KR102129215B1 - 적층구조 스마트 물질 모듈 기반 3d 형상 변형 장치 - Google Patents

적층구조 스마트 물질 모듈 기반 3d 형상 변형 장치 Download PDF

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KR102129215B1
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최동수
도영석
허용해
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Abstract

본 발명은 전기활성고분자, 자기유변탄성체 등의 스마트물질을 이용한 형상 변형 장치를 개시한다. 본 발명의 형상 변형 장치는, 지지부; 하단이 상기 지지부에 결합된 상태에서 스마트물질의 변형 및 복원에 의해 상단이 승강운동을 하는 다수의 액츄에이터 모듈; 상기 다수의 액츄에이터 모듈의 상단에 결합되는 커버; 상기 다수의 액츄에이터 모듈에 대한 전원연결을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 다수의 액츄에이터 모듈을 승강시켜서 상기 커버의 형상을 입체적으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 다수의 액츄에이터 모듈을 개별적으로 제어함으로써 표면의 입체적인 형상을 보다 다양하고 정밀하게 제어할 수 있다. 또한 적층구조의 액츄에이터 모듈을 사용함으로써 형상 변형폭을 크게 증가시킬 수 있다. 또한 각 액츄에이터 모듈을 개별적으로 교체할 수도 있고 액츄에이터 모듈의 위치나 간격을 필요에 따라 변경할 수 있으므로 유지 보수가 편리한 것은 물론이고 설계자유도 및 범용성이 향상되는 이점이 있다.

Description

적층구조 스마트 물질 모듈 기반 3D 형상 변형 장치{3D shape deformation device using laminated structure smart material module}
본 발명은 형상 변형 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 전기활성폴리머, 자기유변탄성체 등의 스마트 물질이 적층된 다수의 액츄에이터 모듈을 이용하는 3차원 형상 변형 장치에 관한 것이다.
최근 휴대용 전자기기, 가상현실 기기, 원격조종용 매니퓰레이터(manipulator), 훈련용 시뮬레이터 등의 분야에서는 사용자가 실제와 비슷한 촉감과 역감을 느낄 수 있도록 다양한 햅틱 피드백을 제공하고 있다.
또한 이들 기기에는 햅틱 피드백을 제공하기 위하여 편심 모터 액츄에이터(ERM: Eccentric Rotating Mass), 선형 공진 액츄에이터(LRA: Linear Resonant Actuator), 압전소자 액츄에이터, 전기활성고분자 액츄에이터(Electroactive Polymer Actuator) 등의 햅틱 액츄에이터가 설치된다.
그런데 종래의 햅틱 피드백은 액츄에이터의 진동을 통해 사용자에게 자극을 주는 방식이므로 실물을 만질 때 느낄 수 있는 입체감을 제공하는 데는 한계가 있다.
특허문헌 1은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 사용자가 터치한 부분이나 애플리케이션에 의해 선택된 부분의 형상을 능동적으로 변형시킴으로써 사용자가 입체적인 촉감을 느낄 수 있는 터치패널을 소개하고 있다.
특허문헌 1의 형상 변형 방식은, 서로 직교하는 다수의 제1 구동전극과 다수의 제2 구동전극의 사이에 전기활성고분자(EAP)를 배치한 상태에서 전압을 인가하면 제1 및 제2 구동전극이 교차하는 구동영역의 전기활성고분자가 신장되면서 아치 형태로 변형됨에 따라 터치패널의 해당 영역이 상부로 돌출되는 방식이다.
그런데 이 방식에 따르면 제1 구동영역의 전기활성고분자(EAP)가 신장될 때 인접한 제2 구동영역의 전기활성고분자(EAP)에도 영향을 주게 되므로 다수의 구동영역을 동시에 변형시키는 경우에는 각각의 높이를 정밀하게 제어하기 어렵고 이로 인해 다양한 형상을 정밀하게 구현하기가 쉽지 않은 문제가 있다.
또한 모든 구동전극에 전압을 인가하면 터치패널의 상면이 전체적으로 평탄하게 상승하는 것이 아니라 각 구동영역이 아치형태로 변하면서 전체적으로 엠보싱 구조가 나타나게 되므로 터치패널의 전체 또는 일부 영역을 평탄하게 상승시키는 것이 불가능한 한계도 있다.
또한 특허문헌 1에서는 구동영역의 간격을 조정하려면 제1 및 제2 구동전극의 위치를 변경해야만 하므로 현실적으로 간격 조정이 거의 불가능한 한계도 있다.
대한민국 등록특허 제10-1809191호(2018. 01. 18 공고)
본 발명은 이러한 배경에서 고안된 것으로서, 표면의 형상을 보다 다양하고 정밀하게 변형시킬 수 있는 3차원 형상 변형 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 또한 형상 변형이 이루어지는 구동영역의 위치 또는 간격을 필요에 따라 간편하게 변경할 수 있는 3차원 형상 변형 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 지지부; 하단이 상기 지지부에 결합된 상태에서 스마트물질의 변형 및 복원에 의해 상단이 승강운동을 하는 다수의 액츄에이터 모듈; 상기 다수의 액츄에이터 모듈의 상단에 결합되는 커버; 상기 다수의 액츄에이터 모듈에 대한 전원연결을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 다수의 액츄에이터 모듈을 승강시켜서 상기 커버의 형상을 입체적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 형상 변형 장치를 제공한다.
본 발명의 일 양상에 따른 형상 변형 장치에서, 상기 스마트물질은 전기활성폴리머(EAP) 또는 자기유변탄성체(MRE)일 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 형상 변형 장치에서, 상기 액츄에이터 모듈은, 모듈베이스와, 상기 모듈베이스의 상부에 적층된 다수의 전기활성폴리머 층과, 상기 다수의 전기활성폴리머 층의 양면에 각각 배치되는 다수의 전극과, 상기 모듈베이스에 구비되며 상기 다수의 전극과 각각 전기적으로 연결되는 다수의 모듈단자를 포함할 수 있다. 이때 상기 전기활성폴리머 층의 적어도 일면에는 요철부가 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 형상 변형 장치에서, 상기 액츄에이터 모듈은, 모듈베이스와, 상기 모듈베이스의 상부에 교대로 적층된 다수의 전자석 및 다수의 자기유변탄성체 층과, 상기 모듈베이스에 구비되며 상기 다수의 전자석과 각각 전기적으로 연결되는 다수의 모듈단자를 포함하며, 상기 자기유변탄성체 층의 적어도 일면에는 요철부가 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 형상 변형 장치의 상기 지지부에는 상기 다수의 액츄에이터 모듈의 모듈베이스가 각각 삽입될 수 있는 다수의 모듈소켓이 설치되며, 상기 다수의 모듈소켓에는 각각 상기 모듈베이스가 삽입되었을 때 모듈단자와 접촉하는 소켓단자가 설치될 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 형상 변형 장의 상기 커버는, 사용자가 손으로 잡거나 착용하는 입력장치의 표면일 수 있다.
본 발명에 따르면 다수의 액츄에이터 모듈을 개별적으로 제어함으로써 표면의 입체적인 형상을 보다 다양하고 정밀하게 제어할 수 있다. 또한 적층구조의 액츄에이터 모듈을 사용함으로써 형상 변형폭을 크게 증가시킬 수 있다.
또한 각 액츄에이터 모듈을 개별적으로 교체할 수도 있고 액츄에이터 모듈의 위치나 간격을 필요에 따라 변경할 수 있으므로 유지 보수가 편리한 것은 물론이고 설계자유도 및 범용성이 향상되는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 형상 변형 장치의 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 형상 변형 장치의 단면도
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 형상 변형 장치에 설치된 액츄에이터 모듈의 단면도
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 형상 변형 장치의 동작을 예시한 도면
도 5는 액츄에이터 모듈의 변형 예를 예시한 도면
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 형상 변형 장치의 개략 구성도.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 형상 변형 장치의 단면도
도 8은 액츄에이터 모듈의 사시도
도 9는 액츄에이터 모듈이 지지부에 결합되는 모습을 예시한 도면
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 형상 변형 장치의 동작을 예시한 도면.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 형상 변형 장치의 변형 예를 나타낸 단면도.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 형상 변형 장치의 단면도
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 형상 변형 장치에 설치된 액츄에이터 모듈의 단면도
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 형상 변형 장치에 설치된 액츄에이터 모듈의 사시도
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 형상 변형 장치의 동작을 예시한 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
참고로 본 명세서에 첨부된 도면에는 실제와 다른 치수 또는 비율로 표시된 부분이 있으나 이는 설명과 이해의 편의를 위한 것이므로 이로 인해 본 발명의 범위가 제한적으로 해석되어서는 아니됨을 미리 밝혀 둔다. 또한 본 명세서에서 하나의 구성요소(element)가 다른 구성요소와 연결, 결합 또는 전기적으로 연결되는 경우는 다른 구성요소와 직접적으로 연결, 결합 또는 전기적으로 연결되는 경우뿐 아니라 중간에 다른 요소를 사이에 두고 간접적으로 연결, 결합 또는 전기적으로 연결되는 경우도 포함한다. 또한 하나의 구성요소(element)가 다른 구성요소와 직접 연결 또는 결합되는 경우는 중간에 다른 요소 없이 연결 또는 결합되는 것을 의미한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함하는 것은 특별히 반대되는 기재가 없다면 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 본 명세서에서 전, 후, 좌, 우, 위, 아래 등의 표현은 보는 위치에 따라 달라질 수 있는 상대적인 개념이므로 본 발명의 범위가 반드시 해당 표현으로 제한되어서는 아니된다.
제1 실시예
본 발명의 제1 실시예에 따른 형상 변형 장치(100)는, 도 1의 개략 구성도와 도 2의 단면도에 나타낸 바와 같이, 지지부(110)와, 하단이 지지부(110)에 결합된 상태에서 상단이 승강운동을 하는 다수의 액츄에이터 모듈(130)과, 다수의 액츄에이터 모듈(130)의 상단에 결합되는 커버(120)와, 전원라인(192)에 의해 각 액츄에이터 모듈(130)의 전극과 연결되는 스위칭부(190)와, 스위칭부(190)를 제어하여 액츄에이터 모듈(130)의 각 전극을 전원공급부(200)에 선택적으로 연결하는 제어부(195)를 포함한다.
지지부(110)는 액츄에이터 모듈(130)을 지지하는 것으로서 도면에는 판 형상으로 나타나 있으나 그 형상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 사용자가 손으로 잡거나 착용하는 입력장치(예, 마우스, 컨트롤러 등)에 본 발명의 제1 실시예에 따른 형상 변형 장치(100)를 설치하는 경우에는 지지부(110)를 입력장치의 표면 윤곽에 대응하는 형상으로 제작할 수도 있다. 지지부(110)의 재질도 특별히 한정되지 않음은 물론이다.
지지부(110)에는 스위칭부(190)와 각 액츄에이터 모듈(130)을 연결하는 전원라인(192)이 결합 또는 형성될 수 있다. 전원라인(192)은 케이블을 포함할 수 있다. 또한 전원라인(192)은 지지부(110)의 표면에 도전성 물질로 증착 또는 인쇄된 회로패턴을 포함할 수 있다.
커버(120)는 다수의 액츄에이터 모듈(130)의 상단에 결합된 상태에서 각 액츄에이터 모듈(130)이 승강할 때 해당 부분만 승강할 수 있어야 하므로 가요성 및 신축성을 가진 재질인 것이 바람직하다.
커버(120)는 사용자가 손으로 잡거나 착용하는 입력장치(예, 마우스, 컨트롤러 등)의 표면으로 제공될 수 있다.
다수의 액츄에이터 모듈(130)은 기둥 형상으로서 길이나 직경은 특별히 한정되지 않는다. 도면에는 모든 액츄에이터(130)가 동일한 길이로 나타나 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 모든 액츄에이터 모듈(130)이 서로 다른 길이를 가질 수도 있고 일부의 액츄에이터(130)만 다른 길이를 가질 수도 있다.
다수의 액츄에이터 모듈(130)은 지지부(110)의 상면에 매트릭스 형태로 배열되는 것이 바람직하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 도면에는 다수의 액츄에이터 모듈(130)이 서로 일정한 간격으로 이격 된 것으로 나타나 있으나 이에 한정되는 것은 아니므로 액츄에이터 모듈(130) 간의 간격을 좁혀서 보다 조밀하게 배치할 수도 있고 반대로 간격을 보다 넓혀서 배치할 수도 있다. 각 액츄에이터 모듈(130)은 수축 또는 복원될 때 인접 모듈(130)과 간섭하지 않을 정도로 인접 모듈(130)과 이격되는 것이 바람직하다.
모든 액츄에이터 모듈(130)은 서로 동일한 간격으로 배치될 수도 있고, 일부 모듈(130)을 나머지 모듈(130)과 다른 간격으로 배치할 수도 있다.
각 액츄에이터 모듈(130)의 하단은 지지부(110)에 결합되고 상단은 커버(120)에 결합되며, 결합 방식은 특별히 한정되지 않는다.
각 액츄에이터 모듈(130)은, 도 3의 단면도에 나타낸 바와 같이, 전기활성폴리머 층(135)과, 전기활성폴리머 층(135)의 양면에 각각 결합되는 제1 전극(131) 및 제2 전극(132)을 포함할 수 있다.
전기활성폴리머(Electroactive Polymer, EAP)는 전기장이 인가되면 전극 쪽으로 변형되면서 두께가 얇아지고 전기장이 제거되면 자체 탄성에 의해 본래 형상으로 복원되는 특성을 가지므로 전기장을 이용하여 두께를 제어할 수 있는 일종의 스마트 물질이다.
따라서 제1 전극(131)과 제2 전극(132)을 전원에 연결하여 전계를 형성하면 그 사이의 전기활성폴리머 층(135)이 얇아짐에 따라 제1 전극(131)과 제2 전극(132) 간의 간격이 줄어들고 이로 인해 액츄에이터 모듈(130)의 상단이 하강하게 된다.
또한 제1 전극(131) 및 제2 전극(132)과 전원의 연결을 끊으면 전기활성폴리머 층(135)이 본래 형상으로 팽창함에 따라 제1 전극(131)과 제2 전극(132) 간의 간격이 벌어지게 되고 이로 인해 액츄에이터 모듈(130)의 상단이 상승하게 된다.
전기활성폴리머 층(135)은 겔(gel) 형태로서 제1 전극(131)과 제2 전극(132)의 사이에 개재되는 판 형상일 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서는 액츄에이터 모듈(130)의 승강거리를 늘리기 위하여 다수의 전기활성폴리머 층(135)을 상하로 적층하고 적층된 전기활성폴리머 층(135)의 사이에 전극(131,132)을 교대로 배치한다. 이때 각 전기활성폴리머 층(135)의 상면과 하면에 제1 전극(131)과 제2 전극(132)이 결합되는 것이 바람직하다.
이렇게 하면 각 전기활성폴리머 층(135)의 변형폭을 모두 합한 거리만큼 액츄에이터 모듈(130)의 상단이 승강할 수 있으므로 충분한 승강거리를 확보할 수 있다. 또한 다수의 제1 및 제2 전극(131,132) 중에서 일부 전극만 선택하여 전원에 연결함으로써 다수의 전기활성폴리머 층(135) 중에서 일부 층만을 변형시킬 수 있으므로 액츄에이터 모듈(130)의 승강거리를 다양하게 조절할 수 있고 이를 통해 다양한 표면 형상을 구현할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 액츄에이터 모듈(130)은 모듈베이스(139)와, 모듈베이스(139)의 상부에 순차적으로 적층된 제1 전극(131), 전기활성폴리머 층(135), 제2 전극(132), 전기활성폴리머 층(135), 제1 전극(131) 등을 포함할 수 있다.
모듈베이스(139)는 지지부(110)에 결합되는 부분으로서, 액츄에이터 모듈(130)에 구비된 다수의 제1 전극(131) 및 다수의 제2 전극(132)과 개별적으로 연결되는 다수의 모듈단자를 포함할 수 있다. 또한 모듈베이스(139)에 구비된 다수의 모듈단자는 지지부(110)에 구비된 다수의 단자와 전원라인(192)을 통해 전원공급부(200)와 연결될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 형상 변형 장치(100)의 동작을 나타낸 도면이다. 설명의 편의를 위하여, 지지부(110)와 커버(120)의 사이에 설치된 다수의 액츄에이터 모듈(130)을 도면상 좌측에서부터 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 및 제7 모듈(130)이라 칭하기로 한다.
도면을 살펴보면, 제1 모듈(130)은 모든 전극(131,132)이 전원에 연결되어 모든 전기활성폴리머 층(135)이 수축됨에 따라 커버(120)에 가장 깊은 오목부(125a)를 형성하였고, 제3 모듈(130)은 2쌍의 전극이 전원에 연결되어 2개의 전기활성폴리머 층(135)이 수축됨에 따라 커버(120)에 상대적으로 얕은 오목부(125b)를 형성하였고, 제5 모듈(130)은 3쌍의 전극이 전원에 연결되어 3개의 전기활성폴리머 층(135)이 수축됨에 따라 커버(120)에 중간 정도의 오목부(125c)를 형성하였고, 제2, 제4, 제6, 제7 모듈(130)은 전원에 연결되지 않아 커버(120)가 변형되지 않은 상태이다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면 이와 같이 각 액츄에이터 모듈(130)을 개별적으로 제어함으로써 커버(120)의 표면에 다양한 깊이의 오목부를 형성할 수 있고 이를 통해 다양한 입체적인 형상을 구현할 수 있다.
또한 본 발명의 제1 실시예에 따른 형상 변형 장치(100)를 게임기기, 가상현실 기기 등의 입력장치(예, 마우스, 컨트롤러 등)에 장착하면, 실행되는 애플리케이션의 진행 상태에 따라 입력장치의 표면 형상을 변화시킬 수 있고 이를 통해 사용자에게 실제에 가까운 입체감을 다양하게 제공할 수 있다.
이는 후술하는 제2 및 제3의 실시예에 따른 형상 변형 장치(100a, 100b)의 경우도 마찬가지이다.
한편 도 5는 요철형 전기활성폴리머 층(136)을 포함하는 액츄에이터 모듈(130a)을 예시한 단면도이다.
요철형 전기활성폴리머 층(136)은 상면 및/또는 하면에 요철부(137)가 형성된 것으로서, 요철부(137)에 의해 전극(131,132)과의 사이에 공간이 발생함에 따라 평판형의 전기활성폴리머 층(135)에 비하여 변형폭이 더 큰 특징이 있다.
따라서 요철형 전기활성폴리머 층(136)을 이용하면 액츄에이터 모듈(130a)의 승강거리를 보다 늘릴 수 있고, 이를 통해 보다 다양한 형상을 구현할 수 있다.
요철부(137)의 형상은 단면을 기준으로 물결 형상인 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니므로 피라미드 형상, 사다리꼴 형상, 아치 형상, 모레시계 형상 등 다양하게 변형될 수 있다.
제2 실시예
본 발명의 제2 실시예에 따른 형상 변형 장치(100a)는, 도 6의 개략 구성도와 도 7의 단면도에 나타낸 바와 같이, 상면에 다수의 모듈소켓(150)을 구비하는 지지부(110)와, 하단이 모듈소켓(150)에 결합된 상태에서 상단이 승강운동을 하는 다수의 액츄에이터 모듈(130a)과, 다수의 액츄에이터 모듈(130a)의 상단에 결합되는 커버(120)와, 전원라인(192)에 의해 각 액츄에이터 모듈(130a)의 전극과 연결되는 스위칭부(190)와, 스위칭부(190)를 제어하여 액츄에이터 모듈(130)의 각 전극을 전원공급부(200)에 선택적으로 연결하는 제어부(195)를 포함한다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 형상 변형 장치(100a)는 각 액츄에이터 모듈(130a)의 하단에 구비된 모듈베이스(139)가 지지부(110)에 구비된 모듈소켓(150)에 결합되는 점에서 제1 실시예와 차이가 있으며, 나머지 구성은 제1 실시예와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
액츄에이터 모듈(130a)은 도 8에 예시한 바와 같이, 모듈베이스(139)와, 모듈베이스(139)의 상부에 적층된 다수의 전극(131, 132)과, 요철형 전기활성폴리머 층(136)을 포함한다. 다수의 제1 전극(131)과 다수의 제2 전극(132)은 서로 교대로 배치되고 제1 전극(131)과 제2 전극(132)의 사이마다 요철형 전기활성폴리머 층(136)이 배치되어야 함은 물론이다.
또한 모듈베이스(139)에는 다수의 모듈단자(161)가 설치되고, 모든 전극(131,132)의 일측에는 전극단자(162)가 형성되며, 각 전극단자(162)는 도전라인(163)을 통해 모듈단자(161)와 연결된다. 모듈단자(161)는 모듈베이스(139)의 측면에 형성될 수도 있고, 저면에 형성될 수도 있다.
도전라인(163)은 액츄에이터 모듈(130a)의 외측이나 내부에 설치된 도전성 와이어 또는 케이블일 수도 있고, 액츄에이터 모듈(130a)의 외측에 인쇄 또는 증착된 도전성 박막일 수도 있고, 기타 다른 형태일 수도 있다. 어떠한 유형이든 도전라인(163)은 액츄에이터 모듈(130a)이 신축운동을 하는 중에도 각 모듈단자(161)와 각 전극단자(162)를 전기적으로 연결할 수 있어야 한다.
지지부(110)에 형성된 모듈소켓(150)은, 도 9에 예시한 바와 같이, 액츄에이터 모듈(130a)의 모듈베이스(139)가 삽입되는 삽입홈(151)과, 삽입홈(151)의 내부에 형성된 다수의 소켓단자(153)를 포함할 수 있다. 각 소켓단자(153)는 전원라인(도 6의 192)과 스위칭부(도 6의 190)를 통해 전원공급부(200)에 연결된다.
삽입홈(151)은 액츄에이터 모듈(130a)의 모듈베이스(139)에 대응하는 형상을 가지며, 다수의 소켓단자(153)는 모듈베이스(139)의 각 모듈단자(161)와 일대일로 접촉할 수 있는 위치에 형성된다.
모듈베이스(139)가 예를 들어 사각 형상이고 네 변 중에서 한 변에만 다수의 모듈단자(161)가 형성된 경우에는 삽입홈(151)의 내벽 중에서 대응하는 변에만 소켓단자(153)를 형성하면 된다.
다만, 삽입홈(151)의 내벽의 네 변에 모두 다수의 소켓단자(153)를 동일한 순서로 형성하면, 모듈베이스(139)를 어떠한 방향으로 삽입해도 모듈단자(161)와 소켓단자(153)의 전기적 연결이 이루어지므로 액츄에이터 모듈(130a)을 설치하는 작업이 훨씬 용이해지는 효과를 얻을 수 있다.
한편 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 지지부(110)에 구비된 모듈소켓(150)에 액츄에이터 모듈(130a)을 장착하거나 분리하는 것이 가능하므로 액츄에이터 모듈(130a)의 설치 개수, 위치, 간격 등을 필요에 따라 변경하거나 선택할 수 있다.
따라서 모든 모듈소켓(150)마다 액츄에이터 모듈(130a)을 장착할 수도 있고, 일부 모듈소켓(150)에만 액츄에이터 모듈(130a)을 장착할 수도 있다. 예를 들어, 도 6 및 도 7에 예시한 바와 같이, 액츄에이터 모듈(130a)이 장착된 소켓(150)과 액츄에이터 모듈(130a)이 장착되지 않은 소켓(150)이 하나씩 교대로 나타나도록 구성할 수도 있고, 2개씩 교대로 나타나도록 구성할 수도 있고, 기타 다른 패턴으로 구성할 수도 있다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 형상 변형 장치(100a)의 동작을 나타낸 도면이다. 설명의 편의를 위하여, 지지부(110)에 설치된 다수의 모듈소켓(150)을 도면상 좌측에서부터 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 및 제7 소켓(150)이라 칭하기로 한다.
도면을 참조하면, 제1, 제3, 제5, 제7 소켓(150)에는 각각 액츄에이터 모듈(130a)이 장착되고, 제2, 제4, 제6 소켓(150)에는 액츄에이터 모듈(130a)이 장착되지 않은 상태이다.
또한 제1 소켓(150)에 결합된 액츄에이터 모듈(130a)은 모든 전극(131,132)이 전원에 연결되어 모든 전기활성폴리머 층(135)이 수축됨에 따라 가장 많이 수축되고, 제3 소켓(150)에 결합된 액츄에이터 모듈(130a)은 2쌍의 전극(131,132)이 전원에 연결되어 2개의 전기활성폴리머 층(135)이 수축됨에 따라 상대적으로 적게 수축되고, 제5 소켓(150)에 결합된 액츄에이터 모듈(130a)은 3쌍의 전극(131,132)이 전원에 연결되어 3개의 전기활성폴리머 층(135)이 수축됨에 따라 중간 정도로 수축되고, 제7 소켓(150)에 결합된 액츄에이터 모듈(130a)은 전원이 연결되지 않아 변형이 없는 상태이다.
이로 인해 커버(120)의 표면에 비교적 완만한 물결 형태의 곡면 형상이 나타나게 된다. 도 4와 대비하면, 액츄에이터 모듈(130a)의 간격이 넓어질 수록 커버(120)의 표면에서 구현되는 형상이 보다 완만한 곡면을 갖게 됨을 알 수 있다.
한편 본 발명의 제2 실시예에 따른 형상 변형 장치(100a)에는 요철형 전기활성 폴리머 층을 구비한 액츄에이터 모듈(130a)이 사용되는 것으로 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 11에 나타낸 바와 같이 평판형 전기활성 폴리머 층을 구비한 액츄에이터 모듈(130)이 사용될 수도 있다.
제3 실시예
본 발명의 제3 실시예에 따른 형상 변형 장치(100b)는, 도 12의 단면도에 나타낸 바와 같이, 상면에 다수의 모듈소켓(150)을 구비하는 지지부(110)와, 하단이 모듈소켓(150)에 결합된 상태에서 상단이 승강운동을 하며 각각 전자석과 자기유변탄성체 층을 구비하는 다수의 액츄에이터 모듈(140)과, 다수의 액츄에이터 모듈(140)의 상단에 결합되는 커버(120)를 포함한다.
또한 본 발명의 제3 실시예에 따른 형상 변형 장치(100b)는, 제1 및 제2 실시예와 마찬가지로, 전원라인(192)에 의해 각 액츄에이터 모듈(140)의 전자석에 연결되는 스위칭부(190)와, 스위칭부(190)를 제어하여 액츄에이터 모듈(140)의 각 전자석을 전원공급부(200)에 선택적으로 연결하는 제어부(195)를 포함한다.
각 액츄에이터 모듈(140)은, 도 13의 단면도에 나타낸 바와 같이, 모듈베이스(149)와, 모듈베이스(149)의 상부에 교대로 적층된 다수의 전자석(142)과 다수의 자기유변탄성체 층(145)을 포함할 수 있다.
자기유변탄성체(Magnetorheological elastomer, MRE)는 천연고무, 실리콘 고무 등의 탄성재료에 자성입자가 포함된 것으로서 자기장이 인가되지 않은 상태에서는 유연하지만 자기장이 인가되면 자성입자가 자기장의 영향을 받으면서 약간 수축됨과 동시에 단단해지는 성질이 있으므로 자기장을 이용하여 두께와 강성을 제어할 수 있는 일종의 스마트 물질이다.
따라서 전자석(142)의 상부에 자기유변탄성체 층(145)을 배치하고 전자석(142)과 전원을 연결하면 자기장에 의해 자기유변탄성체 층(145)이 수축되면서 액츄에이터 모듈(140)의 상단이 하강하게 된다.
또한 전자석(142)과 전원의 연결을 끊으면 자기유변탄성체 층(145)이 본래 형상으로 팽창하면서 액츄에이터 모듈(140)의 상단이 상승하게 된다.
자기유변탄성체 층(145)은 판 형상일 수 있으나, 상면 및/또는 하면에 요철부(147)를 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 요철구조의 자기유변탄성체 층(145)을 이용하면 액츄에이터 모듈(140)의 승강거리를 보다 늘릴 수 있고, 이를 통해 보다 다양한 형상을 구현할 수 있기 때문이다.
자기유변탄성체 층(145)의 요철부(147)의 형상은 단면을 기준으로 물결 형상인 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니므로 피라미드 형상, 사다리꼴 형상, 아치형상, 모래시계 형상 등 다양하게 변형될 수 있다.
한편 다수의 전자석(142)과 다수의 자기유변탄성체 층(145)을 교대로 적층하는 경우에 각 자기유변탄성체 층(145)은 대응하는 전자석(142) 이외의 다른 전자석(142)으로부터 영향을 받지 않는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 필요한 부분에 자기절연체를 설치하는 것이 바람직하다.
또한 도 14의 사시도를 참조하면, 액츄에이터 모듈(140)의 하단에 구비된 모듈베이스(149)에는 다수의 모듈단자(161)가 설치되고, 모든 전자석(142)의 일측에는 전자석단자(165)가 형성되며, 각 전자석단자(165)는 도전라인(163)을 통해 모듈단자(161)와 연결된다.
도전라인(163)은 액츄에이터 모듈(140)의 외측이나 내부에 설치된 도전성 와이어 또는 케이블일 수도 있고, 액츄에이터 모듈(140)의 외측에 인쇄 또는 증착된 도전성 박막일 수도 있고, 기타 다른 형태일 수도 있다. 어떠한 유형이든 도전라인(163)은 액츄에이터 모듈(140)이 신축운동을 하는 중에도 각 모듈단자(161)와 각 전자석단자(165)를 전기적으로 연결할 수 있어야 한다.
지지부(110)에 형성된 모듈소켓(150)은 제2 실시예의 경우와 동일하므로 설명을 생략하기로 한다.
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 형상 변형 장치(100b)의 동작을 나타낸 도면이다. 설명의 편의를 위하여, 지지부(110)와 커버(120)의 사이에 설치된 다수의 액츄에이터 모듈(140)을 도면상 좌측에서부터 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6, 및 제7 모듈(140)이라 칭하기로 한다.
도면을 살펴보면, 제1 모듈(140)은 모든 전자석(142)이 전원에 연결되어 모든 자기유변탄성체 층(145)이 수축됨에 따라 가장 많이 수축되었고, 제3 및 제5 모듈(140)은 3개의 전자석(142)이 전원에 연결됨에 따라 중간 정도로 수축되고, 제4 및 제7 모듈(140)은 1개의 전자석(142)만 전원에 연결됨에 따라 가장 적게 수축되며, 제2 및 제 6 모듈(160)은 전원에 연결되지 않아 변형되지 않은 상태이다.
이를 통해 자기유변탄성체 층(145)을 구비한 액츄에이터 모듈(140)을 통해서도 커버(120)의 표면에 다양한 입체 형상을 구현할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있다.
일 예로서, 전술한 실시예에서는 지지부(110)와 커버(120)의 사이에 액츄에이터 모듈(130,130a,140)만 설치되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니므로 필요에 따라서는 길이가 고정되어 지지부(110)와 커버(120)의 간격을 유지하는 더미 기둥을 일부분에 설치할 수도 있다.
이와 같이 본 발명은 구체적인 적용에 있어서 다양하게 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다 할 것이다.
100: 형상 변형 장치 110: 지지부 120: 커버
125a, 125b, 125c: 오목부 130, 130a: 액츄에이터 모듈
131: 제1 전극 132: 제2 전극 135: 전기활성폴리머 층
136: 요철형 전기활성폴리머 층 137: 요철부
139: 모듈베이스 140: 액츄에이터 모듈 142: 전자석
145: 자기유변탄성체 층 147: 요철부 149: 모듈베이스
150: 모듈소켓 151: 삽입홈 153: 소켓단자
161: 모듈단자 162: 전극단자 163: 도전라인
165: 전자석단자 190: 스위칭부 192: 전원라인
195: 제어부 200: 전원공급부

Claims (7)

  1. 다수의 모듈 소켓을 구비하는 지지부;
    하단이 상기 다수의 모듈소켓에 각각 결합된 상태에서 소켓단자와 전기적으로 연결되며, 스마트물질의 변형 및 복원에 의해 상단이 승강운동을 하는 다수의 액츄에이터 모듈;
    상기 다수의 액츄에이터 모듈의 상단에 결합되는 유연성 재질의 커버;
    상기 다수의 액츄에이터 모듈에 대한 전원연결을 제어하는 제어부
    를 포함하며, 상기 다수의 액츄에이터 모듈을 개별적으로 제어하여 상기 커버의 형상을 입체적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 형상 변형 장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스마트물질은 전기활성폴리머(EAP) 또는 자기유변탄성체(MRE)인 것을 특징으로 하는 형상 변형 장치
  3. 제2항에 있어서,
    상기 액츄에이터 모듈은, 모듈베이스와, 상기 모듈베이스의 상부에 적층된 다수의 전기활성폴리머 층과, 상기 다수의 전기활성폴리머 층의 양면에 각각 배치되는 다수의 전극과, 상기 모듈베이스에 구비되며 상기 다수의 전극과 각각 전기적으로 연결되는 다수의 모듈단자를 포함하며,
    상기 다수의 모듈단자는 모듈 소켓에 구비된 다수의 소켓단자와 각각 접촉하는 것을 특징으로 하는 형상 변형 장치
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전기활성폴리머 층의 적어도 일면에는 요철부가 형성된 것을 특징으로 하는 형상 변형 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 액츄에이터 모듈은, 모듈베이스와, 상기 모듈베이스의 상부에 교대로 적층된 다수의 전자석 및 다수의 자기유변탄성체 층과, 상기 모듈베이스에 구비되며 상기 다수의 전자석과 각각 전기적으로 연결되는 다수의 모듈단자를 포함하며,
    상기 자기유변탄성체 층의 적어도 일면에는 요철부가 형성된 것을 특징으로 하는 형상 변형 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 커버는, 사용자가 손으로 잡거나 착용하는 입력장치의 표면인 것을 특징으로 하는 형상 변형 장치.

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