KR20160074375A - 접촉 감응 소자 및 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치 - Google Patents

접촉 감응 소자 및 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치 Download PDF

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Abstract

접촉 감응 소자 및 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치가 제공된다. 접촉 감응 소자는 전기 활성 고분자로 이루어지는 전기 활성층 및 전기 활성층의 일 면에만 배치된 하나 이상의 제1 전극 및 하나 이상의 제2 전극을 포함하고, 제1 전극 및 제2 전극은 투명 도전성 물질로 이루어진다. 접촉 감응 소자의 제1 전극 및 제2 전극이 전기 활성층의 일 면에만 배치됨에 따라, 제1 전극 및 제2 전극이 전기 활성층의 서로 상이한 면에 배치되는 경우와 비교하여 접촉 감응 소자의 구동 전압이 감소되고, 투과율이 향상된다.

Description

접촉 감응 소자 및 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치{TOUCH SENSITIVE DEVICE AND DISPLAY DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 접촉 감응 소자 및 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구동 전압이 감소되고, 투과율이 향상된 전기 활성 고분자(Electro Active Polymer; EAP)로 구성된 접촉 감응 소자 및 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치에 관한 것이다.
터치 패널은 표시 장치에 대한 화면 터치나 제스쳐(gesture) 등과 같은 사용자의 터치 입력을 감지하는 장치로서, 스마트폰, 태블릿 PC 등의 휴대용 표시 장치를 비롯하여 공공 시설의 표시 장치와 스마트 TV 등의 대형 표시 장치에 널리 활용되고 있다. 이러한 터치 패널은 동작 방식에 따라 저항막 방식, 정전 용량 방식, 초음파 방식, 적외선 방식 등으로 분류된다.
그러나, 최근에는 사용자의 터치 입력을 감지하는 것에 그치지 않고, 사용자의 터치 입력에 대한 피드백(feedback)으로 사용자의 손가락 또는 사용자의 스타일러스 펜으로 느낄 수 있는 촉각 피드백을 전달하는 햅틱(haptic) 장치에 대한 연구가 진행되고 있다.
이러한 햅틱 장치로 표시 장치에 ERM(Eccentric Rotating Mass)이 적용된 햅틱 장치가 사용되었다. ERM은 모터의 회전부의 한쪽 부분에 질량을 붙여서 모터가 회전할 때 발생하는 편심력으로 인하여 기계적인 진동을 발생시키는 진동 모터이다. 다만, ERM은 불투명한 재료로 구성되므로, 표시 장치에서 표시 패널의 전면이 아닌 표시 패널의 후면에 배치되어야 한다. 또한, ERM은 모터에 의해 진동을 발생시키므로, 표시 장치의 특정 부분만이 진동되는 것이 아니고 표시 장치 전체가 진동되게 된다. 따라서, ERM이 적용된 표시 장치에서는 사용자의 터치 입력이 발생된 부분에만 촉각 피드백을 전달할 수 없다는 문제가 발생한다. 또한, ERM은 모터를 통해 기계적 진동을 발생시킨다는 점에서 응답 속도가 매우 느리므로, 햅틱 장치의 진동원으로 사용되기에 어려움이 존재한다.
한편, 햅틱 장치로 표시 장치에 LRA(Linear Resonant Actuator)가 적용된 햅틱 장치도 사용되었다. LRA는 영구 자석이 솔레노이드(solenoid) 내부를 왕복 운동함에 의해 발생하는 스프링과 스테인리스 진동자의 진동을 통해 촉각 피드백을 전달한다. 다만, LRA 또한 ERM과 같이 불투명한 재료로 구성되고, 표시 장치 전체를 진동시키므로, ERM과 동일한 문제가 존재한다. 또한, LRA는 공진 주파수를 사용하여야 하므로, 진동 주파수가 150Hz 내지 200Hz 사이로 고정된다. 따라서, LRA가 적용된 햅틱 장치는 다양한 진동감 생성이 어렵다는 단점을 갖는다.
상술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 압전 세라믹 액츄에이터 (Piezo Ceramic Actuator)가 적용된 햅틱 장치가 사용되고 있다. 압전 세라믹 액츄에이터는 수 msec의 빠른 응답속도를 가지며, 진동 주파수의 범위가 매우 넓어 사람이 실제 촉각을 느끼는 모든 주파수 범위의 진동을 구현해낼 수 있다. 다만, 압전 세라믹 액츄에이터는 세라믹 재질의 판(plate) 형태로 제작되어, 외부 충격에 대한 내구성이 낮아 외부 충격에 의해 쉽게 깨진다는 단점이 있다. 또한, 압전 세라믹 액츄에이터는 ERM 및 LRA와 마찬가지로 불투명하고 박형화가 어렵고, 표시 장치 후면에 배치되어 표시 장치 전체를 진동시키는 문제가 있다.
[관련기술문헌]
1. ERM 액추에이터를 이용한 햅틱 효과 발생 방법 및 햅틱 지원 시스템 (한국특허출원번호 제10-2013-0011958호)
본 발명의 발명자들은 햅틱 장치에서 진동을 발생시키기 위한 진동원으로서 전기 활성 고분자로 구성된 접촉 감응 소자가 사용될 수 있다는 점을 인식하였다. 구체적으로 전기 활성 고분자로 구성된 접촉 감응 소자는 전기 활성 고분자로 이루어지는 전기 활성층의 상부 및 하부에 배치된 전극에 전압을 인가함에 발생되는 전기 활성층의 진동을 통해 사용자에게 촉각 피드백을 전달할 수 있다. 이러한 접촉 감응 소자는 투명한 재료들로 형성될 수 있으므로, 표시 장치 전면에 적용될 수 있다는 장점이 있다.
다만, 전기 활성 고분자로 구성된 접촉 감응 소자는 상술한 종래의 진동원 대비 구동 전압이 수 kV 단위로 매우 높다. 따라서, 표시 장치에서 사용되는 전원으로부터의 전압을 승압시키기 위한 별도의 승압 회로가 요구되는데, 스마트폰, 태블릿 PC 등과 같은 개인 휴대용 표시 장치에 적용될 수 있을 정도로 승압 회로를 소형으로 제조하는 것에는 상당한 어려움이 있다. 이에, 구동 전압을 낮추기 위해 전기 활성층의 두께를 감소시키는 방법이 있으나, 전기 활성층의 두께가 감소하는 경우, 접촉 감응 소자로 진동시키고자 하는 대상의 무게, 즉, 표시 장치의 무게에 의해 전기 활성층의 변위가 억제되어 진동이 매우 약해지거나 진동이 발생하지 않는 문제점이 있다.
또한, 접촉 감응 소자를 구성하는 구성요소들이 투명한 재료로 구성되더라도, 전기 활성층의 상부 및 하부에 전극이 배치됨에 따라 투과율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
이에, 본 발명의 발명자들은 상술한 바와 같은 종래의 햅틱 장치의 문제점 및 전기 활성 고분자로 구성된 접촉 감응 소자를 사용함에 의해 발생될 수 있는 구동 전압과 투과율 관련 문제점을 인식하고, 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 구조의 접촉 감응 소자 및 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치를 발명하였다.
이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전기 활성층의 일 면 상에 전기 활성층에 전압을 인가하기 위한 전극들을 형성함으로써, 투과율이 최대화될 수 있는 접촉 감응 소자 및 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 전기 활성층에 전압을 인가하기 위한 전극들의 간격을 최소화하여 보다 감소된 구동 전압으로도 구동이 가능한 접촉 감응 소자 및 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 전기 활성층에 전압을 인가하기 위한 전극들의 간격을 다양하게 설정하고, 전극 간격에 따른 주파수를 갖는 전압을 인가하여, 사용자에게 다양한 느낌의 촉각 피드백을 전달할 수 있는 접촉 감응 소자 및 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자는 전기 활성 고분자로 이루어지는 전기 활성층 및 전기 활성층의 일 면에만 배치된 하나 이상의 제1 전극 및 하나 이상의 제2 전극을 포함하고, 제1 전극 및 제2 전극은 도전성 물질로 이루어진다. 여기서, 제1 전극 및 제2 전극은 투명 도전성 물질로 이루어질 수도 있따. 한편, 전기 활성층은 복수의 셀을 갖고, 제1 전극 및 제2 전극은 셀 각각에 배치될 수 있다. 여기서, 제1 전극은 동일한 셀에 배치된 제2 전극과 제1 간격으로 이격된 부분 및 제2 간격으로 이격된 부분을 가질 수 있다. 그리고, 제1 전극 및 제2 전극 각각은 제1 서브 전극 및 제1 서브 전극으로부터 연장하는 복수의 제2 서브 전극을 갖고, 제1 전극의 제2 서브 전극과 제2 전극의 제2 서브 전극은 교대로 배치될 수 있다. 그리고, 셀 중 제1 셀에 배치된 제1 전극과 제2 전극은 제1 간격으로 이격되고, 셀 중 제2 셀에 배치된 제1 전극과 제2 전극은 제2 간격으로 이격될 수 있다. 한편, 제1 전극과 제2 전극 사이의 간격은 전기 활성층의 두께보다 작을 수 있다. 또한, 제1 전극 및 제2 전극 각각은 나선형 구조 또는 이중 루프 구조를 가질 수 있다. 제1 전극 및 제2 전극에 전압이 인가되는 경우, 전기 활성층에 발생되는 전기장에 의해 전기 활성층이 진동할 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자는 전기 활성 고분자로 이루어지는 전기 활성층의 일 면에서 복수의 셀 각각에 배치되고, 도전성 물질로 이루어진 하나 이상의 제1 전극에 제1 전압이 인가되도록 구성되고, 전기 활성층의 일 면에서 셀 각각에 배치되고, 도전성 물질로 이루어진 하나 이상의 제2 전극에 제2 전압이 인가되도록 구성되며, 제1 전압과 제2 전압은 제1 전극과 제2 전극 사이의 간격에 따른 공진 주파수에 대응하는 주파수를 갖는다. 이 때, 접촉 감응 소자는 제1 전극에 공진 주파수를 갖는 제1 전압이 인가되고, 제2 전극에 그라운드 전압인 제2 전압이 인가되도록 구성될 수 있다. 한편, 제1 전극은 동일한 셀에 배치된 제2 전극과 제1 간격으로 이격된 부분 및 제2 간격으로 이격된 부분을 갖고, 접촉 감응 소자는 제1 전극에 제1 간격에 대응하는 공진 주파수 또는 제2 간격에 대응하는 공진 주파수를 갖는 제1 전압이 인가되도록 구성되고, 제2 전극에 그라운드 전압인 제2 전압이 인가되도록 구성될 수 있다. 또한, 셀 중 제1 셀에 배치된 제1 전극과 제2 전극은 제1 간격으로 이격되고, 셀 중 제2 셀에 배치된 제1 전극과 제2 전극은 제2 간격으로 이격되고, 접촉 감응 소자는 제1 셀에 배치된 제1 전극에 제1 간격에 대응하는 공진 주파수를 갖는 제1 전압이 인가되거나, 제2 셀에 배치된 제1 전극에 제2 간격에 대응하는 공진 주파수를 갖는 제1 전압이 인가되도록 구성되고, 제1 셀에 배치된 제2 전극 및 제2 셀에 배치된 제2 전극에 그라운드 전압인 제2 전압이 인가되도록 구성될 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 터치 패널, 터치 패널 상에 또는 터치 패널 아래에 배치되고, 전기 활성 고분자로 구성된 전기 활성층 및 전기 활성층의 일 면에만 배치된 하나 이상의 제1 전극과 하나 이상의 제2 전극을 갖는 접촉 감응 소자, 및 터치 패널 및 접촉 감응 소자 상에 배치된 커버를 포함하고, 제1 전극 및 제2 전극은 도전성 물질로 이루어진다. 표시 장치는 표시 패널을 더 포함할 수 있고, 제1 전극 및 제2 전극은 표시 패널과 대향할 수 있다. 또는, 표시 장치는 터치 패널이 내장된 표시 패널을 더 포함할 수 있고, 표시 패널은 커버와 접촉 감응 소자 사이 또는 접촉 감응 소자 아래에 배치될 수 있다. 그리고, 접촉 감응 소자의 셀의 면적과 터치 패널의 화소의 면적은 동일할 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 제1 전극 및 제2 전극이 전기 활성층의 동일한 면에 형성됨에 의해 전기 활성 고분자로 구성된 접촉 감응 소자의 투과율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 제1 전극 및 제2 전극을 전기 활성층의 동일한 면 상에 배치시켜, 제1 전극 및 제2 전극이 전기 활성층의 상이한 면에 배치되는 경우와 비교하여 접촉 감응 소자의 구동 전압을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명은 제1 전극과 제2 전극의 간격을 조절하여 사용자에게 다양한 느낌의 촉각 피드백을 전달할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자의 셀을 설명하기 위한 개략적인 확대 평면도이다.
도 1c는 도 1b의 Ic-Ic'에 따른 접촉 감응 소자의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자의 투과율을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자의 구동 전압을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 접촉 감응 소자를 설명하기 위한 개략적인 확대 평면도들이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자 구동 방법에서의 전극 간격에 따른 공진 주파수 및 진동 강도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 설명하기 위한 개략적인 확대 평면도들이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 접촉 감응 소자를 설명하기 위한 개략적인 확대 평면도들이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 접촉 감응 소자 구동 방법에서의 공진 주파수 및 진동 강도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 14는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치가 유리하게 활용될 수 있는 실례들을 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
소자 또는 층이 다른 소자 또는 층 "위 (on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
본 명세서에서 전기 활성층은 전압이 인가됨에 따라 그 형상이 변형되어 진동감을 전달할 수 있는 층을 의미한다.
본 명세서에서 접촉 감응 소자는 접촉 감응 소자에 대한 사용자의 접촉에 대응하여 사용자에게 촉각 피드백을 전달할 수 있는 소자를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다. 도 1a를 참조하면, 접촉 감응 소자(100)는 전기 활성층(110), 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 배치된 셀(cell; CE), 제1 배선(131), 제2 배선(132) 및 FPCB(140)를 포함한다.
전기 활성층(110)은 전기적인 자극에 의하여 변형되는 고분자 재료인 전기 활성 고분자로 이루어지는 판상의 필름이다. 예를 들어, 전기 활성층(110)은 실리콘계, 우레탄계, 아크릴계 등의 유전성 엘라스토머(dielectric elastomer), PVDF, P(VDF-TrFE) 등의 강유전성 고분자(ferroelectric polymer) 또는 압전 세라믹(piezo ceramic) 소자로 이루어질 수 있다. 전기 활성층(110)이 유전성 엘라스토머로 이루어지는 경우, 전기 활성층(110)에 전압을 인가됨에 따라 발생하는 정전기적 인력(Coulombic Force)에 의해 유전성 엘라스토머가 수축 및 팽창되어 접촉 감응 소자(100)가 진동할 수 있다. 또한, 전기 활성층(110)이 강유전성 고분자로 이루어지는 경우, 전기 활성층(110)에 전압을 인가됨에 따라 전기 활성층(110) 내부의 쌍극자(dipole)의 정렬 방향이 변경되어 접촉 감응 소자(100)가 진동할 수 있다.
전기 활성층(110)은 액티브 영역(AA)을 갖도록 구성된다. 전기 활성층(110)의 액티브 영역(AA)은 사용자에게 촉각 피드백을 전달하기 위한 영역으로서, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 배치된 복수의 셀(CE)을 포함한다. 여기서, 셀(CE)은 사용자에게 촉각 피드백을 전달할 수 있는 최소 단위 영역으로서, 각각의 셀(CE)은 독립적으로 촉각 피드백을 전달할 수 있다.
전기 활성층(110)의 각각의 셀(CE)의 면적은 일반적인 사람의 손가락의 크기를 고려하여 결정될 수 있다. 접촉 감응 소자(100)는 사용자의 터치 입력에 대한 촉각 피드백을 전달하는 것이므로, 사용자에게 촉각 피드백을 전달할 수 있는 최소 단위 영역인 셀(CE)은 사용자의 터치 입력이 발생하는 면적을 고려하여 결정될 수 있다. 이 경우, 사용자의 터치 입력이 발생하는 면적은 일반적인 사람의 손가락의 크기에 따라 결정되므로, 전기 활성층(110)의 셀(CE)의 면적 또한 일반적인 사람의 손가락의 크기에 기초하여 결정될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 전기 활성층(110)의 각각의 셀(CE)의 면적은 전기 활성층(110)과 함께 사용될 수 있는 터치 패널의 화소의 면적을 고려하여 결정될 수도 있다. 터치 패널에서 사용자의 터치 입력을 감지하는 것에 응답하여 접촉 감응 소자(100)가 사용자에게 촉각 피드백을 전달하게 된다. 이에, 예를 들어, 사용자의 터치 입력이 감지된 터치 패널의 화소와 동일하게 접촉 감응 소자(100)의 셀(CE)의 면적이 결정되는 경우, 터치 패널이 화소와 접촉 감응 소자(100)의 셀(CE)이 1:1로 대응될 수 있으므로, 접촉 감응 소자(100)가 보다 용이하게 구동될 수 있다.
이하에서는, 각각의 셀(CE) 및 셀(CE)에 배치된 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)에 대한 보다 상세한 설명을 위해 도 1b 및 도 1c를 함께 참조한다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자의 셀을 설명하기 위한 개략적인 확대 평면도이다. 도 1c는 도 1b의 Ic-Ic'에 따른 접촉 감응 소자의 개략적인 단면도이다. 도 1b에서는 접촉 감응 소자(100)의 복수의 셀(CE) 중 하나의 셀(CE)만을 도시하였으며, 접촉 감응 소자(100)의 복수의 셀(CE) 모두는 도 1b에 도시된 셀(CE)과 동일하게 구성될 수 있다.
제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 전기 활성층(110)에 전압을 인가하기 위한 전극으로서, 도전성 물질로 이루어진다. 또한, 접촉 감응 소자(100)의 투과율을 확보하기 위해, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 투명 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 ITO(Indium Tin Oxide), PEDOT:PSS, 은-나노와이어(AgNW) 등과 같은 투명 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 메탈 메쉬(metal mesh)로 구성될 수도 있다. 즉, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 금속 물질이 메쉬 형태로 배치되는 메탈 메쉬로 구성되어, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 실질적으로 투명한 전극으로 기능할 수도 있다. 다만, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)의 구성 물질은 상술한 예에 제한되지 않고, 다양한 투명 도전성 물질이 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)의 구성 물질로 사용될 수 있다. 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 동일한 물질로 이루어질 수도 있고, 서로 상이한 물질로 이루어질 수도 있다.
도 1b 및 도 1c를 참조하면, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 하나의 셀(CE) 내에서 전기 활성층(110)의 일 면에만 배치된다. 즉, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 전기 활성층(110)의 동일한 면에 형성되고, 하나의 셀(CE) 내에 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 모두 배치된다. 예를 들어, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 도 1c에 도시된 바와 같이 전기 활성층(110)의 상면에만 형성되고 전기 활성층(110)의 하면에는 형성되지 않을 수 있다.
제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 투명 도전성 물질로 이루어짐에도 불구하고, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)으로 입사하는 광의 일부는 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)에서 반사되거나 흡수될 수 있다. 따라서, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)으로 입사하는 광 중 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)을 통과하지 못하는 광이 존재하므로, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)에 의해 접촉 감응 소자(100)의 투과율이 저하될 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)에서는 투명 도전성 물질로 이루어지는 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 전기 활성층(110)의 일 면에 배치된다. 따라서, 접촉 감응 소자(100)로 입사하는 광이 통과하는 전극의 개수가 감소되므로, 제1 전극(120)과 제2 전극(160)이 전기 활성층(110)의 서로 다른 면에 배치되는 경우와 비교하여 접촉 감응 소자(100)의 투과율이 향상될 수 있다. 투과율과 관련된 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)의 효과에 대한 보다 설명은 도 2를 참조하여 상세히 후술한다.
제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 다양한 방식으로 전기 활성층(110)의 일 면에 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 스퍼터링(sputtering), 프린팅(printing), 슬릿 코팅(slit coating) 등과 같은 방식으로 전기 활성층(110)의 상면에 형성될 수 있다. 특히, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 동일한 물질로 형성되는 경우, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 동시에 형성될 수도 있다.
도 1c를 참조하면, 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 간격(G)은 전기 활성층(110)의 두께(T)보다 작다. 제1 전극(120)과 제2 전극(160)에 전압이 인가되는 경우 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이에 형성되는 전기장은 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 거리에 반비례한다. 즉, 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 전위차, 즉, 구동 전압이 동일한 경우, 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 거리가 증가되면 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이에 형성되는 전기장이 감소되고, 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 거리가 감소되면 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이에 형성되는 전기장이 증가된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)에서는 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 간격(G)을 전기 활성층(110)의 두께(T)보다 작게 함으로써, 동일한 구동 전압이 인가되는 경우, 전기 활성층의 상면에 하나의 전극이 배치되고 하면에 하나의 전극이 배치되는 방식의 접촉 감응 소자에 비해 전기 활성층(110)에 인가되는 전기장의 크기가 증가될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)에서는 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 간격(G)을 전기 활성층(110)의 두께(T)보다 작게 함으로써, 전기 활성층(110)의 상면에 하나의 전극이 배치되고 하면에 하나의 전극이 배치되는 방식의 접촉 감응 소자(100)에 비해 동일한 크기의 전기장을 획득하기 위해 요구되는 구동 전압의 크기가 감소될 수 있다. 구동 전압과 관련된 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)의 효과에 대한 보다 설명은 도 3을 참조하여 상세히 후술한다.
도 1b를 참조하면, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160) 각각은 제1 서브 전극(121, 161) 및 제1 서브 전극(121, 161)으로부터 연장되는 복수의 제2 서브 전극(122, 162)으로 구성된다. 구체적으로, 제1 전극(120)은 셀(CE)의 상부 영역에서 가로 방향으로 연장하는 제1 서브 전극(121) 및 제1 서브 전극(121)으로부터 세로 방향으로 연장하는 복수의 제2 서브 전극(122)을 갖는다. 또한, 제2 전극(160)은 셀(CE)의 하부 영역에서 가로 방향으로 연장하는 제1 서브 전극(161) 및 제1 서브 전극(161)으로부터 세로 방향으로 연장하는 복수의 제1 서브 전극(162)을 갖는다. 이에, 제1 전극(120)의 제1 서브 전극(121) 및 제2 전극(160)의 제1 서브 전극(161)은 줄기 전극으로 지칭될 수도 있고, 제1 전극(120)의 제2 서브 전극(122) 및 제2 전극(160)의 제2 서브 전극(162)은 가지 전극으로 지칭될 수도 있다.
도 1b를 참조하면, 셀(CE) 내에서 제1 전극(120)의 복수의 제2 서브 전극(122)과 제2 전극(160)의 복수의 제2 서브 전극(162)은 교대로 배치된다. 다시 말해서, 제1 전극(120)의 제2 서브 전극(122)들 사이에 제2 전극(160)의 제2 서브 전극(162)이 배치되고, 제2 전극(160)의 제2 서브 전극(162)들 사이에 제1 전극(120)의 제2 서브 전극(122)이 배치된다. 이에 따라, 제1 전극(120)의 제1 서브 전극(121) 및 제2 서브 전극(122)이 제2 전극(160)의 제2 서브 전극(162)을 감싸게 되고, 제2 전극(160)의 제1 서브 전극(161) 및 제2 서브 전극(162)이 제1 전극(120)의 제2 서브 전극(122)을 감싸게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)에서는 제1 전극(120)의 복수의 제2 서브 전극(122)과 제2 전극(160)의 복수의 제2 서브 전극(162)이 서로 교대로 배치됨에 따라 제1 전극(120)과 제2 전극(160)이 인접하는 부분이 증가될 수 있고, 이에 따라 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)에 전압 인가 시 전기 활성층(110)에 인가되는 전기장의 크기가 증가될 수 있다. 또한, 제1 전극(120)의 폭(W1) 및 제2 전극(160)의 폭(W2)과 제1 전극(120)의 제2 서브 전극(122)의 길이(L1) 및 제2 전극(160)의 제2 서브 전극(162)의 길이(L2)를 조절하여, 제1 전극(120)과 제2 전극(160)이 인접하는 부분이 최대화될 수 있다.
다시 도 1a를 참조하면, 복수의 셀(CE) 내의 제1 전극(120) 및 제2 전극(160) 각각과 전기적으로 연결되도록 제1 배선(131) 및 제2 배선(132)이 전기 활성층(110) 상에 형성된다. 구체적으로, 제1 배선(131)은 복수의 셀(CE) 내의 제1 전극(120)과 전기적으로 연결되고, 제2 배선(132)은 복수의 셀(CE) 내의 제2 전극(160)과 전기적으로 연결된다. 제1 배선(131) 및 제2 배선(132)은 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)과 동일한 물질로 이루어질 수도 있고, 상이한 물질로 이루어질 수도 있다. 제1 배선(131) 및 제2 배선(132)이 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)과 동일한 물질로 이루어지는 경우, 제1 배선(131) 및 제2 배선(132)은 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)과 동시에 형성될 수도 있다.
전기 활성층(110)의 일 측에 FPCB(flexible printed circuit board; 140)가 배치된다. FPCB(140)는 제1 배선(131) 및 제2 배선(132)과 전기적으로 연결되며, FPCB(140)에는 제1 배선(131) 및 제2 배선(132)을 통해 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)에 전압을 인가하기 위한 구동 IC(Integrated Circuit) 등과 같은 회로부(141)가 내장될 수 있다. 도 1a에서는 구동 IC와 같은 회로부(141)가 FPCB(140)에 내장되는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되지 않고 회로부(141)는 COF(chip on flim) 등의 방식으로도 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)는 다음과 같이 구동될 수 있다. 예를 들어, 전기 활성층(110)의 하나의 셀(CE)을 통해 촉각 피드백을 전달하고자 하는 경우, 해당 셀(CE)의 제1 전극(120)에는 제1 전극(120)과 전기적으로 연결된 제1 배선(131)을 통해 제1 전압이 인가되고, 해당 셀(CE)의 제2 전극(160)에는 제2 전극(160)과 전기적으로 연결된 제2 배선(132)을 통해 제2 전압이 인가된다. 예를 들어, 제1 전극(120)에는 양의 전압이 인가되고 제2 전극(160)은 접지되어, 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 전위차가 발생될 수 있다. 이러한 전위차에 의해 접촉 감응 소자(100) 중 해당 셀(CE)에 대응하는 영역의 전기 활성층(110)에 전기장이 형성되어, 전기 활성층(110)이 진동하게 되고, 사용자는 촉각 피드백을 느낄 수 있다. 앞에서는 제1 전극(120)에 양의 전압이 인가되고 제2 전극(160)이 접지되는 것으로 설명하였으나, 반대로 제1 전극(120)이 접지되고 제2 전극(160)에 양의 전압이 인가될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)의 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)에 인가되는 제1 전압 및 제2 전압은 소정의 주파수를 갖는 교류 전압일 수 있고, 제1 전압 및 제2 전압의 주파수에 따라 접촉 감응 소자(100)는 사용자에게 다양한 촉각 피드백을 전달할 수 있다. 상술한 바와 같은 접촉 감응 소자 구동 방법에 대해서는 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 후술한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)에서는 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 전기 활성층(110)의 일 면에만 형성된다. 이에 따라, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 동일한 물질로 형성되는 경우 한 번의 전극 형성 공정만으로 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)를 제조하는 과정에서는, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160) 중 하나는 전기 활성층(110)의 상면에 형성되고 다른 하나는 전기 활성층(110)의 하면에 형성되는 경우와 비교하여, 제1 전극(120)과 제2 전극(160)을 얼라인(align)시키는 공정이 불필요하다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)의 제조 공정이 보다 단순화될 수 있다.
또한, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 전기 활성층(110)의 일 면에만 형성됨에 따라 매우 낮은 영률(Young? Modulus)을 갖는 유전성 엘라스토머가 전기 활성층(110)에 적용될 수 있다. 제1 전극(120) 및 제2 전극(160) 중 하나는 전기 활성층(110)의 상면에 형성되고 다른 하나는 전기 활성층(110)의 하면에 형성되는 경우, 제1 전극(120)을 형성하기 위해 유전성 엘라스토머를 지지 기판에 부착한 후, 증착, 스퍼터링 등의 공정으로 제1 전극(120)이 형성될 수 있다. 이후, 제2 전극(160)을 형성하기 위해 유전성 엘라스토머를 지지 기판으로부터 릴리즈(release)하게 되는데, 유전성 엘라스토머는 영률이 낮으므로 유전성 엘라스토머를 지지 기판으로부터 릴리즈하는 공정에서 제1 전극(120)이 손상될 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)에서는 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 전기 활성층(110)의 동일한 면에 형성되므로, 유전성 엘라스토머를 지지 기판으로부터 릴리즈하는 공정이 불필요하고, 이에 따라 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)을 형성하는 공정에서 접촉 감응 소자(100)가 손상되는 것이 방지될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)에서는 투과율이 향상되고 구동 전압이 감소될 수 있다. 이 중, 접촉 감응 소자의 투과율이 향상되는 것에 대한 보다 상세한 설명을 위해 도 2를 참조한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자의 투과율을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 2에서는 설명의 편의를 위해 다양한 구성요소 중 전기 활성층(10, 110), 제1 전극(20, 120) 및 제2 전극(60, 160) 만을 개략적으로 도시하였다.
도 2의 (a)는 비교예로서, 전기 활성층(10)의 상면에 제1 전극(20)이 배치되고, 전기 활성층(10)의 하면에 제2 전극(60)이 배치되는 접촉 감응 소자다. 도 2의 (b)는 실시예로서, 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 설명한 접촉 감응 소자(100)다. 비교예의 전기 활성층(10)과 실시예의 전기 활성층(110)은 동일한 두께를 갖고 동일한 재질의 유전성 엘라스토머로 헝성되어, 동일한 투과율을 갖는 것으로 가정한다. 구체적으로, 비교예의 전기 활성층(10)의 투과율 및 실시예의 전기 활성층(110)의 투과율은 85.4%인 것으로 가정한다. 또한, 비교예의 제1 전극(20) 및 제2 전극(60)과 실시예의 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 모두 ITO로 이루어지며, 89%의 투과율을 갖는 것으로 가정한다. 또한, 실시예에서, 전기 활성층(110)의 상면 중 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 배치된 영역의 비율은 40%인 것으로 가정한다.
먼저, 도 2의 (a)를 참조하면, 비교예에서, 전기 활성층(10)의 하면에 위치한 제2 전극(60) 측으로 광(A1)이 입사하는 경우, 전기 활성층(10)의 상면에 위치한 제1 전극(20)을 통해 출사되는 광(A2)의 광(A1)에 대한 비율, 즉, 비교예에서의 접촉 감응 소자의 투과율(A2/A1)은 다음과 같이 결정될 수 있다.
[수학식 1]
A2/A1 = 제2 전극(60)의 투과율 x 전기 활성층(10)의 투과율 x 제1 전극(20)의 투과율
= 0.89 x 0.854 x 0.89 = 0.676
[수학식 1]을 통해 계산된 바와 같이, 비교예에서의 접촉 감응 소자의 투과율(A2/A1)은 67.6%에 불과하다.
다음으로, 도 2의 (b)를 참조하면, 실시예에서, 전기 활성층(110)의 하면 측으로 광(A1)이 입사하는 경우, 전기 활성층(110)의 상면에 위치한 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)을 통해 출사되는 광(A3)의 광(A1)에 대한 비율, 즉, 실시예에서의 접촉 감응 소자의 투과율(A3/A1)은 다음과 같이 결정될 수 있다.
[수학식 2]
A3/A1 = 전기 활성층(110)의 투과율 x (전기 활성층(110)의 상면 중 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 배치되지 않은 영역의 비율 + (전기 활성층(110)의 상면 중 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 배치된 영역의 비율 x 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)의 투과율))
= 0.854 x (0.6 + (0.4 x 0.89)) = 0.816
[수학식 2]를 통해 계산된 바와 같이, 실시예에서의 접촉 감응 소자(100)의 투과율(A3/A1)은 81.6%이고, 비교예에서의 접촉 감응 소자의 투과율(A2/A1)의 약 1.2배이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)에서는 제1 전극(120) 및 제2 전극(160) 중 하나가 전기 활성층(110)의 상면에 배치되고 다른 하나가 전기 활성층(110)의 하면에 배치되는 경우와 비교하여, 투과율이 개선된 것을 확인할 수 있다.
이하에서는, 접촉 감응 소자의 구동 전압이 개선되는 것에 대한 보다 상세한 설명을 위해 도 3을 참조한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자의 구동 전압을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 3에서는 설명의 편의를 위해 다양한 구성요소 중 전기 활성층(10, 110), 제1 전극(20, 120) 및 제2 전극(60, 160) 만을 개략적으로 도시하였다.
도 3의 (a)는 비교예로서, 전기 활성층(10)의 상면에 제1 전극(20)이 배치되고, 전기 활성층(10)의 하면에 제2 전극(60)이 배치되는 접촉 감응 소자로서, 제1 전극(20)에는 양의 전압이 인가되고, 제2 전극(60)은 접지된 경우이다. 도 2의 (b)는 실시예로서, 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 설명한 접촉 감응 소자(100)로서, 제1 전극(120)에는 양의 전압이 인가되고, 제2 전극(160)은 접지된 경우이다. 비교예의 전기 활성층(10)과 실시예의 전기 활성층(110)은 동일한 두께(T)를 갖고 동일한 재질의 유전성 엘라스토머로 헝성되는 것으로 가정한다. 또한, 실시예에서, 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 간격(G)은 전기 활성층(110)의 두께(T)보다 작은 것으로 가정한다. 또한, 비교예에서 제1 전극(20)에 인가되는 양의 전압의 크기와 실시예에서 제1 전극(120)에 인가되는 양의 전압의 크기는 동일한 것으로 가정한다.
2개의 전극 사이에서의 전기장의 크기는 다음과 같은 수학식에 의해 계산된다.
[수학식 3]
E=V/d
[수학식 3]에서 E는 전기장의 크기이고, d는 2개의 전극 사이의 이격 거리이고, V는 2개의 전극 사이의 전위차이다.
[수학식 3]을 참조하면, 도 3의 (a)에 도시된 비교예 및 도 3의 (b)에 도시된 실시예 둘 모두에서 전기 활성층(10, 110)에 인가되는 전기장의 크기는 제1 전극(20, 120)과 제2 전극(60, 160) 사이의 전위차에 비례하고, 제1 전극(20, 120)과 제2 전극(60, 160) 사이의 거리에 반비례한다. 상술한 바와 같이 비교예에서 제1 전극(20)에 인가되는 양의 전압의 크기와 실시예에서 제1 전극(120)에 인가되는 양의 전압의 크기는 동일하므로, 비교예에서의 제1 전극(20)과 제2 전극(60) 사이의 전위차는 실시예에서의 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 전위차와 동일하다. 따라서, 비교예에서 전기 활성층(10)에 인가되는 전기장의 크기는 제1 전극(20)과 제2 전극(60) 사이의 거리에 의해 결정되고, 실시예에서 전기 활성층(110)에 인가되는 전기장의 크기는 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 거리에 의해 결정된다.
이와 관련하여, 비교예에서 제1 전극(20)과 제2 전극(60) 사이의 거리는 전기 활성층(10)의 두께(T)와 동일하고, 실시예에서 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 거리는 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 간격(G)과 동일하다. 이 때, 상술한 바와 같이 비교예에서의 전기 활성층(10)의 두께(T)가 실시예에서의 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 간격(G)보다 크므로, 실시예에서 전기 활성층(110)에 인가되는 전기장의 크기는 비교예에서 전기 활성층(10)에 인가되는 전기장의 크기보다 크다. 또한, 동일한 크기의 전기장을 형성하기 위해 요구되는 구동 전압의 크기가 비교예에서보다 실시예에서 더 낮다.
한편, 상술한 바와 같은 비교예에서 구동 전압을 낮추기 위해 제1 전극(20)과 제2 전극(60) 사이의 거리인 전기 활성층(10)의 두께(T)를 감소시키는 방안도 고려해볼 수도 있다. 그러나, 전기 활성층(10)의 두께(T)를 낮출 경우, 전기 활성층(10)을 통해 진동시킬 대상체의 무게를 전기 활성층(10)이 버티지 못하여 진동이 발생하기 어려울 수도 있다. 따라서, 전기 활성층(10)의 두께(T)를 감소시키는 방식으로 구동 전압을 낮추는 것에는 한계가 있다.
비교예와 같이 제1 전극(20) 및 제2 전극(60) 각각이 전기 활성층(10)의 상면 및 하면에 형성되는 경우와 비교하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)에서는 동일한 진동 세기를 획득하기 위해 요구되는 구동 전압의 크기가 감소된다. 이에 따라, 별도의 승압 회로 없이도 접촉 감응 소자(100)를 구동하기 위한 충분한 구동 전압이 인가될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자(100)에서는 제1 전극(120)과 제2 전극(160)의 위치만을 변경하였을 뿐, 전기 활성층(110)의 두께(T)를 감소시키지 않으므로, 진동 강도의 감소 없이 구동 전압의 크기가 감소될 수 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 접촉 감응 소자를 설명하기 위한 개략적인 확대 평면도들이다. 도 4 및 도 5는 접촉 감응 소자(400, 500) 각각의 하나의 셀(CE)에 배치된 제1 전극(420, 520) 및 제2 전극(460, 560)만을 도시하였으며, 도 6은 접촉 감응 소자(600)의 전기 활성층(110)의 액티브 영역(AA)에 배치되는 제1 전극(620) 및 제2 전극(660)을 도시하였다. 도 4 내지 도 6에 도시된 접촉 감응 소자(400, 500, 600)는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 접촉 감응 소자(100)와 비교하여 제1 전극(420, 520, 620) 및 제2 전극(460, 560, 660)의 형상만이 상이할 뿐, 다른 구성요소들은 실질적으로 동일하므로 중복 설명을 생략한다.
먼저, 도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 전극(420, 520) 및 제2 전극(460, 560) 은 제1 전극(420, 520)과 제2 전극(460, 560)이 인접하는 부분을 최대화시키기 위한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 전극(420) 및 제2 전극(460)은 나선형(spiral) 구조를 갖도록 형성될 수 있고, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 전극(520) 및 제2 전극(560)은 이중 루프 구조를 갖도록 형성될 수도 있다. 다만, 제1 전극(420, 520) 및 제2 전극(460, 560)의 형상이 도 4 및 도 5에 도시된 예에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 제1 전극(620) 및 제2 전극(660)은 전기 활성층(110)의 액티브 영역(AA) 전체에 걸쳐 형성될 수도 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 복수의 제1 전극(620) 각각은 전기 활성층(110)의 액티브 영역(AA)에서 가로 방향으로 연장하고, 복수의 제2 전극(660) 각각은 전기 활성층(110)의 액티브 영역(AA)에서 세로 방향으로 연장할 수 있다. 이 때, 제1 전극(620)과 제2 전극(660)이 전기적으로 절연되기 위해 적어도 제1 전극(620)과 제2 전극(660)이 교차하는 지점에는 제1 전극(620)과 제2 전극(660) 사이에 별도의 절연층이 배치될 수 있다. 도 6에서는 설명의 편의를 위해, 제1 전극(620) 및 제2 전극(660)이 마름모 형상으로 형성되는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자 구동 방법에서의 전극 간격에 따른 공진 주파수 및 진동 강도를 설명하기 위한 그래프 및 표이다. 도 7a 내지 도 7c는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 접촉 감응 소자(100)에서 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 간격(G)이 각각 700㎛, 200㎛, 50㎛가 되도록 접촉 감응 소자(100)를 형성한 후, 접촉 감응 소자(100)에 0Hz 부터 500Hz까지의 주파수를 갖는 전압을 순차적으로 인가하면서 측정된 진동 강도(진동 가속도)를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 제1 전극(120)의 폭(W1) 및 제2 전극(160)의 폭(W2)이 2mm이고, 제1 전극(120)의 제2 서브 전극(122)의 길이(L1) 및 제2 전극(160)의 제2 서브 전극(162)의 길이(L2)가 15mm이고, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)의 두께가 250nm가 되도록, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 제조되었다. 이 때, 전기 활성층(110)으로는 80㎛의 두께를 갖는 PVDF 필름이 사용되었다. 또한, 제2 전극(160)은 접지되었으며, 제1 전극(120)에는 750V의 구형파(square wave) 전압인 제1 전압을 인가하였고, 제1 전압의 주파수를 0Hz 부터 500Hz까지 변화시키면서 진동 강도를 측정하였다.
먼저, 도 7a를 참조하면, 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 간격(G)이 700㎛인 경우, 85Hz의 주파수를 갖는 제1 전압을 인가할 때 최대 진동 강도인 0.66G가 측정되었다. 이에, 전극 간격(G)이 700㎛인 경우의 공진 주파수는 85Hz로 측정되었다. 다음으로, 도 7b를 참조하면, 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 간격(G)이 200㎛인 경우, 220Hz의 주파수를 갖는 제1 전압을 인가할 때 최대 진동 강도인 0.67G가 측정되었다. 이에, 전극 간격(G)이 200㎛인 경우의 공진 주파수는 220Hz로 측정되었다. 마지막으로, 도 7c를 참조하면, 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 간격(G)이 50㎛인 경우, 480Hz의 주파수를 갖는 제1 전압을 인가할 때 최대 진동 강도인 0.65G가 측정되었다. 이에, 전극 간격(G)이 50㎛인 경우의 공진 주파수는 480Hz로 측정되었다. 상술한 바와 같은 전극 간격(G)에 따른 공진 주파수 및 진동 강도의 관계를 정리하면 아래와 같다.
전극 간격(G) 공진 주파수 진동 강도
50㎛ 480Hz 0.65G
200㎛ 220Hz 0.67G
700㎛ 85Hz 0.66G
[표 1]을 참조하면, 제1 전극(120)에 인가되는 제1 전압의 진폭을 동일하게 유지한채 제1 전압의 주파수만을 변경시키는 경우, 제1 전극(120)과 제2 전극(160)의 간격(G)에 따라 공진 주파수 값이 상이하다. 즉, 전극 간격(G)이 클수록 공진 주파수 값이 작고, 전극 간격(G)이 작을수록 공진 주파수 값이 크다. 따라서, 전극 간격(G)이 좁을수록 고주파에서 진동 강도가 강하며, 전극 간격(G)이 넓을수록 저주파에서 진동 강도가 강하다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자 구동 방법에서는 제1 전극(120)에 인가되는 제1 전압과 제2 전극(160)에 인가되는 제2 전압이 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 간격(G)에 따른 공진 주파수에 대응하는 주파수를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 간격(G)이 700㎛인 경우, 공진 주파수인 85Hz의 주파수를 갖는 제1 전압이 제1 전극(120)에 인가되고 그라운드(GND) 전압인 제2 전압이 제2 전극(160)에 인가되어 제2 전극(160)이 접지될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자 구동 방법에서는 접촉 감응 소자(100) 구동 시, 해당 전극 간격(G)에서 가장 큰 진동 강도를 발생시킬 수 있는 공진 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 전압을 접촉 감응 소자에 인가하여, 접촉 감응 소자의 진동 강도가 개선될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자 구동 방법에서는 전극 간격(G)에 따른 공진 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 전압을 접촉 감응 소자(100)에 인가하므로, 전극 간격(G)을 고려하지 않고 임의의 주파수를 접촉 감응 소자에 인가하는 경우와 비교하여 동일한 진동 강도를 획득하기 위해 보다 낮은 구동 전압이 필요하다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감응 소자 구동 방법에서는 구동 전압이 감소되고, 소비 전력 또한 감소될 수 있다.
상술한 전극 간격에 따른 공진 주파수 및 진동 강도에 따라 다양한 구조의 접촉 감응 소자 설계가 가능하고, 다양한 구조를 갖는 접촉 감응 소자의 다양한 구동 방법 구현이 가능하다. 이하에서는 상술한 전극 간격에 따른 공진 주파수 및 진동 강도에 기초한 다양한 구조의 접촉 감응 소자 및 그 구동 방법에 대해 설명한다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 접촉 감응 소자를 설명하기 위한 개략적인 확대 평면도들이다. 도 8a 및 도 8b 각각은 접촉 감응 소자(800)에 적용될 수 있는 제1 셀(CE1) 및 제2 셀(CE2)만을 도시하였다. 또한, 도 8a 및 도 8b에 도시된 접촉 감응 소자(800)는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 접촉 감응 소자(100)와 비교하여 제1 전극(820A, 820B)과 제2 전극(860A, 860B) 사이의 간격(G1, G2)만이 상이할 뿐, 다른 구성요소들은 실질적으로 동일하므로 중복 설명을 생략한다. 이하에서는 간격(G1)이 간격(G2)보다 작은 것으로 가정한다.
접촉 감응 소자(800)에 인가되는 구동 전압의 주파수에 따라 사용자에게 상이한 느낌의 촉각 피드백이 전달될 수 있다. 예를 들어, 접촉 감응 소자(800)에 저주파수의 구동 전압이 인가되는 경우 사용자가 자갈, 구슬을 만지는 것과 같은 거친 느낌의 촉각 피드백이 전달될 수 있고, 접촉 감응 소자(800)에 고주파수의 구동 전압이 인가되는 경우 사용자가 실크(silk)를 만지는 것과 같은 부드러운 느낌의 촉각 피드백이 전달될 수 있다. 이에 따라, 접촉 감응 소자(800)의 각각의 셀에 배치되는 제1 전극(820A, 820B)과 제2 전극(860A, 860B) 사이의 간격(G1, G2)을 조절하여, 보다 낮은 구동 전압으로 다양한 느낌의 촉각 피드백이 사용자에게 전달될 수 있다.
예를 들어, 접촉 감응 소자(800)가 사용자에게 부드러운 느낌의 촉각 피드백을 전달하도록 구성되는 경우, 접촉 감응 소자(800)는 도 8a에 도시된 바와 같이 제1 전극(820A)과 제2 전극(860A) 사이의 간격(G1)이 작은 제1 셀(CE1)을 포함하도록 구성될 수 있다. 앞서 도 7a 내지 도 7c에서 설명한 바와 같이, 전극 간격(G1)이 좁을수록 고주파에서 진동 강도가 강하고, 전극 간격(G1)이 넓을수록 저주파에서 진동 강도가 강하다. 즉, 사용자에게 부드러운 느낌의 촉각 피드백을 전달하기 위해서는 고주파수를 갖는 구동 전압을 접촉 감응 소자(800)에 인가하여야 하는데, 도 8b에 도시된 바와 같이 전극 간격(G2)이 넓은 경우에 비해 도 8a에 도시된 바와 같이 전극 간격(G1)이 좁은 경우에 고주파수 대역에서 보다 강한 진동 강도가 획득될 수 있다. 따라서, 사용자에게 부드러운 느낌의 촉각 피드백을 전달하기 위한 접촉 감응 소자(800)에서는 제1 전극(820A)과 제2 전극(860A) 사이의 간격(G1)이 좁은 것이 바람직하고, 접촉 감응 소자(800)를 구동하는 과정에서 제1 전극(820A)과 제2 전극(860A) 사이의 간격(G1)에 따른 공진 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 구동 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 전극 간격(G1)이 50㎛인 경우, 공진 주파수인 480Hz의 제1 전압이 제1 전극(820A)에 인가되고, 제2 전극(860A)은 접지될 수 있다.
또한, 접촉 감응 소자(800)가 사용자에게 거친 느낌의 촉각 피드백을 전달하도록 구성되는 경우, 접촉 감응 소자(800)는 도 8b에 도시된 바와 같이 제1 전극(820B)과 제2 전극(860B) 사이의 간격(G2)이 작은 제2 셀(CE2)을 포함하도록 구성될 수 있다. 앞서 도 7a 내지 도 7c에서 설명한 바와 같이, 전극 간격(G2)이 좁을수록 고주파에서 진동 강도가 강하고, 전극 간격(G2)이 넓을수록 저주파에서 진동 강도가 강하다. 즉, 사용자에게 거친 느낌의 촉각 피드백을 전달하기 위해서는 저주파수를 갖는 구동 전압을 접촉 감응 소자(800)에 인가하여야 하는데, 도 8a에 도시된 바와 같이 전극 간격(G1)이 좁은 경우에 비해 도 8b에 도시된 바와 같이 전극 간격(G2)이 넓은 경우에 저주파수 대역에서 보다 강한 진동 강도가 획득될 수 있다. 따라서, 사용자에게 거친 느낌의 촉각 피드백을 전달하기 위한 접촉 감응 소자(800)에서는 제1 전극(820B)과 제2 전극(860B) 사이의 간격(G2)이 넓은 것이 바람직하고, 접촉 감응 소자(800)를 구동하는 과정에서 제1 전극(820B)과 제2 전극(860B) 사이의 간격(G2)에 따른 공진 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 구동 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 전극 간격(G2)이 700㎛인 경우, 공진 주파수인 85Hz의 제1 전압이 제1 전극(820B)에 인가되고, 제2 전극(860B)은 접지될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 접촉 감응 소자(800)는 다양한 느낌의 촉각 피드백을 전달하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 접촉 감응 소자(800)는 도 8a에 도시된 제1 셀(CE1) 및 도 8b에 도시된 제2 셀(CE2)을 모두 포함하도록 구성될 수 있다. 즉, 접촉 감응 소자(800)의 복수의 셀 중 일부는 제1 셀(CE1)이고, 다른 일부는 제2 셀(CE2)일 수 있다. 이에 따라, 사용자에게 부드러운 느낌의 촉각 피드백을 전달하고자 하는 경우, 접촉 감응 소자(800)의 제1 셀(CE1)에 고주파수의 구동 전압을 인가하는 방식으로 효율적으로 부드러운 느낌의 촉각 피드백이 전달될 수 있다. 또한, 사용자에게 거친 느낌의 촉각 피드백을 전달하고자 하는 경우, 접촉 감응 소자(800)의 제2 셀(CE2)에 저주파수의 구동 전압을 인가하는 방식으로 효율적으로 거친 느낌의 촉각 피드백이 전달될 수 있다.
또한, 접촉 감응 소자(800)가 도 8a에 도시된 제1 셀(CE1) 및 도 8b에 도시된 제2 셀(CE2)을 모두 포함하도록 구성된 경우, 맥놀이 현상을 이용하여 접촉 감응 소자(800)가 보다 강한 진동 강도의 촉각 피드백을 사용자에게 전달할 수 있다. 예를 들어, 제1 셀(CE1)의 제1 전극(820A)에 제1 주파수(f1)의 진동 파형 sin(2πf1t)을 갖는 전압을 인가함과 동시에 제2 셀(CE2)의 제1 전극(820B)에 제2 주파수(f2)의 진동 파형 sin(2πf2t)을 갖는 전압을 인가하고, 제1 셀(CE1)의 제2 전극(860A) 및 제2 셀(CE2)의 제2 전극(860B)을 접지키시는 경우, 접촉 감응 소자(800)에서 발생되는 맥놀이 파는 아래의 식과 같다.
Figure pat00001
이론적으로, 동일한 진폭을 갖는 진동 파형 2개가 만날 때, 맥놀이 파의 진폭은 2배가 될 수 있으며, 실질적으로 맥놀이 파의 포락선은 |f1-f2|의 주파수를 갖게 된다. 따라서, 제1 주파수(f1)를 전극 간격(G1)에 대응하는 값으로 설정하고 제2 주파수(f2)를 전극 간격(G2)에 대응하는 값으로 설정하고, 제1 셀(CE1)과 제2 셀(CE2)에 동시에 구동 전압을 인가하는 경우, 맥놀이 현상을 이용하여 보다 강한 진동 강도의 촉각 피드백을 사용자에게 전달할 수도 있다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 접촉 감응 소자(800)의 복수의 셀 각각에 배치된 제1 전극(820A, 820B)과 제2 전극(860A, 860B) 사이의 간격(G1, G2)은 셀 마다 상이하다. 예를 들어, 복수의 셀 중 도 8a에 도시된 바와 같은 제1 셀(CE1)에서의 제1 전극(820A)과 제2 전극(860A) 사이의 간격(G1)과 도 8b에 도시된 바와 같은 제2 셀(CE2)에서의 제1 전극(820B)과 제2 전극(860B) 사이의 간격(G2)은 상이할 수 있다. 이하에서는 간격(G1)이 간격(G2)보다 작은 것으로 하여 접촉 감응 소자(800)에 대해 설명한다.
도 8a 및 도 8b에서는 접촉 감응 소자(800)가 서로 상이한 전극 간격(G1, G2)을 갖는 2개의 셀(CE1, CE2)로 구성되는 것으로 설명하였으나, 접촉 감응 소자(800)는 3개 이상의 상이한 전극 간격을 갖는 복수의 셀로 구성될 수 있다. 이 경우, 각각의 전극 간격에 따른 공진 주파수를 갖는 전압을 각각의 셀에 인가하여, 사용자에게 다양한 느낌의 촉각 피드백을 보다 강한 진동 강도로 전달할 수 있으며, 동일한 진동 강도의 촉각 피드백을 전달하기 위한 접촉 감응 소자(800)의 구동 전압이 감소될 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 접촉 감응 소자를 설명하기 위한 개략적인 확대 평면도들이다. 도 9 및 도 10에 도시된 접촉 감응 소자(900, 1000)는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 접촉 감응 소자(100)와 비교하여 제1 전극(920, 1020A, 1020B)과 제2 전극(960, 1060A, 1060B) 사이의 간격(G1, G2) 및 제1 전극(920, 1020A, 1020B)과 제2 전극(960, 1060A, 1060B)의 형상만이 상이할 뿐, 다른 구성요소들은 실질적으로 동일하므로 중복 설명을 생략한다. 이하에서는 간격(G1)이 간격(G2)보다 작은 것으로 가정한다.
먼저 도 9를 참조하면, 제1 전극(920)은 동일한 셀(CE)에 배치된 제2 전극(960)과 제1 간격(G1)으로 이격된 부분 및 제2 간격(G2)으로 이격된 부분을 갖는다. 구체적으로, 제1 전극(920)의 제2 서브 전극(922A)은 제2 전극(960)의 제1 서브 전극(961) 및 제2 서브 전극(962A)과 제1 간격(G1)으로 이격된다. 또한, 제1 전극(920)의 제2 서브 전극(922B)은 제2 전극(960)의 제1 서브 전극(961) 및 제2 서브 전극(962B)과 제2 간격(G2)으로 이격된다. 상술한 바와 같은 전극 구조를 갖기 위해, 제1 전극(920)의 제2 서브 전극(922A)의 길이(L1a)는 제1 전극(920)의 제2 서브 전극(922B)의 길이(L1b)보다 길고, 제2 전극(960)의 제2 서브 전극(962A)의 길이(L2a)는 제2 전극(960)의 제2 서브 전극(962B)의 길이(L2b)보다 길다. 제1 전극(920)이 동일한 셀(CE)에 배치된 제2 전극(960)과 제1 간격(G1)으로 이격된 부분 및 제2 간격(G2)으로 이격된 부분을 가짐에 따라, 접촉 감응 소자(900)는 하나의 셀(CE)에서 다양한 느낌의 촉각 피드백을 사용자에게 전달할 수 있다.
다음으로, 도 10을 참조하면, 제1 전극(1020)은 동일한 셀(CE)에 배치된 제2 전극(1060)과 제1 간격(G1)으로 이격된 부분 및 제2 간격(G2)으로 이격된 부분을 갖는다. 구체적으로, 제1 전극(1020A)은 제2 전극(1060A)과 제1 간격(G1)으로 이격되고, 제1 전극(1020B)은 제2 전극(1060B)과 제2 간격(G2)으로 이격된다. 이에 따라, 접촉 감응 소자(1000)는 하나의 셀(CE)에서 다양한 느낌의 촉각 피드백을 사용자에게 전달할 수 있다.
도 9 및 도 10에 도시된 접촉 감응 소자(900, 1000)에서 다양한 느낌의 촉각 피드백을 사용자에게 전달하기 위한 접촉 감응 소자 구동 방법에 대해 상세히 설명하기 위해 도 11을 함께 참조한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 접촉 감응 소자 구동 방법에서의 공진 주파수 및 진동 강도를 설명하기 위한 그래프이다. 도 11은 도 9에 도시된 접촉 감응 소자(900)에서 전극 간격(G1)이 200㎛이고, 전극 간격(G2)이 700㎛가 되도록 접촉 감응 소자(900)를 형성한 후, 접촉 감응 소자(900)에 0Hz 부터 500Hz까지의 주파수를 갖는 전압을 순차적으로 인가하면서 측정된 진동 강도(진동 가속도)를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 제1 전극(920)의 폭(W1) 및 제2 전극(960)의 폭(W2)이 2mm이고, 제1 전극(920)의 제2 서브 전극(922A)의 길이(L1a) 및 제2 전극(960)의 제2 서브 전극(962A)의 길이(L2a)가 15mm이고, 제1 전극(920)의 제2 서브 전극(922B)의 길이(L1b) 및 제2 전극(960)의 제2 서브 전극(962B)의 길이(L2b)가 14.3mm이고, 제1 전극(920) 및 제2 전극(960)의 두께가 250nm가 되도록, 제1 전극(920) 및 제2 전극(960)이 제조되었다. 이 때, 전기 활성층(110)으로는 80㎛의 두께를 갖는 PVDF 필름이 사용되었다. 또한, 제2 전극(960)은 접지되었으며, 제1 전극(920)에는 750V의 구형파 전압인 제1 전압을 인가하였고, 제1 전압의 주파수를 0Hz부터 500Hz까지 변화시키면서 접촉 감응 소자(900)의 진동 강도를 측정하였다.
앞서 도 7a를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 간격(G2)이 모두 700㎛인 경우, 85Hz의 주파수를 갖는 제1 전압을 인가할 때 최대 진동 강도인 0.66G가 측정되었다. 또한, 도 7b를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 간격(G1)이 모두 200㎛인 경우, 220Hz의 주파수를 갖는 제1 전압을 인가할 때 최대 진동 강도인 0.67G가 측정되었다.
도 9에 도시된 접촉 감응 소자(900)의 제1 전극(920)은 동일한 셀(CE)에 배치된 제2 전극(960)과 200㎛의 제1 간격(G1)으로 이격된 부분 및 700㎛의 제2 간격(G2)으로 이격된 부분을 갖는다. 따라서, 제1 전극(920)에 인가되는 제1 전압의 주파수를 0Hz부터 500Hz까지 변화시키는 경우, 제1 간격(G1)에 대응하는 공진 주파수인 220Hz와 유사한 212Hz 및 제2 간격(G2)에 대응하는 공진 주파수인 85Hz와 유사한 88Hz에서 진동 강도의 피크(peak)가 측정되었다. 즉, 제1 전극(920)에 88Hz의 제1 전압이 인가되는 경우, 제1 간격(G1)만큼 이격된 제1 전극(920) 및 제2 전극(960)이 배치된 전기 활성층(110)의 부분이 최대 진동 강도로 진동한다. 또한, 제1 전극(920)에 212Hz의 제1 전압이 인가되는 경우, 제2 간격(G2)만큼 이격된 제1 전극(920) 및 제2 전극(960)이 배치된 전기 활성층(110)의 부분이 최대 진동 강도로 진동한다. 상술한 바와 같은 전극 공진 주파수 및 진동 강도의 관계를 정리하면 아래와 같다.
전극 간격 공진 주파수 진동 강도
200㎛ (G1) 220Hz 0.67G
700㎛ (G2) 85Hz 0.66G
200㎛ & 700㎛ 88Hz, 212Hz 0.33G @ 88Hz
0.41G @ 212Hz
이에, 본 발명의 다른 실시예에 따른 접촉 감응 소자 구동 방법에서는 사용자에게 부드러운 느낌의 촉각 피드백을 전달하기 위해 제2 전극(960)을 접지시킴과 동시에 제1 전극(920)에 제1 간격(G1)에 대응하는 공진 주파수를 갖는 제1 전압을 인가할 수 있고, 사용자에게 거친 느낌의 촉각 피드백을 전달하기 위해 제2 전극(960)을 접지시킴과 동시에 제1 전극(920)에 제2 간격(G2)에 대응하는 공진 주파수를 갖는 제1 전압을 인가할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 접촉 감응 소자 구동 방법에서는 하나의 셀(CE)에서 제1 전극(920)과 제2 전극(960)이 복수의 간격(G1, G2)으로 이격된 접촉 감응 소자(900)를 사용하여, 하나의 셀(CE)에서 인가되는 구동 전압의 주파수만을 조절하여 상이한 느낌의 촉각 피드백을 사용자에게 제공할 수 있다. 또한, 이 때 인가되는 구동 전압의 주파수는 해당 전극 간격(G1, G2)에 대응하는 공진 주파수이므로, 특정 진동 강도를 전달하기 위해 요구되는 구동 전압의 크기가 감소될 수 있다.
한편, 도 11a 및 도 11b의 공진 주파수에서의 진동 강도가 도 7a 및 도 7b의 공진 주파수에서의 진동 강도의 1/2 정도로 감소되었는데, 이는 제1 전극(920)이 동일한 셀(CE)에 배치된 제2 전극(960)과 제1 간격(G1)으로 이격된 부분 및 제2 간격(G2)으로 이격된 부분을 둘 모두 가지면서, 제1 간격(G1)에 대응하는 공진 주파수가 인가된 경우 그리고 제2 간격(G2)에 대응하는 공진 주파수가 인가된 경우 진동하는 전기 활성층(110)의 면적 또한 감소되었기 때문이다. 이에, 하나의 셀(CE)에서 전극 간격(G1, G2)에 대응하는 면적의 크기를 조절하여 하나의 셀(CE)에서 발생되는 진동 강도가 증가될 수 있다. 또한, 접촉 감응 소자(900)가 도 9에 도시된 바와 같은 셀(CE)을 복수개 포함하는 경우, 접촉 감응 소자(900)의 진동 강도가 증가될 수 있다. 이에, 하나의 셀(CE)에 복수의 전극 간격(G1, G2)을 구현하더라도 접촉 감응 소자(900)가 충분한 크기의 진동 강도로 촉각 피드백을 전달할 수 있다.
앞에서는 도 9를 참조하여 설명하였으나, 도 10에 도시된 접촉 감응 소자(1000) 또한 제1 전극(1020A)이 제2 전극(1060A)과 제1 간격(G1)으로 이격되고, 제1 전극(1020B)이 제2 전극(1060B)과 제2 간격(G2)으로 이격되므로, 상술한 바와 같은 접촉 감응 소자 구동 방법이 그대로 적용될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 12를 참조하면, 표시 장치(1200)는 표시 패널(1210), 전기 활성 고분자로 구성된 접촉 감응 소자(100), 터치 패널(1220) 및 커버(1230)를 포함한다.
도 12를 참조하면, 표시 장치(1200)의 하부에 표시 패널(1210)이 배치된다. 표시 패널(1210)은 표시 장치(1200)에서 영상을 표시하기 위한 표시 소자가 배치된 패널을 의미한다. 표시 패널(1210)로서, 예를 들어, 유기 발광 표시 패널, 액정 표시 패널, 전기 영동 표시 패널 등과 같은 다양한 표시 패널이 사용될 수 있다.
표시 패널(1210) 상에는 전기 활성 고분자로 구성되는 접촉 감응 소자(100)가 배치된다. 도 12에서는 접촉 감응 소자(100)가 도 1a 내지 도 1c에 도시된 접촉 감응 소자(100)인 것으로 도시되었으나, 도 4 내지 도 6, 도 8a, 도 8b, 도 9 도 10을 참조하여 설명된 접촉 감응 소자(400, 500, 600, 800, 900, 1000) 중 어느 하나도 표시 장치(1200)에 적용될 수 있다. 이하에서는, 도 12에 도시된 접촉 감응 소자가 도 1a 내지 도 1c에 도시된 접촉 감응 소자(100)인 것으로 설명한다. 구체적으로, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 전기 활성층(110)의 일 면에 형성된다. 도 12를 참조하면, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 표시 패널(1210)과 마주하도록 접촉 감응 소자(100)가 배치된다. 즉, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 배치된 전기 활성층(110)의 일 면은 표시 패널(1210)의 상면과 대향한다.
접촉 감응 소자(100) 상에는 터치 패널(1220)이 배치된다. 터치 패널(1220)은 표시 장치(1200)에 대한 사용자의 터치 입력을 감지하는 패널을 의미한다. 터치 패널(1220)로서, 예를 들어, 정전 용량 방식, 저항막 방식, 초음파 방식, 적외선 방식 등이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 정전 용량 방식의 터치 패널(1220)이 터치 패널(1220)로서 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 전기 활성층(110)의 각각의 셀(CE)의 면적은 전기 활성층(110)과 함께 사용되는 터치 패널(1220)의 화소의 면적을 고려하여 결정될 수도 있다. 예를 들어, 사용자의 터치 입력이 감지된 터치 패널(1220)의 화소와 동일하게 접촉 감응 소자(100)의 셀(CE)의 면적이 결정되는 경우, 터치 패널(1220)이 화소와 접촉 감응 소자(100)의 셀(CE)이 1:1로 대응될 수 있으므로, 접촉 감응 소자(100)가 보다 용이하게 구동될 수 있다.
터치 패널(1220) 상에는 커버(1230)가 배치된다. 커버(1230)는 표시 장치(1200) 외부로부터의 충격으로부터 표시 장치(1200)를 보호하기 위한 구성이다. 커버(1230)는 투명한 절연성 물질로 이루어질 수 있다.
도 12에 도시되지는 않았으나, 표시 패널(1210), 접촉 감응 소자(100), 터치 패널(1220) 및 커버(1230)를 서로 접착시키기 위한 접착층이 사용될 수 있다. 접착층은, 예를 들어, OCA(optical clear adhesive) 또는 OCR(optical clear resin)이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 전극(120) 및 제2 전극(160) 중 하나가 전기 활성층(110)의 상면에 형성되고 다른 하나가 전기 활성층(110)의 하면에 형성되는 경우, 전기 활성층(110)과 터치 패널(1220) 사이에는 반드시 제1 전극(120) 또는 제2 전극(160)이 배치된다. 이와 같이 제1 전극(120) 또는 제2 전극(160)이 터치 패널(1220)에 인접하게 배치됨에 따라, 제1 전극(120) 또는 제2 전극(160)에 의해 실제 사용자의 터치 입력이 발생하지 않은 위치에 터치 입력이 발생한 것으로 터치 패널(1220)이 인식하는 고스트 현상이 발생될 수 있다. 특히, 전기 활성 접촉 감응 소자(100)를 구동하기 위한 구동 전압으로 수 kV의 고전압이 인가될 수 있으므로, 제1 전극(120) 또는 제2 전극(160)에 인가되는 고전압에 의해 터치 패널(1220)의 고스트 현상이 심화될 수 있다. 이에, 접촉 감응 소자(100)로부터의 노이즈 신호가 터치 패널(1220) 측에 전달되는 것을 방지하기 위해, 차폐층으로서 접지된 투명 도전성 필름을 터치 패널(1220)과 접촉 감응 소자(100) 사이에 배치하는 방법이 사용될 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치(1200)에 포함되는 접촉 감응 소자(100)에서는 전기 활성층(110)에 전기장을 인가하기 위한 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 전기 활성층(110)의 일 면에만 형성된다. 또한, 접촉 감응 소자(100)가 표시 패널(1210)과 터치 패널(1220) 사이에 배치되고, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 표시 패널(1210)에 대향한다. 이에 따라, 터치 패널(1220)과 인접하는 전기 활성층(110)의 상면에는 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 형성되지 않게 된다. 또한, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)과 터치 패널(1220) 사이에 전기 활성층(110)이 배치되고, 전기 활성층(110)이 차폐층과 동일한 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치(1200)에서는 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 전기 활성층(110)의 동일한 면에 형성되고, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 표시 패널(1210)과 대향함에 따라, 별도의 차폐층이 요구되지 않고, 제1 전극(120) 또는 제2 전극(160)에 인가되는 전압에 의해 발생될 수 있는 터치 패널(1220)의 고스트 현상이 억제될 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 13에 도시된 표시 장치(1300)는 도 12에 도시된 표시 장치(1200)와 비교하여 표시 패널(1310)의 기능 및 위치만이 변경되었을 뿐, 다른 구성요소들은 실질적으로 동일하므로 중복 설명을 생략한다.
도 13을 참조하면, 표시 패널(1310)이 커버(1230)와 접촉 감응 소자(100) 사이에 배치된다. 표시 패널(1310)은 표시 장치(1300)에서 영상을 표시하기 위한 표시 소자가 배치된 패널임과 동시에 터치 패널로서 기능한다. 즉, 표시 패널(1310)은 터치 패널이 내장된 터치 패널 일체형 표시 패널(1310)이고, 예를 들어, 표시 패널(1310)에는 인-셀(in-cell) 방식의 터치 패널이 구현될 수 있다. 표시 패널(1310)로서, 예를 들어, 유기 발광 표시 패널, 액정 표시 패널 등과 같은 다양한 표시 패널이 사용될 수 있다.
표시 패널(1310) 아래에는 전기 활성 고분자로 구성되는 접촉 감응 소자(100)가 배치된다. 이 때, 도 13에 도시된 바와 같이 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 전기 활성층(110)의 하면에 배치될 수 있고, 도 13에 도시되지는 않았으나, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 전기 활성층(110)의 상면에 배치될 수도 있다. 다만, 도 13에 도시된 바와 같이 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 전기 활성층(110)의 하면에 배치되는 경우, 터치 패널이 내장된 표시 패널(1310)과 제1 전극(120) 및 제2 전극(160) 사이의 간격을 최대화할 수 있으므로, 제1 전극(120) 또는 제2 전극(160)에 인가되는 전압에 의해 발생될 수 있는 고스트 현상을 억제하는데 보다 유리할 수 있다.
상술한 바와 같이 표시 패널(1310)이 터치 패널이 내장된 터치 패널 일체형 표시 패널(1310)인 경우, 도 13에 도시되지는 않았으나 터치 패널이 터치 패널이 내장된 표시 패널(1310)과 접촉 감응 소자(100) 사이에 차폐층이 배치될 수도 있다. 즉, 접촉 감응 소자(100)로부터의 노이즈 신호가 터치 패널이 내장된 표시 패널(1310) 측에 전달되는 것을 최소화하기 위해, 접지된 투명 도전성 필름과 같은 차폐층이 터치 패널이 내장된 표시 패널(1310)과 접촉 감응 소자(100) 사이에 배치될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 터치 패널이 내장된 표시 패널(1310)과 커버(1230) 사이에 접촉 감응 소자(100)가 배치될 수도 있다. 이 경우, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 전기 활성층(110)의 상면 또는 하면에 배치될 수 있다. 또한, 접촉 감응 소자(100)로부터의 노이즈 신호가 터치 패널이 내장된 표시 패널(1310) 측에 전달되는 것을 최소화하기 위해, 차폐층이 접촉 감응 소자(100)와 터치 패널이 내장된 표시 패널(1310) 사이에 배치될 수도 있다.
도 14는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치가 유리하게 활용될 수 있는 실례들을 나타내는 도면이다.
도 14의 (a)는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치(1200, 1300)가 모바일 디바이스(1400)에서 사용되는 경우를 도시한다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치(1200, 1300)가 도 14의 (a)에서 모바일 디바이스(1400)에 포함되도록 도시되었으며, 여기서 모바일 디바이스(1400)는 스마트폰, 핸드폰, 태블릿 PC, PDA 등과 같은 소형화 장치를 의미한다. 표시 장칙가 모바일 디바이스(1400)에 설치되는 경우, 외부 전원이 공급되지 않고 자체 배터리를 사용하게 되므로, 한정된 배터리 용량에 적합하도록 표시 장치(1200, 1300)의 구성요소들이 설계되어야 한다. 이에, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치(1200, 1300)에서와 같이 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)이 전기 활성층(110)의 동일 평면 상에 형성됨으로써, 표시 장치(1200, 1300)의 접촉 감응 소자(100)의 구동 전압이 감소되고, 한정된 배터리 용량에서도 표시 장치(1200, 1300)가 정상적으로 구동될 수 있다. 또한, 사용자는 모바일 디바이스(1400)로 동영상 시청, 게임, 버튼 입력 등을 수행할 시에 터치와 함께 진동을 느낄 수 있으므로, 보다 감각적인 정보를 전달받을 수 있다.
도 14의 (b)는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치(1200, 1300)가 차량용 네비게이션(1500)에서 사용되는 경우를 도시한다. 차량용 네비게이션(1500)은 표시 장치(1200, 1300) 및 다수의 조작 요소들을 포함할 수 있으며, 차량 내부에 설치된 프로세서에 의해 제어될 수 있다. 표시 장치(1200, 1300)가 차량용 네비게이션(1500)에 적용되는 경우, 도로의 높낮이, 도로의 상태, 차량의 진행 상황 등을 촉각적으로 제공할 수 있게 된다.
도 14의 (c)는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치(1200, 1300)가 모니터, TV 등과 같은 디스플레이 수단(1600)으로 사용되는 경우를 도시한다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치(1200, 1300)가 디스플레이 수단(1600)으로 이용되는 경우, 사용자는 특정 물건의 질감, 화자의 상태 등을 실제로 경험하듯이 촉각적으로 느낄 수 있으므로, 보다 실감나는 영상을 즐길 수 있게 된다.
도 14의 (d)는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치(1200, 1300)가 옥외 광고판(1700)에서 사용되는 경우를 도시한다. 옥외 광고판(1700)은 표시 장치(1200, 1300) 및 지면과 표시 장치(1200, 1300)를 연결시키는 지지대를 포함할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치(1200, 1300)를 옥외 광고판(1700)에 적용하는 경우, 판매하고자 하는 광고 물품에 대한 촉각적인 정보 영상 및/또는 음성과 함께 사용자에게 직접 전달할 수 있으므로, 광고 효과가 극대화될 수 있게 된다.
도 14의 (e)는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치(1200, 1300)가 게임기(1700)에서 사용되는 경우를 도시한다. 게임기(1800)는 표시 장치(1200, 1300), 및 다양한 프로세서가 내장되는 하우징을 포함할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치(1200, 1300)를 게임기(1800)에 적용하는 경우, 사용자의 게임 조작에 따른 다양한 촉각적 피드백을 실감나게 제공할 수 있게 되므로, 사용자의 게임에 대한 몰입도가 배가될 수 있게 된다.
도 14의 (f)는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표시 장치(1200, 1300)가 전자 칠판(1900)에서 사용되는 경우를 도시한다. 전자 칠판(1900)은 표시 장치(1200, 1300), 스피커 및 이들을 외부의 충격으로부터 보호하기 위한 구조물을 포함할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치(1200, 1300)를 전자 칠판(1900)에 적용하는 경우, 교육자는 스타일러스 펜 또는 손가락으로 표시 장치(1200, 1300)에 강의 내용을 입력할 때에 직접 칠판에 판서하는 듯한 느낌을 제공받을 수 있게 된다. 또한, 피교육자가 전자 칠판(1900)에 표시된 이미지에 대한 터치 입력을 인가하는 경우, 해당 이미지에 적합한 촉각적 피드백이 피교육자에게 제공될 수 있으므로, 교육의 효과가 극대화될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 전기 활성층
120, 420, 520, 620, 820A, 820B, 920, 1020A, 1020B: 제1 전극
121, 921: 제1 전극의 제1 서브 전극
122, 922A, 922B: 제1 전극의 제2 서브 전극
131: 제1 배선
132: 제2 배선
140: FPCB
141: 회로부
160, 460, 560, 660, 860A, 860B, 960, 1060A, 1060B: 제2 전극
161, 961: 제2 전극의 제1 서브 전극
162, 962A, 962B: 제2 전극의 제2 서브 전극
100, 400, 500, 600, 800, 900, 1000: 접촉 감응 소자
1210, 1310: 표시 패널
1220: 터치 패널
1230: 커버
1200, 1300: 표시 장치
1400: 모바일 디바이스
1500: 차량용 네비게이션
1600: 디스플레이 수단
1700: 옥외 광고판
1800: 게임기
1900: 전자 칠판
AA: 액티브 영역
CE: 셀
CE1: 제1 셀
CE2: 제2 셀

Claims (17)

  1. 전기 활성 고분자로 이루어지는 전기 활성층; 및
    상기 전기 활성층의 일 면에만 배치된 하나 이상의 제1 전극 및 하나 이상의 제2 전극을 포함하고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 도전성 물질로 이루어지는, 접촉 감응 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 활성층은 복수의 셀을 갖고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 셀 각각에 배치된, 접촉 감응 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극은 동일한 셀에 배치된 상기 제2 전극과 제1 간격으로 이격된 부분 및 제2 간격으로 이격된 부분을 갖는, 접촉 감응 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각은 제1 서브 전극 및 상기 제1 서브 전극으로부터 연장하는 복수의 제2 서브 전극을 갖고,
    상기 제1 전극의 제2 서브 전극과 상기 제2 전극의 제2 서브 전극은 교대로 배치된, 접촉 감응 소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 셀 중 제1 셀에 배치된 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 제1 간격으로 이격되고,
    상기 셀 중 제2 셀에 배치된 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 제2 간격으로 이격된, 접촉 감응 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 간격은 상기 전기 활성층의 두께보다 작은, 접촉 감응 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각은 나선형 구조 또는 이중 루프 구조를 갖는, 접촉 감응 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 투명 도전성 물질로 이루어지는, 접촉 감응 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전압이 인가되는 경우, 상기 전기 활성층에 발생되는 전기장에 의해 상기 전기 활성층이 진동하는, 접촉 감응 소자.
  10. 전기 활성 고분자로 이루어지는 전기 활성층의 일 면에서 복수의 셀 각각에 배치되고, 도전성 물질로 이루어진 하나 이상의 제1 전극에 제1 전압이 인가되도록 구성되고,
    상기 전기 활성층의 상기 일 면에서 상기 셀 각각에 배치되고, 도전성 물질로 이루어진 하나 이상의 제2 전극에 제2 전압이 인가되도록 구성되며,
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 간격에 따른 공진 주파수에 대응하는 주파수를 갖는, 접촉 감응 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 전극에 상기 공진 주파수를 갖는 상기 제1 전압이 인가되도록 구성되고,
    상기 제2 전극에 그라운드 전압인 상기 제2 전압이 인가되도록 구성된, 접촉 감응 소자.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 전극은 동일한 셀에 배치된 상기 제2 전극과 제1 간격으로 이격된 부분 및 제2 간격으로 이격된 부분을 갖고,
    상기 제1 전극에 상기 제1 간격에 대응하는 공진 주파수 또는 상기 제2 간격에 대응하는 공진 주파수를 갖는 상기 제1 전압이 인가되도록 구성되고,
    상기 제2 전극에 그라운드 전압인 상기 제2 전압이 인가되도록 구성된, 접촉 감응 소자.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 셀 중 제1 셀에 배치된 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 제1 간격으로 이격되고,
    상기 셀 중 제2 셀에 배치된 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 제2 간격으로 이격되고,
    상기 제1 셀에 배치된 상기 제1 전극에 상기 제1 간격에 대응하는 공진 주파수를 갖는 상기 제1 전압이 인가되거나, 상기 제2 셀에 배치된 상기 제1 전극에 상기 제2 간격에 대응하는 공진 주파수를 갖는 상기 제1 전압이 인가되도록 구성되고,
    상기 제1 셀에 배치된 상기 제2 전극 및 상기 제2 셀에 배치된 상기 제2 전극에 그라운드 전압인 상기 제2 전압이 인가되도록 구성된, 접촉 감응 소자.
  14. 터치 패널;
    상기 터치 패널 상에 또는 상기 터치 패널 아래에 배치되고, 전기 활성 고분자로 구성된 전기 활성층 및 상기 전기 활성층의 일 면에만 배치된 하나 이상의 제1 전극과 하나 이상의 제2 전극을 갖는 접촉 감응 소자; 및
    상기 터치 패널 및 상기 접촉 감응 소자 상에 배치된 커버를 포함하고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 도전성 물질로 이루어지는, 표시 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    표시 패널을 더 포함하고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 표시 패널과 대향하는, 표시 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 터치 패널이 내장된 표시 패널을 더 포함하고,
    상기 표시 패널은 상기 커버와 상기 접촉 감응 소자 사이 또는 상기 접촉 감응 소자 아래에 배치된, 표시 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 접촉 감응 소자의 셀의 면적과 상기 터치 패널의 화소의 면적은 동일한, 표시 장치.
KR1020150085231A 2014-12-18 2015-06-16 접촉 감응 소자 및 접촉 감응 소자를 포함하는 표시 장치 KR102356352B1 (ko)

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