KR101156621B1 - 촉감 패턴 디스플레이 장치 및 디스플레이 상에서의 촉감 패턴 생성 방법 - Google Patents

촉감 패턴 디스플레이 장치 및 디스플레이 상에서의 촉감 패턴 생성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압전 액추에이터를 디스플레이의 네 테두리에 설치하여 진동 패턴을 만들어 내는 촉감 패턴 디스플레이 장치 및 디스플레이 상에서의 촉감 패턴 생성 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 그래픽 객체를 사용자에게 표시하는 그래픽 디스플레이; 상기 그래픽 디스플레이가 전면에 결합되는 프레임; 상기 그래픽 디스플레이의 배면에 위치하도록 상기 프레임에 부착되어 상기 그래픽 디스플레이를 가진시켜 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에 진동 패턴을 형성시키는 압전 액추에이터; 및 상기 압전 액추에이터에 입력되는 구동 신호를 생성하는 제어부;를 포함하는 촉감 패턴 디스플레이 장치에 있어서, 상기 진동 패턴은, 상기 구동 신호의 진폭을 변조시킴으로써 시간에 따라 상기 그래픽 디스플레이 표면 상의 특정 위치에서 발생하는 진동의 크기를 변화시키는 것이거나, 상기 구동 신호의 주파수를 변조시킴으로써 시간에 따라 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에서 최대 변위가 발생하는 위치를 변화시키는 것이 될 수 있다.

Description

촉감 패턴 디스플레이 장치 및 디스플레이 상에서의 촉감 패턴 생성 방법{Device of tactile pattern display and method of realization of tactile pattern on display}
본 발명은 촉감 패턴 디스플레이 장치 및 디스플레이 상에서의 촉감 패턴 생성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압전 액추에이터를 디스플레이의 네 테두리에 설치하여 진동 패턴을 만들어 내는 촉감 패턴 디스플레이 장치 및 디스플레이 상에서의 촉감 패턴 생성 방법에 관한 것이다.
최근에 출시되는 대부분의 모바일 장치는 사용자에게 진동촉각 감각(vibrotactile sensations)을 줄 수 있는 진동모터와 같은 촉감 액추에이터(tactile actuator)를 장착하고 있다. 그러나 종래의 촉감 액추에이터들은 단순한 진동을 발생시켜 사용자에게 전화가 오거나 메시지가 왔음을 알려주는 등의 제한된 용도로만 사용 되고 있다.
따라서 이러한 문제점을 극복하기 위해 최근 모바일 장치에서 좀 더 다양한 진동 촉각을 제공해주기 위한 연구가 이루어 지고 있다. I. Poupyrev의 연구 그룹은 직접 제작한 압전 액추에이터를 PDA에 장착하여 잔잔한 느낌의 진동을 구현하였다("Ambient Touch: Designing Tactile Interfaces for Handheld Devices," 15th annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, 2002, pp. 51-60.). 그들은 사용자에게 잔잔한 진동을 제공함으로써 사용자가 주어진 임무를 수행하는데 있어 걸리는 시간이 단축 되는 것을 확인하였다. 그리고 E. Samur의 연구 그룹은 디스크 타입의 압전 액추에이터를 사용하여 초음파 진동을 발생 시켜 유리판 표면의 표면 마찰력을 변화 시키는 연구를 하였다("Psychophysical Evaluation of a Variable Friction Tactile Interface," Proceedings of the SPIE, Vol. 7240, 2009.). 그리고 K. Tashiro의 연구 그룹에 의해 초음파 진동과 힘 피드백을 이용하여 버튼을 누르는 느낌을 구현한 시스템도 연구 되었다("Realization of Button Click Felling by Use of Ultrasonic Vibration and Force Feedback,"3rd joint Eurohaptics Conference and Symposium on Haptic interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems, 2009.). 그리고 S. Kim의 연구그룹은 압전 액추에이터와 솔레노이드 액추에이터의 반응시간과 발생할 수 있는 변위를 조사하였다.("Interaction with a display panel An evaluation of surface-transmitted haptic feedback," International Conference on Control, Automation and Systems, 2008)
그러나 이러한 시스템들은 오직 한가지 햅틱 느낌을 구현하는데 그쳤고, 또한 크기가 크기 때문에 모바일 장치에서는 사용 될 수 없는 문제가 있다.
한편 S. Kim의 연구 그룹은 두 개의 진동 모터를 시간 차를 두고 가진 시켜 진동의 흐름을 만들어 내었다("Traveling Vibrotactile Wave - a New Vibrotactile Rendering Method for Mobile Devices," IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 55,No. 3, 2009.). 이 연구에 의하면 비록 좋은 느낌의 진동흐름을 제공할 수는 있으나, 진동모터는 반응속도가 느리고, 진동의 흐름이 모바일 장치 전체를 가진시켜 얻어지는 것이라는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 작은 크기로 구현될 수 있으며 여러 형태의 진동 패턴을 제공할 수 있는 촉감 패턴 디스플레이 장치 및 디스플레이 상에서의 촉감 패턴 생성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 그래픽 객체를 사용자에게 표시하는 그래픽 디스플레이; 상기 그래픽 디스플레이가 전면에 결합되는 프레임; 상기 그래픽 디스플레이의 배면에 위치하도록 상기 프레임에 부착되어 상기 그래픽 디스플레이를 가진시켜 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에 진동 패턴을 형성시키는 압전 액추에이터; 및 상기 압전 액추에이터에 입력되는 구동 신호를 생성하는 제어부;를 포함하는 촉감 패턴 디스플레이 장치에 있어서, 상기 진동 패턴은, 상기 구동 신호의 진폭을 변조시킴으로써 시간에 따라 상기 그래픽 디스플레이 표면 상의 특정 위치에서 발생하는 진동의 크기를 변화시키는 것이거나, 상기 구동 신호의 주파수를 변조시킴으로써 시간에 따라 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에서 최대 변위가 발생하는 위치를 변화시키는 것인 촉감 패턴 디스플레이 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 그래픽 객체를 사용자에게 표시하는 그래픽 디스플레이와, 손가락을 포함한 사용자의 신체가 상기 그래픽 디스플레이에 접촉하면 이를 감지하는 터치 센서를 포함하는 입력부; 진동 발생 이벤트를 감지하는 위치 및 그래픽 정보 처리부와, 상기 위치 및 그래픽 정보 처리부에 의해 감지된 진동 발생 이벤트에 대응하여 요구되는 진동 패턴을 발생시키기 위하여 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성부를 포함하는 제어부; 상기 진동 발생 이벤트에 대응되어 출력되어야 할 진동 패턴들이 저장되는 햅틱 라이브러리를 포함하는 기억부; 및 상기 그래픽 디스플레이의 배면에 위치하고 상기 구동 신호 생성부로부터 전달되는 구동 신호에 의해 구동되어 상기 그래픽 디스플레이를 가진시켜 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에 진동 패턴을 형성시키는 압전 액추에이터를 포함하는 진동출력부;를 포함하는 촉감 패턴 디스플레이 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 그래픽 디스플레이의 하면에 위치하는 압전 액추에이터가 구동되어 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에 진동 패턴을 생성하는 촉감 패턴 생성 방법에 있어서, 상기 그래픽 디스플레이에 사용자가 손가락을 접촉하는 단계; 위치 및 그래픽 정보 처리부가 진동 발생 이벤트를 감지하는 단계; 구동 신호 생성부가 상기 사용자의 손가락 접촉 위치 및 손가락 모션을 분석하여 구동 신호를 생성하는 단계; 및 상기 구동 신호에 의하여 압전 액추에이터가 구동되어 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에 진동 패턴을 생성하는 단계;를 포함하는 촉감 패턴 생성 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 그래픽 디스플레이의 하면에 위치하는 압전 액추에이터가 구동되어 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에 진동 패턴을 생성하는 촉감 패턴 생성 방법에 있어서, 상기 그래픽 디스플레이를 통해 그래픽 객체가 출력되는 단계; 위치 및 그래픽 정보 처리부가 상기 그래픽 객체의 진동 패턴 정보의 유무를 분석하여, 상기 그래픽 객체가 진동 패턴 정보를 가지고 있는 경우 진동 발생 이벤트를 감지하는 단계; 구동 신호 생성부가 상기 그래픽 객체의 진동 패턴 정보를 획득하여 구동 신호를 생성하는 단계; 상기 구동 신호에 의하여 압전 액추에이터가 구동되어 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에 진동 패턴을 생성하는 단계;를 포함하는 촉감 패턴 생성 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 촉감 패턴 디스플레이 장치에 의해 제공되는 햅틱 패턴들은 그 자체로 또는 여러 종류의 햅틱 패턴들의 조합을 통해 다양한 햅틱 효과를 만들어 낼 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의하면, 촉감 패턴 디스플레이 장치가 적용된 모바일 장치를 쥐고 있는 사용자의 손에는 촉감 패턴이 전달 되지 않으며 사용자가 손가락으로 누른 디스플레이 장치의 표면에서만 햅틱 패턴을 느낄 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의하면, 작은 크기로 구현될 수 있어 스마트 폰과 같은 모바일 장치에 자유롭게 적용 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치를 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치에 있어서 프레임을 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치에 있어서 압전 액추에이터의 부착 상태를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치에 의해 제공될 수 있는 진동 패턴의 예를 도시하는 도면이다.
도 5는 진폭이 증가 및 감소하도록 변조시킨 구동 신호의 그래프이다.
도 6의 (a) 및 (b)는 각각 촉감 패턴 디스플레이 장치를 책상에 고정 시킨 상태에서 압전 액추에이터에 도 5의 신호를 입력하여 촉감 패턴 디스플레이 장치의 프레임과 촉감 패턴 디스플레이 장치의 그래픽 디스플레이 표면의 시간에 따른 변위를 레이저 진동계를 사용하여 측정한 결과를 도시하는 그래프이며, 도 6의 (c)는 (b)와 동일한 조건에서 동일 위치에 손가락을 대고 그 위치의 시간에 따른 변위를 측정한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 각각 구동 신호에 진폭 변조와 주파수 스윕을 모두 적용한 그래프로서, (a)는 진폭 및 주파수를 점차 증가시킨 것이고, (b)는 진폭 및 주파수를 점차 감소시킨 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치에 있어서 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하는 진동 패턴을 구현하기 위한 구동 신호를 도시하는 그래프이다.
도 9는 도 8의 구동 신호를 압전 액추에이터에 인가했을 때, 촉감 패턴 디스플레이 장치의 그래픽 디스플레이의 표면에 손가락을 댄 상태에서 그 위치의 시간에 따른 진폭을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치의 사용자의 접촉에 의한 진동 패턴을 생성하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 12는 본 발명에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치의 그래픽 객체의 디스플레이에 의한 진동 패턴을 생성하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 13a 내지 도 13e는 두 개의 압전 액추에이터에 인가되는 여기 패턴의 또 다른 예를 도시하는 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치를 도시하는 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치에 있어서 프레임을 도시하는 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치에 있어서 압전 액추에이터의 부착 상태를 도시하는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치는 그래픽 디스플레이(110)와, 그래픽 디스플레이(110)가 결합되는 프레임(500)과, 그래픽 디스플레이(110)의 표면을 가진시키는 압전 액추에이터(420)를 포함한다.
그래픽 디스플레이(110)는 각종 그래픽 객체를 사용자에게 표시한다. 그래픽 디스플레이(110)에는 터치 센서(120)가 구비되며, 터치 센서(120)는 그래픽 디스플레이(110)의 표면에 대한 사용자의 접촉, 예컨대 손가락에 의한 터치를 감지한다.
프레임(500)은 소정의 두께를 가지는 대략 직사각형의 플레이트 형상으로서 그래픽 디스플레이(110)의 평면 형상과 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 프레임(500)은 촉감 패턴 디스플레이 장치의 외관을 형성하고, 그래픽 디스플레이(110)를 고정한다. 프레임(500)에는 그래픽 디스플레이(110)가 안착되는 안착홈(530)이 형성될 수 있다. 그래픽 디스플레이(110)는 프레임(500)의 안착홈(530)에 안착되어 프레임(500)의 전면에 고정된다. 프레임(500)의 네 테두리로부터 프레임(500)의 중심부 쪽으로 소정 거리 이격된 위치에는 압전 액추에이터(420)의 일단이 부착되는 부착홈(510)이 구비된다. 부착홈(510)은 필요에 따라 프레임(500)의 모든 테두리에 구비되거나 일부 테두리에만 구비될 수도 있다. 후술할 압전 액추에이터(420)가 부착홈(510)에 부착되어 진동 시 압전 액추에이터(420)의 진동을 원활하게 하기 위하여 압전 액추에이터(420)의 평면 형상과 부합하는 평면 형상의 진동홈(520)이 압전 액추에이터(420)의 하면에 형성되는 것이 바람직하다. 진동홈(520)은 본 실시예와 같이 프레임(500)의 상면과 하면을 관통하여 형성될 수 있으나, 소정의 깊이를 가지는 홈 형상으로 형성될 수도 있다. 부착홈(510)은 압전 액추에이터(420)를 부착시키고자 하는 방향에 따라 진동홈(520)의 둘레의 임의의 위치에 구비될 수 있다. 본 실시예의 경우 진동홈(520)의 평면이 직사각형으로 형성되며, 부착홈(510)은 진동홈(520)의 세 테두리에 각각 구비된다. 압전 액추에이터(420)는 각각의 부착홈(510)에 선택적으로 부착될 수 있는데, 압전 액추에이터(420)는 프레임(500)의 길이 방향을 따라 놓이거나 길이 방향에 수직 방향으로 놓일 수 있다.
압전 액추에이터(420)는 일단이 프레임(500)의 부착홈(510)에 부착되고 타단은 자유단이 됨으로써 캔틸레버(cantilever) 방식으로 프레임(500)에 부착된다. 압전 액추에이터(420)에 부착홈(510)에 부착되면 압전 액추에이터(420)는 그래픽 디스플레이(110)의 배면에 위치하게 된다. 압전 액추에이터(420)는 프레임(500)의 부착홈(510)에 부착된 상태에서 구동 신호에 의해 구동되어 그래픽 디스플레이(110)를 가진시킨다. 압전 액추에이터(420)가 캔틸레버 방식으로 프레임(500)에 부착됨으로써 압전 액추에이터(420)의 구동 시 부착홈(510)에 부착되는 압전 액추에이터(420)의 일단에는 변위가 발생하지 않고 자유단이 되는 압전 액추에이터(420)의 타단에는 최대 변위가 발생한다. 즉, 압전 액추에이터(420)의 구동 시 프레임(500)은 가진되지 않으며 오직 그래픽 디스플레이(110)만이 압전 액추에이터(420)의 자유단에 의해 가진된다. 따라서 본 발명에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치가 적용된 모바일 장치를 쥐고 있는 사용자의 손에는 촉감 패턴이 전달 되지 않으며, 사용자는 손가락으로 누른 그래픽 디스플레이(110)의 표면에서만 진동 패턴을 느낄 수 있다.
본 발명에서 사용되는 압전 액추에이터(420)는 빠른 응답시간을 갖고, 위상과 진폭 주파수의 독립적인 제어가 가능하며, 저전압 하에서도 사용자의 감각 수용기를 자극 할 수 있는 충분한 변위를 발생 시킬 수 있고, 소형의 모바일 장치에 적용할 수 있을 만큼 크기가 작은 특성을 가지는 것이 바람직하다. 압전 액추에이터(420)는, 예컨대 바이몰프(bimorph) 타입의 압전 벤딩 액추에이터가 사용될 수 있다. 그러나, 압전 액추에이터(420)는 바이몰프 타입에 한정되는 것이 아니며, 캔틸레버 방식으로 프레임(500)에 부착되어 그래픽 디스플레이(110)의 표면의 가진시킬 수 있는 액추에이터라면 다양한 방식의 액추에이터가 적용될 수 있다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치에 의해 제공될 수 있는 진동 패턴의 예가 도시된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 사용자가 그래픽 디스플레이(110)의 표면을 통해 특정한 진동 패턴을 느끼도록 하기 위해서는 그래픽 디스플레이(110) 상의 특정 위치에서 발생되는 진동의 크기를 시간에 따라 변화시키거나, 그래픽 디스플레이(110)의 표면 상에서 최대 변위가 발생하는 위치를 변화시킨다. 본 발명에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치는 하나 또는 둘 이상의 압전 액추에이터(420)를 동시에 또는 순차적으로 구동시켜 사용자가 구분 가능한 진동 패턴을 생성할 수 있다. 이 진동 패턴은 각 압전 액추에이터(420)의 구동 신호의 주파수, 진폭 또는 위상을 변화시켜 발생시킬 수 있다. 이 진동 패턴들은 그 자체로 또는 여러 종류의 진동 패턴들의 조합에 의해 다양한 햅틱 효과로 구현될 수 있다. 예를 들어 요즘 많이 사용 되는 스마트 폰에서, 수평 방향으로 최대 변위 발생 위치가 이동하는 진동 패턴은 사용자가 메뉴를 바꿀 때의 햅틱 효과로 이용될 수 있고, 수직 방향으로 최대 변위 발생 위치가 이동하는 진동 패턴은 사용자가 스크롤 업 및 다운 할 때의 햅틱 효과로 이용될 수 있으며, 대각선 방향으로 최대 변위 발생 위치가 이동하는 진동 패턴은 화면을 확대 및 축소할 때의 햅틱 효과로 이용될 수 있다.
먼저, 특정 위치에서 발생하는 진동의 크기를 시간에 따라 변화시키기 위해서는, 도 5에 도시된 그래프와 같이 특정한 주파수를 가지는 구동 신호의 진폭이 증가 또는 감소하도록 구동 신호를 변조(modulation)시킬 수 있다. 특정 위치에서의 진동의 크기가 변화하면 사용자는 진동을 통해 리듬감을 느낄 수 있다.
도 6의 (a) 및 (b)는 각각 촉감 패턴 디스플레이 장치를 책상에 고정 시킨 상태에서 압전 액추에이터에 도 5의 구동 신호를 입력하여 촉감 패턴 디스플레이 장치의 프레임의 특정 위치(B)와 촉감 패턴 디스플레이 장치의 그래픽 디스플레이 표면의 특정 위치(A)의 시간에 따른 변위를 레이저 진동계를 사용하여 측정한 결과를 도시하는 그래프이며, 도 6의 (c)는 도 6의 (b)와 동일한 조건에서 동일 위치(A)에 손가락을 대고 그 위치(A)의 시간에 따른 변위를 측정한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 압전 액추에이터(420)에 의해 발생되는 진동은 그래픽 디스플레이(110)의 표면에는 잘 전달 되는 반면에 프레임(500)에는 거의 전달 되지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 그래픽 디스플레이(110)의 표면에 손가락을 댔을 경우 25% 정도의 변위 감소가 발생 하지만 진동 패턴을 느끼기에는 충분히 큰 크기의 진폭을 가지는 진동인 것을 알 수 있다. 도 6의 (c)에 따르면 약간의 잡음이 섞인 신호가 보이는데 이는 측정하는 과정에서 손가락이 떨리기 때문에 레이저가 반사되는 각도가 흔들리게 되어 나타나는 결과이다.
다음으로, 그래픽 디스플레이(110)의 표면 상에서 최대 변위가 발생하는 위치를 변화시키기 위해서는 압전 액추에이터(420)에 입력되는 구동 신호의 주파수를 변조시킨다. 평판에서의 압전 액추에이터(420)에 의한 가진 위치와 구동 신호의 주파수에 따른 그래픽 디스플레이(110) 상에서의 최대 변위 발생 위치는 다음의 수학식 1에 의하여 구할 수 있다.
Figure 112011018921311-pat00001
이때, 수학식 1의 Wmn, km, Wmn은 다음의 수학식 2 내지 4와 같다.
Figure 112011018921311-pat00002
Figure 112011018921311-pat00003
Figure 112011018921311-pat00004
수학식 2에 f(x,z)=Fδ(x-xi)δ(z-zi)를 대입하면 수학식 5와 같이 정리된다.
Figure 112011018921311-pat00005
여기서, y : 시간에 따른 x-z 평면상에서의 그래픽 디스플레이의 변위, m : x축 방향의 모드 넘버(mode number), n : z축 방향의 모드 넘버(mode number), Lx : x축 방향의 거리, Lz는 z축 방향의 거리, M : 그래픽 디스플레이의 중량, F : 하중 진폭(force amplitude), B : 굽힘 강성(bending stiffness), E : 영률(young's modulus), ρ : 밀도, ω : 각 주파수(angular frequency), h : 그래픽 디스플레이의 높이이다.
도 7에 도시된 그래프와 같이 구동 신호의 주파수를 연속적으로 변화시켜 주면 그래픽 디스플레이(110) 상에서의 최대 변위 발생 위치가 연속적으로 이동되어 진동의 패턴이 생성된다. 상기의 수학식 1에 따라 그래픽 디스플레이(110) 상의 특정 위치에서 최대 변위가 발생되도록 압전 액추에이터(420)의 구동 신호의 주파수를 조절함으로써 다양한 진동 이동 경로를 가지는 진동 패턴을 구현할 수 있다.
한편, 진동 패턴은 서로 다른 위치에 배치된 둘 이상의 압전 액추에이터(420)를 동시에 또는 순차적으로 가진시킴으로써 발생될 수도 있다. 이는 정신 물리학적 착각(Psychophysical illusion) 현상인 가현운동(apparent movement) 현상을 이용하는 것이다. 가현운동 현상은 공간적으로 분리된 서로 다른 액추에이터를 일정 시간차를 두고 가진시켜 주었을 때 사용자가 진동의 흐름을 느낄수 있는 현상이다. 일례로, 도 8은 왼쪽에서 오른쪽으로 최대 변위 발생 위치가 이동하는 진동 패턴을 구현하기 위한 구동 신호를 도시하는 그래프인데, 이 신호는 먼저 1초 동안 촉감 패턴 디스플레이 장치의 왼쪽 압전 액추에이터에 입력되는 구동 신호의 주파수와 진폭을 점점 증가 시키고, 그 다음 1초 동안 오른쪽 액추에이터에 입력되는 구동 신호의 주파수와 진폭을 점점 감소 시킨 구동 신호다(sine파, 주파수: 50Hz~250Hz, 진폭: 0Vpp~100Vpp). 도 9는 도 8의 구동 신호를 압전 액추에이터에 인가했을 때, 촉감 패턴 디스플레이 장치의 그래픽 디스플레이의 표면에 손가락을 댄 상태에서 그 위치의 시간에 따른 진폭을 측정한 것이다. 도 13a 내지 도 13e는 두 개의 압전 액추에이터에 인가되는 구동 신호의 여기 패턴(excitation pattern)의 또 다른 예를 도시하는 그래프이다. 서로 다른 복수의 압전 액추에이터에 도 13a 내지 도 13e에 도시된 바와 같은 다양한 구동 신호를 입력함으로써 그래픽 디스플레이(110) 상에서 진동 패턴을 생성할 수 있다.
상기의 진동 패턴들은 진동 패턴의 집합인 햅틱 라이브러리에 저장되어 모바일 장치의 그래픽 객체 또는 손가락의 모션에 의한 사용자의 입력에 대응되어 자동으로 렌더링될 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치의 구성을 도시하는 도면이고, 도 11은 본 발명에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치의 사용자의 접촉에 의한 진동 패턴을 생성하는 방법을 도시하는 흐름도이며, 도 12는 본 발명에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치의 그래픽 객체의 디스플레이에 의한 진동 패턴을 생성하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 촉감 패턴 디스플레이 장치는 입력부(100), 제어부(200), 기억부(300) 및 진동출력부(400)로 구성될 수 있다.
입력부(100)는 그래픽 디스플레이(110)와 터치 센서(120)를 포함한다.
그래픽 디스플레이(110)는 각종 그래픽 객체를 사용자에게 표시한다.
터치 센서(120)는 손가락을 포함한 사용자의 신체가 그래픽 디스플레이(110)에 접촉하면 이를 감지한다.
제어부(200)는 위치 및 그래픽 정보 처리부(210) 및 구동 신호 생성부(200)를 포함한다.
위치 및 그래픽 정보 처리부(210)는 진동 발생 이벤트를 감지한다. 이때, 진동 발생 이벤트는, 그래픽 디스플레이(110)에 대한 사용자의 신체의 접촉에 의한 이벤트 및 디스플레이 장치의 내부 명령에 의한 이벤트를 포함할 수 있다. 예컨대, 진동 발생 이벤트에는, 그래픽 디스플레이(110)에 대한 사용자 손가락의 터치 입력, 또는 특정 그래픽 객체의 그래픽 디스플레이(110)를 통한 출력 등이 포함될 수 있다. 위치 및 그래픽 정보 처리부(210)는 터치 센서(120)에 의해 감지되는 사용자 손가락의 접촉 위치 및 손가락의 이동 방향, 이동 속도 등의 손가락 모션을 분석하거나, 그래픽 디스플레이(110)에 의해 출력되는 그래픽 객체의 진동 패턴 정보를 분석하여 진동 발생 이벤트를 감지한다.
구동 신호 생성부(200)는 위치 및 그래픽 정보 처리부(210)에 의해 감지된 진동 발생 이벤트에 대응하여 요구되는 진동 패턴을 발생시키기 위하여, 구동 대상이 되는 압전 액추에이터(420)를 선정하고, 해당 압전 액추에이터(420)에 대한 구동 신호를 생성한다. 구동 대상이 되는 압전 액추에이터(420)는 단일의 압전 액추에이터(420)이거나 둘 이상의 압전 액추에이터(420)일 수 있다. 진동 발생 이벤트가 그래픽 디스플레이(110)에 대한 사용자의 터치에 의한 것일 경우 이에 대응되는 진동 패턴은 사용자 손가락의 접촉 위치 및 손가락 모션에 의해 결정될 수 있으며, 진동 발생 이벤트가 특정 그래픽 객체의 출력에 의한 이벤트일 경우 진동 발생 이벤트에 대응되는 진동 패턴은 디스플레이 장치에 미리 저장될 수 있다. 압전 액추에이터(420) 각각에 대한 구동 신호는, 특정 진동 발생 이벤트에 대응되는 진동 패턴과 구동 대상 압전 액추에이터(420)의 위치 관계를 고려하여 구동 전압의 형태를 변화시키거나, 구동 신호 각각에 대한 주파수, 진폭 및 위상을 조절함으로써 압전 액추에이터(420)가 생성하는 진동 패턴을 다양하게 만들 수 있다.
기억부(300)는 햅틱 라이브러리(310)를 포함한다. 햅틱 라이브러리(310)에는 그래픽 디스플레이(110)를 통해 출력되는 그래픽 객체 또는 손가락의 모션에 의한 사용자의 입력에 대응되어 그래픽 디스플레이(110)를 통해 출력되어야 할 진동 패턴들이 데이터베이스화되어 저장된다.
진동출력부(400)는 압전 액추에이터 구동부(410) 및 압전 액추에이터(420)를 포함한다.
압전 액추에이터 구동부(410)는 구동 신호 생성부(200)로부터 전달되는 구동 신호에 의해 구동 대상 압전 액추에이터(420)를 구동한다.
압전 액추에이터(420)는 압전 액추에이터 구동부(410)에 의해 구동되어 그래픽 디스플레이(110)의 표면을 가진시킨다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100:입력부 110:그래픽 디스플레이
120:터치 센서 200:제어부
210:위치 및 그래픽 정보 처리부 220:구동 신호 생성부
300:기억부 310:햅틱 라이브러리
400:출력부 410:압전 액추에이터 구동부
420:압전 액추에이터

Claims (16)

  1. 그래픽 객체를 사용자에게 표시하는 그래픽 디스플레이;
    상기 그래픽 디스플레이가 전면에 결합되는 프레임;
    상기 그래픽 디스플레이의 배면에 위치하도록 상기 프레임에 부착되어 상기 그래픽 디스플레이에 진동을 부가하여 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에 진동 패턴을 형성시키는 적어도 둘의 압전 액추에이터; 및
    상기 압전 액추에이터에 입력되는 구동 신호를 생성하는 제어부;를 포함하는 촉감 패턴 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 진동 패턴은,
    상기 구동 신호의 진폭과 주파수를 변조시킴으로써 시간에 따라 상기 그래픽 디스플레이 표면 상의 특정 위치에서 발생하는 진동의 크기와 상기 그래픽 디스플레이 표면 상에서 최대 변위가 발생하는 위치를 변화시키는 것을 특징으로 하는 촉감 패턴 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전 액추에이터는 상기 프레임의 내측 테두리에 구비되는 촉감 패턴 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압전 액추에이터는 상기 프레임의 적어도 둘 이상의 테두리에 구비되는 촉감 패턴 디스플레이 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전 액추에이터는 상기 프레임에 캔틸레버 방식으로 지지되는 촉감 패턴 디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프레임에는, 상기 압전 액추에이터의 하면에 상기 압전 액추에이터의 평면 형상과 부합하는 평면 형상의 진동홈이 형성되는 촉감 패턴 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 진동 패턴은 상기 서로 다른 압전 액추에이터가 시간차를 두고 진동을 발생시킴으로써 발생되는 촉감 패턴 디스플레이 장치.
  7. 그래픽 객체를 사용자에게 표시하는 그래픽 디스플레이와, 손가락을 포함한 사용자의 신체가 상기 그래픽 디스플레이에 접촉하면 이를 감지하는 터치 센서를 포함하는 입력부;
    진동 발생 이벤트를 감지하는 위치 및 그래픽 정보 처리부와, 상기 위치 및 그래픽 정보 처리부에 의해 감지된 진동 발생 이벤트에 대응하여 요구되는 진동 패턴을 발생시키기 위하여 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성부를 포함하는 제어부;
    상기 진동 발생 이벤트에 대응되어 출력되어야 할 진동 패턴들이 저장되는 햅틱 라이브러리를 포함하는 기억부; 및
    상기 그래픽 디스플레이의 배면에 위치하고 상기 구동 신호 생성부로부터 전달되는 구동 신호에 의해 구동되어 상기 그래픽 디스플레이에 진동을 부가하여 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에 진동 패턴을 형성시키는 적어도 둘의 압전 액추에이터를 포함하는 진동출력부;를 포함하는 촉감 패턴 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 진동 패턴은,
    상기 구동 신호의 진폭과 주파수를 변조시킴으로써 시간에 따라 상기 그래픽 디스플레이 표면 상의 특정 위치에서 발생하는 진동의 크기와 상기 그래픽 디스플레이 표면 상에서 최대 변위가 발생하는 위치를 변화시키는 것을 특징으로 하는 촉감 패턴 디스플레이 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 진동 발생 이벤트는, 상기 그래픽 디스플레이에 대한 사용자의 신체의 접촉에 의한 이벤트인 촉감 패턴 디스플레이 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 진동 발생 이벤트는, 상기 그래픽 디스플레이를 통한 특정 그래픽 객체의 출력에 의한 이벤트인 촉감 패턴 디스플레이 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 진동 패턴은 상기 서로 다른 압전 액추에이터가 시간차를 두고 진동을 발생시킴으로써 발생되는 촉감 패턴 디스플레이 장치.
  11. 그래픽 디스플레이의 하면에 위치하는 압전 액추에이터가 구동되어 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에 진동 패턴을 생성하는 촉감 패턴 생성 방법에 있어서,
    상기 그래픽 디스플레이에 사용자가 손가락을 접촉하는 단계;
    위치 및 그래픽 정보 처리부가 진동 발생 이벤트를 감지하는 단계;
    구동 신호 생성부가 상기 사용자의 손가락 접촉 위치 및 손가락 모션을 분석하여 구동 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 구동 신호에 의하여 적어도 둘의 압전 액추에이터가 구동되어 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에 진동 패턴을 생성하는 단계;를 포함하며,
    상기 진동 패턴은 상기 구동 신호의 진폭과 주파수를 변조시킴으로써 시간에 따라 상기 그래픽 디스플레이 표면 상의 특정 위치에서 발생하는 진동의 크기와 상기 그래픽 디스플레이 표면 상에서 최대 변위가 발생하는 위치를 변화시키는 것을 특징으로 하는 촉감 패턴 생성 방법.
  12. 그래픽 디스플레이의 하면에 위치하는 압전 액추에이터가 구동되어 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에 진동 패턴을 생성하는 촉감 패턴 생성 방법에 있어서,
    상기 그래픽 디스플레이를 통해 그래픽 객체가 출력되는 단계;
    위치 및 그래픽 정보 처리부가 상기 그래픽 객체의 진동 패턴 정보의 유무를 분석하여, 상기 그래픽 객체가 진동 패턴 정보를 가지고 있는 경우 진동 발생 이벤트를 감지하는 단계;
    구동 신호 생성부가 상기 그래픽 객체의 진동 패턴 정보를 획득하여 구동 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 구동 신호에 의하여 적어도 둘의 압전 액추에이터가 구동되어 상기 그래픽 디스플레이의 표면 상에 진동 패턴을 생성하는 단계;를 포함하며,
    상기 진동 패턴은,
    상기 구동 신호의 진폭과 주파수를 변조시킴으로써 시간에 따라 상기 그래픽 디스플레이 표면 상의 특정 위치에서 발생하는 진동의 크기와 상기 그래픽 디스플레이 표면 상에서 최대 변위가 발생하는 위치를 변화시키는 것을 특징으로 하는 촉감 패턴 생성 방법.
  13. 삭제
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 압전 액추에이터는 캔틸레버 방식으로 지지되는 촉감 패턴 생성 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
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