터치스크린 적용을 위한 유연한 촉각센서 개발
Flexible Tactile Sensor for Touch Screen Application
- 주제(키워드) Tactile sensor , Touch screen , Flexible device
- 발행기관 서강대학교 대학원
- 지도교수 윤광석
- 발행년도 2009
- 학위수여년월 2009. 2
- 학위명 석사
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000044968
- 본문언어 한국어
초록/요약
본 논문에서는 멀티 터치스크린에 적용 가능하도록 제작된 투명하고 유연한 촉각센서를 제안한다. 제작된 촉각 센서 모듈은 다지점에서의 힘 측정이 가능한 정전용량형 촉각 센서들이 2 차원으로 배열되어 있다. 디바이스는 투명한 플라스틱 기판 위에 투명한 물질들을 사용하여 제작되었다. 터치 입력은 캐페시터의 평행한 두 판 중 상판의 기계적인 변형에 의해 발생되는 캐패시턴스 변화에 의해 측정된다. 터치스크린은 저항막 방식, SAW 방식, 옵티컬 방식, IR 방식과 애플사에서 멀티 터치 기능을 위하여 i-Phone 에 적용한 정전용량 방식이 있다. 하지만 대부분의 터치스크린은 터치 강도를 측정하지 못하고 또한 유연한 특성을 가지지 못하기 때문에 현재 Sony 에서 개발하고 있는 flexible OLED 나 Samsung 에서 개발하고 있는 flexible TFT LCD 등의 flexible application 에는 적용할 수 없다. 힘 측정이 가능한 다양한 촉각센서들이 지난 몇 년간 주로 로봇의 팔에 적용하기 위한 목표를 가지고 연구되어 왔다. 그러나 대부분의 디바이스들이 투명하지 않은 물질을 사용하여 디스플레이의 터치스크린으로서는 적합하지 않다. 본 연구에서는 힘 측정이 가능하고 유연하며 전체적으로 투명한 특성을 가짐으로써 터치스크린에 적용할 수 있는 MEMS 기반의 촉각 센서를 제작하였다. 두 개의 기판은 120 µm 의 두께를 가지는 투명한 Polycarbonate (PC) film 이다. 130nm 의 투명한 Indium zinc-oxide (IZO) layer 가 전극과 signal line 으로서 사용되었다. 두 개의 전극은 18µm 두께만큼 띄어져 있다. 단위 셀과 전극의 크기는 각각 2 x 2 mm2, 1 x 1 mm2 이다. 단위 셀의 initial capacitance 값은 611 fF 으로 계산되었으며 이 때 SU-8 insulator 의 상대 유전율은 3.2 이다. 터치에 의한 압력이 상판의 표면 가해질 때 두 판 사이의 간격은 줄어들게 되고 두 판이 서로 닿게 될 때까지 capacitance 는 증가하게 될 것이다. 이러한 방식으로 전체적인 cell array 에 대하여 capacitance 를 측정함으로써 터치 위치, 터치의 강도 그리고 멀티 터치 위치에 대한 정보를 얻게 된다. 제작된 촉각 센서는 20 x 20 의 capacitive cell 들을 가지며 전체 센서 모듈의 크기는 6 x 6 cm2 이다. 또한 만족할 만한 유연성과 투명도를 가지고 있음을 확인하였다. 측정된 initial capacitance 는 약 900fF 이고 maximum capacitance 는 5.5 pF 으로 측정되었다. 또한 약 300 mN (300 kPa)의 힘이 가해졌을 때 상판과 하판의 insulation layer 가 서로 닿게 되어 saturation 이 일어났으며 알파벳 “T”가 새겨진 고무 스탬프를 사용하여 촉각 센서에 압력을 가함으로써 멀티 터치된 image 가 매우 선명하게 디스플레이됨을 확인하였다.
more초록/요약
In this paper, we have proposed and demonstrated a transparent and flexible tactile sensor which is designed for multi touch screen application. The sensor module is composed of 2-D array capacitive tactile cells to measure the touch force on multiple positions. The device was fabricated with transparent materials on transparent plastic substrate. The touch input was measured by the capacitance variation resulting from the mechanical deformation of parallel plate capacitor. There are several types of touch screen including resistive, SAW, optical, and capacitive type that i-Phone (Apple Co.) has utilized for multi touch screen. However, most of the touch screen reported up to date cannot measure the touch force and has limitation to be applied on flexible applications (flexible OLED - Sony, flexible TFT LCD - Samsung). Various tactile sensors with force sensing have been researched for the last years mainly for robot applications. But most of devices are not suitable for touch screen of display systems because of their non-transparency of materials. We, in this work, present tactile sensor array for touch screen application using all transparent MEMS force sensor. The two substrates (upper and bottom plates) are transparent Polycarbonate (PC) films (120 μm thick). Thin transparent IZO layer (130 nm) was used for electrodes and signal line. The two electrodes forms a capacitor separated by 18 μm via SU-8 spacers. The cell size and electrode size are 22 mm2 and 11 mm2, respectively. Initial capacitance of one cell has been estimated as 611 fF assuming the relative permittivity of SU-8 as 3.2. When a touch pressure is applied on the surface of upper plate, the gap between two plates decreases and capacitance increases until the gap is closed. By measuring the capacitance for entire capacitive array cells, we can determine the touch position and applied force on multiple locations. The fabricated tactile sensor was designed to have 20  20 capacitive cells and the size of entire sensor module is 6  6 cm2. The fabricated sensor shows good flexibility and transparency. The initial capacitance of a cell has been measured about 900 fF. There is saturation after 300 mN (300 kPa), which means both upper and bottom electrodes are in contact with an insulation layer between them. Pressure has been applied by rubber stamp with alphabet “T” on it and their corresponding image has been captured clearly.
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