
  • the second pattern 510 may be formed in the same manner as the first pattern 110 described with reference to FIG. 1.
  • the second pattern 510 may have a mesh shape that may accommodate the first patterns 410 having the plurality of dot shapes.
  • the second pattern 510 may include a second protruding region 510a and a second concave region 510a.
  • the second protruding region 510a may be defined on an upper surface of the second pattern 510.
  • the second concave region 510b may be defined on an upper surface of the second substrate 500 exposed by the second pattern 510.
  • the graphene film may be transferred to either the first pattern 410 or the second pattern 510. Subsequently, the first protruding region 410a of the first pattern 410 and the second concave region 510b of the second pattern 510 face each other, and the first pattern 410 of the first pattern 410 is facing each other.
  • the first substrate 400 and the second substrate 500 may be disposed to face the concave region 410b and the second protruding region 510a of the second pattern 510.
  • the first pattern 410 is shown in FIG. 5A as being rectangular in plan view, the first pattern 410 may be formed of circles, triangles, or other polygons.
  • the second pattern 510 may be configured in the form of a mesh having an accommodating part of a circle, a triangle, and other polygons capable of accommodating the first pattern 410.
  • FIG. 9 is a graph illustrating a response characteristic when a constant pressure is periodically applied to the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • a silicon oxide (SiO 2 ) first pattern, a silicon oxide (SiO 2 ) second pattern disposed to interlock with the first pattern, and a graphene film between the first pattern and the second pattern Graphene touch sensor was prepared.
  • a change in resistance of the graphene film was measured by applying a constant pressure to the graphene touch sensor at regular intervals.
  • R 0 is the resistance of the graphene film in the absence of physical deformation.
  • ⁇ R is an amount of change in resistance of the graphene film in a state in which the object is physically deformed by the pressure applied to the graphene touch sensor.
  • the response ( ⁇ R / R 0 ) characteristic of the graphene touch sensor according to the embodiment of the present invention is substantially constant. That is, the reliability of the response characteristics of the graphene touch sensor using the graphene film can be confirmed.
  • FIG. 10 is a graph illustrating a response characteristic according to pressure applied to the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the graphene touch sensor manufactured according to the exemplary embodiment of the present invention is applied while varying the pressure, and the response ( ⁇ R / R 0 ) characteristic of the graphene touch sensor is measured according to the changed pressure. .
  • the response ( ⁇ R / R 0 ) of the graphene touch sensor increases as the pressure applied increases, and the response ( ⁇ R / R 0 ) of the graphene touch sensor increases as the applied pressure decreases . Is reduced. That is, the response ( ⁇ R / R 0 ) of the graphene touch sensor is changed in response to the intensity of the applied pressure, and by using the response characteristic, the intensity of the object touching the graphene touch sensor may be measured. have.
  • FIG. 11 is a graph illustrating a continuous response characteristic of the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the response ( ⁇ R / R 0 ) characteristics of the graphene touch sensor was measured. As can be seen in FIG. 11, it is confirmed that the response characteristic of the graphene touch sensor does not deteriorate with respect to the periodic pressure of 1,000 times, and shows a reliable response ( ⁇ R / R 0 ) characteristic.
  • FIG. 12 is a graph illustrating a response characteristic according to a touch speed of an object touched by a graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • a single PET tip is 0.6 ⁇ 10 ⁇ 4 m / s, 0.9 ⁇ 10 ⁇ in a graphene touch sensor having a sensing pattern having a width of 100 ⁇ m, an interval of 100 ⁇ m, and a thickness of 100 ⁇ m.
  • Touch (scan in one direction while in contact) at a speed of 4 m / s, 1.2 ⁇ 10 ⁇ 4 m / s, 2.4 ⁇ 10 ⁇ 4 m / s. It is confirmed that the response ( ⁇ R / R 0 ) characteristic of the graphene touch pattern is changed according to the speed of touching the PET tip to the sensing pattern of the graphene touch pattern. That is, using the graphene touch sensor according to an embodiment of the present invention, the touch speed of the object may be sensed.
  • FIG. 13 is a graph illustrating characteristics of the graphene touch sensor according to the strength of the pressure applied to the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • a graphene touch sensor having a sensing pattern having a width of 100 ⁇ m, an interval of 100 ⁇ m, and a thickness of 100 ⁇ m according to an embodiment of the present invention is touched while varying pressure with a single PET tip having a thickness of 125 ⁇ m.
  • the amplitude of the output was measured to correspond to the touched pressure. That is, using the graphene touch sensor according to an embodiment of the present invention, it can be seen that the touch pressure of the object can be sensed.
  • FIG. 14 is a graph illustrating characteristics of a graphene touch sensor according to a texture of an object touched by the graphene touch sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • a graphene touch sensor having a sensing pattern having a width of 100 ⁇ m, an interval of 100 ⁇ m, and a thickness of 100 ⁇ m is a paper, a hand, a first sample object having a 100 ⁇ m period, and 200 ⁇ m.
  • the result of touching the second sample object having a period was frequency converted.
  • FIG. 14 (a) to (d) show a result of touching with a paper, a hand, a first sample object, and a second sample object, respectively.
  • FIG. 14A when the graphene touch sensor is touched with a substantially flat paper without a specific pattern on the surface, it can be seen that the main peak does not occur.
  • FIG. 15 is a view illustrating a first substrate structure of a graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to the second embodiment of the present invention.
  • a first substrate 610 including an adhesive layer (620a, 620b) between, and the electrode film 630 on the first graphene pattern (622a, 622b) is provided.
  • the first substrate 610 may be a flexible substrate.
  • the first substrate 610 may be any one of PET, PES, PI, PEN, or PDMS.
  • the first graphene patterns 622a and 622b may be transferred on the first substrate 610 using the adhesive layers 620a and 620b.
  • transferring the first graphene patterns 622a and 622b may include preparing a metal thin film (eg, copper thin film) having a graphene film, and an adhesive layer (eg, on the graphene film). (PMMA) coating, separating the metal thin film, the graphene film, and the adhesive layer into first and second pieces, wherein the separated first and second pieces are spaced apart from each other and the adhesive layer is And disposing the first and second pieces on the first substrate to be in contact with the first substrate, and removing the metal thin film from the first and second pieces.
  • a metal thin film eg, copper thin film
  • an adhesive layer eg, on the graphene film
  • the first graphene patterns 622a and 622b may include first and second segments 622a and 622b that are spaced apart from each other.
  • the graphene film included in the first piece is defined as the first segment 622a
  • the graphene film included in the second piece is the second. May be defined as segment 622b.
  • Grooves may be defined between the first segment 622a and the second segment 622b.
  • the groove may extend in a first direction.
  • the first segment 622a and the second segment 622b may be physically and electrically separated with the groove therebetween.
  • the width of the groove may be about 0.5mm ⁇ 1mm.
  • Electrode layers 630 may be formed on the first segment 622a and the second segment 622b, respectively.
  • the electrode layers 630 may cover a portion of the first segment 622a and a portion of the second segment 622b, and may include a portion of the first segment 622a and the second segment adjacent to the groove. May not cover a portion of 622b).
  • the electrode layers 630 may be formed of platinum (Pt) or the like by using a sputter process.
  • the thickness of the electrode layers 630 may be about 100 nm.
  • 16 and 17 illustrate a second substrate structure included in the graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to the second embodiment of the present invention.
  • second substrates 710, 712, and 714 are prepared.
  • the second substrates 710, 712, and 714 may include a base substrate 710, a planarization layer on the base substrate 710, and an insulating film 714 on the planarization layer 712. It may include.
  • surface roughness of the upper surface of the insulating layer 714 on which the graphene pattern is formed is minimized, thereby providing a highly reliable graphene touch sensor.
  • the base substrate 710 may be a flexible substrate.
  • the base substrate 710 may be any one of PET, PES, PI, PEN, or PDMS.
  • the planarization layer 712 may be PI
  • the insulating layer 714 may be silicon oxide.
  • preparing the second substrates 710, 712, and 714 may include forming a planarization layer 712 by coating PI on the base substrate 710 by a spin coating process. And depositing a silicon oxide layer on the planarization layer 712 by a PECVD process to form the insulating layer 714.
  • the graphene film 720 may be transferred on the second substrates 710, 712, and 714. Transferring the graphene film 720 may include preparing a metal thin film (eg, a copper thin film) having the graphene film 720, and a sacrificial film (eg, on the graphene film 720). Coating the PMMA, removing the metal thin film from the graphene film 720, disposing the sacrificial film and the graphene film 720 on the insulating film 714, and removing the sacrificial film. It may include a step.
  • a metal thin film eg, a copper thin film
  • a sacrificial film eg, on the graphene film 720.
  • the graphene film 720 is patterned to form a second graphene pattern 722 on the insulating film 714 of the second substrates 710, 712, and 714.
  • a second substrate structure including the second substrates 710, 712, and 714 and the second graphene pattern 722 may be provided.
  • the graphene film 720 may be patterned by a photolithography process.
  • the second graphene pattern 722 may have a line shape extending in one direction.
  • the plurality of lines may have the same width and be spaced apart from each other by the same interval.
  • the patterning process of the graphene film 720 described with reference to FIG. 16 is omitted, and the graphene film 720 in the form of a flat plate is implemented according to the present invention.
  • the graphene touch sensor may be used as a second graphene pattern.
  • FIGS. 18 to 20 illustrate graphene touch sensors according to a second embodiment of the present invention using a first substrate structure and a second substrate structure, and methods of manufacturing the same.
  • a first substrate structure described with reference to FIG. 15 and a second substrate structure described with reference to FIGS. 16 and 17 are assembled with a separation layer 800 interposed therebetween.
  • a separation layer 800 interposed therebetween.
  • the first graphene patterns 622a and 622b and the second graphene pattern 722 are disposed facing each other, and the first and second graphene patterns 622a and 622b and the second graphene pattern 722 are facing each other.
  • the separator 800 may be disposed between the graphene patterns 722.
  • an extension direction of the second graphene pattern 722 (second The first substrate structure and the second substrate structure may be assembled such that the direction crosses the first direction.
  • the separator 800 may be formed of an insulating material.
  • the separator 800 may be 125 ⁇ m thick PET.
  • the separator 800 may have an opening 810.
  • the opening 810 of the separator 800 may expose the first graphene patterns 622a and 622b and the second graphene pattern 722.
  • the groove crosses the opening 810, and the opening 810 defines a portion of the first segment 622a adjacent to the groove and a portion of the second segment 622b adjacent to the groove. May be exposed.
  • the opening 810 of the separator 800 is illustrated as being rectangular, but may be formed in a circular, elliptical, or other polygonal shape.
  • the first segment 622a and the second segment 622b may not be electrically connected to each other.
  • the portion of the first segment 622a adjacent to the groove and the portion adjacent to the groove are opened through the opening 810 of the separator 800.
  • a portion of the second segment 622b may be in contact with the second graphene pattern 722.
  • the electrode layers 630 on the first segment 622a and the second segment 622b may be electrically connected to each other to sense whether the object is touched or not. Accordingly, a graphene touch sensor of high reliability, high flexibility, high sensitivity, and a manufacturing method thereof may be provided.
  • FIG. 21 is a view illustrating measuring transmittances of a first substrate structure and a second substrate structure manufactured according to the method for manufacturing the graphene touch sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 (a) measures the transmittance of a first substrate structure manufactured using PDMS as a first substrate and PMMA as an adhesive layer according to an embodiment of the present invention.
  • the transmittance of PDMS in the 550 nm wavelength band was measured to be 92.7%, and the transmittance of the first substrate structure manufactured according to the embodiment of the present invention in the 550 nm wavelength band was measured to be 86.3%. Even if the graphene pattern or the like is formed, the transmittance is not greatly reduced, and it can be seen that the first substrate structure manufactured according to the embodiment of the present invention can be utilized for the transparent graphene touch sensor.
  • FIG. 21B illustrates the transmittance of the second substrate structure manufactured using the PET, PI, and silicon oxide layers stacked according to the embodiment of the present invention as a second substrate. It was measured to have a transmittance of 87% in the 550 nm wavelength band. It can be seen that the second substrate structure manufactured according to the embodiment of the present invention can be utilized for the transparent graphene touch sensor.
  • FIG. 22 illustrates surface roughness of a second substrate manufactured according to a method of manufacturing a graphene touch sensor according to a second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 22A illustrates a surface roughness after omitting the planarization film and forming a silicon oxide film on a PET substrate in the method of manufacturing the second substrate described with reference to FIGS. 16 and 17.
  • 22 (b) shows surface roughness after coating PI with a planarization film and forming a silicon oxide film on the PET substrate according to the method of manufacturing the second substrate described with reference to FIGS. 16 and 17.
  • the RMS value of the surface roughness was measured to be about 6.270 nm, but when the planarization film was used according to an embodiment of the present invention, the RMS value of the surface roughness was measured to about 5.005 nm. That is, the surface roughness may be reduced by using the planarization layer to improve the reliability of the graphene touch sensor.
  • FIG. 23 is a graph illustrating response characteristics when a constant pressure is periodically applied to the graphene touch sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • a graphene touch sensor according to an exemplary embodiment of the present invention was manufactured using PET having an opening between the first substrate structure and the second substrate structure described with reference to FIGS. 18 to 20 as a separator. .
  • a change in capacitance was measured by applying a constant pressure to the graphene touch sensor at regular intervals.
  • C 0 is a capacitance without a touch of an object.
  • ⁇ C in the graph of FIG. 22 is an amount of change in capacitance when an object is touched by the graphene touch sensor.
  • the response characteristic ( ⁇ C / C 0 ) of the graphene touch sensor according to the embodiment of the present invention is substantially constant. That is, the reliability of the response characteristics of the graphene touch sensor according to the embodiment of the present invention can be confirmed.
  • FIG. 24 is a graph illustrating response characteristics when a pressure having a relatively high frequency is periodically applied to the graphene touch sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • a pressure was applied at a relatively high frequency of 5 Hz to the graphene touch sensor described with reference to FIG. 23, and the response characteristic ( ⁇ C / C 0 ) was measured. Even if the pressure is periodically applied at a relatively high frequency, it can be seen that the response characteristic ( ⁇ C / C 0 ) of the graphene touch sensor according to the embodiment of the present invention is substantially constant.
  • FIG. 25 is a graph illustrating response characteristics when a change in pressure is applied to the graphene touch sensor according to the second embodiment of the present disclosure.
  • a gradually increasing pressure and a gradually decreasing pressure are applied to a graphene touch sensor according to an embodiment of the present invention described with reference to FIG. 23, and the response characteristic ( ⁇ C / C 0 ) is applied. Measured.
  • the response characteristic ( ⁇ C / C 0 ) of the graphene touch sensor is gradually increased in response to the increased pressure.
  • the response characteristic ( ⁇ C / C 0 ) of the graphene touch sensor is gradually reduced in response to the reduced pressure. That is, by using the graphene touch sensor according to an embodiment of the present invention, it can be seen that the strength of the pressure touched by the object and the amount of change in pressure can be measured efficiently.
  • FIG. 26 is a graph illustrating a continuous response characteristic of the graphene touch sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • a graphene touch sensor and a manufacturing method thereof according to a third embodiment of the present invention are described.
  • 27 to 29 are views illustrating a graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to the third embodiment of the present invention.
  • the base substrate 910 may be a flexible substrate.
  • the base substrate 910 may be any one of PET, PES, PI, PEN, or PDMS.
  • the base substrate 910 may include a first surface and a second surface opposite to the first surface.
  • the first graphene pattern 920 may be transferred on the first surface of the base substrate 910.
  • the transferring of the first graphene pattern 920 may include preparing a metal thin film having a graphene film and attaching the metal thin film having the graphene film to the first surface of the base substrate 910. , And removing the metal thin film from the graphene film.
  • the metal thin film may be a copper (Cu) thin film.
  • the copper thin film may be removed using FeCl 3 , HCl, ultrapure water, or the like.
  • electrode layers 930 may be formed on the first surface of the base substrate 910.
  • the electrode layers 930 may be formed at both sides of the first graphene pattern 920.
  • the electrode layers 930 may be spaced apart from the first graphene pattern 920. For this reason, the electrode layers 930 and the first graphene pattern 920 may not be electrically connected.
  • the electrode layers 930 may include at least one of chromium (Cr), gold (Au), or platinum (Pt) formed by a sputter process.
  • Upper surfaces of the electrode layers 930 may have a level higher than an upper surface of the first graphene pattern 920.
  • the upper surfaces of the electrode layers 930 may be higher than the upper surface of the first graphene pattern 920 based on the first surface of the base substrate 910.
  • a distance between the first surface of the base substrate 910 and the upper surfaces of the electrode layers 930 may correspond to the first surface of the base substrate 910 and the first graphene pattern ( 920 may be longer than the distance between the top surfaces.
  • the thickness of the electrode layers 930 is thicker than the thickness of the first graphene pattern 920, so that the upper surfaces of the electrode layers 930 are formed on the first graphene. It may have a higher level than the upper surface of the pattern 920.
  • the second graphene pattern 940 may be transferred onto the first surface of the base substrate 910.
  • the transferring of the second graphene pattern 940 may include preparing a metal thin film having a graphene film, coating a sacrificial film on the graphene film, and removing the metal thin film from the graphene film. Disposing the sacrificial film and the graphene film on the first surface of the base substrate 910 such that a graphene film is attached to the first surface of the base substrate 910, and removing the sacrificial film. It may include.
  • the metal thin film may be a copper (Cu) thin film
  • the sacrificial film may be PMMA
  • the metal thin film may be removed using FeCl 3 solution and HCl
  • the sacrificial film may be removed with acetone.
  • the second graphene pattern 940 may include a center portion (CP), a peripheral portion (PP), and an edge portion (EP).
  • the center portion CP of the second graphene pattern 940 may be in contact with the first graphene pattern 920.
  • the area of the central portion CP of the second graphene pattern 940 may be adjusted to be in contact with the first graphene pattern 920 according to a touch of an object.
  • the edge portion EP of the second graphene pattern 940 may be disposed on the electrode layers 930 and may be in contact with the electrode layers 930.
  • the electrode layers 930 may be electrically connected to each other by the second graphene pattern 940 having the edge portion EP.
  • the peripheral portion PP of the second graphene pattern 940 may be defined between the edge portion EP and the center portion CP.
  • the peripheral portion PP and the edge portion EP of the second graphene pattern 930 may not contact the first graphene pattern 920.
  • FIG. 30 is a view for explaining a touch sensing method of the graphene touch sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • an object is touched on the second surface of the base substrate 910, and the touch of the object is a graphene pattern disposed on the first surface of the base substrate 910. It may be sensed by the graphene pattern 920 and the second graphene pattern 940.
  • an area X in which the first graphene pattern 920 and the second graphene pattern 940 contact is defined.
  • the area Y of the second graphene pattern 940 not contacting the first graphene pattern 920 is defined.
  • an object may be touched on the second surface of the base substrate 910 on which the first graphene pattern 920 and the second graphene pattern 940 are disposed. have.
  • an area X + ⁇ X where the first graphene pattern 920 and the second graphene pattern 940 contact each other is illustrated in FIG. Compared to that shown in 30 (a), it can be increased.
  • the area X or X + ⁇ X of the two graphene patterns 940 may be changed.
  • the first graphene pattern 920 and the second graphene pattern 940 are in contact with each other (X + ⁇ X). ) Is increased, so that the resistance between the electrode films 930 may be reduced.
  • the object touches the second surface of the base substrate 910 at a relatively high pressure a portion of the second graphene pattern 940 that is not in contact with the first graphene pattern 920.
  • the resistance between the electrode films 930 may be increased.
  • the first graphene pattern 920 and the second graph between the electrode layers 930 when the object touches the second surface of the base substrate 910 at a pressure lower than the reference pressure, the first graphene pattern 920 and the second graph between the electrode layers 930.
  • the resistance of the fin pattern 940 may be reduced due to an increase in contact area (X + ⁇ X) between the first graphene pattern 920 and the second graphene pattern 940.
  • a portion of the second graphene pattern 940 between the electrode layers 930 (Y + ⁇ )
  • the resistance of Y) can be increased due to the deformation of the carbon (C) -carbon (C) bonding.
  • FIG. 31 is a diagram for describing a graphene touch sensor including a sensing pattern according to a third embodiment of the present invention.
  • an upper substrate 950 having a sensing pattern 952 may be provided on the second surface of the base substrate 910 of the graphene touch sensor described with reference to FIGS. 27 to 30. have.
  • preparing the upper substrate 950 having the sensing pattern 952 may include preparing a substrate having a flat upper surface and a photoresist pattern on the upper surface of the substrate. Forming a substrate, and patterning the substrate using the photoresist pattern. In this case, the sensing pattern 952 and the upper substrate 950 may form one body. In this case, unlike FIG. 31, a boundary line between the sensing pattern 952 and the upper substrate 950 may be omitted.
  • preparing the upper substrate 950 having the sensing pattern 952 may include forming a material film on the substrate and forming a photoresist pattern on the material film. And patterning the material layer using the photoresist pattern.
  • the sensing pattern 952 may be in the form of a plurality of lines extending in one direction.
  • the plurality of lines may be spaced apart from each other at regular intervals. Widths of each of the plurality of lines may be substantially the same as each other.
  • the height of each of the plurality of lines may be substantially the same as each other. According to an embodiment, the widths of the sensing patterns 952 and the intervals between the sensing patterns 952 adjacent to each other may be substantially the same.
  • the sensing pattern 952 of the graphene touch sensor When an object is touched by the sensing pattern 952 of the graphene touch sensor according to an embodiment of the present invention and there is a specific pattern on the surface of the object, by contact of the surface of the object with the sensing pattern 952, According to a specific pattern of the surface of the object, the resistance of the graphene patterns 920 and 940 may be changed. Accordingly, a graphene touch sensor capable of sensing the texture of the object through the resistance change of the graphene patterns 920 and 940 according to the surface characteristics of the object, and a manufacturing method thereof may be provided. .
  • a structure may be disposed between the electrode films and the base substrate. This will be described with reference to FIG. 32.
  • FIG. 32 is a view illustrating a graphene touch sensor and a method of manufacturing the same according to a modified example of the third embodiment of the present invention.
  • structures 112 may be disposed between the first surface of the base substrate 910 and the electrode layers 930.
  • the structures 112 may protrude from the first surface of the base substrate 910.
  • the distance between the first surface of the base substrate 910 and the upper surfaces of the structures 112 may be greater than the upper surface of the first graphene pattern 920 and the first surface of the base substrate 910. It can be longer than the distance between faces.
  • a distance between the upper surfaces of the electrode layers 930 and the first surface of the base substrate 910 is the upper surface of the first graphene pattern 920. And a distance between the first substrate and the first surface of the base substrate 910.
  • the structures 112 may be formed when molding the base substrate 910.
  • the structures 112 and the base substrate 910 form one body, and as shown in FIG. 32, an interface between the structures 112 and the base substrate 910 is May be omitted.
  • the structures 112 may be attached on the base substrate 910 with the same or different material as that of the base substrate 910. In this case, the structures 112 may be provided after the formation of the first graphene pattern 920 or before the formation of the first graphene pattern 920.
  • a graphene touch sensor according to an embodiment of the present invention was manufactured using PDMS as a base substrate, and transmittance was measured.
  • the transmittance of the graphene touch sensor according to the embodiment of the present invention was measured to be 91.7%. It can be seen that the graphene touch sensor according to the embodiment of the present invention has high transparency.
  • a response characteristic ⁇ R / R 0 different from the pressure applied to the graphene touch sensor according to the exemplary embodiment of the present invention was measured.
  • R 0 is a resistance without a touch of an object.
  • ⁇ R in the graph of FIG. 34 is the amount of change in the resistance of the object in contact with the graphene touch sensor.
  • the resistance is decreased in the relatively low pressure section, and the resistance is increased in the relatively high pressure section.
  • FIG. 35 is a view illustrating a characteristic change according to a thickness of a base substrate used in the graphene touch sensor according to the third embodiment of the present invention.
  • a graphene touch sensor was manufactured by varying the thickness of the PDMS used as the base substrate, and the resistance change according to the thickness of the PDMS was measured. As shown in FIG. 35, as the thickness of the base substrate PDMS increases, an amount of change in resistance according to an increase in contact area between the first graphene pattern and the second graphene pattern increases, and It can be seen that the amount of change in resistance due to deformation of the carbon (C) -carbon (C) bond is reduced.
  • the thickness of the base substrate PDMS by controlling the thickness of the base substrate PDMS, two factors related to the resistance change of the graphene touch sensor (the contact area between the first graphene pattern and the second graphene pattern, the carbon-carbon bond deformation of the graphene pattern Can be controlled.
  • 36 is a graph illustrating a response characteristic when a constant pressure is periodically applied to the graphene touch sensor according to the third embodiment of the present invention.
  • a change in capacitance was measured by applying a pressure higher than a reference pressure to the graphene touch sensor according to the above-described embodiment of the present invention at regular intervals. That is, the change in capacitance is measured in a section where the pressure applied by the object is relatively high and the resistance increases according to the applied pressure.
  • C 0 is a capacitance without a touch of an object.
  • ⁇ C is an amount of change in capacitance when an object is touched by the graphene touch sensor.
  • the response characteristic ( ⁇ C / C 0 ) of the graphene touch sensor according to the embodiment of the present invention is substantially constant. That is, the reliability of the response characteristics of the graphene touch sensor according to the embodiment of the present invention can be confirmed.
  • FIG. 37 is a pulse measurement of a person using a graphene touch sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • the pulse of the wrist was measured.
  • the response characteristic ( ⁇ C / C 0 ) of the graphene touch sensor is clearly measured.
  • the graphene touch sensor according to an exemplary embodiment of the present invention may be used to wear a wearable device to confirm that the graphene touch sensor is useful for measuring a human biosignal (eg, pulse).
  • a human biosignal eg, pulse
  • FIG. 38 illustrates a response characteristic according to a touch speed of an object touched by a graphene touch sensor according to a third embodiment of the present disclosure to which a sensing pattern is attached.
  • the black graph in FIG. 38 uses 2 mm / s, 1 mm / s, PET tip to a graphene touch sensor attached with a sensing pattern in a line shape having a width of 200 ⁇ m and a height of 100 ⁇ m. Measurements were made of touch (scanning in one direction while in contact) at a speed of 0.5 mm / s and 0.1 mm / s.
  • the red graph of FIG. 38 has a width of 200 ⁇ m and a height of 100 ⁇ m, and 2 mm / s, 1 mm / s, using a PET tip to a graphene touch sensor attached with two line-shaped sensing patterns spaced at intervals of 200 ⁇ m. The touch was measured at a speed of 0.5 mm / s and 0.1 mm / s.
  • the response ( ⁇ R / R 0 ) characteristic of the graphene touch pattern is changed according to the speed at which the PET tips touch the sensing pattern of the graphene touch pattern. That is, it is confirmed that the touch speed of the object may be sensed using the graphene touch sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 39 is a graph illustrating a response characteristic according to a touch speed of an object touched by a graphene touch sensor according to a third embodiment of the present disclosure, in which a sensing pattern is attached. The measurement result is frequency-converted.
  • the touch speed of the PET tip it can be seen that the output (amplitude) peaks are different. That is, it is confirmed that the touch speed of the object may be sensed using the graphene touch sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 40 is a graph illustrating characteristics of the graphene touch sensor according to the strength of the pressure applied to the graphene touch sensor according to the third embodiment of the present invention having a sensing pattern attached thereto.
  • the result of touching the graphene touch sensor with the sensing pattern described with reference to FIG. 39 with varying pressure with a PET tip was frequency converted.
  • PET tip was touched on the graphene touch sensor at high pressure in the order of (1), (2), (3), and (4) shown in FIG. 40.
  • the amplitude of the output was measured to correspond to the touched pressure. That is, using the graphene touch sensor according to an embodiment of the present invention, it can be seen that the touch pressure of the object can be sensed.
  • the graphene touch sensor according to an embodiment of the present invention may be used to sense various touches of an object such as hardness, roughness, pressure, viscoelasticity, temperature, and shape, and the graphene touch sensor according to an embodiment of the present invention may include It can be used in various electronic devices, medical devices and the like.

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Abstract

그래핀 터치 센서가 제공된다. 상기 그래핀 터치 센서는, 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치되고, 제1 돌출영역(protruding region) 및 제1 오목영역(concave region)를 갖는 제1 패턴, 상기 제1 기판 상의 제2 기판, 상기 제1 패턴과 마주보도록 상기 제2 기판 상에 배치되고, 상기 제2 돌출영역 및 제2 오목영역을 갖는 제2 패턴, 및 상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴 사이의 그래핀막을 포함한다.

Description

그래핀 터치 센서, 그 동작 방법, 및 그 제조 방법
본 발명은 그래핀 터치 센서, 그 동작 방법, 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
모바일 기기의 급속한 발전과 인간의 터치 감각을 모방하기 위한 노력으로 인하여, 터치를 기반으로 하는 기기의 개발이 주요한 이슈가 되고 있다. 현재까지 발명된 터치센서, 입는 전자기기 등은 터치의 유무를 센싱하기 위한 기능을 위해 개발되었다. 특히, 터치 센서에 사용되는 물질은 실리콘 또는 유리 기판 상에 배치된 ITO를 기반으로 하고 있다. 이러한 ITO 물질을 이용한 터치 센서는 유연하지 않아, 웨어러블 디바이스(Wearable Device), 커브드 디스플레이(curved display) 등에 활용되는 데 한계가 있다.
이에 따라, 나노 와이어, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 새로운 물질을 활용한 터치 센서의 개발이 진행 중이다. 예를 들어, 대한민국 특허공개공보 10-2013-0091493(출원번호 10-2012-0012817)에는, 고분자 스탬프와 유기 용매를 이용하여 패터닝된 그래핀 패턴층과 유기 절연체를 이용하여, 휨 특성이 우수하면서도 저가격화 및 대면적화가 가능한 그래핀 터치 패널 및 그 제조 방법이 개시되어 있다.
하지만, 이러한 그래핀 터치 센서들은 민감도가 낮고, 대상물의 터치 유무를 센싱할 뿐, 터치되는 대상물의 재질을 센싱하지 못하는 문제점이 있다. 이에 따라, 민감도가 우수하고, 유연하며, 대상물의 표면 특성(재질)을 센싱하기 위한 터치 센서에 대한 연구개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 고신뢰성의 그래핀 터치 센서, 그 동작 방법, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 유연한 그래핀 터치 센서, 그 동작 방법, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 고민감도의 그래핀 터치 센서, 그 동작 방법, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 터치되는 대상물의 재질을 센싱할 수 있는 그래핀 터치 센서, 그 동작 방법, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 투명한 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 그래핀 터치 센서를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 터치 센서는, 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치되고, 제1 돌출영역(protruding region) 및 제1 오목영역(concave region)를 갖는 제1 패턴, 상기 제1 기판 상의 제2 기판, 상기 제1 패턴과 마주보도록 상기 제2 기판 상에 배치되고, 상기 제2 돌출영역 및 제2 오목영역을 갖는 제2 패턴, 및 상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴 사이의 그래핀막을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 돌출영역 및 상기 제2 오목영역은 마주보도록 배치되고, 상기 제1 오목영역과 상기 제2 돌출영역은 마주보도록 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 기판은, 상기 제2 패턴이 배치된 일면, 및 상기 일면에 대향하는 타면을 포함하고, 상기 그래핀 터치 패턴은, 상기 제2 기판의 상기 타면 상에 배치되고, 센싱 패턴을 갖는 상부 기판을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 센싱 패턴은, 일정한 폭으로 서로 이격되어 일 방향으로 연장하는 복수의 라인(line) 형태일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴은, 일 방향으로 연장되는 복수의 라인(line) 형태일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 어느 하나는, 서로 이격되어 2차원적으로 배열된 복수의 도트(dot) 형태인 것을 포함하고,상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 다른 하나는, 상기 복수의 도트(dot)를 수용 가능한 메시(mesh) 형태일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 패턴의 폭은, 인접한 상기 제2 패턴 사이의 간격과 동일하고, 상기 제2 패턴의 폭은, 인접한 상기 제1 패턴 사이의 간격과 동일할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 패턴 및 제2 패턴은, 절연 물질로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 터치 센서는, 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치되고, 서로 이격된 제1 세그먼트(segment) 및 제2 세그먼트를 포함하는 제1 그래핀 패턴, 상기 제1 기판 상의 제2 기판, 및 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치된 제2 그래핀 패턴을 포함하되, 대상물의 터치 여부에 따라서, 상기 제2 그래핀 패턴에 의한 상기 제1 세그먼트 및 상기 제2 세그먼트의 전기적 연결이 조절되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 터치 센서는, 상기 제1 그래핀 패턴 및 상기 제2 그래핀 패턴 사이에 배치되고, 상기 제2 그래핀 패턴을 노출하는 개구부(opening)를 갖는 분리막(separation layer)을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 세그먼트 및 상기 제2 세그먼트 사이에, 상기 분리막의 개구부를 가로지르는(cross) 그루브(groove)가 정의될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 대상물의 터치가 없는 경우, 상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트는, 상기 그루브에 의해 전기적으로 연결되지 않을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 대상물이 터치되는 경우, 상기 그루브에 인접한 상기 제1 세그먼트의 일부분 및 상기 그루브에 인접한 상기 제2 세그먼트의 일부분은, 상기 제2 그래핀 패턴과 접촉되어, 상기 제1 세그먼트 및 상기 제2 세그먼트는 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그루브는 제1 방향으로 연장되고, 상기 제2 그래핀 패턴은, 상기 제1 방향과 교차되는 제2 방향으로 연장하는 라인(line) 형태일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 터치 센서는, 상기 제1 세그먼트와 상기 분리막 사이, 및 상기 제2 세그먼트와 상기 분리막 사이의 전극막들을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 터치 센서는, 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 베이스 기판(base substrate), 상기 베이스 기판의 상기 제1 면 상의 제1 그래핀 패턴, 및 상기 제1 그래핀 패턴 상에 배치되되, 상기 제2 면에 대상물의 터치에 따라서 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되는 면적이 조절되는 제2 그래핀 패턴을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 그래핀 패턴은, 상기 제2 면에 상기 대상물의 터치에 따라서 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되는 면적이 조절되는 중앙부(center portion), 및 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되지 않는 주변부(peripheral portion)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 터치 센서는, 상기 제1 그래핀 패턴의 양측에 배치되고, 상기 제1 그래핀 패턴과 이격되고, 상기 제2 그래핀 패턴과 연결된 전극막들을 더 포함하고, 상기 제2 그래핀 패턴은, 상기 전극막들 상에 배치되는 에지부(edge portion)을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 기판의 상기 제1 면과 상기 전극막들의 상부면들 사이의 거리는, 상기 베이스 기판의 상기 제1 면과 상기 제1 그래핀 패턴의 상부면 사이의 거리보다 길 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 터치 센서는, 상기 전극막들 및 상기 베이스 기판 사이에 배치된 구조물들(structures)을 더 포함하되, 상기 구조물들은 상기 베이스 기판과 일체를 이루고, 상기 제1 그래핀 패턴이 배치된 상기 베이스 기판의 상기 제1 면으로부터 돌출될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서는, 제1 기판 상에 배치되고, 제1 돌출영역 및 제1 오목영역을 갖는 제1 패턴, 및 제2 기판 상에 배치되고 제2 돌출영역 및 제2 오목영역을 갖는 제2 패턴을 포함한다. 돌출영역 및 오목영역을 갖는 상기 제1 패턴 및 제2 패턴은 서로 마주보도록 배치되어, 상기 그래핀 터치 센서에 대상물이 터치되는 경우, 상기 제1 패턴 및 제2 패턴 사이에 배치된 그래핀막의 변형이 증가될 수 있다. 이로 인해, 민감도가 향상된 그래핀 터치 센서가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서는, 제1 기판 상의 서로 이격된 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트를 포함하는 제1 그래핀 패턴, 및 제2 기판 상의 제2 그래핀 패턴을 포함하고, 대상물의 터치 여부에 따라서, 상기 제2 그래핀 패턴에 의한 상기 제1 세그먼트 및 상기 제2 세그먼트의 전기적 연결이 조절될 수 있다. 이에 따라, 고민감도 및 고신뢰성의 그래핀 터치 센서가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서는, 베이스 기판의 상에 배치된 제1 그래핀 패턴, 및 상기 제1 그래핀 패턴 상의 제2 그래핀 패턴을 포함하고, 대상물의 터치에 따라서 상기 제1 그래핀 패턴과 상기 제2 그래핀 패턴의 접촉 면적이 조절될 수 있다. 또한, 상기 대상물이 상대적으로 낮은 압력으로 터치되는 경우, 상기 제1 그래핀 패턴 및 상기 제2 그래핀 패턴을 포함하는 그래핀 패턴의 저항이 감소되고, 상기 대상물이 상대적으로 높은 압력으로 터치되는 경우, 상기 그래핀 패턴의 저항이 증가될 수 있다. 이에 따라, 고민감도 및 고신뢰성을 갖는 그래핀 터치 센서가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 제1 기판 구조체 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 제2 기판 구조체 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것들이다.
도 4 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 상부 기판 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 동작 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 포함된 제1 패턴 및 제2 패턴의 변형 예를 설명하기 위한 것들이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 주기적으로 일정한 압력을 인가한 경우 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 인가되는 압력에 따른 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 연속적인 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 터치되는 대상물의 터치 속도에 따른 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 인가되는 압력의 강도에 따른 그래핀 터치 센서의 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 터치되는 대상물의 질감에 따른 그래핀 터치 센서의 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 제1 기판 구조체 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 포함된 제2 기판 구조체 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 18 내지 도 20은 제1 기판 구조체 및 제2 기판 구조체를 이용한 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것들이다.
도 21은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 제조 방법에 따라 제조된 제1 기판 구조체 및 제2 기판 구조체의 투과도를 측정한 것이다.
도 22는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 제조 방법에 따라 제조된 제2 기판의 표면 조도를 측정한 것이다.
도 23은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 주기적으로 일정한 압력을 인가한 경우 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 24은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 상대적으로 높은 빈도를 갖는 압력을 주기적으로 인가한 경우 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 25는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 변화되는 압력을 인가한 경우 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 26은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 연속적인 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 27 내지 도 29는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 30은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 터치 센싱 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 31는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 센싱 패턴을 포함하는 그래핀 터치 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 32은 본 발명의 제3 실시 예의 변형 예에 따른 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 33은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 투과도를 측정한 그래프이다.
도 34은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 센싱 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 35는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 사용된 베이스 기판의 두께에 따른 특성 변화를 설명하기 위한 것이다.
도 36은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 주기적으로 일정한 압력을 인가한 경우 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 37은 본 발명의 제3 실시 에에 따른 그래핀 터치 센서를 이용하여 사람의 맥박을 측정한 것이다.
도 38는 센싱 패턴이 부착된 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 터치되는 대상물의 터치 속도에 따른 응답 특성을 설명하기 위한 것이다.
도 39은 센싱 패턴이 부착된 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 터치되는 대상물의 터치 속도에 따른 응답 특성을 설명하기 위한 것으로, 측정 결과를 주파수 변환한 것이다.
도 40는 센싱 패턴이 부착된 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 인가되는 압력의 강도에 따른 그래핀 터치 센서의 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
또한, 본 명세서에서 "터치 센서"는 터치되는 대상물의 터치 유무, 터치 강도, 터치 속도 등을 센싱하고, 터치되는 대상물의 표면 특성(재질)을 센싱하는 것을 포함하는 의미로 사용되며, "터치"는 대상물이 직접적으로 터치되는 것 또는 간접적으로 터치되는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서, 그 제조 방법, 및 그 동작 방법이 설명된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 제1 기판 구조체 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 1을 참조하면, 제1 기판(100) 및 상기 제1 기판(100) 상의 제1 패턴(110)을 포함하는 제1 기판 구조체가 제공된다. 상기 제1 기판(100)은 유연한 기판(flexible substrate)일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판(100)은, PET, PES, PI, PEN, 또는 PDMS 중에서 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 기판(100) 상에 상기 제1 패턴(110)이 형성될 수 있다. 상기 제1 패턴(110)을 형성하는 단계는, 상기 제1 기판(100) 상에 물질막(material layer)을 형성하는 단계, 상기 물질막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 물질막을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 물질막은 절연 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 물질막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘산질화물, 또는 알루미늄산화물 등으로 형성될 수 있다.
상기 제1 패턴(110)은 일 방향으로 연장되는 복수의 라인(line) 형태일 수 있다. 상기 복수의 라인은, 일정한 간격으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 복수의 라인 각각의 폭은, 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 상기 복수의 라인 각각의 높이는, 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 패턴(110)의 폭과 서로 인접한 제1 패턴(110) 사이의 간격이, 실질적으로 서로 동일할 수 있다.
상기 제1 패턴(110)은 제1 돌출영역(110a, first protruding region) 및 제1 오목영역(110b, first concave region)을 포함할 수 있다. 상기 제1 돌출영역(110a)은 상기 제1 패턴(110)의 상부면 상에 정의될 수 있다. 상기 제1 오목영역(110b)은 서로 인접한 제1 패턴(110) 사이에 정의될 수 있다. 다시 말하면, 상기 제1 오목영역(110b)는, 상기 제1 패턴(110) 사이에 노출된 상기 제1 기판(100)의 상부면 상에 정의될 수 있다. 상기 제1 패턴(110)에 의해, 상기 제1 기판(100) 상에 상기 제1 돌출영역(110a) 및 상기 제1 오목영역(110b)이 각각 복수로 제공될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 제2 기판 구조체 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것들이다.
도 2를 참조하면, 제2 기판(200)이 제공된다. 상기 제2 기판(200)은 유연한 기판(flexible substrate)일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판(200)은, PET, PES, PI, PEN, 또는 PDMS 중에서 어느 하나일 수 있다.
상기 제2 기판(200)의 일면 상에 제2 패턴(210)이 형성될 수 있다. 상기 제2 패턴(210)은, 도 1을 참조하여 설명된 상기 제1 패턴(110)과 동일한 방법으로 형성될 수 있다. 상기 제2 패턴(210)은 상기 제1 패턴(110)과 서로 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 제2 패턴(210)은 일 방향으로 연장되는 복수의 라인(line) 형태일 수 있다. 상기 복수의 라인은, 일정한 간격으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 복수의 라인 각각의 폭은, 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 상기 복수의 라인 각각의 높이는, 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 패턴(210)의 폭과 서로 인접한 제2 패턴(210) 사이의 간격이, 실질적으로 서로 동일할 수 있다.
상기 제2 패턴(210)은 제2 돌출영역(210a) 및 제2 오목영역(210b)을 포함할 수 있다. 상기 제2 돌출영역(210a)은 상기 제2 패턴(210)의 상부면 상에 정의될 수 있다. 상기 제2 오목영역(210b)은 서로 인접한 제2 패턴(210) 사이에 정의될 수 있다. 다시 말하면, 상기 제2 오목영역(210b)는, 상기 제2 패턴(210) 사이에 노출된 상기 제2 기판(200)의 상부면 상에 정의될 수 있다. 상기 제2 패턴(210)에 의해, 상기 제2 기판(200) 상에 상기 제2 돌출영역(210a) 및 상기 제2 오목영역(210b)이 각각 복수로 제공될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 제2 패턴(210) 상에 그래핀막(220, graphene layer)이 전사(transfer)될 수 있다. 상기 그래핀막(220)을 상기 제2 패턴(210) 상에 전사하는 단계는, 상기 그래핀막(220)을 갖는 금속 박막을 준비하는 단계, 상기 그래핀막(220) 상에 희생막을 코팅하는 단계, 상기 금속 박막을 상기 그래핀막(220)으로부터 제거하는 단계, 상기 그래핀막(220)이 상기 제2 패턴(210)과 접촉하도록 상기 희생막 및 상기 그래핀막(220)을 상기 제2 패턴(210) 상에 배치시키는 단계, 및 상기 희생막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 박막은 구리(Cu) 박막 일 수 있고, 상기 희생막은 PMMA일 수 있고, 상기 금속 박막은 FeCl3 용액 및 HCl을 이용하여 제거될 수 있고, 상기 희생막은 아세톤으로 제거될 수 있다.
상기 제2 패턴(210) 상에 그래핀막(220)을 전사한 후, 상기 제2 패턴(210) 상에 전극막들(230)이 형성될 수 있다. 상기 전극막들(230)은 상기 그래핀막(220)의 양측과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극막들(230)은 증착법으로 형성된 크롬(Cr) 및/또는 금(Au)을 포함할 수 있다.
상술된 방법으로, 상기 제2 기판(200), 상기 제2 기판(200) 상의 제2 패턴(210), 상기 제2 패턴(210) 상의 상기 그래핀막(220), 상기 그래핀막(220) 양측이 상기 전극막들(230)을 포함하는 제2 기판 구조체가 제공될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 상부 기판 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 4를 참조하면, 센싱 패턴(310)을 갖는 상부 기판(300)이 준비된다. 일 실시 예에 따르면, 상기 센싱 패턴(310)을 갖는 상기 상부 기판(300)을 준비하는 단계는, 평평한(flat) 상부면을 갖는 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 상부면 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 기판을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 센싱 패턴(310)과 상기 상부 기판(300)은 일체(one body)를 구성할 수 있다. 이 경우, 도 3에 도시된 바와 달리, 상기 센싱 패턴(310)과 상기 상부 기판(300) 사이의 경계선은 생랙될 수 있다.
상술된 바와 달리, 다른 실시 예에 따르면, 상기 센싱 패턴(310)을 갖는 상기 상부 기판(300)을 준비하는 단계는, 기판 상에 물질막을 형성하는 단계, 상기 물질막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 물질막을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 센싱 패턴(310)은 일 방향으로 연장되는 복수의 라인(line) 형태일 수 있다. 상기 복수의 라인은, 일정한 간격으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 복수의 라인 각각의 폭은, 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 상기 복수의 라인 각각의 높이는, 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 센싱 패턴(310)의 폭과 서로 인접한 센싱 패턴(310) 사이의 간격이, 실질적으로 서로 동일할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것이고, 도 6는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 동작 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 5 및 도 6를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서는, 도 1을 참조하여 설명된 상기 제1 기판 구조체, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된 상기 제2 기판 구조체, 및 도 4를 참조하여 설명된 상기 센싱 패턴(310)을 갖는 상기 상부 기판(300)을 포함할 수 있다.
상기 제1 패턴(110)과 상기 제2 패턴(210)이 마주보도록(facing), 상기 제1 기판(100) 상에 제2 기판(200)이 배치될 수 있다. 상기 제1 돌출영역(110a)은 상기 제2 오목영역(210b)과 마주보도록 배치되고, 상기 제2 오목영역(110b)은 상기 제1 돌출영역(210a)과 마주보도록 배치될 수 있다. 다시 말하면, 오목영역과 돌출영역을 포함하는 상기 제1 패턴(110) 및 상기 제2 패턴(210)이 서로 맞물리도록(interlocked) 상기 제1 기판(100) 상에 상기 제2 기판(200)이 배치될 수 있다.
상기 제1 패턴(110)의 폭은, 서로 인접한 상기 제2 패턴(210) 사이의 거리(상기 제2 오목영역(210b)의 폭)와 실질적으로 동일 할 수 있다. 상기 제2 패턴(210)의 폭은, 서로 인접한 상기 제1 패턴(110) 사이의 거리(상기 제1 오목영역(110b)의 폭)와 실질적으로 동일할 수 있다. 이로 인해, 상기 제1 패턴(110) 및 상기 제2 패턴(210)이 톱니바퀴와 같은 형태로 서로 맞물릴 수 있다.
상기 상부 기판(300)은, 상기 제2 기판(200)의 상기 일면(상기 제2 패턴(210)이 형성된)에 대향하는 타면 상에 배치될 수 있다. 상기 센싱 패턴(310)은 외부로 노출될 수 있다.
대상물이 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 상기 센싱 패턴(310)에 접촉하는 경우, 상기 제1 패턴(110)과 상기 제2 패턴(210) 사이에 배치된 상기 그래핀막(220)이 물리적으로 변형될 수 있다. 상기 그래핀막(220)의 물리적 변형에 의해, 상기 그래핀막(220)의 저항이 변화될 수 있다. 상기 그래핀막(220)의 저항 변화를 센싱하여, 상기 대상물의 터치 유무, 터치 강도, 또는 터치 속도가 센싱될 수 있다.
또한, 상기 대상물의 표면에 특정한 패턴이 있는 경우, 상기 대상물 표면과 상기 센싱 패턴(310)의 접촉에 의해, 상기 대상물 표면의 특정 패턴에 따라, 상기 그래핀막(220)의 저항이 변화될 수 있다. 이에 따라, 상기 대상물의 표면 특성에 따른 상기 그래핀막(220)의 저항 변화를 통해, 상기 대상물의 질감(texture)을 센싱할 수 있는 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 오목영역과 돌출 영역을 갖는 상기 제1 및 제2 패턴들(110, 210)이 서로 맞물리도록 배치되어, 상기 제1 패턴(110) 및 상기 제2 패턴(210) 사이의 상기 그래핀막(220)의 물리적 변형 정도가 증가될 수 있다. 이로 인해, 민감도가 향상된 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
상술된 실시 예와 달리, 제1 패턴 및 제2 패턴 중에서, 어느 하나는 복수의 도트(dot) 형태일 수 있고, 다른 하나는 상기 복수의 도트를 수용할 수 있는 메시(mesh) 형태일 수 있다. 이를 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 포함된 제1 패턴 및 제2 패턴의 변형 예를 설명하기 위한 것들이다.
도 7을 참조하면, 제1 기판(400) 상에 제1 패턴(410)이 배치될 수 있다. 상기 제1 기판(400)은 도 1을 참조하여 설명된 제1 기판(100)과 동일한 기판일 수 있다. 상기 제1 패턴(410)은 도 1을 참조하여 설명된 제1 패턴(110)과 동일한 방법으로 형성될 수 있다.
상기 제1 패턴(410)은 복수의 도트(dot) 형태일 수 있다. 상기 복수의 도트는, 상기 제1 기판(400) 상에서 서로 이격되어 2차원적으로 배열될 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 도트는, 일 방향으로 배열된 행, 및 상기 일 방향과 교차되는 다른 방향으로 배열된 열을 이루도록 배열될 수 있다.
상기 제1 패턴(410)은 제1 돌출영역(410a) 및 제1 오목영역(410a)을 포함할 수 있다. 상기 제1 돌출영역(410a)은 상기 제1 패턴(410)의 상부면 상에 정의될 수 있다. 상기 제1 오목영역(410b)은 서로 인접한 제1 패턴(410) 사이에 정의될 수 있다. 다시 말하면, 상기 제1 오목영역(410b)는, 상기 제1 패턴(410) 사이에 노출된 상기 제1 기판(400)의 상부면 상에 정의될 수 있다. 상기 제1 패턴(410)에 의해, 상기 제1 기판(400) 상에 상기 제1 돌출영역(410a) 및 상기 제1 오목영역(410b)이 각각 복수로 제공될 수 있다.
도 8을 참조하면, 제2 기판(500) 상에 제2 패턴(510)이 배치될 수 있다. 상기 제2 기판(500)은 도 1을 참조하여 설명된 제1 기판(100)과 동일한 기판일 수 있다. 상기 제2 패턴(510)은 도 1을 참조하여 설명된 제1 패턴(110)과 동일한 방법으로 형성될 수 있다.
상기 제2 패턴(510)은, 상기 복수의 도트 형태의 상기 제1 패턴(410)을 수용할 수 있는 메시(mesh) 형태일 수 있다. 상기 제2 패턴(510)은 제2 돌출영역(510a) 및 제2 오목영역(510a)을 포함할 수 있다. 상기 제2 돌출영역(510a)은 상기 제2 패턴(510)의 상부면 상에 정의될 수 있다. 상기 제2 오목영역(510b)는, 상기 제2 패턴(510)에 의해 노출된 상기 제2 기판(500)의 상부면 상에 정의될 수 있다.
상기 제1 패턴(410) 또는 상기 제2 패턴(510) 중 어느 하나에, 도 2b를 참조하여 설명된 것과 같이, 그래핀막이 전사될 수 있다. 이후, 상기 제1 패턴(410)의 상기 제1 돌출영역(410a)과 상기 제2 패턴(510)의 상기 제2 오목영역(510b)이 마주보고, 상기 제1 패턴(410)의 상기 제1 오목영역(410b)과 상기 제2 패턴(510)의 상기 제2 돌출영역(510a)이 마주보도록, 상기 제1 기판(400)과 상기 제2 기판(500)이 배치될 수 있다.
상기 제1 패턴(410)이 평면적 관점에서(in plain view), 사각형인 것으로 도 5a에 도시되었으나, 상기 제1 패턴(410)은 원, 삼각형, 기타 다각형으로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 패턴(510)은 상기 제1 패턴(410)을 수용할 수 있는 원, 삼각형, 기타 다각형의 수용부를 갖는 메시 형태로 구성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 주기적으로 일정한 압력을 인가한 경우 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 실리콘 산화물(SiO2) 제1 패턴, 상기 제1 패턴과 맞물리도록 배치된 실리콘 산화물(SiO2) 제2 패턴, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 사이의 그래핀막을 갖는 그래핀 터치 센서를 제조하였다. 상기 그래핀 터치 센서에 일정한 주기로 일정한 압력을 인가하여, 상기 그래핀막의 저항 변화를 측정하였다. 도 9의 그래프에서 R0는 물리적인 변형이 없는 상태의 상기 그래핀막의 저항이다. 도 9의 그래프에서 △R은, 대상물이 상기 그래핀 터치 센서에 터치되어 인가된 압력에 의해 물리적인 변형이 있는 상태의 상기 그래핀막의 저항 변화량이다.
주기적으로 일정한 압력이 인가되는 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 그래핀 터치 센서의 응답(△R/R0) 특성이 실질적으로 일정한 것으로 확인된다. 즉, 그래핀막을 이용한 상기 그래핀 터치 센서의 응답 특성의 신뢰성을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 인가되는 압력에 따른 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 그래핀 터치 센서에 압력을 변화시키면서 인가하고, 변화되는 압력에 따라 상기 그래핀 터치 센서의 응답(△R/R0) 특성을 측정하였다. 도 10에서 확인할 수 있듯이, 인가되는 압력이 증가할수록 상기 그래핀 터치 센서의 응답(△R/R0)이 증가하며, 인가되는 압력이 감소할수록 상기 그래핀 터치 센서의 응답(△R/R0)이 감소되는 것이 확인된다. 즉, 인가되는 압력의 세기에 대응하여 상기 그래핀 터치 센서의 응답(△R/R0)이 변화되며, 이러한 응답 특성을 이용하여, 대상물이 상기 그래핀 터치 센서에 터치되는 강도를 측정할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 연속적인 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 1,000번의 주기적인 압력을 인가하여, 상기 그래핀 터치 센서의 응답(△R/R0) 특성을 측정하였다. 도 11에서 확인할 수 있듯이, 1,000번의 주기적인 압력에 대해서 상기 그래핀 터치 센서의 응답 특성은 열화되지 않고, 신뢰성 있는 응답(△R/R0) 특성을 보이는 것이 확인된다.
도 12는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 터치되는 대상물의 터치 속도에 따른 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12를 참조하면, 100μm의 폭, 100μm의 간격, 및 100μm의 두께의 센싱 패턴을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 single PET tip을 0.6X10-4m/s, 0.9X10-4m/s, 1.2X10-4m/s, 2.4X10-4m/s의 속도로 터치(접촉된 상태에서 일 방향으로 스캔)하였다. 상기 PET tip을 상기 그래핀 터치 패턴의 상기 센싱 패턴에 터치하는 속도에 따라서, 상기 그래핀 터치 패턴의 응답(△R/R0) 특성이 변화되는 것이 확인된다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서를 이용하여, 대상물의 터치 속도가 센싱될 수 있다.
도 13은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 인가되는 압력의 강도에 따른 그래핀 터치 센서의 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 13을 참조하면, 100μm의 폭, 100μm의 간격, 및 100μm의 두께의 센싱 패턴을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 125μm 두께의 single PET tip으로 압력을 달리하면서 터치한 결과를 주파수 변환하였다. 도 13에 도시된 (1), (2), (3), 및 (4)의 순서로 높은 압력으로 상기 그래핀 터치 센서에 PET tip를 터치하였다. 도 13에 도시된 것과 같이, 서로 다른 압력으로 터치한 경우, 터치된 압력에 대응하여 출력의 크기(amplitude)가 다른 것으로 측정되었다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서를 이용하여, 대상물의 터치 압력이 센싱될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 터치되는 대상물의 질감에 따른 그래핀 터치 센서의 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 14를 참조하면, 100μm의 폭, 100μm의 간격, 및 100μm의 두께의 센싱 패턴을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 종이, 손, 100μm 주기를 갖는 제1 샘플 대상물, 및 200μm 주기를 갖는 제2 샘플 대상물로 터치한 결과를 주파수 변환하였다. 도 14에서 (a) 내지 (d)는 각각 종이, 손, 제1 샘플 대상물, 및 제2 샘플 대상물로 터치한 결과이다. 도 14의 (a)에서 알 수 있듯이, 표면에 특정한 패턴이 없이 실질적으로 평평한(flat) 종이로 상기 그래핀 터치 센서를 터치하는 경우, 메인 peak가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 14의 (b) 내지 (d)에서와 같이, 표면에 특정한 패턴을 갖는 대상물로 상기 그래핀 터치 센서를 터치하는 경우, 대상물의 표면 특성에 따라서 메인 peak가 발생되는 것으로 측정되었다. 즉, 대상물의 표면 특성에 따른 메인 peak을 분석하여, 대상물의 질감(표면 특성)을 센싱할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명이 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법이 설명된다.
도 15은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 제1 기판 구조체 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 15을 참조하면, 제1 기판(610), 상기 제1 기판(610) 상의 제1 그래핀 패턴(622a, 622b), 상기 제1 그래핀 패턴(622a, 622b)과 상기 제1 기판(610) 사이의 접착층(620a, 620b), 및 상기 제1 그래핀 패턴(622a, 622b) 상의 전극막들(630)을 포함하는 제1 기판 구조체가 제공된다.
상기 제1 기판(610)은 유연한 기판(flexible substrate)일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판(610)은, PET, PES, PI, PEN, 또는 PDMS 중에서 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 기판(610) 상에 상기 제1 그래핀 패턴(622a, 622b)이 상기 접착층(620a, 620b)을 이용하여 전사(transfer)될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 그래핀 패턴(622a, 622b)을 전사하는 단계는, 그래핀막을 갖는 금속 박막(예를 들어, 구리 박막)을 준비하는 단계, 상기 그래핀막 상에 접착층(예를 들어, PMMA)을 코팅하는 단계, 상기 금속 박막, 상기 그래핀막, 및 상기 접착층을 제1 및 제2 조각(piece)으로 분리시키는 단계, 분리된 상기 제1 및 제2 조각이 서로 이격되고 상기 접착층이 상기 제1 기판과 접촉되도록 상기 제1 및 제2 조각을 상기 제1 기판 상에 배치시키는 단계, 및 상기 제1 및 제2 조각으로부터 상기 금속 박막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 그래핀 패턴(622a, 622b)은 서로 이격된 제1 세그먼트(622a, first segment) 및 제2 세그먼트(622b, second segment)를 포함할 수 있다. 상술된 상기 제1 그래핀 패턴(622a, 622b)의 전사 공정에서 상기 제1 조각에 포함된 그래핀막이 상기 제1 세그먼트(622a)로 정의되고, 상기 제2 조각에 포함된 그래핀막이 제2 세그먼트(622b)로 정의될 수 있다.
상기 제1 세그먼트(622a) 및 상기 제2 세그먼트(622b) 사이에 그루브(groove)가 정의될 수 있다. 상기 그루브는 제1 방향으로 연장될 수 있다. 상기 제1 세그먼트(622a) 및 상기 제2 세그먼트(622b)는 상기 그루브를 사이에 두고 물리적으로(physically) 그리고 전기적으로(electrically) 분리될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 그루브의 폭은 약 0.5mm~1mm일 수 있다.
상기 제1 세그먼트(622a) 및 상기 제2 세그먼트(622b) 상에 전극막들(630)이 각각 형성될 수 있다. 상기 전극막들(630)은, 상기 제1 세그먼트(622a)의 일부분 및 상기 제2 세그먼트(622b)의 일부분을 덮되, 상기 그루브에 인접한 상기 제1 세그먼트(622a)의 일부분 및 상기 제2 세그먼트(622b)의 일부분을 덮지 않을 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 전극막들(630)은 스퍼터(sputter) 공정을 이용하여 백금(Pt) 등으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극막들(630)의 두께는 약 100nm일 수 있다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 포함된 제2 기판 구조체 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 16을 참조하면, 제2 기판(710, 712, 714)이 준비된다. 상기 제2 기판(710, 712, 714)은 베이스 기판(710, base substrate), 상기 베이스 기판(710) 상의 평탄화막(712, planarization layer), 및 상기 평탄화막(712) 상의 절연막(714)을 포함할 수 있다. 이로 인해, 그래핀 패턴이 형성되는 상기 절연막(714)의 상부면의 표면 조도가 최소화되어, 고신뢰성의 그래핀 터치 센서가 제공될 수 있다.
상기 베이스 기판(710)은 유연한 기판(flexible substrate)일 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 기판(710)은, PET, PES, PI, PEN, 또는 PDMS 중에서 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 평탄화막(712)은 PI이고, 상기 절연막(714)은 실리콘 산화물일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 기판(710, 712, 714)을 준비하는 단계는, 상기 베이스 기판(710) 상에 스핀 코팅 공정으로 PI를 코팅하여 상기 평탄화막(712)을 형성하는 단계, 및 상기 평탄화막(712) 상에 PECVD 공정으로 실리콘 산화막을 증착하여 상기 절연막(714)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 기판(710, 712, 714) 상에 그래핀막(720)이 전사(transfer)될 수 있다. 상기 그래핀막(720)을 전사하는 단계는, 상기 그래핀막(720)을 갖는 금속 박막(예를 들어, 구리 박막)을 준비하는 단계, 상기 그래핀막(720) 상에 희생막(예를 들어, PMMA)을 코팅하는 단계, 상기 금속 박막을 상기 그래핀막(720)으로부터 제거하는 단계, 상기 희생막 및 상기 그래핀막(720)을 상기 절연막(714) 상에 배치하는 단계, 및 상기 희생막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
계속해서, 도 17를 참조하면, 상기 그래핀막(720)이 패터닝되어, 상기 제2 기판(710, 712, 714)의 상기 절연막(714) 상에 제2 그래핀 패턴(722)이 형성될 수 있다. 이로 인해, 상기 제2 기판(710, 712, 714) 및 상기 제2 그래핀 패턴(722)을 포함하는 제2 기판 구조체가 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀막(720)은 포토리소그래피 공정으로 패터닝될 수 있다. 상기 제2 그래핀 패턴(722)은 일 방향으로 연장하는 라인(line) 형태일 수 있다. 상기 복수의 라인들은 서로 동일한 폭(width)을 가지고, 서로 동일한 간격으로 이격될 수 있다.
또는, 상술된 바와 달리, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 도 16를 참조하여 설명된 상기 그래핀막(720)의 패터닝 공정을 생략하고, 평판 형태의 상기 그래핀막(720)이 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 제2 그래핀 패턴으로 활용될 수 있다.
도 18 내지 도 20는 제1 기판 구조체 및 제2 기판 구조체를 이용한 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것들이다.
도 18 내지 도 20를 참조하면, 분리막(800, separation layer)을 사이에 두고, 도 15을 참조하여 설명된 제1 기판 구조체, 및 도 16 및 도 17를 참조하여 설명된 제2 기판 구조체가 조립될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 그래핀 패턴(622a, 622b) 및 상기 제2 그래핀 패턴(722)이 서로 마주보도록(facing) 배치되고, 상기 제1 그래핀 패턴(622a, 622b) 및 상기 제2 그래핀 패턴(722) 사이에 상기 분리막(800)이 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 세그먼트(622a) 및 상기 제2 세그먼트(622b) 사이의 상기 그루브가 상기 제1 방향으로 연장하는 경우, 상기 제2 그래핀 패턴(722)의 연장 방향(제2 방향)이 상기 제1 방향과 교차되도록, 상기 제1 기판 구조체 및 상기 제2 기판 구조체가 조립될 수 있다.
상기 분리막(800)은 절연 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막(800)은 125μm 두께의 PET일 수 있다. 상기 분리막(800)은 개구부(810, opening)을 가질 수 있다. 상기 분리막(800)의 상기 개구부(810)는 상기 제1 그래핀 패턴(622a, 622b) 및 상기 제2 그래핀 패턴(722)을 노출할 수 있다. 구체적으로, 상기 그루브는 상기 개구부(810)를 가로지르고, 상기 개구부(810)는 상기 그루브에 인접한 상기 제1 세그먼트(622a)의 일부분, 및 상기 그루브에 인접한 상기 제2 세그먼트(622b)의 일부분을 노출할 수 있다.
도 18에서 상기 분리막(800)의 상기 개구부(810)는 직사각형인 것으로 도시되었으나, 원형, 타원형, 기타 다각형 모양으로 형성될 수 있다.
대상물의 터치가 없는 경우, 상기 제1 세그먼트(622a) 및 상기 제2 세그먼트(622b)는 전기적으로 서로 연결되지 않을 수 있다. 반면, 대상물의 터치가 있는 경우, 도 20에 도시된 것과 같이, 상기 분리막(800)의 상기 개구부(810)를 통해, 상기 그루브에 인접한 상기 제1 세그먼트(622a)의 일부분과 상기 그루브에 인접한 상기 제2 세그먼트(622b)의 일부분이 상기 제2 그래핀 패턴(722)과 접촉될 수 있다. 이로 인해, 상기 제1 세그먼트(622a) 및 상기 제2 세그먼트(622b) 상의 상기 전극막들(630)이 전기적으로 연결되어, 대상물의 터치 여부가 센싱될 수 있다. 이에 따라, 고신뢰성, 고유연성, 고민감도의 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 21는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 제조 방법에 따라 제조된 제1 기판 구조체 및 제2 기판 구조체의 투과도를 측정한 것이다.
도 21를 참조하면, 도 21의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따라 PDMS를 제1 기판으로 사용하고 PMMA를 접착층으로 사용하여 제조된 제1 기판 구조체의 투과도를 측정한 것이다. 550nm 파장 대역에서 PDMS의 투과도는 92.7%인 것으로 측정되었고, 550nm 파장 대역에서 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 제1 기판 구조체의 투과도는 86.3%인 것으로 측정되었다. 그래핀 패턴 등을 형성하더라도 투과도가 크게 감소되지 않아, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 제1 기판 구조체를 투명 그래핀 터치 센서에 활용할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 21의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따라 적층된 PET, PI, 및 실리콘 산화막을 제2 기판으로 사용하여 제조된 제2 기판 구조체의 투과도를 측정한 것이다. 550nm 파장 대역에서 87%의 투과도를 갖는 것으로 측정되었다. 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 제2 기판 구조체를 투명 그래핀 터치 센서에 활용할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 22는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 제조 방법에 따라 제조된 제2 기판의 표면 조도를 측정한 것이다.
도 22를 참조하면, 도 22의 (a)는 도 16 및 도 17를 참조하여 설명된 제2 기판의 제조 방법에서 평탄화막을 생략하고 PET 기판 상에 실리콘 산화막을 형성한 후 표면 조도를 측정한 것이고, 도 22의 (b)는 도 16 및 도 17를 참조하여 설명된 제2 기판의 제조 방법에 따라 PET 기판 상에 평탄화막으로 PI를 코팅하고 실리콘 산화막을 형성한 후 표면 조도를 측정한 것이다. 평탄화막을 생략한 경우 표면 조도의 RMS 값은 약 6.270nm로 측정되었으나, 본 발명의 실시 예에 따라 평탄화막을 사용한 경우 표면 조도의 RMS 값이 약 5.005nm로 측정되었다. 즉, 평탄화막을 이용하여 표면 조도를 감소시켜 그래핀 터치 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 23은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 주기적으로 일정한 압력을 인가한 경우 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 23을 참조하면, 도 18 내지 도 20를 참조하여 설명된 제1 기판 구조체 및 제2 기판 구조체 사이에 개구부를 갖는 PET를 분리막으로 사용하여 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서를 제조하였다. 상기 그래핀 터치 센서에 일정한 주기로 일정한 압력을 인가하여, 커패시턴스의 변화를 측정하였다. 도 22의 그래프에서 C0는 대상물의 터치가 없는 없는 상태의 커패시턴스이다. 도 22의 그래프에서 △C은, 대상물이 상기 그래핀 터치 센서에 터치된 상태의 커패시턴스 변화량이다.
주기적으로 일정한 압력이 인가되는 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 그래핀 터치 센서의 응답 특성(△C/C0)이 실질적으로 일정한 것으로 확인된다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 그래핀 터치 센서의 응답 특성의 신뢰성을 확인할 수 있다.
도 24은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 상대적으로 높은 빈도를 갖는 압력을 주기적으로 인가한 경우 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 24을 참조하면, 도 23을 참조하여 설명된 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 상대적으로 높은 빈도인 5Hz로 압력을 인가하고, 응답 특성(△C/C0)을 측정하였다. 상대적으로 높은 빈도로 압력을 주기적으로 인가하더라도, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 응답 특성(△C/C0)은 실질적으로 일정한 것을 확인할 수 있다.
도 25는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 변화되는 압력을 인가한 경우 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 25를 참조하면, 도 23을 참조하여 설명된 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 점차적으로 증가되는 압력 및 점차적으로 감소되는 압력을 인가하고, 응답 특성(△C/C0)을 측정하였다. 상기 그래핀 터치 센서에 점차적으로 증가되는 압력이 인가되는 경우, 상기 그래핀 터치 센서의 응답 특성(△C/C0)이 상기 증가되는 압력에 대응하여 점차적으로 증가되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 그래핀 터치 센서에 점차적으로 감소되는 압력이 인가되는 경우, 상기 그래핀 터치 센서의 응답 특성(△C/C0)이 상기 감소되는 압력에 대응하여 점차적으로 감소되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서를 이용하여, 대상물이 터치되는 압력의 강도, 압력의 변화량을 효율적으로 측정할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 26은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 연속적인 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 26을 참조하면, 도 123을 참조하여 설명된 본 발명의 실시 예에 따른 상기 그래핀 터치 센서에 100번의 주기적인 압력을 인가하고, 상기 그래핀 터치 센서의 응답 특성(△C/C0)을 측정하였다. 도 20에서 확인할 수 있듯이, 100번의 주기적인 압력에 대해서 상기 그래핀 터치 센서의 응답 특성은 열화되지 않고, 신뢰성 있는 응답 특성(△C/C0)을 보이는 것이 확인된다.
본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법이 설명된다.
도 27 내지 도 29은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 27을 참조하면, 베이스 기판(910, base substrate)이 제공된다. 상기 베이스 기판(910)은 유연한 기판(flexible substrate)일 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 기판(910)은, PET, PES, PI, PEN, 또는 PDMS 중에서 어느 하나일 수 있다. 상기 베이스 기판(910)은 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 포함할 수 있다.
상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면 상에 제1 그래핀 패턴(920)이 전사(transfer)될 수 있다. 상기 제1 그래핀 패턴(920)을 전사하는 단계는, 그래핀막을 갖는 금속 박막을 준비하는 단계, 상기 그래핀막을 갖는 상기 금속 박막을 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면에 부착하는 단계, 및 상기 금속 박막을 상기 그래핀막으로부터 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 박막은 구리(Cu) 박막일 수 있다. 이 경우, 상기 구리 박막은, FeCl3, HCl, 및 초순수 등을 이용하여 제거될 수 있다.
도 28를 참조하면, 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면 상에 전극막들(930)이 형성될 수 있다. 상기 전극막들(930)은 상기 제1 그래핀 패턴(920)의 양측에 형성될 수 있다. 상기 전극막들(930)은 상기 제1 그래핀 패턴(920)과 이격될 수 있다. 이로 인해, 상기 전극막들(930) 및 상기 제1 그래핀 패턴(920)은 전기적으로 연결되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전극막들(930)은 스퍼터 공정(sputter)으로 형성된 크롬(Cr), 금(Au), 또는 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 전극막들(930)의 상부면들은, 상기 제1 그래핀 패턴(920)의 상부면보다 높은 레벨(level)을 가질 수 있다. 다시 말하면, 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면을 기준으로, 상기 전극막들(930)의 상기 상부면들은 상기 제1 그래핀 패턴(920)의 상기 상부면보다 높은 곳에 위치할 수 있다. 이로 인해, 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면과 상기 전극막들(930)의 상기 상부면들 사이의 거리는, 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면과 상기 제1 그래핀 패턴(920)의 상기 상부면 사이의 거리보다 길 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 전극막들(930)의 두께는 상기 제1 그래핀 패턴(920)의 두께보다 두껍고, 이에 따라, 상기 전극막들(930)의 상기 상부면들이 상기 제1 그래핀 패턴(920)의 상기 상부면보다 높은 레벨을 가질 수 있다.
도 29을 참조하면, 상기 전극막들(930)이 형성된 후, 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면 상에 제2 그래핀 패턴(940)이 전사될 수 있다. 상기 제2 그래핀 패턴(940)을 전사하는 단계는, 그래핀막을 갖는 금속 박막을 준비하는 단계, 상기 그래핀막 상에 희생막을 코팅하는 단계, 상기 금속 박막을 상기 그래핀막으로부터 제거하는 단계, 상기 그래핀막이 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면에 부착되도록 상기 희생막 및 상기 그래핀막을 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면 상에 배치시키는 단계, 및 상기 희생막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 금속 박막은 구리(Cu) 박막 일 수 있고, 상기 희생막은 PMMA일 수 있고, 상기 금속 박막은 FeCl3 용액 및 HCl을 이용하여 제거될 수 있고, 상기 희생막은 아세톤으로 제거될 수 있다.
상기 제2 그래핀 패턴(940)은, 중앙부(CP, center portion), 주변부(PP, peripheral portion), 및 에지부(EP, edge portion)을 포함할 수 있다. 상기 제2 그래핀 패턴(940)의 상기 중앙부(CP)는 상기 제1 그래핀 패턴(920)과 접촉될 수 있다. 후술되는 바와 같이, 상기 제2 그래핀 패턴(940)의 상기 중앙부(CP)는, 대상물의 터치에 따라서, 상기 제1 그래핀 패턴(920)과 접촉되는 면적이 조절될 수 있다. 상기 제2 그래핀 패턴(940)의 상기 에지부(EP)는 상기 전극막들(930) 상에 배치되고, 상기 전극막들(930)과 접촉될 수 있다. 상기 에지부(EP)를 갖는 상기 제2 그래핀 패턴(940)에 의해, 상기 전극막들(930)은 전기적으로 서로 연결될 수 있다. 상기 제2 그래핀 패턴(940)의 상기 주변부(PP)는 상기 에지부(EP) 및 상기 중앙부(CP) 사이에 정의될 수 있다. 상기 제2 그래핀 패턴(930)의 상기 주변부(PP) 및 상기 에지부(EP)는 상기 제1 그래핀 패턴(920)과 접촉하지 않을 수 있다.
도 30는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 터치 센싱 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 30를 참조하면, 상기 베이스 기판(910)의 상기 제2 면에 대상물이 터치되고, 상기 대상물의 터치는 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면 상에 배치된 그래핀 패턴(상기 제1 그래핀 패턴(920) 및 상기 제2 그래핀 패턴(940))으로 센싱될 수 있다.
구체적으로, 도 30 (a)에 도시된 것과 같이, 상기 대상물의 터치가 없는 경우, 상기 제1 그래핀 패턴(920)과 상기 제2 그래핀 패턴(940)이 접촉되는 면적(X)이 정의되고, 상기 제1 그래핀 패턴(920)과 접촉하지 않는 상기 제2 그래핀 패턴(940)의 면적(Y)이 정의된다.
도 30 (b)에 도시된 것과 같이, 상기 제1 그래핀 패턴(920) 및 상기 제2 그래핀 패턴(940)이 배치된 상기 베이스 기판(910)의 상기 제2 면에 대상물이 터치될 수 있다. 상기 대상물이 상기 베이스 기판(910)의 상기 제2 면에 터치되는 경우, 상기 제1 그래핀 패턴(920)과 상기 제2 그래핀 패턴(940)이 접촉되는 면적(X+△X)이, 도 30(a)에 도시된 것과 비교하여, 증가될 수 있다. 다시 말하면, 상기 대상물이 상기 베이스 기판(910)의 상기 제2 면에 대상물의 터치에 따라서, 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면 상에 배치된 제1 그래핀 패턴(920) 및 상기 제2 그래핀 패턴(940)의 접촉되는 면적(X 또는 X+△X)이 변경될 수 있다.
상기 대상물이 상대적으로 낮은 압력으로 상기 베이스 기판(910)의 상기 제2 면을 터치하는 경우, 상기 제1 그래핀 패턴(920)과 상기 제2 그래핀 패턴(940)이 접촉 면적(X+△X)이 증가되어, 상기 전극막들(930) 사이의 저항이 감소될 수 있다. 반면, 상기 대상물이 상대적으로 높은 압력으로 상기 베이스 기판(910)의 상기 제2 면을 터치하는 경우, 상기 제1 그래핀 패턴(920)과 접촉되지 않은 상기 제2 그래핀 패턴(940)의 일부분(Y+△Y)의 탄소(C)-탄소(C) 결합(bonding)의 변형에 의해, 상기 전극막들(930) 사이의 저항이 증가될 수 있다.
즉, 상기 대상물이 기준 압력보다 낮은 압력으로 상기 베이스 기판(910)의 상기 제2 면을 터치하는 경우, 상기 전극막들(930) 사이의 상기 제1 그래핀 패턴(920) 및 상기 제2 그래핀 패턴(940)의 저항이, 상기 제1 그래핀 패턴(920)과 상기 제2 그래핀 패턴(940)의 접촉 면적 증가(X+△X )로 인해 감소될 수 있다. 반면, 상기 대상물이 기준 압력보다 높은 압력으로 상기 베이스 기판(910)의 상기 제2 면을 터치하는 경우, 상기 전극막들(930) 사이의 상기 제2 그래핀 패턴(940)의 일부분(Y+△Y)의 저항이, 탄소(C)-탄소(C) 결합(bonding)의 변형으로 인해 증가될 수 있다. 이로 인해, 저항이 감소되는 저 압력 구간에서 고민감도를 갖고, 저항이 증가되는 고 압력 구간에서 높은 응답속도를 갖는 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 31는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 센싱 패턴을 포함하는 그래핀 터치 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 31를 참조하면, 도 27 내지 도 30를 참조하여 설명된 그래핀 터치 센서의 상기 베이스 기판(910)의 상기 제2 면 상에 센싱 패턴(952)을 갖는 상부 기판(950)이 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 센싱 패턴(952)을 갖는 상기 상부 기판(950)을 준비하는 단계는, 평평한(flat) 상부면을 갖는 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 상부면 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 기판을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 센싱 패턴(952)과 상기 상부 기판(950)은 일체(one body)를 구성할 수 있다. 이 경우, 도 31에 도시된 바와 달리, 상기 센싱 패턴(952)과 상기 상부 기판(950) 사이의 경계선은 생략될 수 있다.
상술된 바와 달리, 다른 실시 예에 따르면, 상기 센싱 패턴(952)을 갖는 상기 상부 기판(950)을 준비하는 단계는, 기판 상에 물질막을 형성하는 단계, 상기 물질막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 물질막을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 센싱 패턴(952)은 일 방향으로 연장되는 복수의 라인(line) 형태일 수 있다. 상기 복수의 라인은, 일정한 간격으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 복수의 라인 각각의 폭은, 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 상기 복수의 라인 각각의 높이는, 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 센싱 패턴(952)의 폭과 서로 인접한 센싱 패턴(952) 사이의 간격이, 실질적으로 서로 동일할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 상기 센싱 패턴(952)에 대상물이 터치되고, 상기 대상물의 표면에 특정한 패턴이 있는 경우, 상기 대상물 표면과 상기 센싱 패턴(952)의 접촉에 의해, 상기 대상물 표면의 특정 패턴에 따라, 상기 그래핀 패턴(920, 940)의 저항이 변화될 수 있다. 이에 따라, 상기 대상물의 표면 특성에 따른 상기 그래핀 패턴(920, 940)의 저항 변화를 통해, 상기 대상물의 질감(texture)을 센싱할 수 있는 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면 전극막들 및 베이스 기판 사이에 구조물이 배치될 수 있다. 이를, 도 32을 참조하여 설명한다.
도 32은 본 발명의 제3 실시 예의 변형 예에 따른 그래핀 터치 센서 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 32을 참조하면, 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면 및 상기 전극막들(930) 사이에 구조물들(112, structures)이 배치될 수 있다. 상기 구조물들(112)은 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면으로부터 돌출될 수 있다. 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면과 상기 구조물들(112)의 상부면들 사이의 거리는, 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면과 상기 제1 그래핀 패턴(920)의 상기 상부면 사이의 거리보다 길 수 있다.
상기 구조물들(112)에 의해, 상기 전극막들(930)의 상기 상부면들과 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면 사이의 거리는, 상기 제1 그래핀 패턴(920)의 상기 상부면과 상기 베이스 기판(910)의 상기 제1 면 사이의 거리보다 길 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 구조물들(112)은 상기 베이스 기판(910)을 몰딩할 때 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 구조물들(112)과 상기 베이스 기판(910)은 일체(one body)를 이루고, 도 32에 도시된 바와 달리, 상기 구조물들(112)과 상기 베이스 기판(910) 사이의 경계면은 생략될 수 있다.
이와는 달리, 다른 실시 예에 따르면, 상기 구조물들(112)은 상기 베이스 기판(910)과 동일 또는 다른 물질로 상기 베이스 기판(910) 상에 부착된 것일 수 있다. 이 경우, 상기 구조물들(112)은 상기 제1 그래핀 패턴(920)의 형성 후, 또는 상기 제1 그래핀 패턴(920) 형성 전에 제공될 수 있다.
도 33은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 투과도를 측정한 그래프이다.
도 33을 참조하면, PDMS를 베이스 기판으로 사용하여 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서를 제조하고, 투과도를 측정하였다. 약 550nm 파장 대역에서, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 투과도는 91.7%인 것으로 측정되었다. 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서가 높은 투명도를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 34은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서의 센싱 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 34을 참조하면, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 인가되는 압력에 다른 응답 특성(△R/R0)을 측정하였다. 도 34의 그래프에서 R0는 대상물의 터치가 없는 없는 상태의 저항이다. 도 34의 그래프에서 △R은, 대상물이 상기 그래핀 터치 센서에 터치된 상태의 저항의 변화량이다.
약 1KPa을 기준으로, 1KPa보다 낮은 압력에 대해서는, 터치되는 압력이 증가될수록 저항이 감소되는 것을 확인할 수 있다. 이는, 도 30를 참조하여 설명된 것과 같이, 제1 그래핀 패턴과 제2 그래핀 패턴의 접촉 면적의 증가에 기인한 것으로 해석된다. 반면, 1Kpa 보다 높은 압력에 대해서는, 터치되는 압력이 증가될수록 저항이 증가되는 것을 확인할 수 있다. 이는, 도 30를 참조하여 설명된 것과 같이, 제2 그래핀 패턴의 탄소(C)-탄소(C) 결합의 변형에 기인한 것으로 해석된다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서는, 상대적으로 낮은 압력 구간에서 저항이 감소되고, 상대적으로 높은 압력 구간에서 저항이 증가되는 것을 확인할 수 있다.
도 35는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 사용된 베이스 기판의 두께에 따른 특성 변화를 설명하기 위한 것이다.
도 35를 참조하면, 베이스 기판으로 사용된 PDMS의 두께를 달리하여 그래핀 터치 센서를 제조하고, PDMS의 두께에 따른 저항 변화를 측정하였다. 도 35에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(PDMS)의 두께가 증가함에 따라서, 제1 그래핀 패턴과 제2 그래핀 패턴의 접촉 면적 증가에 따른 저항의 변화량이 증가하고, 제2 그래핀 패턴의 탄소(C)-탄소(C) 결합의 변형에 기인한 저항의 변화량이 감소되는 것을 확인할 수 있다.
다시 말하면, 베이스 기판(PDMS)의 두께를 조절하여 그래핀 터치 센서의 저항 변화와 관련된 두 가지 요소(제1 그래핀 패턴과 제2 그래핀 패턴의 접촉 면적, 그래핀 패턴의 탄소-탄소 결합 변형)를 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 36은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 주기적으로 일정한 압력을 인가한 경우 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 36을 참조하면, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 상기 그래핀 터치 센서에 일정한 주기로 기준 압력보다 높은 압력을 인가하여, 커패시턴스의 변화를 측정하였다. 즉, 대상물에 의해 인가되는 압력이 상대적으로 높아, 인가되는 압력에 따라서 저항이 증가되는 구간에서 커패시턴스의 변화를 측정한 것이다. 도 36의 그래프에서 C0는 대상물의 터치가 없는 없는 상태의 커패시턴스이다. 도 36의 그래프에서 △C은, 대상물이 상기 그래핀 터치 센서에 터치된 상태의 커패시턴스 변화량이다.
주기적으로 일정한 압력이 인가되는 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 그래핀 터치 센서의 응답 특성(△C/C0)이 실질적으로 일정한 것으로 확인된다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 그래핀 터치 센서의 응답 특성의 신뢰성을 확인할 수 있다.
도 37은 본 발명의 제3 실시 에에 따른 그래핀 터치 센서를 이용하여 사람의 맥박을 측정한 것이다.
도 37을 참조하면, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 상기 그래핀 터치 센서를 사람의 손목에 부착한 후, 손목의 맥박을 측정하였다. 손목의 맥박의 expansion 및 relaxation에 대응하여 상기 그래핀 터치 센서의 응답 특성(△C/C0)이 명확하게 측정된 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 그래핀 터치 센서가 웨어러블 디바이스(Wearable device) 등에 활용되어, 사람의 생체 신호(예를 들어, 맥박 등)을 측정하는데 유용한 것을 확인할 수 있다.
도 38는 센싱 패턴이 부착된 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 터치되는 대상물의 터치 속도에 따른 응답 특성을 설명하기 위한 것이다.
도 38를 참조하면, 도 38에서 검은색 그래프는 200μm의 너비 및 100μm의 높이를 갖는 하나의 라인 형태의 센싱 패턴이 부착된 그래핀 터치 센서에 PET Tip을 이용하여 2mm/s, 1mm/s, 0.5mm/s, 0.1mm/s의 속도로 터치(접촉된 상태에서 일 방향으로 스캔)한 것을 측정한 것이다. 도 38의 붉은색 그래프는 200μm의 너비 및 100μm의 높이를 갖고 200μm의 간격으로 이격된 두 개의 라인 형태의 센싱 패턴이 부착된 그래핀 터치 센서에 PET Tip을 이용하여 2mm/s, 1mm/s, 0.5mm/s, 0.1mm/s의 속도로 터치한 것을 측정한 것이다.
상기 PET Tip들을 상기 그래핀 터치 패턴의 상기 센싱 패턴에 터치하는 속도에 따라서, 상기 그래핀 터치 패턴의 응답(△R/R0) 특성이 변화되는 것이 확인된다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서를 이용하여, 대상물의 터치 속도가 센싱될 수 있음이 확인된다.
도 39은 센싱 패턴이 부착된 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 터치되는 대상물의 터치 속도에 따른 응답 특성을 설명하기 위한 것으로, 측정 결과를 주파수 변환한 것이다.
도 39을 참조하면, 200μm의 너비 및 100μm의 높이를 갖고 200μm의 간격으로 이격된 20개의 돌출부를 갖는 라인 형태의 센싱 패턴이 부착된 그래핀 터치 센서에 PET Tip을 이용하여 0.4mm/s, 0.6mm/s, 0.8mm/s의 속도로 터치한 결과를 주파수 변환하였다.
PET Tip의 터치 속도에 따라서, 출력(amplitude) peak이 서로 다른 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서를 이용하여, 대상물의 터치 속도가 센싱될 수 있음이 확인된다.
도 40는 센싱 패턴이 부착된 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서에 인가되는 압력의 강도에 따른 그래핀 터치 센서의 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 40를 참조하면, 도 39을 참조하여 설명된 센싱 패턴이 부차된 그래핀 터치 센서에 PET tip으로 압력을 달리하면서 터치한 결과를 주파수 변환하였다. 도 40에 도시된 (1), (2), (3), 및 (4)의 순서로 높은 압력으로 상기 그래핀 터치 센서에 PET tip를 터치하였다. 도 40에 도시된 것과 같이, 서로 다른 압력으로 PET Tip을 상기 그래핀 터치 센서에 터치한 경우, 터치된 압력에 대응하여 출력의 크기(amplitude)가 다른 것으로 측정되었다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서를 이용하여, 대상물의 터치 압력이 센싱될 수 있음을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서는,경도, 거칠기, 압력, 점탄성, 온도, 및 모양 등 대상물의 다양한 촉감을 센싱하는데 사용될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 터치 센서는, 다양한 전자 기기, 및 의료 기기 등에 사용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 배치되고, 제1 돌출영역(protruding region) 및 제1 오목영역(concave region)를 갖는 제1 패턴;
    상기 제1 기판 상의 제2 기판;
    상기 제1 패턴과 마주보도록 상기 제2 기판 상에 배치되고, 상기 제2 돌출영역 및 제2 오목영역을 갖는 제2 패턴; 및
    상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴 사이의 그래핀막을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 돌출영역 및 상기 제2 오목영역은 마주보도록 배치되고,
    상기 제1 오목영역과 상기 제2 돌출영역은 마주보도록 배치되는 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 기판은, 상기 제2 패턴이 배치된 일면, 및 상기 일면에 대향하는 타면을 포함하고,
    상기 제2 기판의 상기 타면 상에 배치되고, 센싱 패턴을 갖는 상부 기판을 더 포함하는 그래핀 터치 센서.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 센싱 패턴은, 일정한 폭으로 서로 이격되어 일 방향으로 연장하는 복수의 라인(line) 형태인 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴은, 일 방향으로 연장되는 복수의 라인(line) 형태인 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 어느 하나는, 서로 이격되어 2차원적으로 배열된 복수의 도트(dot) 형태인 것을 포함하고,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 다른 하나는, 상기 복수의 도트(dot)를 수용 가능한 메시(mesh) 형태인 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 패턴의 폭은, 인접한 상기 제2 패턴 사이의 간격과 동일하고,
    상기 제2 패턴의 폭은, 인접한 상기 제1 패턴 사이의 간격과 동일한 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 패턴 및 제2 패턴은, 절연 물질로 형성되는 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  9. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 배치되고, 서로 이격된 제1 세그먼트(segment) 및 제2 세그먼트를 포함하는 제1 그래핀 패턴;
    상기 제1 기판 상의 제2 기판; 및
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치된 제2 그래핀 패턴을 포함하되,
    대상물의 터치 여부에 따라서, 상기 제2 그래핀 패턴에 의한 상기 제1 세그먼트 및 상기 제2 세그먼트의 전기적 연결이 조절되는 그래핀 터치 센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 패턴 및 상기 제2 그래핀 패턴 사이에 배치되고, 상기 제2 그래핀 패턴을 노출하는 개구부(opening)를 갖는 분리막(separation layer)을 더 포함하는 그래핀 터치 센서.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 세그먼트 및 상기 제2 세그먼트 사이에, 상기 분리막의 개구부를 가로지르는(cross) 그루브(groove)가 정의되는 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  12. 제11 항에 있어서,
    대상물의 터치가 없는 경우, 상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트는, 상기 그루브에 의해 전기적으로 연결되지 않은(disconnected) 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  13. 제11 항에 있어서,
    대상물이 터치되는 경우, 상기 그루브에 인접한 상기 제1 세그먼트의 일부분 및 상기 그루브에 인접한 상기 제2 세그먼트의 일부분은, 상기 제2 그래핀 패턴과 접촉되어, 상기 제1 세그먼트 및 상기 제2 세그먼트는 전기적으로 연결되는 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 그루브는 제1 방향으로 연장되고,
    상기 제2 그래핀 패턴은, 상기 제1 방향과 교차되는 제2 방향으로 연장하는 라인(line) 형태인 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 세그먼트와 상기 분리막 사이, 및 상기 제2 세그먼트와 상기 분리막 사이의 전극막들을 더 포함하는 그래핀 터치 센서.
  16. 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 베이스 기판(base substrate);
    상기 베이스 기판의 상기 제1 면 상의 제1 그래핀 패턴; 및
    상기 제1 그래핀 패턴 상에 배치되되, 상기 제2 면에 대상물의 터치에 따라서 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되는 면적이 조절되는 제2 그래핀 패턴을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제2 그래핀 패턴은, 상기 제2 면에 상기 대상물의 터치에 따라서 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되는 면적이 조절되는 중앙부(center portion), 및 상기 제1 그래핀 패턴과 접촉되지 않는 주변부(peripheral portion)을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 패턴의 양측에 배치되고, 상기 제1 그래핀 패턴과 이격되고, 상기 제2 그래핀 패턴과 연결된 전극막들을 더 포함하고,
    상기 제2 그래핀 패턴은, 상기 전극막들 상에 배치되는 에지부(edge portion)을 더 포함하는 그래핀 터치 센서.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 베이스 기판의 상기 제1 면과 상기 전극막들의 상부면들 사이의 거리는, 상기 베이스 기판의 상기 제1 면과 상기 제1 그래핀 패턴의 상부면 사이의 거리보다 긴 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 전극막들 및 상기 베이스 기판 사이에 배치된 구조물들(structures)을 더 포함하되,
    상기 구조물들은 상기 베이스 기판과 일체를 이루고, 상기 제1 그래핀 패턴이 배치된 상기 베이스 기판의 상기 제1 면으로부터 돌출된 것을 포함하는 그래핀 터치 센서.
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