KR20130042199A - 촉각 디스플레이 장치 및 모듈과, 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체 커플링을 통한 촉각 디스플레이 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 촉각 디스플레이 장치는 터치 스폿의 움직임을 통해 촉각을 전달하는 촉각 디스플레이 장치에 있어서, 외부의 전압을 인가받아 수축 및 팽창되는 전극부를 구비하는 액추에이터와, 양단의 크기가 다른 개구부를 형성하고, 상기 액추에이터와 연결되되 상기 개구부의 일단에 상기 전극부가 배치되는 프레임부와, 상기 개구부를 통해 상기 프레임부와 커플링되고, 일면이 상기 전극부와 접촉되며, 상기 전극부의 수축 및 팽창되는 힘에 의해 변형되는 변형부 및, 상기 개구부의 타단에 위치한 상기 변형부의 타면에 형성되며, 상기 전극부의 수축 및 팽창되는 힘에 의한 상기 변형부의 변형으로 인해 상하로 이동하는 터치 스폿을 포함한다. 따라서, 본 발명에 따른 촉각 디스플레이 장치는 제작과정을 단순화시키고 촉각 디스플레이 모듈을 소형화할 수 있는 환경을 제공한다.

Description

촉각 디스플레이 장치 및 모듈과, 그 방법{DEVICE, MODULE AND METHOD FOR TACTILE DISPLAY}

본 발명은 촉각 디스플레이 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 프레임과 전기 활성 고분자(EAP)를 이용한 액추에이터를 리기드(Rigid) 커플링으로 연결함으로써 제작과정을 단순화시키고 소형화시킨 촉각 디스플레이 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 방해될 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 전달받을 수 있는 분야를 일컫는 말로, 사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조종(teleoperation)에 관한 연구로부터 시작되었다.

그리고, 최근엔 인간과 기계의 인터페이스에서 촉각을 발생시키는 것은 소비자의 주요한 경향 중 하나가 된다. 특히, 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 그로 인한 의사소통의 중요성이 나날이 증가함으로써 햅틱 디스플레이의 중요성은 계속적으로 부각되어지고 있다.

일반적인 촉각 디스플레이 장치는 사용자의 피부와 접촉하는 부분의 변위 혹은 힘을 능동적으로 제어함으로서, 촉각을 자극하며, 이로부터 촉감을 전달한다. 이러한 촉각 디스플레이 장치의 핵심 기술은 좁은 면적에 다수의 촉각 자극 요소Tactile 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, 많은 연구자들이 1Hz에서 100um, 40Hz에서 10um이상의 움직임을 가질 수 있는 촉각 디스플레이(Tactile display)를 개발하기 위해 노력하고 있으며, 소형화와 제작의 용이함, 가벼움, 부드러움, 유연함, 높은 효율을 목표로 개발되어지고 있다.

즉, 종래의 기술은 액추에이터를 단순화시켜 소형화하고자 하였으나, 이러한 액추에이터는 두께방향으로의 작은 움직임만을 가지어 이를 증폭하기 위한 기술이 요구된다. 따라서, 최근에 액체를 통해 커플링함으로써 이를 구현하고자 하였으나, 이러한 방식은 액체를 고정하는 과정에서 접착이 어려울 뿐 아니라 제작이 복잡하며 소형화 및 배열 타입으로 제작하기 힘든 한계를 가진다.

[등록특허번호 10-0718896] 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.

따라서, 종래와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명의 목적은 고체 커플링을 통해 제작 과정을 단순화하고 집적된 모듈의 크기를 소형화시킬 수 있는 촉각 디스플레이 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 원뿔모양의 고체 커플링을 통해 액추에이터의 작은 움직임을 충분히 증폭할 수 있는 환경을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 액추에이터에 제공되는 전압의 크기에 따라 터치 스폿의 움직임을 조절함으로써 보다 다양한 표현이 가능한 환경을 제공하고자 한다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 촉각 디스플레이 장치는 터치 스폿의 움직임을 통해 촉각을 전달하는 촉각 디스플레이 장치에 있어서, 외부의 전압을 인가받아 수축 및 팽창되는 전극부를 구비하는 액추에이터와, 양단의 크기가 다른 개구부를 형성하고, 상기 액추에이터와 연결되되 상기 개구부의 일단에 상기 전극부가 배치되는 프레임부와, 상기 개구부를 통해 상기 프레임부와 커플링되고, 일면이 상기 전극부와 접촉되며, 상기 전극부의 수축 및 팽창되는 힘에 의해 변형되는 변형부 및, 상기 개구부의 타단에 위치한 상기 변형부의 타면에 형성되며, 상기 전극부의 수축 및 팽창되는 힘에 의한 상기 변형부의 변형으로 인해 상하로 이동하는 터치 스폿;을 포함한다.

그리고, 본 발명의 상기 변형부는상기 일단에서 상기 타단으로 크기가 작아지는 상기 개구부에 원뿔모양으로 커플링되는 물리적인 힘에 의해 상기 터치 스폿을 상승시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 변형부는 상기 전극부에 전압이 제공된 경우, 상기 전극부의 두께방향으로의 수축과 반경방향으로의 팽창되는 힘에 의해 변형되고, 상기 변형으로 인해 상기 터치 스폿이 하강하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 변형부는 탄성을 지닌 고체로 형성되며, 실리콘 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 촉각 디스플레이 모듈은 하나 이상의 상기 촉각 디스플레이 장치가 배열되어 복수 개의 터치 스폿을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 촉각 디스플레이 방법은 터치 스폿을 통해 촉각을 전달하는 촉각 디스플레이 방법에 있어서, 고체로 이루어진 변형부가 액추에이터와 연결되되, 양단의 크기가 다른 개구부를 구비한 프레임부에 커플링되는 물리적인 힘에 의해 상기 터치 스폿이 상승하는 단계와, 상기 액추에이터에 구비된 전극부가 외부로부터의 전압에 의해 수축 및 팽창되는 단계와, 상기 전극부의 수축 또는 팽창하는 힘에 의해 상기 터치 스폿이 하강하는 단계를 포함하여, 복수 개의 터치 스폿이 외부의 전압에 따라 개별적으로 상승 또는 하강함으로써 촉각을 전달하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 수축 및 팽창하는 단계는 상기 전극부에 전압이 제공된 경우, 상기 전극부가 두께방향으로 수축되고, 반경방향으로 팽창되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이,본 발명의 촉각 디스플레이 장치는 고체 커플링을 통해 제작 과정을 단순화하고 집적된 모듈의 크기를 소형화시킬 수 있는 촉각 디스플레이 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 촉각 디스플레이 장치는 원뿔모양의 고체 커플링을 통해 액추에이터의 작은 움직임을 충분히 증폭할 수 있는 환경을 제공한다.

또한, 본 발명의 촉각 디스플레이 장치는 액추에이터에 제공되는 전압의 크기에 따라 터치 스폿의 움직임을 조절함으로써 보다 다양한 표현이 가능한 환경을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 촉각 디스플레이 장치의 시스템 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 촉각 디스플레이 장치의 결합된 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 전압이 제공된 경우의 움직임의 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 촉각 디스플레이 장치를 배열한 촉각 디스플레이 모듈에 따른 표현의 예이다.
도 5는 도 4의 촉각 디스플레이 모듈에 따른 X-X`의 단면을 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명에 따른 촉각 디스플레이 장치의 동작 과정을 도시한 순서도이다.

본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.

이하 첨부된 도 1 내지 도 6를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 촉각 디스플레이 장치의 시스템 분해 사시도이다.

따라서, 본 발명에 따른 촉각 디스플레이 장치는 액추에이터(10), 프레임부(14), 변형부(18) 및, 터치 스폿(20) 및, 플레이트(22)를 포함한다.

액추에이터(10)(Actuator)는 전기 활성 고분자(Electro Active Polymer, EAP)로 구성되며, 외부의 신호에 따라 구동된다. 액추에이터(10)는 후술할 프레임부(14)의 하단과 연결되고, 외부의 신호에 따라 변형부(18)의 변형을 유도한다.

이러한 액추에이터(10)는 외부로부터 전압을 인가받아 수축 및 팽창되는 전극부(12)를 포함한다. 전극부(12)는 양단에 전극을 구비하고, 그 사이에 전기 활성 고분자가 구비된다.

전극부(12)는 프레임부(14)에 형성된 개구부의 일단(16a)과 매칭된다. 전극부(12)는 외부로부터 전압이 인가되었을때, 맥스웰 스트레스(Maxwell stress)에 의해 두께 방향의 수축과 반경방향의 팽창이 발생된다.

프레임부(14)는 액추에이터(10)의 상단에 배치되며, 후술할 변형부(18)와 커플링된다. 프레임부(14)는 양단의 크기가 다른 개구부(16)를 형성한다.

도 1에 도시된 개구부(16)는 본 발명의 일실시예에 따라 일단(16a)에서 타단(16b)으로 크기가 작아지는 원뿔모양이다. 그러나, 개구부(16)는 이러한 구성에 한정되지 않고, 원형, 사각형 등으로도 형성할 수 있으며, 변형부(18)의 변형을 유도할 수 있는 어떠한 구성도 포함한다.

개구부의 일단(16a)은 액추에이터(10)에 형성된 전극부(12)가 배치되고, 개구부(16) 사이로 변형부(18)가 커플링됨으로서, 개구부의 타단(16b)에 후술할 터치 스폿(20)이 형성된다.

따라서, 본 발명의 촉각 디스플레이 장치는 원뿔모양의 고체 커플링을 통해 액추에이터(10)의 작은 움직임을 충분히 증폭할 수 있다.

변형부(18)는 상기 개구부(16)를 통해 상기 프레임부(14)에 커플링된다. 변형부(18)는 일면(18a)이 상기 개구부의 일단(16a)에 배치된 전극부(12)와 접촉되며, 변형부의 타면(18b)에 터치 스폿(20)을 형성한다.

변형부(18)는 상기 프레임부(14)에 커플링됨으로써 발생되는 물리적인 힘과, 상기 전극부(12)의 수축 및 팽창되는 힘에 의해 변형되며, 이러한 변형으로 후술할 터치 스폿(20)을 상승 또는 하강시킨다.

여기서, 변형부(18)는 본 발명의 일실시예에 따라 탄성을 지닌 고체로 형성된다. 따라서, 변형부(18)는 전극부(12)의 움직임에 따라 변형되는 것으로, 전극부(12)의 움직임을 증폭한다. 그리고, 상기 탄성을 지닌 고체는 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 재질로 이루어질 수 있으며, 폴리머와 같이 변형될 수 있는 어떠한 물질로 구성될 수 있다.

따라서,본 발명의 촉각 디스플레이 장치는 변형부(18)의 재질을 탄성이 있는 고체로 형성함으로써 제작 과정을 단순화하고 집적된 모듈의 크기를 소형화시킬 수 있는 장점이 있다.

터치 스폿(20)은 상하 이동을 통해 사용자에게 촉감을 전달한다. 터치 스폿(20)은 프레임부(14)에 커플링됨으로서 발생되는 물리적인 힘과 전극부(12)의 수축 및 팽창되는 힘에 의한 변형부(18)의 변형으로 인해 상하로 이동한다.

터치 스폿(20)은 개구부의 타단(16b)에 위치한 변형부의 타면(18b)에 형성된다. 따라서, 본 발명의 촉각 디스플레이 장치는 액추에이터(10), 프레임부(14) 및, 변형부(18)의 결합을 통해 터치 스폿(20)을 형성한다.

터치 스폿(20)은 프레임부(14)에 커플링됨으로서 발생되는 물리적인 힘에 의해 상승된다. 그리고, 터치 스폿(20)은 외부 신호에 따른 전극부(12)의 변화 및 이에 따른 변형부(18)의 변형을 통해 하강하며, 이러한 상하 이동을 통해 사용자에게 촉감을 전달한다.

그리고, 본 발명의 촉각 디스플레이 장치는 전극부(12)에 인가되는 전압의 크기에 따라 상승 또는 하강하는 터치 스폿(20)의 크기를 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명의 촉각 디스플레이 장치는 액추에이터(10)에 제공되는 전압의 크기에 따라 터치 스폿(20)의 움직임을 조절함으로써 보다 다양한 표현이 가능한 환경을 제공한다.

또한, 본 발명의 촉각 디스플레이 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 홀을 지닌 플레이트(22)를 통해 상기 홀에 변형부(18)를 삽입하여 터치 스폿(20)을 형성할 수도 있다. 따라서, 도 1에 따른 촉각 디스플레이 장치는 플레이트(22)를 프레임부(14) 부착함으로써 터치 스폿(20)이 안정적으로 형성되도록 유도하고, 터치 스폿(20)을 보호할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 촉각 디스플레이 장치의 결합된 단면을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 전압이 제공된 경우의 움직임의 단면을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 촉각 디스플레이 장치는 액추에이터(10)의 상단에 프레임부(14)가 적층되며, 프레임부(14) 내에 배치된 개구부(16)에 변형부(18)가 결합된다. 변형부(18)는 개구부(16)를 통해 액추에이터(10)의 전극부(12)와 연결된다. 따라서, 변형부(18)는 개구부(16)에 커플링되는 물리적인 힘에 의해 변형부(18)의 상단에 돌출된 터치 스폿(20)을 형성한다.

도 3을 참조하면, 전극부(12)에 외부로부터 전원이 인가된 경우, 전극부(12)에 구비된 폴리머를 통해 두께 방향으로 수축과 반경 방향으로의 팽창이 발생된다. 그리고, 변형부(18)가 이러한 전극부(12)의 수축과 팽창을 따라 변형되며, 변형부(18)의 변형으로 인해 터치 스폿(20)이 하강한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 촉각 디스플레이 장치를 배열한 촉각 디스플레이 모듈에 따른 표현의 예이다.

촉각 디스플레이 모듈은 하나 이상의 상기 촉각 디스플레이 장치가 배열된 것으로, 복수 개의 터치 스폿(20)을 형성한다. 그리고, 터치 스폿(20)은 외부의 신호에 따라 상승 또는 하강함으로서 도 4에 도시된 바와 같이 문자를 표현하거나, 그림 등과 같은 다양한 표현을 사용자에게 전달할 수 있다.

도 5는 도 4의 촉각 디스플레이 모듈에 따른 X-X`의 단면을 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 촉각 디스플레이 모듈에는 복수 개의 촉각 디스플레이 장치가 배열되어 있으며, 각각의 촉각 디스플레이 장치가 터치 스폿(20)을 형성한다. 그리고, 각각이 터치 스폿(20)이 상승 또는 하강하여 사용자에게 촉감을 전달하게 됨을 보여준다.

도 6은 본 발명에 따른 촉각 디스플레이 장치의 동작 과정을 도시한 순서도이다.

우선, 촉각 디스플레이 장치는 변형부(18)가 프레임부(14)에 커플링되어 터치 스폿(20)을 형성하며, 형성된 터치 스폿(20)은 커플링되는 물리적인 힘에 의해 상승된다(S10).

외부 신호에 따른 전압을 전극부(12)에 제공하면, 상기 전압에 의해 전극부(12)가 맥스웰 스트레스에 의해 두께 방향으로 수축되고, 반경 방향으로 팽창이 발생된다(S12,S14).

그리고, 전극부(12)의 수축과 팽창되는 힘은 변형부(18)의 변형을 유도하고, 이로 인해 터치 스폿(20)이 하강하게 된다(S16,S18).

따라서, 복수 개의 터치 스폿(20)을 구비한 촉각 디스플레이 모듈은 외부의 전압에 따라 각각의 터치 스폿(20)이 개별적으로 상승 또는 하강함으로써 사용자에게 촉각을 전달하게 된다(S20).

이상에서, 본 발명에 따른 촉각 디스플레이 장치의 구성 및 작용을 상세한 설명과 도면에 따라 도시하였지만, 이는 실시예를 들어 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다.

액추에이터: 10 전극부: 12
프레임부: 14 개구부: 16
개구부 일단: 16a 개구부 타단: 16b
변형부: 18 변형부 일면: 18a
변형부 타면: 18b 터치 스폿: 20
플레이트: 22

Claims (8)

1. 터치 스폿의 움직임을 통해 촉각을 전달하는 촉각 디스플레이 장치에 있어서,
   외부의 전압을 인가받아 수축 및 팽창되는 전극부를 구비하는 액추에이터;
   양단의 크기가 다른 개구부를 형성하고, 상기 액추에이터와 연결되되 상기 개구부의 일단에 상기 전극부가 배치되는 프레임부 및;
   상기 개구부를 통해 상기 프레임부와 커플링되고, 일면이 상기 전극부와 접촉되며, 상기 전극부의 수축 및 팽창되는 힘에 의해 변형되는 변형부;
   상기 개구부의 타단에 위치한 상기 변형부의 타면에 형성되며, 상기 전극부의 수축 및 팽창되는 힘에 의한 상기 변형부의 변형으로 인해 상하로 이동하는 터치 스폿;을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 디스플레이 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 변형부는
   상기 일단에서 상기 타단으로 크기가 작아지는 상기 개구부에 원뿔모양으로 커플링되는 물리적인 힘에 의해 상기 터치 스폿을 상승시키는 것을 특징으로 하는 촉각 디스플레이 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 변형부는
   상기 전극부에 전압이 제공된 경우,
   상기 전극부의 두께방향으로의 수축과 반경방향으로의 팽창되는 힘에 의해 변형되고, 상기 변형으로 인해 상기 터치 스폿이 하강하는 것을 특징으로 하는 촉각 디스플레이 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 변형부는
   탄성을 지닌 고체로 형성되는 것을 특징으로 하는 촉각 디스플레이 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 변형부는
   실리콘 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 촉각 디스플레이 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   하나 이상의 상기 촉각 디스플레이 장치가 배열되어 복수 개의 터치 스폿을 형성하는 것을 특징으로 하는 촉각 디스플레이 모듈.
7. 터치 스폿을 통해 촉각을 전달하는 촉각 디스플레이 방법에 있어서,
   고체로 이루어진 변형부가 액추에이터와 연결되되, 양단의 크기가 다른 개구부를 구비한 프레임부에 커플링되는 물리적인 힘에 의해 상기 터치 스폿이 상승하는 단계;
   상기 액추에이터에 구비된 전극부가 외부로부터의 전압에 의해 수축 및 팽창되는 단계;
   상기 전극부의 수축 또는 팽창하는 힘에 의해 상기 터치 스폿이 하강하는 단계;를 포함하여,
   복수 개의 터치 스폿이 외부의 전압에 따라 개별적으로 상승 또는 하강함으로써 촉각을 전달하는 것을 특징으로 하는 촉각 디스플레이 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 수축 및 팽창하는 단계는
   상기 전극부에 전압이 제공된 경우, 상기 전극부가 두께방향으로 수축되고, 반경방향으로 팽창되는 것을 특징으로 하는 촉각 디스플레이 방법.

Images