KR20070043146A - 유연한 구동기 및 그를 이용한 촉각제시장치 - Google Patents

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KR20070043146A
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Abstract

기존의 촉각 제시 장치에 사용된 모터, 솔레노이드, 압전소자, 공압 등의 구동기의 단단한 성질로 인한 착용 가능한 촉각 제시 장치로의 응용성 문제를 개선한 유연한 구동기 및 그를 이용한 촉각 제시 장치에 관한 것으로, 비압축성 성질을 갖는 고분자 유전체 필름, 고분자 유전체 필름의 상하면에 각각 코팅된 전극 및 고분자 유전체 필름의 외각을 고정하는 프레임을 포함하는 구동기를 다수개 사용하여 매트릭스로 배열된 구성을 마련한다.
상기와 같은 유연한 구동기 및 그를 이용한 촉각 제시 장치를 이용하는 것에 의해, 구동 방향을 제시하는데 있어 선장력 방식이 아닌 구동 필름의 형태 변형을 통한 제시 방법을 사용하여 구동기 성능의 저하에 대한 문제점을 해결할 수 있다는 효과가 얻어진다.
구동기, 유연, 촉각제시장치, 프레스, 엠보싱

Description

유연한 구동기 및 그를 이용한 촉각제시장치{Flexible Actuator and Tactile Display Device using thereof}
도 1은 일반적인 고분자 유전체의 구동 원리를 나타낸 설명도,
도 2는 고분자 유전체의 일반적인 구동 원리를 프레임을 이용하여 좌굴을 유도, 수직방향 구동을 나타낸 설명도,
도 3은 고분자 유전체 구동기를 만들기 위한 제작과정을 나타낸 설명도,
도 4는 도 3의 방법을 연속적으로 수행하여 구동기를 적층한 단면도,
도 5는 도 3의 방법을 이용하여 실제로 제작한 10 x 10 메트릭스 배열을 갖는 촉각 제시 장치 셀의 실제 사진,
도 6은 도 2에서 도시된 구동을 원하는 방향으로 구동시키기 위하여 구동 방향을 결정하는 방법을 나타낸 설명도,
도 7은 도 6의 방법을 이용하여 구동 방향을 부여한 촉각 자극 요소의 단면도,
도 8은 도 6의 방법을 도 5의 촉각 자극요소에 실제로 적용한 사진,
도 9는 도 8에서 실제로 제작된 촉각 자극 요소의 착용 가능성을 나타낸 사진,
도 10은 도 8에서 실제로 제작된 촉각 자극 요소의 구동 전압에 따른 변위를 나타낸 그래프,
도 11은 도 8에서 실제로 제작된 촉각 자극 요소의 구동 주파수 영역을 나타낸 그래프,
도 12는 도 8에서 실제로 제작된 촉각 자극 요소의 구동 전압에 따른 출력 힘을 나타낸 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 유전체 필름 100, 200 : 전극
300 : 프레임 400 : 보호필름
500 : 소형 주조 틀
본 발명은 고분자 유전체를 사용한 유연한 구동기 및 그를 이용한 유연한 촉각 제시 장치에 관한 것으로, 특히 기존의 촉각 제시 장치에 사용된 모터, 솔레노이드, 압전소자, 공압 등의 구동기의 단단한 성질로 인한 착용 가능한 촉각 제시 장치로의 응용성 문제를 개선한 유연한 구동기 및 그를 이용한 촉각 제시 장치에 관한 것이다.
일반적으로 햅틱(Haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 "촉감”으로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각을 통칭하는 것으로, 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감(tactile feedback)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될 때 느껴지는 근 감각적인 힘(kinesthetic force) 모두를 합쳐서 부르는 말이다.
이러한 촉감에 관한 연구를 촉감 구현(haptic display feedback) 연구라고 하며, 이는 물리적 장치를 이용하여 사람이 사물과의 직접적인 접촉이 없이도 그 사물에 대한 정보를 전달 받을 수 있는 분야를 일컫는 말로, 사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조종(teleoperation)에 관한 연구로부터 시작되었다.
하지만, 최근에 들어서는 시각의 촉각화를 이용한 시각장애인용 점자출력기(braille display), 가상현실(virture rearity), 컴퓨터 인터페이스, 의용공학 등 여러 분야에서도 적용되고 있다. 또한, 시각 및 촉각의 정보와 그로인한 의사소통의 중요성이 나날이 증가함으로써 햅틱 디스플레이의 중요성은 계속적으로 부각되어지고 있다.
일반적인 촉감 디스플레이 장치는 사용자의 피부와 접촉하는 부분의 변위 혹은 힘을 능동적으로 제어함으로서, 촉각을 자극하며, 이로부터 촉감을 전달한다. 이러한 촉감 디스플레이 장치의 핵심 기술은 좁은 면적에 다수의 촉각 자극 요소(Tactile Stimulating Element)를 배치하는 데에 있으며, 인간의 피부 감각을 모사할 수 있을 만큼 다수의 구동기(Actuator)를 좁은 면적에 집적할 수 있는 기술이 중요하다.
따라서, 이상적인 촉감 디스플레이를 위한 구동기의 밀도는 1개/㎟이며 2㎜정도의 돌출부, 각 촉각 자극 요소당 1N이하, 구동속도 50Hz이상, 10W/㎠정도의 에 너지밀도를 가져야 하는 것으로 알려져 있다. 이는 인간 손의 접촉면에 대하여 실험적으로 구한 결과이나 인간의 손은 자극 속도와 자극의 깊이, 힘의 세기 등 관련된 요소들의 조합에 따라 반응에 관한 민감도의 차이가 존재하며, 또한 손바닥의 부위에 따라서도 많은 차이가 있으므로 실제로 촉감 디스플레이의 설계를 할 때에는 다양한 형태의 장치를 개발할 수 있다.
이러한 촉감 디스플레이 장치로는 공압과 솔레노이드를 이용한 기구, 형상 기억 합금을 이용한 것, 보이스 코일(Voice Coil), 모터를 구동기로 이용한 것, 정전기 원리를 이용한 것, 고분자 유전체를 이용한 것 및 전기를 이용한 피부 자극기 등이 개발된 바 있다.
이러한 촉감 디스플레이 장치에 대한 일례가 미국 특허 US19954102939
(Tactile display driven by shape memory wires), US19788695067(Tactile indicating device), US19942860319(Method and device for producing a tactile display using an electrorheological fluid), 유럽특허 EP20010988927
(TACTILE DISPLAY SYSTEM), EP2003725735(Tactile display device and method of controlling tactile display device) 및 (1) P. M. Taylor, A. Moser, A.
Creed, "The design and control of a tactile display based on shape
memory alloy" in Proc. of IEEE IntConf. on Robotics and Automation, Volume:2, pp.1/1-1/4, 1997, (2) F. Toshio, M. Hideyuki, A. Fumihito, I. Hidenori, M. Hideo, "Micro resonator using electromagnetic actuator for tactile display," Int. Symposium on micromechatronics and human science, pp.143-148,1997, (3) C. R. Wagner, S. J. Lederman, R. D. Howe, "A tactile shape display using servomotor," The Tenth Symposium on Haptic Interfaces fo Virtual Environment and Teleoperator Systems, March 24-25, 2002, (4) Orlando, N. Masahi, K. Hiroyuki, S. Dairoku, "3D form display with
shape memory alloy," Int. Conf. on Artificial Reality and Tele-Existence
(ICAT), December 3-5,2003, Japan 등에 개시되어 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 기술에 있어서는 초소형 구동기 개발의 어려움으로 인한 실제 구동 면적의 협소, 중량대비 낮은 출력(Low power density), 구동기 제작비의 고가, 별도의 보조 장치의 필요 등의 문제점을 지니고 있으며, 특히 구동기의 단단한 성질로 인하여 실제로 개발되어진 촉각 제시 장치의 응용에서도 여러 어려움이 나타나고 있다.
반면에, 기능성 고분자는 소형, 경향의 구동기 제작이 가능하며, 중량대 출력비가 우수하고(High power density), 별도의 장치없이 중저속의 높은 구동력을 낼 수 있으며, 입력 에너지에 대한 출력 효율이 좋고, 재료비가 저렴하며, 무엇보다 다른 구동기에 비하여 유연하다는 장점을 지니고 있다.
이와 같은 고분자 유전체 구동기의 제작을 통하여 기존에 제시된 촉각 제시 장치의 응용성 문제를 보다 쉽게 해결 할 수 있다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 촉각 제시 장치의 응용성이 제한적인 문제점을 해결하기 위한 것으로 기능성 고분자를 이용하여 유연한 구동기 및 그를 이 용한 유연한 촉각 제시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기존의 고분자 구동기의 구동 방향 결정법으로 사용되던 선장력 방식이 아닌 제작과정에서 핫 프레싱(Hot-pressing) 방법을 사용하여 구동 필름의 변형을 통한 구동 방향 결정 방법을 사용하여 선장력 방식으로 인한 구동기 성능 저하의 문제점을 해결하는 유연한 촉각 제시 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 구동기는 비압축성 성질을 갖는 고분자 유전체를 이용한 구동기로서, 고분자 유전체 필름, 상기 고분자 유전체 필름의 상하면에 각각 코팅된 전극 및 상기 고분자 유전체 필름의 외각을 고정하는 프레임을 포함하며, 상기 전극은 유연한 전극인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 구동기에 있어서, 상기 구동기에 전기장을 인가하면, 상기 고분자 유전체 필름은 그 중심부의 원형으로 돌출하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 구동기에 있어서, 상기 고분자 유전체 필름의 돌출 높이 h는
Figure 112005059383513-PAT00001
로 정의되며, 여기서 r은 곡률 반경, θ는 원호각인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 구동기에 있어서, 상기 프레임은 상기 고분자 유전체 필름과 같은 재료로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 구동기에 있어서, 상기 고분자 유전체 필름은 스핀 코팅에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 구동기에 있어서, 상기 유연한 전극은 카본 파우더 용액을 스프레이하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 구동기에 있어서, 상기 구동기는 연속한 다층구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 구동기에 있어서, 상기 연속한 다층구조의 최 상단 및 하단 면에 보호필름이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 구동기에 있어서, 상기 상단 및 하단의 보호필름은 각각 5 내지 20㎛로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 구동기에 있어서, 상기 구동기의 전체 두께는 200 내지 600㎛로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 구동기에 있어서, 상기 구동기의 표면에 엠보싱을 형성한 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 구동기에 있어서, 상기 엠보싱은 소형 주조 틀과 핫 프레스에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 구동기에 있어서, 상기 핫 프레스는 일정 압력과 150 내지 190도의 온도로 조절되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 구동기에 있어서, 상기 구동기의 변위 및 출력힘은 일관된 방향으로 균일하게 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 촉각 제시 장치는 비압축성 성질을 갖는 고분자 유전체 필름, 상기 고분자 유전체 필름의 상하면에 각각 코팅된 전극 및 상기 고분자 유전체 필름의 외각을 고정하는 프레임을 포함하는 구동기를 다수개 사용하여 매트릭스로 배열된 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 촉각 제시 장치에 있어서, 상기 구동기를 10 X 10(100개의 촉각 자극 요소 내장) 매트릭스 배열로 마련하고, 그 전체 크기가 31mm X 31mm인 경우, 촉각 자극 요소의 간격이 중심에서 중심까지 3mm, 촉각 자극 요소의 크기가 2mm인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 촉각 제시 장치에 있어서, 상기 촉각 자극 요소는 각각 독립적으로 구동이 가능한 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 촉각 제시 장치에 있어서, 상기 100개의 촉각 자극 요소는 총 무게가 0.55g, 각 촉각 자극 요소의 변위가 1.8mm, 주파수 구동 역역이 10Hz이며, 상기 촉각 제시 장치의 전체 출력힘은 37N/kg 이상인 것을 특징으로
한다.
또 본 발명에 따른 촉각 제시 장치에 있어서, 상기 촉각 제시 장치는 유연한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 및 그밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명의 설명에 있어서는 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저 본 발명에 따른 고분자 유전체의 구동 원리를 간단하게 설명하면 도 1과 같이 나타낼 수 있으며 이는 다음과 같다. 도 1은 일반적인 고분자 유전체의 구동 원리를 나타낸 설명도이다.
얇은 탄성체 필름(10) 위에 유연한(compliant) 전극(20)을 입히고 전압을 공급하면 필름의 두께는 감소하고 면적은 늘어나는 변형이 발생한다. 이러한 변형은 정전기에 의하여 생성된 전기장으로부터 유발되는 것으로, 필름의 변형을 발생시키는 유효 압력σz 는 전기장의 방향으로 수축을 일으키며 다음과 같은 수학식 1에 의하여 구할 수 있다.
<수학식 1>
Figure 112005059383513-PAT00002
여기서 σ는 두께방향 스트레스, εr와 εo는 각각 고분자의 비유전율과 대기 중에서의 절대 유전율을 나타내며, E는 전기장, V와 t는 전압과 최종 두께를 나타낸다.
그러므로, 유효 압력σz에 의해서 유발된 변형율은 작용된 전기장의 제곱에 비례한다.
고분자 유전체는 비압축성이기 때문에 전압을 가했을 경우, 두께 방향으로 수축이 발생하면서 면적 방향으로 팽창이 된다. 압축력에 의한 최종 두께t 는 다 음과 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 2>
Figure 112005059383513-PAT00003
여기에서 δz는 수직 방향 변형률이며, to는 초기 두께이다. 상기 수학식 1과 수학식 2를 이용하여 δz에 의한 z방향의 변형률로 정리하면 수학식 3과 같다.
<수학식 3>
Figure 112005059383513-PAT00004
여기에서 Y는 재료의 인장 강도, δx는 수직 방향 변형률이다. 수학식 3에서 우변은 전압에 따른 상수항이므로, 수학식 3은 δz에 대한 3차 방정식으로 나타내면 수학식 4와 같다.
<수학식 4>
Figure 112005059383513-PAT00005
또한 수평 방향 변형률 δr은 다음과 같이 계산할 수 있다.
<수학식 5>
Figure 112005059383513-PAT00006
δr은 수학식 5와 같이 구할 수 있으나 급수전개를 통하여 근사치를 구해보면 다음과 같다.
<수학식 6>
Figure 112005059383513-PAT00007
이와 같은 과정을 통하여 고분자 유전체의 수직, 수평 방향에 대한 변형량을 모두 구할 수 있으며, 이러한 고분자 유전체의 기본 구동원리를 다른 외부 장치의 사용 없이 그대로 구동기로 응용할 수 있다.
상술한 바와 같은 고분자 유전체의 기본 구동원리를 이용하여 촉각 제시 장치의 구동기를 만들기 위해서는 고분자 유전체의 수평 방향 변형을 수직방향 변형으로 변화시켜야 한다.
따라서 본 발명에서는 도 2에 도시된 바와 같은 “진동판 방법(Diaphragm Method)"를 사용한다. 도 2는 고분자 유전체의 일반적인 구동 원리를 프레임을 이용하여 좌굴을 유도, 수직방향 구동을 나타낸 설명도이다.
이 진동판 방법은 도 2(a)와 같이 유연한 전극(100, 200)이 코팅되어 있는 고분자 유전체 필름(10)의 외각 즉, 비구동 영역(전극이 코팅되어 있지 않은 부분) 을 프레임(300)을 사용하여 고정한 후, 전기장을 인가하면 비압축성 재료인 유전체 필름(10)은 수직 방향으로 압축력이 작용하여 수평 방향으로 필름이 팽창하게 된다. 이때, 고분자 유전체 필름(10)의 구동 영역의 외각이 고정되어 있어 수평방형 팽창 변형은 프레임(300)에 의한 간섭으로 버클링(“Buckling")이 발생하여 좌굴이 생기게 되며, 이는 도 2(b)와 같이 중심부의 원형 돌출로 나타나게 된다. 또한 본 발명에서 사용하는 프레임(300)은 구동기와 같은 재료 또는 매우 유사한 유연한 재료를 사용함으로 구동기의 유연성이 떨어지는 것을 방지 하였다. 위에서 언급한 구동 원리는 도 2에 나타낸 원주 길이 b로부터 기하학적으로 간단하게 정의 할 수 있다.
먼저 변형율 δa에 대한 곡률 반경r과 θ의 변화는 다음과 같이 구해진다.
<수학식 7>
Figure 112005059383513-PAT00008
<수학식 8>
Figure 112005059383513-PAT00009
상기 수학식 8에서 sin(θ/2)를 2차까지 급수전개하면,
<수학식 9>
Figure 112005059383513-PAT00010
수학식 9을 수학식 8에 대입하고 정리하면 다음과 같다.
<수학식 10>
Figure 112005059383513-PAT00011
앞서 수학식 2, 3, 4, 5를 이용하여 δa를 구할 수 있으며, 수학식 9에서 θ를 얻을 수 있다.
또한, 곡률 반경 r=[(1+ δa)a]/θ와 같다. 따라서 얻고자 하는 변위 h는 다음 식을 통해서 계산된다.
<수학식 11>
Figure 112005059383513-PAT00012
다음에 본 발명에 따른 구동기의 제작과정을 도 3에 따라 설명한다. 도 3은 구동기의 제작과정을 간단하게 도시화 한 것이다.
스핀 코팅을 이용하여 수 ㎛ 두께의 얇은 고분자 필름의 제작 후, 필름 위에 공압 노즐을 이용하여 유연한 전극(카본 파우더 용액)을 스프레이 하여 전극을 형성시키는 일련의 과정을 연속적으로 수행하여 고분자 필름을 적층시킨다. 전극은 미리 결정되어진 형상대로 도포시키기 위해 필름 표면의 도포되지 않아야 하는 영역을 마스크한 후 스프레이를 하게 된다.
이때 고분자 필름은 구동 전압을 낮추기 위해 매우 얇은 두께로 적층하며, 이는 도 4와 같은 다층(Multi-Layer) 구조로 이루어지게 된다. 도 4는 도 3의 방 법을 연속적으로 수행하여 구동기를 적층한 단면도이다.
도 3과 같은 일련의 과정에 의해 실제로 제작된 촉각 제시 장치의 필름은 총 18층으로 이루어져 있으며, 구동기의 전체 두께는 200 내지 600㎛, 바람직하게는 약 400㎛로 형성되어 진다. 또한 완성된 고분자 필름은 구동시 사물과의 접촉으로 인한 손상을 방지하기 위해 도 4에서와 같이 필름의 최 상단 및 하단 면에 5 내지 20㎛, 바람직하게는 10㎛ 두께의 보호필름(400)을 입혀 주었다. 이는 차후에 사용자와 전도성 층의 직접적인 접촉 또한 방지하여 사용자에게 전기적인 충격을 주는 것을 예방하여 준다.
도 5는 실제 제작된 구동기 필름을 나타낸 것으로 총 크기는 31mm X 31mm, 촉각 자극 요소중심에서 중심까지의 간격(Spacing)은 3mm, 촉각 자극 요소의 크기는 2mm로 구성되어져 있다.
이와 같은 과정으로 구동기의 제작이 끝나면, 균일한 구동 방향을 부여해 주기 위해 도 6에서 나타낸바와 같이 핫 프레스(Hot-press)를 이용하여 필름의 표면에 엠보싱(Embossing)을 형성시킨다. 도 6은 도 2에서 도시된 구동을 원하는 방향으로 구동시키기 위하여 구동 방향을 결정하는 방법을 나타낸 설명도이다.
이때, 균일한 엠보싱을 형성시키기 위해 소형 주조 틀(Micro mold die)(500)을 사용하며, 핫 프레스의 온도는 150 내지 190도, 바람직하게는 170도로 조절한다. 이렇게 제작된 구동 필름은 도 7과 같이 2.5 차원의 형태를 갖으며, 엠보싱된 돌출 면은 앞에서 언급한 필름의 적층시에 코팅하는 유연한 전극(100, 200)이 코팅되어 있으며, 이는 차후에 촉각 자극 요소로서 구동을 하게 된다.
여기서 언급한 엠보싱은 안정적인 수직 방향 구동을 위해서는 꼭 필요한 것으로, 만약 엠보싱을 하지 않고 필름의 굽힘으로 발생하는 변위만을 사용하면 변위 및 출력 힘이 수직 방향 아래, 위로 불균일하게 동시에 작용하여 요구되는 구동방향(즉, 한쪽 방향 구동)으로의 원활한 구동이 이루어지지 않기 때문이다.
도 8은 상술한 바와 같은 모든 과정을 거쳐 실제로 제작한 10 X 10 매트릭스 배열(Matrix array)의 촉각 제시 장치로서, 도 8a는 촉각 제시 장치의 상면도이고, 도 8b는 촉각 제시 장치의 측면도이다. 이는 도 9와 같이 매우 유연한 성질을 갖고 있어서 착용 가능한 특성을 지닌다.
본 발명에서는 촉각 제시 장치 구동기로서의 성능을 평가하기 위해 변위 및 출력 힘, 주파수 응답 성능에 대하여 실험을 실행하였다.
변위 실험은 구동 주파수 10Hz 영역에서 구동 입력 전압을 0~3Kv 까지 변화를 주어 측정하였다. 실험 결과 도 10에서와 같이 촉각 자극 요소의 최대 변위는 1.8mm 로 나타났으며, 이때 구동에 필요한 최대 소모 전류는 0.1mA 이하로 사용자에게 아주 미세한 전기적 충격을 주는 정도였다.
따라서, 제안된 촉각 자극 요소는 촉각 제시 장치로 충분히 사용 가능한 변위 성능을 지니고 있음을 알 수 있었다.
주파수 응답 성능 실험은 구동 전압 2㎸에서 구동 주파수를 0~300Hz 까지 점차적으로 증가시키면서 측정하였으며, 실험 결과 도 11과 같이 10Hz 정도의 대역폭(bandwidth)을 갖고 있음을 알 수 있었다.
이와 같은 결과는 대부분 촉각 제시 장치 기판의 부드러움이 원인으로 작용 하는 것으로, 촉각 제시 장치의 유연성에 부정적인 영향을 주더라도 조금 덜 부드러움 기판의 사용 등과 같은 장치 구조상의 단단함을 증가시킴으로서 쉽게 해결 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실험은 구동기 자체 성능만을 측정하기 위하여 전기적은 제어를 사용하지 않은 일반적인 결과이므로, 실제 장치로의 사용시 전기적인 제어 방법을 적용하면 구조상의 단단함을 증가시키지 않고도 약 200Hz 정도의 매우 높은 주파수 응답 성능을 갖게 될 것이라고 확신한다.
도 12는 하나의 촉각 자극 셀에 대한 출력 힘을 측정한 결과이다. 실험에 사용된 10×10 촉각 제시 장치 모듈의 총 무게는 0.55g이다. 이때 실험 결과로부터 알 수 있는 출력 힘-모듈의 무게 비를 고려하면, 하나의 모듈은 37 N/Kg 이상의 출력 힘을 낼 수 있음을 알 수 있으며, 부가적인 기계적 전달 장치를 적용하지 않은 기존의 다른 구동기들과 비교 할 경우 매우 효과적인 구동 성능을 지니고 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 구동기의 출력 힘은 구동기 제작시 필름의 적층 횟수 따라 증가가 가능하지만, 필름의 적층 횟수가 증가하면 장치의 유연성 또한 비례하여 감소한다는 사항을 고려하여야 한다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
즉, 상기 실시예에 있어서는
실시예에 대해 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며
도 실현할 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자 유전체를 이용한 구동기는 기존의 다른 구동기에 비하여 유연하다는 장점을 지니고 있으며, 구동 방향을 제시하는데 있어 선장력 방식이 아닌 구동 필름의 형태 변형을 통한 제시 방법을 사용하여 구동기 성능의 저하에 대한 문제점을 해결할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 촉각 제시 장치는 구동기의 유연성을 그대로 사용하기 때문에 개발된 촉각 제시 장치 또한 매우 유연한 특징을 갖고 있어 착용 가능한 촉각 제시 장치 등의 넓은 범위에서의 응용성을 가능하게 하는 효과도 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 고분자 재료 하나만을 사용하여 구동기의 제작이 가능함으로, 제작과정이 매우 쉬우며, 효율적인 비용절감이 가능하다는 효과도 얻어진다.

Claims (32)

  1. 비압축성 성질을 갖는 고분자 유전체를 이용한 구동기로서,
    고분자 유전체 필름,
    상기 고분자 유전체 필름의 상하면에 각각 코팅된 전극 및
    상기 고분자 유전체 필름의 외각을 고정하는 프레임을 포함하며,
    상기 전극은 유연한 전극인 것을 특징으로 하는 구동기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구동기에 전기장을 인가하면, 상기 고분자 유전체 필름은 그 중심부의 원형으로 돌출하는 것을 특징으로 하는 구동기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 고분자 유전체 필름의 돌출 높이 h는
    Figure 112005059383513-PAT00013
    로 정의되며, 여기서 r은 곡률 반경, θ는 원호각인 것을 특징으로 하는 구동기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 고분자 유전체 필름과 같은 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 구동기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 유전체 필름은 스핀 코팅에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 구동기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 유연한 전극은 카본 파우더 용액을 스프레이하여 형성되는 것을 특징으로 하는 구동기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 구동기는 연속한 다층구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 구동기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 연속한 다층구조의 최 상단 및 하단 면에 보호필름이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 구동기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 상단 및 하단의 보호필름은 각각 5 내지 20㎛로 형성되는 것을 특징으로 하는 구동기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 구동기의 전체 두께는 200 내지 600㎛로 형성되는 것을 특징으로 하는 구동기.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 구동기의 표면에 엠보싱을 형성한 것을 특징으로 하는 구동기.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 엠보싱은 소형 주조 틀과 핫 프레스에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 구동기.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 핫 프레스는 일정 압력과 150 내지 190도의 온도로 조절되는 것을 특징으로 하는 구동기.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 구동기의 변위 및 출력힘은 일관된 방향으로 균일하게 발생하는 것을 특징으로 하는 구동기.
  15. 비압축성 성질을 갖는 고분자 유전체 필름, 상기 고분자 유전체 필름의 상하면에 각각 코팅된 전극 및 상기 고분자 유전체 필름의 외각을 고정하는 프레임을 포함하는 구동기를 다수개 사용하여 매트릭스로 배열된 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 구동기를 10 X 10(100개의 촉각 자극 요소 내장) 매트릭스 배열로 마련하고, 그 전체 크기가 31mm X 31mm인 경우, 촉각 자극 요소의 간격이 중심에서 중심까지 3mm, 촉각 자극 요소의 크기가 2mm인 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 촉각 자극 요소는 각각 독립적으로 구동이 가능한 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 100개의 촉각 자극 요소는 총 무게가 0.55g, 각 촉각 자극 요소의 변위가 1.8mm, 주파수 구동 역역이 10Hz이며, 상기 촉각 제시 장치의 전체 출력힘은 37N/kg 이상인 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 촉각 제시 장치는 유연한 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  20. 제 15항에 있어서,
    상기 구동기에 전기장을 인가하면, 상기 고분자 유전체 필름은 그 중심부의 원형으로 돌출하는 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 고분자 유전체 필름의 돌출 높이 h는
    Figure 112005059383513-PAT00014
    로 정의되며, 여기서 r은 곡률 반경, θ는 원호각인 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  22. 제 15항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 고분자 유전체 필름과 같은 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  23. 제 15항에 있어서,
    상기 고분자 유전체 필름은 스핀 코팅에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 유연한 전극은 카본 파우더 용액을 스프레이하여 형성되는 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 구동기는 연속한 다층구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 연속한 다층구조의 최 상단 및 하단 면에 보호필름이 형성되어 있는 것 을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 상단 및 하단의 보호필름은 각각 5 내지 20㎛로 형성되는 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 구동기의 전체 두께는 200 내지 600㎛로 형성되는 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  29. 제 15항에 있어서,
    상기 구동기의 표면에 엠보싱을 형성한 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  30. 제 29항에 있어서,
    상기 엠보싱은 소형 주조 틀과 핫 프레스에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  31. 제 30항에 있어서,
    상기 핫 프레스는 일정 압력과 150 내지 190도의 온도로 조절되는 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
  32. 제 31항에 있어서,
    상기 구동기의 변위 및 출력힘은 일관된 방향으로 균일하게 발생하는 것을 특징으로 하는 촉각 제시 장치.
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