KR102067641B1 - 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 영상을 표시하는 디스플레이부와; 상기 디스플레이부 상부에 위치하며, 일면에 터치를 감지하는 터치패널이 형성되어 있고, 가장자리를 따라 비발광영역에 햅틱 엑추에이터가 형성된 커버 윈도우를 포함하는 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이를 제공한다.
Description
본 발명은 촉각 피드백(Haptic Feedback) 제공 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 터치 인터페이스(Touch Interface)를 사용하는 사용자에게 보다 생동감 있는 촉각 피드백을 제공할 수 있는 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이 관한 것이다.
현재 많은 전자 기기에서 터치 인터페이스가 제공되고 있다. 예를 들어, 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 태블릿 컴퓨터(tablet computer), 랩탑 컴퓨터(laptop computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(Portable Multimedia Player), 디지털 카메라, 휴대용 게임기, MP3 플레이어 등과 같은 휴대용 전자 기기는 물론 현금 자동입출금기(Automated Teller Machine, ATM), 정보 검색기, 무인 티켓 발매기 등과 같은 고정형 전자 기기에도 터치 스크린(touch screen)이 터치 인터페이스로 구비되어 있다.
이러한 터치 인터페이스와 연동하여, 최근에는 사용자 경험을 증강시키기 위한 방법으로 사용자에게 촉감을 제공하는 촉각 기술(Haptic technology. 이하 햅틱 기술)이 주목 받고 있다. 햅틱 기술을 이용하면, 사용자가 디지털 객체와 상호작용할 때 다양한 형태의 촉각을 사용자에게 제공함으로써, 궁극적으로 시각과 촉각이 융합된 피드백을 제공할 수 있다. 이러한 햅틱 기술이 적용된 전자 기기는 기존의 전자 기기에 비하여 보다 실감나는 터치 인터페이스를 사용자에게 제공하는 것이 가능하다.
사용자에게 촉각을 제공하는 햅틱 장치의 대표적인 예로는 진동 모터가 알려져 있다.
모터 방식에 의하면 모바일 기기의 하부에 진동 모터를 설치하고 사용자로부터의 입력이 감지되면 기기 전체를 진동시킴으로써 피드백을 제공한다.
이러한 모터 방식은 반응 속도가 매우 빠르며, 전력 소모가 적고, 또한 피드백을 제어하기 용이하여, 현재 모바일 장치에서 다양하게 활용되고 있다.
그러나 진동 모터를 구동하기 위한 모듈이 상대적으로 큰 크기를 가지고 있어, 모듈 배치에 어려움이 있고 모바일 장치의 전체 두께가 두꺼워지는 단점이 있다.
뿐만 아니라, 진동 모터 방식은 터치 인터페이스를 구비한 전자 기기의 후면에 배치되어, 기기 전체를 흔드는 단순한 진동 효과만을 갖는 구조이고, 동작 주파수의 범위가 150 내지 200Hz 정도로 제한적이어서, 사용자에게 동일한 진동 효과만을 전달하므로 감성을 표현하기에 어려움이 있다.
또한, 최근 유저 인터페이스가 발전하고 전자장치의 기능이 다양하고 복잡해질수록 전자장치 전체가 진동하는 진동 모터는 다양한 기능에 따른 다양한 피드백을 구현하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 향후 플렉서블 디스플레이에 적용함에 적합하지 않다는 단점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은,
커버 윈도우 가장자리에 햅틱 엑추에이터를 내장하여 빠른 촉각 피드백을 제공하고자 하는 것을 제 1 목적으로 한다.
또한, 높은 변형 특성과 안정한 전기 특성을 갖는 전기활성고분자를 이용하여 다양한 기능에 따른 다양한 피드백을 제공하고자 하는 것을 제 2 목적으로 한다.
또한, 전기활성고분자를 이용하여 낮은 전력으로 피드백을 제공하고자 하는 것을 제 3 목적으로 한다.
또한, 부가적인 매개체가 필요하지 않으며 디스플레이의 광특성 손실없이 사용자 방향으로 촉각적인 피드백을 제공하고자 하는 것을 제 4 목적으로 한다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부 도면들과 관련되어 설명되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예 들로부터 더욱 명확해질 것이다.
위와 같은 과제를 해결 하기 위해, 본 발명의 다양한 측면에 따른 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이는 영상을 표시하는 디스플레이부와 상기 디스플레이부 상부에 위치하며, 일면에 터치를 감지하는 터치패널이 형성되어 있고, 가장자리를 따라 비발광영역인 테두리부에 햅틱 엑추에이터가 형성된 커버 윈도우를 포함한다.
상기 햅틱 엑추에이터는 상기 커버 윈도우에 도포 내지 부착되며 일체형으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 햅틱 엑추에이터는 전기활성고분자와 상기 전기활성고분자 상하부에 위치한 전극을 한쌍으로 하여 수직으로 복수의 단위층으로 형성되는 상기 한쌍의 전기활성고분자와 전극의 두께는 5 내지 30μm이며, 상기 한쌍의 전기활성고분자와 전극을 5내지 50겹으로 수직 적층시켜 병렬로 구동 시키는 것을 특징으로 한다.
상기 햅틱 엑추에이터는 전기활성고분자와 상기 전기활성고분자 일측면에 일정간격을 두고 수평방향으로 형성되는 전극으로 이루어지는 것을 더 포함한다.
상기 전기활성고분자는 1μm 두께를 가지며, 상기 전극을 포함하여 5 내지 30μm 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 햅틱 엑추에이터는 적어도 하나의 모서리가 단절된 에어패스(Air Path)를 가지며, 상기 커버 윈도우와 상기 디스플레이부 사이에 50내지 100μm의 에어갭(Air gap)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 에어갭(Air gap)은 필러(Filler)를 포함하는 한다.
상기 커버 윈도우의 사용되는 터치패널이 커버일체형(G2), 필름타입(GF2,GFF), 글라스타입(GG2), 디스플레이 일체형(On-Cell,In-Cell) 중 어느 하나의 타입으로 이루어질 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 전기활성고분자는 실리콘(silicone), 아크릴(Acryl), 우레탄(Urethane) 및 PVDF, PDMS 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어지고, 상기 전극은 카본 그리스(Carbon Grease), 고무전극(Rubber Elecrode), 금속전극(Al, Cu, Ag) 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어 지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 "커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이" 에 의하면 진동 모터 사용에 비해 박막형태의 진동장치로 인해 기기의 크기를 줄일 수 있으며, 유연성을 필요로 하는 플렉서블 디스플레이 적용에 유리한 효과를 가지고 있다.
또한, 다양한 주파수를 통한 감성적 진동과 빠른 촉각 피드백을 제공할 수 있다.
또한, 장치 전체가 진동하는 방식이 아닌, 커버 윈도우를 통해 진동하도록 하기 때문에 사용자는 손끝으로 생생한 촉각을 느낄 수 있고 전력 소비면에서 매우 효율적인 효과가 있다.
또한, 커버 윈도우 가장자리에 선택적으로 전기활성고분자로 구성된 햅틱 엑추에이터를 형성시키므로, 낮은 광학 특성에 의해 디스플레이 장치의 응용에 제한적이었던 높은 변형특성과 안정한 전기 특성을 갖는 우수한 전기활성고분자 및 전극재료를 사용 할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이의 개념도 이다.
도 2a는 본 발명의 실시 예에 따른 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이의 단면도이다.
도2b는 본 발명의 실시 예에 따른 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이의 햅틱 엑추에이터 구조를 나타낸 개략도이다.
도3a는 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 엑추에이터의 구성요소를 나타는 개략도이다.
도3b는 햅틱 엑추에이터의 구동을 개념적으로 나타난 개략도이다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 햅틱 엑추에이터의 구조를 나타낸 단면도이다.
도4b는 본 발명의 다른 실시에에 의한 햅틱 엑추에이터의 구동을 개념적으로 나타낸 예시도이다.
도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이의 개념도 이다.
도 2a는 본 발명의 실시 예에 따른 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이의 단면도이다.
도2b는 본 발명의 실시 예에 따른 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이의 햅틱 엑추에이터 구조를 나타낸 개략도이다.
도3a는 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 엑추에이터의 구성요소를 나타는 개략도이다.
도3b는 햅틱 엑추에이터의 구동을 개념적으로 나타난 개략도이다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 햅틱 엑추에이터의 구조를 나타낸 단면도이다.
도4b는 본 발명의 다른 실시에에 의한 햅틱 엑추에이터의 구동을 개념적으로 나타낸 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명한다. 이하에서 설명하는 실시 예는 본원 발명의 기술적 사상을 설명하기 위한 예시로써 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위는 이하의 실시 예들에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이를 나타낸 개념도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이(30)는 커버윈도우(10), 디스플레이부(20)를 포함하는 구성요소로 이루어 지며 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
커버윈도우(10)는 기기의 외곽을 구성하기 위한 것으로 모바일기기(Mobile Divice), 노트북 컴퓨터(Laptop Computer), PMP(Portable Multimedia Player), PDA(Persnal Digital Assistants), 셀롤러 전화(Cellular Phone), 태블릿 컴퓨터(Tablet PC), MP3플레이어 또는 전자사전의 외곽을 구성하는 것을 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 커버윈도우(10)는 글라스(9, 도2a 참조)일면에 햅틱 엑추에이터(5, 도2a 참조)가 형성 되어있고 터치패널(6, 도 2a 참조)이 더 포함 되어 구비 되는 것을 특징으로 하며, 이에 대해 추후 좀더 자세히 살펴보도록 한다.
디스플레이부(20)는 유기발광다이오드 어레이기판(21)과 어레이 기판의 밀봉수단으로 유기막(23)이 구비되고, 유기막 상부에는 편광판(25)이 구비된다. 그리고, 디스플레이 패널과 커버윈도우(10)를 부착시키기 위한 OCA필름(27)로 구성될 수 있다.
어레이기판(21)의 기판상에는 각 서브픽셀 별로 구동 박막트랜지스터가 형성되어 있고, 각각의 구동 박막트랜지스터와 연결되는 애노드전극과, 애노드전극 상부에 특정한 색의 빛을 발광하는 유기발광층, 유기발광층 상부에 캐소드전극으로 구성된 구조를 가질 수 있다.
유기발광층은 적, 녹, 청색을 표현하며 일반적으로는 각 서브 픽셀마다 발광하는 유기물질을 따로 패턴 하여 사용하게 된다.
이런 구조를 가지는 어레이기판(21)을 밀봉하기 위한 수단으로 유기막(23)이 어레이기판(21) 상부에 위치하게 된다.
유기막(23) 상부에는 외부광을 차단하기 위한 편광판(25)이 구비되고, 편광판(25) 상부에는 디스플레이부를 커버윈도우와 접착하기 위한 접착제로써 OCA필름(27)이 구성될 수 있다.
이러한 구성 이외 디스플레이부(20)는 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 중에서 하나로 이루어 질 수도 있다.
다음으로, 커버윈도우(10)에 포함 되는 햅틱 엑추에이터(5)와 터치패널(6)에 대하여 이하 도 2a 내지 2b를 참조하여 조금 더 자세히 설명한다.
도2a는 본 발명에 실시 예에 따른 도 1의 단면도이다. 다만, 도 2a에 도시된 디스플레이부(20)는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것으로써 자세한 설명은 생략한다.
도2b는 본 발명의 커버윈도우(10) 일면에 형성된 햅틱 엑추에이터(5)가 형성된 구조를 나타내는 개략도이다. 다만, 도2b에 도시된 커버윈도우(10)는 본 발명의 설명을 예시하기 위한 것으로써 터치전극(7)이 포함된 터치패널(6)이 박막코팅으로 형성되어 있는 구조를 간략히 도시한 것으로써 그 밖의 특징은 생략한다. 또한 설명상의 편의를 위해 커버윈도우(10)와 햅틱 엑추에이터(5)를 분리시켜 놓은 것이므로, 본 발명의 특징을 한정해서는 아니된다.
도시된 바와 같이, 디스플레이부(20)는 하부프레임(50)에 의해 가장자리가 둘러진 상태로 모듈화 되며, 이러한 디스플레이부(20) 상부에 커버 윈도우(10)가 위치하게 된다. 여기서, 커버 윈도우(10)는 글라스(9)와 터치패널(6) 그리고 햅틱 엑추에이터(5)로 이루어 진다.
먼저, 글라스(9)는 외부로부터의 스크래치를 방지하기 위해 주로 강도가 높은 강화 글라스 또는 아크릴의 재질로 이루어지는데, 본 발명에서는 재질에 국한되지 않고, 글라스(Glass), PET(PolyEthylene terephthalate), 아크릴(Acryl) 및 PMMA(Polymethylmethacrylate) 중 어느 하나의 재질로 이루어 질 수 있다.
다음으로, 터치패널(6)은 글라스(9)의 일면에 직접 박막 코팅을 통하여 형성된 터치전극(7)을 포함하는데, 터치전극(7)은 터치가 감지되는 전기 전도성을 가진 투명 도전성 물질인 ITO(Indium TinOxide)를 스퍼터링(Sputtering) 방식, 인쇄(Printing) 방식 등으로 형성 하여 글라스(9)와 일체형을 가지는 구조가 될 수 있다.
햅틱 엑추에이터(5)는 촉각 피드백을 제공하는 진동원으로써, 커버 윈도우(10)에 사용자에 의한 터치가 있으면, 그에 대응하는 진동을 발생시킨다.
이러한 커버 윈도우(10)는 하부에 위치하는 디스플레이부(20)에 의해 화상이 구현되는 발광영역(Ⅰ)과 비발광영역(Ⅱ)으로 정의될 수 있는데, 햅틱 엑추에이터(5)는 커버 윈도우(10)의 비발광영역(Ⅱ)을 따라 선택적으로 도포 내지 부착시켜, 터치패널(6) 옆면에 결합되는 형상을 가지며 형성된다.
이때, 햅틱 엑추에이터(5)의 모서리는 단절된 영역(B)으로 이루어 질 수 있다.
이는 햅틱 엑추에이터(5)가 발생하는 진동으로 인하여 국부적으로 진공상태의 빈 공간이 발생할 수 있고, 반복적으로 빈 공간이 발생할 경우 기기 전체의 손상이 일어날 수 있으므로, 이를 위한 방안의 하나로 단절된 영역(B)을 가져 에어패스(Air Path)를 형성하는 것이다.
그리고, 단절된 구조(B)로 인하여 햅틱 엑추에이터(5)를 각각 다른 엑추에이팅 파워로 분리구동 할 수 있으며, 상하좌우에서 각기 다른 엑추에이팅 파워가 발생하여 사용자에게 더 다양한 감각을 느낄 수 있고 감성적 터치가 가능하게 된다는 이점이 있다.
그리고, 커버윈도우(10)와 디스플레이부(20)사이에 서로 일정간격 이격되어 이루는 이격영역(A)이 정의 될 수 있다.
이격영역(A)은 50 내지 100㎛의 에어갭(Air gap)으로 이루어질 수 있다.
하지만, 이격영역(A)의 에어갭(Air Gap)이 광학적으로 시인성 문제를 발생 시킬 수 있고, 커버 윈도우(10)에 사용자에 의한 터치가 있을 때 그에 대응하는 진동을 내는 햅틱 엑추에이터(5)의 변형에 대응방안이 필요하므로 빠른 속도의 변형에 대응 가능하고 유연한 성질을 가진 필러(Filler)가 에어갭(Air gap) 내부에 구비되도록 하는 것이 구비함이 바람직하다.
이와 같이, 전술한 커버윈도우(10)의 구조는 종래의 터치패널이 커버 윈도우에 형성되어 있는 터치패널 구조(G1F, G2)를 포함 할 수 있다.
하지만, 이에 국한되지 않고 투명전극 ITO필름 2개에 각각 가로 세로 전극을 패터닝하여 1개는 커버 윈도우에 OCA필름으로 접착하며 다른 1개는 커버 윈도우에 접착된 ITO필름에 OCA필름으로 접착하는 필름타입 구조(Film Type:GFF, 양면ITO Film, GF2)에서 구조를 포함할 수 있으며, 또한, 투명 유리기판 상에 양면으로 투명전극 ITO를 패터닝하여 커버 윈도우와 OCA필름으로 접착한 글라스 타입(Glass Type: 양면ITOglass, GG2)구조를 포함 할 수 있으며, LCD 또는 OLED의 상부 유리 기판의 외부에 박막 공정을 이용하여 터치 패널을 형성한 디스플레이 일체형 구조(On-Cell, In-Cell)중 어느 하나에서 포함 할 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이는 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 응용이 가능하다.
이하에서는 촉각적인 피드백을 제공하는 햅틱 엑추에이터(5)의 구동 원리에 대해서 자세히 설명한다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터(5)는 전기활성고분자(13)와 유연전극(11)을 포함할 수 있다.
전기활성고분자(13)는 전기적 자극에 의해 팽창, 수축 및 휨 현상을 재현성 있게 나타낼 수 있는 고분자이며 작동 방식에 따라 이온의 이동과 확산에 의해 고분자가 "수축-팽창-변형"을 일으키는 이온성 전기활성고분자(Ionic EAP)와 외부에서 가해준 전기장에 의해 분극 현상이 일어나고 이에 변형이 일어나는 전자성 전기활성고분자(Electronic Electro Active Polymer)를 포함한다.
전기활성고분자(13)는 기계적 성질이 우수하고 높은 구동력과 내구성을 가지며 빠른 응답속도를 가진 전자성 전기활성고분자(Electronic Electro Active Polymer)로 구성 되는 것이 더욱 바람직하다.
이러한 전기활성고분자(13)는 실리콘(Silicone), 아크릴(Acryl), 우레탄(Urethane)과 같은 절연 탄생 재료 또는 폴리(비닐리덴플로오라이드-트리플루오로에틸렌 공중합체(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene, P(VDF-TrFE)))와 같은 압전 고분자 재료 중 어느 하나의 재질로 이루어 질 수 있고, 필름(Film)형태로 가공하여, 상하단 유연전극(11) 사이에 끼워 넣어 구동전압(15) 인가시 변위 작동을 유도 할 수 있다.
더욱 전기활성고분자(13)는 우레탄(Urethane), 천연 가황 고무 등으로 이루어진 물질을 사용 할 수 있다.
이하에서는 유연전극(11)과 결합된 햅틱 엑추에이터(5)를 포함하여 더 자세하게 설명한다.
유연전극(11)은 전기활성고분자(13)의 상하부에 위치되며, 구동전압(15)을 인가받아 전기활성고분자(13)의 변위를 유도한다.
이러한 유연전극(11)은 전기활성고분자(13)의 연속적인 "수축-팽창-변형" 에 견디기 위해 유연한 성질과 강한 내열 그리고 내구성을 가진 전도성 물질로 이루어 질 수 있다.
예를 들어 광학적 손실에 대한 고려로써, 투명전극인 ITO 와 같이 유연성 없는 전극은 변형에 취약하므로 사용할 수 없으나, 본 발명에 의해 고안된 유연전극(11)은 광학적 손실에 대한 고려가 필요치 않으므로 카본 그리스(Carbon Grease), 고무 전극(Rubber Electrode), 금속전극(Al, Cu, Ag) 을 사용 할 수 있다.
이러한 유연전극(11)과 전기활성고분자(13)의 1레이어(Layer)는 5 내지 30μm의 두께를 가지는 것이 바람직하며,
이를 다시 5 내지 50겹 수직 적층시켜 유연전극(11)은 병렬로 연결하여 구동시키는 것이 더욱 바람직하다.
이는 유연전극(11)으로 전압이 가해졌을 때 유도되는 전기활성고분자(13)의 변형으로 만으로는 충분한 출력을 얻기 어렵기 때문에 적절한 변형을 얻기 위한 적층구조이다.
하지만, 전술한 적층 구조를 갖는다 해도 사용자가 직접 피드백을 느끼는 영역은 커버윈도우(도1의 10)이기 때문에 전술한 바와 같이 커버윈도우(도1의 10)는 햅틱 엑추에이터(5)와 일체화 되어 전기활성고분자(13)의 변형으로 진동이 발생할 때 부가장치(mass)의 역할로 이용되고, 사용자는 커버글라스(도1의 10)에서 즉각적인 피드백을 제공 받을 수 있다.
즉, 햅틱 엑추에이터(5)는 한쌍의 단위 층들이 적층되어 있는 구조로써, 보다 구체적으로 두가지 유형의 단위 층이 번갈아 적층되어 있는 구조일 수 있다. 예를 들어, 도시된 것과 같은 9층으로 구성된 다층 햅틱 엑추에이터(5)인 경우에, 홀수 번째(즉, 1, 3, 5, 7번째)단위 층들에는 각각 유연전극(11)이 배치되고, 짝수 번째(즉, 2, 4, 5, 8번째)단위 층들에는 각각 전기활성고분자(13)가 배치될 수 있다.
이러한 각 단위층의 적층 구조는 일예에 불과하며, 다른 형태의 적층 구조로 변경 될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예인 도4a 및 도 4b는 각각 적층 구조의 다른 예를 보여주는 것이다. 이는 이하 다른 실시 예에서 자세히 설명한다.
도3b는 1레이어(Layer) 단위의 햅틱 엑추에이터(5)가 구동 하는 개념도이다. 도시한 바와 같이 햅틱 엑추에이터(5)는 전기활성고분자(13)를 사이에 두고 유연전극(11)이 결합된 형태이며, 구동전압(15)을 포함한다.
구동전압(15)은 50 내지 1000 Vp-p 가 될 수 있으며 1 내지 250Hz의 전압주파수를 포함하여 유연전극(11)에 인가될 수 있다.
구동전압(15)이 인가 될 때 맥스웰 스트레스(Maxwell Stress)효과에 의해 전기활성고분자(13)는 분극현상에 기인하여 한쪽 유연전극(11) 표면에는 양전하, 반대쪽 유연전극(11)에는 음전하가 축적되고, 양 유연전극(11)에 축전된 전하들간에 정전기적 쿨롱(Coulomb)인력에 의해 두께 방향인 Z축으로 수축하고 길이 방향인 X, Y축으로 팽창한다.
반대로 구동전압(15) 차단 시 길이방향인 X, Y축으로 팽창하고 두께 방향인 Z축으로 수축했던 전기활성고분자(13)는 본래의 상태로 돌아온다. 여기서 전기활성고분자(13)를 변형시키기 위한 전기장(Electric Field)의 세기는 일반적으로 150V/μm지만 이에 한정하지 않고 햅틱 엑추에이터(5)의 두께를 고려한 변경이 가능할 것이다.
이와 같이 구동전압(15)을 주기적으로 인가 또는 차단함으로 전기활성고분자(13)에 의해 진동이 발생하고, 이러한 진동의 세기(Actuating Power)는 사용자에게 최소한으로 피드백을 제공할 수 있는 0.3G(Gravity Acceleration) 내지 사용자에게 최대한 피드백을 제공할 수 있는 2.0G(Gravity Acceleration)가 바람직하다.
또한, 구동전압(15)인가에 의한 전기활성고분자(13)의 변형률을 장치의 기구적 내구성을 고려하여 10 내지 20%로 제한하는 것이 바람직 할 것이다.
또한, 햅틱 엑추에이터(5)의 동작 주파수는 인간의 감각에 따라 물체의 거칠고 매끄러움을 받아들이는 기계적 수용기의 대역인 0 내지 250Hz로 동작 할 수 있다.
이는 피부 압력에 반응일 수도 있으며 피부를 스치는듯한 반응, 물체표면 무늬에 대한 지각, 진동 자극을 포함 할 수 있다.
표 1은 하나의 예시로서, 인간의 기계적 수용기 역할과 주파수 인지영역에 주파수를 나타낸다.
| 영역 | 반응 | 반응주파수 |
| 표피 | 피부 압력에 반응 | 0.4 ~ 3 Hz |
| 진피 하단부 | 피부가 당겨지거나 늘어나는 반응 | 0.5 ~ 500 Hz |
| 진피층 | 표면 무늬 지각, 거친 진동 지각 |
30 ~ 40 Hz |
| 피부 가장 안쪽 |
진동 자극 | 200~250 Hz |
표 1에서 볼 수 있는 것과 같이, 햅틱 엑추에이터(5)는 인간의 기계적 수용기의 역할 및 주파수 인지 영역에서 동작하고 있다. 따라서 앞서 전술한 바와 같이 터치 입력의 접촉 시간이나 압력 변화등에 따라 사용자에게 다른 종류의 주파수를 발생시켜 다양한 촉감을 피드백 할 수 있다.
또한, 반응주파수에 따라 진동의 세기(Gravity Acceleration)도 적절하게 구동 하여 사용자에게 더 다양한 감각을 제공하게 되고 감성적 터치가 가능하게 된다.
이와 같은 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이는 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 응용이 가능하다.
도4a는 앞에서 전술한 본 발명의 다른 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터를 도시한 단면도이다.
도 4a 를 참조하면, 본 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터(150)는 전술한 실시예 에서의 햅틱 엑추에이터(도2의 5)와 유사하게 구성되나, 전기활성고분자(111)와 전극(Electrode)(113)과 구동전압(115)의 체결 구조에 있어서 차이를 갖는다.
따라서 전술한 실시예와 동일하게 구성되는 요소들에 대한 상세한 설명은 생략하며, 전기활성고분자(111)과 전극(113)의 체결에 대해 중심적으로 설명하기로 한다.
본 실시예의 따른 햅틱 엑추에이터(150)는 전극 구조 개선 방안으로 전기활성고분자(111) 일측면에 일정간격을 두고 수평방향으로 전극(113)을 배치한 구조가 될 수 있다.
전기활성고분자(111)의 두께는 1μm 내로 형성 할 수 있으며 주름전극(113)을 포함하여 5 내지 30μm가 바람직 하다.
전극(113)은 전기활성고분자(111) 일측면에 일정한 간격을 두고 형성되며, 10nm 내외의 전극 간 간격을 가질 수 있다.
각 전극(113)은 구동전압(115)에 의해서 전위차를 가지며, 이에 따라 "수축-팽창"을 반복하며 진동을 발생시킨다.
이 때 전기활성고분자(111)을 변형시키기 위한 전기장(Electric Field)의 세기는 150V/μm가 될 수 있으나, 수평 배치된 전극간의 거리가 급격히 가까워 지게 되므로, 이에 한정하지 않고 변경이 가능하다는 것은 당업자에게는 자명하다.
구동전압(115) 인가 시 전기활성고분자(111)는 도시한 바와 같이 각 전극의 전위차로 인하여 높은 전위(~10V)쪽에서 낮은 전위(0V)쪽으로 수축을 하게 된다. 이 때 구동전압(115)을 병렬로 연결이 가능 할 수 있다.
반대로, 구동전압(115) 차단 시 전기활성고분자(111)은 동전위 상태가 되어 수축상태에서 팽창상태로 변형된다. 이러한 수축-팽창이 연속적으로 일어나게 되면서 진동이 발생하여 커버윈도우(도1의 10)로 진동을 전달한다. 이 때 전위차를 발생하게 하는 높은 전위와 낮은 전위는 실시예를 설명하기 위한 하나의 예로써, 이에 한정하지 않고 변경 가능하다는 것은 당업자에게 자명하다.
이렇게 구성된 햅틱 엑추에이터(150)는 전술한 바와 같이 커버 윈도우(도1의 10)의 비발광영역(도2a의 ?)을 따라 선택적으로 부착시키며, 터치패널(도2의 6) 옆면에 결합되는 형상을 가지며 형성될 수 있다.
이때, 햅틱 엑추에이터(150)의 모서리는 단절된 구조(도 3b의 B)로 이루어 질 수 있다.
본 발명에서는 디스플레이부의 비발광영역이며 글라스 하부의 가장자리에 선택적으로 전기활성고분자로 구성된 햅틱 엑추에이터를 형성시키므로써 사용자에게 다양한 주파수를 통한 감성적 진동과 빠른 촉각 피드백을 제공하며, 기기 전체가 진동하는 방식이 아닌, 커버 윈도우를 통해 사용자 손끝으로 생생한 촉각 전달을 가능하게 한다.
또한, 높은 변형특성과 안정한 전기 특성을 갖으면서도 낮은 광학 특성에 의해 디스플레이 응용에 제한적이었던 우수한 전기활성고분자 및 전극재료의 사용을 가능하게 하며, 두께가 얇고 가벼워지는 효과를 갖는다.
또한, 유연한 성질로 인하여 플렉서블 디스플레이 적용에 유리한 강점을 나타내게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해 할 수 있을 것이다.
그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
5 : 햅틱 엑추에이터 6 : 터치패널
7 : 터치전극 9 : 글라스
10 : 커버 윈도우 20 : 디스플레이부
50 : 하우징 Ⅰ : 발광영역
Ⅱ : 비발광영역
7 : 터치전극 9 : 글라스
10 : 커버 윈도우 20 : 디스플레이부
50 : 하우징 Ⅰ : 발광영역
Ⅱ : 비발광영역
Claims (12)
- 영상을 표시하는 디스플레이부와;
상기 디스플레이부 상부에 위치하며, 일면에 터치를 감지하는 터치패널이 형성되어 있고, 가장자리를 따라 비발광영역에 햅틱 엑추에이터가 형성된 커버 윈도우;
를 포함하고,
상기 햅틱 엑추에이터는, 전기활성고분자와, 상기 전기활성고분자 일측면에 일정 간격 이격되고 수평방향으로 교대로 배치되며 고전위 및 저전위가 각각 인가되어 전기장을 형성하는 제1,2전극을 포함하는
커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 햅틱 엑추에이터는 상기 커버 윈도우에 도포 내지 부착되며 일체형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 전기활성고분자는 1μm 두께를 가지며,
상기 제1,2전극을 포함하여 5 내지 30μm 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이.
- 제 1 항에 있어서,
상기 햅틱 엑추에이터는 적어도 하나의 모서리가 단절된 에어패스(Air Path)를 갖는 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이.
- 제 1 항에 있어서
상기 커버 윈도우와 상기 디스플레이부 사이에 50내지 100μm의 에어갭(Air gap)이 형성되는 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이.
- 제 8 항에 있어서,
상기 에어갭(Air gap)은 필러(Filler)를 포함하는 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이.
- 제 1 항에 있어서,
상기 커버 윈도우의 사용되는 터치패널이 커버일체형(G2), 필름타입(GF2,GFF), 글라스타입(GG2), 디스플레이 일체형(On-Cell,In-Cell) 중 어느 하나의 타입으로 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전기활성고분자는 실리콘(silicone), 아크릴(Acryl), 우레탄(Urethane) 및 PVDF, PDMS 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어지고,
상기 제1,2전극은 카본 그리스(Carbon Grease), 고무전극(Rubber Elecrode), 금속전극(Al, Cu, Ag) 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전기활성고분자의 일측면에 반대되는 타측면에는, 전기장을 형성하는 전극이 배치되지 않는 커버 윈도우 일체형 햅틱 엑추에이터를 포함하는 터치디스플레이.
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