투명 플렉시블 멀티터치센서 기술

곽 민 기_ 전자부품연구원 디스플레이부품소재연구센터 센터장

Ⅰ. 서 론

 1. 개 요
최근 들어 터치스크린은 유저인터페이스 그 이상의 의미를 지니기 시작했다. 터치 인터페이스 기술은 새로운 기술이 아니라, 기존 디스플레이 제품인 네비게이션 및 은행의 무인 ATM 기기, 마트나 식당과 같은 일반점포에 사용되는 POS 등에 적용되어 사용되고 있던 기술이다.
이러한 제품들에서의 터치의 쓰임새는 키보드나 마우스 없이 즉각적이고 단순한 입력을 가능케 하는 인터페이스라는 점이었다. 모든 연령이 불편함 없이 입력을 할 수 있다는 점이 가장 큰 장점이었다. 물론 On/Off라는 단순한 기능에 주력했다.
단순 기능을 가진 터치스크린에 멀티 터치, 빠른 응답, 부드러운 터치기능을 부가하여 애플이 모바일 폰에 적용함으로써 터치 인터페이스 기술은 새로운 전환기를 맞이하였다.

그림 1. 애플의 아이폰, 멀티터치 구현을 통한 터치의 재 인식

멀티터치 기능을 부가하면서 디스플레이 화면의 축소 확대가 쉬워지므로써 모바일 폰의 사용성이 좋아지고, 특히 화면의 축소 확대가 자유로워짐으로써 인터넷 활용성이 좋아지고, 어플 사용이 편리하게 되었고, 빠르고, 부드러운 터치 기술을 접목함으로써 사용자의 행동을 인식하고, 표현할 수 있는 감성 기능을 부가하게 되었다.
터치는 웰빙, 더 나은 삶, 더 편안한 삶, 나아가 행복한 삶과 같은 시대의 요구에 잘 맞아 떨어지는 기술이며, 적어도 현재까지는 그렇게 포장이 가능한 기술이다.
터치 기술은 여러 형태의 기술이 있지만 멀티터치가 가능한 제품은 카메라 인식을 이용한 터치기술, 카메라와 IR 센서를 이용한 터치기술, 디지털 정전용량 방식의 터치기술 정도가 있다. 이와 같은 터치기술 중 사용환경, 멀티터치 특성, 디스플레이와 적용성 등을 고려할 경우 가장 우수한 터치 기술은 디지털 정전용량 방식의 터치 기술이다.
디지털 정전용량 방식의 터치기술은 윈도우와 터치센서로 구성되고, 터치센서는 플렉시블 필름 기재를 사용하는 플렉시블 터치센서와 유리 기재를 사용하는 터치센서로 분류될 수 있다. 이와 같은 터치센서를 강화 윈도우 또는 플라스틱 윈도우에 부착하여 제품으로 사용한다.
플렉시블 필름 기판을 사용하는 투명 플렉시블 터치센서는 필름 두장을 사용하는 GFF(그림 6 참조) 타입의 터치센서가 현재 주류를 이루고 있고, 2012년 말, 애플의 아이패드 미니에 필름 한 장을 사용하는 GF2 타입(그림 8 참조)의 터치센서를 적용함으로써 투명 플렉시블 터치센서는 2 종류가 현재 디스플레이 제품에 적용되고 있고, 새로운 기술로 필름 1장 단면에 터치센서를 제작하는 GF1(그림 9 참조) 타입의 터치센서가 개발되고 있다.

그림 2. 디지털 정전용량 방식 터치센서의 분류

유리 기판을 사용하는 터치센서는 애플 아이폰과 아이패드에 주로 사용되는 GG(Glass+Glass) 타입의 터치센서와 강화 윈도우 유리 기판에 직접 터치센서를 제작하는 G2 타입의 터치센서가 현재 제품에 적용되고 있다. 그 외 LCD 패널내부에 직접 터치센서를 삽입하는 In-Cell 방식의 터치센서와 OLED 상부 유리 기판에 터치센서를 제작하는 On-cell 방식의 터치센서가 사용되고 있다.
필름 기판을 사용하는 투명 플렉시블 터치센서는 차세대 디스플레이로 각광받고 있는 투명 플렉시블 디스플레이에 적용할 수 있어 미래 가치가 더 높다고 할 수 있다. 따라서 본 지면에서는 필름 기판을 사용하는 투명 플렉시블 터치센서에 대하여 이야기 하고자 한다.

2. 터치센서의 시장동향
Displaybank사에 의하면 터치스크린 시장은 2011년 122억불에서 2012년 181억불로 증가하였고, 2013년에는 253억불로 전년대비 40%정도 성장할 것으로 전망되고, 2015년에는 351억불, 2016년에는 387억불로 증가할 것으로 사료된다.

그림 3. 터치패널의 시장 및 성장률 전망

디지털 정전용량 방식의 터치센서 종류별 시장 점유율을 살펴보면 2011년도에는 투명 전도성 필름 2장을 사용하는 GFF타입의 터치센서 30%정도이고, 애플사의 아이폰과 아이패드에 사용되는 GG 타입(유리기판을 사용하는 터치센서)의 터치센서가 60%정도, 삼성의 갤럭시폰에 사용되는 On-Cell 타입의 터치센서가 9%정도 사용되었고, 2012년에는 애플사가 아이폰 5에 In-Cell 타입의 터치센서를 적용하고, 아이패드 미니에 필름타입의 GF2를 적용되고, 대만에 HTC와 LG전자가 G2타입의 터치센서를 적용함으로써 다양한 형태의 터치센서가 채용되고 있다.

그림 4. 터치센서 종류별 점유율 현황 및 전망

이와 같은 터치패널 시장점유율을 2016년 G1/G2타입의 30%, GF2 타입이 20%, GFF 타입의 점유율이 30%, GG 타입의 12%, In-Cell 타입이 8%, On-Cell 타입이 10%정도일 것이다.
2011년 투명 플렉시블 터치센서는 GFF 타입 한 종류만이 시장에 적용되었고, 2012년에는 애플사의 아이패드 미니가 필름 타입인 GF2 타입을 적용함으로써 투명 플렉시블 터치센서의 점유율이 34% 이상으로 증가하였고, 2016년에는 필름 한 장을 사용하는 GF1 또는 GF2 타입과 필름 두 장을 사용하는 GFF 타입이 터치 전체 시장의 40% 정도로 증가할 것으로 예측하고 있다.

Ⅱ. 본 론

1. 터치센서의 구조
디스플레이에 사용되는 필름 타입의 터치센서는 일반적으로 X축 센싱 전극이 형성된 투명 전도성 필름과 Y축 센싱 전극이 형성된 투명 전도성 필름으로 구성되고, X 축 센싱전극이 형성된 필름과 Y 축 센싱전극이 형성된 필름을 OCA(Optical clearly adhesive)필름을 이용하여 합지함으로써 터치센서가 구성된다. 아래 그림 5는 합지된 투명 플렉시블 터치센서의 구조를 나타낸 것이다.

그림 5. 필름 타입의 터치센서의 일반적인 구조

이와 같이 구성된 필름 타입의 터치센서에 강화 유리 원도우 또는 플라스틱 윈도를 부착하여 디스플레이와 함께 사용되는데 중소형의 경우 핸드폰, 태블릿 PC 등에 사용되고, 대형의 경우 모니터 및 DID(digital information display)등에 사용된다.
2. 터치센서 타입별 특징
일반적으로 사용되는 플렉시블 터치센서는 아래 그림과 같이 투명 전도성 박막 즉 ITO(indium tin oxide)가 코팅된 PET 필름 2장을 이용하여 제작한 다음 강화된 윈도우 글라스에 부착하여 사용되는 형태이다. 투명 플렉시블 터치센서는 상부 PET 필름에 투명전도성 박막 ITO를 패턴닝하여 X축 센싱 전극과 배선전극을 형성하고, 하부 PET 필름에 Y축을 센싱할 수 있는 센싱 전극과 배선전극을 형성한 다음 투명 광학 양면 테입(OCA)필름을 이용하여 합착한 구조이다.

그림 6. GFF 타입의 터치패널의 구조

GFF 타입의 터치센서 제작에 사용되는 PET 필름의 두께는 일반적으로 100마이크로 이상이고, ITO 물질로 형성된 투명 전도성 필름의 투과율은 90% 정도이다. 이와 같은 특성을 가지는 PET 필름을 이용하여 터치센서를 제작할 경우 터치센서의 투과율은 89% 정도이고, 윈도우 글라스를 제외한 필름 두장으로 구성된 터치센서의 두께는 300마이크로 이상을 가지게 된다. 뿐 만 아니라 투명 전도성 박막의 물질인 ITO(Indium tin oxide)중 Indium은 희소금속으로 가격이 높다. 따라서 GFF 타입의 터치센서는 모바일 제품이 요구하는 슬림/경량화 부분을 만족시키기에는 부족하고, 가격경쟁력을 확보하는데 어려움이 있다.

그림 7. 애플사의 아이패드 미니 사진

이와 같은 GFF 방식의 터치센서의 약점을 보완하기 위하여 새롭게 개발된 제품이 GF2 타입으로 애플의 아이패드 미니에 적용되었다.
아이패드 미니에 적용된 GF2의 터치센서 구조는 아래 그림에 나타낸 것과 같이 한 장의 PET 필름 양면에 투명전도성 박막 즉 ITO(indium tin oxide)을 형성하고 X축 센싱전극을 PET 필름 상면에 형성하고, Y축 센싱전극을 PET 필름 하면에 형성한 구조이다.

그림 8. GF2 타입의 터치센서 구조

이와 같은 구조는 일반적인 터치센서 구조 GFF 구조에 비해 한 장의 필름을 사용함으로 두께가 얇고, 무게가 가볍운 장점을 가지고 있다. 반면 PET 필름의 양면에 투명전도막 즉 ITO(indium tin oxide) 무기물을 코팅하기가 단면 코팅에 비해 어렵고, 얇은 두께를 가지는 필름이므로 제작공정이 어려운 단점을 가지고 있다.
따라서 이러한 단점을 보완하기 위하여 새로운 플렉시블 터치센서 기술이 개발되고 있다. 새롭게 개발되는 터치센서기술로는 한 장의 투명 전도성 필름을 이용하여 터치센서를 제작하는 기술로 양면 ITO 필름을 사용하는 터치센서 GF2에 비해 단면 투명 전도막을 사용함으로 가격 경쟁력이 높고, 제조 공정이 단순하여 불량률이 낮아 차세대 기술로 기대되고 있다. 아래 그림은 GF1 타입의 터치센서의 구조를 나타낸 것이다.

그림 9. GF1 타입의 터치센서 구조

그림에 나타낸 것과 같이 한 장의 PET 필름위에 형성된 투명 전도막이 X축과 Y축을 센싱 할 수 있는 회로로 구성되고 강화유리 윈도우 기판에 부착하여 사용되는 형태이다.
이와 같은 구조의 플렉시블 터치센서를 제작하기 위해서는 저저항을 가지는 투명전도성 필름과, 고투과 특성을 가지는 투명전도성 박막이 필요하다.

2. 차세대 플렉시블 디스플레이에 적용하기 위한
    플렉시블 터치센서
차세대 디스플레이로 기대되는 Flexible Display는 전자종이 기술을 포함한 종래의 디스플레이 기술을 플렉시블 기판위에 구현함으로써, 종이처럼 얇고, 가벼우면서도, 잘 깨지지 않고, 자유롭게 휘어지는 등의 장점을 갖는 표시장치이다.
플렉시블 디스플레이는 디스플레이 응용 분야를 넓힐 수 있는 대표적인 차세대 디스플레이로 인식되고 있으며, 다양한 방식의 플렉시블 디스플레이가 개발되고 있다.
초기 단계의 플렉시블 디스플레이는 유리 기판을 이용하는 디스플레이에 비해 가볍고, 얇으며 디자인 자유도가 높은 장점을 활용하여 스마트 폰의 디스플레이를 위주로 상용화가 진행될 것으로 전망되고 있으며 중장기적으로는 휘거나 말 수 있는 디스플레이가 상용화될 것으로 전망되고 있다.
플렉시블 디스플레이로 사업화 가능성이 가장 높은 제품은 AMOLED를 이용한 디스플레이로 삼성디스플레이와 LG디스플레이가 사업화 계획을 발표하였다. 플렉시블 AMOLED는 2012년에 생산을 개시할 계획이었으나 본격적인 생산은 2013년 이후에 개시될 전망이다.
이와 같은 플렉시블 AMOLED는 아래와 같은 디스플레와 터치센서가 결합한 제품으로 전망되고 있다.

---------이하 생략(자세한 내용은 세라믹코리아 2013년 3월호 참조바랍니다.)

곽 민 기
- 경북대학교 물리학, 이학 박사
- 현재 전자부품연구원 디스플레이 부품소재 연구센터 센터장