터치 패널(터치스크린)이란 통상적으로 정보 처리 시스템에서 손의 움직임을 감지하여 입력장치 역할을 하는 장치를 통칭한다. 터치 패널은 디스플레이 앞면에 위치하여 입력장치, 혹은 독립적인 입력장치로 기능을 한다.
하지만 기존의 터치 패널은 일렉트로닉소재의 한계로 인하여 구부림, 패널의 늘림 등의 여러 가지 변형등이 제한되었고, 매우 낮은 신축성과 인장성을 가지고 있었다. 이를 해결하기 위해, ITO, 그래핀 등을 이용한 연구가 있었고, 제한적이지만, 구부림 등의 변형은 가능할 정도로 연구가 선행되었었다.
그러나 엄밀한 의미의 신축성, 인장성은 기존의 일렉트로닉 소재로 달성하기 힘들었고, 또한 최근 널리 사용되는 projected touch sensing 방식(투명 전극 격자를 패널 밑 부분에 배치해 터치 시그널을 읽는 방식)으로는 이 문제를 해결하는데 한계가 있었다.
이를 해결하기 위해서는 근본적으로 터치 패널을 구성하는 재료를 개선하는 것이 필요하다. 특히 전자가 아니라 이온을 매개체로 사용하여 신호를 전달하는 이오닉스는 일렉트로닉스를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 일렉트로닉스가 가지는 물리적 성질의 한계를 극복할 수 있다.
따라서 이를 활용한다면 기존의 터치 패널의 한정적 요소들을 넘어 좀 더 넓은 목적과 활용도를 가지는 새로운 터치 패널, 더 나아가 이오닉 디바이스 제작이 가능할 것이기 때문에 이에 대한 연구가 시급했었다.
서울대학교(총장 성낙인) 재료공학과 선정윤 교수 연구팀은 이온을 포함한 하이드로젤을 이용하여 매우 투명하면서도 신축성이 좋은 이온 기반 터치패널의 제작 기술을 확보하였다고 11일 밝혔다.
참고) 하이드로젤 : 젤리와 같은 물질로써, 가교결합된 고분자 네트워크로 인하여 고체처럼 형체를 유지할 수 있지만, 많은 용매를 포함하고 있어 액체와 같은 성질도 갖는 물질을 말한다. 포함한 용매가 물인 경우 하이드로젤이라 한다.
이번 연구 개발에서는 하이드로젤을 이용한 고신축성 터치패널 제작 기술을 확보하였으며, 하이드로젤 터치 패널의 동작 기작을 규명하였고 또한 인장이 부여된 상황과 피부에 부착된 상황에서의 변화도 모두 성공적으로 확인됐다.
하이드로젤 내에는 전기 전도체로서 이온을 포함하고 있으며, 사용된 이온은 염화 리튬(LiCl)로 물이 증발 현상을 억제하는 효과가 있다고 알려져 있다. LiCl을 포함한 하이드로젤은 대기중에서 마르지 않고 오랫동안 수분을 유지할 수 있기 때문이다.
구동을 위해서 채택된 터치 감지 방식은 표면 정전용량식 (surface capacitive touch)이며, 표면 정전용량식 방식은 패널의 네 모서리에 전극을 연결하고 전압을 인가한 후 각 모서리를 지나는 전류의 양을 측정하여 터치 포인트의 위치를 감지하는 것이다. 표면 정전 용량식 방식은 구조가 단순하고 터치 인식 속도가 빠르며 대화면을 만들 수 있다는 장점이 있다.
이번 개발에서는 먼저 표면 정전용량식 터치 방식이 하이드로젤 패널에서 구동이 가능한지 알아보았다. 분석을 간단히 하기 위하여 1차원의 띠모양의 패널에서 실험을 진행하였다. 실험 결과 패널의 끝에 설치된 전극과 터치포인트의 거리가 가까울수록 측정 전류값이 증가하고 멀수록 전류 값이 감소하는 관계를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
띠모양의 터치패널에서 변형이 일어났을 때의 전류 변화 역시 실험을 통해 확인하였으며, 터치패널을 두 배로 늘린 상태로 실험을 진행하였다. 늘리기 전과 동일하게 패널의 양 끝을 흐르는 전류의 양을 측정함으로써 터치가 일어난 위치를 정확히 감지할 수 있었다.
실제로 터치패널로 사용하기 위하여 2차원의 평면 형태의 터치패널을 구성하여 실험을 진행하였고 2차원 터치 패널에서도 마찬가지로 터치 포인트와 거리가 가까운 전극을 흐르는 전류는 크고 거리가 먼 전극을 흐르는 전류가 작은 것을 확인하였다. 이를 통해 2차원 터치패널에서도 터치포인트의 위치를 감지할 수 있었다.
또한 하이드로젤 터치패널을 컴퓨터와 연결하기 위해서는 중간에 컨트롤러 보드가 필요하다. 컨트롤러보드에서는 터치패널에 전압을 인가하고 그 전류를 측정하고 측정된 신호는 증폭된 후 좌표로 환산되어 컴퓨터로 전달돼 컨트롤러보드를 통해 연결된 하이드로젤 패널을 이용하여 컴퓨터를 조작할 수 있었다.
하이드로젤의 특징은 높은 신축성을 가지는 젤이다. 하이드로젤로 만들어진 터치패널은 초기 면적대비 10배이상 늘려질 수 있으며 10배로 늘려진 상태에서도 마찬가지로 터치포인트의 위치를 감지할 수 있었다.
하이드로젤은 터치패널은 쉽게 변형이 가능하기 때문에 어떤 형태를 가진 표면이든지 부착될 수 있다. 따라서 기존의 웨어러블 기기를 넘어 인체의 피부에 부착되는 형태로도 사용이 가능하다. 실증 테스트에서는 인체에 부착된 하이드로젤 터치패널은 그 전과 마찬가지로 터치패널로서 동작할 수 있으며 글씨쓰기, 음악연주, 게임 등과 같은 조작을 할 수 있었다.
무엇보다도 터치패널을 구성하려면 터치패널을 만들 재료 뿐만 아니라 터치를 센싱하는 시스템 또한 필수적이다. 특히 터치패널을 구성하는 시스템은 알려진 몇 가지가 있는데, 이를 이오닉 터치패널에 적용시키는 것이 매우 중요한 연구 요소였다.
가장 알맞은 터치 센싱 방식을 결정하여 이오닉 터치패널에 적용해 실제적으로 터치 패널을 구현하는 이 단계에서 가장 많은 시간을 투자하였고, 그 메커니즘을 이오닉스, 하이드로젤에 적용하고 원리를 규명하는 것이 가장 큰 어려움이 있었지만 이 부분은 연구실의 선행논문과, 기존의 터치패널 방식들의 특허들을 참고하여 여러 방식을 적용 해보는 시행착오 끝에 연구를 완성할 수 있었다.
한편, 기존의 터치 패널은 단단하고 잘 깨지는 일렉트로닉스 소재로 만들어져 새로운 형태의 기기인 플렉시블 웨어러블 기기에 적용되기에는 한계점을 가지고 있었다. 이번 개발로 앞으로 다양한 웨어러블 디바이스와 IoT산업에 기여할 것으로 기대된다. 이 연구는 기초연구지원사업(집단연구)지원으로 연구를 수행했으며, 세계적인 학술지 사이언스 (Science) 지에 8월 12일자에 온라인으로 게재되었다. (논문명 : Highly stretchable, transparent ionic touch panel)
