Force touch sensors that recognize the location and pressure of external stimulus has attracted attention for application in commercialized smartphones, but they also have huge potential for future electronics, such as wearable health monitoring devices, flexible displays, and humanoid robots. To realize high-performance force touch sensors, enormous amounts of research have been performed, concentrating on high sensitivity and/or functionalities, such as flexibility and transparency. However, it is still challenging to demonstrate a force touch sensor that can be practically used in dynamically flexible applications because of inevitably induced mechanical stress in sensor materials during bending and/or releasing.
In this dissertation, we newly report a nano-force touch sensor, which detects mechanical stimulus not only with high sensitivity and transparency, but also without performance degradation in dynamically flexible (bending) situations. A key is the development of a hierarchical nano-composite (HNC) film that consists of a nano-structured plastic base, coplanar electrodes, and a compressible polymer dielectric possessing metal nano-particles. Through theoretical and experimental investigation of the proposed HNC film under external stimulus, we confirmed that the external stimulus can generate maximized internal stress due to the unique nano-structures to enhance sensitivity. Also, stress occurs near the structural neutral plane of the HNC film, resulting in bending-insensitive operation of the device. Since the developed sensor relies on a conventional semiconductor fabrication process, a large-area (7-inch) nano-force touch sensor shows industrial-grade performance in terms of uniformity and reproducibility. Using the proposed method, the 7-inch nano-force touch sensor was successfully integrated into a commercial smartphone, and it recognized pressure as well as the touch position of a human finger on the smartphone. Also, since the bending-insensitivity of the nano-force touch sensor, the health monitoring devices successfully detected human pulse and foot pressure as well as maintaining constant pressure sensing performance in a variety of bending situations.
포스 터치 센서는 인가되는 터치의 위치 정보뿐만 아니라 힘의 정도까지도 인식 가능한 센서로써 외부 접촉의 위치 및 힘의 크기를 이용하여 정확한 정보 제공 및 선택과 보안의 기능을 수행할 수 있기 때문에 스마트폰, 차량용 디스플레이, 건강 모니터링 디바이스, 휴머노이드 로봇 등 많은 응용 디바이스로부터 관심을 받고 있다. 최근에는 앞선 다양한 응용 디바이스로에 적용하기 위해, 마이크로-나노 크기의 미세 구조나 나노 복합 물질를 이용하여 민감도와 유연성을 높이는 고성능 포스 터치 센서 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 기존에 개발된 고성능 센서들은 민감도와 유연성과 같은 특정 성능만을 향상 시켰을 뿐, 상용화에 필요한 민감도, 유연성, 투명도, 재현성, 다양한 사용 환경에서의 동작 신뢰성 등과 같은 모든 성능들을 동시에 만족시키지 못해 상용 제품에 실질적으로 적용 되지 못하고 있었다.
본 학위 논문에서는 포스 터치 센서는 공기를 포함한 간격을 갖는다는 상식에서 벗어나, 속이 꽉 찬 센서를 생각 했고, 센서 내부에 압력에 따른 유전율 변화를 극대화 할 수 있는 금속 나노파티클이 포함된 투명 나노 복합 절연층과 가해진 압력을 집중시켜 민감도를 향상 시킬 수 있는 나노그레이팅 구조를 개발함으로써 고민감도 투명 유연 포스 터치 센서를 제작 하였다.
또한, 감지 전극을 감지층의 상하부에 형성한다는 상식에서 벗어나 동일 평면 (기계적 중립면(Neutral plane)) 상에 배치함으로써 제작된 센서가 볼펜심 정도의 극심한 반경으로 굽힌 상황에서도 성능의 변화 없이 신뢰적으로 동작함을 확인하였다. 그 외에도 양산시 중요하게 고려되어야 하는 대면적 균일성, 제작 재현성 및 온도에 따른 신뢰성과 장기 사용에 대한 신뢰성 등 다양한 성능에 대해서도 상용화 수준임을 확인하였다.
추가적으로 응력 집중 현상을 발생 시킬 수 있는 나노 구조와 굽힘 시 발생하는 응력을 최소화 할 수 있는 동일 평면 전극 구조(감지 영역을 기계적 중심면에 배치하는 구조)를 기반으로 하는 다양한 압력 센서 구조를 제안함으로써 센서 적용의 확장성을 넓힐 수 있는 센서 플랫폼을 개발하였다. 그 결과, 본 논문에서는 작은 압력의 변화인 맥박 측정을 시작으로, 사람의 몸무게를 지탱하는 발바닥 압력까지 성공적으로 측정함으로써 건강 모니터링 및 보행 분석의 가능성을 확인하였다. 더불어, 상용화되고 있는 스마트폰에 나노-포스 터치 센서를 집적함으로써 스마트폰 상의 3D 터치를 이용한 다양한 어플리케이션을 데모 함으로써 다양한 응용 디바이스로의 적용 가능성을 확인하였다.
