KR102419911B1 - 플렉시블 촉각 액추에이터 - Google Patents

플렉시블 촉각 액추에이터 Download PDF

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Abstract

일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터는, 외부 자기장에 반응하여 분극이 가능한 자성입자 및 상기 자성입자를 함유하는 매트릭스 레이어를 포함하고, 휘어질 수 있는 촉각 전달부; 상기 촉각 전달부의 하방에 위치하고, 상기 촉각 전달부에 자기장을 발생시키는 자기장 생성부; 및 적어도 일부가 상기 자기장 생성부의 상면에 면 접촉하고, 상기 촉각 전달부의 상면 및 하면 중 어느 하나의 면과 면 접촉하도록 고정되는 막 형상의 탄성 부재를 포함할 수 있다.

Description

플렉시블 촉각 액추에이터{FLEXIBLE TACTILE ACTUATOR}
이하의 설명은, 플렉시블 촉각 액추에이터에 관한 것이다.
햅틱스(Haptics)는 촉감에 관한 기술로서, 구체적으로 전자기기의 사용자에게 키보드, 마우스, 조이스틱, 및 터치스크린 등을 통해 촉각과 힘, 운동감 등을 느끼게 하는 기술을 말한다. 기존에는 전자기기와 인간이 정보를 주고 받을 때 시각 또는 청각적인 수단이 주를 이루었으나, 최근 들어 더욱 구체적이고 실감나는 정보 전달을 위해 햅틱 기술이 주목 받고 있다.
일반적으로 햅틱 기술을 위한 햅틱 제공 장치로는 관성형 액추에이터(Inertial actuator), 압전형 액추에이터(Piezoelectric actuator), 전기활성폴리머형 액추에이터(Electro-active polymer actuator, EAP) 등이 사용된다.
관성형 액추에이터로는 자기회로에 연결된 중량체에 의해 발생하는 편심력으로 진동을 발생시키는 편심 모터(Eccentric rotation motor, ERM), 탄성 스프링과 자기회로에 연결된 중량체에 의해 발생하는 공진주파수를 이용하여 진동의 세기를 최대화시키는 선형 공진 액추에이터(Linear resonant actuator, LRA)가 있다.
종래기술인 햅틱 제공 장치 중 선형 공진 액추에이터에 대하여, 대한민국 등록특허공보 제 10-1461274 호(명칭: 선형진동모터), 대한민국 공개특허공보 제 10-2016-0021160 호(명칭: 탄성 부재 및 이를 구비한 선형 진동 모터)가 있다. 그러나 이러한 액추에이터들은 부피가 매우 크고 특정한 공간 제한을 만족시키는 데 어려움이 있다.
압전형 액추에이터는 전기장에 의해 순간적으로 외형이 변하는 압전 소자를 중심으로, 탄성체 등을 이용하여 바(Bar)나 디스크(Disk) 형태로 구동하는 소자이며, 종래기술로는, 대한민국 등록특허공보 제 10-1075263 호(명칭: 셀룰로오스 종이 작동기 필름을 이용한 햅틱 액추에이터) 및 미국 공개특허공보 제 US2014/0145555 호(명칭: THIN-FILM PIEZOELECTRIC ELEMENT, THIN-FILM PIEZOELECTRIC ACTUATOR, THIN-FILM PIEZOELECTRIC SENSOR, HARD DISK DRIVE, AND INKJET PRINTER APPARATUS)가 있다. 그러나 이 기술은 햅틱 응용에 적당한 효과를 제공하기 위해 통상적으로 수백 볼트의 전압을 필요로 하며, 휘어짐에 있어서 깨지기 쉬우므로 실시자에게 충분한 내구 수명을 제공할 수 없다는 한계를 지니고 있다.
전기활성폴리머형 액추에이터는 외부 전력에 의해 특정한 메커니즘을 갖는 고분자 백본(Backbone)의 기능기(Functional group)에 의해 외형이 변하는 것을 주요 원리로 하여 전기활성 폴리머 필름을 질량체에 붙여 반복된 움직임을 제공하여 구동하는 소자로서, 종래 기술로는 미국 특허공개공보 제 US2013/0335354 호(명칭: ULTRA-THIN INERTIAL ACTUATOR) 및 미국 특허공개공보 제 US2014/081879 호(명칭: SYSTEM INCLUDING ELECTROMECHANICAL POLYMER SENSORS AND ACTUATORS)가 있다. 이 기술은 외부 산화에 대하여 내구성이 문제되며, 햅틱 응용을 위해서 수백 볼트의 전압을 필요로 한다는 단점이 있다.
그 밖에 상기 햅틱 제공 장치 외에도 형상기억합금을 이용하여 플렉시블하면서도 햅틱 응용이 가능한 기술이 미국 특허공개공보 제 US 2011/0173970 호(명칭: FLEXIBLE ACTUATOR BASED ON SHAPE MEMORY ALLOY SHEET)에 개시되어 있다. 그러나 상기 선행기술은 높은 온도를 필요로 하는 것과 크랙이 발생할 수 있다는 단점이 있어 장기간 안정적으로 구동하기에는 어려움이 있다.
따라서, 얇고 플랙시블하면서도 낮은 전압으로 구동이 가능하여 다양한 기기에 적용이 가능하고, 단순 진동에서 나아가 더욱 감성적이고 복잡한 정보를 효과적으로 전달할 수 있는 촉각 전달 구조에 대한 연구가 필요하다.
일 실시 예의 목적은 얇고 부피가 작고 플렉시블하여 다양한 기기에 적용이 가능한 플렉시블 촉각 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 전자기기 전체 또는 국부적인 촉감을 제공하고, 자기장 생성부의 세기, 또는 주파수를 제어하여 진동 외에도 '두드림'과 같은 촉감을 사용자에게 전달하는 것이 가능한 플렉시블 촉각 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, IT 분야의 VR 장갑, 게임 컨트롤러, 스마트 의류 등, 기기의 내부에 장착되는 것뿐만 아니라 외부에 장착되어 사용자의 피부를 직접 타격하여 국부적 촉감 및 실시간 촉각 전달이 가능한 플렉시블 촉각 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터는, 외부 자기장에 반응하여 분극이 가능한 자성입자 및 상기 자성입자를 함유하는 매트릭스 레이어를 포함하고, 휘어질 수 있는 촉각 전달부; 상기 촉각 전달부의 하방에 위치하고, 상기 촉각 전달부에 자기장을 발생시키는 자기장 생성부; 및 적어도 일부가 상기 자기장 생성부의 상면에 면 접촉하고, 상기 촉각 전달부의 상면 및 하면 중 어느 하나의 면과 면 접촉하도록 고정되는 막 형상의 탄성 부재를 포함할 수 있다.
상기 탄성 부재의 탄성 계수는, 상기 촉각 전달부의 탄성 계수보다 작을 수 있다.
상기 탄성 부재의 양 단부는 각각 내측 또는 외측으로 절곡되고, 상기 절곡된 양 단부는 상기 자기장 생성부의 상면에 부착되고,
상기 촉각 전달부는, 상기 탄성 부재의 상면에 고정되는 플렉시블 촉각 액추에이터.
상기 촉각 전달부는, 상기 탄성 부재의 하면에 고정될 수 있다.
일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터는 외부 자기장에 반응하여 분극이 가능한 자성입자 및 상기 자성입자를 함유하는 매트릭스 레이어를 포함하고, 휘어질 수 있는 촉각 전달부; 상기 촉각 전달부의 하방에 위치하고, 상기 촉각 전달부에 자기장을 발생시키는 자기장 생성부; 상기 자기장 생성부의 상측에 위치하고, 상측이 개방된 형상을 갖는 탄성 부재; 및 상기 탄성 부재의 상측을 커버하도록 상기 탄성 부재에 연결되는 폴리머 커버를 포함할 수 있고, 상기 촉각 전달부의 상면은 상기 폴리머 커버의 하면에 면 접촉하도록 고정될 수 있다.
상기 폴리머 커버는, 상기 탄성 부재의 두께보다 얇고, 상기 탄성 부재의 재질보다 유연할 수 있다.
상기 촉각 전달부는 자기유변탄성체일 수 있다.
상기 자기장 생성부는 휘어질 수 있는 유연한 소재로 형성될 수 있다.
상기 자기장 생성부는, 절연 필름; 및 상기 절연 필름의 양 면 중 어느 하나의 면에 인쇄될 수 있고, 원형, 타원형 또는 다각형의 모양으로 복수회 감긴 형상을 갖는 제 1 자기장 생성 회로를 포함할 수 있다.
상기 자기장 생성부는, 상기 절연 필름의 양면 중 다른 하나의 면에 인쇄될 수 있고, 원형, 타원형 또는 다각형의 모양으로 복수회 감긴 형상을 갖는 제 2 자기장 생성 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 자기장 생성부는, 접착제로 접착되는 복수 개의 연성회로기판을 포함할 수 있고, 상기 복수 개의 연성회로기판은 각각, 자기장을 생성하기 위한 자기장 생성 회로를 포함할 수 있다.
상기 촉각 전달부는, 적어도 일부분이 상기 자기장 생성부로부터 상방으로 이격되어 설치될 수 있고, 이격된 높이는 0.1mm 이상 3mm 이하일 수 있다.
상기 매트릭스 레이어의 인장강도는 0.02 N/mm^2 이상 8.85 N/mm^2 이하일 수 있고, 상기 매트릭스 레이어의 연신률은 65% 이상 700% 이하일 수 있다.
상기 탄성 부재는, 0.5GPa 이상 6.1GPa 이하의 영률 값을 가질 수 있다.
상기 촉각 전달부는, 상기 촉각 전달부의 부피 대비 상기 자성입자의 함유량이 4 vol% 이상 60 vol% 이하일 수 있다.
상기 탄성 부재는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리이미드 소재 중 어느 하나 이상의 소재를 포함하여 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터의 제조 방법은, 미리 마련된 틀에 매트릭스 소재를 투입하는 매트릭스 소재 투입 단계; 상기 틀에 자성입자를 투입하는 자성 입자 투입 단계; 상기 매트릭스 소재 및 자성 입자를 고르게 뒤섞이도록 혼합하는 단계; 상기 매트릭스 소재에 경화제를 투입하는 경화제 투입 단계; 상기 촉각 전달부의 상하 방향으로 자기장을 인가해주는 자기장 인가 단계; 탄성 부재의 적어도 일부가 상기 촉각 전달부의 상면 및 하면 중 어느 하나의 면과 면 접촉하도록 부착시키는 탄성 부재 부착 단계; 및 상기 탄성 부재의 적어도 일부를 자기장 생성부의 상면에 면 접촉하도록 부착시키는 자기장 생성부 부착 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 사용자에게 다양한 촉각을 제공할 수 있는 플렉시블 촉각 액추이터를 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터에 의하면, 얇고 부피가 작고, 휘어질 수 있어서, 다양한 기기에 적용이 가능할 수 있다.
일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터에 의하면, 탄성 부재가 촉각 전달부와 연결됨으로써, 구동 시, 촉각 전달부의 운동을 증폭시킬 수 있고, 상하 운동의 공간을 확보할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터의 단면도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터의 단면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터의 단면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 자기장 생성부의 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 자기장 생성부의 여러 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 연성회로기판의 층 수에 따른 자기장의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터가 제 1 형상 또는 제 2 형상에 있을 때의 모습을 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터가 제 1 형상 또는 제 2 형상에 있을 때의 모습을 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터가 제 1 형상 또는 제 2 형상에 있을 때의 모습을 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 탄성 부재의 높이에 따라 촉각 전달부에서 발생하는 진동력의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 11은 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터에 인가되는 전류의 양에 따라 촉각 전달부에서 발생하는 진동력의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 12는 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터에 인가되는 구동 전력의 주파수에 따라서 발생하는 진동력의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 13은 일 실시 예에 따른 탄성부재의 종류에 따라 촉각 전달부에서 발생하는 진동력의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 14는 일 실시 예에 따른 촉각 전달부의 두께에 따른 촉각 전달부에서 발생하는 진동력의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 15는 일 실시 예에 따른 촉각 전달부의 자성입자의 함유량에 따른, 촉각 전달부에서 발생하는 진동력의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 16은 일 실시 예에 따른 촉각 전달부의 자성입자 함유량에 따른 촉각 전달부의 인장강도를 나타내는 그래프이다.
도 17은 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 18은 일 실시 예에 따른 자기장 인가 단계를 나타내는 도면이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터(10)는, 사용자에게 다양한 촉각을 제공할 수 있는 얇고 휘어질 수 있는 플렉시블 촉각 액추에이터(10)로서, 예를 들어, 사각형 또는 원형 형태의 패널로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 플렉시블 촉각 액추에이터(10)는 다양한 형상으로도 제작될 수 있다.
플렉시블 촉각 액추에이터(10)는, 촉각 전달부(11), 탄성 부재(12) 및 자기장 생성부(13)를 포함할 수 있다.
촉각 전달부(11)는 외부 자기장에 반응하여 진동 등과 같은 운동을 하며 이러한 운동을 통해 사용자가 다양한 촉각을 전달 받을 수 있다. 또한, 촉각 전달부(11)는 얇고 휘어질 수 있는 특성을 갖는다.
예를 들어, 촉각 전달부(11)은 직육면체 또는 원통 형상의 매트릭스 레이어(111) 및 자성입자(112)를 포함할 수 있다.
매트릭스 레이어(111)는 촉각 전달부(11)의 외형 및 소재를 구성하는 물질일 수 있고, 직육면체 또는 원통의 형상을 가질 수 있으며, 자성입자(112)가 내부에 함유될 수 있다. 예를 들어, 매트릭스 레이어(111)는, 촉각 전달부(11)의 내구성을 높일 수 있고, 자성입자(112)가 고르게 또는 일정한 방향으로 배치되도록 할 수 있다.
예를 들어, 매트릭스 레이어(111)는, 탄성이 있는 실리콘, 폴리우레탄, 니트릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐알코올 등과 같은 고무, 플라스틱 또는 폴리머 소재 등으로 형성될 수 있고, 촉각 전달부(11)의 휘어짐이 가능토록 할 수 있다.
또한, 매트릭스 레이어(111)는, 그 내부에 자성입자(112)가 고르게 또는 일정한 방향으로 분포되고, 0.02N/mm^2 이상 8.85 N/mm^2 이하의 인장강도와 65% 이상 700% 이하의 연신율을 갖는 소재로 형성될 수 있다.
자성입자(112)는, 매트릭스 레이어(111)에 배치될 수 있고, 매트릭스 레이어(111) 내부에서 고르게 분포할 수 있다. 예를 들어, 매트릭스 레이어(111)는 후술할 자기장 생성부(13)에서 인가되는 자기장에 반응하는 자성입자(112)의 영향을 받아 움직일 수 있고, 이와 같은 움직임을 통해 플렉시블 촉각 액추에이터(10)가 구동될 수 있다.
예를 들어, 자성입자(112)는, 자기장 생성부(13)에 의한 상하 운동의 변화를 최대로 하기 위해서 잔류자기 밀도와 보자력 값이 클수록 바람직할 수 있다. 또한 자성입자(112)는 특정 형상일 필요 없으며, 구형 또는 자기 이방성을 갖는 종횡비가 큰 플레이크(flake) 형상을 가질 수 있다.
또한, 자성입자(112)는 철, 니켈 및 코발트 등의 금속 원소들과 페라이트계 원소들 중 적어도 하나 이상의 소재를 포함할 수 있고, 또한, 사마륨 및 네오디뮴 등의 희토류계 원소들 중 적어도 하나 이상이 포함된 가루, 합금, 합금가루 및 합성체 등의 물질일 수 있다. 예를 들어, 자성입자(112)의 크기는 0.01~100μm일수 있다.
한편, 촉각 전달부(11)는, 자기유변탄성체(Magneto Rheological Elastomer, MRE)로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 자기유변탄성체는, 외부 자기장에 반응할 수 있는 입자를 포함하는 탄성체 소재로서, 탄성체 소재 내에 외부 자기장에 의해 자화될 수 있는 자성입자(112)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 자기유변탄성체는, 외부 자기장의 인가에 의해서, 그 강성, 인장강도 및 연신율 등의 특성이 변화될 수 있다.
탄성 부재(12)는, 촉각 전달부(11)의 상하 운동의 공간을 확보해줄 수 있다. 예를 들어 탄성 부재(12)는 촉각 전달부(11)의 운동을 증폭시킬 수 있다. 예를 들어, 탄성 부재(12)는, 도 1과 같이, 촉각 전달부(11)의 하측에 연결되고, 자기장 생성부(13)의 상측을 덮도록 형성되는 막 형태의 부재일 수 있다. 예를 들어, 탄성 부재(12)의 적어도 일부분은 자기장 생성부(13)의 상면과 면 접촉되어 부착될 수 있다.
예를 들어, 탄성 부재(12)는, 필름 형태의 얇은 폴리머일 수 있다. 탄성 부재(12)는, 도 1과 같이, 자기장 생성부(13)의 가장자리로부터 연결되고, 일정 높이 이상으로 이격된 외곽이 자기장 생성부(13)를 덮음으로써, 내부가 비어있는 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 탄성 부재(12)의 상면 또는 하면 중 어느 하나의 면은, 촉각 전달부(11)의 상면 또는 하면 중 어느 하나의 면과 면 접촉하도록 고정될 수 있다. 이 경우 탄성 부재(12)를 필요에 따라 적절히 선택함으로써, 촉각 전달부(11)가 촉각 전달부(11) 자체의 물성치와 다른 움직임 특성을 갖도록 할 수 있다.
일 예로, 촉각 전달부(11)가 발생시키는 힘을 증대시키기 위하여, 촉각 전달부(11)의 탄성 계수보다 탄성 부재(12)의 탄성 계수를 높게 설정할 수 있다.
다른 예로, 촉각 전달부(11)의 최대 변위를 증대시키기 위하여, 촉각 전달부(11)의 탄성 계수보다 탄성 부재(12)의 탄성 계수를 낮게 설정할 수도 있다.
또한, 탄성 부재(12)는 탄성이 있는 폴리이미드, 폴리에틸렌 프탈레이트, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 나프탈렌 등과 같은 폴리머 소재 중 어느 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있고, 섭씨 75도 이상의 내열성을 가지고, 0.5GPa 이상 6.1Gpa 이하의 영률 값(Young's modulus)을 가질 수 있다. 해당 내용에 대해서는 아래의 표 1 및 도 13을 참조하여 후술하기로 한다.
예를 들어, 탄성 부재(12)의 양 단부는 각각 내측 또는 외측으로 절곡되고, 절곡된 양 단부는 자기장 생성부(13)의 상면에 부착될 수 있다. 예를 들어, 탄성 부재(12)의 절곡된 양 단부는 자기장 생성부(13)의 상면에 면 접촉되어 부착될 수 있다.
또한, 탄성 부재(12)의 모양은, 위에서 바라볼 때, 사각형, 원형, 선형, 나선형 및 클립형 등 다양한 모양으로 구성될 수 있으며, 탄성 부재(12)의 높이는, 예를 들면, 0.1mm 이상 3mm 이하가 되도록 설계될 수 있으며, 이와 관련된 내용은, 도 10을 참조하여 후술하기로 한다.
자기장 생성부(13)는, 도 1과 같이, 탄성 부재(12)의 하측에 배치되고, 촉각 전달부(11)의 운동을 구현하기 위하여, 촉각 전달부(11)로 자기장을 인가할 수 있다.
예를 들어, 자기장 생성부(13)는, 원형 또는 다각형 모양의 평면 코일 또는 솔레노이드 코일을 포함할 수 있다. 예를 들어, 자기장 생성부(13)는, 휘어질 수 있는, 연성인쇄회로기판(Flexible Printed Circuit Board)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 자기장 생성부(13)가 연성인쇄회로기판을 포함할 경우, 자기장 생성부(2)는, 절연 필름(131), 자기장 생성 회로(132) 및 솔드 패드(133)를 포함할 수 있다. 자기장 생성부(131)의 자세한 구성은 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터(20)는, 촉각 전달부(21), 탄성 부재(22) 및 자기장 생성부(23)를 포함할 수 있다.
도 1과 달리, 일 실시 예에 따른 촉각 전달부(21)는, 탄성 부재(22)와 자기장 생성부(23) 사이의 공간에 배치될 수 있고, 예를 들면, 탄성 부재(22)의 하면에 면 접촉되도록 부착될 수 있다.
여기서, 탄성 부재(22)의 높이는, 도 1에 도시된 탄성 부재(12)의 높이보다 더 클 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터(30)는, 촉각 전달부(31), 탄성 부재(32) 및 자기장 생성부(33) 및 폴리머 커버(34)를 포함할 수 있다.
폴리머 커버(34)는, 자기장 생성부(33)로부터 이격되어, 탄성 부재(32) 및 촉각 전달부(31)를 덮을 수 있다. 예를 들어, 폴리머 커버(34)는, 탄성 부재(32)보다 구조적으로 얇고, 탄성 부재(32)보다 유연한 재질로 형성될 수 있다.
탄성 부재(32)는, 도 1 및 2와 달리, 폴리머 커버(34)의 하면에 연결되어 형성될 수 있고, 탄성 부재(32)의 하면은 자기장 생성부(33)와 접촉될 수 있다.
촉각 전달부(31)는, 폴리머 커버(34) 및 탄성 부재(32) 사이의 공간에 배치될 수 있고, 예를 들어, 상면이 폴리머 커버(34)의 하면에 면 접촉하도록 고정될 수 있다. 이 경우 폴리머 커버(34)를 필요에 따라 적절히 선택함으로써, 촉각 전달부(31)가 촉각 전달부(31) 자체의 물성치와 다른 움직임 특성을 갖도록 할 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 자기장 생성부의 모습을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 자기장 생성부(13)는 연성인쇄회로기판으로 형성될 수 있고, 절연 필름(131), 자기장 생성 회로(132), 접착제(134) 및 솔드 패드(133)를 포함할 수 있다.
절연 필름(131)은, 얇고 휘어질 수 있는 부도체일 수 있고, 절연 필름(131)에는 자기장 생성 회로(132), 접착제(134) 및 솔드 패드(133)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 절연 필름(131)은 35μm 두께의 폴리이미드 필름일 수 있다.
자기장 생성 회로(132)는, 전압을 인가 받아 자기장을 생성하기 위한 코일로서, 구리로 형성된 회로일 수 있고, 절연 필름(131)의 양 면 중 적어도 하나 이상의 면에 인쇄될 수 있다.
예를 들어, 자기장 생성 회로(132)는, 평면상에서 원형, 타원형, 또는 다각형의 모양으로 복수회 감긴 형상을 가질 수 있으며, 자기장 생성 회로에 인가되는 전류의 방향을 달리하여 자기장의 힘의 방향을 바꿀 수 있다.
예를 들어, 자기장 생성 회로(132)는, 20μm 두께로 도금된 구리 전선으로 25회 턴수로 형성될 수 있다.
접착제(134)는, 연성인쇄회로기판의 제작 과정에서, 예를 들면, 자기장 생성 회로(132) 및 절연 필름(131)을 부착하기 위하여, 자기장 생성 회로(132) 및 절연 필름(131) 사이에 도포될 수 있다.
솔드 패드(133)는, 자기장 생성 회로(132)의 회로 전선의 양단과 연결되어 절연 필름(131)의 외부로 노출되도록 설치될 수 있다.
도 5는 자기장 생성부의 여러 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 자기장 생성부(13, 43, 53)는 연성인쇄회로기판으로 형성될 수 있고, 단면, 양면 또는 다층 형태 등으로 형성될 수 있다.
단면으로 형성되는 자기장 생성부(13)의 경우, 자기장 생성 회로(132)는, 절연 필름(131)의 한쪽 면에만, 인쇄될 수 있고, 예를 들어, 자기장 생성 회로(132)가 인쇄된 절연 필름(131)의 면에는 절연 필름(131)이 추가로 부착될 수 있으며, 절연 필름(131) 및 자기장 생성 회로(132)의 사이에는 접착제(134)가 도포될 수 있다.
양면으로 형성되는 자기장 생성부(43)의 경우, 자기장 생성 회로(432)는, 양면 중 어느 한 면에 인쇄되는 제 1 자기장 생성 회로(432a) 및 다른 한 면에 인쇄되는 제 2 자기장 생성 회로(432b)를 포함할 수 있다.
여기서, 제 1 및 제 2 자기장 생성 회로(432a, 432b)는 코일의 감긴 회전 방향이 동일하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 자기장 생성 회로(432a, 432b)는, 그 사이에 배치되는 절연 필름(431)에 형성된 구멍을 통해서 연결되는 하나의 회로일 수 있다.
예를 들어, 자기장 생성 회로(432)가 인쇄된 양면에는, 절연 필름(431)이 추가로 부착될 수 있으며, 절연 필름(431) 및 자기장 생성 회로(432)의 사이에는 접착제(434)가 도포될 수 있다.
다층으로 형성되는 자기장 생성부(53)의 경우, 앞서 서술한 단면으로 형성되는 자기장 생성부(13)가 복수개로 적층된 구조일 수 있으며, 그 사이에 접착제(534)가 도포되어 접착될 수 있다.
여기서, 다층으로 형성된 복수개의 자기장 생성부(53)의 자기장 생성 회로(532)의 회전방향은 동일하도록 배치될 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 연성회로기판의 층 수에 따른 자기장의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 도 5에서 서술한 바와 같이, 자기장 생성부(53)가 다층의 연성회로기판으로 형성되는 경우, 연성회로기판의 층 수의 변화에 따라서, 자기장 생성부(53)가 생성하는 자기장의 세기를 확인할 수 있다.
도 6에 의하면, 연성회로기판의 층수가 증가할수록, 자기장 생성부(53)가 생성하는 자기장의 세기도 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 7 내지 9는 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터가 제 1 형상 또는 제 2 형상에 있을 때의 모습을 나타내는 도면이다.
도 7 내지 9를 참조하면, 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터(10, 20, 30)는 자기장 생성부(13, 23, 33)로부터 자기장의 영향을 받지 않을 경우, 예를 들어 촉각 전달부(11, 21, 31)는 평평한 제 1 형상을 유지하고, 자기장 생성부(13, 23, 33)로부터 자기장을 인가받을 경우, 예를 들어 촉각 전달부(11, 21, 31)는 자기장으로부터 인력을 받아 자기장 생성부(13, 23, 33)쪽으로 휘어져서 제 2 형상으로 변형될 수 있다. 다시 말하면, 도 7과 같이 촉각 전달부(11)의 중앙부가 아래쪽으로 휘어지는 형상으로 변형될 수 있다.
촉각 전달부(11)가 아래쪽으로 휘어짐에 따라서, 탄성이 있고, 얇은 재질로 형성된 탄성 부재(12)의 상면 또한, 촉각 전달부(11)와 나란히 자기장 생성부(13)쪽으로 휘어질 수 있고, 제 1 형상에서, 탄성 부재(12)가 형성하고 있는, 내부 공간 역시 아래쪽으로 함몰될 수 있다.
도 8을 참조하면, 도 2에 도시된 일 실시 예의 플렉시블 촉각 액추에이터(20)에서 그 촉각 전달부가 자기장을 인가받아 제 2 형상으로 변형되는 경우, 촉각 전달부(21)가 아래쪽으로 휘어질 수 있고, 촉각 전달부(21)의 상면으로부터 연결된 탄성 부재(22) 역시, 촉각 전달부(21)와 함께, 탄성 부재(22)의 상면의 중앙 부분이 아래쪽으로 함몰되어 휘어질 수 있다.
도 9를 참조하면, 도 3에 도시된 일 실시 예의 플렉시블 촉각 액추에이터(30)에서 그 촉각 전달부가 자기장을 인가받아 제 2 형상으로 변형되는 경우, 촉각 전달부(31)가 아래쪽으로 휘어질 수 있고, 촉각 전달부(31)의 상면으로부터 연결된 폴리머 커버(34) 역시, 촉각 전달부(31)와 함께, 폴리머 커버(34)의 상면의 중앙 부분이 아래쪽으로 함몰되어 휘어질 수 있다.
도 10은 일 실시 예에 따른 탄성 부재의 높이에 따라 촉각 전달부에서 발생하는 진동력의 세기를 측정한 그래프이다.
구체적으로 도 10은, 도 1의 도시된 플렉시블 촉각 액추에이터(10)의 탄성 부재(12)의 높이를 달리하면서, 촉각 전달부(11)에 가해지는 진동력의 세기를 측정한 데이터를 보간법을 통해서 구한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 탄성 부재(12)의 높이, 즉, 자기장 생성부(13) 및 촉각 전달부(11) 사이의 거리가 커질수록, 촉각 전달부(11)에서 발생되는 진동력의 세기가 작아지는 것을 확인할 수 있고, 탄성 부재(12)의 높이와 자기장의 세기의 변화는 아래의 수학식에 따르는 것을 확인할 수 있다.
Figure 112022003202960-pat00001
사용자가 촉각을 통해 감지할 수 있는 진동력의 크기가 약 0.2G 이상이라는 점을 감안하였을 때, 도 10 및 수학식 1에 의하면, 탄성 부재(12)의 높이(수학식 1에서 x)가 0.1mm 이상 3mm 이하이어야 함을 확인할 수 있다..
도 11은 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터에 인가되는 전류의 양에 따라 촉각 전달부에서 발생하는 진동력의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터(10)에 인가되는 전류의 양이 증가함으로써, 촉각 전달부(11)에서 발생하는 진동력의 크기가 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터에 인가되는 구동 전력의 주파수의 변화에 따라 발생되는 진동력의 세기를 측정한 그래프이다.
도 12를 참조하면, 사용자가 촉각을 통해 감지할 수 있는 진동력의 크기가 약 0.2G 이상이라는 점을 감안하였을 때, 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터가 구동 전력의 주파수대역이 90Hz 내지 500Hz의 범위 및 500Hz를 초과하는 범위까지 0.2G 이상의 진동력을 내는 것을 확인할 수 있으며, 넓은 구동주파수 대역을 가짐을 알 수 있다.
도 13은 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터(10)에서 탄성 부재의 종류에 따라 촉각 전달부에서 발생되는 진동력의 세기를 나타내는 그래프이다.
구체적으로 도 13은, 탄성 부재(12)의 소재에 적합한 폴리머 소재 중에서 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene naphthalate), 폴리이미드(Polyimide) 및 폴리테트라플루오르 에틸렌(Polytetrafluoro ethylene)을 사용했을 경우, 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터(10)에 인가되는 전류의 크기에 따른 진동력의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리이미드 소재의 탄성 부재(12)를 사용하였을 경우, 다른 소재들보다 월등하게 높은 진동력이 측정되는 것을 확인할 수 있다.
다음 표 1은, 상기 폴리머 소재들의 영률을 나타내는 표이다.
폴리머 종류 Polyethylene terephthalate Polycarbonate Polyethylene naphthalate Polyimide Polytetrafluoro ethylene
영률(Mpa) 2723 2595 6080 2500 509
도 13 및 표 1을 참조하면, 각 폴리머들의 영률(Mpa, Young's modulus) 값들을 감안할 때, 플렉시블 촉각 액추에이터(10)의 탄성 부재로 사용되는 폴리머 소재가 2.5GPa 이상 6.1GPa 이하의 영률을 가질 경우, 입력되는 전류가 150mA 내지 500mA인 영역에서 0.1Grms 이상의 진동력을 가지는 것을 확인 할 수 있다.
도 14는 촉각 전달부(11)의 크기 및 두께에 따른 촉각 전달부(11)에서 발생하는 진동력의 세기를 나타내는 그래프이다.
구체적으로 도 14는, 면적인 10mm X 10mm, 15mm X 15mm 또는 20mm X 20mm인 촉각 전달부(11)를 사용하였을 때, 해당 촉각 전달부(11)의 두께의 변화에 따른 촉각 전달부(11)에서 발생하는 진동력의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 14를 참조하면, 촉각 전달부(11)의 크기가 클수록 그리고 두께가 두꺼울수록 진동력이 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 또한, 촉각 전달부(11)는 최소 15mm X 15mm의 크기와 0.5mm 이상의 두께를 가지는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있다.
도 15는 촉각 전달부(11)의 자성입자(112)의 함유량에 따른, 촉각 전달부(11)에서 발생하는 진동력의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 15를 참조하면, 자성입자(112)의 함유량이 많아질수록 진동력이 커지는 것을 확인할 수 있고, 촉각 전달부(11)의 전체 부피 대비 자성입자(112)의 함유량이 최소 4vol% 이상이 되어야 촉각 전달부(11)의 진동력이 구현될 수 있는 것을 확인할 수 있다.
도 16은 촉각 전달부의 자성입자 함유량에 따른 촉각 전달부의 인장강도를 나타내는 그래프이다.
도 16을 참조하면, 자성입자(112)의 함유량이 많아질수록 촉각 전달부(11)의 인장강도가 작아지는 것을 확인할 수 있다.
플렉시블 촉각 액추에이터(10)가 유연한 특성을 가지면서도 내구성을 유지하기 위해서는, 촉각 전달부(11)의 전체 부피 대비 자성입자(112)의 함유량이 60% 이하가 되도록 설계할 수 있다.
도 17은 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 17을 참조하면, 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터의 제조방법은, 도 1에 도시된 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터(10)의 촉각 전달부(11)를 제조하는 방법으로, 매트릭스 소재 투입 단계(91), 자성입자 투입 단계(92), 혼합 단계(93), 경화제 투입 단계(94), 자기장 인가 단계(95), 절단 단계(96), 탄성 부재 부착 단계(97) 및 자기장 생성부 부착 단계(98)를 포함할 수 있다.
매트릭스 소재 투입 단계(91)는, 탄성이 있는 촉각 전달부의 외부 형상 및 재질을 형성하기 위해서, 고무, 플라스틱 또는 폴리머 소재로 형성된 매트릭스 소재를 미리 마련된 혼합을 위한 틀에 투입하는 단계일 수 있다.
여기서 매트릭스 소재는 향후 경화되어 도 1에 도시된 일 실시 예에 따른 플렉시블 촉각 액추에이터(10)의 매트릭스 레이어(111)가 될 수 있다.
자성입자 투입 단계(92)는, 앞서 서술한 매트릭스 소재 투입 단계(91)와 동시에 또는 전후에 진행되는 단계로서, 혼합을 위한 틀에 주입된 매트릭스 소재에 자성을 띄는 가루, 합금, 합금 가루 및 합성체 중 하나 이상으로 구성된 자성입자(112)를 투입하는 단계일 수 있고, 매트릭스 소재 내부에 자성입자(112)를 삽입하는 단계일 수 있다.
혼합 단계(93)는, 자성입자 투입 단계(92)이후에 진행될 수 있고, 매트릭스 소재 내부의 자성입자(112)들이 고르게 분포할 수 있도록, 혼합하는 단계일 수 있고, 예를 들어, 물리적으로 매트릭스 소재 및 자성입자(112)를 뒤섞어주는 단계일 수 있다.
경화제 투입 단계(94)는, 매트릭스 소재를 경화시키기 위한 단계로서,
매트릭스 소재를 고체화시킴으로써 자성입자(112)가 매트릭스 소재 안에서 고정될 수 있도록 경화제가 투입될 수 있다.
예를 들어, 경화제 투입 단계(94)는, 도 17과 같이, 혼합 단계(93) 이후에 수행될 수 있지만, 후술할 자기장 인가 단계(95) 이전에 매트릭스 소재가 완전히 경화되지만 않는다면, 어떠한 순서로 진행되어도 무방할 수 있다.
자기장 인가 단계(95)는, 매트릭스 소재에 일정한 방향으로 자기장을 인가하여, 자성입자(112)를 배열시키는 단계일 수 있다. 자기장 인가 단계(95)는, 도 18을 참조하여 후술하기로 한다.
절단 단계(96)는, 경화제 투입 단계(94) 및 자기장 인가 단계(95)를 거쳐서 형성된 촉각 전달부를 여러 부분으로 절단하는 단계일 수 있다. 예를 들어, 절단 단계(96)에서, 촉각 전달부는 일정한 크기 및 형상으로 절단되어 복수개의 촉각 전달부(11)로 나뉘어 질 수 있다. 절단 단계(96)에 의하면, 1회의 공정을 통해 복수 개의 촉각 전달부(11)를 형성할 수 있으므로 제조 비용 및 시간을 절약할 수 있다. 한편, 절단 단계(96)는 생략될 수 있음은 물론이다.
탄성 부재 부착 단계(97)는, 촉각 전달부(11)에 탄성 부재(12)를 부착하는 단계일 수 있다. 예를 들어, 탄성 부재(12)의 적어도 일부는 촉각 전달부(11)의 상면 및 하면 중 어느 하나의 면과 면 접촉하도록 부착될 수 있다.
자기장 생성부 부착 단계(98)는, 탄성 부재(12)의 적어도 일부를 자기장 생성부(13)의 상면에 면 접촉하도록 부착시키는 단계일 수 있다. 예를 들어, 탄성 부재(12)의 양단부를 외측 또는 내측으로 절곡시키고, 절곡된 양단부를 자기장 생성부(13)의 일면에 면 접촉하도록 부착시킬 수 있다.
도 18은 일 실시 예에 따른 자기장 인가 단계를 나타내는 도면이다.
도 18을 참조하면, 일 실시 예에 따른 자기장 인가 단계(95)는, 매트릭스 소재 내부의 자성입자(112)들을, 고르게 배열시키고, 매트릭스 소재 및 자성입자(112)로 형성되는 촉각 전달부(11)가 향후 동작할 상하 방향에 대하여 수직한 방향으로, 자성입자(112)가 균일하게 배치될 수 있도록, 촉각 전달부(11)의 상하 방향으로 자기장을 인가해주는 단계일 수 있다.
예를 들어, 자기장의 방향은 상에서 하 또는 하에서 상 어느 방향이건 무방할 수 있고, 자기장 인가 단계(95)는, 경화제 투입 단계(94)에서 투입된 경화제로 인해, 매트릭스 소재가 완전히 경화될 때까지 지속될 수 있다.
예를 들어, 경화제 투입 단계(94)는, 도 17과 같이, 자기장 인가 단계(95) 이전에 수행될 수도 있지만, 자기장 인가 단계(95)가 진행되는 도중에 수행되어도 무방할 수 있다. 한편, 자기장 인가 단계(95)는 생략될 수도 있음을 밝혀둔다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

  1. 자성입자를 함유하는 촉각 전달부;
    상기 촉각 전달부에 자기장을 인가할 수 있는 자기장 생성부; 및
    상기 촉각 전달부와 상기 자기장 생성부를 서로 이격시키는 탄성 부재
    를 포함하고,
    상기 이격 거리는 0.1mm 이상 3mm 이하이며,
    상기 자기장 생성부가 상기 촉각 전달부에 자기장을 인가함에 따라 상기 자성입자가 반응함으로써 상기 촉각 전달부의 적어도 일부분이 상기 자기장 생성부에 대해 상대적으로 운동하여 적어도 0.2G보다 큰 진동력을 발생시키는,
    촉각 액추에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 부재는, 0.5GPa 이상 6.1GPa 이하의 영률 값을 가지는 폴리머로 형성되는,
    촉각 액추에이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촉각전달부는 자성입자를 함유하는 매트릭스 레이어를 포함하는,
    촉각 액추에이터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 매트릭스 레이어의 인장강도는 0.02 N/mm2 이상 8.85 N/mm2 이하이고, 상기 매트릭스 레이어의 연신률은 65% 이상 700% 이하인,
    촉각 액추에이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉각 전달부는, 상기 촉각 전달부의 부피 대비 상기 자성입자의 함유량이 4 vol% 이상 60 vol% 이하인,
    촉각 액추에이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 부재는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리이미드 소재 중 어느 하나 이상의 소재를 포함하여 형성되는,
    촉각 액추에이터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 생성부에 인가되는 구동 전력의 주파수 대역이 적어도 90Hz보다 큰,
    촉각 액추에이터.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 자기장 생성부에 입력되는 전류가 150mA 내지 500mA인 영역에서 상기 촉각 전달부가 0.1Grms 보다 큰 진동력을 발생시키는,
    촉각 액추에이터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 자성입자의 함유량이 많아질수록 진동력이 상승하는,
    촉각 액추에이터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 생성부는 휘어질 수 있는 유연한 소재로 형성되는,
    촉각 액추에이터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 생성부는,
    절연 필름; 및
    상기 절연 필름의 양 면 중 어느 하나의 면에 인쇄되며, 원형, 타원형 또는 다각형의 모양으로 복수회 감긴 형상을 갖는 제1 자기장 생성 회로를 포함하는,
    촉각 액추에이터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 자기장 생성부는,
    상기 절연 필름의 양면 중 다른 하나의 면에 인쇄되며, 원형, 타원형 또는 다각형의 모양으로 복수회 감긴 형상을 갖는 제2 자기장 생성 회로를 더 포함하는,
    촉각 액추에이터.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 생성부는,
    접착제로 접착되는 복수 개의 연성회로기판을 포함하고,
    상기 복수 개의 연성회로기판은 각각, 자기장을 생성하기 위한 자기장 생성 회로를 포함하는,
    촉각 액추에이터.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 탄성부재는 상기 촉각 전달부의 운동을 증폭시키는,
    촉각 액추에이터.
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