KR102542471B1 - 저주파 진동 출력 소자 - Google Patents

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KR102542471B1
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임종태
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오지영
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 저주파 진동 출력 소자는 한 쌍의 연결 전극들을 포함하는 기판; 상기 한 쌍의 연결 전극들 상에 제공되어 진동을 생성하는 액추에이터(actuator); 상기 액추에이터 상에 제공되는 지지대; 상기 지지대 상에 제공되어 상기 액추에이터를 따라 진동되는 진동막; 상기 진동막 상에 제공되어 상기 진동막을 따라 진동되는 진동질량부를 포함하되, 상기 액추에이터는 적층된 복수 개의 절연막들 및 상기 인접하는 절연막들 사이에 교대로 적층되는 내부 전극들을 포함하고, 상기 진동막과 접촉하는 상기 지지대의 상면의 면적은 상기 액추에이터와 접촉하는 상기 지지대의 하면의 면적과 같거나 그보다 더 작을 수 있다.

Description

저주파 진동 출력 소자 {Low frequency vibrating actuator device}
본 발명은 저주파 진동 출력 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 다양한 형태의 지지대 및 진동질량부를 포함하는 저주파 진동 출력 소자에 관한 것이다.
일반적으로 진동 출력 소자는 전기 모터, 압전 소자, 전왜 소자, 정전 용량 소자 등을 이용하여 진동을 발생하고 전달하는 액추에이터(actuator) 소자일 수 있다. 진동 출력 소자는 사람이나 동물의 손끝, 피부 그리고 신체 내부의 조직에 진동을 전달하는 기능을 구현할 수 있다. 진동 출력 소자는 터치 스크린, 촉감 디스플레이, AR(Augmented Reality)/VR(Virtual Reality)/MR(Mixed Reality) 분야, 생체진단 등 다양한 기술 및 산업 분야에 적용이 가능하다.
본 발명은 인간이 감지할 수 있는 저주파를 출력하는 저주파 진동 출력 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자는 한 쌍의 연결 전극들을 포함하는 기판; 상기 한 쌍의 연결 전극들 상에 제공되어 진동을 생성하는 액추에이터(actuator); 상기 액추에이터 상에 제공되는 지지대; 상기 지지대 상에 제공되어 상기 액추에이터를 따라 진동되는 진동막; 상기 진동막 상에 제공되어 상기 진동막을 따라 진동되는 진동질량부를 포함하되, 상기 액추에이터는 적층된 복수 개의 절연막들 및 상기 인접하는 절연막들 사이에 교대로 적층되는 내부 전극들을 포함하고, 상기 진동막과 접촉하는 상기 지지대의 상면의 면적은 상기 액추에이터와 접촉하는 상기 지지대의 하면의 면적과 같거나 그보다 더 작을 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자는 한 쌍의 연결 전극들을 포함하는 하부 기판; 상기 한 쌍의 연결 전극들 상에 제공되어 진동을 생성하는 액추에이터; 상기 액추에이터 상에 제공되는 제1 지지대; 상기 제1 지지대 상에 제공되는 제1 진동막; 상기 제1 진동막 상에 제공되는 진동질량부; 상기 진동질량부 상에 제공되는 제2 진동막; 상기 제2 진동막 상에 제공되는 제2 지지대; 및 상기 제2 지지대 상에 제공되는 상부 기판을 포함하되, 상기 제2 지지대의 상면은 상기 상부 기판과 접촉하고, 상기 액추에이터의 공진 주파수는 상기 진동질량부의 공진 주파수보다 클 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자는 진동막 및 진동질량부가 제공됨으로써 인간이 감지할 수 있는 저주파 진동을 출력할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자를 상부에서 바라본 평면도이다.
도 2a는 도 1의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 액추에이터 내부를 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도 및 측면도이다.
도 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 기판을 상부에서 바라본 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도 및 측면도이다.
도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a 및 도 12a는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도들이다.
도 7b 및 도 12b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 측면도들이다.
도 7c, 도 8b, 도 9b, 도 10b, 도 11b 및 도 12c는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 진동질량부를 상부에서 바라본 평면도들이다.
도 13은 <실험예 1>에서 주파수에 따른 진동질량부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터(laser vibrometer)로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14은 <실험예 2>에서 주파수에 따른 진동질량부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 <실험예 3>에서 주파수에 따른 진동질량부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 16은 캐리어(carrier) 주파수를 1kHz로 하여 전압을 인가하되 4ms 주기로 온-오프 변조(on-off modulation)함으로써 250Hz의 변조 주파수를 얻을 수 있는 가상적인 전기 신호를 나타내는 그래프이다.
도 17은 도 16의 전기 신호 및 1kHz 사인파 전기 신호를 각각 저주파 진동 출력 소자에 인가하여 얻은 진동질량부의 진동 변위 신호를 FFT(fast fourier transform) 변환한 결과를 나타내는 가상적인 그래프이다.
도 18은 <실험예 5>에서의 주파수에 따른 진동질량부의 진동 속도를 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 19는 <실험예 5>에서의 저주파 진동 출력 소자에 대해 도 16의 전기 신호를 인가했을 때, 시간에 따른 진동질량부의 진동 속도를 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 층이 다른 층 '상(上)에' 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 상면에 직접 형성되거나 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 층 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 층이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 층을 다른 영역 또는 층과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자를 상부에서 바라본 평면도이다. 도 2a는 도 1의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다. 도 2b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 측면도이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 저주파 진동 출력 소자(10)는 기판(100), 지지대(110), 진동막(120), 진동질량부(130) 및 액추에이터(actuator)(200)를 포함할 수 있다.
기판(100)은 한 쌍의 연결 전극들(101)을 포함할 수 있다. 일 예로, 기판(100)은 그 표면에 한 쌍의 연결 전극들(101)을 노출할 수 있다. 한 쌍의 연결 전극들(101)은 기판(100)에 실장된 배선 패턴들과 연결될 수 있다. 일 예로, 배선 패턴들은 기판(100) 내부에 실장될 수 있다. 기판(100)은 딱딱한(rigid) 소재를 포함하거나 신축성 소재를 포함할 수 있다. 일 예로, 기판(100)은 PDMS, 엘라스토머(elastomer), 실리콘(Silicone), Ecoflex, 고무 또는 우레탄 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
액추에이터(200)는 한 쌍의 연결 전극들(101) 상에 제공될 수 있다. 액추에이터(200)는 전도성 접착막(102)을 통해 한 쌍의 연결 전극들(101)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일 예로, 전도성 접착막(102)은 은 에폭시(Ag epoxy), 구리 에폭시(Cu epoxy) 또는 혼합금속 에폭시 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 전도성 접착막(102)은 한 쌍의 연결 전극들(101) 상에 접착되기 위하여 그 표면이 개질될 수 있다.
액추에이터(200)는 제1 측면 전극(211) 및 제2 측면 전극(212)을 포함할 수 있다. 제1 측면 전극(211) 및 제2 측면 전극(212)은 액추에이터(200)의 양 측면에 제공될 수 있다. 제1 측면 전극(211) 및 제2 측면 전극(212)은 제1 방향(D1)으로 서로 이격될 수 있다. 제1 측면 전극(211) 및 제2 측면 전극(212)은 액추에이터(200)의 측면 및 하면의 일부분을 덮을 수 있다. 일 예로, 제1 측면 전극(211)은 액추에이터(200)의 일측면 및 하면의 일부분을 덮고, 제2 측면 전극(212)은 액추에이터(200)의 타측면 및 하면의 일부분을 덮을 수 있다.
제1 측면 전극(211) 및 제2 측면 전극(212)은 전도성 접착막(102)을 통해 각각 한 쌍의 연결 전극들(101)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 측면 전극(211) 및 제2 측면 전극(212)은 절연 패턴으로 코팅될 수 있다. 일 예로, 절연 패턴은 SiO2 또는 유기 박막을 포함할 수 있다. 절연 패턴이 제1 측면 전극(211) 및 제2 측면 전극(212)에 코팅됨으로써 소자 간의 전기적 쇼트(short)를 방지할 수 있다. 액추에이터(200)는 기판(100)에 실장된 배선 패턴들을 통해 전기 신호를 받아 진동을 생성할 수 있다.
액추에이터(200) 상에 지지대(110)가 제공되고, 지지대(110) 상에 진동막(120)이 제공될 수 있다. 지지대(110)는 액추에이터(200)의 진동을 진동막(120)으로 전달할 수 있다. 지지대(110)는 금속, 세라믹, 반도체, 경화수지 등을 포함할 수 있다. 일 예로, 지지대(110)는 철(Fe), 스테인리스, 텅스텐(W), 텅스텐 카바이드(WC), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn), 또는 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
진동막(120)과 접촉하는 지지대(110)의 상면(110t)의 면적은 액추에이터(200)와 접촉하는 지지대(110)의 하면(110b)의 면적과 같거나 그보다 더 작을 수 있다. 지지대(110)의 상면(110t)의 면적이 지지대(110)의 하면(110b)의 면적과 같거나 그보다 작음으로써, 지지대(110)와 액추에이터(200) 간의 접촉이 용이해지고 진동막(120)으로 진동이 더 잘 전달될 수 있다. 지지대(110)의 상면(110t)은 진동막(120)의 가장자리와 접촉할 수 있다. 일 예로, 지지대(110)는 U자형 또는 11자형의 단면을 가질 수 있다.
지지대(110)는 서로 이격된 제1 지지부들(111)을 포함할 수 있다. 제1 지지부들(111)은 액추에이터(200)로부터 진동막(120) 방향으로 연장될 수 있다. 제1 지지부들(111)은 제1 방향(D1) 및 제1 방향(D1)에 교차하는 제2 방향(D2)이 이루는 면에 수직한 제3 방향(D3)으로 연장될 수 있다. 제1 지지부들(111)의 상면은 지지대(110)의 상면(110t)일 수 있다. 제1 지지부들(111)은 진동막(120)의 가장자리와 접촉할 수 있다. 일 예로, 제1 지지부들(111)의 높이는 서로 동일할 수 있다.
지지대(110)는 액추에이터(200)의 상면을 덮는 제2 지지부(112)를 더 포함할 수 있다. 제2 지지부(112)는 액추에이터(200)의 상면의 일부분을 덮을 수 있다. 제1 지지부들(111)은 제2 지지부(112)의 일부분으로부터 연장되어 진동막(120)과 접촉할 수 있다. 일 예로, 제1 지지부들(111)은 제2 지지부(112)의 가장자리의 일부분으로부터 연장되어 진동막(120)과 접촉할 수 있다. 제2 지지부(112)의 하면은 지지대(110)의 하면(110b)일 수 있다. 지지대(110)가 제2 지지부(112)를 포함하지 않는 경우, 제1 지지부들(111)의 하면이 지지대(110)의 하면(110b)일 수 있다.
진동막(120)은 지지대(110)를 통해 액추에이터(200)의 진동을 전달받을 수 있다. 진동막(120)은 액추에이터(200)의 진동에 따라 진동될 수 있다. 진동막(120)은 지지대(110)에 접착될 수 있다. 진동막(120)은 유기 박막을 포함할 수 있다. 일 예로, 진동막(120)은 PDMS, PMMA, Ecoflex, 실리콘(Silicone), 우레탄, 고무, PI(Polyimide) 또는 엘라스토머(elastomer) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 진동막(120)은 제3 방향(D3)으로 제2 지지부(112)와 이격될 수 있다.
진동질량부(130)는 진동막(120) 상에 제공될 수 있다. 진동질량부(130)는 진동막(120) 상에 접착될 수 있다. 진동질량부(130)는 금속, 세라믹 또는 반도체 등을 포함할 수 있다. 일 예로, 진동질량부(130)는 철(Fe), 스테인리스, 텅스텐(W), 텅스텐 카바이드(WC), 몰리브덴(Mo), 납(Pb), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 탄탈륨(Ta), 주석(Sn), 인듐(In), 금(Au), 은(Ag) 또는 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 일 예로, 진동질량부(130)는 그 표면에 산화막을 포함할 수 있다.
진동질량부(130)는 진동질량부(130)를 상부에서 바라보았을 때, 원형, 타원형, 다각형 또는 십(+)자형 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 진동질량부(130)는 정육면체, 직육면체, 정사면체, 원기둥, 타원기둥, 반구, 삼각기둥 또는 팔각기둥 형상을 가질 수 있다.
진동질량부(130)가 진동막(120)과 접촉하는 부분의 면적은 진동막(120)의 면적보다 작을 수 있다. 진동질량부(130)의 일면의 면적은 진동막(120)의 면적보다 작을 수 있다. 진동질량부(130)는 진동막(120)의 일부분과 접촉할 수 있다. 진동질량부(130)의 하면이 진동막(120)과 접촉하는 면적은 진동막(120)의 면적보다 작을 수 있다.
액추에이터(200) 상부에 진동막(120) 및 진동질량부(130)가 제공됨으로써, 저주파 진동 출력 소자(10)는 저주파 진동을 출력할 수 있다. 액추에이터(200)의 공진 주파수는 일반적으로 수백 kHz 이상이나, 액추에이터(200) 상부에 진동막(120) 및 진동질량부(130)가 제공됨으로써 공진 주파수가 낮아져 저주파 진동 출력 소자(10)는 인체가 진동을 느낄 수 있는 500Hz 이하의 저주파 진동을 출력할 수 있다. 일 예로, 액추에이터(200)의 공진 주파수는 진동질량부(130)의 공진 주파수보다 클 수 있고, 진동질량부(130)의 공진 주파수는 500Hz 이하일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 액추에이터 내부를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 액추에이터(200)는 제1 및 제2 측면 전극(211, 212), 절연막들(221) 및 내부 전극들(222)을 포함할 수 있다.
절연막들(221)은 복수 개 제공되어 액추에이터(200) 내부에 적층될 수 있다. 절연막들(221)은 압전(piezo) 소자 또는 전왜(electrostrictive) 소자 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 절연막들(221)은 압전 박막들일 수 있다. 일 예로, 절연막들(221)은 PZT, PLZT, PMN-PT, PYN-PT, PIN-PT, ZnO, CdS, AlN, BaTiO3, PbTiO3, LiNbO3, LiTaO3, BNT, PVDF, P(DVF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-HFP), PVDF-TFE, PVC, PAN, PPEN 또는 Polyamides 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
내부 전극들(222)은 인접하는 절연막들(221) 사이에 교대로 적층될 수 있다. 내부 전극들(222)은 제1 측면 전극(211)과 연결된 제1 내부 전극들(222a) 및 제2 측면 전극(212)과 연결된 제2 내부 전극들(222b)을 포함할 수 있다. 제1 내부 전극들(222a) 및 제2 내부 전극들(222b)은 상호 간에 교대로 적층될 수 있다.
내부 전극들(222)은 제1 및 제2 측면 전극(211, 212)을 통해 전기 신호를 받아 액추에이터(200)의 진동을 유도할 수 있다. 일 예로, 제1 측면 전극(211), 제2 측면 전극(212) 및 내부 전극들(222)은 ITO, 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 금(Au), Ag/Pd, Ti/Au, Ti/Pt, 그래핀, CNT, PEDOT 또는 PEDOT-PSS 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도 및 측면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자(10)는 보호막(300)을 더 포함할 수 있다. 보호막(300)은 진동질량부(130) 상에 제공될 수 있다. 보호막(300)은 인체의 직접적 접촉을 차단하고 외부 충격이나 이물질로부터 저주파 진동 출력 소자(10)를 보호하는 기능을 수행할 수 있다. 보호막(300)은 진동이 인체에 전달될 수 있도록 신축성을 가지는 유기 박막을 포함할 수 있다. 일 예로, 보호막(300)은 PDMS, Ecoflex, 엘라스토머(elastomer), 실리콘(Silicone), 고무, 우레탄 또는 PI(Polyimide) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도이다. 도 4c를 참조하면, 복수 개의 액추에이터(200) 및 진동질량부(130)가 기판(100) 상에 제공될 수 있다. 일 예로, 복수 개의 진동질량부(130) 상에 하나의 보호막(300)이 제공될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 기판을 상부에서 바라본 평면도이다.
도 5를 참조하면, 기판(100)은 배선 패턴들(WP)을 포함할 수 있다. 배선 패턴들(WP)은 한 쌍의 연결 전극들(101)과 연결될 수 있다. 일 예로, 배선 패턴들(WP)은 기판(100) 내부에 실장될 수 있다. 기판(100) 상에는 도 4c와 같이, 복수 개의 액추에이터(200)가 제공될 수 있다. 일 예로, 배선 패턴들(WP)은 패시브 매트릭스(passive matrix) 또는 액티브 매트릭스(active matrix) 형태로 제공될 수 있다. 배선 패턴들(WP)은 한 쌍의 연결 전극들(101)을 통해 액추에이터(200)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라 각각의 액추에이터(200)들이 개별적으로 신호를 전달받아 다양한 형태의 진동 신호를 출력할 수 있다.
기판(100)은 액추에이터(200)를 지탱하기 위한 구조체들(SI)을 포함할 수 있다. 구조체들(SI)은 그 표면에 한 쌍의 연결 전극들(101)을 노출할 수 있다. 구조체들(SI)은 스티프 아일랜드(stiff island) 구조를 가질 수 있다. 구조체들(SI)은 액추에이터(200)를 지탱하기 위하여 구조체들(SI)을 제외한 기판(100)의 다른 영역보다 탄성 계수가 높은 영역일 수 있다. 기판(100)은 탄성 계수가 높은 구조체들(SI)을 포함할 수 있다. 구조체들(SI)은 신축성을 가지는 박막을 통해 서로 연결될 수 있다. 상기 박막은 한 쌍의 연결 전극들(101)을 그 내부에 포함할 수 있다. 또는, 배선 패턴들(WP)이 리본 구조의 사행형(serpentine) 패턴을 가짐으로써 배선 패턴들(WP)에 의해 구조체들(SI)이 서로 연결될 수 있다. 일 예로, 배선 패턴들(WP)이 액티브 매트릭스 형태로 제공될 경우, 구조체들(SI) 내부에 TFT(thin film transistor)를 포함하는 구동회로가 제공될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도 및 측면도이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면 저주파 진동 출력 소자(10)는 상부 기판(400a), 하부 기판(400b), 제1 지지대(410), 제1 진동막(420), 진동질량부(430), 제2 진동막(440), 제2 지지대(450) 및 액추에이터(500)를 포함할 수 있다.
저주파 진동 출력 소자(10)는 상부 기판(400a) 및 하부 기판(400b)을 포함할 수 있다. 상부 기판(400a) 및 하부 기판(400b)은 서로 연결될 수 있다. 일 예로, 상부 기판(400a) 및 하부 기판(400b)은 기둥(CN) 또는 벽면을 통해 연결되어 모듈(module) 형태를 이룰 수 있다.
상부 기판(400a) 및 하부 기판(400b)은 딱딱한(rigid) 소재를 포함하거나 신축성 소재를 포함할 수 있다. 일 예로, 상부 기판(400a) 및 하부 기판(400b)은 PDMS, 엘라스토머(elastomer), 실리콘(Silicone), Ecoflex, 고무 또는 우레탄 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
하부 기판(400b)은 내부에 한 쌍의 연결 전극들(401)을 포함할 수 있다. 하부 기판(400b)은 그 표면에 한 쌍의 연결 전극들(401)을 노출할 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 연결 전극들(401)은 하부 기판(400b) 내부에 실장된 배선 패턴들과 연결될 수 있다.
액추에이터(500)는 하부 기판(400b) 상에 제공되어 전도성 접착막(402)을 통해 한 쌍의 연결 전극들(401)과 전기적으로 연결될 수 있다. 액추에이터(500)는 제1 측면 전극(511) 및 제2 측면 전극(512)을 포함할 수 있다.
제1 지지대(410)는 액추에이터(500) 상에 제공되고, 제1 진동막(420)은 제1 지지대(410) 상에 제공될 수 있다. 제1 지지대(410)는 일 예로, 제1 지지부들(411) 및 제2 지지부(412)를 포함할 수 있다. 제1 진동막(420)과 접촉하는 제1 지지대(410)의 상면(410t)의 면적은 액추에이터(500)와 접촉하는 제1 지지대(410)의 하면(410b)의 면적과 같거나 그보다 더 작을 수 있다.
한 쌍의 연결 전극들(401), 전도성 접착막(402), 제1 지지대(410), 제1 진동막(420), 진동질량부(430) 및 액추에이터(500)는 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 한 쌍의 연결 전극들(101), 전도성 접착막(102), 지지대(110), 진동막(120), 진동질량부(130) 및 액추에이터(200)와 실질적으로 동일하므로 중복되는 내용은 이하 설명을 생략한다.
제2 진동막(440)이 진동질량부(430) 상에 제공될 수 있다. 제2 진동막(440)은 진동질량부(430)의 진동에 따라 진동될 수 있다. 제2 진동막(440)은 제1 진동막(420)과 평행할 수 있다. 제2 진동막(440)은 진동질량부(430) 상에 접착될 수 있다. 진동질량부(430)가 제2 진동막(440)과 접촉하는 부분의 면적은 제2 진동막(440)의 면적보다 작을 수 있다. 진동질량부(430)의 일면의 면적은 제2 진동막(440)의 면적보다 작을 수 있다. 진동질량부(430)는 제2 진동막(440)의 일부분과 접촉할 수 있다.
제2 진동막(440)은 유기 박막을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 진동막(440)은 PDMS, PMMA, Ecoflex, 실리콘(Silicone), 우레탄, 고무, PI(Polyimide) 또는 엘라스토머(elastomer) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 진동막(440)은 제1 진동막(420)과 동일한 물질을 포함할 수 있다.
제2 지지대(450)가 제2 진동막(440) 상에 제공될 수 있다. 제2 지지대(450)는 상부 기판(400a)과 접촉될 수 있다. 제2 지지대(450)의 상면은 상부 기판(400a)과 접촉할 수 있다. 제2 지지대(450)는 제2 진동막(440)과 상부 기판(400a) 사이에 위치할 수 있다. 제2 지지대(450)의 하면은 제2 진동막(440)과 접촉할 수 있다. 제2 지지대(450)의 하면은 제2 진동막(440)의 가장자리와 접촉할 수 있다. 일 예로, 제2 지지대(450)는 역 'U'자형 또는 11자형 단면을 가질 수 있다. 제2 지지대(450)는 금속, 세라믹, 반도체, 경화수지 등을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 지지대(450)는 철(Fe), 스테인리스, 텅스텐(W), 텅스텐 카바이드(WC), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn), 또는 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 지지대(450)는 제1 지지대(420)와 동일한 물질을 포함할 수 있다. 저주파 진동 출력 소자(10)가 모듈 형태로 제공됨으로써 각종 전자 기기에 접합될 수 있다.
도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a 및 도 12a는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도들이다. 도 7b 및 도 12b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 측면도들이다. 도 7c, 도 8b, 도 9b, 도 10b, 도 11b 및 도 12c는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 진동질량부를 상부에서 바라본 평면도들이다. 도 7c, 도 8b, 도 9b, 도 10b, 도 11b 및 도 12c의 경우 도시의 간결함을 위해 일부 구성요소들을 생략하였다.
도 7a 내지 도 11b를 참조하면, 진동질량부(130)는 다양한 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 지지대(110)는 서로 이격된 제1 지지부들(111) 및 제2 지지부(112)를 포함하고, 제1 지지부들(111)이 각각 진동막(120)의 꼭지점 부분과 접촉하는 형상일 수 있다. 일 예로, 진동질량부(130)는 원기둥, 사각기둥, 마름모기둥, 십(+)자형 기둥 또는 탑 형상을 가질 수 있다.
도 12a 내지 도 12c를 참조하면, 지지대(120)는 서로 이격된 제1 지지부들(111) 및 제2 지지부(112)를 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 지지부들(111)은 진동막(120)의 가장자리 부분과 접촉하되 진동막(120)의 일 변에서 제1 지지부들(111)이 접촉하는 부분이 접촉하지 않은 부분보다 더 많을 수 있다. 일 예로, 진동질량부(130)는 사각기둥 형상을 가질 수 있다.
아래의 <실험예 1> 내지 <실험예 5>는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자에 대한 실험예들이다.
<실험예 1>
본 실험예에서, 저주파 진동 출력 소자(10)의 액추에이터(200)의 크기는 5mm X 5mm X 2mm(가로X세로X높이)이다. 액추에이터(200) 내부의 절연막들(221)은 PZT로 구성되고, 각각 50μm의 두께를 가지며 40층 적층된다. 지지대(110)는 텅스텐 카바이드(WC)로 구성되고, U자형 단면을 가지며 그 높이는 1.3mm이다. 진동막(120)은 PDMS로 구성되고 그 두께는 200μm이다. 진동질량부(130)는 텅스텐 카바이드(WC)로 구성되고 직육면체 형상을 가지며 그 크기는 2mm X 5mm X 2mm이다. 진동막(120)과 접촉하는 지지대(110)의 상면(110t)의 폭은 500μm이다.
상기 저주파 진동 출력 소자(10)에 전기 신호를 인가하여, 진동질량부(130)의 진동 변위 스펙트럼을 측정하였다.
저주파 진동 출력 소자(10)에 전기 신호를 인가할 때 절연막들(221)의 극성이 정렬되고 난 후, 반대 방향으로 전기장이 인가되면 극성의 정렬이 반전되고 이에 따라 성능이 저하될 수 있다. 저주파 진동 출력 소자(10)의 성능이 저하되지 않도록 전기 신호에 오프셋(offset)을 적용하였다. 이에 따라, 액추에이터(200)의 양단에 15V 크기의 사인파를 인가하되 15V 상향 오프셋을 설정하여 0~30V 교류 전압을 인가하였다. 200Hz에서 1kHz까지 1Hz 간격으로 주파수에 따른 진동질량부(130)의 진동 변위를 측정하였다.
도 13은 <실험예 1>에서 주파수에 따른 진동질량부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터(laser vibrometer)로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 13을 참조하면, 진동 변위 스펙트럼은 279Hz에서 최대값을 갖는다. 진동 변위 스펙트럼의 진동 변위는 측정 장비의 스캔 모드(scan mode) 특성 상, 진동 변위의 절대값이 작게 측정될 수 있으며 단일 주파수를 갖는 사인파를 입력하는 경우에는 최소 40배 이상의 진동 변위를 가질 수 있다. 이는 후술할 <실험예 2> 및 <실험예 3>에서의 진동 변위 스펙트럼의 경우에도 마찬가지이다.
<실험예 2>
본 실험예에서, 저주파 진동 출력 소자(10)의 액추에이터(200)의 크기는 3mm X 3mm X 2mm(가로X세로X높이)이다. 액추에이터(200) 내부의 절연막들(221)은 PZT로 구성되고, 각각 50μm의 두께를 가지며 40층 적층된다. 지지대(110)는 텅스텐 카바이드(WC)로 구성되고 U자형 단면을 가지며 그 높이는 0.9mm이다. 진동막(120)은 PDMS로 구성되고 그 두께는 200μm이다. 진동질량부(130)는 텅스텐 카바이드(WC)로 구성되고 직육면체 형상을 가지며 그 크기는 1mm X 3mm X 1mm이다. 진동막(120)과 접촉하는 지지대(110)의 상면(110t)의 폭은 400μm이다.
15V 크기의 사인파를 인가하되 15V 상향 오프셋을 설정하여 0~30V 교류 전압을 인가하였다. 200Hz에서 1kHz까지 1Hz 간격으로 주파수에 따른 진동질량부(130)의 진동 변위를 측정하였다.
도 14는 <실험예 2>에서의 주파수에 따른 진동질량부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 14를 참조하면, 진동 변위 스펙트럼은 336Hz에서 최대값을 갖는다
<실험예 1> 및 <실험예 2>를 참조하면, 진동막(120) 및 진동질량부(130)가 액추에이터(200) 상에 제공됨으로써 공진 주파수가 500Hz 이하로 낮아져 저주파 진동 출력 소자(10)는 인체가 감지할 수 있는 저주파 진동을 출력할 수 있다.
<실험예 3>
본 실험예에서, 저주파 진동 출력 소자(10)의 액추에이터(200)의 크기는 2mm X 2mm X 2mm(가로X세로X높이)이다. 액추에이터(200) 내부의 절연막들(221)은 PZT로 구성되고, 각각 50μm의 두께를 가지며 40층 적층된다. 지지대(110)는 텅스텐 카바이드(WC)로 구성되고 U자형 단면을 가지며 그 높이는 0.7mm이다. 진동막(120)은 PDMS로 구성되고 그 두께는 100μm이다. 진동질량부(130)는 텅스텐 카바이드(WC)로 구성되고 직육면체 형상을 가지며 그 크기는 0.7mm X 2mm X 0.7mm이다. 진동막(120)과 접촉하는 지지대(110)의 상면(110t)의 폭은 300μm이다.
15V 크기의 사인파를 인가하되 15V 상향 오프셋을 설정하여 0~30V 교류 전압을 인가하였다. 200Hz에서 10kHz까지 6Hz 간격으로 주파수에 따른 진동질량부(130)의 진동 변위를 측정하였다.
도 15는 <실험예 3>에서의 주파수에 따른 진동질량부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 15를 참조하면, 진동 변위 스펙트럼은 1,930Hz에서 최대값을 갖는다. 저주파 진동 출력 소자(10)의 크기가 작아짐으로 인해서 공진 주파수가 높아진 것이다.
<실험예 4>
1kHz의 공진 주파수를 갖는 저주파 진동 출력 소자(10)에 대해 도 16의 전기 신호를 인가하였다.
도 16은 캐리어(carrier) 주파수를 1kHz로 하여 전압을 인가하되 4ms 주기로 온-오프 변조(on-off modulation)함으로써 250Hz의 변조 주파수를 얻을 수 있는 가상적인 전기 신호를 나타내는 그래프이다. 도 17은 도 16의 전기 신호 및 1kHz 사인파 전기 신호를 각각 저주파 진동 출력 소자에 인가하여 얻은 진동질량부의 진동 변위 신호를 FFT(fast fourier transform) 변환한 결과를 나타내는 가상적인 그래프이다.
도 17을 참조하면, 단순히 1kHz 사인파 전기 신호를 인가했을 때와 달리 전기 신호의 변조를 통해 인체가 가장 진동을 잘 느낄 수 있는 250Hz의 저주파 진동을 유도하였다.
<실험예 5>
<실험예 3>과 동일한 조건의 저주파 진동 출력 소자에 대해, 15V 크기의 사인파를 인가하되 15V 상향 오프셋을 설정하여 0~30V 교류 전압을 인가하였다. 200Hz에서 3200Hz까지 10Hz 간격으로 주파수에 따른 진동질량부의 진동 속도를 측정하였다.
도 18은 <실험예 5>에서의 주파수에 따른 진동질량부의 진동 속도를 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 18을 참조하면, 공진 주파수가 1,930Hz로써 250Hz에서는 진동 속도가 작아 인체가 그 진동을 감지할 수 없다.
도 19는 <실험예 5>에서의 저주파 진동 출력 소자에 대해 도 16의 전기 신호를 인가했을 때, 시간에 따른 진동질량부의 진동 속도를 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 19를 참조하면, 공진 주파수가 1,930Hz인 저주파 진동 출력 소자(10)에 대해서도 캐리어 주파수를 1kHz로 하여 전압을 인가하되 4ms 주기로 전기 신호를 온-오프 변조함으로써, 250Hz의 진동 출력 신호가 생성되었다.
<실험예 3> 내지 <실험예 5>를 통해, 저주파 진동 출력 소자(10)의 크기가 작아짐으로 인해 공진 주파수가 높아지는 경우에도 전기 신호의 온-오프 변조를 통해 500Hz 이하의 저주파 진동 출력이 가능함을 확인하였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (16)

  1. 한 쌍의 연결 전극들을 포함하는 기판;
    상기 한 쌍의 연결 전극들 상에 제공되어 진동을 생성하는 액추에이터(actuator);
    상기 액추에이터 상에 제공되는 상기 액추에이터와 물리적으로 접하는 지지대;
    상기 지지대 상에 제공되어 상기 액추에이터를 따라 진동되는 진동막;
    상기 진동막 상에 제공되어 상기 진동막을 따라 진동되는 진동질량부를 포함하되,
    상기 액추에이터는 적층된 복수 개의 절연막들 및 상기 인접하는 절연막들 사이에 교대로 적층되는 내부 전극들을 포함하고,
    상기 진동막과 접촉하는 상기 지지대의 상면의 면적은 상기 액추에이터와 접촉하는 상기 지지대의 하면의 면적과 같거나 그보다 더 작고,
    상기 지지대는 서로 이격되는 제1 지지부들을 포함하고,
    상기 제1 지지부들은 상기 액추에이터로부터 상기 진동막으로 연장되고,
    상기 제1 지지부들은 상기 진동막과 접하고,
    상기 액추에이터의 공진 주파수는 상기 진동질량부의 공진 주파수보다 크고,
    상기 액추에이터의 폭은 상기 지지대의 하면의 폭보다 크고,
    상기 진동 질량부의 폭은 상기 진동막의 폭보다 작고,
    상기 진동막의 폭은 상기 제1 지지부들의 폭보다 큰 저주파 진동 출력 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액추에이터는 상기 내부 전극들과 전기적으로 연결되는 제1 측면 전극 및 제2 측면 전극을 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 측면 전극들은 각각 상기 한 쌍의 연결 전극들과 전기적으로 연결되는 저주파 진동 출력 소자.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지대는 상기 액추에이터의 상면을 덮는 제2 지지부를 더 포함하고,
    상기 제1 지지부들 각각은 상기 제2 지지부의 일부분으로부터 연장되어 상기 진동막과 접촉하는 저주파 진동 출력 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지대의 상면은 상기 진동막의 가장자리와 접촉하는 저주파 진동 출력 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 진동질량부는 상기 진동질량부를 상부에서 바라보았을 때, 원형, 타원형, 다각형 또는 십(+)자형 형상 중 어느 하나의 형상을 갖는 저주파 진동 출력 소자.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 진동질량부의 공진 주파수는 500Hz 이하인 저주파 진동 출력 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 진동막은 PDMS, PMMA, Ecoflex, 실리콘(silicone), 우레탄, 고무, PI(Polyimide) 또는 엘라스토머(elastomer) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 저주파 진동 출력 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 진동질량부가 상기 진동막과 접촉하는 부분의 면적은 상기 진동막의 면적보다 작은 저주파 진동 출력 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 진동질량부 상에 제공되는 보호막을 더 포함하는 저주파 진동 출력 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 절연막들은 압전(piezoelectric) 소자 및 전왜(electrostrictive) 소자 중 적어도 어느 하나를 포함하는 저주파 진동 출력 소자.
  13. 한 쌍의 연결 전극들을 포함하는 하부 기판;
    상기 한 쌍의 연결 전극들 상에 제공되어 진동을 생성하는 액추에이터;
    상기 액추에이터 상에 제공되는 상기 액추에이터와 물리적으로 접하는 제1 지지대;
    상기 제1 지지대 상에 제공되는 제1 진동막;
    상기 제1 진동막 상에 제공되는 진동질량부;
    상기 진동질량부 상에 제공되는 제2 진동막;
    상기 제2 진동막 상에 제공되는 제2 지지대; 및
    상기 제2 지지대 상에 제공되는 상부 기판을 포함하되,
    상기 제2 지지대의 상면은 상기 상부 기판과 접촉하고, 상기 액추에이터의 공진 주파수는 상기 진동질량부의 공진 주파수보다 크고,
    상기 제1 지지대는 서로 이격되는 제1 지지부들을 포함하고,
    상기 액추에이터의 폭은 상기 지지대의 하면의 폭보다 크고,
    상기 진동 질량부의 폭은 상기 진동막의 폭보다 작고,
    상기 진동막의 폭은 상기 제1 지지부들의 폭보다 큰, 저주파 진동 출력 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 진동막과 접촉하는 제1 지지대의 상면의 면적은 상기 액추에이터와 접촉하는 상기 제1 지지대의 하면의 면적과 같거나 그보다 더 작은 저주파 진동 출력 소자.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 액추에이터는 적층된 복수 개의 절연막들;
    상기 복수 개의 절연막들 사이에 교대로 적층되는 내부 전극들; 및
    상기 내부 전극들 및 상기 한 쌍의 연결 전극들과 전기적으로 연결되는 제1 측면 전극 및 제2 측면 전극을 포함하는 저주파 진동 출력 소자.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 진동막은 서로 평행하고, 상기 제2 지지대의 하면은 상기 제2 진동막의 가장자리와 접촉하는 저주파 진동 출력 소자.
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