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주형 후
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1 J. Microelectron. Packag. Soc., 23(3), (2016) Print ISSN Online ISSN 은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름을이용한유연투명정전용량형압력센서의특성 안영석 1 김원효 2 오해관 2 박광범 2 김건년 2 좌성훈 1, 1 서울과학기술대학교나노 IT 디자인융합기술대학원 2 전자부품연구원스마트센서연구센터 Characteristics of Flexible Transparent Capacitive Pressure Sensor Using Silver Nanowire/PEDOT:PSS Hybrid Film Young Seok Ahn 1, Wonhyo Kim 2, Haekwan Oh 2, Kwangbum Park 2, Kunnyun Kim 2 and Sung-Hoon Choa 1, 1 Graduate School of NID Fusion Technology, Seoul National University of Science and Technology, 232 Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul 01811, Korea 2 Smart Sensor Research Center, Korea Electronics Technology Institute, 25, Saenari-ro, Bundang-gu, Seongnam-si, Gyeonggi-do 13509, Korea (Received August 2, 2016: Corrected September 6, 2016: Accepted September 27, 2016) 초록 : 본연구에서는유연하고투명한특성을지닌유연투명정전용량형압력센서를제안하여기존의 X, Y 좌표위치인식이가능할뿐만아니라 3차원인식이가능한터치스크린을제작하였다. 유연투명정전용량형압력센서는상부기판, 압력감지층, 하부기판의 3 중구조로구성되어있다. 은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름이상부및하부기판으로사용되었다. 유연투명정전용량형압력센서의터치면적은 5인치이며, 전기적신호를인가하기위한 11 개의 driving line과정전용량의변화를감지하기위한 19개의 sensing line으로구성되었다. 은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름및유연투명정전용량형압력센서의전기적, 광학적특성을평가하였다. 또한기계적유연성을평가하기위하여굽힘시험을수행하였다. 제작된은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름은평균투과율 91.1%, 평균탁도 1.35% 로서매우우수한광학특성을나타내었고, 평균면저항은 44.1 Ω/square이었다. 굽힘시험결과은나노와이어 전도성고분자필름은곡률반경 3 mm까지저항의변화가거의없어매우우수한유연성을갖고있음을알수있었다. 또한 200,000회의반복굽힘피로시험결과, 저항의증가는매우미미하여, 유연내구성이매우우수함을알수있었다. 유연투명정전용량형압력센서의평균투과율은 84.1%, 탁도는 3.56% 이었다. 또한, 직경 2 mm의팁으로눌렀을경우, 누르는압력에따라센서가잘작동함을알수있었으며, 이를통하여멀티터치및멀티포스터치가가능함을확인하였다. 본연구에서제작한유연투명정전용량형압력센서는유저인터페이스, 사용자경험이강조되고있는현재상황에서새로운인터페이스의터치스크린패널에대한발전가능성을제시할수있을것이라판단된다. Abstract: In this paper, we developed a flexible transparent capacitive pressure sensor which can recognize X and Y coordinates and the size of force simultaneously by sensing a change in electrical capacitance. The flexible transparent capacitive pressure sensor was composed of 3 layers which were top electrode, pressure sensing layer, and bottom electrode. Silver nanowire(ag NW)/poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) hybrid film was used for top and bottom flexible transparent electrode. The fabricated capacitive pressure sensor had a total size of 5 inch, and was composed of 11 driving line and 19 sensing line channels. The electrical, optical properties of the Ag NW/PEDOT:PSS and capacitive pressure sensor were investigated respectively. The mechanical flexibility was also investigated by bending tests. Ag NW/PEDOT:PSS exhibited the sheet resistance of 44.1 Ω/square, transmittance of 91.1%, and haze of 1.35%. Notably, the Ag NW/PEDOT:PSS hybrid electrode had a constant resistance change within a bending radius of 3 mm. The bending fatigue tests showed that the Ag NW/PEDOT:PSS could withstand 200,000 bending cycles which indicated the superior flexibility and durability of the hybrid electrode. The flexible transparent capacitive pressure sensor showed the transmittance of 84.1%, and haze of 3.56%. When the capacitive pressure sensor was pressed with the multiple 2 mm-diameter tips, it can well detect the force depending on the applied pressure. This indicated that the capacitive pressure sensor is a promising scheme for next generation flexible transparent touch screens Corresponding author shchoa@seoultech.ac.kr 2016, The Korean Microelectronics and Packaging Society This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License( licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 21

2 22 안영석 김원효 오해관 박광범 김건년 좌성훈 which can provide multi-tasking capabilities through simultaneous multi-touch and multi-force sensing. Keywords: Flexible touchscreen, Capacitive pressure sensor, Multi-touch, Multi-force 1. 서론 터치스크린패널 (Touch screen panel, TSP) 은사용자가손가락이나펜등으로스크린에접촉하면, 그위치를인식하여시스템에전달하는입력장치이다. 터치스크린은초기에저항막방식의터치스크린 (resistive touch screen) 이개인용기기인 PDA, PMP, 네비게이션등으로보급되었고정전용량방식의터치스크린 (capacitive touch screen) 이 2007 년애플 (Apple) 의아이폰 (iphone) 에도입된이후, 대부분의스마트폰 (smart phone) 에적용되었다. 이처럼터치스크린은태블릿 PC, 올인원 (all-in-one) PC, DID(digital information display) 등각종디스플레이제품에응용되고있을뿐만아니라세탁기, 냉장고, 정수기등가전제품으로까지영역이확대되고있다. 1) 특히정전용량방식의스마트폰이도입되면서멀티터치가가능해짐에따라다양한기능을활용할수있게되어사용성이개선되었다. 2) 터치스크린기술은슬림화, 경량화, 다기능화되고있으며단일층터치스크린, 플렉서블터치스크린, 대면적터치스크린등의개발이활발하게이루어지고있다. 한편, 유연전자소자에관한기술개발도활발히진행되고있다. 유연전자소자는유연성, 디자인, 휴대성, 경량화등의다양한이점을가지고있다. 유연전자소자산업은플렉서블디바이스에대한연구개발을시작으로향후폴더블 (foldable), 스트레처블 (stretchable), 롤러블 (rollable), 웨어러블 (wearable) 등다양한형태의소자가출현할것으로예측되고있다. 터치스크린및유연전자소자를개발할때가장중요한재료는투명전극이다. 현재전자소자를개발하기위한투명전극으로가장많이활용되는것은 ITO(indium tin oxide) 소재이다. 이는 ITO 가우수한광학적, 전기적특성을보이고높은일함수특성이있기때문이다. 3,4) 그러나 ITO 는세라믹재료로서매우 brittle 하며, 구부리거나인장변형이있을경우, 2~3% 의낮은변형률 (strain) 에도쉽게파괴된다. 5) 또한제작시 300 o C 이상의고온공정이필요하기때문에유연한성질을가진폴리머기판을사용하는유연전자소자에적합하지않다. 이러한 ITO 의단점을대체하기위해다양한소재가개발되고있다. 6) 특히 CNT(carbon nanotube), 7) 그래핀 (graphene), 8) 은나노와이어 (silver nanowire), 9) 메탈메쉬 (metal mesh), 10) 전도성고분자 (conducting polymer) 11) 등다양한유연투명전극의소재개발및공정개발에대한연구가활발하게진행중이다. 최근애플사는 아이폰 6S, 아이폰 6S 플러스 모델을발표하면서 3D 터치 (3D touch) 를통해사용자가누르는압력의세기를감지할수있는기술을선보였다. 3D 터치또는포스터치라고불리는이기술은사용자가화면 을누르는압력을인식하고압력을가한정도에따라특정한기능을수행하는역할을한다. 사용자가누르는압력을인식할수있게되면기존의 X, Y 축을활용한멀티터치기술에서더나아가압력의세기에따른다양한기능을구현할수있게된다. 또한, 이를이용하여게임, 어플리케이션등에적용하여사용자가새로운유저인터페이스및사용자경험을경험할수있다. 터치스크린에서압력을인식하기위한방법은다양하다. 가령간접인식방식 (in-direct type) 과직접인식방식 (direct type) 이있다. 간접인식방식은터치스크린자체에서압력을감지하는것이아니라외부의센서나기기를통하여간접적으로압력을감지하는방식이다. 12,13) 간접인식방식에는외부케이스에 FSR(force sensitive resistor) 센서나 IFSR(interpolating force sensitive resistance) 센서를부착하여압력을인식하는방법이있다. 또다른방법으로터치스크린의스타일러스가압력을인식하도록한연구가있다. Z 축압력의강도를인식하는 3D 스타일러스는펜의머리부분을변형이가능하도록하고도체로제작되어기존의정전용량형터치스크린에서도사용이가능하다. 14) 한편, 별도의센서를부착하지않은직접인식방식으로터치스크린에적용가능한촉각센서에관한연구도있다. 15,16) ITO 의대체전극인 CNT 를투명전극으로한터치스크린, 터치스크린에적용가능한정전용량방식의촉각센서, 저항막방식의터치스크린등이있다. 그러나촉각센서의경우한셀에서감지할수있는압력의측정범위가크지않아작은압력만측정가능하고, 손가락으로터치할경우 mm 2 의손가락의면적안에수많은센서가배열되어있어이촉각센서를 5 inch 이상의스마트폰터치스크린에적용한다면센서의개수는수천개가되어신호처리하는데매우큰어려움이따른다. 현재터치와압력센서기능을동시에가능하게하는터치센서기술의개발은초기단계에있다. 특히유연한특성을같는유연터치압력복합센서의연구는매우미흡한상태이다. Kim 등 17) 은 IZO(indium-zinc-oxide) 를전극으로사용한정전용량형유연촉각터치센서를개발하였다. Zhang 등 18) 은은나노와이어를전극으로하여유연투명압력터치센서를개발한바있다. 최근에 Kim 등 19) 은 CNT 전극을사용하여멀티터치및멀티포스센싱이가능한유연터치센서를선보인바있다. 향후유연전자소자의기술과 3D 터치, 포스터치기술이융합하여유연한성질을갖는동시에압력을인식할수있는터치스크린패널이등장할것이라판단된다. 본논문에서는유연하고투명한특성을갖는정전용량형압력센서를제안하여기존의 X, Y 좌표위치인식이가능할뿐만아니라 3 차원인식이가능한터치스크린을 마이크로전자및패키징학회지제 23 권제 3 호 (2016)

3 은나노와이어 전도성고분자 하이브리드 필름을 이용한 유연 투명 정전용량형 압력 센서의 특성 제작하였다. 제작된 센서는 디스플레이 위에 터치센서를 붙이는 부착형 타입(add-on type) 으로 외부의 센서를 사 용하지 않은 직접 인식 방식이다. 또한, 상호 정전용량 방 식의 구조를 갖고 있어, 내부의 압력 감지층을 이용하여 도체와 부도체를 통한 터치 인식이 모두 가능하며 멀티 터치 및 멀티 포스 터치가 가능하다. ITO를 대체하기 위 한 유연 투명전극 물질로서 은나노와이어 전도성고분 자 하이브리드 필름을 제작하였으며, 실리콘 겔을 유전 체로 사용하여 투명하고 유연한 성질을 갖는 압력 센서 를 제작하였다. 그 후 제작된 센서의 전기, 광학 및 기계 적 유연성 특성을 분석하였다. 2. 유연 투명 정전용량형 압력 센서 제작 2.1. 은나노와이어 전도성고분자 하이브리드 전극을 이용 한 투명 전도성 필름 본 연구에서 사용된 유연 투명 정전용량형 압력 센서 는 상부 기판, 압력 감지층(tactile sensing layer, TSL), 하 부 기판의 3 개의 층 구조를 갖는데, 상부 전극과 하부 전 극 사이의 간격에 따른 정전용량 값의 변화에 따라 압력 감지하기 때문에 3 개의 층이 모두 유연한 성질을 가져 야 한다. 따라서 기판은 유연한 성질을 갖는 100 μm의 poly(ethylene terephthalate) (PET) 기판을 사용하고 전극 으로 은나노와이어를 사용하였다. 또한, 은나노와이어와 PET 기판 사이의 접착력(adhesion)을 보완하고 은나노와 이어의 균일도 향상을 통한 필름의 전기적 특성을 개선 하기 위하여 다중층 코팅(multi-layer coating)을 진행하여 은나노와이어 전도성고분자 하이브리드 필름을 제작하 였다. 은나노와이어는 평균 길이와 직경이 각각 25 μm, 45 nm인 나노픽시스(Nanopyxis) 제품을 사용하였고 11.8 mg ml 1의 이소프로필알코올(isopropyl alcohol, IPA)에 의 한 분산액 형태로 사용하였다. 전도성 고분자는 poly(3,4ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) (PEDOT: PSS)로서 헤라우스(Heraeus)의 Clevios PH1000을 사용하 였고 전기 전도도를 높이기 위하여 5 wt%의 DMSO(di- 23 methyl sulfoxide)를 첨가하였다. 기판으로 사용된 PET는 은나노와이어와 접착력을 높이기 위해 산소 플라즈마 처 리(O2 plasma treated)를 하였다. 균일도를 향상시키기 위 하여 1.4 wt%의 이소프로필알코올에 희석시킨 은나노와 이어 용액을 PET 기판 위에 스핀코팅(Spin coating)한 뒤 150oC에서 5 분간 어닐링(annealing)하였다. 다중 층 코팅 을 위하여 0.7 wt%, 0.47 wt%, 0.35 wt%, 0.28 wt%의 은 나노와이어 용액을 같은 방법으로 4회 코팅 및 어닐링을 진행하였다.20) 전도성 고분자 용액은 5 μm의 시린지 필 터(syringe filter)를 사용하여 필터링한 뒤 은나노와이어 가 코팅된 필름 위에 5000 rpm으로 스핀 코팅하였다. 완 성된 필름을 150oC에서 2분 동안 건조하면 은나노와이어 전도성고분자 하이브리드 필름의 제작이 완료된다. 제 작된 은나노와이어 전도성고분자 하이브리드 필름으로 반도체 공정을 통해 패턴을 현상하여 식각(etching)을 진 행하였다. Fig. 1은 식각 전후 경계면의 전자현미경(SEM) 사진이다. 패턴의 경계 부분이 명확하게 식각되어 유연 소자의 제작에 적합한 용도로 사용할 수 있을 것으로 보 인다 유연 투명 정전용량형 압력 센서 본 연구에서 제작된 유연 투명 정전용량형 압력 센서 는 상호 정전용량 방식의 구조이며, 내부의 압력 감지 층 을 이용하여 도체와 부도체를 통한 터치 인식이 모두 가 능하고, 또한 멀티 터치 및 멀티 포스 터치가 가능하다. 센서는 상호 정전용량 방식이므로 하부 기판의 driving electrode와 상부 기판의 sensing electrode가 서로 수직하 게 교차하여 Fig. 2와 같이 capacitance array를 형성한다. Driving electrode에 전압이 인가되면 sensing electrode에 전기장이 형성되면서 두 전극 사이에 정전용량이 형성된 다. 일반적으로 손가락으로 터치를 할 때 가하는 힘(혹은 압력)은 약 1 N 정도이고, 스크린에 맞닿는 손가락의 면 적은 mm2 정도이다. 제작된 유연 투명 정전용량 형 압력 센서는 단위 셀의 면적이 mm2로 손가 락 팁으로 터치할 경우 터치 되는 셀의 개수는 총 4 개이 고, 압력 감지층의 두께는 400 μm로 하여 다양한 압력의 Fig. 1. SEM images of AgNW/PEDOT:PSS hybrid films before and after etching process. J. Microelectron. Packag. Soc. Vol. 23, No. 3 (2016)

24 안영석 김원효 오해관 박광범 김건년 좌성훈 Fig. 2. Capacitance array with driving lines and sensing lines. 변화에대한정전용량값의변화를인식할수있도록설계하였다. 유연투명정전용량형압력센서는패턴형성, 조립, 주입의세단계공정을거쳐제작된다. 첫번째, 패턴형성은상부기판과하부기판의터치패턴을형성하는단계이다.

터치설계패턴을필름위에형성하기위하여금속이증착된은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름위에스핀코터 (spin coater) 를사용하여 HMDS(hexamethyldisilazane) 를스핀코팅한후 GX601 감 광액 (photo resist) 을코팅한다. 코팅이끝난필름은 90 o C 의오븐에서소프트베이크 (soft bake) 한다.

4 24 안영석 김원효 오해관 박광범 김건년 좌성훈 Fig. 2. Capacitance array with driving lines and sensing lines. 변화에대한정전용량값의변화를인식할수있도록설계하였다. 유연투명정전용량형압력센서는패턴형성, 조립, 주입의세단계공정을거쳐제작된다. 첫번째, 패턴형성은상부기판과하부기판의터치패턴을형성하는단계이다. 상부기판과하부기판은모두은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름으로제작됨으로노광시마스크패턴만다르고공정순서는같다. 공정은 Fig. 3 에나타나있듯이, 다음과같은순서로진행되었다. 제작된은나노와이어 전도성고분자필름위에스퍼터링 (sputtering) 증착공정으로 Ti 와 Au 를각각 12 nm, 50 nm 의두께로증착한다. 터치설계패턴을필름위에형성하기위하여금속이증착된은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름위에스핀코터 (spin coater) 를사용하여 HMDS(hexamethyldisilazane) 를스핀코팅한후 GX601 감 광액 (photo resist) 을코팅한다. 코팅이끝난필름은 90 o C 의오븐에서소프트베이크 (soft bake) 한다. 그다음노광기 (contact aligner) 를사용하여설계한마스크패턴을필름에노광한다. 노광된필름은 AZ 300 현상용액에서현상한다. 현상된필름은 Au etchant 및 BOE(buffered oxide etch) 용액에담가차례로습식식각 (etching) 한다. 습식식각이완료된필름의불필요한금속부분을제거하기위하여위의공정을다시반복한다. 반복된공정으로불필요한부분의금속이모두제거되면금속트레이스라인 (metal trace line) 과투명전극채널이형성된다. 두번째공정인조립은 Fig. 3(b) 와같이패턴형성이완료된상 하부기판을조립하고 FPCB(flexible printed circuit board) 를필름과본딩 (bonding) 하는과정이다. 패턴이형성된상 하부필름을레이저커팅하고디바이스형태로조립한다. 이후에상하부필름에실리콘주입을위한공간을띄우기위하여 gap block(polycarbonate) 을필름의외곽에붙인다. 400 μm 두께의 gap block 의양면에 OCA(optical clear adhesive) 을붙이고패터닝된필름은전극을 gap block 방향으로하여각각접착한다. 이후 ACP(anisotropic conductive paste) 처리된 FPCB 를필름의금속부분에본딩 (bonding) 한다. 마지막단계인주입은조립된디바이스내부에압력감지층으로사용되는실리콘겔 (silicone gel, Dow Corning 사 ) 을주입하는공정이다. 실리콘겔은유전체이며, 탄성체로서손으로누르게되면상부기판이눌리면서거리에따른정전용량의변화로압력의변화를측정할수있다. 겔주입후 90 o C 에서 90 분경화시킨다. 마지막단계로서 Fig. 3. Top and bottom electrode assembly process with gap block. 마이크로전자및패키징학회지제 23 권제 3 호 (2016)

은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름을이용한유연투명정전용량형압력센서의특성 25 Fig. 5. Schematic drawing of a lab-made bending tester. Fig. 4. Flexible transparent capacitive pressure sensor.

제작된유연투명정전용량형압력센서는멀티터치와멀티포스터치가가능한상호유도정전용량방식으로 driving line 을위한하부기판과, sensing line 을위한상부기판그리고두기판사이의압력감지층으로구성되어있다. Driving line 과 sensing line 은각각독립적인채널이며 5 인치크기에서 11 19 개의단위셀어레이를형성한다.

5 은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름을이용한유연투명정전용량형압력센서의특성 25 Fig. 5. Schematic drawing of a lab-made bending tester. Fig. 4. Flexible transparent capacitive pressure sensor. 실리콘겔이경화된디바이스의 gap block 을제거해주면, 유연투명정전용량형압력센서의제작이완료된다. Gap block 을제거해야하는이유는센서가유연한특성을갖도록하기위함이다. Fig. 4 는완성된투명유연정전용량형압력센서의모습이다. 제작된유연투명정전용량형압력센서는멀티터치와멀티포스터치가가능한상호유도정전용량방식으로 driving line 을위한하부기판과, sensing line 을위한상부기판그리고두기판사이의압력감지층으로구성되어있다. Driving line 과 sensing line 은각각독립적인채널이며 5 인치크기에서 개의단위셀어레이를형성한다. 채널이교차되는어레이각각의단위셀면적은 mm 2 이고센서전체의면적은 mm 2 이다. 상부와하부기판은앞서제작한 100 μm 두께의은나노와이어 전도성고분자필름을사용하였다. 상부기판과하부기판사이의압력감지층은 Fig. 4 와같이투과도가높고압력에따른변위가크며변형에대한복원력이높아탄성체의역할을할수있는실리콘겔을선택하였다. 압력감지층은사용자가압력을가했을때상부전극과하부전극간의변위를일으키는역할을한다 측정및평가방법 제작된은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름및유연투명정전용량형압력센서의전기 광학적특성분석을실시하였다. 먼저, 전기적특성을분석하기위하여 4 point probe 를이용하여면저항 (sheet resistance) 을측정하였으며, 사용된장비는 AiT 사의 CMT-SR1000N 이었다. 면저항측정시, 오차범위를줄이기위해총 5 번을측정하여평균값을이용하였다. 투명전극의광학적특성으로서투과율 (transmittance) 과탁도 (haze) 를측정하였으며, 측정을위하여 Nippon Denshoku 사의탁도계 (haze meter) 인 NDH-5000 을사용하였다. 측정시파장은가시광선영역에서인체의눈이가장밝게느끼는색의파장인 555 nm 에서측정하였다. 은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름의기계적유연성은굽힘시험을통해서평가하였다. Fig. 5 는사용된굽힘시험기의개념도를나타내고있다. 굽힘시험은 concave 형태 ( ) 로굽힐경우은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름에인장응력이작용하게된다. 굽힘시험에서는시편의전체길이 L 을변화시킴으로써곡률반경을변화시켰다. dl 만큼변화시켰을때발생되는곡률반경 (r) 은아래의식으로계산되었으며 21) Bending Radius(r) = L (1) 2π dl π 2 2 h s L 12L 2 여기서 L, dl/l 그리고 hs 는기판의초기길이, 기판의전체길이에대한기판의이송거리, 그리고기판의두께를각각나타낸다. 굽힘특성측정을위해평평한상태 ( 곡률반경 ) 에서곡률반경을줄이면서전극이파괴되는지점, 즉파괴곡률반경을확인하는굽힘시험 (bending test) 과곡률반경을일정하게고정한후, 굽힘횟수에따른파괴정도를확인하는반복굽힘피로시험 (cyclic bending fatigue test) 을각각별도로진행하였다. 굽힘시험에사용된시편의크기는 25 mm 25 mm 이다. 시험은시편의양단에실버페이스트 (Ag paste) 와도선을연결하여 2 point 탐침법으로멀티미터 (34401A, Agilent 사 ) 를사용하여전극의저항변화를관찰하였으며, 동시에광학현미경으로전극표면의파괴혹은크랙유무를관찰하였다. 저항이급격히크게변하거나, 전극의표면에크랙이발생할경우, 혹은전극이파손된시점을파괴시점이라고간주하고시험을중단하였다. 반복굽힘피로시험의경우 2Hz 의주기로굽힘을진행하였으며, 총 200,000 사이클을시험하였다. 굽힘시험은각시편에대해서각각 4 번을수행하여하였다. 3. 실험결과및고찰 3.1. 은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름특성 은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름의전기 J. Microelectron. Packag. Soc. Vol. 23, No. 3 (2016)

26 안영석 김원효 오해관 박광범 김건년 좌성훈 적특성을파악하기위하여면저항측정을수행하였다. 측정방법은 140 mm 140 mm 크기의은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름을 9 부분으로등분하여각부분의면저항측정값을평균하였다. 면저항의평균은 44.1 Ω/square 이었으며, 표준편차는 1.72 이었다.

6 26 안영석 김원효 오해관 박광범 김건년 좌성훈 적특성을파악하기위하여면저항측정을수행하였다. 측정방법은 140 mm 140 mm 크기의은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름을 9 부분으로등분하여각부분의면저항측정값을평균하였다. 면저항의평균은 44.1 Ω/square 이었으며, 표준편차는 1.72 이었다. 제작된필름은면저항이낮고면적에따른저항의분포가일정하여터치스크린패널에사용하기적합함을알수있었다. 다음으로하이브리드필름의투과율과탁도 (haze) 의광학적특성을분석하였다. 투과율은확산된투과광을측정한확산투과율 (diffused light transmittance, D.T) 과평행투과광을측정한평행투과율 (parallel light transmittance, P.T) 가있다. 식 (2) 와같이이두가지투과율을합한값을전광선투과율 (total light transmittance, T.T) 이라한다. T.T(%) = D.T + P.T (2) 탁도는빛이물질을통과할때반사나흡수이외에물질의고유성질에따라빛이확산되어불투명한외관을나타내는현상이며식 (3) 과같이확산투과율과전광선투과율의비율로표시한다. 22) D.T Haze(%) = (3) T.T 투과율측정은 NIPPON DENSHOKU 사의탁도계 (haze meter) 인 NDH-5000 을사용하였으며, 측정파장은 555 nm 이었다. 측정방법은면저항의측정방법과동일하게 140 mm 140 mm 크기의은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름을 9 부분으로등분하여각각의부분을측정한평균값으로나타내었다. 측정된평균투과율과평균탁도는각각 91.1%, 1.35% 이었다. 다음으로은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름의유연성및내구성평가를위하여굽힘시험을수행하였다. Fig. 6 은굽힘시험결과이다. 굽힘시험은곡률반경 30 mm 에서시작하여 2.5 mm 까지진행하였다. 그림에서 R o 는초기저항이며, ΔR 은저항의변화를나타낸다. PET 기판의두께영향으로곡률반경 2.5 mm 이하로굽히는것은불가능하였다. ITO 투명전극의경우곡률반 경 5mm 까지일정한저항을유지하였으나, 곡률반경 4.5 mm 에서저항이급격히증가함을알수있었다. 반면은나노와이어 전도성고분자전극의경우곡률반경 3 mm 까지저항이일정하였으며, 곡률반경 2.5 mm 에서저항이급격히증가함을알수있었다. 따라서은나노와이어 전도성고분자전극이굽힘특성, 즉유연성이 ITO 전극에비하여우수함을알수있다. Fig. 7 과같이곡률반경 2.5 mm 의시험후, 은나노와이어 전도성고분자전극에굽힘방향에직각방향 ( 시편의폭방향 ) 으로크랙이발생함을알수있었다. 은나노와이어 전도성고분자물질은매우유연한특성을갖는것으로알려져있다. 반면 PET 기판위에는내화학성향상및스크래치 (scratch) 방지를위하여 hard coating 이얇게코팅되어있다. 이 hard coating 은 brittle 한특성을갖고있다. 따라서 2.5 mm 의곡률반경에서 PET 의 hard coating 에크랙이먼저발생하고, 이크랙은은나노와이어 전도성고분자전극의크랙을발생시켜전극의저항이급격히증가한것으로판단된다. 결론적으로은나노와이어 전도성고분자전극은 ITO 전극에비하여매우우수한기계적유연성을갖고있으며향후접을수있는 foldable 전자소자로도활용이가능할것으로사료된다. Fig. 7. Optical microscope image of AgNW/PEDOT:PSS film crack. Fig. 6. Outer bending test of AgNW/PEDOT:PSS electrodes. Fig. 8. Results of AgNW/PEDOt:PSS in outer bending fatigue test. 마이크로전자및패키징학회지제 23 권제 3 호 (2016)

은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름을이용한유연투명정전용량형압력센서의특성 27 Fig. 8 은은나노와이어 전도성고분자전극의반복굽힘피로시험결과이다. 반복굽힘피로시험은곡률반경을 5 mm 로고정시킨후, 평평한상태에서곡률반경 5 mm 까지굽히는굽힘시험을 200,000 회진행하였다. 은나노와이어 전도성고분자필름의초기저항은 68.

측정방법은완성된센서를 8 부분으로나누어각부분별로측정을하여평균으로나타내었다. 측정결과, 평균투과율은 84.1%, 탁도는 3.56% 를나타내었다. 유연투명정전용량형압력센서가상부필름, 압력감지층, 하부필름의 3 중구조이기때문에앞서측정한은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름의투과율과탁도보다높은값이측정되었다.

7 은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름을이용한유연투명정전용량형압력센서의특성 27 Fig. 8 은은나노와이어 전도성고분자전극의반복굽힘피로시험결과이다. 반복굽힘피로시험은곡률반경을 5 mm 로고정시킨후, 평평한상태에서곡률반경 5 mm 까지굽히는굽힘시험을 200,000 회진행하였다. 은나노와이어 전도성고분자필름의초기저항은 Ω 이었으며, 굽힘시험이증가함에따라서저항도약간씩증가함을알수있었다. 200,000 회진행하였을때은나노와이어 전도성고분자필름의저항은 Ω 이었으며, 초기대비저항의증가율은 6.8% 로매우적었으며, 이결과를통하여은나노와이어 전도성고분자필름의유연내구성도매우우수함을알수있었다 유연투명정전용량형압력센서특성평가 제작한유연투명정전용량형압력센서의광학특성을평가하였다. 측정방법은완성된센서를 8 부분으로나누어각부분별로측정을하여평균으로나타내었다. 측정결과, 평균투과율은 84.1%, 탁도는 3.56% 를나타내었다. 유연투명정전용량형압력센서가상부필름, 압력감지층, 하부필름의 3 중구조이기때문에앞서측정한은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름의투과율과탁도보다높은값이측정되었다. 하지만 80% 이 상의비교적높은투과율을보이므로부착형타입의디바이스에사용하기적합할것으로판단된다. 다음으로유연투명정전용량형압력센서의정전용량특성을측정하였다. Driving line 인하부전극과 sensing line 인상부전극의상호정전용량을측정하였으며측정은 FT Lab 사의 TCS-1000(touch panel checking system) 을사용하였다. Fig. 9 는제작된유연투명정전용량형센서의측정된정전용량값의분포를그래프로나타낸것이다. X 축의 11 개의 driving line 에대하여 Y 축은 19 개의 sensing line 의정전용량값을각각나타낸다. 정전용량값은최소 2.52 pf 에서최대 3.96 pf 의분포를보이며평균 3.36 pf 의상호정전용량값을갖는다. 유연투명정전용량형압력센서의압력에따른반응을확인하기위하여컨트롤러와 PC 소프트웨어를구성하였다. 제작된센서에서사용자의터치및압력을감지하여컨트롤러에전송하고컨트롤러는터치패널에서전송된아날로그신호 (analog signal) 를디지털신호 (digital signal) 로변경하여화면상에나타낼수있는 3D 좌표형 Fig. 9. Capacitance values of flexible transparent capacitive pressure sensor. Fig. 11. Bending touch test and measured CDC characteristics of multi-touch test. Fig. 10. Results of multi touch and multi force touch. J. Microelectron. Packag. Soc. Vol. 23, No. 3 (2016)

28 안영석 김원효 오해관 박광범 김건년 좌성훈 Fig. 12. CDC characteristics of edge bending. 태로변환한다. 정전용량 (capacitance) 의변화는 CDC (capacitance-to-digital converter) 를통하여측정되며, PC 소프트웨어는 CDC 값을표시할수있다.

8 28 안영석 김원효 오해관 박광범 김건년 좌성훈 Fig. 12. CDC characteristics of edge bending. 태로변환한다. 정전용량 (capacitance) 의변화는 CDC (capacitance-to-digital converter) 를통하여측정되며, PC 소프트웨어는 CDC 값을표시할수있다. CDC 란컨트롤러에서센서각각의단위셀의정전용량을측정하여숫자로나타낸값으로, 사용자의압력이나위치인식으로센서의정전용량이변화하는것을숫자변화로나타내화면에표시한다. 멀티터치와멀티포스터치인식을확인하기위하여직경 2 mm 의팁 (tip) 으로구성된 12 개의플라스틱구조물로센서를터치하였다. Fig. 10 과같이 12 개각각의 CDC 값이화면상에표시되는것을알수있다. 구조물위에가하는힘에따라 CDC 값이증가하여힘에따른센서의인식을확인하였다. 제작된유연투명정전용량형압력센서는유연한특성을지닌다. 또한, Fig. 11 과같이굽힌상태에서도터치위치와힘을인식하고 Fig. 12 와같이굽혀진모서리일부에서굽힘에정전용량의변화에의한 CDC 값이증가함을알수있었다. 4. 결론 본논문에서는상부기판, 압력감지층, 하부기판의 3 중구조형태로유연하고투명한특성을지닌유연투명정전용량형압력센서를제안하여기존의 X, Y 좌표위치인식이가능할뿐만아니라 3 차원인식이가능한터치스크린을제작하였다. 유연투명전극으로 PET 기판에은나노와이어를다중층코팅하고그위에전도성고분자를코팅하는방식으로은나노와이어 전도성고분자하이브리드전극을제작하였다. 유연투명정전용량형압력센서는전기적신호를인가하기위한 11 개의 driving line 과정전용량의변화를감지하기위한 19 개의 sensing line 이각각하부기판과상부기판에패터닝되어있다. 단위셀의면적은 mm 2 이고터치면적은 5 인치이다. 전체의면적은 mm 2 로설계하였다. 압력감지층으로실리콘겔을이용하여상부기판과하부기판을전기적으로절연시키고, 압력에따른변형을복구하기위한탄성체역할로사용하였다. 제작된은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름은평균투과율 91.1%, 평균탁도 1.35% 로서매우우수한광학특성을나 타내었고, 평균면저항은 44.1 Ω/square 이었다. 굽힘시험결과은나노와이어 전도성고분자필름은곡률반경 3 mm 까지저항의변화가거의없어매우우수한유연성을갖고있음을알수있었다. 또한곡률반경 5 mm 에서 200,000 회의반복굽힘피로시험결과, 저항의증가는매우미미하였으며, 따라서은나노와이어 전도성고분자필름의유연내구성이매우우수함을알수있었다. 제작된유연투명정전용량형압력센서의평균투과율은 84.1%, 탁도는 3.56% 이었다. 또한, 직경 2 mm 의플라스틱구조물을눌렀을경우, 누르는압력에따라센서가잘작동함을알수있었으며, 이를통하여멀티터치및멀티포스터치가가능함을확인하였다. 본연구에서제작한유연투명정전용량형압력센서는유저인터페이스, 사용자경험이강조되고있는현재상황에서새로운인터페이스의터치스크린패널에대한발전가능성을제시할수있을것이라판단된다. 향후제작방법을단순화하고굽힘이나압력에대한실험이진행되어특성을개선시킨다면터치스크린뿐만아니라다양한용도로활용될수있을것으로판단된다. 감사의글 이연구는서울과학기술대학교교내학술연구비지원으로수행되었습니다. References 1. G. Walker, Fundamentals of Touch Technologies and Applications, Society for Information Display (2011). 2. C. Villamor, D. Willis and L. Wroblewski, Touch gesture reference guide, Touch Gesture Reference Guide (2010). 3. H. Ohta, M. Orita, M. Hirano, H. Tanji, H. Kawazoe and H. Hosono, Highly electrically conductive indium-tin-oxide thin films epitaxially grown on yttria-stabilized zirconia (100) by pulsed-laser deposition, Applied Physics Letters, 76(19), 2740 (2000). 4. R. B. H. Tahar, T. Ban, Y. Ohya and Y. Takahashi, Tin doped indium oxide thin films: Electrical properties, Journal of Applied Physics, 83(5), 2631 (1998). 마이크로전자및패키징학회지제 23 권제 3 호 (2016)

9 은나노와이어 전도성고분자하이브리드필름을이용한유연투명정전용량형압력센서의특성 K. A. Sierros, N. J. Morris, K. Ramji and D. R. Caims, Stresscorrosion cracking of indium tin oxide coated polyethylene terephthalate for flexible optoelectronic devices, Thin Solid Films, 517(8), 2590 (2009). 6. J.-H. Kim, M.-W. Chon and S.-H. Choa, Technology of Flexible Transparent Conductive Electrode for Flexible Electronic Devices, J. Microelectron. Packag. Soc., 21(2), 1 (2014). 7. D. S. Hecht, D. Thomas, L. Hu, C. Ladous, T. Lam, Y. Park and P. Drzaic, Carbon-nanotube film on plastic as transparent electrode for resistive touch screens, Journal of the Society for Information Display, 17(11), 941 (2009). 8. K. S. Kim, Y. Zhao, H. Jang, S. Y. Lee, J. M. Kim, K. J. H. Ahn, P. Kim, J. Y. Choi and B. H. Hong, Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes, Nature, 457(7230), 706 (2009). 9. D.-G. Kim, Y. Kim and J.-W. Kim, Recent Trends in Development of Ag Nanowire-based Transparent Electrodes for Flexible Stretchable Electronics, J. Microelectron. Packag. Soc., 22(1), 7 (2015). 10. J. Park, J. Lee and Y. Y. Noh, Optical and thermal properties of large-area OLED lightings with metallic grids, Organic Electronics, 13(1), (2012). 11. S.-I. Na, S.-S. Kim, J. J. and D.-Y. Kim, Efficient and Flexible ITO-Free Organic Solar Cells Using Highly Conductive Polymer Anodes, Advanced Materials, 20(21), 4061 (2008). 12. J. Elwell, P-200L: Late-News Poster: Sensing Touch by Sensing Force, SID Symposium Digest of Technical Papers, 38(1), 312 (2007). 13. S. Heo and G. Lee Force gestures: augmenting touch screen gestures with normal and tangential forces, Proceedings of the 24th annual ACM symposium on User interface software and technology, 621 (2011). 14. C.-L. Lin, C.-S. Li, Y.-M. Chang, C.-C. Hung and A. Lin, 3D stylus and pressure sensing system for capacitive touch panel, 2012 IEEE International Conference on Consumer Electronics (ICCE), 215 (2012). 15. T.-Y. Chen, Y.-C. Wang, C.-Y. Lo and R. Chen, A novel integrated transparent flexible tactile sensor, th International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, 1052 (2011). 16. H. Lee, J. Chung, S. Chang and E. Yoon, Normal and shear force measurement using a flexible polymer tactile sensor with embedded multiple capacitors, J. Microelectron. Packag. Soc., 17(4), 934 (2008). 17. H.-K. Kim, S. Lee and K.-S. Yun, Capacitive tactile sensor array for touch screen application, Sensors and Actuators A: Physical, 165(1), 2 (2011). 18. B. Zhang, Z. Xiang, S. Zhu, Q. Hu, Y. Cao, J. Zhong, Q. Zhong, B. Wang, Y. Fang, B. Hu, J. Zhou and Z. Wang, Dual functional transparent film for proximity and pressure sensing, Nano Research, 7(10), 1488 (2014). 19. W. Kim, H. Oh, Y. Kwak, K. Park, B.-K. Ju and K. Kim, Development of a carbon nanotube-based touchscreen capable of multi-touch and multi-force sensing, Sensors, 15(11), (2015). 20. S. Kim, S. Y. Kim, J. Kim and J. H. Kim, Highly reliable AgNW/PEDOT: PSS hybrid films: efficient methods for enhancing transparency and lowering resistance and haziness, Journal of Materials Chemistry C, 2(28), 5636 (2014). 21. S.-I Park, J.-H. Ahn, S. Wang, Y. G. Huang and J. A. Rogers, Theoretical and Experimental Studies of Bending of Inorganic Electronic Materials on Plastic Substrates, Advanced Functional Materials, 18(18), 2673 (2008). 22. W. A. MacDonald, Engineered films for display technologies, Journal of Materials Chemistry, 14(1), 4 (2004). J. Microelectron. Packag. Soc. Vol. 23, No. 3 (2016)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Jan.; 25(1), IS

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2014 Jan.; 25(1), 47 52. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2014.25.1.47 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Circuit