KR20150112793A - 표면형 디스플레이 장치 및 방법 - Google Patents

표면형 디스플레이 장치 및 방법 Download PDF

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KR20150112793A
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표동범
권동수
류세민
김승찬
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한국과학기술원
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Abstract

기계 진동과 역전기적 진동을 동시에 활용하되, 터치 인터렉션이 일어나는 대면적 전체에서 균일한 크기의 기계진동 피드백을 제공할 수 있는 표면형 디스플레이 장치를 통해 햅틱 랜더링을 활용할 수 있다.

Description

표면형 디스플레이 장치 및 방법{Apparatus and method for a surface display}
본 발명은 표면형 디스플레이 장치 및 방법에 관한 것이다.
휴대용 전자기기의 보급과 더불어, 사용자에게 시각적으로 다양한 정보를 효과적으로 제공하기 위해, 전자기기에 구비되어 있는 터치 스크린의 활용이 늘어나고 있다. 터치 스크린을 활용함에 있어서 햅틱 상호작용이 중요한 역할을 하고 있고, 이와 더불어 중요한 촉감 피드백(tactile feedback)은 진동촉감을 활용한 인터페이스의 디자인, 가상현실 응용 등의 많은 연구분야를 통해 알려져 있다.
사용자가 터치 스크린에서 오브젝트를 터치하여 인식할 때 발생하는 촉감 피드백은 굉장히 유용하게 이용된다. 따라서 터치 스크린을 사용하는 대부분의 휴대용 전자기기에서는, 기기에 내장되어 있는 액추에이터의 기계 진동을 통해 사용자에게 촉감 피드백을 전달한다.
이러한 촉감 피드백은 손끝 인터렉션(fingertip interaction)을 도와주고, 실제 버튼과 같은 감응을 제공하며, 2D 질감 표현을 하거나 다이내믹한 엔터테인먼트 환경을 사용자에게 제공할 수 있다. 하지만 액추에이터의 크기, 반응속도 등의 성능을 고려한다면 표면(surface)의 면적이 커질수록 기존의 액추에이터로는 진동을 효과적으로 전달하기 어렵다. 모든 면적에서의 불균일한 진동은 원하는 촉감 피드백을 디자인하기 어렵게 하며, 단순한 진동 촉감 패턴만으로는 표면에서 실제감 있는 3D 감각을 모사하는 데에 한계가 있다.
최근 터치 표면을 효과적으로 이용하기 위해, 역전기적 진동(electrovibration)의 원리를 이용한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 역전기적 진동을 이용한 터치 표면에서는 기계적인 움직임 없이, 미끄러지는 손가락과 표면에서 정전기적 인력에 의한 피부변형(skin deformation)으로 사용자에게 진동이나 마찰력의 느낌을 전달한다. 입력 전기신호의 크기와 주파수를 조절하여 다양한 촉감 피드백(질감, 패턴)을 생성할 수 있고, 이러한 촉감은 대면적에서 균일하게 전달될 수 있다. 뿐만 아니라, 마찰력을 제어하여 3차원 기하학적 사물(3D geometric feature)의 느낌을 2차원 터치 스크린 표면 위에서 실제와 같이 모사할 수 있다.
하지만 역전기적 진동의 경우 주파수와 마찰력의 관계가 독립적이지 않기 때문에, 3차원 기하학적 사물의 느낌을 모사하는 동시에 그것의 질감을 생성하기 힘들다. 또한 역전기적 진동은 손가락이 표면에서 움직일 때만 피드백을 받을 수 있기 때문에, 터치 인터페이스의 능동적인 촉감 피드백을 받을 수 없다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 대면적의 표면에서 역전기적 진동과 기계 진동 모두를 균일하게 생성할 수 있는 표면형 디스플레이 장치 및 방법을 제공한다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징인 표면형 디스플레이 장치는,
전압이 교번되어 인가되는 제1 전극; 접지되는 제2 전극; 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 형성되며, 균일한 기계 진동을 위한 스페이서 기능을 수행하는 탄성체; 및 역전기적 진동을 생성하기 위하여 전압이 교번하여 인가되는 제3 전극을 포함한다.
상기 표면형 디스플레이 장치는 상기 제1 전극에 인가되는 전압에 의해 정전기적 인력이 발생하여, 상기 탄성체에 기계 진동이 생성되도록 진동을 발생하는 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 표면형 디스플레이 장치는 상기 제3 전극의 상단에 도포되어 절연되는 절연막을 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 표면형 디스플레이 장치는,
한쪽 끝에는 전압이 교번되어 인가되고, 반대편 끝에는 접지되어 수축과 복원을 통한 액추에이팅으로 기계 진동을 생성하는 액추에이터; 및 상기 탄성체에서 생성된 기계 진동이 전달되는 제1 플레이트를 포함하며, 상기 액추에이터는 복수의 전극과 유전성 탄성체가 적층되어 있다.
상기 표면형 디스플레이 장치는 역전기적 진동을 생성하기 위하여 상기 제1 플레이트 상단에 삽입되는 전극; 및 상기 탄성체의 하단에 구현되는 제2 플레이트를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 표면 햅틱 디스플레이는 터치 인터렉션이 일어나는 대면적 전체에서 균일한 크기의 기계진동 피드백을 제공하기 때문에, 진동촉감 피드백의 긍정적인 효과를 모두 이용할 수 있다.
또한, 터치 스크린과 같은 표면형 장치에서 GUI와의 효과적인 햅틱 상호작용을 위한 다양한 피드백을 사용자에게 제공할 수 있고, 기계 진동과 역전기적 진동의 조합으로 3차원 기하학적 사물의 깊이 정보(depth)와 질감정보(texture)를 동시에 제공할 수 있다.
도 1은 일반적으로 EPPA에서 기계 진동을 발생하는 원리의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치의 기계 진동생성부의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치의 기계 진동생성부의 예시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치의 단면도이다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 기계 진동 특성을 나타낸 평가 예시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 균일한 기계 진동의 발생을 나타내는 예시도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치에 대해 설명한다.
본 발명의 실시예에 대해 설명하기 앞서, 일반적으로 EPPA(Electrostatic Parallel Plate Actuator)에서 기계 진동을 발생하는 원리에 대해 먼저 도 1을 참조로 설명한다.
도 1은 일반적으로 EPPA에서 기계 진동을 발생하는 원리의 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 평행 평판형(parallel plate) 디스플레이 장치는 두 개의 전극(12, 16) 중 한 쪽 전극(16)에 전압이 교번되어 인가되면, 두 개의 플레이트(11, 15) 사이에 주기적인 정전기적 인력이 발생한다. 이에 따라 한 쪽 플레이트(11)가 휘어지며 진동을 생성한다.
이때, 전극(12)의 하단과 스페이서(14)의 한쪽 상단에는 부도체(13)가 형성되어 있다. 그리고 하나의 부도체(13)와 플레이트(15) 사이에 공기층이 형성되어 있다.
디스플레이 장치의 끝단에 스페이서(14)로 고정되어 있으므로, 중앙 부분에서만 큰 굽힘 현상(bending)이 발생하여 강한 진동이 발생한다. 따라서, 표면에서 전체적으로 균일한 진동을 생성할 수 없게 되며, 이에 따라 모든 표면에서 일정한 햅틱 패턴 및 피드백을 제공하기 어렵다는 단점이 있다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 표면 전체에서 균일한 기계 진동과 역전기적 진동을 동시에 활용하는 표면형 디스플레이 장치를 제안한다. 본 발명의 실시예에서 설명하는 표면형 디스플레이 장치들은 소재 변화를 통해 투명하고 유연한 어플리케이션에 적용할 수 있으며, 적용 사례 등에 대한 설명은 생략한다.
그리고 본 발명의 실시예에서는 두 가지 실시예를 들어, 표면형 디스플레이 장치를 이용하여 기계 진동과 역전기적 진동을 동시에 활용하는 표면형 디스플레이 장치를 제안한다. 먼저, 제1 실시예에 대해 도 2 내지 도 4를 참조로 설명한다. 도 2에서는 표면형 디스플레이 장치의 내부 구조 중 기계 진동 생성부의 구조에 대해 도시하였다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치의 기계 진동생성부의 예시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치(100)의 기계 진동 생성부는 플레이트(110-1, 110-2), 전극(120-1, 120-2), 두 개의 전극(120-, 120-2) 사이에 위치한 유전성 탄성체(130)를 포함한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)는 한 쪽 전극(120-2)에 전압을 교번되어 인가하고 다른 쪽 전극(120-1)을 접지시키면, 파형의 크기와 주파수에 따라 두 개의 플레이트(110-1, 110-2) 사이에 주기적인 정전기적 인력이 발생한다.
두 개의 전극(120-1, 120-2)이 코팅된 두 개의 플레이트(110-1, 110-2) 사이에 볼록한 구조의 유전성 탄성체(130)가 삽입되어, 균일한 기계 진동을 생성하기 위한 스페이서 기능을 수행한다. 그리고 공기보다 높은 유전율을 가지는 유전성 탄성체를 이용하여 정전 용량의 이득을 볼 수 있으며, 재질 특성상 상단 플레이트(110-1)의 수직 작용을 통해 플레이트 전체적으로 균일한 진동을 생성할 수 있다. 여기서 발생되는 진동은 기계 진동을 의미한다.
본 발명의 제1 실시예에서는 유전성 탄성체(130)로 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 이용하는 것을 예로 하여 설명한다. PDMS는 등질의, 등방의 그리고 광학적으로 투명한 물질로, 높은 내구성 덕분에 분해되지 않고 거칠거칠한 표면에도 잘 부착되며, 계면 에너지가 낮아 가공성이 용이하다. 또한, 유전성 탄성체(130)는 절연체의 역할도 수행한다.
그리고 본 발명의 실시예에서는 전극(120-1, 120-2)으로 ITO(Indium Tin Oxide)를 사용하는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다. 전극(120-1, 120-2)이 투명할 필요가 있거나 투명하지 않아도 되는 경우 등, 표면형 디스플레이 장치(100)가 적용되는 환경에 따라 전극(120-1, 120-2)으로 사용되는 소자가 다양하게 변경될 수 있다.
도 2에서는 기계 진동을 균일하게 생성하도록 하기 위하여 유전성 탄성체(130)를 포함하는 표면형 디스플레이 장치(100)의 내부 구조 중 기계 진동 생성부의 구조에 대해 설명하였으며, 본 발명의 제1 실시예에 따라 기계 진동과 함께 이용할 역전기적 진동을 생성하기 위하여 최종적인 형태의 표면형 디스플레이 장치(100)에 대해 도 3 및 도 4를 참조로 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치의 단면도이다.
역전기적 진동은 사용자의 인체와 부드러운 전도성 표면(smooth conducting surface) 사이에서 교대 전위(alternating potential)에 의해 발생하는 촉감이다. 전극에 교번하는 전압이 흐르게 되면, 표면과 사용자의 손에 의한 인력이 주기적으로 발생하는데, 이 힘이 너무 작아 사용자가 진동을 느낄 수 없다. 그러나, 손가락이 표면형 디스플레이 장치(100)의 표면 위를 부드럽게 미끄러지듯이 쓸어가면, 사용자는 마찰력 혹은 진동의 느낌을 받을 수 있다.
이러한 역전기적 진동을 생성하기 위해 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치(100)의 상단 플레이트(110-1) 윗면에 투명전극(140)을 코팅하고, 그 위에 절연막(150)을 코팅하여 최상단 표면에서 역전기적 진동이 생성되도록 한다. 여기서 투명전극(140)은 전극(120-1, 120-2)에서 예를 들어 설명한 ITO를 사용하는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면 부호의 140은 설명의 편의를 위하여 투명전극으로 지칭하여 설명하나, “전극”의 범주 내에 포함되므로 반드시 투명전극으로 한정되는 것은 아니다.
즉, 균일한 기계 진동은 도 2에서 설명한 바와 같이 도 3 및 도 4에 도시한 제1 플레이트(110-1)와 제2 플레이트(110-2) 사이에서 주기적인 정전기적 인력에 의해 생성되며, 상단 플레이트인 제1 플레이트(110-1) 윗면에 투명전극(140)을 한 층 더 코팅한 후 절연막(150)으로 절연시켜 역전기적 진동을 생성하도록 한다. 이와 같은 형태의 표면형 디스플레이 장치(100)를 통해 본 발명의 제1 실시예에서는 균일한 기계 진동과 역전기적 진동을 모두 활용하여 햅틱의 관점에서 랜더링을 할 수 있도록 한다.
다음은 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치(200)를 통해 표면 전체에 균일한 진동을 생성할 수 있도록 하는 표면형 디스플레이 장치에 대해 도 5 내지 도 7을 참조로 설명한다. 도 5에서는 표면형 디스플레이 장치의 내부 구조 중 기계 진동 생성부의 구조에 대해 도시하였다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치의 기계 진동생성부의 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치(200)는 플레이트(210-1, 210-2)와 두 개의 플레이트(210-1, 210-2) 사이에 위치한 액추에이터(220)를 포함한다.
액추에이터(220)는 복수의 전극(222)과 유전성 탄성체(221)가 교차로 적층된 형태로 구현되며, 각각의 전극(222)의 한쪽에 전압을 교번되어 인가하고, 다른 쪽 부분을 접지시킨다. 여기서 액추에이터(220)는 EAP(Electroactive Polymer) 액추에이터를 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
각각의 전극(222)의 한쪽에 전압이 인가되면, 파형의 크기와 주파수에 따라 유전성 탄성체(221)가 수축과 복원을 반복하고, 이를 통해 액추에이팅으로 균일한 기계 진동을 생성한다. 여기서 액추에이터(220)가 유전성 탄성체(221)와 전극(222)의 복수 층 적층되는 형태로 구현되는 것은, 유전성 탄성체(221) 단일 층만을 액추에이팅시켜도 변형이 생기고 진동이 발생하기는 하지만, 그 변형과 힘이 작아 사용자가 인지하기에 충분하지 않기 때문에 여러 층 적층하여 구현하는 것을 예로 하여 설명한다.
이때, 전극(222)은 각각 상층부의 전극과 교차되는 형태로 적층된다. 유전성 탄성체와 같이 유연하고 말랑말랑한 소재 위에 코팅하기 적합한 전극으로는 전도성 그리스(conductive grease), 금속막(metallic film), 전도성 입자(conductive powder), 은 나노와이어(silver nanowire) 등이 있으며, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
상기 도 5에서는 본 발명의 제2 실시예에 따라 기계 진동을 균일하게 생성하도록 하기 위하여 액추에이터(220)를 포함하는 표면형 디스플레이 장치(200)에 대해 설명하였다. 이러한 본 발명의 제2 실시예를 통해, 기계 진동과 함께 이용할 역전기적 진동을 생성하기 위한 최종적인 형태의 표면형 디스플레이 장치(200)에 대해 도 6 및 도 7을 참조로 설명한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치의 사시도이고, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치의 단면도이다.
사용자의 손가락이 표면형 디스플레이 장치(200)의 표면 위를 부드럽게 미끄러지듯이 쓸어가고, 이에 따라 사용자가 마찰력 혹은 진동의 느낌을 받을 수 있도록 하는 역전기적 진동을 생성하기 위해 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치(200)의 상단 플레이트(210-1) 윗면에 투명전극(230)을 코팅하고, 그 위에 절연막(240)을 코팅하여 최상단 표면에서 역전기적 진동이 생성되도록 한다.
즉, 균일한 기계 진동은 도 5에서 설명한 바와 같이, 도 6 및 도 7에 도시한 액추에이터(220)의 수축, 복원을 통한 액추에이팅으로 진동이 제1 플레이트(210-1)에 균일하게 전달되며, 상단 플레이트인 제1 플레이트(210-1) 윗면에 투명전극(230)을 한 층 더 코팅한 후 절연막(240)으로 절연시켜 역전기적 진동을 생성하도록 한다.
이와 같은 형태의 표면형 디스플레이 장치(200)를 통해 본 발명의 제2 실시예에서는 균일한 기계 진동과 역전기적 진동을 모두 활용하여 햅틱의 관점에서 랜더링을 할 수 있도록 한다.
이렇게 구현된 표면형 디스플레이 장치(100)의 성능에 대해 도 8 및 도 9를 참조로 설명한다. 도 8에서는 본 발명의 제1 실시예의 기계 진동 특성을 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 기계 진동 특성을 나타낸 평가 예시도이다.
도 8에서는 표면형 디스플레이 장치(100, 200)를 방진 테이블 위에 고정시키고, 상판을 로드셀에 접촉시켜 힘을 측정하였으며, 이때 측정한 수치는 1Hz에서 300Hz의 정현파 입력의 크기를 1.0kV, 1.5kV, 2.0kV에서 측정한 힘을 나타내었다.
도 8에 나타난 바와 같이, 1.0kV의 입력 크기에서 넓은 주파수 영역에 걸쳐 일정하고 충분한 힘이 생성되는 것을 알 수 있다. 특히, 1.5kV와 2.0kV의 입력 크기의 경우, 공진으로 예상되는 130Hz 근처에서 더 큰 힘이 생성되는 것을 알 수 있다.
일반 선형 공진 모터가 공진 주파수 근처에서만 강한 진동을 생성하는 것에 비해, 본 발명의 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치(100, 200)는 일반 선형 공진 모터에 비해 상대적으로 넓은 주파수 범위에서 사용자의 터치를 인지할 만한 힘을 생성한다. 따라서, 표면형 디스플레이 장치(100)가 생성하는 기계 진동의 크기, 주파수, 지속 기간을 조절하여, 질감을 포함한 다양한 햅틱 이펙트를 제시할 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 균일한 기계 진동의 발생을 나타내는 예시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 복수의 노드에서의 변위 크기를 색체 척도(color scale)로 나타낸 것으로, 변위의 크기가 프로토타입의 일부분을 제외하고 거의 균일하게 나타남을 알 수 있다. 이는, 본 발명의 실시예에 따른 표면형 디스플레이 장치(100, 200)의 경우 사용자의 터치 위치에 관계 없이 동일한 피드백을 사용자에게 전달할 수 있다는 것을 보여준다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 표면형 디스플레이 장치에 있어서,
    전압이 교번되어 인가되는 제1 전극;
    접지되는 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 형성되며, 균일한 기계 진동을 위한 스페이서 기능을 수행하는 탄성체; 및
    역전기적 진동을 생성하기 위하여 전압이 교번하여 인가되는 제3 전극
    를 포함하는 표면형 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극에 인가되는 전압에 의해 정전기적 인력이 발생하여, 상기 탄성체에 기계 진동이 생성되도록 진동을 발생하는 제1 플레이트 및 제2 플레이트
    를 포함하는 표면형 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3 전극의 상단에 도포되어 절연되는 절연막
    을 포함하는 표면형 디스플레이 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄성체는 PDMS를 이용하는 표면형 디스플레이 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄성체는 볼록한 구조를 가지는 표면형 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 내지 제3 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)를 이용하는 표면형 디스플레이 장치.
  7. 표면형 디스플레이 장치에 있어서,
    한쪽 끝에는 전압이 교번되어 인가되고, 반대편 끝에는 접지되어 수축과 복원을 통한 액추에이팅으로 기계 진동을 생성하는 액추에이터; 및
    상기 탄성체에서 생성된 기계 진동이 전달되는 제1 플레이트
    를 포함하며,
    상기 액추에이터는 복수의 전극과 유전성 탄성체가 적층되어 있는 표면형 디스플레이 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    역전기적 진동을 생성하기 위하여 상기 제1 플레이트 상단에 삽입되는 전극; 및
    상기 탄성체의 하단에 구현되는 제2 플레이트
    을 포함하는 표면형 디스플레이 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 탄성체의 복수의 전극은 각각 교차 형태로 적층되는 표면형 디스플레이 장치.
KR1020150032782A 2014-03-28 2015-03-09 표면형 디스플레이 장치 및 방법 KR101632665B1 (ko)

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