KR101714713B1

KR101714713B1 - 센서 결합형 액추에이터 햅틱 소자와 그 제작방법

Info

Publication number: KR101714713B1
Application number: KR1020150134568A
Authority: KR
Inventors: 김도환; 이호진; 허은아; 박상식
Original assignee: 숭실대학교산학협력단
Priority date: 2015-09-23
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2017-03-09
Also published as: CN106547343A; US20170083095A1; CN106547343B; EP3147754B1; EP3147754A1

Abstract

본 발명의 센서 결합형 햅틱 소자는 센서, 및 센서와 동일 평면상에 배치되도록 형성된 액추에이터를 포함한다. 이때, 센서 및 액추에이터는 제 1 공정을 통해 형성된 하부 전극, 제 2 공정을 통해 하부 전극상에 형성된 이온성 탄성체층 및 제 3 공정을 통해 이온성 탄성체층 상에 형성된 상부 전극을 각각 포함한다.

Description

센서 결합형 액추에이터 햅틱 소자와 그 제작방법{SENSOR INTEGRATED HAPTIC DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 이온성 탄성체 기반의 센서 결합형 햅틱 소자와 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 전자 장치를 간편하게 사용하려는 사용자의 요구에 따라 전자 제품을 터치하여 입력하는 터치 방식의 디바이스 사용이 보편화되고 있다.

햅틱 피드백 디바이스는 터치하여 입력하는 기능 이외에도, 터치에 대한 피드백을 제공함으로써, 사용자에게 보다 직관적인 경험을 제공할 수 있다. 이때, 햅틱 피드백 디바이스는 공간 절약이 가능하다는 점, 조작 편의성 이 높다는 점, 이용자 인식이 높다는 점, IT 기기와의 연동이 용이하다는 점 등 다양한 장점을 보유하고 있다.

현재 햅틱 피드백 디바이스를 구현하는 재료로서 압전(Piezo) 소자가 사용되는 방식이 알려져 있으며, 이를 위한 압전 재료로 압전 세라믹과 압전 필름 등이 알려져 있다.

일반적으로, 압전 세라믹은 높은 강성을 가지므로 액추에이터로 사용되고, 압전 필름은 높은 민감도와 유연성을 가지므로 센서로 사용되고 있다. 그러나, 압전 재료는 저주파수 대역에서는 적절한 힘과 변위를 제공하지 않으며, 한 단위의 압전 재료는 힘과 변위가 아주 작기 때문에 액추에이터로 사용하기에는 무리가 있다.

이와 관련하여, 한국공개특허 제2011-0077637호(발명의 명칭: 햅틱 디바이스 구동용 액추에이터) 등에 개시되어 있다.

그러나, 종래 기술에서 터치 센서를 비롯한 압력, 온도 등의 여러 가지 센서와 촉각에 대한 피드백을 줄 수 있는 액추에이터를 구현하기 위해서는 다양한 장치를 이용해야 했다. 이로 인해, 복잡한 공정에 따른 비용이 증가되었고, 내구성에 한계가 있다.

특히, 디스플레이 시스템의 소형화를 위하여 터치 센서의 디스플레이 패널 또는 커버 유리와의 일체화를 시도하고 있지만, 공정비용이 더 들고 수율이 낮다는 단점이 있다. 또한 여러 가지 기능을 구현하기 위하여 센서와 액추에이터를 별개의 레이어로 구성함에 따라 공정비용이 증가하고 디스플레이 패널의 두께가 점점 두꺼워지게 되는 단점이 있다.

본 발명의 일부 실시예는 이온성 탄성체를 기반으로 센서와 액추에이터를 결합한 햅틱 소자를 제안하는 것을 목적으로 한다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 센서 결합형 햅틱 소자는 센서, 및 센서와 동일 평면상에 배치되도록 형성된 액추에이터를 포함한다. 이때, 센서 및 액추에이터는 제 1 공정을 통해 형성된 하부전극, 제 2 공정을 통해 하부전극상에 형성된 이온성 탄성체층 및 제 3 공정을 통해 이온성 탄성체층 상에 형성된 상부전극을 각각 포함한다.

본 발명의 제 2 측면에 따른 센서 결합형 햅틱 소자의 제조 방법은 (a) 기판상에 미리 설정된 센서 영역과 액추에이터 영역에 센서와 액추에이터의 하부전극을 형성하는 단계, (b) 하부전극의 상부에 이온성 탄성체층을 적층하는 단계, 및 (c) 이온성 탄성체층의 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함한다. 이때, 센서 영역은 액추에이터 영역의 둘레를 에워싸도록 배치된다.

본 발명의 제 3 측면에 따른 복수의 센서 결합형 햅틱 소자가 어레이 구조로 배치된 전자 장치의 센서 결합형 햅틱 소자는 센서, 및 센서와 동일 평면상에 배치되도록 형성된 액추에이터를 포함한다. 이때, 센서 및 액추에이터는 제 1 공정을 통해 형성된 하부전극, 제 2 공정을 통해 하부전극상에 형성된 이온성 탄성체층, 및 제 3 공정을 통해 이온성 탄성체층 상에 형성된 상부전극을 각각 포함한다. 이때, 각 액추에이터에 전원을 공급하는 전력 공급 배선과 각 센서의 센싱 전압을 전달하는 전송 배선을 포함한다.

본 발명에서 제안하는 센서 결합형 햅틱 소자는 외부 환경을 감지함과 동시에 기계적인 피드백을 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서 제안하는 센서 결합형 햅틱 소자는 용이하게 어레이 형태로 제작할 수 있어, 디스플레이의 터치 패널 등 다양한 응용분야에 적용 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 센서 결합형 햅틱 소자의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 결합형 핵틱 소자의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자의 액추에이터의 구동원리를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자를 제조하는 방법을 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 어레이 구조의 센서 결합형 햅틱 소자를 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 어레이 구조의 센서 결합형 햅틱 소자를 도시한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명의 일 실시예에서, 햅틱 액추에이터는 진동(vibration)을 제공하여 사용자가 촉각을 통해 느낄 수 있도록 하는 것으로, 탄성을 갖는 이온성 탄성체층을 포함한다. 또한, 센서는 전극 사이에 이온성 탄성체층을 포함하고, 외부 압력에 따라 전극 사이에 형성되는 커패시턴스의 변화를 검출한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서 센서와 액추에이터를 결합한다는 의미는 구조적 또는 기능적인 결합을 의미할 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱소자는, 전극으로 사용하기 위한 두 개의 상하부 금속 층과 두 금속 층 사이에 이온성 탄성체층을 배치하여, 하나의 셀에 센서와 액추에이터를 함께 구현한다. 이때, 이온성 탄성체층은 전기활성 고분자로, 외부 전압 인가 시 이온의 이동과 확산에 의해 고분자가 수축-팽창 변형을 일으킨다. 또한, 가볍고, 유연하며, 응답 속도가 빠르고, 낮은 전압에서도 큰 변형을 나타내는 특징을 있다. 따라서, 햅틱소자의 양 전극에 전압을 인가하면 굽힘 변형이 발생하고, 반대로 이를 기계적으로 변형시키면 양 전극 사이에서 전위차가 발생하여 센서로 이용이 가능하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자를 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자의 구성도이고, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 개략적인 단면도이다.

도 1의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자는 센서(100), 및 액추에이터(200)를 포함한다. 이때, 센서(100)는 사용자의 터치와 같은 외부 압력에 대하여 액추에이터를 보호하고, 신뢰성을 확보하기 위하여, 액추에이터(200)를 에워싸도록 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자는, 액추에이터(200)의 상부전극과 연결되는 제 1 배선(201), 및 액추에이터(200)의 하부전극과 연결되는 제 2 배선(202) 및 제 1 배선과 제 2 배선이 센서(100)의 외부로 인출되도록 하는 출구(A)를 더 포함할 수 있다.

이때, 센서(100), 및 액추에이터(200)는 동일한 평면상에 배치되도록 각 층이 함께 형성될 수 있다. 따라서, 센서(100) 및 액추에이터(200)는 동일한 기판(110)상에 형성될 수 있다.

기판(110)은 유리, 세라믹, 실리콘 및 플라스틱 중 어느 하나로 형성된 것일 수 있으며, 어느 하나로 제한되는 것은 아니다. 그러나, 기판(110)은, 기판(110)의 상부면에 센서(100) 및 액추에이터(200)를 형성하는 과정에서 진행되는, 박막 증착 공정 또는 식각 공정 등에 의하여 영향을 받지 않는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자는 센서(100)와 액추에이터(200)의 상부면에 오염방지를 위해 오염방지막(160)을 더 포함할 수 있다. 이때, 오염방지막(160)은 얇고 유연한 폴리머막을 포함하는 것일 수 있다.

보다 상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서(100) 및 액추에이터(200)는, 제 1 공정을 통해 형성된 하부전극(130, 210), 제 2 공정을 통해 하부전극(130, 210)상에 형성된 이온성 탄성체층(140, 230), 및 제 3 공정을 통해 이온성 탄성체(140, 230)층 상에 형성된 상부전극(150, 240)을 각각 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서, 센서(100) 및 액추에이터(200)에 포함되는하부전극(130, 210), 이온성 탄성체층(140, 230) 및 상부전극(150, 240)은 같은 단계에서 제조될 수 있다. 그러나, 편의상 각각을 분리하여 표기하였다. 예를 들어, 센서(100)의 하부전극(130)과 액추에이터(200)의 하부전극(210)은 동일한 재료로 동일한 단계에서 제조될 수 있다.

센서(100)는 압력, 온도, 및 습도 등 다양한 물리량 또는 그 변화를 감지할 수 있다. 이때, 센서(100)의 구조는 사각형, 육각형, 팔각형등의 다각형과 원형 등의 다양한 형상으로 제조될 수 있다. 즉, 디바이스에 따라 자유롭게 변형 가능하며 크기와 형태에 제한되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에서, 센서(100)는 희생층(120)을 더 포함할 수 있다. 희생층(120)은 센서(100)의 높이를 액추에이터(200)의 높이와 대응하도록 조절하기 위하여 형성될 수 있다. 다시말해, 희생층(120)의 높이를 조절하여 센서(100)의 높이를 조절할 수 있다.

하부전극(130)은 희생층(120)을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 또한, 하부전극(130) 및 상부전극(150) 사이에 형성되는 커패시턴스를 검출하고, 검출된 커패시턴스의 변화량에 따라 외부 압력을 감지하는 제어부(도면부호 미도시)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자에서 센서(100)는 외부에서 압력이 가해지면 이온성 탄성체층(140)의 모양이 변형되어 전극간의 간극이 변화된다. 이로 인해, 센서(100)의 하부전극(130) 및 상부전극(150) 사이에 형성되는 커패시턴스의 변화가 야기된다.

액추에이터(200)는 신호를 받아 기계적인 동력으로 출력하는 변환기로서, 일반적인 MEMS 공정을 통하여 제작 가능하다. 한편, 본 발명의 일 실시예에서, 액추에이터(200)는 기판(110)에 의하여 지지되는 캔틸레버 형상을 갖고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자의 모식도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자는 도 2에 도시된 바와 같이, 센서(100)가 액추에이터(200)와 나란히 배치되도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 1과는 달리 액추에이터(200)를 전체적으로 에워싸지 않고, 액추에이터의 일측면에 배치되는 형태이다.

다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자는 동일한 평면상에 형성될 수 있으나, 브릿지 또는 막대 형상 등, 어느 하나의 형상이나 배치에 한정되지 않으며, 소자의 설계 목적에 따라 형상이 달라질 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 액추에이터(200)는 세라믹(electroactive ceramic, EAC), 형상기억합금(shape memory alloy, SMA), 및 전기활성고분자(electroactive polymer, EAP) 중 어느 하나에 의하여 형성될 수 있다.

구체적으로, 액추에이터(200)는 하부전극(210), 하부전극(210)의 기 설정된 영역에 접촉하는 절연체층(220), 절연체층(220)과 접촉하고 하부전극(210)의 상부면에 형성된 이온성 탄성체층(230), 및 이온성 탄성체층(230)과 절연체층(220)의 상부면에 형성된 상부전극(240)을 포함한다.

이때, 하부전극(210)의 소정 영역은 센서 결합형 햅틱 소자의 제조 과정에서 형성되는 희생층(120)에 의하여 기판으로부터 희생층(120)의 두께만큼 이격되어 배치될 수 있다. 이후, 희생층(120)의 상부에 하부전극(210), 절연체층(220), 이온성 탄성체층(230) 및 상부전극(240)이 순차적으로 형성된 후, 선택적인 식각에 의해 희생층(120)이 제거될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터(200)는, 도1의 (b)에 도시된 바와 같이, 캔틸레버 구조로 구현될 수 있다.

다시 말해, 센서(100)에서 희생층(120)은 액추에이터(200)의 높이와 대응하는 높이를 갖도록 센서(100)의 높이를 조절하는 역할을 하며, 액추에이터(200)에서 희생층(120)은 캔틸레버 구조를 형성하기 위하여 형성된 후 제거될 수 있다.

절연체층(220)은 하부전극(210) 위에 형성되며, 절연체층(220)의 하부에 형성된 하부전극(210)과 절연체층(220)의 상부에 형성된 상부전극(240)간의 전위차가 형성되도록 하부 전극(210)과 상부전극(240)을 분리시켜주는 역할을 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자의 액추에이터 의 구동원리를 나타낸 모식도이다.

도 3의 (a)와 (c)는 전기적으로 통하지 않는 오프(off)상태이고, (b)와 (d)는 전기적으로 통하는 온(on)상태이다. 도 3의 (a) 및 (c)를 참조하면, 액추에이터(200)의 이온성 탄성체층(230) 내부에는 양이온 및 음이온이 존재한다.

전압이 인가되지 않았을때, 액추에이터(200)는 한쪽이 기판에 고정되어 있기때문에 그 형상에 변화가 없다. 반면, 전압이 인가되면, 도 3의 (b) 및 (d)에 도시된 바와 같이, 액추에이터(200)의 이온성 탄성체층(230) 내부에 존재하는 양이온과 음이온은 각각 음 혹은 양으로 하전된 전극방향으로 이동하게 된다. 이에 따라, 전극과 이온성 탄성체층(230)의 계면에서, 이온성 탄성체층(230) 내부의 이온들이 분리되어 전기이중층(electrical double layer)을 형성한다. 따라서, 액추에이터(200)는 전자의 이동 방향으로 휘어지게 된다.

즉, 이온성 탄성체층(230) 내부에 존재하는 양이온과 음이온이 각각 음 또는 양으로 하전된 전극방향으로 이동하게 되면서, 하부전극(210) 및 상부전극(240)에서 양이온과 음이온이 차지하는 부피의 총 양이 변화한다. 따라서, 음으로 하전된 전극 층은 팽창하고, 양으로 하전된 전극 층은 수축하여 액추에이터(200)의 굽힘 변형(bending deformation)이 일어난다.

이때, 액추에이터(200)는 수 V의 전기자극에 대해서는 큰 굽힘 변형으로 반응하고, 수 mV의 전기자극 또는 기계적 변형(또는 진동)에 대해서는 커패시턴스 변화를 발생시킨다. 이러한 현상은, 이온성 탄성체층(230)의 팽창, 수축 등의 굽힘 변형에 의하여 잉여 이온이 전극의 표면으로 이동하여, 전기이중층의 전하량이 변화하면서 나타난다.

본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터(200)는 센서로서 이용 가능하며, 일련의 공정으로 센서(100)와 액추에이터(200)를 한 셀에 대면적으로 동시에 제작 가능하다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자의 액추에이터는 사용자가 터치할 때 사용자에게 실감나는 촉감 피드백을 제공할 수 있다. 뿐만아니라, 전압에 의해서도 다양한 촉감을 제공할 수 있다. 예를 들어, 센서(100)를 통해 사용자의 터치를 감지하게 되면, 액추에이터(200)를 구동하여 터치 동작에 대한 피드백을 제공할 수 있다. 더욱이, 액추에이터(200)에 입력되는 펄스 전압의 횟수 및 간격을 제어하면, 사용자에게 촉감 강도와 촉감 간격에 따른 다양한 햅틱 감각을 제공할 수 있다. 이때, 상술한 펄스 횟수 및 펄스 간격은 아날로그 및 디지털 논리회로에 의해 구현될 수 있다.

이러한 액추에이터(200) 기반 촉각 디스플레이의 활용 예로는 가상 키보드에서의 키 클릭이나 스크롤링시에 피드백을 제공하는 형태를 고려할 수 있으며, 멀티미디어나 게임을 실행할 때 충돌이나 폭발 효과나 음악의 리듬 등을 액추에이터(200)를 통해 제공할 있다. 또한, 물체 표면의 거칠기, 미세한 무늬, 온감, 마찰력 등의 표면의 재질감을 제공함으로써 보다 풍부한 사용자 경험을 제공할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자는 외부에서 압력이 가해지면, 센서(100)의 이온성 탄성체층(140)에 물리적인 변형가 일어나게 되고, 이로 인하여 센서(100)의 커패시턴스 값이 변하게 된다. 따라서, 커패시턴스 값의 변화를 측정함으로써, 외부 압력 변화를 검출할 수 있다.

이하, 도 4 및 도 5를 예를 들어 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자를 제조하는 방법을 자세히 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자를 제조하는 방법을 도시한 개념도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.

도 4는 도 5에서 설명한 각 층을 구성하기 위한 공정의 방법을 일 예를 들어 좀더 자세히 표기하였다

본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자는 센서(100)와 액추에이터(200)가 한 소자내에서 구동 가능하며, 센서(100)와 액추에이터(200)를 제조하기 위한 공정을 동시에 수행할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자를 제조하는 방법은 기판상에 미리 설정된 센서(100) 영역과 액추에이터(200) 영역에 센서(100)와 액추에이터(200)의 하부전극(130, 210)을 형성하는 단계(S410), 하부전극(130, 210)의 상부에 이온성 탄성체층(140, 230)을 적층하는 단계(S420), 및 이온성 탄성체층(140, 230)의 상부에 상부전극(150, 240)을 형성하는 단계(S430)를 포함한다. 이때, 센서(100) 영역은 액추에이터(200) 영역의 둘레를 에워싸도록 배치된다.

도 4의 (a)를 참조하면, 먼저, 기판상에 희생층(120, 120a)을 형성한다. 희생층(120, 120a)은 센서(100)가 형성될 영역 및 액추에이터(200)가 형성될 영역에 각각 형성되며, 액추에이터(200)가 형성될 영역에 형성된 희생층(120a)은 상부전극(240)을 형성하는 단계 이후에 제거 된다.

희생층(120, 120a)을 형성하는데 있어, 일반적으로 반도체 공정에서 수행되는 패턴 형성을 위한 포토리소그래피 공정을 이용할 수 있다. 예를 들어, 원하는 모양으로 형성하기 위해, 마스크를 이용하여 특정 부분을 노광한 후, 패턴을 현상한다. 이후, 건식 또는 습식 식각 공정을 수행하여 희생층을 형성할 수 있다.

다음으로 도 4의 (b)를 참조하면, 희생층(120, 120a)의 상부면에 하부전극(130, 210)을 형성시킨다(S410). 이때, 센서(100)영역에 위치한 하부전극(130)은 희생층(120)이 외부에 노출되지 않도록 희생층(120)을 감싸는 형태로 형성한다. 반면, 액추에이터(200) 영역에 위치한 하부전극(210)은 희생층(120a)의 한쪽 면이 외부로 노출되도록 형성한다. 이는 향후, 액추에이터(200) 영역에 위치한 희생층(120a)을 식각하여 제거할 때, 센서(100) 영역에 위치한 희생층(120)이 함께 제거되지 않도록 하기 위함이다.

즉, 액추에이터(200) 영역의 하부전극은(210)을 희생층(120a)의 상부 에 형성하되, 희생층(120a)의 한쪽 면을 외부로 노출하고, 액추에이터(200)의 한쪽 면을 기판에 고정시킬 수 있도록 형성한다. 따라서, 액추에이터(200) 영역의 하부전극은(210)은 희생층(120a)의 상부 및 희생층(120a)의 노출되지 않는 면과 근접한 기판의 상부에 형성되며, 희생층(120a)의 상부에 형성된 하부전극(210)과 기판의 상부에 형성된 하부전극(210)이 서로 연결되도록 형성된다. 따라서, 이후에 액추에이터(200) 영역의 희생층(120a)을 제거함으로써, 캔틸레버 형상의 액추에이터(200)를 형성할 수 있다. 한편, 하부전극을 형성하는 단계(S410)는, 액추에이터(200)에 전압을 인가할 수 있도록, 액추에이터(200)의 하부전극(210)과 결합된 전극 컨택을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

하부전극(130, 210)을 형성하는 방법은, 열 증착법(thermal evaporation), 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 및 스퍼터링 증착법(sputtering) 중 어느 한 증착법에 의하여 하부전극(130, 210)을 형성하기 위한 물질이 증착된 후, 앞서 전술한 포토리소그래피 공정을 통해 제조될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 예를들어, 하부전극(130, 210)을 형성하기 위한 물질은 전사될 수도 있으며, 혹은 조건에 따라 스프레이 코팅이나 베큠 필터레이션(Vacuum filteration), 및 전기방사에 의하여 형성될 수도 있다.

이때, 하부전극(130, 210)을 구성하는 물질은 금속, 전도성 산화 금속, 전도성 폴리머, 전도성 카본, 전도성 나노 입자 및 유기 물질이나 전도성 물질 사이에 삽입된 나노 입자에서 선택된 전극 물질일 수 있다.

이어서, 희생층(120)의 노출되지 않는 면과 근접한 기판의 상부에 형성된 하부전극(210)의 일 영역에 절연체층(220)을 형성한다.

다음으로, 하부전극(130, 210) 및 절연체층(220)의 상부면에 이온성 탄성체층(140, 230)을 적층한다(S420). 이온성 탄성체층(140, 230)을 형성하기 위하여 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 먼저, 하부전극(130, 210) 및 절연체층(220)이 형성된 기판(110)의 상부에 이온성 탄성체층(140, 230)을 형성하기 위한 이온성 탄성물질(50)을 형성할 수 있다.

이온성 탄성체층(140, 230)을 형성하기 위한 이온성 탄성물질(50)은 예를 들어, 이온성 액체와 고분자 화합물이 혼합된 것일 수 있다. 여기서, 이온성 액체는 상온에서 액체 상태로 존재하는 염으로 물질 자체가 이온들로만 구성되어 있어 대략 10mS/cm의 높은 전도도와 4V 이상의 넓은 전기화학창을 비롯하여 매우 낮은 휘발성을 갖는다. 이온성 액체의 점도는 물과 유사하다. 또한, 고분자 화합물은 일례로 폴리우레탄(TPU) 일 수 있다. 폴리우레탄(TPU)의 경우 투명하고, 탄성을 가지며, 이온성 액체와 블랜딩이 잘되고, 높은 이온전도도의 특성을 지닌다. 따라서, 이온성 액체와 고분자 화합물로 형성된 이온성 탄성체층(140, 230)은 높은 이온전도도 및 탄성을 지닌다.

이어서, 도 4의 (d)에 도시된 바와 같이, 센서(100) 영역 및 액추에이터(200) 영역에 형성될 이온성 탄성체층(140, 230)을 형성하기 위한 이온성 탄성물질을 제외한 나머지 영역에 형성된 이온성 탄성물질을 제거할 수 있다. 따라서, 이온성 탄성체층(140, 230)은 센서(100) 및 액추에이터(200)에서 각각의 역할을 수행할 수 있도록 구분되어 형성된다. 이때, 이온성 탄성체층(140, 230)을 구분하기 위해서 건식 또는 습식 식각 등의 반도체 공정에서 수행되는 포토리소그래피 공정을 이용할 수 있으며 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상술한 방법 이외에도, 몰딩법 등에 의해서도 이온성 탄성체층(140, 230)이 형성될 수 있으며 어느 하나의 방법에 제한되지 않는다.

다음으로, 도 4의 (e)를 참조하면, 이온성 탄성체층(140, 230)의 상부에 상부전극(150, 240)을 형성한다(S430). 상부전극(150, 240)을 형성하는 방법은 전술한 하부전극(130, 210)을 형성하는 방법과 동일한 방법으로 형성할 수 있다. 한편, 상부전극(150, 240)을 형성하는 단계는 액추에이터(200)의 상부전극(240)과 결합된 전극 컨택을 형성하는 단계를 포함한다.

이어서, 상부전극(150, 240)을 형성하는 단계 이후 액추에이터(200) 영역에 형성된 희생층(120)을 제거하는 단계를 거쳐 소자를 완성시킬 수 있다.

또한, 오염방지막(160)을 센서(100) 영역과 액추에이터(200) 영역에 형성하여 외부의 오염물질로부터 센서(100)와 액추에이터(200)를 보호할 수 있다(도 4의 (f)).

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 어레이 구조의 센서 결합형 햅틱 소자를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 어레이 구조의 센서 결합형 햅틱 소자를 도시한 도면이다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 어레이 형태로 배치된 복수의 센서 결합형 햅틱 소자는 사용자의 멀티터치를 감지하여 촉감을 제공 가능하다.

도 6 및 도 7을 살펴보면, 복수의 센서 결합형 햅틱 소자가 어레이 구조로 배치된 전자 장치의 센서 결합형 햅틱 소자는 센서(100), 및 센서(100)와 동일 평면상에 배치되도록 형성된 액추에이터(200)를 포함한다. 이때, 센서(100) 및 액추에이터(200)는 제 1 공정을 통해 형성된 하부전극(130, 210), 제 2 공정을 통해 하부전극(130, 210)상에 형성된 이온성 탄성체층(140, 230), 및 제 3 공정을 통해 이온성 탄성체층(140, 230) 상에 형성된 상부전극(150, 240)을 각각 포함한다. 또한, 각 액추에이터(200)에 전원을 공급하는 전력 공급 배선과 각 센서(100)의 센싱 전압을 전달하는 전송 배선을 포함한다.

참고로, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 센서 결합형 햅틱 소자는 수동소자 및 박막 트랜지스터에 이용될 수 있는 능동소자를 포함할 수 있다. 이때, 수동 소자는 절연성이 좋은 기판 상에, 증착 혹은 스퍼터링 등의 방법으로 박막을 형성시켜서 제조된 것일 수 있다.

예를 들어, 유연소자가 박막 트랜지스터에 이용되는 경우, 박막 트랜지스터는 기판의 역할을 하는 유연소자상에 형성된 게이트 전극, 게이트 절연막에 의해 게이트 전극과 절연되며, 채널 영역, 소스영역 및 드레인 영역을 포함하는 반도체층, 그리고 소스 영역 및 드레인 영역과 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함한다.

도 6 및 도 7에서와 같이 복수의 센서 결합형 햅틱 소자가 어레이 구조로 배치된 경우, 각각의 소자에 스위칭 소자가 결합될 수 있다. 따라서, 스위칭 소자를 통해 특정 소자의 활성화 또는 비활성화를 조절할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 센서 결합형 햅틱 소자는 디스플레이 패널에 멀티 센서(100)와 액추에이터(200)를 함께 한 셀로 제작 가능하기 때문에, 패널 두께는 얇아지고 세밀한 감지 및 촉각 구현이 가능하다. 뿐만 아니라, 공정 과정이 간단하여 비용 또한 감소시킬 수 있는 큰 장점으로 향후 다양한 분야에 적용이 가능할 것이다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 센서 결합형 햅틱 소자
100: 센서
200: 액추에이터

Claims

센서 결합형 햅틱 소자에 있어서,
센서; 및
상기 센서와 동일 평면상에 배치되도록 형성된 액추에이터를 포함하되,
상기 센서 및 액추에이터는 제 1 공정을 통해 형성된 하부전극,
제 2 공정을 통해 상기 하부전극상에 형성된 이온성 탄성체층 및
제 3 공정을 통해 상기 이온성 탄성체층 상에 형성된 상부전극을 각각 포함하는 것이며,
상기 액추에이터는 상기 평면에 의하여 지지되는 캔틸레버 형상 또는 브릿지 형상을 갖는 것인 센서 결합형 햅틱 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 센서와 상기 액추에이터와 접촉하는 기판을 더 포함하는 센서 결합형 햅틱 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 센서는 상기 액추에이터의 둘레를 에워싸도록 형성된 것인 센서 결합형 햅틱 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 센서는 상기 액추에이터의 일측면에 인접하게 배치되도록 형성된 것인 센서 결합형 햅틱 소자.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 액추에이터의 상부전극과 연결되는 제 1 배선; 및
상기 액추에이터의 하부전극과 연결되는 제 2 배선을 더 포함하되,
상기 센서는 상기 액추에이터의 둘레를 에워쌈과 동시에, 상기 제 1 배선과 제 2 배선이 상기 센서의 외부로 인출되도록 하는 출구를 포함하는 센서 결합형 햅틱 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 센서 및 상기 액추에이터의 상부면에 오염방지를 위한 오염방지막을 더 포함하는 센서 결합형 햅틱 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 센서는
희생층;
상기 희생층을 둘러싸는 하부전극;
상기 하부전극의 상부면에 배치된 이온성 탄성체층;
상기 이온성 탄성체층의 상부면에 배치된 상부전극을 포함하는 센서 결합형 햅틱 소자.
청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 8 항에 있어서,
상기 하부전극 및 상기 상부전극 사이에 형성되는 커패시턴스를 검출하고, 상기 커패시턴스에 따라 외부 압력을 감지하는 제어부를 더 포함하는 센서 결합형 햅틱 소자.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 액추에이터는
제 1 공정을 통해 형성된 상기 하부전극;
상기 하부전극의 기 설정된 영역에 접촉하는 절연체층;
상기 절연체층과 접촉하고 상기 하부전극의 상부면에 형성된 이온성 탄성체층; 및
상기 이온성 탄성체층과 상기 절연체층의 상부면에 형성된 상부 전극을 포함하되,
상기 하부전극의 소정 영역은 희생층에 의하여 기판으로부터 상기 희생층의 두께만큼 이격되어 배치되고,
상기 희생층은 상기 상부전극이 형성된 후, 선택적인 식각에 의해 제거된 것인 센서 결합형 햅틱 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 센서는
압력, 온도, 및 촉각 중 적어도 하나 이상을 감지할 수 있는 것인 센서 결합형 햅틱 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 액추에이터는 압전세라믹(Piezoceramic), 형상 기억 합금, 및 전기활성 중합체(electroactive polymer)중 적어도 어느 하나로 이루어진 센서 결합형 햅틱 소자.
센서 결합형 햅틱 소자의 제조 방법에 있어서,
(a) 기판상에 미리 설정된 센서 영역과 액추에이터 영역에 센서와 액추에이터의 하부전극을 형성하는 단계;
(b) 상기 하부전극의 상부에 이온성 탄성체층을 적층하는 단계; 및
(c) 상기 이온성 탄성체층의 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 센서 영역은 상기 액추에이터 영역의 둘레를 에워싸도록 배치된 것인 센서 결합형 햅틱 소자의 제조 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 하부전극을 형성하는 단계는
상기 액추에이터 영역에 희생층을 형성하는 단계; 및
상기 희생층의 상부에 상기 하부전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 상부전극을 형성하는 단계 이후 상기 희생층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것인 센서 결합형 햅틱 소자의 제조 방법.
제 14 항에 있어서,
(a) 상기 하부전극을 형성하는 단계는
상기 센서 영역과 상기 액추에이터 영역에 희생층을 형성하는 단계;
상기 액추에이터 영역의 희생층과 인접한 기판의 상부와 상기 액추에이터 영역의 희생층의 상부에 캔틸레버 형상의 하부전극을 형성하는 단계;
상기 액추에이터의 하부전극과 결합된 전극 컨택을 형성하는 단계를 포함하고,
(b) 이온성 탄성체층을 적층하는 단계는
상기 기판의 상부면에 이온성 탄성체층을 적층하는 단계 및
상기 센서와 액추에이터의 하부전극의 상부면에 위치하는 이온성 탄성체층을 제외한 나머지 이온성 탄성체층을 제거하는 단계를 포함하고,
(c) 상기 상부전극을 형성하는 단계는
상기 액추에이터의 상부전극과 결합된 전극 컨택을 형성하는 단계를 포함하며,
(d) 상기 상부전극을 형성하는 단계 이후 상기 액추에이터 영역에 형성된 희생층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것인 센서 결합형 햅틱 소자의 제조 방법.
복수의 센서 결합형 햅틱 소자가 어레이 구조로 배치된 전자 장치에 있어서,
센서 결합형 햅틱 소자는
센서; 및
상기 센서와 동일 평면상에 배치되도록 형성된 액추에이터를 포함하되,
상기 센서 및 액추에이터는 제 1 공정을 통해 형성된 하부전극,
제 2 공정을 통해 상기 하부 전극상에 형성된 이온성 탄성체층, 및
제 3 공정을 통해 상기 이온성 탄성체층 상에 형성된 상부전극을 각각 포함하는 것이고,
각 액추에이터에 전원을 공급하는 전력 공급 배선과 각 센서의 센싱 전압을 전달하는 전송 배선을 포함하며,
상기 액추에이터는 상기 평면에 의하여 지지되는 캔틸레버 형상 또는 브릿지 형상을 갖는 것인 전자 장치.
제 17 항에 있어서,
상기 센서는 상기 액추에이터의 둘레를 에워싸도록 형성된 것인 전자 장치.
제 17 항에 있어서,
상기 센서는 상기 액추에이터 일측면에 인접하게 배치되도록 형성된 것인 전자 장치.
삭제