KR102445118B1 - 접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 표시 장치 - Google Patents

접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 표시 장치 Download PDF

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Abstract

접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 표시 장치이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자는 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머(electroactive polymer; EAP)가 결합된 전기 활성 복합체(electroactive matrix)로 이루어진 전기 활성층 및 전기 활성층의 적어도 일면에 배치되는 전극을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자는 투명성이 우수하고 박형화가 용이함과 동시에 고압전 특성을 가지는 전기 활성 복합체를를 사용함으로써, 접촉 감응 소자의 광투과율 및 진동 강도를 향상시킬 수 있다.

Description

접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 표시 장치{TOUCH SENSITIVE DEVICE AND DISPLAY DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 표시 장치에 관한 것으로서, 유전율이 향상된 전기 활성 복합체를 포함하는 접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 표시 장치에 관한 것이다.
최근, 액정 표시 장치 및 유기 발광 표시 장치를 비롯한 다양한 디스플레이 장치를 간편하게 사용하려는 사용자들의 요구에 따라, 디스플레이 장치를 터치하여 입력하는 터치 방식의 표시 장치의 사용이 보편화되고 있다. 이에 따라 사용자에게 직접적이고 다양한 터치 피드백(feedback)을 제공하기 위해 햅틱(haptic) 장치를 활용하는 연구가 계속되고 있다. 특히, 종래의 햅틱 장치는 표시 패널 후면에 부착되어 있으므로, 사용자의 터치에 대한 즉각적이고 미세한 피드백을 제공하기 어려웠다. 따라서, 표시 패널의 상부에 햅틱 장치를 위치시킴으로써, 사용자의 터치에 민감하고 다양하며 직접적인 피드백을 제공하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
종래에는, 이러한 햅틱 장치로 표시 장치에 편심 모터(Eccentric Rotating Mass; ERM), 선형 공진 모터(Linear Resonant Actuator; LRA)와 같은 진동 모터가 사용되었다. 진동 모터는 표시 장치 전체를 진동시키도록 구성되어, 진동 강도를 증가시키기 위해서는 질량체의 크기를 증가시켜야 하는 문제점이 있었고, 진동의 정도를 조절하기 위한 주파수 변조가 어려우며, 응답 속도가 매우 느리다는 단점이 있다. 또한, 편심 모터와 선형 공진 모터는 불투명한 물질로 이루어지므로, 표시 패널의 상부에 배치되는 것이 불가능하였다.
상술한 바와 같은 문제점들을 개선하기 위하여, 햅틱 장치의 재료로서 형상 기억 합금(Shape Memory Alloy; SMA) 및 압전성 세라믹(Piezoelectric Ceramics)이 개발되어 왔다. 그러나, 형상 기억 합금(SMA)은 반응속도가 느리고 수명이 짧으며 불투명한 물질로 이루어진다. 특히, 압전성 세라믹은 높은 압전 특성을 가진다는 장점이 있으나, 외부 충격에 대한 내구성이 낮아 외부 충격에 의해 쉽게 깨지며, 불투명하고 박형화가 어렵다는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근, 전기 활성 폴리머(Electro-Active Polymer; EAP)를 이용한 햅틱 장치 기술이 많은 사람들의 관심을 끌고 있다. 전기 활성 폴리머란 전기적 자극에 의하여 변형될 수 있는 폴리머로서, 전기적 자극에 의해 반복적으로 팽창, 수축 및 벤딩(bending)될 수 있는 폴리머를 의미한다. 이러한 전기 활성 폴리머로는 강유전성 폴리머(Ferroelectric Polymer)와 유전성 엘라스토머(Dielectric Elastomer)이 사용될 수 있다. 특히, 강유전성 폴리머로서, 상대적으로 압전성이 큰 폴리비닐리덴플루오르(Polyvinylidene fluoride, 이하 PVDF)계 폴리머가 주목받고 있다.
비록, 전기 활성 폴리머(EAP)는 투명성이 우수하고 박형화가 용이하다는 장점이 있으나, 전자 장치에 사용하기 위해서 고전압을 사용한 폴링(poling) 공정 또는 연신(streching) 공정과 같은 별도의 공정이 필요하며, 여전히 모바일 표시장치에 사용하기에는 압전 특성이 부족하여 구동 전압이 높다는 문제점이 있다.
[관련기술문헌]
1. ERM 액추에이터를 이용한 햅틱 효과 발생 방법 및 햅틱 지원 시스템 (한국특허출원번호 제10-2013-0011958호)
이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 투명성이 우수하고 박형화가 용이함과 동시에 고압전 특성을 가지는 전기 활성 복합체를 포함하는 접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 표시 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 난연성 및 무독성 특성을 가지고 친환경적인 접촉 감응 소자 및 이를 포함하는 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자는 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머(electroactive polymer; EAP)가 결합된 전기 활성 복합체(electroactive matrix)로 이루어진 전기 활성층 및 전기 활성층의 적어도 일면에 배치되는 전극을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자는 투명성이 우수하고 박형화가 용이함과 동시에 고압전 특성을 가지는 전기 활성 복합체를를 사용함으로써, 접촉 감응 소자의 광투과율 및 진동 강도를 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 표시 패널 및 표시 패널 상부 또는 하부의 접촉 감응 소자를 포함하고, 접촉 감응 소자는 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머가 수소 결합에 의해 결합된 전기 활성 복합체로 이루어진 전기 활성층을 포함한다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머가 결합된 전기 활성 복합체로 이루어진 전기 활성층을 사용함으로써, 종래의 전기 활성 폴리머 보다 비유전율을 향상시킬 수 있고, 이를 통하여, 접촉 감응 소자의 구동 변위 및 진동 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 종래의 압전성 세라믹이 비하여 광투과율이 향상된 접촉 감응 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 KNN계 압전성 세라믹 물질을 사용함으로써, 제조 공정 시 발생하는 각종 사고에서 작업자의 피해를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자의 전기 활성층을 형성하는 전기 활성 복합체의 구조를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 ABO3으로 표시되는 페로브스카이트형 나노 입자의 입방전계 단위 구조 및 표면에 히드록시기를 포함한 구조를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1의 비유전율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 실시예 1 및 비교예 1의 FT-IR 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
소자 또는 층이 다른 소자 또는 층 "위 (on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.
접촉 감응 소자
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)는 전기 활성층(110) 및 전극(120)을 포함한다.
전극
전극(120)은 전기적인 자극에 의하여 진동 또는 휨을 유도하도록 전기 활성층(110)에 전기장을 인가한다. 전극(120)은 필요에 따라 다양한 형태 및 다양한 수로 배치될 수 있다. 예를 들어, 전극(120)은 도 1에 도시된 바와 같이 전기 활성층(110)의 상면 및 하면에 복수로 배치될 수도 있고, 전기 활성층(110)의 상면 및 하면 중 어느 하나의 면에 복수로 배치될 수도 있다.
구체적으로, 전기 활성층(110)의 상면 및 하면에 각각 전극(120)이 배치될 수 있다. 이때, 전기 활성층(110)의 상면에 배치되는 전극(120)은 X축 방향으로 연장되고, 전기 활성층(110)의 하면에 배치되는 전극(120)은 Y측 방향으로 연장되어, 서로 교차하여 매트릭스 형태로 배치되는 수직 배치 구조일 수 있다. 또한, 전극(120)이 전기 활성층(110)의 일면에만 배치되는 수평 배치 구조일 수도 있다. 뿐만 아니라, 하나의 셀(cell) 내에서 전기 활성층(110)의 상면 및 하면 각각에 복수의 전극(120)이 서로 대향하도록 배치되어, 전극(120)의 수직 배치 구조 및 수평 배치 구조 둘 모두가 구현될 수 있는 멀티레이어(multilayer) 형태일 수도 있다.
전극(120)은 도전성 물질로 이루어진다. 또한, 접촉 감응 소자(100)의 광투과율을 확보하기 위해, 전극(120)은 투명 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전극(120)은 인듐 주석 산화물(Induim Tin Oxide, ITO), 인듐 아연 산화물 (Indium Zinc Oxide, IZO), 그래핀(Graphene), 금속 나노 와이어 및 투명 전도성 산화물(TCO)등과 같은 투명 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 전극(120)은 메탈 메쉬(metal mesh)로 이루어질 수도 있다. 즉, 전극(120)은 금속 물질이 메쉬 형태로 배치되는 메탈 메쉬로 구성되어, 실질적으로 투명하게 시인될 수 있는 전극(120)으로 구성될 수도 있다. 다만, 전극(120)의 구성 물질은 상술한 예에 제한되지 않고, 다양한 투명 도전성 물질이 전극(120)의 구성 물질로 사용될 수 있다. 전극(120)이 복수로 구성되는 경우 전극 각각은 동일한 물질로 이루어질 수도 있고, 서로 상이한 물질로 이루어질 수도 있다.
전극(120)은 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전극(120)은 스퍼터링(sputtering), 프린팅(printing), 슬릿 코팅(slit coating) 등과 같은 방식으로 전기 활성층(110) 상에 형성될 수 있다.
전기 활성층
전기 활성층(110)은 전압이 인가됨에 따라 그 형상이 변형되어 진동을 발생시킬 수 있는 층을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)의 전기 활성층(110)은 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머(electroactive polymer; EAP)가 결합된 전기 활성 복합체(electroactive matrix)로 이루어진다.
전기 활성 복합체는 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머가 결합된 구조를 가진다. 예를 들어, 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머는 화학 결합에 의해 서로 결합될 수 있으며, 특히, 수소 결합에 의해 결합될 수 있다. 전기 활성 복합체의 구체적인 구조는 도 2를 참조한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(10)의 전기 활성층(110)을 형성하는 전기 활성 복합체의 구조를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전기 활성 복합체는 압전성 세라믹으로 이루어진 코어 입자(A) 및 코어 입자와 화학 결합하는 전기 활성 폴리머(EAP)를 포함한다. 보다 구체적으로, 전기 활성 복합체는 표면에 히드록시기(hydroxyl group; -OH)를 포함하는 코어 입자(A) 및 코어 입자와 수소 결합하는 전기 활성 폴리머(EAP)를 포함한다.
전기 활성 복합체의 코어 입자(A)는 압전성 세라믹으로 이루어진다. 이때, 압전성 세라믹은 ABO3로 표시되는 페로브스카이트형 나노 입자이며, 표면이 개질되어 나노 입자의 산소 원자가 히드록시기로 치환된다.
코어 입자(A) 주변은 코어 입자(A)와 결합하는 전기 활성 폴리머(EAP)로 둘러싸인다. 이로써 제한되는 것은 아니나, 코어 입자(A)를 둘러싸는 전기 활성 폴리머(EAP)는 쉘(shell) 형상을 가질 수 있다. 전기 활성 폴리머(EAP)는 코어 입자(A)를 구성하는 압전성 세라믹의 표면에 형성된 히드록시기와 수소 결합을 할 수 있는 작용기를 포함한다. 예를 들어, 전기 활성 폴리머(EAP)는 할라이드기를 포함할 수 있다. 이 경우, 코어 입자(A)의 히드록시기와 전기 활성 폴리머(EAP)의 할로겐 원소 사이에는 수소 결합이 형성된다. 도 2에서는 하나의 코어 입자(A)와 8개의 전기 활성 폴리머(EAP)가 수소 결합을 이루는 구조가 개시되어 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
압전성 세라믹은 압력이 가해졌을 때 전압이 발생하고 외부 전계가 가해졌을 때 기계적인 변형이 일어나는 물질로서, 기계적인 진동에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 기계적인 진동에너지로 상호 변환이 가능한 물질이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전성 세라믹은 ABO3으로 표시되는 페로브스카이트형 나노 입자일 수 있다. 이상적으로 압전성 세라믹은 입방정계 단위 구조를 가질 수 있다. ABO3으로 표시되는 페로브스카이트형 나노 입자의 구체적인 구조는 도 3를 참조한다.
도 3은 ABO3으로 표시되는 페로브스카이트형 나노 입자의 입방전계 단위 구조 및 표면에 히드록시기를 포함한 구조를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, ABO3으로 표시되는 페로브스카이트 구조에서의 원소 A, B는 각각 A 사이트 및 B 사이트의 이온의 형태로 존재한다. 예를 들면, 입방정계 단위 구조에서 A 원소는 입방체의 정점, B 원소는 체심에 위치한다. O 원소는 산소의 음이온의 형태로 입방체의 면심 위치를 차지한다. 압전성 세라믹이 페로브스카이트 구조인 것은, X선 회절이나 전자선 회절에 의한 결정 구조 해석에 의해 확인될 수 있다. 한편, A 원소, B 원소, O 원소가 각각 단위 격자의 대응 위치로부터 각각 좌표 변위하면, 페로브스카이트 구조의 단위 격자가 왜곡되어, 정방정, 능방정 또는 사방정 결정이 될 수 있다. 우수한 압전 상수를 가지는 압전성 세라믹을 얻는다는 관점에서, 압전성 세라믹의 결정계는 실온에서 정방정 구조인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전성 세라믹은, 예를 들어, (Pb, Zr)TiO3(PZT계), 티탄산바륨(BaTiO3), (K, Na)NbO3(KNN계), BiNaTiO3(BNT계), BiKTiO3(BKT계) 및 Bi(Na, K)TiO3(BNKT계)등의 물질일 수 있다. 상술한 물질들은 충분한 압전성을 가지고 있는 동시에, 산소 원자를 포함하는 페로브스카이트형 나노 입자로서, 전기 활성 폴리머와 수소 결합을 이룰 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전성 세라믹은, 이로써 제한되는 것은 아니나, (K, Na)NbO3(KNN계), BiNaTiO3(BNT계), BiKTiO3(BKT계) 및 Bi(Na, K)TiO3(BNKT계)와 같은 비납계 물질인 것이 바람직하다. 압전성 세라믹 물질로 널리 사용되는 PZT는 압전 특성이 우수하고 가격이 저렴하다는 장점이 있으나, 납(Nb) 성분을 가지고 있으므로 인체에 해롭고 환경오염을 유발시킨다는 문제점이 있다. 따라서, 납을 포함하지 않는 무연의 비납계 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 이로써 제한되는 것은 아니나, 압전성 세라믹은 KNN계 압전성 세라믹인 것이 더욱 바람직하다. KNN계 압전성 세라믹은 상술한 무연의 비납계 물질 중에서도 강한 압전성, 큰 잔류 분극, 높은 상전이 온도, 낮은 항전계 등의 특성을 가지고 있어, 유리한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 KNN계 압전성 세라믹은 고상반응법(solid-state process)으로 합성할 수 있다. 예를 들면, 공업용 K2CO3, Na2CO3, Nb2O5 등의 원료 분말을 혼합한 다음 고온에서 하소(calcine)하여 고상반응법으로 KNN계 압전성 세라믹을 제조할 수 있다. 또한, 압전 특성을 향상시키기 위하여 Ta2O5와 Li2CO3를 미량 첨가할 수 있으며, 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone, MEK)과 에틸 알코올(ethyl alchol)이 혼합된 용매에 소량의 상업용 분산제와 결합제로 폴리비닐 뷰티랄(polyvinyl butyral, PVB) 등을 첨가하여 볼밀링 방법으로 혼합하여 반죽 상태로 만든다. 이때, Na2CO3와 K2CO3는 흡습성을 갖기 때문에 보관 중 주변 환경으로부터 수분을 흡수하여 무게가 증가하므로 건조가 충분하지 않으면 함유하고 있는 수분의 양만큼 조성이 틀려지게 되고 그에 따라 압전 특성도 변하게 된다. 따라서, Na2CO3와 K2CO3 분말을 건조 오븐에 넣어 90℃ 내지 200℃에서 2시간 내지 16시간 동안 충분히 건조시키면서 이미 함유된 수분의 건조에 따른 무게 감소가 더 이상 없는 상태, 즉 완전 건조의 상태를 확인하여 제조하는 것이 바람직하다.
전기 활성 복합체를 구성하는 압전성 세라믹은 전기 활성 폴리머와 수소 결합을 이룰 수 있도록, 표면에 히드록시기를 포함할 수 있다. 도 3을 참조하면, 페로브스카이트형 나노 입자 구조를 가지는 압전성 세라믹의 경우, 면심 위치를 차지하는 산소 원자의 일부에 수소가 연결되어 히드록시기가 형성될 수 있다.
표면에 히드록시기를 포함하는 압전성 세라믹은 표면 처리 공정을 통하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 압전성 세라믹을 고온에서 다량의 과산화수소(H2O2) 처리를 함으로써, 압전성 세라믹을 구성하는 산소 원자를 히드록시기로 치환할 수 있다. 표면 처리 공정을 통하여 압전성 세라믹의 표면에 형성된 히드록시기는 전기 활성 폴리머와 수소 결합을 형성함으로써, 전기 활성 복합체를 형성할 수 있다.
전기 활성 폴리머(electroactive polymer; EAP)는 전기적인 자극에 의하여 변형되는 폴리머 재료로서, 실리콘계, 우레탄계, 아크릴계 등의 유전성 엘라스토머(dielectric elastomer) 또는 폴리비닐리덴플루오라이드계 폴리머 등의 강유전성 폴리머(ferroelectric polymer)로 이루어질 수 있다. 이로써 제한되는 것은 아니나, 전기 활성 복합체를 구성하는 구성하는 전기 활성 폴리머는 자연 상태에서 분극 상태를 유지하고 있어 상대적으로 높은 유전율을 가지는 강유전성 폴리머일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자에 사용되는 전기 활성 폴리머는 압전성 세라믹과 결합하여 전기 활성 복합체를 구성한다. 특히, 전기 활성 폴리머는 압전성 세라믹과 수소 결합을 이룰 수 있는 화합물일 수 있다. 이로써 제한되는 것은 아니나, 전기 활성 폴리머는 압전성 세라믹과 수소 결합을 이룰 수 있도록, 작용기로서 할라이드기를 포함하는 것이 바람직하다.
할라이드기를 포함하는 전기 활성 폴리머의 일예로서, 폴리플루오르화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride, 이하 PVDF)계 폴리머가 사용될 수 있다. PVDF계 폴리머는 폴리머의 주쇄(back bone)에 PVDF 반복 단위를 포함하는 폴리머를 의미한다. PVDF계 폴리머는 압전성이 우수한 결정성 폴리머(crystalline polymer)로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 소자에 사용되는 전기 활성 폴리머로 적합하다. PVDF계 폴리머는, 예를 들어, PVDF 호모폴리머(homo-polymer) 또는 PVDF 코폴리머(co-polymer)일 수 있다. PVDF계 폴리머의 플루오로기는 압전성 세라믹 표면에 형성된 히드록시기와 수소 결합을 형성하며, 이로 인해, PVDF계 폴리머와 압전성 세라믹이 결합된 전기 활성 복합체를 형성할 수 있다.
할라이드기를 포함하는 전기 활성 폴리머의 다른 예로서, 인(Phosphorus) 원자에 아릴옥시기(aryloxy group)가 치환된 폴리포스파젠(polyphosphazene)이 사용될 수 있다. 이때, 아릴옥시기는 하나 이상의 할라이드기를 포함한다.
폴리포스파젠은 주쇄가 인과 질소(nitrogen)으로 이루어지는 폴리머를 의미한다. 이때, 주쇄의 인과 질소는 이중결합으로 연결되고, 폴리포스파젠은 주쇄가 직선으로 연결된 선형 폴리머(linear polymer)일 수도 있고, 주쇄가 연장하여 고리로 연결된 환형 폴리머(Cyclic polymer)일 수도 있다. 이때, 폴리포스파젠의 주쇄 내의 극성을 극대화를 위하여, 전기 활성층으로 사용하기 위해서는 선형 폴리머를 이용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되지는 않는다.
아릴옥시기는 아릴기로 치환된 산소 라디칼을 가지는 작용기를 가리킨다. 여기서, 아릴기는 하나 이상의 방향족 고리계를 갖는 화합물이다. 구체적으로, 아릴기의 종류는 단환식 아릴기로서 페닐기, 바이페닐기, 터페닐기 등이 있고, 다환식 아릴기로서, 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기 등이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 아릴옥시기로는 페녹시(일명, 페닐옥시), 나프톡시(일명, 나프틸옥시), 안트라세닐옥시, 비페닐옥시, 루브레닐옥시, 페릴레닐옥시 등이 있다. 이때, 아릴옥시기에는 할로겐 원자가 치환될 수 있다. 즉, 폴리포스파젠은 할로겐 원자가 치환된 아릴옥시기를 작용기로 포함한다.
아릴옥시기에 치환된 할로겐 원자는 압전성 세라믹 표면에 형성된 히드록시기와 수소 결합을 형성하며, 이로 인해, 폴리포스파젠과 압전성 세라믹이 결합된 전기 활성 복합체를 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 할라이드기를 포함하는 전기 활성 폴리머는 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리포스파젠일 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112017102869750-pat00001
화학식 1에서, R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C50의 아릴옥시기이고, R1 및 R2 중 적어도 하나는 하나 이상의 할로겐 원자가 치환된 C6 내지 C50의 아릴옥시기이다. n은 임의의 정수이다. 이로써 제한되는 것은 아니나, n는 1000 이상일 수 있으며, 바람직하게는 3000 이상일 수 있다.
여기서, "치환된 또는 비치환된" 이라는 용어는 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 아미노기; 포스핀 옥사이드기; 알콕시기; 실릴기; 붕소기; 알킬기; 시클로알킬기; 알케닐기; 아릴기; 아르알킬기; 아르알케닐기; 알킬아릴기; 알킬아민기; 헤테로 아릴아민기; 아릴아민기; 및 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기가 아릴옥시기의 아릴 부분에 모노- 또는 폴리- 치환되거나, 치환되지 않은 것을 의미한다.
보다 구체적으로, 치환된 아릴옥시기는 파라-메틸페녹시(p-methylphenoxy), 4-비닐페녹시(4-vinylphenoxy), 에티닐페녹시 (ethynylphenoxy), 페닐페녹시 (phenylphenoxy), 4-페닐에티닐페녹시 (4-phenylethynylpheoxy), 4-비닐페닐페녹시 (4-vinylphenylphenoxy), 4-에티닐페닐페녹시 (4-ethynylphenylphenoxy), 4-페닐에티닐페녹시 (4-(phenylethynyl)-phenoxy), 데카하이드로나프탈렌-2-옥시 (decahydronaphthalene-2-oxy) 또는 나프탈렌-2-옥시 (naphtalene-2-oxy)일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리포스파젠은 인 원자에 치환된 2개의 아릴옥시기 중 적어도 하나는 할로겐 원자가 치환된 아릴옥시기일 수 있다. 전기 음성도가 매우 큰 할로겐 원자에 의해, 할로겐 원자가 치환된 아릴옥시기는 비치환된 아릴옥시기와 비교하여 매우 큰 극성을 가진다. 인 원자에 치환된 아릴옥시기가 큰 극성을 가지는 경우, 폴리포스파젠의 분극도가 상승하게 되어 더욱 큰 압전성을 갖는 전기 활성층을 제공할 수 있다.
이때, 할로겐 원자가 치환된 아릴옥시기는 하기 화학식 2로 표시되는 플루오로 페녹시일 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112017102869750-pat00002
화학식 2에서 X는 할로겐 원자며, a는 1 내지 5인 정수이다.
이때, 폴리포스파젠은 이로써 제한되는 것은 아니나, 중량평균 분자량이 100,000 내지 1,000,000일 수 있고, 200,000 내지 500,000일 수도 있다. 폴리포스파젠의 중량평균분자량이 상기 범위를 만족하는 경우, 전기 활성층으로 형성하기 용이하며, 우수한 압전성을 가질 수 있다.
예를 들어, 할라이드기를 포함하는 전기 활성 폴리머는 하기 화학식 3으로 표시되는 폴리 펜타플루오로페녹시/나프톡시 포스파젠(Poly pentafluorophenoxy/naphtoxy phosphazene)일 수 있다.
[화학식 3]
Figure 112017102869750-pat00003
화학식 3으로 표시되는 폴리포스파젠을 살펴보면, 인 원자의 한쪽 방향에는 아릴옥시기로서 큰 극성을 가지는 펜타플루오로 페녹시가 치환되어 있으며, 할로겐 원소는 압전성 세라믹 표면에 형성된 히드록시기와 수소 결합을 형성하며, 이로 인해, 전기 활성 복합체를 형성할 수 있다.
할라이드기를 포함하는 전기 활성 폴리머의 또 다른 예로서, 주쇄에 할로겐 원소를 포함하는 치환기가 연결된 선형 질화붕소 폴리머(linear boron nitride polymer)가 사용될 수 있다.
질화붕소 폴리머는 주쇄가 붕소(boron)와 질소(nitide)로 이루어지는 폴리머를 의미하며, 이때, 선형 질화붕소 폴리머는 주쇄를 이루는 붕소와 질소가 6각 고리를 형성한 헥사고날 질화붕소(hexagonal boron nitride)와 달리, 주쇄가 직선으로 연결된 질화붕소 폴리머를 의미한다. 구체적으로, 일반적인 질화붕소 폴리머는 붕소와 질소가 형성한 6각 고리 형상에 의해 결정성을 가지며, 다수의 적층된 판상 구조를 갖거나 나노 튜브 구조를 갖는다. 그러나, 선형 질화붕소 폴리머는 주쇄가 사슬구조와 같이 직선으로 연장된 구조를 갖는다.
선형 질화붕소 폴리머에 치환된 할로겐 원자는 압전성 세라믹 표면에 형성된 히드록시기와 수소 결합을 형성하며, 이로 인해, 선형 질화붕소 폴리머와 압전성 세라믹이 결합된 전기 활성 복합체를 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 할라이드기를 포함하는 전기 활성 폴리머는 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위를 포함하는 선형 질화붕소 폴리머일 수 있다.
[화학식 4]
Figure 112017102869750-pat00004
상기 화학식 4에서, R3은 C1 내지 C20의 알킬기, C1 내지 C20의 알케닐기, C1 내지 C20의 알키닐기, C5 내지 C20의 아릴기, C3 내지 C20의 시클로알킬기, C1 내지 C20의 할로알킬기, 할라이드기 또는 수소이며, R4는 C1 내지 C20의 할로알킬기 또는 할라이드기이며, m은 임의의 정수이다.
연신을 통해 플루오로기가 트랜스(trans) 형태 및 비틀림(gauche) 형태로 혼합되어 있는 상태인 α-상(α-phase)에서 플루오로기가 모두 트랜스(all-trans) 형태로 되어있는 β-상(β-phase)으로 변형시킴으로써 유전율이 확보되는 PVDF계 폴리머와 달리, 선형 질화붕소 폴리머는 연신 공정 또는 폴링 공정으로 원자의 배열을 변경하지 않고도 일정하고 높은 분극도를 가질 수 있다. 또한, 선형 질화붕소 폴리머는 고온에서도 원자들의 배열이 쉽게 변경되지 않는바, 우수한 내열성을 갖는다.
선형 질화붕소 폴리머는 이로써 제한되는 것은 아니나, 중량평균 분자량이 10,000 내지 1,000,000일 수 있고, 100,000 내지 500,000일 수도 있다. 선형 질화붕소 폴리머의 중량평균분자량이 상기 범위를 만족하는 경우, 전기 활성층으로 제막하기 용이하며, 우수한 압전성을 가질 수 있다.
한편, 전기 활성 복합체를 구성하는 압전성 세라믹 대 전기 활성 폴리머 간의 중량비는 1:9 내지 9:1일 수 있다. 전기 활성 복합체 내에서 압전성 세라믹의 함량이 늘어나는 경우, 유전율을 향상되어 압전 성능을 향상시킬 수 있으나 투명도는 떨어지게 된다. 이와 달리, 전기 활성 복합체 내에서 전기 활성 폴리머의 함량이 늘어나는 경우, 유전율은 감소할 수 있으나 투명도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 요구되는 성능에 따라 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머 간의 중량비는 자유롭게 조절될 수 있으나, 투명성 확보 및 플렉서블을 구현하기 위해서는 압전성 세라믹 대 전기 활성 폴리머 간의 중량비는 1:9 내지 5:5일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
전기 활성층(110)의 두께는 접촉 감응 소자(100)가 낮은 구동 전압으로도 충분한 진동을 발생시킬 수 있도록 결정될 수 있다. 예를 들어, 전기 활성층(110) 의 두께는 10㎛ 내지 50㎛일 수 있고, 보다 바람직하게는 20㎛ 내지 30㎛일 수 있다. 전기 활성층(110)의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우, 크랙(crack)없이 전기 활성층(110)을 형성할 수 있고 충분한 진동을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)는 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머가 결합된 전기 활성 복합체로 이루어진 전기 활성층(110)을 포함한다. 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머가 결합된 전기 활성 복합체는 종래의 PZT와 같은 압전성 세라믹 물질과 비교하여, 투명성이 우수하고 박막화가 용이하여 제품에 적용하기 용이하다. 또한, 전기 활성 복합체는 PVDF계 폴리머와 같은 전기 활성 폴리머와 비교하여 유전율이 현저하게 우수하여 전기 활성층의 압전성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자는 광투과율 및 진동 강도가 향상될 수 있다.
또한, 전기 활성 복합체를 구성하는 압전성 세라믹을 KNN계 물질을 사용하는 경우, 난연성 및 무독성의 특징을 가져 종래의 압전성 세라믹 물질에 비하여 작업자에게 안전한 물질이다.
이하에서는 본 발명의 접촉 감응 소자의 전기 활성층을 구성하는 전기 활성 복합체를 제조하는 방법을 설명한다.
먼저, 압전성 세라믹 물질로서, 페로브스카이트형 나노 구조를 갖는 압전성 세라믹 물질을 준비한다. 예를 들어, KNN계 압전성 세라믹을 마련할 수 있다.
다음으로, 고온의 조건에서 과산화수소(H2O2)로 KNN의 표면을 개질하여, KNN의 표면에 히드록시기를 형성한다. 과산화수소는 수중에서 해리되어 라디칼 (OOH)을 형성하여 KNN 표면의 산소와 반응하여, 표면에 히드록시기(-OH)를 형성하고 최종적으로 O2로 변환된다.
다음으로, 표면에 히드록시기를 포함하는 압전성 세라믹 물질에 할라이드기를 가지는 전기 활성 폴리머를 혼합시킨다. 이에, 전기 활성 폴리머에 치환된 할로겐 원소와 압전성 세라믹의 수소간에 수소 결합이 발생하고, 전기 활성 폴리머와 압전성 세라믹이 결합하여 전기 활성 복합체를 형성한다.
다만, 압전성 세라믹 물질을 제조 방법, 과산화수소 처리의 시간 조건, 표면 처리 조건, 시간 조건, 반응물의 농도 등은 이에 제한되지 않으며, 당해 기술분야에 알려진 임의의 적절한 조건을 채용할 수 있다.
상술한 제조 방법을 통한 KNN계 압전성 세라믹과 할라이드기를 가지는 폴리포스파젠이 결합된 전기 활성 복합체의 합성 반응식은 다음과 같다.
Figure 112017102869750-pat00005
이하에서는 실시예를 통하여 상술한 내열성과 관련된 본 발명의 효과를 보다 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명의 예시를 위한 것이며, 하기 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
Na2CO3 15g, K2CO3 15g, Nb2O5 15g을 이온 교환수 300mL에 혼합한 다음 고상 반응법을 이용하여 2시간 동안 열처리하여 KNN 분말을 제조하였다.
제조된 KNN 분말을 400mL의 과산화수소와 혼합한 다음 106℃에서 6시간 동안 열처리하여, KNN 표면에 하이드록시기가 형성하였다.
다음으로, 하이드록시기가 형성된 KNN 10중량%에 폴리포스파젠로서 Poly bis(trifluoroethoxy) Phospazene 90중량%를 혼합한 다음 교반함으로써, KNN과 폴리포스파젠이 수소 결합을 이루는 전기 활성 복합체를 제조하였다.
제조된 전기 활성 복합체를 ITO 전극 상에 솔루션 캐스팅시킨 다음 건조시켜 두께가 100㎛인 전기 활성층을 얻었다. 이후, 제조된 전기 활성층의 반대면에 ITO를 코팅하여 양면에 투명 전극이 형성된 접촉 감응 소자를 제조하였다.
비교예 1
Na2CO3 15g, K2CO3 15g, Nb2O5 15g을 이온 교환수 300mL에 혼합한 다음 고상 반응법을 이용하여 2시간 동안 열처리하여 KNN 분말을 제조하였다.
제조된 KNN 분말 10중량%에 폴리포스파젠로서, Poly bis(trifluoroethoxy) Phospazene 90중량%를 혼합하여, KNN과 폴리포스파젠이 혼합된 혼합물을 제조하였다.
제조된 혼합물을 ITO 전극 상에 솔루션 캐스팅시킨 다음 건조시켜 두께가 100㎛인 전기 활성층을 얻었다. 이후, 제조된 전기 활성층의 반대면에 ITO를 코팅하여 양면에 투명 전극이 형성된 접촉 감응 소자를 제조하였다.
실험예 1 - 비유전율 측정
실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 접촉 감응 소자의 비유전율은 LCR 미터(4284A)을 이용하여 정전용량을 측정하고, 하기 수학식 1을 이용하여 계산하여 측정하였다. 측정 결과는 도 4에 표시하였다.
[수학식 1]
εr = C x t / A
(εr: 비유전율, C: 정전용량(capacitance), t: 전기 활성층의 두께, A: 전극의 접촉 단면적)
도 4를 참조하면, 압전성 세라믹과 전기 활성 고분자가 수소 결합을 통해 전기 활성 복합체를 이루는 실시예 1의 경우, 단순히 압전성 세라믹과 전기 활성 고분자를 혼합한 비교예 1보다 전 주파수 영역에서 비유전율이 약 2배 정도 높은 것을 확인할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 활성 복합체의 형성 여부를 확인하기 위하여 도 5a 및 도5b의 FT-IR 분석을 통해 검증하였다. 구체적으로, 상술한 실시예 1의 과정을 통해 표면에 히드록시기를 포함하도록 개질된 압전성 세라믹과 전기 활성 고분자가 수소 결합을 통해 형성된 전기 활성 복합체와 비교예 1의 과정을 통해 압전성 세라믹과 전기 활성 고분자가 혼합된 혼합물의 비교를 통해 검증하였다.
도 5a 및 도 5b는 각각 실시예 1 및 비교예 1의 FT-IR 분석 결과를 나타낸 것이다. 도 5a를 참조하면, 3500㎝-1 부근에서 IR 흡수 피크가 보여진다. 이는, 히드록시기를 포함하는 개질된 압전성 세라믹과 전기 활성 고분자가 수소 결합을 하는 경우, 압전성 세라믹 표면에 수소 결합을 하지 못하고 남아 있는 일부의 히드록시기가 검출된 것이다. 이와 달리, 도 5b를 참조하면, 3500㎝-1 부근에서 IR 흡수 피크가 나타나지 않는다. 이는 압전성 세라믹 표면에 수소 결합을 이룰 수 있는 히드록시기가 존재하지 않는 것을 입증할 수 있다. 이를 통하여, 압전성 세라믹의 히드록시기가 전기 활성 고분자의 할라이드기와 수소 결합을 이루는 여부에 대한 추정이 가능하다.
표시장치
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 6을 참조하면, 표시 장치(600)는 표시 패널(640), 접촉 감응 소자(100), 터치 패널(650) 및 커버(660)를 포함한다. 이때, 도 6의 표시 장치(600)에 포함된 접촉 감응 소자(100)는 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)와 동일하다. 이에, 접촉 감응 소자(100)에 대한 중복 설명은 생략한다.
표시 패널(640)은 표시 장치(600)에서 영상을 표시하기 위한 표시 소자가 배치된 패널을 의미한다. 표시 패널(640)로서, 예를 들어, 유기 발광 표시 패널, 액정 표시 패널, 전기 영동 표시 패널 등과 같은 다양한 표시 패널이 사용될 수 있다.
접촉 감응 소자(100) 상에는 터치 패널(650)이 배치된다. 터치 패널(650)은 표시 장치(600)에 대한 사용자의 터치 입력을 감지하는 패널을 의미한다. 터치 패널(650)로서, 예를 들어, 정전 용량 방식, 저항막 방식, 초음파 방식, 적외선 방식 등이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 정전 용량 방식의 터치 패널이 터치 패널(650)로서 사용될 수 있다. 도 6에 도시된 표시 장치(600)는 별도로 제조된 터치 패널(650)이 표시 패널(640) 상에 별도로 배치되는 애드온(add-on) 타입의 터치 패널을 포함한다.
터치 패널(650) 상에는 커버(660)가 배치된다. 커버(660)는 표시 장치(600) 외부로부터의 충격으로부터 표시 장치(600)를 보호하기 위한 구성이다. 커버(660)는 투명한 절연성 물질로 이루어질 수 있다.
도 6에 도시되지는 않았으나, 표시 패널(640), 접촉 감응 소자(100), 터치 패널(650) 및 커버(660)를 서로 접착시키기 위한 접착층이 사용될 수 있다. 접착층은, 예를 들어, OCA(optical clear adhesive) 또는 OCR(optical clear resin)이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 6에 도시된 접촉 감응 소자(100)는 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머가 수소 결합으로 결합된 전기 활성 복합체를 사용함으로써, 고압전 특성을 가지는 압전성 세라믹의 특성과 투명성이 우수하고 박형화가 용이한 전기 활성 고분자의 특성을 동시에 포함할 수 있습니다. 이로 인해, 압전성 및 진동 강도가 우수하여, 표시 장치(600)의 촉각 인지 효과를 향상시킬 수 있다. 한편, 전기 활성 복합체를 구성하는 압전성 세라믹을 KNN계 물질을 사용하는 경우, 난연성 및 무독성의 특징을 갖기 때문에, PZT와 같은 종래의 압전성 세라믹 물질을 이용한 표시 장치에 비하여 환경적으로 안전한 표시 장치를 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 7에 도시된 표시 장치(700)는 도 6을 참조하여 설명한 표시 장치(600)와 비교하여 표시 패널(740)이 액정 표시 패널이고, 이에 따라 백라이트 유닛(770)을 더 포함하며, 별도의 터치 패널 대신 터치 센서가 표시 패널(740)에 일체화되도록 구비된 인-셀(in-cell) 타입의 터치 센서가 구성된다는 점이 상이할 뿐 다른 구성요소들은 실질적으로 동일하므로 중복 설명을 생략한다.
도 7을 참조하면, 표시 패널(740)이 커버(660)와 접촉 감응 소자(100) 사이에 배치된다. 액정 표시 패널은 백라이트 유닛(770)으로부터 방출되는 빛의 투과율을 조정함으로써 화상을 표시한다. 액정 표시 패널은 하부 편광판, 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)를 포함하는 하부 기판, 액정층, 컬러 필터를 포함하는 상부 기판 및 상부 편광판을 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
표시 패널(740)은 표시 장치(700)에서 영상을 표시하기 위한 표시 소자가 배치된 패널임과 동시에 패널 내에 일체화되도록 구성된 터치 센서를 포함한다. 즉, 표시 패널(740) 내에 터치 센서가 배치되어, 인-셀 타입의 터치 센서를 구성한다. 인-셀 타입의 터치 센서에서는 표시 패널(740)의 공통 전극이 터치 전극으로 동시에 사용된다.
도 7에 도시된 표시 장치(700)는 액정 표시 장치이므로 표시 패널(740)의 하부에는 표시 패널(740)을 향해 출광하는 백라이트 유닛(770)이 배치된다.
표시 패널(740)과 백라이트 유닛(770) 사이에는 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머가 수소 결합으로 결합된 전기 활성 복합체로 이루어진 전기 활성층(110)을 포함하는 접촉 감응 소자(100)가 배치된다.
일반적으로, 표시 패널이 액정 표시 패널이고, 인-셀 타입의 터치 센서가 표시 패널과 일체화되는 경우, 접촉 감응 소자가 터치 센서 상에 배치되면 접촉 감응 소자에 인가되는 고전압의 구동 전압에 의해 발생될 수 있는 노이즈에 의해 터치 입력에 대한 오인식의 문제가 발생한다. 이에, 접촉 감응 소자는 표시 패널 하부에 배치될 수 있다. 그러나, 접촉 감응 소자가 표시 패널 하부에 배치되게 되면, 사용자가 터치 입력을 가하는 위치로부터 멀리 위치하므로, 사용자에게 전달되는 진동 강도가 감소된다. 이에, 진동 강도의 감소를 최소화하기 위하여, 접촉 감응 소자를 액정 표시 패널과 백라이트 유닛 사이에 배치시키는 방법을 고려할 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 종래의 접촉 감응 소자에 사용되던 형상 기억 합금 또는 압전성 세라믹은 광투과율이 낮은 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 표시 장치(700)에서는 압전성 세라믹의 표면을 개질하여 압전성 세라믹 표면에 히드록시기를 형성한 다음 할라이드기를 가지는 전기 활성 폴리머와 수소결합을 하여, 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머가 결합된 전기 활성 복합체를 포함하는 접촉 감응 소자(100)가 이용된다. 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머가 결합된 전기 활성 복합체는 전기 활성 폴리머만을 사용한 경우보다 압전성이 크게 증가하며, 불투명한 특징을 가지는 압전성 세라믹의 투명도를 증가시킬 수 있어, 투명성이 우수하면서도 진동 강도가 향상된다. 따라서, 접촉 감응 소자(100)가 액정 표시 패널과 백라이트 유닛 사이에 배치되는 경우에도, 백라이트 유닛으로부터 액정 표시 패널에 공급되는 광의 투과율이 우수하면서도 종래의 전기 활성 폴리머를 이용한 경우 보다 강한 진동을 전달할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예는 다음과 같이 설명될 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자는 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머(electroactive polymer; EAP)가 결합된 전기 활성 복합체(electroactive matrix)로 이루어진 전기 활성층 및 전기 활성층의 적어도 일면에 배치되는 전극을 포함한다.
압전성 세라믹은 히드록시기를 포함하고, 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머는 수소 결합에 의해 결합될 수 있다.
압전성 세라믹은 ABO3로 표시되는 페로브스카이트형 나노 입자이고,
표면에 히드록시기를 포함할 수 있다.
압전성 세라믹은 (K, Na)NbO3 (KNN)계, BiNaTiO3 (BNT)계, Bi(Na, K)TiO3 (BNKT)계 및 BiKTiO3 (BKT)계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
전기 활성 폴리머는 할라이드기를 포함할 수 있다.
전기 활성 폴리머는 강유전성 폴리머(Ferroelectric Polymer)일 수 있다.
전기 활성 폴리머는 PVDF일 수 있다.
전기 활성 폴리머는 인(Phosphorus) 원자에 아릴옥시기가 치환된 폴리포스파젠일 수 있다.
폴리포스파젠은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112017102869750-pat00006
(화학식 1에서, R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C50의 아릴옥시기이고, R1 및 R2 중 적어도 하나는 하나 이상의 할로겐 원자가 치환된 C6 내지 C50의 아릴옥시기이며, n은 임의의 정수이다.)
R1은 나프톡시, 페녹시 또는 페닐 페녹시이고, R2는 플루오로 페녹시일 수 있다.
전기 활성 폴리머는 선형 질화붕소 폴리머일 수 있다.
선형 질화붕소 폴리머는 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위를 포함할 수 있다.
Figure 112017102869750-pat00007
[화학식 4]
(화학식 4에서, R3은 C1 내지 C20의 알킬기, C1 내지 C20의 알케닐기, C1 내지 C20의 알키닐기, C5 내지 C20의 아릴기, C3 내지 C20의 시클로알킬기, C1 내지 C20의 할로알킬기, 할라이드기 또는 수소이며, R4는 C1 내지 C20의 할로알킬기 또는 할라이드기이며, m은 임의의 정수이다.)
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 표시 패널 및 표시 패널 상부 또는 하부의 접촉 감응 소자를 포함하고, 접촉 감응 소자는 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머가 수소 결합에 의해 결합된 전기 활성 복합체로 이루어진 전기 활성층을 포함한다.
압전성 세라믹은 히드록시기를 포함하고, 전기 활성 폴리머는 할라이드기를 포함할 수 있다.
표시 패널 상에 별도로 배치된 애드온(add-on) 타입의 터치 패널을 더 포함하고, 접촉 감응 소자는 표시 패널과 터치 패널 사이에 배치될 수 있다.
표시 패널은 표시 패널 내에 일체화되도록 구성된 터치 센서를 포함하는 액정 표시 패널이고, 액정 표시 패널 하부에 배치된 백라이트 유닛을 더 포함하며, 접촉 감응 소자는 액정 표시 패널과 백라이트 유닛 사이에 배치될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 접촉 감응 소자
110: 전기 활성층
120: 전극
600, 700: 표시 장치
640, 740: 표시 패널
650: 터치 패널
660: 커버
770: 백라이트 유닛

Claims (16)

  1. 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머(electroactive polymer; EAP)가 수소 결합에 의해 결합된 전기 활성 복합체(electroactive matrix)로 이루어진 전기 활성층; 및
    상기 전기 활성층의 적어도 일면에 배치되는 전극을 포함하는, 접촉 감응 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 압전성 세라믹은 히드록시기를 포함하는, 접촉 감응 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 압전성 세라믹은 ABO3로 표시되는 페로브스카이트형 나노 입자이고,
    표면에 히드록시기를 포함하는, 접촉 감응 소자.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 압전성 세라믹은 (K, Na)NbO3 (KNN)계, BiNaTiO3 (BNT)계, Bi(Na, K)TiO3 (BNKT)계 및 BiKTiO3 (BKT)계 중에서 어느 하나인, 접촉 감응 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 활성 폴리머는 할라이드기를 포함하는, 접촉 감응 소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 전기 활성 폴리머는 강유전성 폴리머(Ferroelectric Polymer)인, 접촉 감응 소자.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 전기 활성 폴리머는 PVDF인, 접촉 감응 소자.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 전기 활성 폴리머는 인(Phosphorus) 원자에 아릴옥시기가 치환된 폴리포스파젠인, 접촉 감응 소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 폴리포스파젠은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는, 접촉 감응 소자.
    [화학식 1]
    Figure 112017102869750-pat00008

    (상기 화학식 1에서, R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C50의 아릴옥시기이고, R1 및 R2 중 적어도 하나는 하나 이상의 할로겐 원자가 치환된 C6 내지 C50의 아릴옥시기이며, n은 임의의 정수이다.)
  10. 제9항에 있어서,
    R1은 나프톡시, 페녹시 또는 페닐 페녹시이고, R2는 플루오로 페녹시인, 접촉 감응 소자.
  11. 제5 항에 있어서,
    상기 전기 활성 폴리머는 선형 질화붕소 폴리머인, 접촉 감응 소자.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 선형 질화붕소 폴리머는 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위를 포함하는, 접촉 감응 소자.
    [화학식 4]
    Figure 112017102869750-pat00009

    (상기 화학식 4에서, R3은 C1 내지 C20의 알킬기, C1 내지 C20의 알케닐기, C1 내지 C20의 알키닐기, C5 내지 C20의 아릴기, C3 내지 C20의 시클로알킬기, C1 내지 C20의 할로알킬기, 할라이드기 또는 수소이며, R4는 C1 내지 C20의 할로알킬기 또는 할라이드기이며, m은 임의의 정수이다.)
  13. 표시 패널; 및
    상기 표시 패널 상부 또는 하부의 접촉 감응 소자를 포함하고,
    상기 접촉 감응 소자는 압전성 세라믹과 전기 활성 폴리머가 수소 결합에 의해 결합된 전기 활성 복합체로 이루어진 전기 활성층을 포함하는, 표시 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 압전성 세라믹은 히드록시기를 포함하고,
    상기 전기 활성 폴리머는 할라이드기를 포함하는, 표시 장치.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 표시 패널 상에 별도로 배치된 애드온(add-on) 타입의 터치 패널을 더 포함하고,
    상기 접촉 감응 소자는 상기 표시 패널과 상기 터치 패널 사이에 배치된, 표시 장치.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 표시 패널은 상기 표시 패널 내에 일체화되도록 구성된 터치 센서를 포함하는 액정 표시 패널이고,
    상기 액정 표시 패널 하부에 배치된 백라이트 유닛을 더 포함하며,
    상기 접촉 감응 소자는 상기 액정 표시 패널과 상기 백라이트 유닛 사이에 배치된, 표시 장치.
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