KR20150083482A - 정전기력 기반의 폴리머 액추에이터를 이용한 플렉서블 햅틱모듈 및 촉감제공방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 정전기력 기반의 폴리머 액추에이터를 이용한 플렉서블 햅틱모듈 및 촉감제공방법에 관한 것이다.본 발명의 일예와 관련된 초박형 플렉서블 햅틱모듈은 전도성 멤브레인과 상기 전도성 멤브레인의하면에 구비되고 유연성을 갖는 유연전극을 포함하되, 상기 전도성 멤브레인과 유연전극 사이에서 발생되는 정전기 압력(Electrostatic Pressure)을 통한 상기 전도성 멤브레인의 형상변화 및 상하구동 중 적어도 하나를 이용하여 촉감이 제공될 수 있다.
Description
본 발명은 정전기력 기반의 폴리머 액추에이터를 이용한 플렉서블 햅틱모듈 및 촉감제공방법에 관한 것이다.
일반적으로 햅틱(haptic)이란 물체를 만질 때, 사람의 핑거팁(손가락 끝 또는 스타일러스 펜)으로 느낄 수 있는 촉각적 감각으로서, 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감 피드백(Tactile feedback)과 관절과 근육의 움직임이 방해될 때 느껴지는 근감각 힘 피드백(Kinesthetic force feedback)을 포괄하는 개념이다.
사람의 감각수용기로서, 기계적 자극의 수용기로는 고주파의 진동을 감지하는 파치니언소체(Pacinian corpuscle), 저주파의 진동을 감지하는 마이스너소체(Meissner's corpuscle), 국부적으로 누르는 압력을 감지하는 메르켈 디스크(Merkel's disc)와 피부를 눌려주는 스트레치를 감지하는 루피니엔딩(Ruffini's ending)가 있다. 이러한 다양한 촉감수용기를 자극하여, 현실감있는 촉감을 재현하기 위해선, 액추에이터의 주파수 대역폭이 중요하다. 촉감수용기들은 각각 활성화되는 주파수 범위가 다르기 때문에, 이들을 모두 자극하기 위해선 250Hz이상의 대역폭을 갖는 액추에이터가 필요하다.
상기의 250Hz 이상의 대역폭을 만족시키는 기존의 액추에이터로는 솔레노이드 액추에이터, DC/AC 모터, 서버모터, 초음파 액추에이터, 형상기억합금세라믹 액추에이터 등 다양한 액추에이터들이 있다. 촉감제시장치의 대표적인 예로는 모바일디바이스에서 터치스크린의 입력에 따라 진동모터로, 진동을 발생시켜 고주파/저주파의 진동을 감지하는 파치니언/마이스너소체를 자극하는 장치가 있다.
현재, 전기활성폴리머를 이용하여 개발된 촉감제시용 액추에이터들이 많이 이용되고 있으나 하기와 같은 문제점이 존재한다.
먼저, 전기활성폴리머의 출력성능을 높이기 위하여,폴리머를 Pre-Stretch하는데, 이것은 이 폴리머가 구동하는 중에나 외부의 충격이 가해졌을 때, 쉽게 찢어질 수 있는 기계적인 문제를 가지고 있다.
또한, 전기활성폴리머는 어레이로 프린팅 형식으로 제작하기가 용이하지만, 미세한 촉감을 전달하기 위한 Resolution 스펙(셀 중심간 간격 0.5mm 정도)까지 작게 만드는 것은 굉장히 어렵다는 문제점이 존재한다.
또한, 기존의 전기활성폴리머는 Bandwidth가 30~40 Hz 정도 밖에 나오지 않아, 파치니언소체를 자극하지 못하여, 다양한 재질감을 전달하기 어렵다는 문제점도 존재한다.
따라서 기계적으로 안정한 구조여서 Pre-Stretch를 하더라도 잘 찢어지지 않고, 사람이 손가락으로 실제로 느끼는 Resolution을 높이는 효과를 높이며, 폴리머의 상하에 전극을 입혀서 구동시키는 것의 주파수 한계를 극복하기 위해, 하단에 정전기력을 추가로 제공할 수 있는 플렉서블 전극레이어를 추가하여, 전기활성폴리머의 변위 및 힘도 향상시키고 Bandwidth도 높이는 구조가 현재 요구되고 있는 실정이다.
한편, 폴리머 기반의 햅틱 액추에이터는 어레이 형태로 개발이 용이하여 촉감제시장치로 개발되어 오고 있으나, 하기와 같은 문제점들 때문에 상용화에 어려움을 겪고 있다.
(1) 폴리머 기반의 액추에이터는보통 고분자 유전체의 상하에 유연한 전극을 도포하고 이에 고전압을 인가하여, 정전기 압축력에 의해 폴리머가 구동하는 형태로 구성된다. 이는 도 1에 도시되어 있고, 도 1의 내용은 발명의 상세한 설명에서 구체적으로 후술한다.
여기서 유연한 전극에 고전압이 인가되므로, 얇은 절연층으로 절연을 하지만 촉감을 느끼려는 사용자가 감전될 수 있는 쉬운 문제점을 가지고 있다.
(2) 또한, 고분자 유전체에 강한 전기장이 걸리게 되므로 구동 시 쉽게 Break down을 일으켜 고분자 유전체가 손상되는 신뢰성의 문제를 가지고 있다.
(3) 또한, 전기활성폴리머의 출력성능을 높이기 위하여, 고분자 유전체를 Pre-Stretch하는데, 이것은 이 유전체가 구동하는 중에나 외부의 충격이 가해졌을 때, 쉽게 찢어질 수 있는 기계적인 문제도 가지고 있다.
(4) 또한, 기존의 전기활성폴리머는 Bandwidth가 30~40 Hz 정도 밖에 나오지 않아, 파치니언소체를 자극하지 못하여, 다양한 재질감을 전달하기 어렵다는 문제점도 존재한다.
(5) 마지막으로, 전기활성폴리머는 어레이로 프린팅 형식으로 제작하기가 용이하지만, 미세한 촉감을 전달하기 위한 Resolution 스펙(셀 중심간 간격 0.5mm 정도)까지 작게 만드는 것은 굉장히 어렵다는 문제점이 존재한다.
따라서 이러한 어려움을 해결할 수 있는 방안이 현재 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 정전기력 기반의 폴리머 액추에이터를 이용한 플렉서블 햅틱모듈 및 촉감제공방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
구체적으로 본 발명은 전도성 멤브레인과 유연전극 사이에서 발생되는 정전기 압력(Electrostatic Pressure)을 통한 전도성 멤브레인의 형상변화 및 상하구동 중 적어도 하나를 이용하여 촉감을 제공하는 초박형 플렉서블 햅틱모듈 및 촉감제공방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 Break down이 구조적으로 완전이 발생하지 않으며, 사용자가 감전될 위험이 없으며, 기계적으로 안정한 구조여서 Pre-Stretch를 하더라도 잘 찢어지지 않고, 사람이 손가락으로 실제로 느끼는 Resolution을 높이는 효과를 높이며, 고분자 유전체의 상하에 전극을 입혀서 구동시키는 것의 주파수 한계를 극복한 초박형 플렉서블 햅틱모듈 및 촉감제공방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
구체적으로 본 발명은 상부에 전도성 폴리머를 배치하고, 상부의 폴리머에 정전기력을 제공할 수 있는 절연된 플렉서블 전극레이어를 하부에 구성함으로 폴리머의Break down및 사용자 감전 문제를 해결한 초박형 플렉서블 햅틱모듈 및 촉감제공방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전도성 폴리머와 플렉서블 전극레이어 사이에 유전상수가 기존 보다 낮은 물질(공기, 이온젤, 절연젤, 전기유변유체)을 배치시킴으로 기존의 전기활성폴리머보다 Bandwidth를 넓히도록 디자인한 초박형 플렉서블 햅틱모듈 및 촉감제공방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 폴리머를 코러게이티드 어레이 형태로 제작함으로 Resolution을 높이는 효과를 주고, 주파수 입력에 따라 마찰력이 제어되도록 한 초박형 플렉서블 햅틱모듈 및 촉감제공방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 초박형 플렉서블 햅틱모듈은 전도성 멤브레인과 상기 전도성 멤브레인의하면에 구비되고 유연성을 갖는 유연전극을 포함하되, 상기 전도성 멤브레인과 유연전극 사이에서 발생되는 정전기 압력(Electrostatic Pressure)을 통한 상기 전도성 멤브레인의 형상변화 및 상하구동 중 적어도 하나를 이용하여 촉감이 제공될 수 있다.
또한, 상기 전도성 멤브레인은 폴리머에 적어도 하나의 전도성 입자들을 섞어서 성형될 수 있다.
또한, 포인터가 상기 전도성 멤브레인을 수평방향으로 문지르는 제 1 동작이 수행되는 경우, 상기 제 1 동작에 의해 유도된 상기 포인터와 상기 전도성 멤브레인 사이의 전단력 변화에 의해 상기 촉감이 제공되고, 상기 포인터는 터치, 근접터치, 제스쳐(gesture)를 수행할 수 있는 물리적 수단일 수 있다.
또한, 상기 포인터는 손가락 및 스타일러스 펜을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 멤브레인은 적어도 일부가 주름진 코러게이티드 폴리머(Polymer)이고, 상기 적어도 일부가 주름진 형상을 이용하여 상기 전도성 멤브레인의 초기 마찰저항이 증가될 수 있다.
또한, 상기 코러게이티드 폴리머는 사각형 또는 원형의 형상에 사인파 형태로 주름질 수 있다.
또한, 상기 코러게이티드 폴리머는 상기 정전기 압력의 주기적인 변화에 따라 진동하여, 전단력 및 마찰력 중 적어도 하나를 변화시켜 상기 촉감을 제공할 수 있다.
또한, 상기 정전기 압력을 통해 변화된 상기 코러게이티드 폴리머의 사인파 형태 주름의 피치 및 높이 변화를 이용하여 상기 전도성 멤브레인의 형상을 변형시켜 상기 촉감을 제공할 수 있다.
또한, 상기 전도성 멤브레인과 유연전극 사이의 이격된 제 1 공간은 공기, 유전체 젤(Dielectric Gel), 이온 젤(Ionic Gel) 및 전기유변유체(Eletrorheological fluids) 중 적어도 하나로 채워질 수 있다.
한편, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 촉감제공방법은 전도성 멤브레인과 상기 전도성 멤브레인의하면에 구비된 유연전극 사이에 주기적인 정전기 압력(Electrostatic Pressure)이 발생되는 단계, 상기 발생된 주기적인 정전기 압력에 따라 상기 전도성 멤브레인이 특정주파수로 진동되는 단계와 포인터가 상기 전도성 멤브레인을 수평방향으로 문지르는 제 1 동작이 수행되는 단계와 상기 제 1 동작에 의해 유도된 상기 포인터와 상기 전도성 멤브레인 사이의 전단력 변화에 의해 촉감이 제공되는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 포인터는 터치, 근접터치, 제스쳐(gesture)를 수행할 수 있는 물리적 수단이고, 상기 포인터는 손가락 및 스타일러스 펜을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 멤브레인은 적어도 일부가 주름진 코러게이티드 폴리머이고, 상기 적어도 일부가 주름진 형상을 이용하여 상기 전도성 멤브레인의 초기 마찰저항이 증가될 수 있다.
또한, 상기 코러게이티드 폴리머는 상기 정전기 압력의 주기적 진동주파수가 증가함에 따라 마찰저항을 감소시켜 상기 촉감을 제공할 수 있다.
한편, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 초박형 플렉서블 햅틱모듈을 이용하여 촉감을 제공하는 방법을 수행하기 위하여 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있고, 상기 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 기록매체에 있어서, 상기 촉감제공방법은, 전도성 멤브레인과 상기 전도성 멤브레인의하면에 구비된 유연전극 사이에 주기적인 정전기 압력(Electrostatic Pressure)이 발생되는 단계, 상기 발생된 주기적인 정전기 압력에 따라 상기 전도성 멤브레인이 특정주파수로 진동되는 단계와 포인터가 상기 전도성 멤브레인을 수평방향으로 문지르는 제 1 동작이 수행되는 단계와 상기 제 1 동작에 의해 유도된 상기 포인터와 상기 전도성 멤브레인 사이의 전단력 변화에 의해 촉감이 제공되는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 주름진 코러게이티드 폴리머를 이용한 플렉서블햅틱모듈 및 촉감제공방법을 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 전도성 멤브레인과 유연전극 사이에서 발생되는 정전기 압력(Electrostatic Pressure)을 통한 전도성 멤브레인의 형상변화 및 상하구동 중 적어도 하나를 이용하여 촉감을 제공하는 초박형 플렉서블 햅틱모듈을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 Break down이 구조적으로 완전이 발생하지 않으며, 사용자가 감전될 위험이 없으며, 기계적으로 안정한 구조여서 Pre-Stretch를 하더라도 잘 찢어지지 않고, 사람이 손가락으로 실제로 느끼는 Resolution을 높이는 효과를 높이며, 고분자 유전체의 상하에 전극을 입혀서 구동시키는 것의 주파수 한계를 극복한 초박형 플렉서블 햅틱모듈 및 촉감제공방법을 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 상부에 전도성 폴리머를 배치하고, 상부의 폴리머에 정전기력을 제공할 수 있는 절연된 플렉서블 전극레이어를 하부에 구성함으로 폴리머의Break down및 사용자 감전 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 전도성 폴리머와 플렉서블 전극레이어 사이에 유전상수가 기존 보다 낮은 물질(공기, 이온젤, 절연젤, 전기유변유체)을 배치시킴으로 기존의 전기활성폴리머보다 Bandwidth를 넓히도록 디자인할 수 있다.
또한, 본 발명은 폴리머를 코러게이티드 어레이 형태로 제작함으로 Resolution을 높이는 효과를 주고, 주파수 입력에 따라 마찰력이 제어되도록 할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시례를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은폴리머의 사시도의 일례를 도시한 것이다.
도2는 전극판에 전압이 인가된 상태의 폴리머의 사시도의 일례를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명이 제안하는 초박형 플렉서블 햅틱모듈의 일례를 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에서 설명한 초박형 플렉서블햅틱모듈의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 본 발명과 관련된 다른 초박형 플렉서블햅틱모듈의 일례를 도시한 것이고, 도 5b는 도 5a의 동작을 수학적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 3 내지 도 5a에서 설명한 초박형 플렉서블햅틱모듈의 동작을 설명하기 위한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 초박형 플렉서블햅틱모듈이 적용된 구체적인 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 초박형 플렉서블햅틱모듈이 적용된 구체적인 다른 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 1은폴리머의 사시도의 일례를 도시한 것이다.
도2는 전극판에 전압이 인가된 상태의 폴리머의 사시도의 일례를 도시한 것이다.
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도 4a 및 도 4b는 도 3에서 설명한 초박형 플렉서블햅틱모듈의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 본 발명과 관련된 다른 초박형 플렉서블햅틱모듈의 일례를 도시한 것이고, 도 5b는 도 5a의 동작을 수학적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 3 내지 도 5a에서 설명한 초박형 플렉서블햅틱모듈의 동작을 설명하기 위한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 초박형 플렉서블햅틱모듈이 적용된 구체적인 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 초박형 플렉서블햅틱모듈이 적용된 구체적인 다른 일례를 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
일반적으로 햅틱(haptic)이란 물체를 만질 때, 사람의 핑거팁(손가락 끝 또는 스타일러스 펜)으로 느낄 수 있는 촉각적 감각으로서, 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감 피드백(Tactile feedback)과 관절과 근육의 움직임이 방해될 때 느껴지는 근감각 힘 피드백(Kinesthetic force feedback)을 포괄하는 개념이다.
사람의 감각수용기로서, 기계적 자극의 수용기로는 고주파의 진동을 감지하는 파치니언소체(Pacinian corpuscle), 저주파의 진동을 감지하는 마이스너소체(Meissner's corpuscle), 국부적으로 누르는 압력을 감지하는 메르켈 디스크(Merkel's disc)와 피부를 눌려주는 스트레치를 감지하는 루피니엔딩(Ruffini's ending)가 있다. 이러한 다양한 촉감수용기를 자극하여, 현실감있는 촉감을 재현하기 위해선, 액추에이터의 주파수 대역폭이 중요하다. 촉감수용기들은 각각 활성화되는 주파수 범위가 다르기 때문에, 이들을 모두 자극하기 위해선 250Hz이상의 대역폭을 갖는 액추에이터가 필요하다.
상기의 250Hz 이상의 대역폭을 만족시키는 기존의 액추에이터로는 솔레노이드 액추에이터, DC/AC 모터, 서버모터, 초음파 액추에이터, 형상기억합금세라믹 액추에이터 등 다양한 액추에이터들이 있다. 촉감제시장치의 대표적인 예로는 모바일디바이스에서 터치스크린의 입력에 따라 진동모터로, 진동을 발생시켜 고주파/저주파의 진동을 감지하는 파치니언/마이스너소체를 자극하는 장치가 있다.
하지만 실제와 동일한 미세한 촉감을 구현하기 위해선, 사람이 구분 가능한 대역폭인 250Hz 보다 훨씬 높은 수 kHz의 대역폭을 제공할 수 있는 액추에이터가 필요하다. 이머젼사(immersion.com)에선 모바일기기에서 대역폭이 높은 피에조 액추에이터로 수 kHz의 대역폭을 제공하는 HD(High Definition) Haptic Device를 개발하였다. 피에조 액추에이터는 응답속도가 1ms정도로 빨라, 높은 대역폭을 갖는 장점이 있지만, 생성할 수 있는 변위가 작고 Brittle하여 Portable Device에 장착하기 어려운 단점을 가지고 있다.
상기의 HD(High Definition) Haptic Device를 구현하기 위해선, 수넓은 주파수 대역 뿐만 아니라, 높은 Resolution을 갖는 조밀한 구동기의 배열이 필요하다. 상기와 같은 배열을 하기 위해 기존의 액추에이터 설계 방식으론 한계가 있으므로, 본 발명에선 고분자 유전체에 Texture를 표현할 수 있는 유연 전극(Flexible Electrode)의 배열을 고안하였다.
도 1 고분자유전체(1)의 사시도를 도시한 것이고, 도 2는 전극층(2)에 전압이 인가된 상태의 고분자유전체(1)의 사시도를 도시한 것이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 고분자유전체(1)의 구동원리는 얇은 고분자유전체(1) 필름 위에 유연한 전극층(2)을 입히고 전압을 공급하면 필름의 두께는 감소하고 면적은 늘어나는 변형이 발생한다. 이러한 변형은 정전기에 의하여 생성된 전기장으로부터 유발되는 것으로, 필름의 변형을 발생시키는 유효 압력σz는 전기장의 방향으로 수축을 일으키며 다음과 같은 수학식 1에 의하여 구할 수 있다.
여기서 σ는 두께방향 스트레스, εr와 εo는 각각 고분자의 비유전율과 대기 중에서의 절대 유전율을 나타내며, E는 전기장, V와 t는 전압과 최종 두께를 나타낸다.
이러한 고분자 유전체(1)의 기본 구동원리를 다른 외부 장치의 사용 없이 그대로 구동기로 응용할 수 있다.
한편, 폴리머 기반의 햅틱 액추에이터는 어레이 형태로 개발이 용이하여 촉감제시장치로 개발되어 오고 있으나, 하기와 같은 문제점들 때문에 상용화에 어려움을 겪고 있다.
(1) 폴리머 기반의 액추에이터는보통 고분자 유전체의 상하에 유연한 전극을 도포하고 이에 고전압을 인가하여, 정전기 압축력에 의해 폴리머가 구동하는 형태로 구성된다. 이는 도 1에 도시되어 있고, 도 1의 내용은 발명의 상세한 설명에서 구체적으로 후술한다.
여기서 유연한 전극에 고전압이 인가되므로, 얇은 절연층으로 절연을 하지만 촉감을 느끼려는 사용자가 감전될 수 있는 쉬운 문제점을 가지고 있다.
(2) 또한, 고분자 유전체에 강한 전기장이 걸리게 되므로 구동 시 쉽게 Break down을 일으켜 고분자 유전체가 손상되는 신뢰성의 문제를 가지고 있다.
(3) 또한, 전기활성폴리머의 출력성능을 높이기 위하여, 고분자 유전체를 Pre-Stretch하는데, 이것은 이 유전체가 구동하는 중에나 외부의 충격이 가해졌을 때, 쉽게 찢어질 수 있는 기계적인 문제도 가지고 있다.
(4) 또한, 기존의 전기활성폴리머는 Bandwidth가 30~40 Hz 정도 밖에 나오지 않아, 파치니언소체를 자극하지 못하여, 다양한 재질감을 전달하기 어렵다는 문제점도 존재한다.
(5) 마지막으로, 전기활성폴리머는 어레이로 프린팅 형식으로 제작하기가 용이하지만, 미세한 촉감을 전달하기 위한 Resolution 스펙(셀 중심간 간격 0.5mm 정도)까지 작게 만드는 것은 굉장히 어렵다는 문제점이 존재한다.
따라서 본 발명에서는 전압이 인가되면 압축력이 발생하고 면적이 넓어지는 전기활성폴리머(Electroactive Polymer)를 이용하여, 사용자에게 미세한 표면질감과 동시에 상대적으로 큰 촉감을 모두 전달할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
이하에서는 촉감제시장치에 이용될 수 있는 본 발명의 일실시예에 따른 폴리머 복합체에 대해 구체적으로 설명한다.
즉, 촉감제시장치에 이용될 수 있는 전기활성폴리머(ElectroactivePolymer)를 이용하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다.
도 1a 및 도1b를 참조하여, 전술한 것과 같이. 전기활성폴리머(Electroactive Polymer)에 전압이 인가되면 압축력이 발생하며 면적이 넓어지게 된다.
이러한 전기활성폴리머(Electroactive Polymer)는폴리머 베이스(Base)의 액추에이터로 이용되어 신뢰성이 항상 문제가 되어왔다.
따라서 본 발명에서는 주름진 코러게이티드폴리머를 이용한 플렉서블햅틱모듈 및 촉감제공방법을 제공하고자 한다.
즉, 본 명세서가 제안하는 본 발명은 주름진 코러게이티드폴리머, 유연성을 갖는 유연전극을 이용하여 유연전극에서발생된 정전기 압력을 통해 코러게이티드 고분자 유전체의 형상이 변형시키고, 변형된 형상을 이용하여 촉감을 제공하는 초박형 플렉서블햅틱모듈을 사용자에게 제공하고자 한다.
또한, 본 명세서가 제안하는 본 발명은 주름진 코러게이티드 폴리머, 유연성을 갖는 유연전극 및 평면형 전극 레이어을 이용하여 유연전극에서발생된 정전기 압력과 유연전극과 평면형 전극 레이어 사이에서 발생된 정전기 인력을 통해 코러게이티드폴리머의 형상을 변형시키고, 변형된 형상을 이용하여 촉감을 제공하는 초박형 플렉서블햅틱모듈을 사용자에게 제공하고자 한다.
본 발명이 제안하는 전기활성폴리머(Electroactive Polymer)가 이용되는 경우, CorrugatedMembrane 형태의 구조가 Robust해져서 신뢰성이 향상될 수 있고, 액추에이터의 지름 당ElectrostaticPressure를 받는 면적이 커지므로 변위와 힘이 향상되는 효과가 보장될 수 있다.
구체적으로 본 발명이 제안하는 ESP Actuator전기활성폴리머(Electroactive Polymer)가 이용되는 경우, CorrugatedMembrane 형태의 구조가 Robust해져서 신뢰성이 향상될 수 있고, 액추에이터의 지름 당ElectrostaticPressure를 받는 면적이 커지므로 변위와 힘이 향상되는 효과가 보장될 수 있다.
또한, 본 발명이 제안하는 장치는 Vcc 전기 입력을 고절연되어 있는FPCB 쪽으로 빼어서, 폴리머가 Break Down(전기가 흘러 타버림)의 위험이 없어 고분자 유전체를 사용할 필요가 없는 장점을 사용자에게 제공할 수 있다.
더 나아가 본 발명에 따른 장치는 랜덤으로 선택된 어떠한 폴리머를 사용할 수 있어 기본 재료 선택을 다양하게 할 수 있으므로, 제작공정을 단순화하고, 원가를 낮출 수 있다는 장점을 사용자에게 제공할 수도 있다.
이하에서는 본 발명이 제안하는 초박형 플렉서블햅틱모듈에 대해 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명이 제안하는 초박형 플렉서블 햅틱모듈의 일례를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 초박형 플렉서블햅틱모듈(10)은코러게이티드 폴리머(CorrugatedPolymer, 100), 제 1 유연전극(CompliantElectrode, 200), 제 2 유연전극(300), 일정 간격 비어있는 스페이서(spacer, 400) 및 연성회로기판(Flexible PCB)을 포함할 수 있다.
설명의 편의를 위해, 본 명세서에서는 유연전극이 복수인 것으로 가정하여 설명하나 본 발명의 내용이 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명에 따른 초박형 플렉서블햅틱모듈(10)은 제 1 유연전극(CompliantElectrode, 200)만 포함하거나 제 2 유연전극(300)만을 포함할 수 있다.
여기서 전도성 폴리머(100)는 적어도 일부가 주름진 코러게이티드(Corrugated) 형태를 갖게 된다.
본 발명에 따른 전도성폴리머(100)는 전도성 멤브레인으로 호칭될 수도 있다.
여기서 본 발명에 따른 전도성폴리머(100)는 폴리머에 적어도 하나의 전도성 입자들을 섞어서 성형함으로써 제조될 수 있다. 즉, 폴리머와 전도성 파티클을 혼합한 형태로 제조 가능하다.
또한, 전도성폴리머(100)는 그라운드(Ground)와 연결될 수 있다.
또한, 제 1 유연전극(200)은코러게이티드전도성폴리머(100)의 상면에 구비되고, 유연성을 갖는 전극이다.
또한, 제 2 유연전극(300)은 제 1 유연전극(200)에 대칭을 이루어 코러게이티드전도성폴리머(100)의 하면에 구비되고, 유연성을 갖는 전극이다.
또한, 스페이서(spacer, 400)는 나란히 조립되는 물품과 물품 사이의 간격을 고르게 유지하기 위하여 그 틈새에 끼우는 라이너를 의미할 수 있다.
또한, 연성회로기판(Flexible PCB, 500)은 유연하게 구부러지는 동박(구리막)을 입힌 회로 기판의 원판이다.
연성회로기판(Flexible PCB)은 동박과폴리이미드(PI) 필름을 접착제를 이용해 결합하는 3층(layer) 구조를 주로 사용해 왔으나 동박에 PI 필름을 직접 다이캐스팅하거나 고온으로 접착하는 계층 2 FCCL 제품이 출시되고 있다.
또한, 계층 2 FCCL은 미세 패턴 형성이 쉽고 굴곡성이 뛰어나 휴대폰 폴더, LCD, PDP 모듈 등 디스플레이 제품에 많이 사용되고 있다.
본 발명에 따른 연성회로기판(Flexible PCB, 500)에는 고전압 구동신호(VccSinθ 사인웨이브 신호)가 인가될 수 있다.
한편, 전도성 멤브레인과 유연전극 사이에서는 정전기 압력(Electrostatic Pressure)이 발생하게 된다.
따라서 정전기 압력(Electrostatic Pressure)을 통한 전도성 멤브레인의 형상변화 및 상하구동 중 적어도 하나를 이용하여 촉감이 사용자에게 제공될 수 있다.
즉, 포인터가 전도성 멤브레인(100)을 수평방향으로 문지르는 제 1 동작이 수행되는 경우,제 1 동작에 의해 유도된 포인터와 전도성 멤브레인 사이의 전단력 변화에 의해 촉감이 제공될 수 있다.
여기서 이용되는 포인터는 터치, 근접터치, 제스쳐(gesture)를 수행할 수 있는 물리적 수단으로, 상기 포인터는 손가락 및 스타일러스 펜을 포함할 수 있다.
이하에서는 도 4a 및 도 4b를 이용하여 본 발명이 제안하는 초박형 플렉서블햅틱모듈의 동작을 구체적으로 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에서 설명한 초박형 플렉서블햅틱모듈의 동작을 설명하기 위한 도면이다
도 4a에 도시된 것과 같이, 전도성 멤브레인과 유연전극 사이에서는 정전기 압력(Electrostatic Pressure)이 발생된다.
또한, 정전기 압력(Electrostatic Pressure)을 통한 전도성 멤브레인의 형상변화 및 상하구동이 발생될 수 있다.
이러한 전도성 멤브레인의 형상변화 및 상하구동 중 적어도 하나를 이용하여 촉감이 사용자에게 제공될 수 있다.
또한, 추가적으로 사용자가 포인터를 이용하여 전도성 멤브레인(100)을 수평방향으로 문지르는 제 1 동작이 수행되는 경우, 제 1 동작에 의해 유도된 포인터와 전도성 멤브레인 사이의 전단력 변화에 의해 촉감이 제공될 수도 있다.
즉, 전단방향의 마찰저항이 커지도록 코러게이티드 되어 있는 멤브레인(100)이 상하 진동을 하면 포인터의 일종인 손가락과 코러게이티드 되어 있는 멤브레인(100) 부분의 접촉면적이 작아져 전단방향의 마찰저항이 줄어들어 부드럽게 촉감이 제공될 수 있다.
예를 들어, 주파수와 구동되어 저주파(100Hz 미만) 진동시 거친 표면으로 촉감이 제공되고, 고주파(200Hz 이상) 진동시 매끄러운 표면으로 촉감이 제공될 수 있다.
한편, 도 4b는 도 4a의 진동하는 부분(700)을 확대한 것이다.
도 4b를 참조하면, 코러게이티드 멤브레인(100) 굴곡의 피치는 사람이 Active Touch로 인식할 수 있는 Resolution 보다 작게 제작될 수도 있다(약 0.6mm).
또한, 본 발명에 적용되는 전도성 멤브레인(100)은 적어도 일부가 주름진 코러게이티드 폴리머(Polymer)이고, 적어도 일부가 주름진 형상을 이용하여 전도성 멤브레인(100)의 초기 마찰저항이 증가될 수도 있다.
또한, 본 발명에 적용되는 코러게이티드 폴리머(100)는 사각형 또는 원형의 형상에 사인파 형태로 주름질 수도 있다.
또한, 본 발명에 적용되는 코러게이티드폴리머(100)는 정전기 압력의 주기적인 변화에 따라 진동하여, 전단력 및 마찰력 중 적어도 하나를 변화시켜 촉감을 제공할 수도 있다.
또한, 본 발명의 정전기 압력을 통해 변화된 코러게이티드 폴리머(100)의 사인파 형태 주름의 피치 및 높이 변화를 이용하여 전도성 멤브레인(100)의 형상을 변형시켜 촉감이 제공될 수도 있다.
한편, 본 발명의 다른 일례에 따르면, 전도성 멤브레인(100)과 유연전극(200 및/또는 300) 사이의 이격된 스페이서(spacer, 400)는 공기, 유전체 젤(Dielectric Gel), 이온 젤(Ionic Gel) 및 전기유변유체(Eletrorheological fluids) 중 적어도 하나로 채워질 수도 있다.
도 5a는 본 발명과 관련된 다른 초박형 플렉서블햅틱모듈의 일례를 도시한 것이고, 도 5b는 도 5a의 동작을 수학적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 이격된 스페이서(spacer, 400)가 유전체 젤(Dielectric Gel)로 채워져 있는 구체적인 일례를 도시한 것이다.
또한, 도 5b는 도 5a의 동작을 수학적으로 설명하기 위한 수식으로 도 5b에서 
는 상대 유전상수를 나타내고 어떤 물질을 사이에 쓰는지에 따라 달라진다.
예를 들어, 이격된 스페이서(spacer, 400)가: 공기, Ionic Gel, 전기유변유체로 채워지는 경우에는 
값이 달라질 수 있다.
또한, 
는 Electrostatic pressure for electro-vibration module을 의미하고, 
는 Electric permittivity of free space를 의미하며, 
는 Relative permittivity of air, Ionic gel or 전기유변유체를 의미하고, 
는 Applied electric field를 의미하며, 
는 전도성 멤브레인과 Flexible PCB 사이에 인가된 전압을 의미하고, 
는 전도성 멤브레인과 Flexible PCB 사이의 거리를 의미한다.
도 5b의 수식을 통해 확인할 수 있는 것과 같이, 이격된스페이서(spacer, 400)를 공기, 유전체 젤(Dielectric Gel), 이온 젤(Ionic Gel) 및 전기유변유체(Eletrorheological fluids) 중 적어도 하나로 채우는 경우, 충전해야 하는 정전용량이 작아지고, 이를 이용하여 본 발명에 따른 초박형 플렉서블햅틱모듈(10)은 기 설정된 수치 이상의 높은 주파수(HighFrequency)에서도 촉감을 제공할 수 있다는 장점이 보장될 수 있다.
이하에서는 도 6을 참조하여, 본 발명이 제안하는 초박형 플렉서블햅틱모듈의 촉각제공 동작을 구체적으로 설명한다.
도 6은 도 3 내지 도 5a에서 설명한 초박형 플렉서블햅틱모듈의 동작을 설명하기 위한 것이다.
도 6을 참조하면, 먼저, 전도성 멤브레인과 전도성 멤브레인의하면에 구비된 유연전극 사이에 주기적인 정전기 압력(Electrostatic Pressure)이 발생되는 단계(S100)가 진행된다.
주기적인 정전기 압력(Electrostatic Pressure)이 S100 단계를 통해 발생되고, 발생된 주기적인 정전기 압력에 따라 전도성 멤브레인이 특정주파수로 진동되는 단계(S200)가 진행될 수 있다.
또한, 포인터가 상기 전도성 멤브레인을 수평방향으로 문지르는 제 1 동작이 수행(S300)될 수 있고, 제 1 동작에 의해 유도된 포인터와 전도성 멤브레인 사이의 전단력 변화에 의해 촉감이 제공(S400)될 수 있다.
따라서 주름진 코러게이티드폴리머, 유연성을 갖는 유연전극을 이용하여 유연전극에서발생된 정전기 압력을 통해 코러게이티드폴리머의 형상변화 및 상하구동을 유도함으로써 촉감을 제공하는 초박형 플렉서블햅틱모듈을 사용자에게 제공할 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명에 따른 초박형 플렉서블햅틱모듈이 적용된 구체적인 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 7에서는 복수의 전도성 멤브레인이일정 배열로 배치된 멤브레인 어레이(1000)가 도시되어 있다.
전술한 초박형 플렉서블햅틱모듈(10)이 복수로 일정 배열로 배치되어 멤브레인 어레이(1000)를 구성함으로써, 더 세밀한 조절이 가능한 촉감제공장치가 사용자에게 제공될 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명에 따른 초박형 플렉서블햅틱모듈이 적용된 구체적인 다른 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명은 액추에이터 어레이가 얇고 플렉서블한 특성을 가진 촉감제공장치로 구현될 수 있고, 대면적 촉감제시 플랫폼으로 개발 가능할 수 있다.
또한, 전술한 것과 같이, 도 8에 적용되는 전도성 코러게이티드 멤브레인(100)는 폴리머와 전도성 파티클을 혼합한 형태로 구현될 수 있다.
한편, 본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 케리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
Claims (15)
- 전도성 멤브레인; 및
상기 전도성 멤브레인의하면에 구비되고 유연성을 갖는 유연전극;을 포함하되,
상기 전도성 멤브레인과 유연전극 사이에서 발생되는 정전기 압력(Electrostatic Pressure)을 통한 상기 전도성 멤브레인의 형상변화 및 상하구동 중 적어도 하나를 이용하여 촉감이 제공되는 것을 특징으로 하는, 초박형 플렉서블 햅틱모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 전도성 멤브레인은 폴리머에 적어도 하나의 전도성 입자들을 섞어서 성형한 것을 특징으로 하는, 초박형 플렉서블 햅틱모듈. - 제 1항에 있어서,
상기의 유연전극은 전기적으로 절연되고,
고전압의 제어신호가 상기 초박형 플렉서블 햅틱모듈에 인가되는 경우, 상기 전기 절연된 유연전극을 이용하여 사용자의 감전을 방지하며,
상기 전도성 멤브레인에 유도되는 절연파괴(dielectric breakdown)가 상기 전기 절연된 유연전극을 이용하여 예방되는 것을 특징으로 하는, 초박형 플렉서블 햅틱모듈. - 제 1항에 있어서,
포인터가 상기 전도성 멤브레인을 수평방향으로 문지르는 제 1 동작이 수행되는 경우,
상기 제 1 동작에 의해 유도된 상기 포인터와 상기 전도성 멤브레인 사이의 전단력 변화에 의해 상기 촉감이 제공되고,
상기 포인터는 터치, 근접터치, 제스쳐(gesture)를 수행할 수 있는 물리적 수단인 것을 특징으로 하는, 초박형 플렉서블 햅틱모듈. - 제 4항에 있어서,
상기 포인터는 손가락 및 스타일러스 펜을 포함하는 것을 특징으로 하는, 초박형 플렉서블 햅틱모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 전도성 멤브레인은 적어도 일부가 주름진 코러게이티드 폴리머(Polymer)이고,
상기 적어도 일부가 주름진 형상을 이용하여 상기 전도성 멤브레인의 초기 마찰저항이 증가되는 것을 특징으로 하는, 초박형 플렉서블 햅틱모듈. - 제 6항에 있어서,
상기 코러게이티드 폴리머는 사각형 또는 원형의 형상에 사인파 형태로 주름진 것을 특징으로 하는, 초박형 플렉서블 햅틱모듈. - 제 7항에 있어서,
상기 코러게이티드 폴리머는 상기 정전기 압력의 주기적인 변화에 따라 진동하여, 전단력 및 마찰력 중 적어도 하나를 변화시켜 상기 촉감을 제공하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는, 초박형 플렉서블 햅틱모듈. - 제 7항에 있어서,
상기 정전기 압력을 통해 변화된 상기 코러게이티드 폴리머의 사인파 형태 주름의 피치 및 높이 변화를 이용하여 상기 전도성 멤브레인의 형상을 변형시켜 상기 촉감을 제공하는 것을 특징으로 하는, 초박형 플렉서블 햅틱모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 전도성 멤브레인과 유연전극 사이의 이격된 제 1 공간은 공기, 유전체 젤(Dielectric Gel), 이온 젤(Ionic Gel) 및 전기유변유체(Eletrorheological fluids) 중 적어도 하나로 채워지는 것을 특징으로 하는, 초박형 플렉서블 햅틱모듈. - 전도성 멤브레인과 상기 전도성 멤브레인의하면에 구비된 유연전극 사이에 주기적인 정전기 압력(Electrostatic Pressure)이 발생되는 단계;
상기 발생된 주기적인 정전기 압력에 따라 상기 전도성 멤브레인이 특정주파수로 진동되는 단계; 및
포인터가 상기 전도성 멤브레인을 수평방향으로 문지르는 제 1 동작이 수행되는 단계; 및
상기 제 1 동작에 의해 유도된 상기 포인터와 상기 전도성 멤브레인 사이의 전단력 변화에 의해 촉감이 제공되는 단계;를 포함하는 촉감제공방법. - 제 11항에 있어서,
상기 포인터는 터치, 근접터치, 제스쳐(gesture)를 수행할 수 있는 물리적 수단이고,
상기 포인터는 손가락 및 스타일러스 펜을 포함하는 것을 특징으로 하는, 촉감제공방법. - 제11항에 있어서,
상기 전도성 멤브레인은 적어도 일부가 주름진 코러게이티드 폴리머이고,
상기 적어도 일부가 주름진 형상을 이용하여 상기 전도성 멤브레인의 초기 마찰저항이 증가되는 것을 특징으로 하는, 촉감제공방법. - 제 13항에 있어서,
상기 코러게이티드 폴리머는 상기 정전기 압력의 주기적 진동주파수가 증가함에 따라 마찰저항을 감소시켜 상기 촉감을 제공하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는, 촉감제공방법. - 초박형 플렉서블 햅틱모듈을 이용하여 촉감을 제공하는 방법을 수행하기 위하여 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있고, 상기 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 기록매체에 있어서,
상기 촉감제공방법은,
전도성 멤브레인과 상기 전도성 멤브레인의하면에 구비된 유연전극 사이에 주기적인 정전기 압력(Electrostatic Pressure)이 발생되는 단계;
상기 발생된 주기적인 정전기 압력에 따라 상기 전도성 멤브레인이 특정주파수로 진동되는 단계; 및
포인터가 상기 전도성 멤브레인을 수평방향으로 문지르는 제 1 동작이 수행되는 단계; 및
상기 제 1 동작에 의해 유도된 상기 포인터와 상기 전도성 멤브레인 사이의 전단력 변화에 의해 촉감이 제공되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기록매체.
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| KR1020140002956A KR101587338B1 (ko) | 2014-01-09 | 2014-01-09 | 정전기력 기반의 폴리머 액추에이터를 이용한 플렉서블 햅틱모듈 및 촉감제공방법 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
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2014
- 2014-01-09 KR KR1020140002956A patent/KR101587338B1/ko active IP Right Grant
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