KR102229905B1 - 전기열량 효과를 이용한 냉감제공 구동기 및 전기열량 효과를 이용한 냉감제공 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기에 관한 것으로, 압전체의 변형 특성과 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용하여 냉감을 제공하되, 전극들에 인가되는 전압을 제어하는 것을 통해 급격한 온도변화에 의한 냉감제공을 가능하게 함으로써, 소형화 및 슬림화된 제품 구현을 가능하게 하여 햅틱 기능 개선이 요구되는 모든 제품에 적용이 가능한 장점과, 전자기기 사용시 햅틱 감각을 더하여 실제와 같은 느낌을 줄 수 있게 하는 장점을 기대할 수 있게 한다.

Description

전기열량 효과를 이용한 냉감제공 구동기 및 전기열량 효과를 이용한 냉감제공 방법{Cold sensation actuator using electrocaloric effect and cold sensation actuating method using electrocaloric effect}

본 발명은 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체의 피부에 냉감을 제공하여 전자기기 사용시 기계적인 진동 촉감(mechanical vibration sensation), 온감(hot sensation), 및 역감(force feedback)과 같은 햅틱 감각과 더불어 실제와 같은 느낌을 줄 수 있도록 하는 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기에 관한 것이다.

생리학에서 인지(감지, perception)는 생명체가 주변환경으로부터 얻어진 감각정보를 정리하고 해석하여 그것에 대한 이해를 얻는 일련의 과정을 의미한다. 감각은 일반적으로 오감(五感, five senses)을 의미하며, 감각을 수용하는 수용기(receptor)에 따라 시각, 청각, 후각, 미각, 촉각 등의 5가지 감각으로 분류된다.

촉감(haptic sensation)은 물체가 피부에 물리적으로 접촉하여 느껴지는 감각으로, 특히, 물체 표면의 거칠기, 미세한 pattern, 온감, 마찰력, 등과 같이 피부를 통해 전달되는 물체의 표면 특징에 대한 다양한 감각을 질감(tactile sensation)이라 한다.

정상 피부는 표피, 진피, 피하지방의 구조로 존재하며, 신진대사, 즉 땀을 배출하여 신체의 온도와 습도를 일정하게 유지하는 것이 피부의 기본적인 기능이다.

피부의 감각기능은 여러 감각기관들이 종합적으로 작용하여 실현되며, 주로 압각, 통각, 촉감(건습, 냉온, 질감, 가려움 등), 성적감응 등을 감지하고 전달한다.

시각, 청각, 후각, 미각은 눈을 감고 귀와 코를 막는 등의 행위를 통해 제어할 수 있지만, 피부를 통해 전달되는 정보는 생존을 위해 절대적이기 때문에 임의로 제어할 수 없다.

피부를 통한 촉각은 만지는 것과 만져지는 것을 동시에 인지하는 특별한 감각인 유일한 상호수용적 감각이고, 피부를 통한 촉각은 인간과 환경, 자아와 타자 사이에서 이루어지는 최초의 상호작용이며, 가장 원초적인 의사소통의 형식이다.

인간의 피부에 있는 촉감 수용기는 통감 수용기(pain receptor), 온감 수용기(warm receptor), 냉감 수용기(cold receptor), 및 기계적 자극을 감지하는 4가지의 기계수용기(mechanoreceptor)로 분류할 수 있다.

피부에 손상을 주지 않는 온도범위(약 5-48 ℃의 온도는 온감 수용기와 냉감 수용기가 감지한다.

최근의 전자기기는 표시소자에 표시되는multimedia 객체를 직접 만지면서 상호작용하는 것과 같은 실감나는 사용자 경험을 제공하기 위해, 촉감 및 질감제공이 가능한 구동기에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

인간의 자극인지방식을 고려할 때, 사용자에게 시각, 청각, 촉각, 등 두 개 이상의 modality가 복합적인 형태로 제공될 때 전자기기와 더욱 자연스럽게 상호작용 할 수 있기 때문에, 구동기를 사용하여 표시장치(display)에 표시된 객체의 특성을 촉감으로 제공하고자 하는 노력이 계속되고 있다.

이러한 노력의 일환으로 등록특허공보 등록번호 제10-1885297호와 같은 촉감 개선 기술이 개발된 바 있으나, 피부 촉감에 있어서 온도 변화는 가장 큰 영향을 미치는 요인이기 때문에 진동에 의해 촉감을 개선시키는 방법 이외에 온도 변화를 통해 촉감을 개선시키는 연구가 필요하게 된 것이다.

대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1885297호

본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 인체의 피부에 냉감을 제공하여 전자기기 사용시 햅틱 감각을 더하여 실제와 같은 느낌을 줄 수 있게 하고, 압전재료의 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용하여 냉감제공을 가능하게 하여 제품의 소형화 및 슬림화를 이룰 수 있게 하는 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 인체의 피부에 냉감을 제공하여 전자기기 사용시 기계적인 진동 촉감(mechanical vibration sensation), 온감(hot sensation), 및 역감(force feedback)과 같은 햅틱 감각과 더불어 실제와 같은 느낌을 줄 수 있게 하고, 압전재료에 인가되는 전압 제어를 통해 냉감제공 효과를 극대화시킬 수 있게 하여 제어로직 구현의 용이성 및 효율성을 이룰 수 있게 하는 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기는, 인체의 피부에 냉감을 제공하여 전자기기 사용시 햅틱 감각을 더하여 실제와 같은 느낌을 갖게 하기 위한 것으로, 인가된 전압에 의해 변형 및 온도 변화가 가능하도록, 압전소재로 이루어지는 압전체; 상기 압전체에 전압을 인가시켜 줄 수 있도록, 상기 압전체를 사이에 두고 형성된 한 쌍의 전극들; 및 상기 전압을 설정시간까지 스텝적으로 점차 상승시켜 상기 압전체에 인가시킨 후, 그 설정시간 이후 한번에 해제시키는 제어기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 압전체는, 변형 후 원래의 형상으로 복원이 용이하도록, 탄성변형이 가능한 재질을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 한 쌍의 전극들은, 상기 압전체에 적층될 수 있도록 필름 형태로 형성되고, 상기 압전체와 함께 변형 및 형상복원이 가능하도록 탄성변형이 가능한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 압전체와 한 쌍의 전극들을 수용하는 수용공간을 가지고, 상기 수용공간 내에 수용된 압전체의 변형이 허용되도록 플렉시블한 재질로 형성되며, 인체의 피부에 접촉 가능하게 배치되는 유연성 몰드;를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 제어기는, 설정온도만큼만 온감이 느껴질 수 있도록 동일한 크기의 전압을 스텝적으로 상승시켜 최대 설정 전압에 도달되게 한 후, 그 최대 설정 전압을 일시에 해제시키는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 방법은, 인체의 피부에 냉감을 제공하여 전자기기 사용시 햅틱 감각을 더하여 실제와 같은 느낌을 갖게 하기 위한 것으로, 한 쌍의 전극들 사이에 배치된 압전소재로 이루어진 압전체를 인체의 피부에 적층시키는 적층 단계; 및 전압을 설정시간까지 스텝적으로 점차 상승시키면서 상기 압전체에 인가시킨 후 그 설정시간 이후 한번에 해제시킴으로써, 인체의 피부에 냉감을 제공할 수 있게 하는 전압 인가단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기는, 압전체의 변형 특성과 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용하여 냉감을 제공하되, 전극들에 인가되는 전압을 제어하는 것을 통해 급격한 온도변화에 의한 냉감제공을 가능하게 함으로써, 소형화 및 슬림화된 제품 구현을 가능하게 하여 햅틱 기능 개선이 요구되는 모든 제품에 적용이 가능하고, 전자기기 사용시 햅틱 감각을 더하여 실제와 같은 느낌을 줄 수 있게 하는 효과를 가진다.

또한, 본 발명은, Solid State 방식의 열전냉각장치(Peltier 쿨러)를 이용하여 냉감을 제공하는 비교예에서 초래되는 문제점, 즉 외부환경에 따라 냉각성능의 차이가 크고 강제대류가 필요하여 소형화 할 수 없으며 상대적으로 높은 자체 열용량으로 인해 열을 빠르게 오르내릴 수 없는 단점을 극복할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기의 사용례에 관한 도면.
도 2는 본 발명 일실시예의 단면도.
도 3은 본 발명 일실시예의 동작상태도.
도 4는 본 발명 일실시예의 전압 제어 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5 및 도 6은 본 발명 일실시예의 제어 과정을 설명하기 위한 블럭도.

이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

그리고, 이하의 설명에서 동일한 식별 기호는 동일한 구성을 의미하며, 불필요한 중복적인 설명 및 공지 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 발명의 배경이 되는 기술에 대한 기재 내용과 중복되는 이하의 본 발명의 각 실시예에 관한 설명 역시 생략하기로 한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기의 사용례에 관한 도면이고, 도 2는 본 발명 일실시예의 단면도이며, 도 3은 본 발명 일실시예의 동작상태도이며, 도 4는 본 발명 일실시예의 전압 제어 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 5 및 도 6은 본 발명 일실시예의 제어 과정을 설명하기 위한 블럭도들이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기는, 인체의 피부(B)에 냉감을 제공하여 전자기기(도 1 참조 A; 전자시계) 사용시 햅틱 감각을 더하여 실제와 같은 느낌을 갖게 하기 위한 것으로, 압전체(2)와 한 쌍의 전극(1)(3)들과 제어기(도 5 참조)를 포함하여 이루어진다.

상기 압전체(2)는 인가된 전압에 의해 변형 및 온도 변화가 가능하도록 압전소재로 이루어지는 것으로, 압전성을 가진 다양한 재질로 구현할 수 있으나, 휨 변형 후 복원이 가능한 압전 고분자 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 압전체(2)(Piezoelectric Material)는 압력이 가해지면 전압이 발생되고 전압이 가해지면 변형이 발생되기 때문에, 각종 감지기(Sensor) 및 구동기(Actuator)로 사용된다. 압전 재료로는 Lead Zirconate Titanates(PZT)와 같은 압전 세라믹과, Poly(vinylidene fluoride)(PVDF)와 같은 압전 고분자가 있다. 특히, PVDF 기반의 고분자 중에서 두 개의 단분자 VDF(vinylidene fluoride)와 TrFE(trifluoroethylene)의 조합으로 구성된 P(VDF-TrFE)는 다른 압전 고분자보다 높은 압전 특성을 보여준다.

참고로, P(VDF-TrFE)는 PVDF 기반의 고분자 중에서 두 개의 단분자 VDF (vinylidene fluoride)와 TrFE(trifluoroethylene)의 조합으로 구성되며, 다른 압전 고분자보다 높은 압전 특성을 보여주어 널리 사용되고 있는 압전 고분자 중의 하나로 알려져 있다.

완화형 강유전 고분자인 P(VDF-TrFE-CFE) [poly([0043] vinylidene fluoridetrifluoroethylenechlorofluoroethylene)] 또는 P(VDF-TrFE-CTFE) [poly(vinylidene fluoridetrifluoroethylenechlorotrifluoroethylene)] 고분자는 150 V/μm 정도의 electric field 하에서 최대 5~7 %수준의 strain을 발생하는 매우 유망한 재료로 알려져 있다.

이러한 압전체(2)는 전압의 변화에 따라 기계적 굽힘 변형과 함께 온도변화가 발생되기 때문에, 전기열량 효과(Electrocaloric Effect; ECE)를 이용한 온도조절을 가능하게 한다.

여기서, 상기 전기열량 효과(ECE)는 전기장이 변화할 때 가역적인 급격한 온도변화를 갖게 되는 현상이다. 이러한 온도변화는 전기장의 세기, 시간에 따라 달라지는데, 이를 조절하여 온감이나 냉감 중 필요한 느낌을 전달해주는 온냉감 모듈을 제작할 수 있다.

즉, 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 급격한 온도상승을 불러오게 되는 전기장 적용 시점을 분할 적용하여 온도상승폭은 최소화하고 급격한 온도하강을 가져오는전기장 제거는 빠르게 적용하여 온도하강의 폭은 최대화한다면, 뜨거운 온도는사람이 느끼지 못하고, 차가운 온도를 느끼는 냉감을 제공할수 있고, 반대의 경우 같은 구조로 온감도 제공이 가능하다.

이러한 기능 구현을 가능하게 하는 압전체(2)를 구동하기 위해서는, 도 2 및 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 한 쌍의 전극(1)(3)들이 마련되어야 한다. 즉, 상기 한 쌍의 전극(1)(3)들은 상기 압전체(2)에 전압을 인가시켜 줄 수 있도록 상기 압전체(2)를 사이에 두고 형성된다.

상기 한 쌍의 전극(1)(3)들은, 각각 투명한 재질로 형성되는 것이 바람직하고, ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 TCO(Transparent Conductive Oxide)를 사용할 수 있으며, 이외에도 (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate))와 같은 전도성 고분자 전극을 사용할 수도 있다.

상기 각 전극(1)(3)은, 볼륨당 표면적 비율이 매우 크고 전도성 패스가 우수하여 전하가 잘 이동할 수 있게 하는 은나노와이어 물질을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 도 2 및 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 상기 압전체(2)가 한 쌍의 전극(1)(3)들과 함께 적층 구조로 이루어지고, 피부(B)에 접촉되되 상기 압전체(2)의 변형을 허용하는 유연성 몰드(5) 내에 배치되는 경우에, 상기 한 쌍의 전극(1)(3)들에 전압을 인가하면, 도 3과 같이 유연성 몰드(5) 내에서 압전체(2)가 굽힘변형을 하면서 피부(B)와의 접촉 상태가 해제되고, 이후 전압을 제거하면 도 2와 같이 원래의 형상으로 복원되면서 온도가 급격히 떨어짐과 동시에 피부(B)와 접촉됨으로써, 사용자가 급격한 온도 변화를 느낄 수 있게 한다.

즉, 상기 유연성 몰드(5) 내의 수용공간에 압전체(2)와 전극(1)(3)들이 적층된 유닛을 수용하고, 그 유연성 몰드(5)를 밴드나 의류에 접목하여 인체에 착용할 수 있도록 구현한 경우에, 사용자는 위에서 설명한 바와 같은 급격한 온도변화를 느낄 수 있어서 전자기기 사용시 햅틱 감각을 더하여 실제와 같은 느낌을 갖게 된다.

이러한 급격한 온도변화에 따른 냉감 제공을 가능하게 하기 위해서는 전압을 설정시간까지 스텝적으로 점차 상승시켜 상기 압전체(2)에 인가시킨 후, 그 설정시간 이후 한번에 해제시키는 제어기가 구비되어야 한다.

상기 제어기는, 도 5과 도 6에 잘 도시된 바와 같이, 사용자의 전자기기 조작에 의한 입력신호를 입력부로부터 인가받은 후, 출력부에 제어신호를 송출하여 전압을 단계적으로 상승시킨 후 일정시간 후 한번에 제거시킨다.

이러한 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기는, 압전체(2)의 변형 특성과 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용하여 냉감을 제공하되, 전극(1)(3)들에 인가되는 전압을 제어하는 것을 통해 급격한 온도변화에 의한 냉감제공을 가능하게 함으로써, 소형화 및 슬림화된 제품 구현을 가능하게 하여 햅틱 기능 개선이 요구되는 모든 제품에 적용이 가능한 장점과, 전자기기 사용시 햅틱 감각을 더하여 실제와 같은 느낌을 줄 수 있게 하는 장점을 기대할 수 있게 한다.

또한, 본 실시예에 따른 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기는, Solid State 방식의 열전냉각장치(Peltier 쿨러)를 이용하여 냉감을 제공하는 경우 외부환경에 따라 냉각성능의 차이가 크고 강제대류가 필요하여 소형화 할 수 없으며 상대적으로 높은 자체 열용량으로 인해 열을 빠르게 오르내릴 수 없는 단점을 극복할 수 있는 효과를 가진다.

도면 중 미설명부호 4는 상기 한 쌍의 전극(1)(3)들 중 어느 하나(3)를 보호하고 절연하기 위해 그 전극(1)(3)와 유연성 몰드(5) 사이에 배치되는 보호층이다.

한편, 도 6에 잘 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 방법은, 인체의 피부(B)에 냉감을 제공하여 전자기기 사용시 햅틱 감각을 더하여 실제와 같은 느낌을 갖게 하기 위한 것으로, 적층 단계와 전압 인가단계를 포함하여 이루어진다.

상기 적층 단계에서는 한 쌍의 전극(1)(3)들 사이에 배치된 압전소재로 이루어진 압전체(2)가, 예컨대 도 2에 도시된 유연성 몰드(5)와 함께 인체의 피부(B)에 적층된다.

상기 전압 인가단계는, 전압을 설정시간까지 스텝적으로 점차 상승시키면서 상기 압전체(2)에 인가시킨 후 그 설정시간 이후 한번에 해제시킴으로써, 인체의 피부(B)에 냉감을 제공할 수 있게 한다.

이러한 전압 인가단계는, 동일한 크기의 전압을 스텝적으로 상승시켜 최대 설정 전압에 도달되게 한 후 그 최대 설정 전압을 일시에 해제시킴으로써, 냉감 제공 효과를 극대화시킬 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

이상 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

1,3:전극 2:압전체
4:보호층 5:유연성 몰드
A:전자시계 B:피부

Claims (7)

1. 인체의 피부에 냉감을 제공하여 전자기기 사용시 기계적인 진동 촉감(mechanical vibration sensation), 온감(hot sensation), 및 역감(force feedback)과 같은 햅틱 감각과 더불어 실제와 같은 느낌을 갖게 하기 위한 것으로,
   인가된 전압에 의해 변형 및 온도 변화가 가능하도록, 압전소재로 이루어지는 압전체;
   상기 압전체에 전압을 인가시켜 줄 수 있도록, 상기 압전체를 사이에 두고 형성된 한 쌍의 전극들;
   상기 전압을 설정시간까지 스텝적으로 점차 상승시켜 상기 압전체에 인가시킨 후, 그 설정시간 이후 한번에 해제시키는 제어기;
   상기 압전체와 한 쌍의 전극들을 수용하는 수용공간을 가지고, 상기 수용공간 내에 수용된 압전체의 변형이 허용되도록 플렉시블한 재질로 형성되며, 인체의 피부에 접촉 가능하게 배치되는 유연성 몰드; 및
   상기 한 쌍의 전극들 중 어느 하나를 보호하고 절연할 수 있도록, 상기 전극과 유연성 몰드 사이에 배치되는 보호층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 압전체는, 변형 후 원래의 형상으로 복원이 용이하도록, 탄성변형이 가능한 재질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 한 쌍의 전극들은, 상기 압전체에 적층될 수 있도록 필름 형태로 형성되고, 상기 압전체와 함께 변형 및 형상복원이 가능하도록 탄성변형이 가능한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제어기는, 설정온도만큼만 온감이 느껴질 수 있도록 동일한 크기의 전압을 스텝적으로 상승시켜 최대 설정 전압에 도달되게 한 후, 그 최대 설정 전압을 일시에 해제시키는 것을 특징으로 하는 전기열량 효과(Electrocaloric Effect)를 이용한 냉감제공 구동기.
6. 삭제
7. 삭제

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