본 연구는 정전용량방식 터치패널의 정전용량 값 변화를 정량적으로 검출하기 위해 터치용 pen tip 재료를 제작하였다. 터치 시 터치패널이 damage를 입지 않도록 Si 계열의 PDMS(Polydimethylsiloxane, Dowcorning 社, Sylgard 184 Silicone elastomer)와 정전용량 값 변화에 직접적인 영향을 미치는 전도성 powder를 혼합한 복합재료 형태로 pen tip 제작을 진행하였다. 또한 Mutual type의 정전용량방식 터치패널을 제작하고, 복합재료로 제작한 pen tip으로 터치 시 정전용량 값 변화를 통해 제작한 복합재료 pen tip의 구동특성을 관찰하였다. 전도성 powder의 경우 Silver (Sigma Aldrich Chemical Company 社, SILVER, POWDER, 5 to 8 micron), Aluminum (SE-JONG Materials 社, Al Powder, 352 mesh), Nickel (NANO technology 社, Nickel Nano powder(Ni), 100nm), Carbon (JUNSEI Chemical 社, Charcoal activated powder) 등의 전기전도도 차이가 있는 전도성 powder를 선정하였다. 각각의 전기전도도는 다음과 같다. Silver: 6.3 * 10(σ, S/cm), Aluminum: 3.77 * 10(σ, S/cm), Nickel: 1.46 * 10(σ, S/cm), Carbon: 0.7 * 10(σ, S/cm)
먼저, 터치패널에 damage를 주지 않으면서 Pen tip의 제작공정은 혼합, 교반, 경화제 첨가, deforming, 교반, 건조의 순서로 공정을 진행하여 Pen tip을 제작한 후 알루미늄 jig에 부착하여 터치가 가능한 형태로 제작하였다. 혼합공정은 전도성 powder의 분율을 12∼20 wt%로 변화시키면서 PDMS와 교반하였으며, 교반 시 공전과 자전형태의 교반을 함께 할 수 있는 고에너지의 교반기 (Thinkly 1,000)을 사용하여 2,000 RPM으로 5분 간 실시하였다. 경화제의 양은 터치패널에 손상을 주지 않는 경도 값을 유지하기 위하여 10 wt%로 고정하였다. Deforming 공정은 PDMS와 metal powder의 혼합물과 PDMS 경화제의 조성이 전체적으로 균일하게 분포되고, 기포에 의한 영향을 배제하기 위해 진행하였다. 두 번째 교반에서는 deforming 공정을 통해 혼합물의 조성이 전체적으로 균일하게 하기 위해 진행하였다. PDMS는 전도성 powder와 혼합 시 혼합물 내부에 발생한 기포에 의해 건조시간이 길어짐을 감안하여 1시간 동안 완전 건조시켰다. 이렇게 건조된 복합재료 형태의 pen tip은 알루미늄 jig에 부착하여 터치 시 정전용량 값 변화를 관찰하였다.
실험결과, 복합재료 pen tip 제작 시 전기전도도의 증가는 정전용량을 증가시키므로 고감도의 pen tip을 제작하려면 복합재료의 전기전도도를 높여야 하는 것을 확인하였다. 또한, 복합재료 pen tip의 전기전도도는 전도성 powder의 전기전도도에 의존하지 않고 PDMS와 powder의 혼합분율(powder의 질량분율, 부피분율)에 의존하는 것을 확인하였다. 동일한 질량, 동일한 전기전도도를 가진 powder의 부피분율이 각기 다르다면 단위부피당 차지하는 powder 입자의 부피가 작을수록 더 높은 전기전도도를 나타낼 것으로 예측된다. 일련의 실험들을 통해 Maxwell-Garnet 식을 적용한다면 복합재료 pen tip 제작 시 pen tip의 정전용량 값 예측이 가능할 것으로 판단된다. ( 복합재료 정전용량(C) = 4*복합재료 전기전도도 (L) )
제작한 pen tip을 활용하여 정전용량방식 터치패널에 전압펄스 입력 시 터치패널의 capacitance 변화량를 관찰하기 위해 단순한 구조의 터치패널을 제작하여 실험을 진행하였다. 그 결과 50v 기준 5 Ω/□ /40pF, 2k Ω/□/22pF으로 면저항 증가에 따라 capacitance 변화량이 감소하는 경향이 관찰되었다. 또한 5v 기준 350um/75pF, 500um/42pF, 600um/41pF, 1400um/40pF으로 기판 두께 증가에 따라 capacitance 변화량이 감소하는 것을 확인하였다.