KR20170132198A - 삼중층 액츄에이터를 채택한 촉각 자극을 제공하는 장치 및 방법 - Google Patents

삼중층 액츄에이터를 채택한 촉각 자극을 제공하는 장치 및 방법 Download PDF

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사에데 에브라히미 타칼루
존 디 더블유 마덴
샤리아 미라바쉬
메이삼 파라졸라히
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더 유니버시티 오브 브리티쉬 콜롬비아
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Abstract

전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1 및 제2 폴리머층과; 제1 및 제2 폴리머층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 폴리머층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 층;으로 이루어지는 삼중층 액츄에이터를 포함하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치이다. 제1 및 제2 폴리머층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 폴리머층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생된다. 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기된다. 제1 및 제2 형상 사이에서의 차이 또는 전이가 인간 사용자의 촉감에 의해 감지될 수 있다.

Description

삼중층 액츄에이터를 채택한 촉각 자극을 제공하는 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHODS FOR PROVIDING TACTILE STIMULUS INCORPORATING TRI-LAYER ACTUATORS}
본 발명은 삼중층 액츄에이터를 이용한 촉각 자극을 제공하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
햅틱(haptics) 분야 내에서, 특정 위치에 및/또는 특정 영역에 및/또는 소위 접촉식 디스플레이(tactile display)에 촉각 자극 및/또는 촉각 피드백을 제공하는 것이 일반적으로 요망된다. 동일한 장치에 접촉식 디스플레이와 그래픽 디스플레이를 구현하는 욕구가 있지만 접촉식 디스플레이는 비주얼 또는 그래픽 디스플레이로부터 구별되는 기능을 갖는다. 이러한 촉각 자극은 하나 이상의 다양한 다른 형태의 자극과 그에 따른 다른 감각에 관계될 수 있는데, 그에 한정되지 않는 예로써 진동, 압력에서의 변화, 힘에서의 변화 및/또는 텍스처(texture)에서의 변화 (예를 들어 거칠기(roughness), 탄성(compliance), 마찰(friction))가 될 수 있다. 촉각 자극을 제공하는 방법 및 장치는 다양한 애플리케이션을 가질 수 있는데, 최소 침습 수술 (MIS: Minimally Invasive Surgery), 감각 치환 (sensory substitution), 3D 표면 생성 (3D surface generation), 게임, 대화형 키보드 (interactive keyboards), 터치패드 (touchpads) 및/또는 그와 비슷한 것들을 포함할 수 있고 그에 한정되지는 않는다.
최근에는, 전기활성 재료 (EAP, electroactive material)가 헤드폰과 스마트 전화 케이스에 진동 발생기를 구현하고 점자 셀 디스플레이 (braille cell displays)를 제공하기 위해 사용될 수 있는 잠재적인 재료로서 제안되고 있다. 그러나, EAP 기반 장치들은, (통상적으로 5 kV를 초과하는) 높은 구동 전압을 필요로 해서 그에 따른 복잡하고 값 비싼 구동 전자기기와 적절한 격리가 필요하며; (통상적으로 탄성률(elastic modulus) 1 MPa 미만인) 높은 탄성을 필요로 해서 그 진동 효과를 감지하기 어렵게 한다;는 점에서 단점을 갖는다. 전기/자기유동적 재료(electro/magnetorheological material)도 점자 셀 디스플레이와 텍스처 디스플레이용으로 제안되어 왔다. 전기/자기유동적 재료를 사용한 촉각 자극 장치도 마찬가지로 구동을 위해서는 높은 구동 전압을 필요로 한다.
관련 기술에 대한 전술한 예와 그에 관계된 한정들이 예시하려는 것은 아니며 그에 국한되지는 않을 것이다. 관계된 기술의 다른 한정들이 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 명세서를 읽고 도면을 공부하면서 명백해질 것이다.
인간이 감지할 수 있는 촉각 자극 및/또는 피드백을 제공하는 장치 및 방법에 대한 일반적인 요구가 있다. 종래 기술과 관련하여 전술한 문제 일부나 다른 문제를 극복하거나 개선하려는 바램이 있다.
본 출원은 2015년 3월 9일자로 출원된 미국 출원번호 62/130595로부터의 우선권을 주장하고 그에 관계되어 미국특허법 제119조 (e)에 따른 선출원의 이익을 주장하면서, 그 내용이 여기에 참고로 포함되어 있다.
본 발명의 양태는 삼중층 액츄에이터를 이용한 촉각 자극을 제공하는 장치 및 방법을 제공한다. 일부 실시례에 따른 삼중층 액츄에이터들은 전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 형상 및/또는 크기를 갖는 제1 및 제2 전도성층과; 제1 및 제2 전도성층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 전도성층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로 절연성이고 이온적으로는 전도성인 변형가능한 층;을 포함한다. 현재로서는 바람직한 실시례에서, 삼중층 액츄에이터의 제1 및 제2 전도성층은 제1 및 제2 폴리머층 - 즉 전도성 폴리머층을 포함한다. 그러나 이는 반드시 그럴 필요는 없는데, 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터는 제1 및 제2 전도성층이 금속층을 포함하는 소위 이온 폴리머 금속 복합재(IPMC: Ionic Polymer Metal Composite) 액츄에이터일 수도 있거나 다른 형태의 삼중층 액츄에이터를 포함 할 수도 있다. 삼중층 액츄에이터의 제1 및 제2 전도성(예를 들어 전도성 폴리머)층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 전도성(예를 들어 전도성 폴리머)층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형을 야기하게 된다. 제1 및 제2 형상의 차이는 인간 사용자에게 (촉각 자극으로) 검출될 수 있다.
인간이 감지할 수 있는 촉각 자극 및/또는 피드백을 제공하는 장치 및 방법에 대한 일반적인 요구가 있다. 본 발명은, 종래 기술과 관련하여 전술한 문제 일부나 다른 문제를 극복하거나 개선한다.
예시적인 실시례들이 도면의 참조된 도면에 나타나 있다. 본 명세서에 개시된 실시례 및 도면들은 한정적이라기 보다는 예시적인 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1A, 1B 및 1C (일괄하여 도 1이라 함)는 예시적인 삼중층 액츄에이터를 개략적으로 도시하는데, 인가 전압이 없는 경우(도 1A), 특정 극의 인가 전압이 있는 경우 (도 IB) 및 반대 극의 인가 전압이 있는 경우(도 1C)를 각각 보여준다.
도 2A - 2D (일괄하여 도 2라 함)는, 특정 실시례에 따른, 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치의 단면도를 각각 개략적으로 도시한다.
도 3A - 3E (일괄하여 도 3이라 함)는, 예시적이나 그에 한정되지 않는 실시례에 따른, 도 2의 장치를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한다.
도 4A - 4C (일괄하여 도 4라 함)는 다른 특정 실시례에 따른, 인간이 감지할 수 있는 촉각 자극을 제공하기 위해 사용될 수 있는 장치의 일부분 (예를 들어, 셀(cell))에 대한, 사시도 (도 4A) 및 단면도 (도 4B 및 4C)를 도시한다.
도 5A - 5C (일괄하여 도 5라 함)는 예시적이나 그에 한정되지 않는 실시례에 따른, 도 4의 장치를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한다.
도 6A 및 6B (일괄하여 도 6이라 함)는 다른 특정 실시례에 따른, 인간이 감지할 수 있는 촉각 자극을 제공하기 위해 사용될 수 있는 장치의 일부분 (예를 들어, 셀)에 대한 단면도를 도시한다.
도 7A - 7F (일괄하여 도 7이라 함)는 예시적이나 그에 한정되지 않는 실시례에 따른, 도 6의 장치를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한다.
도 8A - 8D (일괄하여 도 8이라 함)는 다른 특정 실시례에 따른, 인간이 감지할 수 있는 촉각 자극을 제공하기 위해 사용될 수 있는 장치의 일부분(예를 들어, 셀)에 대한 여러 관점에서의 도면을 도시한다.
도 9A - 9D (일괄하여 도 9라 함)는 예시적이나 그에 한정되지 않는 실시례에 따른, 도 8의 장치를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한다.
도 10은 또 다른 특정 실시례에 따른, 인간이 감지할 수 있는 촉각 자극을 제공하기 위해 사용될 수 있는 장치의 일부분 (예를 들어, 셀)을 도시한다.
도 11A - 11D (일괄하여 도 11이라 함)는, 예시적이나 그에 한정되지 않는 실시례에 따른, 도 10의 장치를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한다.
도 12A는 일부 실시례에서 삼중층 액츄에이터(들)를 제공하는데 사용될 수 있는 이온 폴리머 금속 복합재 (IPMC: Ionic Polymer Metal Compoisite) 삼중층 액츄에이터를 개략적으로 도시하고, 도 12B는 병렬 캐패시터의 형태의 유전 엘라스토머 (dielectric elastomers) 및 전왜 재료 (electrostrictive materials)로 이루어진 액츄에이터 소자를 개략적으로 도시하는데 일부 실시례에서 삼중층 액츄에이터(들)를 대체할 수 있다.
도 13은 2차원 공간에 걸친 움직임을 위해 (적절한 전압 인가에 의해) 조절할 수 있는 복수의 삼중층 액츄에이터를 개략적으로 도시한다.
도 14는 특정 실시례에 따른, 복수의 삼중층 액츄에이터의 적층 배열로 이루어지는, 인간이 감지할 수 있는 자극을 제공하는 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 15는 (㎛ 단위의) 최소 임계 검출가능한 변위량 대 (Hz 단위의) 진동 주파수{minimum threshold detectable displacement (in ㎛) versus vibration frequency (in Hz)}에 대한 대수 플롯(logarithmic plot)을 도시하는데, 이는 Journal of Neurophysioloy (신경생리학 저널) 81.4 (1999): 1548 - 1558에, "손에 쥔 목적물을 통해 전달되는 진동의 감지(Detection of vibration transmitted through an object grasped in the hand)"라는 제목으로 브리스벤 에이. 제이. (Brisben, A. J.)와, 에쓰. 에쓰. 샤오 (S. S. Hsiao) 및 케이. 오. 존슨 (K. O. Johnson)에 의해 보고된 바 있다.
다음의 설명 전반에 걸쳐 특정 세부 사항은 당업자에게 더 완전한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 잘 알려진 요소들은 도시 혹은 발명을 불필요하게 모호하게하는 것을 피하기 위해 상세히 설명되지 않을 수 있다. 따라서, 설명 및 도면들은 제한, 의미가 아니라, 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
도 1A, 1B 및 1C (일괄하여 도 1이라 함)는 예시적인 삼중층 액츄에이터 (10)를 개략적으로 도시하는데, 인가 전압이 없는 경우(도 1A), 특정 극의 인가 전압이 있는 경우 (도 IB) 및 반대 극의 인가 전압이 있는 경우(도 1C)를 각각 보여준다. 삼중층 액츄에이터(10)는, 도 1의 페이지 뷰에서 페이지로 들어와서 나가는 방향으로 치수면에서 실질적으로 균일한 단면을 가질 수 있다. 삼중층 액츄에이터 (10)는 전자적으로 및 이온적으로 전도성인 제1 및 제2 전도성층 (12, 14)를 포함한다. 제1 및 제2 전도성층 (12, 14)의 형상 및/또는 치수는 그 안으로 이온의 삽입 및 그로부터의 이온의 탈락에 따라 (예를 들면 그에 의존하여) 변화한다. 도 1의 실시례의 경우, 제1 및 제2 전도성층 (12, 14)의 형상 및/또는 치수는, 이온의 삽입과 함께 크기가 증가하고 (예를 들면 전도성층 (12, 14) 내의 이온 농도의 증가가 전도성층 (12, 14)의 크기면에서 그에 상응하는 증가를 가져옴) 이온의 탈락과 함께 크기가 감소한다 (예를 들면 전도성층 (12, 14) 내의 이온 농도의 감소가 전도성층 (12, 14)의 크기면에서 그에 상응하는 감소를 가져옴). 삼중층 액츄에이터 (10)는 또한 제1 및 제2 전도성층 (12, 14) 사이에 위치하면서 이들과 접촉하는 변형가능한 층 (16)을 포함한다. 변형가능한 층 (16)은 제1 및 제2 전도성층을 물리적으로 서로로부터 분리한다.
변형가능한 층 (16)은 이온적으로 전도성이고 전자적으로 절연성이다. 이는 전자와 이온 모두를 통하게 하는 전도성층 (12, 14)과 대조된다. 일부 실시례에서, 전자적으로 통하는 것에 대해 변형가능한 층 (16)의 절연 특성은, 비록 그 범위가 필요한 것은 아니지만, σe (<= 10-10 S/m (Seimens/meter)의 범위를 가질 수 있다 (여기서 σe 는 전자적 전도성을 가리키고 변형가능한 층 (16)의 전자 흐름에 대한 전도성임). 다른 실시례에서, 변형가능한 층 (16)의 이온적 전도성 σi는, 비록 그 범위가 필요한 것은 아니지만, 10-3 S/m < σi < 10 S/m의 범위이다(여기서 σi 는 이온적 전도성을 가리키고 변형가능한 층 (16)의 이온 흐름에 대한 전도성임). 일반적으로, 변형가능한 층 (16)의 전자적 전도성은 변형가능한 층 (16)의 이온적 전도성에 비해 낮다 (그리고 바람직하게는 현저하게 낮다). 일부 실시례에서, 변형가능한 층 (16)의 이온적 전도성은 변형가능한 층 (16)의 전자적 전도성의 1000배보다 크다. 일부 실시례에서 이 비율은 106 보다 크다. 일부 실시례에서, 이 비율은 108 보다 크다. 일부 실시례에서, 전도성층의 전자적 및 이온적 전도성, σe 및 σi 는, 비록 그 범위가 필요한 것은 아니지만, 각각 102 S/m < σe < 107 S/m 및 10-5 S/m < σi < 0.1 S/m의 범위이다.
현재로서는 바람직한 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)는 전도성 폴리머(conducting polymer(s))로 만들어진 (다르게는 주로 만들어진) 전도성층 (12, 14)를 포함한다. 전도성 폴리머는 잘 알려져 있고 적절하게 도핑된 폴리머 재료를 포함한다. 비 제한적인 예로서, 전도성층 (12, 14)에 사용 가능한 적절한 전도성 폴리머는, 폴리피롤 (Ppy: polypyrrole), 폴리아닐린 (PANI: polyaniline), 폴리티오펜 (PTs: Polythiophene), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) (PEDOT: Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) 및/또는 그와 유사한 것 등을 포함한다. 일부 실시례에서, 전도성층 (12, 14)에 사용되는 전도성 폴리머는, 양전하 캐리어 (positive charge carriers)와 전하 균형 이온 (charge-balancing ions)을 포함한다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)는, 금속(들)로부터 만들어진 (다르게는 주로 만들어진) 전도성층 (12, 14)을 포함한다. 일부 실시례에서, 비 제한적인 예로서, 전도성층 (12, 14)은 동, 스테인레스강, 금, 백금, 니오븀, 티타늄, 알루미늄 및/또는 그와 유사한 것 등을 포함 할 수 있다. 일부 실시례에서, 전도성층 (12, 14)은 예를 들자면 탄소 섬유 페이퍼, 탄소 나노튜브, 그라핀계 재료 및/또는 그와 유사한 것 등과 같이 탄소계 도전성 재료로 만들어질 수도 있다.
삼중층 액츄에이터 (10)가 전도성 폴리머 전도성층(12, 14)를 포함하는 것이 왜 유리한 많은 이유가 있다. 전도성 폴리머는 (예를 들면 적절하게 낮은 도펀트 레벨을 갖도록 적절하게 박막으로 제공되는 경우) 투명하거나 부분적으로 투명하게 만들어질 수 있고 삼중층 액츄에이터 (10)가 전도성 폴리머 전도성층 (12, 14)를 포함하는 경우 삼중층 액츄에이터 (10)의 적어도 일부가 투명하거나 부분적으로 투명하게 만들어질 수 있다. 또한, 삼중층 액츄에이터 (10)가 전도성 폴리머 전도성층 (12, 14)를 포함하는 경우, 삼중층 액츄에이터 (10)가 금속 전도성층 (12, 14)로 만들어지는 경우와 비교할 때, 삼중층 액츄에이터 (10)가 배열 10A (도 1A), 배열 10B (도 1B) 및 배열 10C (도 1C) 사이에서 상대적으로 빠르게 스위치될 수 있다. 또한, 금속 전도성층 (12, 14)으로 만들어진 삼중층 액츄에이터와 비교하는 경우, 전도성 폴리머 전도성층 (12, 14)으로 만들어진 삼중층 액츄에이터는 (주어진 인가 전압에 대해) 현저하게 큰 변형율 (strains) - 즉 (전도성 폴리머 전도성층 (12, 14)의 경우의) 보고되기로는 최대 > 35%의 변형율을 가지면서 1% - 9% 단위의 전형적인 변형율을 제공할 수 있어서, (금속 전도성층(12, 14)의 경우의) 0.5% 단위의 전형적인 변형율과 비교된다. 전도성 폴리머 삼중층 액츄에이터 (즉, 전도성 폴리머 전도성층 (12, 14)를 사용하는 삼중층 액츄에이터 (10)는, 전도성층 (12, 14)으로 금속 (또는 다른) 재료를 사용하는 삼중층 액츄에이터와 비교하여, 비교적 높은 속도로 작동 할 수 있다. 재료, 제조방법과 액츄에이터 설계를 적절하게 선택하는 경우, 1 kHz 정도로 빠른 스위칭 속도를 갖는 빠른 삼중층 액츄에이터 (10)가 전도성 폴리머 삼중층 액츄에이터 (10)을 사용하여 얻어질 수 있는 반면에, IPMC 액츄에이터 (즉, 금속 전도성층 (12, 14)을 사용하는 삼중층 액츄에이터)의 주파수 응답은 수십 헤르쯔이다.
도 1에 도시된 실시례에서, 양의 전압이 전도성층 (14) 및 전도성층 (12) 사이에 인가되면 (도 1B에 도시된 극성), 음이온은 전도성층 (12)으로부터 변형가능한 층 (16)을 통해, 전도성층 (14)으로 이동하게 된다. 전도성층 (12)로부터 이온이 탈락되면 전도성층 (12)이 수축하게 된다. 반대로, 전도성층 (14)으로 이온이 삽입되면 (몇몇 실시례에서 전도성 폴리머 전도성층에 매 3 단량체 당 한 개의 이온만큼 높을 수 있음) 전도성층 (14)이 팽창되게 된다. 이와 함께, 전도성층 (12)의 수축과 전도성층 (14)의 팽창이, 도 1A에 보인 개방 회로 (또는 제로 전압 인가) 배열과 비교할 때, 삼중층 액츄에이터 (10)의 변형을 일으키게 된다. 도 1의 특정 경우에서, 도 1A의 개방 회로 배열은 일반적으로 평면 (페이지의 수직 방향으로 연장되면서 도시된 도 1A 뷰에서 페이지로 들어오고 나가는 평면)이고; 도 1B 변형은 삼중층 액츄에이터 (10)의 굴곡이 평면을 벗어나게 한다. 음의 전압이 전도성층 (14) 및 전도성층 (12) 사이에 인가되면 (도 1C에 도시된 극성), 음이온은 전도성층 (14)로부터 변형가능한 층 (16)을 통해, 전도성층 (12)으로 이동하게 된다. 전도성층 (14)이 이온의 탈락과 함께 수축하고, 전도성층 (12)이 이온의 삽입과 함께 팽창하고, 삼중층 액츄에이터 (10)가 도 1B에 보인 개방 회로 배열과 비교할 때 (도 1C에 보인 바와 같이) 변형된다. 도 1의 특정 경우에서, 도 1C 변형은 삼중층 액츄에이터 (10)의 굴곡이, 도 1A에 보인 개방 회로 배열에 보여진 평면을, 도 1B에 보인 굴곡과 반대 방향으로 벗어나게 한다.
도 1에서, 삼중층 액츄에이터 (10)의 도 1A 형상은 개방 회로 배열과 관련된 것으로 도시되어있다 - 즉, 각각의 전도성층 (12, 14)을 향하는 리드 (12A, 12B)가 개방되는 것으로 도시되어 있다. 상기 도 1A 형상은 도시된 개방 회로로 실현할 수 있다. 삼중층 액츄에이터 (10)의 도 1A 배열이 부가적으로 혹은 선택적으로 전도성층 (12, 14) 사이에 제로 볼트를 인가함으로써 - 예를 들자면, 리드 (12A, 14A)를 서로 연결하거나 리드 (12A, 14A) 사이에 적극적으로 제로 볼트를 구동함으로써, 달성될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 달리 명시적으로 기재하고 있지 않거나 문맥이 특별히 달리 기재하고 있지 않다면, 본 상세한 설명에서와 첨부한 도면에서, 간략히 하기 위해서, 도 1A에서 보인 개방 회로 배열은, 비록 전압이 도 1A 개방 회로 배열에 구체적으로 "인가"되지 않더라도, 전도성층(12, 14) 사이에 전압 (즉 제로 볼트)을 "인가"하는 것으로 기술될 것이다.
삼중층 액츄에이터 (10)는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치 또는 방법의 일부가 될 수 있다. 이러한 장치 및 방법은 전도성층 (12, 14)에 작동 가능하게 연결되어 전도성층 (12, 14) 사이에 하나 또는 그 이상의 서로 다른 전압을인가하는, 선택적인 제어 회로 (18)를 포함할 수 있다. 제어 회로 (18)는, 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 및 그들의 조합을 포함할 수 있어서, 다양한 구성 요소 중의 하나와 그에 대응하는 제어 기술을 사용하여 구현될 수 있다. 비 제한적인 예로서, 제어 회로 (18)는 하나 이상의 프로세서, 사용자 입력 장치, 디스플레이 및/또는 그와 유사한 것 등을 포함하는 프로그램된 컴퓨터 시스템을 포함할 수도 있다. 제어 회로 (18)는 임베디드 시스템으로 구현될 수 있고, 삼중층 액츄에이터 (10)가 사용되는 장치/소자와 구성 요소 (예를 들어, 프로세서)을 공유할 수 있다. 제어 회로 (18)는 하나 이상의 마이크로 프로세서, 디지털 신호 프로세서, 그래픽 프로세서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이, 신호 처리 회로 및/또는 하드웨어 (예를 들면 증폭기 회로 및/또는 그와 유사한 것 등)를 포함할 수 있다. 제어 회로 (18)의 구성 요소가 결합되거나 분할될 수 있고, 제어 회로 (18)의 구성 요소는 제어 회로 (18)의 다른 구성 요소와 공유하는 하위 구성 요소를 포함할 수도 있다. 제어 회로 (18)가 디지털일 필요는 없다. 제어 회로 (18)는 적절한 아날로그 회로를 사용하여 구현될 수 있다. 제어 회로 (18)는, 전도성층 (12) 사이에 전압을 인가하기 위한, 하나 이상의 전원 공급 장치, 증폭기, 구동 회로, 박막 트랜지스터, 유기 전자공학 부품 (organic electronics) 및/또는 그와 유사한 것 등을 포함할 수 있다.
일부 실시례에서 (예를 들어 전도성층 (12, 14)이 전도성 폴리머인 경우), 도 1B 및 1C에서 인가 전압이 3V 미만일 수 있다. 일부 실시례에서, 이 크기는 2V 미만이다. 일부 실시례에서 (예를 들어 전도성층 (12, 14)이 전도성 폴리머인 경우),도 1B 및 1C에 도시된 삼중층 액츄에이터 (10)의 변형이 1 %보다 큰 변형률과 연관된다. 일부 실시례에서, 이들 변형률은 5 %를 초과한다. 일부 실시례에서, 이들 변형률은 8 %를 초과한다. 일부 실시례에서 (예를 들어 전도성층 (12, 14)이 전도성 폴리머인 경우), 전도성층 (12, 14)는 0.2 GPa를 초과하는 영률 (Young's modulus)을 가질 수 있다. 일부 실시례에서, 이러한 영률은 0.5 GPa를 초과한다. 일부 실시례에서, 이러한 영률은 0.8 GPa보다 크다. 전기 모터는 달리, 삼중층 액츄에이터 (10)의 형상 또는 이 형상에 의해 생성된 대응하는 힘을 유지하기 위해 전류가 사용되지 않거나 거의 사용되지 않는다. 삼중층 액츄에이터 (10)는 기타 잠재적으로 저비용 방법 중에서 무전해 또는 전기화학적 증착, 딥 코팅 및 잉크젯 프린팅을 포함하는 (그에 제한되지 않음) 다양한 기술을 이용하여 만들어거나 및/또는 패터닝될 수 있다. 도 1의 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)의 배경 형상 (ambient shapes) (인가 전압이 제로인 그림 1 A에 도시)은 평면 배열이다. 이 형상이 반드시 그럴 필요는 없다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)의 배경 형상은 일반적으로 다른 가상의 표면 (예로써 일부가 매끄럽거나 연속적인 곡률을 갖는 가상의 표면)과 정렬될 수 있다. 일부 실시례에서, 제1 전압 극성을 인가하면 가상의 휘어진 표면에 비해 삼중층 액츄에이터 (10)가 증가된 곡률 (예를 들면 덜 작은 곡률 반경)을 갖는 제1 형상으로 되도록 할 수 있고, 제2 전압 극성을 인가하면 가상의 휘어진 표면에 비해 삼중층 액츄에이터 (10)가 감소된 곡률 (예를 들면 큰 곡률 반경)을 갖는 제2 형상으로 되도록 할 수 있다.
일부 실시례에서, 도 1A의 형상과 도 1B 및 도 1C 중 하나의 형상 사이 또는 도 1B 및 도 1C의 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터 (10)가 변형되는 것이 인간이 검출 가능한 촉각 자극을 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 인간이 검출가능한 촉각 자극은, 예를 들면, 삼중층 액츄에이터 (10)의 다양한 형상 사이에서 충분한 양의 형상 변화 (및/또는 그와 연관된 힘)를 제공함으로써, 제공될 수 있다. 손가락 끝에서의 인간이 검출가능한 정적 촉각 자극의 최소 힘은 (여성에게는) ~ 0.19 mN이고 (남성에게는) 0.55mN이라는 연구가 있다. 따라서, 일부 실시례에서, 도 1A의 형상과 도 1B 및 도 1C 중 하나의 형상 사이 또는 도 1B 및 도 1C의 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터 (10)의 변형과 관계된 최소 정적 힘은 lO mN 보다 크다. 일부 실시례에서, 이러한 최소 정적 힘이 25 mN 보다 크다. 일부 실시례에서, 이러한 최소 정적 힘은 1OO mN 보다 크다. 이러한 최소 정적 힘은 검출가능한 최소 변형 거리와 확실히 관련될 수 있다. 그러나, 진동이 있는 경우 (예를 들어, 형상 변경, 힘의 변화 및/또는 변형 거리의 변화가 충분한 주파수 및/또는 소정의 주파수 범위 내에서 발생할 수 있음)에는, 이러한 검출가능한 힘 및/또는 변형 거리 값이 더 낮을 수 있다. 물체를 파지하는 경우 인간이 검출가능한 최소 동적 변위가 ~ 250 +/- 50 Hz이고 약 ~ lO nm 단위임을 가리키는 연구들 (이하의 도 15 및 그에 대한 설명 참조)이 있다. 따라서, 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)는 (예를 들면 도 1A의 형상과 도 1B 및 도 1C 중 하나의 형상 사이 또는 도 1B 및 도 1C의 형상 사이에서) 250 +/- 100 Hz의 주파수에서 100 nm 보다 큰 최소 동적 변위를 보여줄 수 있도록 설계될 수 있다. 일부 실시례에서, 이 최소 동적 변위가 250 +/- 100 Hz의 주파수에서 300 nm 보다 크다. 일부 실시례에서, 이 최소 동적 변위가 250 +/- 100 Hz의 주파수에서 1000 nm 보다 크다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)가 (예를 들면 도 1A의 형상과 도 1B 및 도 1C 중 하나의 형상 사이 또는 도 1B 및 도 1C의 형상 사이에서) 50 +/- 25 Hz의 주파수에서 1,000 ㎚ 보다 큰 최소 동적 변위를 보여줄 수 있도록 설계될 수 있다. 일부 실시례에서, 이 최소 동적 변위가 50 +/- 25 Hz의 주파수에서 3000 nm 보다 크다.
따라서, 일부 실시례에서, 인간 - 검출가능한 촉각 자극은, 예를 들면 충분한 주파수로 또는 원하는 주파수 범위 내로 삼중층 액츄에이터 (10)의 형상을 변화시킴으로써, 제공될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로 (18)는 (예를 들면 도 1A의 전압과 도 1B 및 도 1C 중 하나의 전압 사이 또는 도 1B 및 도 1C의 전압 사이에서) 인가 전압을 변화시킴로써 삼중층 액츄에이터 (10)가 그에 상응하는 형상을 상응하는 인간에 의해 검출가능한 주파수나 스위칭 시간으로 변화시키도록 구성한다. 일부 실시례 (예를 들어 전도성층 (12, 14)이 전도성 폴리머인 경우)에서, 삼중층 액츄에이터 (10)에 인가되는 전압은 (예를 들면 제어 회로 (18)에 의해) 변화하여 (예를 들면 도 1A의 형상과 도 1B 및 도 1C 중 하나의 형상 사이 또는 도 1B 및 도 1C의 형상 사이에서) 상응하는 형상 변화를 100 Hz보다 큰 주파수로 가져오게 한다. 일부 실시례에서, 이 주파수는 200 Hz 보다 크다. 일부 실시례에서, 이 주파수는 400Hz 보다 크다. 일부 실시례에서, 이 주파수는 250 ± 100 Hz의 범위에 있다. 일부 실시례에서, 이 주파수는 250 ± 50 Hz의 범위에 있다. 일부 실시례에서 (예를 들어 전도성층 (12, 14)이 전도성 폴리머인 경우), 삼중층 액츄에이터 (10)에 인가되는 전압은 (예를 들면 제어 회로 (18)에 의해) 변화하여 (예를 들면 도 1A의 형상과 도 1B 및 도 1C 중 하나의 형상 사이 또는 도 1B 및 도 1C의 형상 사이에서) 상응하는 형상 변화를 100 ms 미만의 스위칭 시간으로 가져오게 한다. 일부 실시례에서, 이 스위칭 시간은 2.5 ms 미만이다.
삼중층 액츄에이터 (10)에 (예를 들면 앞의 단락에서 언급된 주파수 범위들 중 어느 하나 내에서) 주어진 진폭에서 고주파 전압 신호가 가해지는 경우, 삼중층 액츄에이터 (10)는 (예를 들면 적합한 치수 및/또는 적절한 재료의 선택에 의해) 전압 진폭과 관련된 최대 변형 거리의 임계 백분율에 비해 큰 거리만큼 스위칭하도록 설계될 수 있다. 일부 실시례에서, 이 임계 백분율은 전압 진폭과 관련된 최대 변형 거리의 50 % 보다 크다. 일부 실시례에서, 이 임계 백분율은 63 % 보다 크다. 일부 실시례에서, 이 임계 백분율은 90 % 보다 크다. 삼중층 액츄에이터 (10)에 (예를 들면 앞의 단락에서 언급된 주파수 범위들 중 어느 하나 내에서) 주어진 진폭에서 고주파 전압 신호가 가해지는 경우, 삼중층 액츄에이터 (10)는 (예를 들면 적합한 치수 및/또는 적절한 재료의 선택에 의해) 시간 상수 τ= 2 ms을 갖는 지수 (e-t/τ)의 것보다 빠른 스위칭 시간으로, 제1 및 제2 형상 사이에서 스위칭한다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)는 시간 상수 τ= 1 ms을 갖는 지수 (e-t/τ)의 것보다 빠른 스위칭 시간으로, 스위칭한다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)는 시간 상수 τ= 0.5 ms을 갖는 지수 (e-t/τ)의 것보다 빠른 스위칭 시간으로, 스위칭한다.
도 2A - 2D (일괄하여 도 2라 함)는, 특정 실시례에 따른, 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치 (122)의 자극-제공부 (120) (일례로 셀)의 단면도를 각각 개략적으로 도시한다. 장치 (122)의 자극-제공부 (120) (간략히 장치 (122)로만 언급될 수 있음)는 도 2 뷰로 페이지로 들어와서 나가는 방향으로 치수면에서 실질적으로 균일한 단면을 가질 수 있다. 도 2 실시례에서, 장치 (122)는 복수개의 삼중층 액츄에이터 (10)을 포함하는데, 그 각각은 도 1과 관련하여 상술한 바와 유사할 수 있다. 도 2A - 2D는 각각 (아래에서 보다 상세히 설명하는 것처럼) 삼중층 액츄에이터 (10)에 다른 전압이 인가되고 그에 상응하는 다른 형상을 갖는 장치 (122)를 보여준다. 장치 (122)의 삼중층 액츄에이터 (10)는 가상의 표면 (123) (양쪽 화살표 (126)로 보여진 횡단 방향과 도시된 도 2 뷰의 페이지로 들어오고 나가는 방향으로 연장되는 도 2의 실시례에서는, 평탄한 가상의 면 123A)를 따라 대체로 정렬되고 서로에 대해 횡단 방향 (126)으로 이격되어 있다. 표면 (123)은 표면 (123)이 장치 (122)의 어떤 물리적 표면과 정확하게 대응할 필요가 없다는 점에서, 가상의 또는 수학적 표면일 수 있으나, 삼중층 액츄에이터 (10)의 정렬을 기술하는데 사용될 수 있다. 하나 이상의 삼중층 액츄에이터 (10)가 그들의 (즉, 제로 전압이 인가된) 배경 상태 (ambient states)인 경우 삼중층 액츄에이터 (10)의 하나 이상의 층 (layers)가 가상의 표면 (123)을 따라 대체로 배열되거나 및/또는 정렬된다면, 하나 이상의 삼중층 액츄에이터 (10)는 상기 표면 (123)을 따라 대체로 배열되거나 및/또는 정렬되는 것으로 여기서 기술될 수 있다. 도 2A는 그의 삼중층 액츄에이터 (10)가 배경 상태에 있는 경우의 장치 (122)를 보여준다. 도 2A의 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)의 층들은 대체로 (양쪽 화살표 (126)로 보여진 횡단 방향과 도시된 도 2 뷰의 페이지로 들어오고 나가는 방향으로 연장된) 평탄 표면 (123A)를 따라 배열되고 개별 삼중층 액츄에이터 (10)의 층은 평탄 표면 (123A)에 따라 정렬된다. 일반적으로 표면 (123)은 평탄면 (123A)일 필요는 없고 표면 (123A)는 곡률을 가질 수도 있다. 표면 (123)이 평탄한 도 2 실시례에서는, 횡단 방향이 화살표 (126)로 보여진 대로 선형 방향이다. 그러나, 일반적으로 표면 (123)이 평탄할 필요가 없고 곡률을 가질 수 있는 경우, 횡단 방향은 표면 (123)에 접하는 방향으로 이해될 수도 있다.
도 2 실시례의 장치에서, 각 삼중층 액츄에이터 (10)의 횡 단부 (transverse edges)가 변형가능한 부재 (124)에 연결된다. 일부 실시례에서, 변형가능한 부재 (124)는 제1 및 제2 전도성층 (12, 14)의 횡 단부를 넘어서 횡 방향으로의 변형가능한 층 (16) (도 1)의 최인접 연장부로서 제공될 수 있어서 인접하는 삼중층 액츄에이터 (10) 사이로 연장된다. 삼중층 액츄에이터 (10)가 그 배경 상태에서 표면 (123)에 정렬되는 경우, 제로가 아닌 전압이 삼중층 액츄에이터 (10)에 하나에 인가되면 그 삼중층 액츄에이터 (10)가 표면 (123)으로부터 멀어지는 방향으로 변형하게 된다. 일부 실시례에서, 전압이 삼중층 액츄에이터 (10)의 전도성층 (12, 14)으로 (상술한 제어 회로 (18)과 비슷하게) 제어 회로에 의해 인가될 수 있는데, 이것이 비록 도 2에 명시적으로 보여지지는 않더라도 장치 (122)의 일부가 될 수 있다.
도 2B는, 각 삼중층 액츄에이터 (10)의 전도성층 (12, 14) 사이에 제1 극성 전압이 인가되는 경우에서의 장치 (122)의 배열 (122B)를 보여주는데, 적어도 일부의 삼중층 액츄에이터 (10)가 표면 (123)으로부터 멀어지는 제1 방향으로 (도 2 뷰에서 페이지의 아래를 향해) 구부러지게 된다. 적어도 일부의 삼중층 액츄에이터 (10)가 삼중층 액츄에이터 (10)가 정렬된 가상의 표면 (123)과 수직인 방향으로 변형할 수 있다. 각 삼중층 액츄에이터 (10)는 중앙부와, 중앙부의 양측에 대응하는 한 쌍의 횡측부를 포함한다. 도 2B의 전압이 인가되면, 각 삼중층 액츄에이터 (10)에 대해, 그 중앙부가 그 각 횡측부보다 더 큰 거리만큼 표면 (123)으로부터 멀어지도록 (즉 표면 (123)에 대해 수직인 방향으로) 변형한다. 이러한 특징을 갖는 변형은 삼중층 액츄에이터 (10)에, 도 2B 뷰에 도시된 바와 같이, 상향으로 열린 오목 구조를 제공한다. 일부 실시례에서, 도 2B의 인가 전압과 그에 대응하는 삼중층 액츄에이터 (10)의 변형이 또한 각 삼중층 액츄에이터 (10)의 각각의 횡 단부에 혹은 그에 인접한 영역에서 변형가능한 부재 (124)의 일부 변형을 가져오게 된다. 그러나, 일부 실시례에서, 변형가능한 부재 (124)가 반드시 필요한 것은 아니며 삼중층 액츄에이터 (10)가 그들의 횡 단부의 하나 혹은 양쪽에서 견고하게 연결될 수 있다. 일부 실시례에서, 장치 (122)는 삼중층 액츄에이터 (10)의 횡으로 인접하는 쌍 사이에 변형가능한 부재 (124) 및 강성 부재(rigid member)(도시되지 않음)의 조합을 포함할 수 있다.
도 2C는, 각 삼중층 액츄에이터 (10)의 전도성층 (12, 14) 사이에 (제1 극성 전압과 반대인) 제2 극성 전압이 인가되는 경우에서의 장치 (122)의 배열 (122B)를 보여주는데, 적어도 일부의 삼중층 액츄에이터 (10)가 표면 (123)으로부터 멀어지는 제1 방향으로 (도 2 뷰에서 페이지의 위를 향해) 구부러지게 된다. 도 2B 전압의 인가에서와 마찬가지로, 도 2C 전압의 인가로 인해 적어도 일부의 삼중층 액츄에이터 (10)가, 도 2C에서 반대되는 극성의 전압이 인가되고 도 2C 전압으로 변형 방향이 도 2B 전압의 것과 반대라는 것을 제외하고는, 삼중층 액츄에이터 (10)가 정렬된 가상의 표면 (123)과 수직인 방향으로 변형하게 한다. 도 2C의 전압 인가로, 각 삼중층 액츄에이터 (10)에 대해, 그 중앙부는 표면 (123)으로부터 멀어지는 방향으로 (즉 표면 (123)에 수직인 방향으로) 그 각 횡측부보다 더 큰 거리만큼 변형할 수 있다. 이러한 특징을 갖는 변형은 삼중층 액츄에이터 (10)에, 도 2C 뷰에 도시된 바와 같이, 하향으로 열린 오목 구조를 제공한다. 일부 실시례에서, 도 2C의 인가 전압과 그에 대응하는 삼중층 액츄에이터 (10)의 변형이 또한 각 삼중층 액츄에이터 (10)의 각각의 횡 단부에 혹은 그에 인접한 영역에서 변형가능한 부재 (124)의 일부 변형을 가져오게 된다. 그러나, 일부 실시례에서, 변형가능한 부재 (124)가 반드시 필요한 것은 아니며 삼중층 액츄에이터 (10)가 그들의 횡 단부의 하나 혹은 양쪽에서 견고하게 연결될 수 있다. 일부 실시례에서, 장치 (122)는 삼중층 액츄에이터 (10)의 횡으로 인접하는 쌍 사이에 변형가능한 부재 (124) 및 강성 부재(rigid member)(도시되지 않음)의 조합을 포함할 수 있다.
도 2D는 횡방향으로 인접한 삼중층 액츄에이터 (10)의 전도성층 (12, 14)에 제1 및 제2의 서로 반대되는 극성의 전압이 인가되는 경우의 장치 (122)의 배열 (122D)을 보여주는데, 횡방향으로 인접하는 삼중층 액츄에이터 (10)에 대해 표면 (123)으로부터 멀어지는 방향으로 번갈은 (alternating) 변형 방향을 가져오게 한다. 도 2D 배열에서, 각 개별의 삼중층 액츄에이터 (10)는, 도 2B의 전압이 적용된 삼중층 액츄에이터 (10) 중 하나와 유사하거나 그와 반대되는 도 2C의 전압이 적용된 삼중층 액츄에이터 (10) 중 하나와 유사한 방식으로 변형할 수 있다. (횡 방향으로 인접하는 삼중층 액츄에이터 (10)에 대해 표면 (123)으로부터 멀어지는 방향으로 번갈은 변형을 갖는) 도 2D 배열로는, 횡방향으로 인접한 삼중층 액츄에이터 (10) 사이에 변형의 크기가 도 2B 및 2C에서 인가되는 균일한 극성 전압이 인가되는 것과 비교할 때 더 커지게 되는 것으로 인정될 것이다. 도 2D 배열에 보인 전압의 극성이 역전되면 장치 (122)는 도 2D의 것과 유사하지만 개별 삼중층 액츄에이터 (10)의 변형은 (즉, 횡 방향으로 인접하는 삼중층 액츄에이터 (10)에 대해 표면 (123)으로부터 멀어지는 방향으로 번갈은 변형을 갖도록) 반대로 된다. 도 2B 및 2C에 대해 상술한 배열과 마찬가지로, 도 2D 전압 하에서의 삼중층 액츄에이터 (10)의 변형이 각 삼중층 액츄에이터 (10)의 각각의 횡 단부에 혹은 그에 인접한 영역에서 변형가능한 부재 (124)의 일부 변형을 가져오게 된다. 그러나, 일부 실시례에서, 변형가능한 부재 (124)가 반드시 필요한 것은 아니며 삼중층 액츄에이터 (10)가 그들의 횡 단부의 하나 혹은 양쪽에서 견고하게 연결될 수 있다. 일부 실시례에서, 장치 (122)는 삼중층 액츄에이터 (10)의 횡으로 인접하는 쌍 사이에 변형가능한 부재 (124) 및 강성 부재(rigid member)(도시되지 않음)의 조합을 포함할 수 있다.
도 2A - 2D에 도시된 실시례에서, 횡 방향 (126) 공간 주기 (spatial period) 또는 피치 (pitch) (d2)는 각 삼중층 액츄에이터 (10)의 횡 방향 치수 (d5)의 약 두 배이고 횡 방향으로 인접한 삼중층 액츄에이터 쌍 사이의 간격의 횡 방향 치수 (d1)의 약 두 배이다 (즉, d1 = d5 = d2/2). 이것이 반드시 필요한 것은 아니다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)는 보다 큰 부분의 공간 주기 (d2) (보다 높은 듀티 사이클 (duty cycle))를 차지할 수 있다 (즉, d5 > d1). 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)는 보다 작은 부분의 공간 주기 (d2) (보다 낮은 듀티 사이클)를 차지할 수 있다 (즉, d5 < d1).
도 2A - 2D의 장치 (122)는 삼중층 액츄에이터 (10)가 그 위에 정렬된 표면 (123)의 일측 또는 양측에 인접하게 위치하는 하나 이상의 부가 재료 층 혹은 이펙터 (도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 이러한 부가 층은 표면 조도를 증가시켜서, 삼중층 액츄에이터 (10)의 변형에 의해 일어나는 자극의 촉각에 의해 감지하는 것을 향상시키는데 이용될 수 있다.
파시니 소체 (pacinian corpuscles)는 인체의 체지각계 (somatosensory system)에서 가장 민감한 기계적 자극의 수용기 (mechanoreceptor)로 알려져 있다. 파시니 소체는 50 - 500 Hz 사이 범위의 주파수를 갖는 진동 자극에 응답하며 250 Hz에 가까운 주파수에서 진동을 가장 잘 감지할 수 있다. 파시니 소체는 ~ 10 nm로 작은 진폭을 갖는 250 Hz의 진동을 감지할 수 있다. 삼중층 액츄에이터 (10)가 전도성 폴리머 전도성층 (12, 14)로 만들어지는 경우의 일부 실시례에서, 도 2의 장치 (122)는 작을 수는 있지만 파시니 소체에 감지될 수 있는 크기의 변위로 적절하게 높은 주파수로 (예를 들면, 도 2A - 2D에 보인 배열 중 하나 사이에서) 진동함으로써 파시니 소체를 자극하도록 설계될 수 있다. 일부 실시례에서, 이러한 스위칭 주파수는 100 Hz 보다 크다. 일부 실시례에서, 이러한 스위칭 주파수는 200 Hz 보다 크다. 삼중층 액츄에이터 (10)가 전도성 폴리머 전도성층 (12, 14)로 만들어지는 경우의 일부 실시례에서, 도 2의 장치 (122)는 작을 수는 있지만 파시티 소체에 감지될 수 있는 크기의 변위로 적절하게 빠른 스위칭 시간으로 (예를 들면, 도 2A - 2D에 보인 배열 중 하나 사이에서) 형상을 변화시킴으로써 파시니 소체를 자극하도록 설계될 수 있다. 일부 실시례에서, 이러한 스위칭 시간은 10 ms 미만이다. 일부 실시례에서, 이러한 스위칭 시간은 5 ms 미만이다. 일부 실시례에서, 이러한 스위칭 시간은 2.5 ms 미만이다.
장치 (122)에 (예를 들면, 위 단락에서 서술된 범위의 주파수 중 하나와 같이) 주어진 진폭의 고주파 전압 신호가 적용되는 경우, 장치 (122)의 삼중층 액츄에이터 (10)는 전압 진폭과 관계된 최대 변형 거리의 임계 백분율보다 큰 거리만큼 (예를 들면 제1 및 제2 형상 사이에서) 스위칭하도록 (예를 들면 적절한 치수 및/또는 적절한 재료의 선택으로) 설계될 수 있다. 일부 실시례에서, 이러한 임계 백분율은 전압 진폭과 관련된 최대 변형 거리의 50% 보다 크다. 일부 실시례에서, 이러한 임계 백분율은 63% 보다 크다. 일부 실시례에서, 이러한 임계 백분율은 90% 보다 크다. 장치 (122)에 (예를 들면, 위 단락에서 서술된 범위의 주파수 중 하나와 같이) 주어진 진폭의 고주파 전압 신호가 적용되는 경우의 일부 실시례에서, 장치 (122)의 삼중층 액츄에이터 (10)는 시간 상수 τ= 2 ms을 갖는 지수 (e-t/τ)의 것보다 빠른 스위칭 시간으로, 제1 및 제2 형상 사이에서 스위칭하도록 (예를 들면 적절한 치수 및/또는 적절한 재료의 선택으로) 설계될 수 있다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)은 시간 상수 τ= 1 ms을 갖는 지수 (e-t/τ)의 것보다 빠른 스위칭 시간으로 스위치한다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)은 시간 상수 τ= 0.5 ms을 갖는 지수 (e-t/τ)의 것보다 빠른 스위칭 시간으로 스위치한다.
상술한 바와 같이, 이러한 스위칭 주파수 및 응답 시간은 (도 1과 관계되어 보여지고 전술한 제어 회로 (18)과 유사하지만 도 2에 명시적으로 보여지지 않았지만) 삼중층 액츄에이터 (10)에 인가되는 그에 상응하는 전압을 제어할 수 있는 제어 회로에 의해 수행될 수 있다. 삼중층 액츄에이터 (10)는, 전도성층 (12, 14)이 전도성 폴리머로 만들어지는 경우, 이러한 스위칭 주파수 및 응답 시간을 달성할 수 있다.
일부 실시례에서, 도 2 장치의 삼중층 액츄에이터 (10)는 인체의 일부 (예를 들어 손가락 끝)를 텍스처에 걸쳐 움직이게 함으로써 인간이 감지할 수 있는 텍스처를 생성하는데 이용된다. 이와 같이 손가락 (혹은 다른 인체의 일부)을 여기에 기술된 타입의 촉각 장치에 걸쳐서 움직이게 하는 것은 능동 촉각 감지 (active tactile sensing)라고 언급될 수 있다 (이것은, 자극을 경험하는 손가락 (혹은 다른 인체의 일부)가 움직이지 않는, 수동 촉각 감지 (passive tactile sensing)와 대비된다). 능동 촉각 감지를 이용하도록 구성된 실시례는 인간이 감지가능한 촉각 자극을 제공하는 진동을 이용하지 않을 수도 있다. (상대적으로 빠른 스위칭을 할 수 있는 상대적으로 얇은 삼중층 액츄에이터 (10)를 사용할 수 있는) 진동하는 (수동 감지) 실시례와 비교하는 경우, 능동 감지 및 인간 감지가능한 텍스처에 기초한 실시례는 상대적으로 두껍고 상대적으로 단단(stiff)할 수 있다.
일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)가 그 배경 상태 (도 2A)에 있을 때 삼중층 액츄에이터 (10)의 횡 방향 인접 단부 사이의 횡 방향 간격 (도 2A에서 치수 d1으로 보여짐)은 (진동하는 실시례에서) 1 mm - 50 mm의 범위이고 (텍스처에 기초한 실시례에서) 1 ㎛ - 10 ㎛의 범위이다. 일부 실시례에서, 이 거리 (d1)는 (진동하는 실시례에서) 5 mm - 10 mm의 범위이고 (텍스처에 기초한 실시례에서) 10 ㎛ - 40 ㎛의 범위이다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)가 그 배경 상태 (도 2A)에 있을 때 횡 방향으로 인접한 삼중층 액츄에이터 (10)의 횡 방향 공간 주기 혹은 피치 (도 2A에서 치수 d2로 보여짐)은 (진동하는 실시례에서) 0.1 cm - 10 cm의 범위이고 (텍스처에 기초한 실시례에서) 10 ㎛ - 1 mm의 범위이다. 일부 실시례에서, 이 횡 방향 공간 주기 혹은 피치 (d2)는 (진동하는 실시례에서) 1 cm - 2 cm의 범위이고 (텍스처에 기초한 실시례에서) 50 ㎛ - 250 ㎛의 범위이다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)가 표면 (123)에 수직한 방향으로 표면 (123)으로부터 멀어지는 최대 변형 거리 (도 2B 및 2C에서 거리 d3로 보여짐)는 25 nm - 100 ㎛의 범위이다. 일부 실시례에서, 이 거리 (d3)는 100 nm - 50 ㎛의 범위이다.
일부 실시례에서, 횡 방향으로 인접한 삼중층 액츄에이터 (10) 쌍의 표면 (123)으로부터 수직한 방향으로 최대 변형 사이의 거리 (도 2D에서 거리 d4로 보여짐)는 50 nm - 200 ㎛의 범위이다. 일부 실시례에서, 이 거리 (d4)는 200 nm - 100 ㎛의 범위이다. 일부 실시례에서, 일 방향으로의 최대 변형 위치 사이의 공간 주기 (도 2D에서 d5로 보여짐)는 거리 (d2)보다 작다.
상술한 바와 같이, 인간에게 (손가락 끝에서) 최소 검출가능한 변형 거리에서의 변화는 주파수에 따라 달라진다. 도 15는 (㎛ 단위의) 최소 임계 검출가능한 변위량 대 (Hz 단위의) 진동 주파수{minimum threshold detectable displacement (in ㎛) versus vibration frequency (in Hz)}에 대한 대수 플롯(logarithmic plot)을 도시하는데, 이는 Journal of Neurophysioloy (신경생리학 저널) 81.4 (1999): 1548 - 1558에, "손에 쥔 목적물을 통해 전달되는 진동의 감지(Detection of vibration transmitted through an object grasped in the hand)"라는 제목으로 브리스벤 에이. 제이. (Brisben, A. J.)와, 에쓰. 에쓰. 샤오 (S. S. Hsiao) 및 케이. 오. 존슨 (K. O. Johnson)에 의해 보고된 바 있다. 도 15는 특정 예시된 데이터에 대해, 인간이 약 200 Hz의 주파수에서 약 10 nm 만큼 작은 변형을 검출할 수 있다.
능동 촉각 감지를 위해 설계된 도 2의 실시례에서, 사용자가 그들의 인체 일부 (예를 들어 그들의 손가락 끝)을 장치 (122)에 대해 움직여서 자극을 감지하는 경우, 장치 (122)가 단단한(stiff) 것이 바람직할 것이다. 장치 (122)의 강성 (stiffness)은 만들어지는 재료의 영률 (Young's modulus)뿐만 아니라 개별 삼중층 액츄에이터 (10)의 치수에도 의존한다. 강성은 (변위의) 단위 길이 당 힘의 단위로 해석될 것이다. 일부 실시례에서, 장치 (122) 및/또는 장치 (122)를 구성하는 개별 삼중층 액츄에이터 (10)의 강성은 해당 소자의 영역에 접촉하는 사용자의 인체 일부에 비해 크다. 이러한 상대적인 강성을 가진 채로, 사용자가 장치 (122)의 표면을 훑는 경우, 사용자가 적절한 범위의 힘을 가한다는 전제하에, 그가 혹은 그녀가 삼중층 액츄에이터 (10)에서 발생하는 형상에 대해 어떤 큰 변화를 적용하지 않는 채로 그렇게 할 수 있다. 사람의 손가락 끝의 강성은, 1.5 cm2 정도의 대략적인 손가락 끝 영역 위에 1 N/mm 정도의 것으로 일반적으로 알려져 있다. 장치 (122) 내의 삼중층 액츄에이터 (10)의 강성은 이러한 사용자의 손가락 강성에 비해 커야 하고, 손가락 끝의 대략적인 영역 (예를 들면, 1.5 cm2)으로 구분되는 손가락과 접촉하는 장치 (122)의 면적을 곱한 값이어야 한다. 이러한 능동 촉각 감지 실시례를 위한 설계 파라미터는, 그에 제한되지는 않지만, 삼중층 액츄에이터 두께 d6 (예를 들면, 전도성층 (12, 14)의 외표면 사이의 거리 - 도 2를 보라), 변형량 d3 및/또는 공칭 표면(예를 들면 평면 123)으로부터 멀어진 d4 및 횡 방향 공간 주기 d2를 포함한다.
아래의 표 1은 고려되었던 장치의 여러 기하학적 요소를 보여준다. 표 1에 보여진 데이터는, 도 2D에 보여진 것과 같은 장치 (122)의 실시례 (즉, 횡 방향으로 인접한 삼중층 액츄에이터 (10)에 번갈은 극성 전압 신호가 적용되는 경우)를 가정하고, 사용자가 그들의 손가락 끝을 장치 (122)의 표면에 걸쳐 10 mm/s의 일정한 속도로 움직인다는 것을 가정하고, d2 = 2d5 (즉, 삼중층 액츄에이터 (10)의 폭 d5가 공간 주기 d2의 절반임 - 50%의 듀티 사이클 (duty cycle)임)을 가정하고, 인간 사용자의 손가락 끝의 강성이 1.5 cm2 정도의 대략적인 손가락 끝 영역 위에 1 N/mm인 것을 가정하고, (도 2 뷰에서 페이지로 들어오고 나가는 방향으로) 길이는 임의적인 것을 가정하고, 인가 전압 신호는 4V 피크 투 피크 (peak to peak)이고 그에 관계된 변형률은 2%임을 가정한다. 도 1은 여러 개의 다른 삼중층 액츄에이터 두께(thicknesses) d6 (표 1의 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면서)와 여러 개의 다른 폭(widths) d5 (표 1의 위에서 아래로 이동하면서)를 보여준다. 파라미터 d5 및 d6의 각 조합이 그에 상응하는 삼중층 액츄에이터 (10)에 대한 강성을 가져온다. 각 기하학적 요소에 대해, 표 1은 위에서 가정한 인간 손가락 끝의 강성에 대한 삼중층 액츄에이터 (10)의 강성의 비율(ratio) (kk)를 보여준다. 파라미터 d5 및 d6의 각 조합이 그에 상응하는 변형 거리 d4를 가져온다. 표 1은 능동 감지 실시례에서 지각 주파수 (perceptual frequency) f p 를 보여주는데, 여기서 지각 주파수 f p 는 손가락 끝의 움직임에 대해 위에서 가정한 속도를 삼중층 액츄에이터 (10)의 공간 주기 (d2 = 2d5)로 나눈 것이다.
[표 1] 장치 (122) (도 2)를 위한 기하학적 요소
Figure pct00001
여러 가지 관찰이 표 1의 데이터로부터 만들어질 수 있다. 표 1의 각각의 기하학적 요소들에 대해, 지각 주파수 f p 쌍 및 변형 거리 d4가 감지 가능한 (㎛ 단위의) 최소 임계 검출가능한 변위량 대 (Hz 단위의) 진동 주파수의 도 15 플롯과 비교될 수 있다. 도 1에서 밝은 셀 (white cell)에 대응하는 두께 d6 및 폭 d5를 갖는 기하학적 요소가, 적절하게 단단하고 도 15 플롯에서 알려주는 임계 감지 내에 있는 (즉, 도 15 데이터에 따라 인간이 접촉으로 감지할 수 있는), 강성의 비율 kk, 지각 주파수 f p 및/또는 편향 (deflections) d4의 조합을 가져온다. 도 1에서 어두운 셀 (shaded cell)에 대응하는 두께 d6 및 폭 d5를 갖는 기하학적 요소가, 불충분하게 단단하거나 도 15 플롯에서 알려주는 임계 감지에 못 미치는 (즉, 도 15 데이터에 따라 인간이 접촉으로 감지할 수 없는), 강성의 비율 kk, 지각 주파수 f p 및/또는 편향 d4의 조합을 가져온다.
표 1은, 비교적 작은 폭 (작은 d5)을 갖는 삼중층 액츄에이터 (10)에 대해, 삼중층 액츄에이터가 비교적 얇은 (작은 d6) 것이 바람직해서, 적절하게 큰 변형 (큰 d4)을 얻을 수 있음을 보여준다. 그러나, 비교적 작은 폭 (작은 d5)을 갖는 삼중층 액츄에이터 (10)에 대해, 삼중층 액츄에이터가 사용자의 손가락 끝으로 감지하기에는 불충분하게 단단한 경우 (kk 비율이 너무 작은 경우), 얇은 것 (작은 d6)에 대한 한계에 도달한다. 상술한 어두운 셀에 대한 및/또는 밝은 셀에 대응하는 표 1의 기하학적 요소들의 왼쪽에 대한 표 1의 기하학적 요소는, 적절한 강성 비율을 가질 수 있으나 도 15 감지가능한 임계값 미만으로 떨어지는 주파수/변형 조합을 보여주는 기하학적 요소를 대표한다. 후술한 어두운 셀에 대한 및/또는 밝은 셀에 대응하는 표 1의 기하학적 요소들의 오른쪽에 대한 표 1의 기하학적 요소는, 도 15 감지가능한 임계값에 만족하는 주파수/변형 조합을 보여주지만 부적절한 강성을 가질 수 있는 기하학적 요소를 대표한다.
일부 실시례에서, 변형가능한 부재 (124)는 삼중층 액츄에이터 (10)에 의해 쉽게 변형될 수 있어서 삼중층 액츄에이터 (10)가, 변형가능한 부재(124) 없이도 일어나는 것처럼, 상당 분율의 자유 변형에 의해 변형할 수 있다. 일부 실시례에서, 이러한 변형 비율은 25% 보다 크다. 일부 실시례에서, 이러한 변형 비율은 70% 보다 크다. 삼중층 액츄에이터 (10)의 폭 (도 2에서 d5)의 횡 방향 공간 주기 (도 2에서 d2)에 대한 비율 (이러한 비율 d5/d2는 듀티 사이클 (duty cycle)로 언급됨)은 상당한 변형이 가능하도록 충분히 낮게 설정된다. 일부 실시례에서, 듀티 사이클은 50 % 이하가 될 것이다. 변형가능한 부재가 유연하고 큰 변형 (도 2에서 d3 또는 d4)이 바람직한 일부 실시례에서, 특정 전도성층을 갖는 삼중층 액츄에이터 두께 d6 및 변형가능한 층 두께 h p , h g 및 탄성계수에 대해, 듀티 사이클은 50% 이상이 될 것이다. 일부 실시례에서, 이 듀티 사이클은 70% 보다 크다. 삼중층 액츄에이터 (10)가 고 강성을 갖는 경우의 일부 실시례에서, 특정 전도성층을 갖는 삼중층 액츄에이터 두께 d6 및 변형가능한 층 두께 h p , h g 및 탄성계수에 대해, 듀티 사이클은 20% 미만이 될 것이다.
예를 들면 사용자가 그들의 신체 일부 (일례로 그들의 손가락 끝)를 자극을 감지하는 장치에 대해 정적으로 유지하도록 하는 수동 촉각 감지를 위해 설계된 도 2의 실시례에서, 장치 (122)가 단단하고 삼중층 액츄에이터 (10)가 사용자가 촉감으로 감지가능할 정도로 충분한 힘을 발생시키는 것이 바람직하다. 일부 실시례에서, 장치 (122) 및/또는 장치를 구성하는 개별 삼중층 액츄에이터 (10)의 강성은, 해당 소자의 영역에 접촉하는 사용자 신체 일부보다 크다. 이러한 상대적인 강성을 가진 채로, 사용자가 장치 (122)의 표면을 훑는 경우, 사용자가 적절한 범위의 힘을 가한다는 전제하에, 그가 혹은 그녀가 삼중층 액츄에이터 (10)에서 발생하는 형상에 대해 어떤 큰 변화를 적용하지 않는 채로 그렇게 할 수 있다. 이러한 인자 (강성 및 힘)가 조합하여 사용자의 수동적 신체 일부 (일례로, 사용자의 손가락 끝)에 변위를 생성하는 것으로 이해될 것이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 삼중층 액츄에이터 (10)가 특정 주파수로, 특정 주파수보다 크게 또는 특정 주파수 범위 내에서 스위칭하여 인간이 촉감으로 그러한 스위칭을 수동적으로 감지할 수 있는 능력을 최대화하는 것이 바람직하다. 본 발명자들은 삼중층 액츄에이터 (10)의 스위칭 주파수를 제한할 수 있는 세 개의 시간 상수를 확인했다. 이 시간 상수들은 다음과 같다.
(i) 얼마나 빨리 이온이 변형가능한 층 (16)을 이동할 수 있는지와 관계된 시간 상수 τ1
Figure pct00002
여기서, Rs는 이온 전도에 대한 변형가능한 층 (16)의 저항, C는 각 전도성층 (12, 14)의 내부 캐패시턴스, Cv는 각 전도성층 (12, 14)의 단위 부피당 내부 캐패시턴스, V는 각 전도성층 (12, 14)의 부피, hp는 각 전도성층 (12, 14)의 (둘 다 같은 두께를 갖는다고 가정할 때) (도 2에 보인 d6 방향으로의) 두께, hg는 변형가능한 층 (16)의 (도 2에 보여진 d6 방향으로의) 두께, σIN은 변형가능한 층 (16)의 이온 전도도이다.
(ii) 얼마나 빨리 전자가 삼중층 액츄에이터 (10)의 폭을 따라 이동할 수 있는지와 관계된 시간 상수 τ2
Figure pct00003
여기서, Rppy는 전자 전도에 대한 전도성층 (12, 14)의 저항, d*는 전도성층 (12, 14)내에서 (금속 전극 내에서와 대비되게) 전자 이동이 일어나는 삼중층 액츄에이터 (10)의 최대 거리, σE는 전도성층 (12, 14)의 전자 전도도이다. 예를 들면, 전극 (136)이 삼중층 액츄에이터 (10)의 길이 d7에 걸쳐 짧은 거리만큼만 연장되는 경우의 도 3 실시례에서, d*는 d7이다. 그러나, 전극 (136)이 삼중층 액츄에이터 (10)의 길이 d7에 걸쳐 상당 거리 연장되는 경우, d*는 d7보다 상당히 작을 수 있다. 도 3 실시례에서 전극 (136)의 폭이 d5보다 현저하게 작고 길이 d7에 걸쳐 연장되는 경우의 다른 실시례에서, d*는 대략 d5와 동등할 수 있다.
(iii) 얼마나 빨리 이온이 전도성층 (12)를 통해 움직일 수 있는지와 관계된 시간 상수 τ3
Figure pct00004
여기서, Rion은 전도성층 (12, 14)의 이온 전도에 대한 저항, σIP는 전도성층 (12, 14)의 이온 전도도이다.
아래 표 2는 위의 수학식1, 수학식 2, 수학식 3에 표현된 시간 상수 τ1, τ2, τ3와 관련된 여러 파라미터의 근사값을 보여주는데, 여기서 삼중층 액츄에이터 (10)는, 서로 다른 전해질 (LiTFSI (비스(트리플루오로메탄) 술폰이미드 리튬 염: bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt)나 EMITFSI (1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드: 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide) 중 어느 하나)의 1M 용액을 사용하여, PEDOT 전기전도성 폴리머 및 IPN (interpenetrating polymer network: 폴리에틸렌 옥사이드 및 니트릴 고무의 조합과 같은 폴리머의 상호 침투 네트워크)를 이용하여 만들어졌다.
[표 2] PEDOT 전도성 폴리머 액츄에이터의 전기 및 전기 화학적 특성
Figure pct00005
도 15에 보인 주파수/변형 임계값과 함께 위의 수학식1, 수학식 2, 수학식 3에 표현된 시간 상수 τ1, τ2, τ3가 삼중층 액츄에이터 폭 d5 (도 2를 보라), 전도성층 (12, 14)의 두께 hp, 변형가능한 층 (16)의 두께 hg를 포함하는 기하학적 요소의 관점에서 장치 (122)의 다양한 기하학적 요소들을 평가하는데 사용될 수 있다. 특히, 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)가 최대 파라미터 d5, hp 및 hg를 가져서 바람직한 시간 상수 τ1, τ2, τ3 및 바람직한 주파수/변형 임계값을 얻는 것이 바람직할 수 있다. 표 2의 다른 전도도로부터 이러한 파라미터 d5, hp 및 hg가 삼중층 액츄에이터 (10)를 만드는데 사용되는 재료에 의존할 수 있음을 이해할 수 있다. 아래 표 3은 장치 (122)의 삼중층 액츄에이터 (10)에 대한 일부 바람직한 최대 파라미터 d5, hp 및 hg를 보여준다. 표 3에 보인 데이터는 표 1과 관련해서 이야기되었던 것과 같은 가정을 사용한다.
[표 3]다양한 스위칭 주파수 및 다양한 삼중층 액츄에이터를 만드는 방법에 대한 파라미터 d5, hp 및 hg 값들
Figure pct00006
Figure pct00007
삼중층 액츄에이터 (10)의 일단이 구속되지 않은 경우인 도 1의 캔틸레버 (cantilever) 배열에서, 최대 바람직한 폭 d5 (도 1의 상황에서는 길이로 언급될 수 있음)은 도 2 장치 (122)의 것의 대략 절반일 수 있는데, 이것은 주어진 기하학적 요소들에서, 도 1의 실시례가 작은 강성의 대가로 보다 큰 변형 거리를 얻을 수 있기 때문이다.
아래 표 4는 장치 (122) (도 2)의 수동 촉각 감지 버전에 대한 표 1에서 상술한 것과 유사한 데이터를 보여준다.
[표 4] 수동 촉각 감지 장치에 대한 장치 (122)를 위해 고려된 기하학적 요소들
Figure pct00008
Figure pct00009
여러 가지의 관찰이 표 4의 데이터에서 만들어 질 수 있다. 표 4의 기하학적 요소들 각각에 대해, 액츄에이션 주파수 (actuation frequency)와 변형 거리 d4의 쌍은, (㎛ 단위의) 최소 임계 검출가능한 변위량 대(Vs) (Hz 단위의) 감지가능한 진동 주파수의 도 15 플롯과 비교될 수 있다. 도 1에서 밝은 셀에 대응하는 두께 d6 및 폭 d5를 갖는 기하학적 요소가, 적절하게 단단하고 도 15 플롯에서 알려주는 임계 감지 내에 있는 (즉, 도 15 데이터에 따라 인간이 접촉으로 감지할 수 있는), 강성의 비율 kk, 주파수 및/또는 편향 d4의 조합을 가져온다. 도 1에서 어두운 셀에 대응하는 두께 d6 및 폭 d5를 갖는 기하학적 요소가, 불충분하게 단단하거나 도 15 플롯에서 알려주는 임계 감지에 못 미치는 (즉, 도 15 데이터에 따라 인간이 접촉으로 감지할 수 없는), 강성의 비율 kk, 주파수 및/또는 편향 d4의 조합을 가져온다.
표 4는, 비교적 작은 폭 (작은 d5)을 갖는 삼중층 액츄에이터 (10)에 대해, 삼중층 액츄에이터가 비교적 얇은 (작은 d6) 것이 바람직해서, 적절하게 큰 변형 (큰 d4)을 얻을 수 있음을 보여준다. 그러나, 비교적 작은 폭 (작은 d5)을 갖는 삼중층 액츄에이터 (10)에 대해, 삼중층 액츄에이터가 사용자의 손가락 끝으로 감지하기에는 불충분하게 단단한 경우 (kk 비율이 너무 작은 경우), 얇은 것 (작은 d6)에 대한 한계에 도달한다. 상술한 어두운 셀에 대한 및/또는 밝은 셀에 대응하는 표 4의 기하학적 요소들의 왼쪽에 대한 표 4의 기하학적 요소는, 적절한 강성 비율을 가질 수 있으나 도 15 감지가능한 임계값 미만으로 떨어지는 주파수/변형 조합을 보여주는 기하학적 요소를 대표한다. 후술한 어두운 셀에 대한 및/또는 밝은 셀에 대응하는 표 1의 기하학적 요소들의 오른쪽에 대한 표 4의 기하학적 요소는, 도 15 감지가능한 임계값에 만족하는 주파수/변형 조합을 보여주지만 부적절한 강성을 가질 수 있는 기하학적 요소를 대표한다.
도 3A - 3E (일괄하여, 도 3이라 함)은 예시적이면서 비한정적인 실시례에 따라 도 2의 장치 (122)를 만드는 방법을 개략적으로 도시한다. 도 3의 방법은, 장치 (122)의 셀 (128)이 여섯 개의 삼중층 액츄에이터 (10)를 포함하는 경우의 제조 기술을 개략적으로 도시한다. 장치 (122)는 도 3에 보여진 타입의 하나 이상의 셀 (128)을 포함하고 셀 (128)은 다른 숫자의 삼중층 액츄에이터 (10)를 포함할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 도 3의 방법은 도 3A에서 시작하는데, 층 (130)의 제조는, 결국엔 삼중층 액츄에이터 (10)의 변형가능한 층 (16) 및 횡 방향으로 인접한 삼중층 액츄에이터 (1)의 쌍 사이를 연결하는 변형가능한 부재 (124)가 되는 고체 폴리머 전해질 (SPE: solid polymer electrolyte)를 합성하는데 사용되는 두 개 이상의 가교 폴리머 (cross-linked polymers)의 조합을 포함한다. 도 3의 도시된 실시례에서, 폴리머 혼합물이 (선택적으로 폴리비닐 알코올 (PVA: polyvinyl alcohol)이 하층으로 미리 코팅된) 몰드 내로 부어진다. 그 다음에 층 (130)은 적절한 열처리 후에 및 선택적으로는 PVA를 물로 용해한 후에 몰드로부터 박리될 수 있다. 도 3A에 보인 얻어진 SPE 층은 ~ 5 ㎛ - 200 ㎛ 두께의 필름을 포함할 수 있다.
그 다음에 삼중층 액츄에이터 (10)의 전도성층 (12, 14)가 제조될 수 있다. 도 3에서 도시된 실시례에서, 전도성층 (12, 14)는, 전도성 고분자 재료인, 폴리 (3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 술폰산 (PEDOT)를 사용하여 제조된다. 도 3B에 도시된 바와 같이, SPE 층 (130)이 그 양 측 위에 PEDOT 층 (132, 134)으로 코팅될 수 있다. PEDOT 층 (132, 134)는 층 (130)을 순수 에틸렌디옥시티오펜 (ehylenedioxythiophene) (EDOT)에 담군 후에 일정 시간 동안 FeCl3 용액에 침지하여 EDOT를 중합화하여 PEDOT 층 (132, 134)를 형성함으로써 생성될 수 있다. PEDOT 층 (132, 134)은 도 3C에서 패터닝된다. PEDOT 층 (132, 134)은 레이저 미세 가공 또는 다른 어떤 적합한 패터닝 기술을 이용하여 패터닝될 수 있다. 일부 실시례에서, 얇은 영역의 PEDOT이 PEDOT 층 (132, 134)으로부터 제거되어 횡 방향 (126)으로 서로에 대해 이격된 삼중층 액츄에이터 (10)가 만들어질 수 있다.
그 다음에 도 3D에 도시된 바와 같이, 전기 접촉부 (136)가 추가된다. 전기 접촉부 (136)는 말단에 추가될 수 있고, 또는 섀도우 마스크 공정 또는 다른 적합한 공정을 사용하여 삼중층 액츄에이터 (10)의 길이를 따라 (혹은 삼중층 액츄에이터 (10) 상의 다른 어떤 적절한 위치에) 연장될 수 있다. 그 다음에 도 3E에 나타낸 바와 같이, 구조물은 강성 기판 (rigid substrate)상에 장착되어 강성 기판 상의 연결 지점 사이에서 삼중층 액츄에이터 (10)의 변형이 가능해진다. 도 3E의 실시례에서, 구조물의 횡 방향으로 최외곽 단부 (140, 142)가, 삼중층 액츄에이터 (10)의 단부에 평행한 (양쪽 화살표 (144)로 보여진) 길이 방향으로 대체로 연장되는 기판 (138)의 지지부(138A)에 견고하게 장착된다. 도시된 실시례의 도 3E는 기판 (138)이 삼중층 액츄에이터 (10)가 일부 실시례에서 변형할 수 있도록 지지부 (138) 사이에 오목부 (139)를 가질 수 있음을 보여준다.
본 발명의 양태는, 횡 방향으로 배향될 수 있는 자극 힘의 사용을 포함하는, 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법 및 장치를 제공한다. 비록 도 3C - 3E가 선형 스트립의 삼중층 액츄에이터를 도시하고 있지만, 이러한 삼중층 액츄에이터는 다른 형상과 배향을 가질 수도 있다. 예를 들면, 삼중층 액츄에이터는 2D 배열 (일례로, 행/열 구성)로 배향될 수도 있고, 육각 형상 및/또는 그와 유사한 것 등을 가질 수도 있다.
도 4A - 4C (일괄하여, 도 4라 함)는 다른 특정 실시례에 따른, 인간이 감지할 수 있는 촉각 자극을 제공하는데 사용될 수 있는 장치 (222)의 부분 (일례로, 셀) (228)에 대한 사시도 (도 4A) 및 단면도 (도 4B 및 4C)를 보여준다. 장치 (222)의 부분 (228) (여기서 간략히 하기 위해 장치 (222)로 언급될 수 있음)에 의해 제공되는 자극은 양쪽 화살표 (226)에 의해 (도 4의 실시례에) 표시된 횡 방향으로 (적어도 일부가) 배향될 수 있다. 이러한 횡 방향은 장치 (222)의 기판 (225)에 평행하거나 접선인 방향이거나 사용자가 장치 (222)에 반응하는 일반적인 (예를 들어 거시적인) 표면에 평행하거나 접선인 방향일 수도 있다.
장치 (222)는 상술한 도 1의 삼중층 액츄에이터 (10)와 유사할 수 있는, 하나 이상의 삼중층 액츄에이터 (10)를 포함한다. 삼중층 액츄에이터 (10)는 도 4에 개략적으로 나타나 있다. 장치 (222)의 삼중층 액츄에이터 (10)는 그 단부 (211) 중 하나 (여기서는 제1 단부 (211)로 언급될 수 있음)에서 강성 부재 (213) (여기서는 프레임 (213)으로 언급될 수 있음)에 연결된다. 삼중층 액츄에이터 (10)의 제1 단부 (211)는 개별적으로 그에 상응하는 프레임 (213P에 연결될 수 있거나 복수개의 삼중층 액츄에이터 (10)가 그들의 제1 단부(211)이 공통 프레임 (213)에 연결되도록 할 수도 있다. 삼중층 액츄에이터 (10)는, 삼중층 액츄에이터 (10)의 말단부 (215) (즉, 제1 단부 (211)를 마주보는 삼중층 액츄에이터의 단부 (215))는 프레임 (213)에 대해 자유롭게 움직일 수 있다.
삼중층 액츄에이터 (10)가 배경 상태 (즉, 삼중층 액츄에이터 (10)의 전도성층 (12, 14) 사이에 제로 전압이 인가됨)에 있을 때, 삼중층 액츄에이터 (10)은 제1 형상을 가질 수 있고, 여기서 삼중층 액츄에이터 (10)의 말단부 (215)는 제1 단부 (211)로부터 그에 상응하는 제1 선형 거리를 가질 수 있다. 이것이 도 4B에 보인 배열이고, 여기서 삼중층 액츄에이터 (10)의 제1 형상은 대체로 평탄하고 제1 단부 (211)과 말단부 (215) 사이의 제1 거리가 d10으로 보여진다. 삼중층 액츄에이터 (10)의 전도성층 (12, 14) 사이에 전압이 인가되는 경우, 삼중층 액츄에이터 (10)가 변형하여 제2 형상을 갖는데, 여기서 전도성층 (12, 14) 중 하나가 수축하고 전도성층 (12, 14)의 다른 하나는 팽창하여 삼중층 액츄에이터 (10)가 도 4C에 보인 제2 형상으로 구부러지도록 한다. 도 4B에 보인 제2 형상에서, 삼중층 액츄에이터 (10)의 말단부 (215)가 삼중층 액츄에이터 (10)의 제1 단부 (211)로부터 제2 선형 거리 (도 4C에서 d11로 나타냄)에 있다. 특히, 도 4에서 예시된 실시례의 경우, 각 삼중층 액츄에이터 (10)에 대해, 제2 형상은 제1 형상보다 비교적 더 구부러지고 (일례로 더 작은 곡률 반경을 가짐), 결과적으로 제1 단부 (211)과 그 말단부 (215) 사이에서의 제2 거리 d11 (도 4C)는 제1 단부 (211) 및 그 말단부 (215) 사이의 제1 거리 d10 (도 4B)보다 작다. 도 4에 도시된 실시례의 경우, 제1 형상 (도 4B)이 대체로 평탄하나 (가상의 무한대 곡률을 가짐), 반드시 그럴 필요는 없다. 일부 실시례에서, 제1 및 제2 형상은 둘 다 구부러지고 제1 및 제2 형상 중 하나가 더 큰 곡률을 가져서 (더 작은 곡률 반경을 가져서), 제1 단부 (211) 및 말단부 (215) 사이의 선형 거리가 더 큰 곡률을 갖는 형상에 대해 비교적 작고 더 작은 곡률을 갖는 형상에서는 비교적 크게 될 수 있다.
더불어 혹은 대안으로, 프레임 (213) 혹은 장치 (222)의 일부 다른 강성 부분이 치수 (일례로 깊이)를 갖는 오목부를 제공할 수 있는 형상이거나, 및/또는 삼중층 액츄에이터 (10)가 각도를 갖고 배향되어 삼중층 액츄에이터 (10)가 제1 형상에 있는 경우, 연장부나 삼중층 액츄에이터 (10)가 오목부 (219)로부터 벗어나는 것과 인체 표면 (217) (일례로 손가락 끝 (217))과 삼중층 액츄에이터 (10) 사이의 그에 상응하는 상호 작용을 막거나 최소화할 수 있다. 삼중층 액츄에이터 (10)의 이러한 제1 형상은, 비록 반드시 그럴 필요는 없지만, 그들의 배경 상태 (즉, 삼중층 액츄에이터 (10)의 전도성층 (12, 14) 사이에 제로 전압이 인가됨)에 대응할 수 있고, 삼중층 액츄에이터 (10)의 제1 형상이 다른 적절한 인가 전압에 대응할 수도 있다. 이것이 도 4B에 보여진 배열이다. 삼중층 액츄에이터 (10)의 전도성층 (12, 14) 사이에 다른 전압이 인가되는 경우, 삼중층 액츄에이터 (1)가 변형하여 제2 형상을 갖는데, 여기서 전도성층 (12, 14)의 하나는 수축하고 전도성층 (12, 14)의 다른 하나는 팽창하여 삼중층 액츄에이터 (10)가 구부러져서 배향을 갖도록 하고 삼중층 액츄에이터 (10) (적어도 그 말단부 (215))가 오목부 (219)의 치수 (일례로, 깊이)를 넘어서 돌출되도록 하여 삼중층 액츄에이터 (10) 및/또는 그 말단부 (215)가 손가락 끝 표면 (217)에 의해 감지된다.
일부 실시례에서, 여기에 기술된 어느 실시례의 삼중층 액츄에이터의 어느 것도, 칼렉스 (Kalex), 실리콘 및/또는 그와 유사한 것 등과 같은, 박막 밀봉재 (도시되지 않음)로 덮여질 수 있어서, 삼중층 액츄에이터 (10)와 손가락 끝 표면 (217)이 직접 접촉하는 것 및/또는 외부 환경의 다른 측면을 최소화할 수 있다. 여기에 기술된 촉각 자극 장치 및 방법의 어느 것과 관련하여 사용될 수 있는, 이러한 밀봉재 박막은, 삼중층 액츄에이터 (10)의 동작에 영향을 줄 수 있는, 이온 교환, 용매 삽입 및/또는 피부와의 접촉으로부터 기인하는 다른 효과를 최소화한다.
도 5A - 5C (일괄하여 도 5라 함)는 예시적이나 그에 한정되지 않는 실시례에 따른, 도 4의 장치 (222)를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한다. 도 5A에서, (도 1에 보인 바와 같이, 전도성 폴리머 전도성층 (12, 14) 및 변형가능한 층 (16)을 갖는) 삼중층 액츄에이터 (10)의 하나 이상의 쉬트 (230)가 상술한 도 3의 방법을 사용하거나 양 측이 폴리피롤 (Polypyrrole)로 덮여진 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF: polyvinylidene fluoride) 멤브레인을 사용하여 제조된다. 후자의 방법에서, 두께 110 ㎛와 기공 크기 0.45 ㎛를 가진 상업적으로 이용가능한 제품인 PVDF 멤브레인이 그 양 측이, 스퍼터링, 전자빔증발 및/또는 그와 유사한 것등과 같은 진공증착법를 사용하여 금 박막 (< 100 nm)으로 덮여진다. 그 후, 폴리피롤 필름이, 소정 분율의 프로필렌 카보네이트 (Propylene Carbonate), 증류 피롤 (distilled Pyrolle), 탈이온수 (deionized water) 및 도펀트로 작용할 수 있는 염 (일례로, LiTFSI)를 함유하는 용액으로부터, 샘플의 양 측 상에 (0.1 - 0.2 mA/s로 8 - 15시간 동안) 정전류 방식 (galvanostatically)으로 증착된다. 일부 실시례에서, 쉬트 (230)은 0.25 cm x 0.25 내지 1 cm x 1 cm 정도의 사이즈를 가질 수 있다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)의 인접 단부 사이의 간격은 1 mm 3 mm의 범위일 수 있고, 삼중층 액츄에이터 폭은 0.5 mm - 3 mm의 범위일 수 있고, 삼중층 액츄에이터 피치는 1.5 mm - 6 mm의 범위일 수 있다. 일부 실시례에서, 각 캔틸레버 형상의 삼중층 액츄에이터 (10)의 길이는 2 mm - 6 mm의 범위일 수 있다.
삼중층 액츄에이터 (10)의 쉬트 (230)는 그 후에 레이저로 절단되거나 다른 방식으로 도 5A에 보인 (즉, 말단부 (215)가 서로로부터 이격되고 쉬트 (230)의 나머지에 대해 개별적으로 이동 가능한) 캔틸레버 구조로 미리 정해지거나 그와 다르게 바람직한 치수를 갖도록 형성된다. 오목부 (219)를 정의하는 프레임 (213)은 모난 배향 (angular orientation)으로 삼중층 액츄에이터 (10)을 수용할 수 있도록 만들어질 수 있어서, 삼중층 액츄에이터 (10)의 말단부 (215)가 제1 형상 (오목부 (219) 내로 들어감)과 제2 형상 (오목부 (219) 밖으로 돌출함) 사이에서 움직일 수 있다. 프레임 (213)이 도 5B에 도시되고 삼각 단면의 그루브 (grooves) (232)(각 그루브 (232)의 경사면 (234)이 덮여짐)를 포함하거나 다르게는 삼중층 액츄에이터 (10)을 위한 전극 중 하나 (일례로, 제1 전도성층 (12)를 위한 전극)로 작용할 수 있는 전도체를 포함한다. 삼중층 액츄에이터 (10)을 포함하는 쉬트 (230)은 그 후에 그루브 (232) 안으로 위치되어, 삼중층 액츄에이터 (10)가 그루브 (232)의 대응하는 경사면 (234) 위에 놓여지게 된다. 도시되지는 않았지만, 전극은 (도 3에 보여진 바와 같이) 스트립으로 삼중층 액츄에이터 (10)의 말단부 (215) 각각이 대응하도록 패터닝될 수 있어서, 각 개별 말단부 (215)가 독립적으로 제어되어 삼중층 액츄에이터 (10) 배열을 제공하게 된다.
도 5C에 보여진 캡 (236)은 돌출부 (238)을 제공할 수 있도록 형성되고 돌출부 (238)는 그루브 (232)에 보완하도록 및 연장하도록 형성된다. 캡 (236)은 개구 (242)를 갖는 구멍이 형성된 커버 부재 (240)를 포함할 수 있다. 개구 (242)가 형성되고 위치되어 삼중층 액츄에이터 (10)의 말단부 (215)가 개구 (242)를 통해 움직일 수 있게 된다. 기술된 실시례에서, 개구 (242)와 삼중층 액츄에이터 (10)가 일대일 대응하지만 반드시 이럴 필요는 없고, 삼중층 액츄에이터 (10)의 숫자와 다른 숫자의 개구 (242)가 있을 수도 있다. 일부 실시례에서, 하나 이상의 개구 (242) 각각에 대해 복수개의 삼중층 액츄에이터가 있기도 하다. 제2 전극 (244)가 캡 (236)의 돌출부 9238)의 표면에 제공되어 삼중층 액츄에이터 (10)을 위한 제2 전극 (244) (일례로, 제2 전도성층 (14)를 위한 전극)를 제공한다. 구조물은 그 뒤에 조립되어 쉬트 (230) (도 5A)를 그루브 (232) 내로 프레임 (213)의 면 (234)에 대향하도록 (도 5B) 올려놓은 후에 캡 (236) (도 5C)를 프레임 (213) 위에 올려 놓고 돌출부 (238)이 그루브 (232) 내로 연장되도록 한다.
도 6A 및 6B (일괄하여 도 6이라 함)는 다른 특정 실시례에 따른, 인간이 감지할 수 있는 촉각 자극을 제공하기 위해 사용될 수 있는 장치 (322)의 일부분 (328)(예를 들어, 셀)에 대한 단면도를 도시한다. 장치 (322)의 일부분 (328) (여기서 간략히 하기 위해 장치 (322)로 언급될 수 있음)에 의해 제공되는 자극은 양쪽 화살표 (326)에 의해 (도 6의 실시례에서) 표시된 횡 방향으로 (적어도 일부) 배향될 수 있다. 이러한 횡 방향은 장치 (328)의 기판 (325)에 평행하거나 접선인 방향이거나 사용자가 장치 (322)와 상호 작용하는 일반적인 (예를 들어 거시적인) 표면에 대해 평행하거나 접선인 방향일 수 있다. 아래에서 보다 상세히 설명되는 것처럼, 장치 (322)의 삼중층 액츄에이터 (10)는 이펙터 (323)와 접촉하고 삼중층 액츄에이터 (10)의 변형이 이펙터 (323)의 상응하는 움직임 (일례로, 변형 혹은 다른 것)을 일으키고 이펙터 (323)의 움직임이나 관계된 힘이 인체 표면 (317) (일례로, 손가락 끝 표면 (317))에 의해 감지될 수 있다.
장치 (322)는, 상술한 도 1의 삼중층 액츄에이터 (10)과 유사한, 하나 이상의 삼중층 액츄에이터 (10)를 포함한다. 삼중층 액츄에이터 (10)가 도 6에 개략적으로 나타나 있다. 장치 (322)의 삼중층 액츄에이터 (10)가 이펙터 (323)와 접촉 (일례로, 상시 접촉)한다. 도 6에 예시된 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)는 (삼중층 액츄에이터가 견고하게 혹은 변형가능하게 연결된) 기판 (325)로부터 멀어지도록 연장되고 이펙터 (323)는 횡 방향으로 인접한 삼중층 액츄에이터 (10) 쌍 사이에 위치하는 탄성적으로 변형가능한 재료를 포함한다. 도 6에 예시된 실시례에서, 이펙터 (323)는 인접 삼중층 액츄에이터 (10) 쌍 사이에 단면 영역을 채우고 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 도 6에 예시된 실시례에서, 각 이펙터 (323)은 인접 삼중층 액츄에이터 (10) 쌍과 접촉하지만 반드시 그럴 필요는 없다.
도 6A는 제1 전압의 인가에 대응하는 제1 형상을 갖는 삼중층 액츄에이터 (10)를 보여준다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)의 제1 형상은 배경 상태 (즉, 삼중층 액츄에이터 (10)의 전도성층 (12, 14) 사이에 제로 전압이 인가됨)에 대응하지만 반드시 그럴 필요는 없고, 삼중층 액츄에이터 (10)의 제1 형상이 대체로 상응하게 인가된 제1 전압에 관계될 수 있다. 도 6A에 예시된 실시례의 경우, 삼중층 액츄에이터 (10)의 제1 형상 (그 배경 상태에서)은 대체로 평탄하고 기판 (325)로부터 멀어지도록 연장된다. 적절한 제2 전압이 삼중층 액츄에이터 (10)의 전도성층 (12, 14) 사이에 인가되는 경우, 삼중층 액츄에이터 (10)이 변형하여 도 6Bdp 보인 제2 형상을 갖는다. 특히, 도 6B에 예시된 배열의 경우, 반대 극성을 갖는 전압이 횡 방향으로 인접한 삼중층 액츄에이터 (10)에 인가된다. 그 결과 삼중층 액츄에이터 (10)의 제2 형상은 횡 방향으로 인접하는 삼중층 액츄에이터 (10) 쌍이 (삼중층 액츄에이터 쌍 10A, 10B; 10C, 10D; 10E, 10F에서와 같이) 서로를 향해 구부러지거나 (삼중층 액츄에이터 쌍 10B, 10C; 10D, 10E에서와 같이) 서로로부터 멀어지도록 구부러지게 된다. 삼중층 액츄에이터가 그 제1 형상 (도 6A) 및 그 제2 형상 (도 6B) 사이에서 움직이면, 삼중층 액츄에이터 (10)과 이펙터 (323) 사이의 접촉이 이펙터 (323)의 상응하는 움직임 (일례로 변형)을 일으킨다.
도 6 실시례의 이펙터 (323)에 대해, 이펙터 (323)의 움직임은 이펙터 (323)의 변형과 관계된다. 특히, 서로를 향해 횡 방향으로 구부러지는 삼중층 액츄에이터 (10) 쌍 사이에 위치하는 이펙터 (323)는 수축 변형하여 형상 323B를 갖고, 서로로부터 멀어지도록 횡 방향으로 구부러지는 삼중층 액츄에이터 (10) 쌍 사이에 위치하는 이펙터 (323)는 늘어지게 변형 (즉, 팽창 변형)하여 형상 323C를 갖는다. 도 6으로부터, 도 6B에 보인 이펙터의, 수축 변형한 형상 323B 및 늘어지게 변형 (즉 팽창 변형)한 형상 323C 양자 모두 도 6에 보인 이펙터 (323)의 배경 형상 323A로부터 구별됨을 알 수 있다. 또한, 도 6B는 이펙터 (323)의 수축 변형한 형상 323B 때문에 기판 (325)으로부터 멀어지도록 기판 (325)으로부터 대체로 수직인 방향으로 이펙터 (323)의 적어도 일부가 수축 변형하여 돌출부가 생기게 되고 (또는 기판 (325)에 대해 수직인 방향성 구성요소를 갖게 됨) 이펙터 (323)의 늘어지게 변형한 형상 323C 때문에 기판 (325)을 향해 기판 (325)으로부터 대체로 수직인 방향으로 이펙터 (323)의 적어도 일부가 늘어지게 변형하여 오목부가 생기게 된다 (또는 기판 (325)에 대해 수직인 방향성 구성요소를 갖게 됨). 이러한 변형 형상도 이펙터 (323)의 횡 방향 (326)으로의 움직임 (일례로 변형 혹은 다른 것)을 일으키게 된다. 그 제1 형상 323A (도 6A)와 그 제2 형상 323B, 323C (도 6B) 사이의 이펙터 (323)의 움직임 및/또는 이들 배열 사이에서의 상응하는 스위칭이 인간 피부 표면 (317)에 의해 감지될 수 있다. 일부 실시례에서, 이펙터 (323)의 형상 323B, 323C 사이의 차이가 인간 피부 표면 (317)에 의해 감지될 수도 있다. 일부 실시례에서, 도 6B에 보인 삼중층 액츄에이터 (10)에 인가되는 전압의 극성이 역전되어, 인접 삼중층 액츄에이터 쌍 10B, 10C 및 10D, 10E가 서로를 향해 구부러지고 인접 삼중층 액츄에이터 쌍 10A, 10B; 10C, 10D; 10E, 10F가 서로로부터 멀어지도록 구부러질 수도 있다. 삼중층 액츄에이터 (10)에 인가되는 전압이 그 후 이 역전 극성 배열과 도 6에 예시한 배열 사이에서 스위칭되도록 구성될 수도 있다. 역전 극성 배열 및 도 6B 배열 사이의 이펙터 (323)의 움직임 및/또는 이들 배열 사이의 상응하는 스위칭이 인간 피부 표면 (317)에 의해 감지될 수 있다.
도 7A - 7F (일괄하여 도 7이라 함)는 예시적이나 그에 한정되지 않는 실시례에 따른, 도 6의 장치 (322)를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한다. 삼중층 액츄에이터 (10)는 여기에 기술된 어떤 방법 (일례로, 도 3 및 5와 관계되어 기술된 방법 - 고체 폴리머 전해질 (SPE) 변형가능한 (이온 전도성) 층 (16) 및 PEDOT 전도성층 (12, 14)으로 혹은 폴리피롤 양측에 전착되는 PVDF 멤브레인을 사용함) 을 사용하여 제조될 수 있다. 삼중층 액츄에이터 (10)는 적절한 치수를 갖도록 사각 형상으로 미세하게 절단된다. 적절할 수 있는 그에 제한되지 않는 예시적인 치수로 5 mm2 x 8 mm2 정도이다. 도 7A에 보인 바와 같이, 금 (또는 다른 적절한 금속) 전극 (37)이 그 후에, 일례로 새도우 마스크를 사용하는 것과 같은 어떤 적당한 방법을 사용하여, 삼중층 액츄에이터 (10)의 양 측에 증착된다. 도 7B에 보인 바와 같이, 몰드 (39)가 엘라스토머 이펙터 (323)를 형성하는데 사용될 수 있다. 몰드 (39)는 먼저 PVA로 하층이 코팅될 수 있다. 그 다음, 삼중층 액츄에이터 (10)가 몰드 (39)의 적절한 형상의 그루브 (41)에, 도 7C에 보인 바와 같이, 정렬되어 전극 (37)이 그루브 (41)의 바깥에 위치하게 될 수 있다. 그 다음, 엘라스토머, 일례로 그에 제한되지 않는 예로서, 스티렌 이소-부틸렌 스티렌 (SIBSTAR: Styrene Iso-Butylene Styrene)과 같은 막을 형성하는 재료 (encapsulating material)가 삼중층 액츄에이터 (10) 주위의 몰드 내로 부어지거나 다르게는 도입되어 삼중층 액츄에이터 (10) 위에 필름을 형성한다. 일부 실시례에서, 이러한 막을 형성하는 필름은 0.25 mm - 2.5 mm 범위의 두께를 가질 수 있다. 엘라스토머가 경화된 후에, PVA 층을 물로 용해시킴으로써, 몰드 (39)로부터, 삼중층 액츄에이터 (10)의 일부가 매립된 엘라스토머 박막이 벗겨지거나 다르게는 제거되고, 그 후에 단부가 도 7D에 보인 바와 같이 절단되어 부분적으로 엘라스토머 (47)에 매립된 여러 개의 삼중층 액츄에이터 (10)를 제공할 수 있게 된다. 삼중층 액츄에이터 (10)를 수용하기에 적합한 우물 (45)이 가공된 홀더 (43)가 도 7E에 보인 바와 같이 만들어진다. 각 우물 (45)의 일 부분은 전극 (37)을 갖는 각 삼중층 액츄에이터 (10)의 영역을 잡을(hold) 수 있도록 형성되고 각 우물 (45)의 다른 부분은 그 삼중층 액츄에이터(10)가 우물 (45) 안에서 자유롭게 움직이게 형성된다. 일부가 엘라스토머 (47)에 매립된 삼중층 액츄에이터 (10)가 그 뒤에 홀더 (43)내로 삽입되어 엘라스토머 (47)가 홀더 (43) 상면 위에 안착되고 홀더 (43)가 도 7F에서 보인 바와 같이 기판 (325)을 제공한다.
도 8A - 8D (일괄하여 도 8이라 함)는 다른 특정 실시례에 따른, 인간이 감지할 수 있는 촉각 자극을 제공하기 위해 사용될 수 있는 장치 (422)의 일부분 (428) (예를 들어, 셀)에 대한 여러 관점에서의 도면을 도시한다. 장치 (422)의 일부분 (428) (여기서 간략히 하기 위해 장치 (422)로 언급될 수 있음)에 의해 제공되는 자극은 (도 8 실시례에서) 양쪽 화살표 (430)에 의해 표시된 횡 방향으로 (적어도 일부) 배향될 수 있다. 이러한 횡 방향은 장치 (422)의 기판 (425)에 평행하거나 접선인 방향 또는 사용자가 장치 (322)와 상호 작용하는 일반적인 (예를 들어 거시적인) 표면에 대해 평행하거나 접선인 방향일 수 있다. 아래에서 보다 상세히 설명되는 것처럼, 도 6의 장치 (322)처럼, 장치 (422)의 삼중층 액츄에이터 (10)는 이펙터 (423)와 접촉하고 삼중층 액츄에이터 (10)의 변형이 이펙터 (423)의 상응하는 움직임을 일으키고 이것이 인체 표면 (317) (일례로, 손가락 끝 표면 (317))에 의해 감지될 수 있다.
장치 (422)는, 상술한 도 1의 삼중층 액츄에이터 (10)과 유사한, 하나 이상의 삼중층 액츄에이터 (10')를 포함한다. 하나의 삼중층 액츄에이터 (10')의 단면이 도 8B에 개략적으로 나타나 있다. 삼중층 액츄에이터 (10')는, 삼중층 액츄에이터 (10')가 제1 쌍의 전도성층 (12A, 14A) 및 제2 쌍의 전도성층 (12B, 14B)에 의해 공유되는 중앙의 변형가능한 층 (16)을 포함한다는 점에서, 전술한 삼중층 액츄에이터 (10)와 구별된다. 전압이 전도성층 (12A, 14A, 12B, 14B) 중 어느 하나에 인가될 수 있다. 예를 들면, 전압이 제1 쌍의 전도성층 (12A, 14A) 사이에 인가되어 전도성층 (12A, 14A) 중 하나가 수축되고 전도성층 (12A, 14A) 중 다른 하나가 팽창되게 함으로써, 삼중층 액츄에이터 (10')가 도 8B에 예시된 뷰에서 페이지의 왼쪽으로 혹은 오른쪽으로 변형되게 할 수 있다. 다른 예에서, 전압이 제2 쌍의 전도성층 (12B, 14B) 사이에 인가되어 전도성층 (12B, 14B) 중 하나가 수축되고 전도성층 (12B, 14B) 중 다른 하나가 팽창되게 함으로써, 삼중층 액츄에이터 (10')가 도 8B에 예시된 뷰에서 페이지의 위쪽으로 혹은 아래쪽으로 변형되게 할 수도 있다. 도 8에 예시된 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10')는 (삼중층 액츄에이터가 견고하게 혹은 변형가능하게 연결된) 기판 (425)로부터 멀어지도록 연장된다. 알 수 있듯이, 적절한 전압이 제1 쌍의 전도성층 (12A, 14A) 및/또는 제2 쌍의 전도성층 (12B, 14B)로 인가되어 삼중층 액츄에이터 (10')가 2차원 공간에 걸쳐서 제어가능하게 변형될 수 있고 2차원 공간의 이펙터 (423)의 상응하는 움직임을 유효하게 할 수 있게 된다. 예를 들면, 적절한 전압이 제1 쌍의 전도성층 (12A, 14A) 및 제2 쌍의 전도성층 (12B, 14B)로 인가되어 삼중층 액츄에이터 (10')가 (도 8B에 예시한 뷰에서 상하 혹은 좌우 대신에) 45°각도로 제어가능하게 변형할 수도 있다. 또한, 어떤 개수의 전도성층도, 액츄에이터 (10') 움직임의 바람직한 방향/분량(quantum)에 따라, 중앙의 변형가능한 층 (16) 주위에 사용될 수 있다. 일부 실시례에서, 복수층이 적층되어 그에 상응하는 힘을 증가시킬 수도 있다. 적층된 삼중층 액츄에이터는 서로에 대해 미끄러질 수 있어서, 삼중층 액츄에이터의 움직임에 관계되는 힘이, 변위를 현저하게 감소시키지 않으면서도, 증가될 수 있다.
도 8 실시례에서, 장치 (422)의 삼중층 액츄에이터 (10')는 이펙터 (423)과 접촉한다. 도 8 실시례의 이펙터 (423)은 삼중층 액츄에이터 (10') 및 기판 (425)로부터 멀리 연장된 긴 머리카락 같은(hair-like) 구조를 포함한다. 도 8에 보인 이펙터 (423)는 대량 원형 단면을 갖으나 반드시 그럴 필요는 없고, 일부 실시례에서, 이펙터 (423)은 다른 단면 형상 혹은 단면 형상이 변하는 (일례로 피라미드 같은) 형상일 수도 있다. 일부 실시례에서, 이펙터 (423)은 삼중층 액츄에이터 (10 )의 변형가능한 층 (16)의 인접 연장부를 포함한다. 이펙터 (423)은 삼중층 액츄에이터 (10')와 접촉한다. 도 8 실시례의 경우, 이펙터 (423) 및 삼중층 액츄에이터 (10') 사이에 일대일 대응하지만 반드시 그럴 필요는 없다. 일부 실시례에서, 개별 이펙터 (423)과 접촉하는 다수의 삼중층 액츄에이터 (10')일 수 있거나 개별 삼중층 액츄에이터 (10')와 접촉하는 다수의 이펙터 (423)일 수도 있다.
도 8C는 제1 인가 전압에 대응하는 제1 형상에 있는 삼중층 액츄에이터 (10')를 보여준다. 예시된 실시례에서, 도 8C에 보여진 삼중층 액츄에이터 (10')의 제1 형상은 배경 상태 (즉, 삼중층 액츄에이터 (10')의 전도성층 (12A, 14A) 사이에 혹은 전도성층 (12B, 14B) 사이에 제로 전압이 인가됨)에 대응한다. 삼중층 액츄에이터 (10')가 제1 인가 전압을 갖는 경우, 삼중층 액츄에이터는 대응하는 제1 형상을 갖는다. 도 8C에 예시된 실시례의 경우, 삼중층 액츄에이터 (10')의 제1 형상은 (그 배경 상태에서) 기판 (425)에 대해 대체로 수직인 (일부 실시례에서는 수직에 대해 ± 5% 범위내이고, 일부 실시례에서 수직에 대해 ± 10% 범위 내임) 방향으로 연장된다. 도 8D는 제2 전압이 삼중층 액츄에이터 (10')의 전도성층 (12A, 14A) 사이에 인가되는 경우의 배열을 도시한다. 도 8D에 보인 제2 전압이 인가된 경우, 전도성층 (12A)이 수축하고 전도성층 (14A)이 팽창하여 삼중층 액츄에이터 (10')가 제2 형상을 갖는다. 예시된 도 8D 실시례의 특정 경우에서, 삼중층 액츄에이터 (10')의 형상은 삼중층 액츄에이터 (10')의 기판 (425)에서 멀리 떨어진 끝단이, 기판 (425)의 표면에 대해 대체로 접선 방향인 횡 방향 430A으로 움직인다.
도 8D에 보인 삼중층 액츄에이터 (10')의 제2 형상이 전도성층 (12A, 14A) 사이에 인가되는 단지 하나의 가능한 전압 배열 (즉, 극성)을 대표한다는 것을 알 수 있을 것이다. 전도성층 (12A, 14A) 사이에서 이 인가 전압 배열을 거꾸로 하면 (일례로 극성을 거꾸로 하면) 삼중층 액츄에이터 (10')가 변형하여 제3 형상을 갖게 되는데, 여기서 그 말단부는 방향 430A의 것과 반대인 횡 방향 (430)으로 움직인다. 유사하게 전도성층 (12B, 14B) 사이에 어느 하나의 극성을 인가하면 삼중층 액츄에이터 (10')가 변형하여 제4 및 제5 형상을 갖게 되는데, 여기서 그 말단부는 기판 (425)의 표면에 대해 접선 방향이지만 횡 방향 (430)에 대해서는 직각인 횡 방향으로 움직인다. 이러한 방식으로, 전도성층 (12A, 14A) 사이에 및/또는 전도성층 (12B, 14B) 사이에 적절하게 전압을 인가하는 것이 삼중층 액츄에이터 (10')의 2차원 상의 움직임 및/또는 이펙터 (423)의 상응하는 2차원 상의 움직임을 제어하는데 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 삼중층 액츄에이터 (10')가 서로에 대해 서로 직교하는 두 쌍의 전도성층 (12A, 14A 및 12B, 14B)을 갖는 것에 한정되지 않음도 비슷하게 알 수 있다. 삼중층 액츄에이터 (10')는 단일 쌍의 전도성층으로 만들어질 수 있고 (삼중층 액츄에이터 (10)의 1차원 움직임 및/또는 상응하는 이펙터 (423)의 일차원 움직임을 가능하게 함), 두 쌍의 평행하지 않게 배향된 전도성층으로 만들어질 수 있고 (삼중층 액츄에이터 (10)의 2차원 움직임 및/또는 상응하는 이펙터 (423)의 2차원 움직임을 가능하게 함), 두 개를 초과하는 쌍의 전도성층으로 만들어질 수도 있다 (삼중층 액츄에이터의 보다 정교하게 제어된 2차원 움직임 및/또는 상응하는 이펙터의 보다 정교하게 제어된 2차원 움직임을 가능하게 함). 또한 여러 쌍의 전도성층이 서로에 대해 직교와는 다른 각도 관계를 가질 수도 있다.
삼중층 액츄에이터 (10')가 그 제1 형상 (도 8C)와 그 제2 형상 (도 8D) 사이에서 혹은 (상술한 바와 같은) 그 다른 형상 사이에서 움직이는 경우, 삼중층 액츄에이터 (10')와 이펙터 (423) 사이의 접촉이 이펙터 (423)의 상응하는 움직임을 일으킨다. 도 8에 예시된 실시례에서, 이펙터 (423)의 움직임이, 삼중층 액츄에이터 (10')의 상응하는 움직임에 의해 가능해진다. 예를 들면, 도 8C의 배열 (제로 인가 전압이 될 수 있는 제1 전압이 인감됨) 및 도 8D의 배열 (전도성층 (12A, 14A)으로 제2 전압이 인가됨)에서와 같이, 이펙터 (423)은 삼중층 액츄에이터 (10')의 말단부와 같은 방향 (방향 430A)으로 움직인다. 삼중층 액츄에이터 (10')에 다른 전압이 인가되는 것에 대응하여 이펙터 (423)가 삼중층 액츄에이터 (10')의 말단부의 변형 방향에 대응하는 방향으로 유사하게 움직인다. 이펙터 (423)가, 전도성층 (12A, 14A)에 인가되는 전압의 어느 한 극성에 반응해서 및 전도성층 (12B, 14B)에 인가되는 전압의 어느 한 극성에 반응해서 (도 8C에 보인 배경 배열에 대비되게) 움직인다는 것을 알 수 있다. 제1 형상 및/또는 배열 (도 8C에 보인, 그 배경 형상 및/또는 배열에 대응할 수 있음) 및 상술한 전압 중 어느 한 전압이 인가된 상태에서의 제2 형상 및/또는 배열 사이에서의 이펙터 (423)의 움직임이 인간 피부 표면 (417)에 의해 감지 가능할 수 있다. 또한, 그 형상들 및/또는 다른 전압 구성을 인가하는 상태에서의 배열들 및/또는 다른 쌍의 전도성층으로 (일례로, 전도성층 12B, 14B 대 (Vs) 전도성층 12A, 14A) 전압의 인가 사이에서 이펙터 (423)의 움직임이 인간 피부 표면 (417)에 의해 감지 가능할 수 있다.
일부 실시례에서, 이펙터 (423)의 말단부에 텍스처 형상 (일례로, 보다 텍스처를 느낄 가능성을 크게 하기 위해 균일하거나 크기가 변화하는 돌출부 및/또는 함몰부)가 제공될 수 있다. 이펙터 (423)은 적절한 재료로 제조될 수 있고 이펙터 (423)은 적절한 크기여서, 한 손 위에서 인간 피부 표면 (427)이 느끼기에 충분한 강성을 주는 것과 삼중층 액츄에이터 (10')과 함께 (혹은 인간 피부 표면 (417)과 함께) 변형할 수 있는 것 둘 사이에서 상충되는 요구를 충족시킬 수 있다. 이펙터 (423)은 변형가능한 층의 인접 연장부일 필요는 없고 삼중층 액츄에이터 (10)와 접촉할 수 있는 다른 일부 재료이거나 구성요소일 수 있다. 일부 실시례에서, 이펙터 (423)가 삼중층 액츄에이터 (10)의 강성보다 큰 강성을 갖는다. 일부 실시례에서, 이펙터 (423) 사이의 간격이 0.5 mm - 6 mm 범위에 있을 수 있다. 일부 실시례에서, 이 간격은 1 mm - 3 mm 범위여서, 인간 손가락 끝 (417)이 구별해낼 수 있는 최소 두 점 간격 (minimum two-point discrimination)에 대략 대응한다. 일부 실시례에서, 각 이펙터 (423)의 측면이 채색되어 그것이 배열들 사이에서 움직일 때 (촉각 자극과 함께) 시각 자극도 줄 수 있다.
여기에서 기술된 다른 실시례에서와 같이, 특정 삼중층 액츄에이터 (10') 혹은 하나 이상의 하위 군 (subsets)의 삼중층 액츄에이터 (10')에 선택적으로 전압을 인가하여 그에 상응하는 개별 이펙터 (423)을 움직이므로써, 국소 진동 혹은 텍스처 패턴이 도 8 실시례에서도 얻어질 수 있다. 이러한 선택적 전압의 인가는 상술한 제어 회로 (18)와 유사한 적절한 제어 회로에 의해 가능해질 수 있다.
도 9A - 9D (일괄하여 도 9라 함)는 예시적이나 그에 한정되지 않는 실시례에 따른, 도 8의 장치 (422)를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한다. 삼중층 액츄에이터 (10')가 도 3과 관련하여 상세히 설명한 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 먼저, 도 9A에 보여진 것처럼, 고체 폴리머 전해질이 성형되어 1차원적 어레이(array)의 머리카락 같은 이펙터 (423)를 형성한다. 일부 실시례에서, 이펙터 (423)는 1.5 mm x 1.5 mm x 5 mm 정도의 치수를 갖도록 형성될 수 있다. 그 후, 이펙터 (423)은 홀더 (437)과 마주보는 방향으로부터 PEDOT에 담궈진 후에 경화되어 이펙터 (423)의 (도시된 뷰에서) 상부 및 측면 표면과 홀더 (437)의 (도시된 뷰에서) 상부 표면이 도 9B에 보인 바와 같이 PEDOT으로 코팅된다. 그 후, 도 9C에 보인 것처럼, PEDOT이 각 이펙터 (423)의 상부로부터 및 이펙터 (423)의 길이를 따라 얇은 띠 (strips)로부터 제거되어 이펙터 (423) 상에 네 위치에서 전기적으로 연결되지 않은 전도성층 (12A, 12B, 14A, 14B)을 제공할 수 있다. 개별적으로 제조된 1차원적 어레이의 이펙터 (423)이 조합되어 도 9D에 보인 바와 같은 2차원적 어레이의 이펙터가 제공될 수 있다.
삼중층 액츄에이터 (10')의 2차원적 제어가, 삼중층 액츄에이터 (10')가 이펙터에 접촉하는, 실시례에 한정될 필요는 없다. 도 13은 2차원 공간에 걸친 움직임을 위해 (적절한 전압 인가에 의해) 조절할 수 있는 복수의 삼중층 액츄에이터 (10")를 개략적으로 도시하는데, 여기서 2차원 공간은 일례로 제1 및 제2 서로 마주보는 방향과 제1 및 제2 마주보는 방향과 평행하지 않은 제3 및 제4 마주보는 방향으로, 2차원적으로 횡으로 배향된 공간 (two-dimensional transversely oriented space)에 걸치게 된다. 삼중층 액츄에이터 (10")는 많은 면에서 상술한 삼중층 액츄에이터 (10')과 유사할 수 있고, 제1 및 제2 마주보는 전도성층 (12A, 14A)과, 제3 및 제4 마주보는 전도성층 (12B, 14B) (도 8B를 보라)이 삼중층 액츄에이터 (10")의 길이를 따라 연장하고 삼중층 액츄에이터 (10")가 이펙터 (423)과 접촉하지 않는다는 점에서 주로 구별된다. 다른 면에서, 삼중층 액츄에이터 (10")는 삼중층 액츄에이터 (10')과 유사한 특징을 가질 수 있고 반대의 경우도 마찬가지이다. 적절한 전압이 제1 및 제2 마주보는 전도성층 (12A, 14A)에 인가되면 삼중층 액츄에이터 (10")의 상응하는 제1 및 제2의 마주보는 방향으로의 움직임 (일례로 변형 혹은 다른 것)을 가져오게 되고, 적절한 전압이 제3 및 제4 마주보는 전도성층 (12B, 14B)에 인가되면 삼중층 액츄에이터 (10")의, 제1 및 제2의 마주보는 방향과 평행하지 않은, 상응하는 제3 및 제4의 마주보는 방향으로의 (이에 따라 2차원 공간에 걸치게 됨) 움직임 (일례로 변형 혹은 다른 것)을 가져오게 된다.
도 10은 또 다른 특정 실시례에 따른, 인간이 감지할 수 있는 촉각 자극을 제공하기 위해 사용될 수 있는 장치 (522)의 일부분 (528) (예를 들어, 셀)을 도시한다. 장치 (522)의 일부분 (528) (여기서 간략히 하기 위해 장치 (522)로 언급될 수 있음)에 의해 제공되는 자극은 (도 10 실시례에서) 양쪽 화살표 (530)으로 표시된 횡 방향으로 (적어도 일부가) 배향될 수 있다. 이러한 횡 방향은 장치 (522)의 기판 (525)에 평행하거나 접선인 방향 또는 사용자가 장치 (522)와 상호 작용하는 일반적인 (예를 들어 거시적인) 표면에 대해 평행하거나 접선인 방향일 수 있다. 아래에서 보다 상세히 설명되는 것처럼, 도 4의 장치 (222)처럼, 장치 (522)의 삼중층 액츄에이터 (10)는 캔틸레버 형상이고 강성 프레임 (513)에 (일례로, 기판 (525)에) 연결되고 기판 (525)에 대해 서로에 대해 독립적으로 자유롭게 움직일 수 있는 말단부 (515)를 갖는다.
장치 (522)는, 제1 전압이 장치 (522)의 삼중층 액츄에이터 (10)에 인가될 때 (장치 (522)의 삼중층 액츄에이터 (10)가 그 배경 상태 (즉, 삼중층 액츄에이터 (10)의 전도성층 (12, 14) 사이에 제로 전압이 인가됨)인 상황에 대응할 수 있음), 삼중층 액츄에이터 (10)가 기판 (525)의 평면에 대체로 놓여지는 제1 평면을 갖는다는 점에서, 도 4의 장치 (222)와 구별된다. 적절한 제2 전압이 삼중층 액츄에이터 (10)의 전도성층 (12, 14) 사이에 인가되면, 삼중층 액츄에이터 (10)가 변형하여 전도성층 (12, 14) 중 하나가 수축하고 전도성층 (12, 14) 중 다른 하나가 팽창하여 삼중층 액츄에이터 (10)가 기판 (525)의 평면으로부터 구부러져서 도 10에 보인 형상을 가질 수 있다. 도 4의 장치 (222)처럼, 제1 전압이 장치 (522)의 삼중층 액츄에이터 (10)에 인가되면 (일례로, 도 10 실시례의 경우에서는 삼중층 액츄에이터 (10)가 그 배경 상태에 있음), 삼중층 액츄에이터 (10)의 말단부 (515)가 그 제1 단부 (511)로부터 상응하는 제1 선형 거리를 갖는다. 적절한 제2 전압이 삼중층 액츄에이터 (10)의 전도성층 (12, 14) 사이에 인가되면, 장치 (522)의 삼중층 액츄에이터 (10)가 변형하여 도 10에 보인 제2 형상을 갖는데, 여기서 삼중층 액츄에이터 (10)의 말단부 (515)가 삼중층 액츄에이터 (10)의 제1 단부 (511)로부터 (제1 선형 거리 보다 작은) 제2 선형 거리에 있게 된다. 특히, 도 10에 예시된 실시례의 경우, 각 삼중층 액츄에이터 (10)에 대해, 제2 형상은 제1 형상에 비해 상대적으로 더 구부러져서 (일례로 더 작은 곡률 반경을 가짐) 결과적으로 그 제1 단부 (511) 및 그 말단부 (515) 사이의 제2 거리가 제1 단부 (511) 및 그 말단부 (515) 사이의 제1 거리보다 작다. 도 10에 예시된 실시례의 경우에서, 제1 형상은 일반적으로 평탄하지만 (가상의 무한대의 곡률 반경임), 반드시 그럴 필요는 없다. 일부 실시례에서, 제1 및 제2 형상이 모두 구부러질 수 있고 제1 및 제2 형상 중 하나가 더 큰 곡률 (더 작은 곡률 반경)을 가질 수 있어서 제1 단부 (511) 및 말단부 (515) 사이의 선형 거리가 더 큰 곡률을 갖는 형상의 경우에서 상대적으로 작고 더 작은 곡률을 갖는 형상의 경우에서 상대적으로 크다. 도 10 실시례의 경우에서, 삼중층 액츄에이터 (10)의 제1 형상 (제로 인가 전압일 수 있는 제1 전압이 인가됨)이 기판 (525)에 접선일 수 있고 제2 전압의 인가 시, 그에 상응하는 제2 형상은 삼중층 액츄에이터 (10)의 말단부 (515)가 기판 (525)로부터 멀어지도록 기판 (525)의 접선에 수직한 방향으로 변형하게 한다.
도 10 실시례에서, (말단부 (515) 뿐만 아니라) 횡단부도 기판 (525)로부터 분리되어 (일례로 잘려져) 삼중층 액츄에이터 (10)가 구동할 때 기판 (525) 표면으로부터 들어올려질 수 있다. 일부 실시례에서, 폴리디메틸실록산 (PDMS: polydimethylsiloxane)과 같은 엘라스토머 분리막이 비활성 영역에서 기판 (525)의 표면을 덮을 수 있고 윈도우가 삼중층 액츄에이터 (10) 영역에 형성되어 삼중층 액츄에이터 (10)와 인간 피부 표면 (517) 사이에 공간을 생성할 수 있다. 이러한 막이 충분히 두껍다면, 삼중층 액츄에이터 (10)가 90°까지 구부러져서 횡으로 배향된 힘 (일례로, 방향 530으로 임)을 생성할 수 있다. 얇은 분리막을 갖거나 분리막이 없는 실시례에서, 장치 (522)가 기판 (525)에 수직인 방향으로 힘을 주로 발생시킬 수 있다. 일부 실시례에서, 돌출부 및 함몰부와 같은 특징부가 삼중층 액츄에이터 (10) 위에 부착되거나 형성되어 다른 형상으로 삼중층 액츄에이터 (10)로, 촉감을 강화시키거나 및/또는 피부 표면 (517) 위에 새로운 종류의 느낌을 생성시킬 수 있다. 또는, 도 2의 실시례를 갖는 경우와 같이, 삼중층 액츄에이터 (10)의 양 횡 단부가 기판 (525)에 구속되어 삼중층 액츄에이터 (10)의 중앙부가 기판 위로 삼중층 액츄에이터 (10)의 횡 단부에 의해 들어올려지는 거리보다 큰 거리만큼 들어올려질 수도 있다.
도 11A - 11D (일괄하여 도 11이라 함)는, 예시적이나 그에 한정되지 않는 실시례에 따른, 도 10의 장치(522)를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한다. 삼중층 액츄에이터 쉬트 (547)가 상술한 방법 (이온 전도성 변형가능한 막 (16)으로 고체 폴리머 전해질 (SPE) 및 전도성층 (12, 14)로 PEDOT를 사용하거나 양 측에 폴리피롤로 전기증착한 PVDF 멤브레인을 사용함) 중 어느 하나를 사용하여 제조될 수 있다. 도 11A는 이러한 삼중층 액츄에이터 쉬트 (547)을 보여준다. 그 뒤에 쉬트 (547) 양 측 위에 전도성층이, 도 11B에 도시된 바와 같이 레이저-마이크로머시닝(laser micromachining)을 이용하여, 동일하게 패터닝되어 개별 삼중층 액츄에이터 (10)를 제공한다. 일부 실시례에서, 각 삼중층 액츄에이터 (10)의 횡 폭 (w)이 0.5 mm - 2 mm 사이에 있고 일부 실시례에서 폭/길이 (w/l) 비율이 0.25- 1로 되도록 준비된다. 일부 실시례에서, 두 개의 인접 삼중층 액츄에이터 (10) 사이의 간격은 1 - 2 mm 범위에 있다. 도 11C에 보인, 패터닝된 삼중층 액츄에이터 (10)의 세 측면 (말단부 (515) 및 횡 단부)가 그 뒤에 절단되어 전술한 평면 구동을 가능하게 한다. 인간 피부 표면 (517) 및 액츄에이터 평면 사이에 간격을 제공하기 위해서, 삼중층 액츄에이터 (10)의 패턴에 대응하는 패턴ㅇ르 갖는 직사각형 형상의 윈도우를 가진 엘라스토머 (PDMS, SIBSTAR 등) 쉬트 (549)가 도 11D에 보인 바와 같이, 쉬트 (547) 위에 올려진다.
위에서 간략히 언급한 바와 같이, 현재로서는 바람직한 실시례는, 전도성층 (12, 14)가 전도성 폴리머로부터 제조되는 삼중층 액츄에이터 (10)를 포함한다. 상술한 촉각 자극 장치 모두가 전기 활성 고분자 (EAP: electro-active polymer) 삼중층 액츄에이터를 사용하여 제조될 수 있는데, 여기서 전도성층 (12, 14)은, 비록 이러한 삼중층 액츄에이터의 동작 특성이 다를 수 있지만, 다른 재료로부터 만들어질 수 있다. 예를 들면, 도 12A는, 금속 전도성층 (612, 614)을 포함하고 전도성 폴리머 삼중층 액츄에이터와 마찬가지로 평탄하고 전도성층 (612, 614) 사이에 전압이 인가되면 이온 이동 때문에 구부러지는, 이온 폴리머 금속 복합재 (IPMC: Ionic Polymer Metal Composite) 삼중층 액츄에이터 (610)을 보여준다. 역시 다른 실시례에서, 상술한 장치의 삼중층 액츄에이터는, 도 12B에 보인 것처럼, 두 개의 병렬 캐패시터 형태인 유전 (dielectric) 엘라스토머 및 전왜 (electrostrictive) 재료로 대체될 수도 있다. 도 12B에 예시된 실시례에서, 구조물 (710)은, 세 층의 전극 (712, 714A, 714B) 사이에 끼워진, 두 층의 유전 엘라스토머 혹은 전왜 재료 (716A, 716B)를 포함한다. 전극 (714A, 714B) 사이에 전압을 변경함으로써 전체 구조물 (710)이 반대 방향으로 구부러지게 될 수 있다.
많은 예시적인 양태와 실시례들이 여기에서 설명되었지만, 당업자라면 소정의 변경, 치환, 추가 및 하위 조합을 인식할 수 있을 것이다. 다음의 예를 들 수 있다.
● 삼중층 액츄에이터 (10)가 전기 전도성 폴리머로 만들어진 전도성층 (12, 14)로 제조되는 경우의 어떤 실시례에서도, 이러한 삼중층 액츄에이터 (10)는 적어도 일부가 가시광 파장에 투명하게 제조될 수 있다. 그에 제한되지 않는 실시례로서, 0.125 ㎛ 정도의 두께를 가진 PEDOT로부터 제조되는 전도성 폴리머층 (12, 14)이 가시광선 영역에 걸쳐 70% 보다 큰 투명도를 갖고, 전도성 폴리층 (12, 14)가 얇아짐에 따라 투명도가 증가하는 것 (예를 들어, 일부 실시례에서 80% 초과하고 일부 실시례에서는 90%를 초과함)으로 예상된다.
● 여기서 설명된 어떤 방법, 장치 및/또는 실시례도 도 1과 관련하여 상술한 제어 회로 (18)와 유사한 제어 회로를 포함할 수 있다. 이러한 제어 회로는 하나 이상의 삼중층 액츄에이터 (10)에 대한 전압 인가를 제어할 수 있다. 이러한 제어 회로는 각 개별 삼중층 액츄에이터에 하나의 그룹의 혹은 복수의 삼중층 액츄에이터 내의 각 개별 삼중층 액츄에이터에 조절 가능하게 전압을 인가할 수 있거나 및/또는 보다 큰 그룹의 혹은 복수의 삼중층 액츄에이터 내의 그룹의 혹은 복수의 삼중층 액츄에이터를 제어할 수 있다.
● 전도성 폴리머 전도성층 (12, 14)를 갖는 삼중층 액츄에이터 (10)를 갖는, 여기서 설명된 어떤 방법, 장치 및/또는 실시례도, 도 1 및 2의 실시례에서 삼중층 액츄에이터 (10)과 관련하여 상술한 것과 유사한 주파수와 스위칭 응답 시간으로, 삼중층 액츄에이터 형상 사이에서 스위칭하도록 될 수 있다. 그와 마찬가지로, 제어 회로 (18)에 유사한 제어 회로가 복잡한 파형 (단순 사인파 혹은 네모파 파형이 아님)을 발생시켜서 상응하는 복잡한 진동 모드를 발생시킬 수 있다.
● 도 8 및 9의 실시례에서의 것과 유사한 이펙터 (423)가 여기에 기술된 다른 실시례에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 4 및 5의 실시례에서 사용된 삼중층 액츄에이터 (10)의 말단부 (215) (또는 다른 부분)가 이펙터 (423)과 유사하게 이펙터에 접촉하도록 구성될 수 있고 이러한 삼중층 액츄에이터 (10)의 움직임이 인간이 감지가능한 형식으로 이러한 이펙터의 상응하는 움직임을 일으킬 수 있다. 다른 실시례로서, 도 10 및 11의 실시례에서 사용된 삼중층 액츄에이터 (10)의 말단부 (515) (또는 다른 부분)이 이펙터 (423)과 유사하게 이펙터와 접촉하도록 구성될 수 있고 이러한 삼중층 액츄에이터 (10)의 움직임이 인간이 감지가능한 형식으로 이러한 이펙터의 상응하는 움직임을 일으킬 수 있다.
● 일부 실시례에서, 인접 삼중층 액츄에이터 (10)의 적층체가 현저하게 변위를 감소시키지 않으면서 힘을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 삼중층 액츄에이터 (10) 적층체는 구성요소를 공유할 수 있다. 예를 들면, 전도성층이 하나를 초과하는 숫자의 삼중층 액츄에이터의 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 도 2, 4 및 10의 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10)를 서로에 대해 근접하게 위치시켜서 그들이 물리적으로 접촉하지만 서로에 대한 미끄러질(slide) 수 있다면 힘을 증가시킬 수 있으면서 상당 변위를 유지할 수 있다. 이러한 접근은 힘을 증가시키는데 사용되어 삼중층 액츄에이터 (10) 보다 쉽게 감지될 수 있도록 한다. 도 14는 특정 실시례에 따라 삼중층 액츄에이터 (10A 및 10B)를 적층한 배열을 포함하는, 인간이 감지가능한 자극을 제공하는, 장치 (810)을 개략적으로 도시한다. 장치 (810)은, 삼중층 액츄에이터 (10A, 10B) 사이에 위치하는, 변형가능한 재료의 층 (812)을 포함한다. 변형가능한 층 (812)는 전기적으로 이온적으로 절연이다. 본 발명자들은 (실험을 통해) 삼중층 액츄에이터 (10A, 10B)가 변형가능한 재료 (812)에 붙어 있고 적절한 전압이 삼중층 액츄에이터 (10A, 10B) 쌍에 인가되는 경우, 장치 (810)의 그에 상응하는 힘 출력이 (일례로, 전체로써) 단일 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 힘 출력에 비해 크다는 것을 확인했다. 그러나, 삼중층 액츄에이터 (10A, 10B)가 변형가능한 부재 (812)에 붙어 있는 경우, 장치 (810)의 변위는 (일례로, 전체로써) 감소하는 경향이 있다. 반대로, 본 발명자들은 (실험을 통해) 변형가능한 재료 (812)가 삼중층 액츄에이터 (10A, 10B) 사이에 끼워져 있지만 삼중층 액츄에이터 (10A, 10B)가 변형가능한 재료 (812)에 대해 및/또는 삼중층 액츄에이터 (10A, 10B) 중 다른 것에 대해 미끄러지는게(slide) 가능하다면, 장치 (810)의 그에 상응하는 힘 출력이 (일례로, 전체로써) 단일 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 힘 출력에 비해 크지만 장치 (810)의 변위에 있어서의 희생이, 삼중층 액츄에이터 (10A, 10B)가 변형가능한 재료 (812)에 붙어 있는 경우와 비교해서, (일례로, 전체로써) 감소한다 것(장치 (810)의 변위 감소는 그렇게 크지 않음)을 확인했다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10A, 10B)는, 제1 부분에서 혹은 일단 (일례로 제1 끝단 (811)) 근처에서 변형가능한 재료 (812)에 붙어 있을 수 있고 변형가능한 재료에 대해 말단부에서 혹은 다른 타단 (일례로 말단부 (815)) 근처에서 미끄러지기 가능할 수 있다. 도 4에 예시된 실시례의 경우와 같이, 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10A)의 치수가 삼중층 액츄에이터 (10B)의 상응하는 치수(즉, 두 개의 삼중층 액츄에이터 (10A, 10B) 사이의 방향과는 다른 평행한 방향으로의 치수)에 비해 더 큰 사이즈를 갖는 경우, 삼중층 액츄에이터 (10A, 10B)는 다른 크기를 가질 수 있다. 일부 실시례에서, 힘 발생이 (같은 사이즈의 두 개의 삼중층 액츄에이터 (10A, 10B)를 갖는 경우에 비교하여) 개선된다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10A)의 치수는 삼중층 액츄에이터 (10B)의 그에 상응하는 치수에 비해 1.5 배 보다 크다. 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터 (10A)의 치수는 삼중층 액츄에이터 (10B)의 그에 상응하는 치수에 비해 1.8 배 보다 크다. 당업자라면, 도 14가 한 쌍의 삼중층 액츄에이터 (10A, 10B) 적층체을 보여줄 뿐이라는 것을 알 수 있다. 일부 실시례에서, 두 개를 초과하는 삼중층 액츄에이터가 비슷한 방식으로 적층될 수도 있다.
● 일부 실시례에서, 여기에서 기술된 실시례가 제공하는 촉각 자극은, 전화기, 노트북 컴퓨터, 태블릿 및/또는 그와 유사한 것 등과 같은 모바일 전자 기기 내에 혹은 그 위에 사용되어 사용자에게 촉각 피드백을 포함하는 촉각 자극을 제공한다.
● 일부 실시례에서, 여기에서 기술된 실시례가 제공하는 촉각 자극은, 인간이 접촉하거나 접촉할 수 있는, 냉장고 도어, 테이블, 컵보드, 의자, 창문, 문, 도어핸들, 벽, 수도꼭지, 스토브, 마이크로웨이브, 세척기, 세탁기, 건조기, 난간 및/또는 그와 유사한 것 등과 같은 표면에 사용될 수 있다.
● 일부 실시례에서, 여기에서 기술된 실시례가 제공하는 촉각 자극은, 웨어러블 밴드, 패치 혹은 의류에 사용되어 그 아래에 있는 피부 및 그 소자와 접촉하고 있는 손가락 끝에 직접적으로 자극을 제공할 수 있다. 촉각 자극은 경보 (일례로, 약물 패치가 대체될 필요가 있거나, 배터리가 낮거나, 혈당이 낮거나, 기다리는 전화나 메시지 등등)를 제공할 수 있다. 일부 실시례에서, 인식가능한 패턴을 제공할 수 있다.
● 일부 실시례에서, 여기에서 기술된 실시례가 제공하는 촉각 자극은, 피부 위에서 손가락을 위한 패턴을 생성시켜서 맹인과의 소통에 도움을 줄 수 있다.
● 일부 실시례에서, 여기에서 기술된 실시례가 제공하는 촉각 자극은, 부가적으로 혹은 대안적으로 센서 및/또는 변환기(transducer)로 작용하는데, 여기서 인가된 힘 (일례로, 인간 사용자에 의해 인가되는 힘)이 삼중층 액츄에이터 (10)의 변형을 가져와서 삼중층 액츄에이터 (일례로 전도성층 (12, 14) 사이에) 상응하는 전자적 응답 (일례로, 전압 및/또는 전류)을 일으킨다. 이러한 배열에서, 삼중층 액츄에이터 (10)는 부가적으로 혹은 대안적으로, 인가된 힘 (및 삼중층 액츄에이터 형상의 상응하는 변형)을 상응하는 전자적 응답으로 변환하는, 센서 및/또는 변환기를 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시례에서, 똑 같은 삼중층 액츄에이터 (10)가 액츄에이터 및 변환기로 작동하도록 구성될 수 있다. 일부 실시례에서, 단일 소자 내에서 서로 다른 삼중층 액츄에이터 (10)가 액츄에이터 및 변환기로 사용될 수도 있다.
● 일부 실시례에서, 여기에서 기술된 실시례가 제공하는 촉각 자극은, 촉각 피드백을 제공하는데 사용되어, 촉각 입력 및/또는 다른 입력에 대해 피드백을 줄 수 있다. 예를 들어, 소자 내의 터치를 감지하는 것에 반응하여, 국소 진동이 여기에 기술된 실시례에서 제공하는 촉각 감지를 사용하여 발생함으로써 터치가 감지되었음을 알려줄 수 있다. 이것은 일례로 키패드나 키보드 위에 사용될 수 있다.
● 일부 실시례에서, 여기에서 기술된 실시례가 제공하는 촉각 자극은, 웨어러블 소자 내의 촉각 피드백을 제공하는데 사용되어 인간의 움직임을 가이드하는 신호를 제공할 수도 있다. 예를 들어, 이것은 새로운 육체적 업무를 배우는 과정에서 유용할 수 있다.
● 일부 실시례에서, 여기에서 기술된 실시례가 제공하는 촉각 자극은, 피부, 섬유, 가죽 또는 단단한 곡면 표면과 같은 유연하거나 및/또는 비슷한 표면을 갖는, 새로운 소자 내에 촉각 자극을 제공하는데 사용될 수도 있다.
● 삼중층 액츄에이터가 2차원 영역에 걸쳐서 움직이는, 도 8, 9, 및 13의 실시례에서, 상세한 설명은, 전압이 마주하는 전도성층 사이에 - 일례로, 마주보는 전도성층 (12A, 14A) 사이에 및/또는 마주보는 전도성층 (12B, 14B) 사이에 인가됨을 시사한다. 이것이 반드시 그래야 되는 것은 아니다. 일부 실시례에서, 전압을 따른 쌍의 전도성층 사이로 인가하는게 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 전압을 전도성층 (12A) 및 전도성층 (12B) 사이에 및/또는 다른 조합의 전도성층 사이에 인가하는 것이 바람직할 수도 있다.
● 일부 실시례에서, 삼중층 액츄에이터는 적층되어 3층를 초과하는 다층 액츄에이터를 제공할 수도 있다. 일부 층은 삼중층 액츄에이터 (10) 사이에 공유될 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시례에서, 전도성층이 인접 삼중층 액츄에이터 (10) 사이에 공유될 수 있다. 문맥이 다르게 기술하지 않는다면, 삼중층 액츄에이터에 대한 본 상세한 설명 및 그에 첨부되는 도면 및/또는 양태, 참조는, 이러한 삼중층 액츄에이터가 삼층 이상을 포함하는 다층 액츄에이터의 일부를 포함할 가능성을 포함하는 것으로 이해되어야 하는데, 여기서 삼층 이상은 이온적으로 전도성이고 전자적으로 비전도성인 변형가능한 층에 의해 분리되는 한 쌍의 전도성층을 포함한다.
● 도 2의 실시례의 장치 (122)와 관련하여 많은 설계 파라미터가 위에서 논의되었다. 여기에 설명된 다른 장치 중 어느 것도 똑 같거나 적절하게 유사한 설계 파라미터로 설계될 수 있다.

Claims (78)

  1. 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치로써,
    전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1 및 제2 폴리머층과;
    제1 및 제2 폴리머층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 폴리머층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 층;으로 이루어지는 삼중층 액츄에이터를 포함하고,
    제1 및 제2 폴리머층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 폴리머층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되고, 제1 및 제2 형상 사이에서의 차이 또는 전이가 인간 사용자의 촉감에 의해 감지될 수 있는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  2. 제1항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제1 및 제2 폴리머층에 동작 가능하게 연결되어 제1 및 제2 폴리머층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하도록 구성되는 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  3. 제2항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제어 회로는, 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 스위치하도록 구성되고 삼중층 액츄에이터는 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에 100 Hz를 초과하는 주파수로 스위치하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  4. 제2항, 제3항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 회로는, 제1 전압의 인가로부터 제2 전압의 인가까지 스위치하도록 구성되고 삼중층 액츄에이터는 제1 형상으로부터 제2 형상까지 10 ms 미만의 시간 내에 스위치하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  5. 제2항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제어 회로는, 제1 및 제2 폴리머층 사이에 주기적인 전압 신호를 인가하도록 구성되고, 주기적인 전압 신호가 100 Hz를 초과하는 주파수를 갖고 제1 및 제2 전압이 주기적 전압 신호의 최소 및 최대 진폭에 대응하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  6. 제3항 내지 제5항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 및 제2 전압 사이에서의 각각의 스위치에 대해, 제1 및 제2 형상의 차이는, 저 주파수 또는 제1 및 제2 전압의 DC 인가에 상응하는 삼중층 액츄에이터의 정상 상태 형상 사이의 최대 차이의 적어도 63 %인 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  7. 제3항 내지 제6항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 및 제2 전압 사이에서의 각각의 스위치에 대해, 삼중층 액츄에이터는, 시간 상수 τ= 2 ms을 갖는 지수 (e-t/τ)의 것보다 빠른 스위칭 시간으로, 제1 및 제2 형상 사이에서 스위칭하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 형상에서, 삼중층 액츄에이터는 실질적으로 평탄하고;
    제2 형상에서, 제1 폴리머층의 치수가 제1 형상에서의 제1 폴리머층의 치수에 비해 팽창되고 제2 폴리머층의 치수가 제1 형상에서의 제2 폴리머층의 치수에 비해 수축되어, 제2 형상에서는, 삼중층 액츄에이터가 제1 형상의 평면으로부터 변형되는; 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 및 제2 형상 사이에서의 차이 또는 전이는, 인간 사용자의 손가락 중 하나 이상에서 기계적 자극의 수용기 (mechanoreceptor)의 촉감에 의해 감지될 수 있는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  10. 제9항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제1 및 제2 형상 사이에서의 차이 또는 전이는, 인간 사용자의 손가락 중 하나 이상에서 파시니 소체 (pacinian corpuscles)의 촉감에 의해 감지될 수 있는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    삼중층 액츄에이터가 제1 및 제2 형상 중 적어도 하나일 때 삼중층 액츄에이터는 이펙터(effector)와 접촉하고 삼중층 액츄에이터가 제1 및 제2 형상 사이에서 변형하면 그에 상응하는 이펙터의 움직임이 야기되고 이러한 이펙터의 움직임이 인간 사용자의 촉감에 의해 감지될 수 있는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  12. 제11항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    그에 상응하는 이펙터의 움직임은 하나 이상의 횡 방향이고, 이 횡 방향은 장치의 기판에 대해 접선 방향으로 배향된 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  13. 제1항 내지 제10항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    삼중층 액츄에이터의 제1 횡 단부는 프레임 또는 기판에 고정 부착되거나 혹은 변형 가능하게 부착되고 삼중층 액츄에이터의 제1 횡 단부와 마주보는 삼중층 액츄에이터의 제2 횡 단부는 프레임 또는 기판에 대해 움직임이 자유로운 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  14. 제1항 내지 제10항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    삼중층 액츄에이터의 서로 마주보는 제1 및 제2 횡 단부 중 적어도 하나는 변형 가능한 부재에 부착된 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  15. 제14항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    서로 마주보는 제1 및 제2 횡 단부는 둘 다 변형 가능한 부재에 부착된 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수개의 삼중층 액츄에이터를 포함하고, 각각은 유사한 특징을 갖고, 복수개의 삼중층 액츄에이터는 서로에 대해 이격되어 100 Hz를 초과하는 촉감 지각 주파수를 제공함으로써, 인간 사용자가 장치를 신체 일부로 접촉하면 신체 일부가 장치를 가로질러서 10 mm/s의 속도로 움직이는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  17. 제16항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    삼중층 액츄에이터가 서로에 대해 이격된 방향으로 각 삼중층 액츄에이터의 치수는 50 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  18. 제1항 내지 제15항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수개의 삼중층 액츄에이터를 포함하고, 각각은 유사한 특징을 갖고, 복수개의 삼중층 액츄에이터는 서로에 대해 이격되어 100 Hz 미만의 촉감 지각 주파수를 제공함으로써, 인간 사용자가 장치를 신체 일부로 접촉하면 신체 일부가 10 mm/s의 속도로 움직이는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  19. 제16항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    삼중층 액츄에이터가 서로에 대해 이격된 방향으로 각 삼중층 액츄에이터의 치수는 50 ㎛을 초과하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  20. 제3항 내지 제7항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 삼중층 액츄에이터의 횡 방향 치수 d 5 는 200 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  21. 제2항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제어 회로는 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 스위치하도록 구성되고 삼중층 액츄에이터는 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 100 Hz 미만의 주파수로 스위치하고 각 삼중층 액츄에이터의 횡 방향 치수 d 5 는 50 ㎛를 초과하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  22. 제1항 내지 제21항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    삼중층 액츄에이터는, 삼중층 액츄에이터의 강성이 인간 사용자의 손가락 끝 피부의 강성 보다 클 수 있도록 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  23. 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법으로써,
    전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1 및 제2 폴리머층과; 제1 및 제2 폴리머층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 폴리머층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 층;으로 이루어지는 삼중층 액츄에이터를 제공하고,
    제1 및 제2 전도성층으로 제어 회로를 연결해서 제어 회로가 제1 및 제2 폴리머층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하도록 구성되면 제1 및 제2 폴리머층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되고, 제1 및 제2 형상 사이에서의 차이 또는 전이가 인간 사용자의 촉감에 의해 감지될 수 있는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  24. 제23항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제2항 내지 제22항 중 어느 한 항에 유사한 특징을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  25. 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치로써,
    전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1 및 제2 전도성층과;
    제1 및 제2 전도성층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 전도성층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 층;으로 이루어지는 삼중층 액츄에이터를 포함하고,
    삼중층 액츄에이터는 그 횡 단부 각각에서 변형 가능한 부재에 부착되고, 제1 및 제2 전도성층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 전도성층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되고,
    삼중층 액츄에이터의 제1 형상은 그 횡 단부 각각에서 변형 가능한 부재 사이에서 연장되는 연속 면에 대해 대체로 나란하고, 삼중층 액츄에이터의 제2 형상은, 삼중층 액츄에이터의 제1 형상에 비해, 제1 및 제2 전도성층에서 상기 면으로부터의 벗어나는 움직임을 포함하고, 제1 및 제2 형상 사이에서의 차이 또는 전이가 인간 사용자의 촉감에 의해 감지될 수 있는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  26. 제25항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제1 및 제2 전도성층은 하나 이상의 전자적으로 및 이온적으로 전도성인 폴리머로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  27. 제25항, 제26항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 및 제2 전도성층에 동작 가능하게 연결되어 제1 및 제2 전도성층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하도록 구성되는 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  28. 제25항 내지 제27항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 회로는, 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 스위치하도록 구성되고 삼중층 액츄에이터는 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에 100 Hz를 초과하는 주파수로 스위치하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  29. 제25항 내지 제28항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 회로는, 제1 전압의 인가로부터 제2 전압의 인가까지 스위치하도록 구성되고 삼중층 액츄에이터는 제1 형상으로부터 제2 형상까지 10 ms 미만의 시간 내에 스위치하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  30. 제27항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제어 회로는, 제1 및 제2 전도성층 사이에 주기적인 전압 신호를 인가하도록 구성되고, 주기적인 전압 신호가 100 Hz를 초과하는 주파수를 갖고 제1 및 제2 전압이 주기적 전압 신호의 최소 및 최대 진폭에 대응하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  31. 제28항 내지 제30항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 및 제2 전압 사이에서의 각각의 스위치에 대해, 제1 및 제2 형상의 차이는, 저 주파수 또는 제1 및 제2 전압의 DC 인가에 상응하는 삼중층 액츄에이터의 정상 상태 형상 사이의 최대 차이의 적어도 63 %인 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  32. 제28항 내지 제31항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 및 제2 전압 사이에서의 각각의 스위치에 대해, 삼중층 액츄에이터는, 시간 상수 τ= 2ms을 갖는 지수 (e-t/τ)의 것보다 빠른 스위칭 시간으로, 제1 및 제2 형상 사이에서 스위치하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  33. 제25항 내지 제32항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    삼중층 액츄에이터의 제2 형상에서, 삼중층 액츄에이터의 제1 형상에 비해, 제1 및 제2 전도성층에서 상기 면으로부터의 벗어나는 움직임은, 상기 면에 대해 수직인 제1 방향으로 상기 면으로부터 벗어나도록, 제1 및 제2 전도성층의 적어도 제1 부분에서의 변형을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  34. 제33항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제2 전압과 반대 극성을 갖는 제3 전압이 제1 및 제2 전도성층 사이에 인가되면, 제1 및 제2 전도성층 내에서 그에 상응하는 제3 이온 분배가 발생되고, 제1 및 제2 전도성층의 적어도 제2 부분이 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 상기 면으로부터 벗어나도록 변형됨으로써, 삼중층 액츄에이터로 하여금 제3 형상을 취하도록 야기하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  35. 제25항 내지 제34항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    삼중층 액츄에이터는 중앙 부분과, 중앙 부분의 제1 및 제2 횡 측 상에 위치하는 그에 상응하는 제1 및 제2 횡 부분을 포함하고, 삼중층 액츄에이터의 제2 형상에서, 삼중층 액츄에이터의 제1 형상에 비해, 제1 및 제2 전도성층에서 상기 면으로부터의 벗어나는 움직임은, 제1 및 제2 횡 부분의 상기 면으로부터 벗어나는 제1 및 제2 움직임에 비해 상대적으로 큰 거리만큼, 상기 면으로부터 벗어나는 중앙 부분의 움직임을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  36. 제25항 내지 제35항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    삼중층 액츄에이터의 제2 형상에서, 삼중층 액츄에이터의 제1 형상에 비해, 제1 및 제2 전도성층에서 상기 면으로부터의 벗어나는 움직임은, 삼중층 액츄에이터의 횡 단부 각각에서 변형 가능한 부재가 그에 상응하게 변형하도록 하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  37. 제25항 내지 제37항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    변형 가능한 부재는, 삼중층 액츄에이터의 횡 단부 각각에서, 횡 방향으로 제1 및 제2 전도성층의 횡 단부를 지나가는, 변형 가능한 층의 인접 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  38. 제25항 내지 제37항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 형상에서, 삼중층 액츄에이터는 실질적으로 평탄하고; 제2 형상에서, 제1 전도성층의 치수가 제1 형상에서의 제1 전도성층의 치수에 비해 팽창되고 제2 전도성층의 치수가 제1 형상에서의 제2 전도성층의 치수에 비해 수축되어, 삼중층 액츄에이터가 제1 형상의 평면으로부터 변형되는; 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  39. 제25항 내지 제38항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수개의 삼중층 액츄에이터를 포함해서, 횡으로 인접한 삼중층 액츄에이터가 상응하는 변형 가능한 부재까지 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  40. 제39항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    횡으로 인접한 삼중층 액츄에이터의 각 쌍 사이의 변형 가능한 부재는, 횡 방향으로 그들 각각의 제1 및 제2 전도성층의 횡 단부를 지나가는, 횡으로 인접한 양 삼중층 액츄에이터의 변형 가능한 층의 인접 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  41. 제25항 내지 제40항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제8항 내지 제22항 중 어느 하나의 특징을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  42. 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법으로써,
    전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1 및 제2 전도성층과; 제1 및 제2 전도성층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 전도성층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 층;으로 이루어지는 삼중층 액츄에이터를 제공하고,
    삼중층 액츄에이터는 그 횡 단부 각각에서 변형 가능한 부재에 부착되고, 제1 및 제2 전도성층으로 제어 회로를 연결해서, 제어 회로가 제1 및 제2 전도성층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 전도성층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되고,
    삼중층 액츄에이터의 제1 형상은 그 횡 단부 각각에서 변형 가능한 부재 사이에서 연장되는 연속 면에 대해 대체로 나란하고, 삼중층 액츄에이터의 제2 형상은, 삼중층 액츄에이터의 제1 형상에 비해, 제1 및 제2 전도성층에서 상기 면으로부터의 벗어나는 움직임을 포함하고, 제1 및 제2 형상 사이에서의 차이 또는 전이가 인간 사용자의 촉감에 의해 감지될 수 있는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  43. 제42항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제26항 내지 제41항 중 어느 한 항에 유사한 특징을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  44. 하나의 면을 따라 배열되고 상기 면에 대해 대체로 접선 방향인 횡 방향으로 서로에 대해 이격된 복수개의 삼중층 액츄에이터를 포함하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치로써,
    각각의 삼중층 액츄에이터는,
    전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1 및 제2 전도성층과;
    제1 및 제2 전도성층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 전도성층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 층;을 포함하고,
    각 쌍의 횡으로 인접한 삼중층 액츄에이터는 각각의 횡으로 인접한 단부에 변형 가능한 부재에 연결되고,
    각 삼중층 액츄에이터에서,
    제1 및 제2 전도성층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 전도성층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되고,
    삼중층 액츄에이터의 제1 형상은 상기 면에 대해 대체로 나란하고, 삼중층 액츄에이터의 제2 형상은, 삼중층 액츄에이터의 제1 형상에 비해, 제1 및 제2 전도성층에서 상기 면으로부터의 벗어나는 움직임을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  45. 제44항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제26항 내지 제41항 중 어느 한 항에 따른 특징을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  46. 하나의 면을 따라 배열되고 상기 면에 대해 대체로 접선 방향인 횡 방향으로 서로에 대해 이격된 복수개의 삼중층 액츄에이터를 제공하되,
    여기서 각각의 삼중층 액츄에이터는, 전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1 및 제2 전도성층과; 제1 및 제2 전도성층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 전도성층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 층;을 포함하고,
    복수개의 삼중층 액츄에이터에 제어 회로를 연결해서, 제어 회로가, 각 삼중층 액츄에이터에 대해, 제1 및 제2 전도성층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 전도성층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되고, 삼중층 액츄에이터의 제1 형상은 상기 면에 대해 대체로 나란하고, 삼중층 액츄에이터의 제2 형상은, 삼중층 액츄에이터의 제1 형상에 비해, 제1 및 제2 전도성층에서 상기 면으로부터의 벗어나는 움직임을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  47. 제46항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제26항 내지 제41항 중 어느 한 항에 유사한 특징을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  48. 하나 이상의 자극기 어셈블리를 포함하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치로써, 각각의 자극기 어셈블리는,
    이펙터(effector)와;
    이펙터와 접촉하는 삼중층 액츄에이터;를 포함하고,
    삼중층 액츄에이터는,
    전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1 및 제2 전도성층과;
    제1 및 제2 전도성층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 전도성층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 부재;을 포함하고,
    각각의 삼중층 액츄에이터에서,
    제1 및 제2 전도성층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 전도성층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되고,
    삼중층이 제1 및 제2 형상 사이에서 스위치할 때, 삼중층 액츄에이터와 이펙터 사이에 접촉이 이펙터를 그에 해당하는 제1 및 제2 이펙터 배열 사이에서 횡으로 움직여서, 제1 및 제2 이펙터 배열 사이에서의 이펙터의 움직임 또는 전이가 인간 사용자의 촉각에 의해 감지 가능한 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  49. 제48항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제1 및 제2 전도성층은 하나 이상의 전자적으로 및 이온적으로 전도성인 폴리머로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  50. 제48항, 제49항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 삼중층 액츄에이터는, 전자적으로 및 이온적으로 전도성이고 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수를 갖는 제3 및 제4 전도성층과, 제3 및 제4 전도성층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제3 및 제4 전도성층을 물리적으로 서로로부터 분리하는 변형가능한 부재를 포함하고; 여기서 각 삼중층 액츄에이터에 대해, 제3 및 제4 전도성층 사이에 제3 및 제4 전압을 인가하면 제3 및 제4 전도성층 내에서 그에 상응하는 제3 및 제4 이온 분배가 발생되고 제3 및 제4 전압의 인가 사이에서 변화하면 제1 및 제2 형상 사이에서의 변형 방향과 평행하지 않은 방향으로 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변경이 야기되는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  51. 제48항 내지 제50항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 삼중층 액츄에이터에 대해, 제3 및 제4 전도성층 사이에 제3 및 제4 전압을 인가하고 삼중층 액츄에이터와 이펙터를 접촉시키면 제1 및 제2 이펙터 배열 사이의 움직임 방향과 평행하지 않은 방향으로 이펙터를 움직이는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  52. 제48항 내지 제51항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 자극기 어셈블리에서, 이펙터는 변형 가능한 부재를 포함하고, 제1 이펙터 배열은 이펙터의 수축 변형을 포함하고 제2 이펙터 배열은 이펙터의 팽창 변형을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  53. 제48항 내지 제52항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 자극기 어셈블리는, 이펙터와 접촉하는 제2 삼중층 액츄에이터를 포함하고,
    제2 삼중층 어셈블리는, 전자적으로 및 이온적으로 전도성이고 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수를 갖는 제3 및 제4 전도성층과, 제3 및 제4 전도성층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제3 및 제4 전도성층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 제2 변형가능한 부재를 포함하고,
    여기서 각 제2 삼중층 액츄에이터에 대해, 제3 및 제4 전도성층 사이에 제3 및 제4 전압을 인가하면 제3 및 제4 전도성층 내에서 그에 상응하는 제3 및 제4 이온 분배가 발생되고 제3 및 제4 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제3 및 제4 형상 사이에서 제2 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되고,
    여기서 삼중층 액츄에이터가 제1 형상을 갖고 제2 삼중층 액츄에이터가 제3 형상을 갖는 경우, 제1 및 제2 삼중층 액츄에이터 사이에서 접촉되면 이펙터가 수축적으로 변형되고, 여기서 삼중층 액츄에이터가 제2 형상을 갖고 제2 삼중층 액츄에이터가 제4 형상을 갖는 경우 제1 및 제2 삼중층 액츄에이터가 접촉되면 이펙터가 팽창 변형되도록 하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  54. 제48항 내지 제53항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2항 내지 제22항 또는 제26항 내지 제41항 중 어느 한 항에 따른 특징 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  55. 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법으로써,
    각 자극기 어셈블리가 이펙터와, 이펙터와 접촉하는 삼중층 액츄에이터를 포함하는, 하나 이상의 자극기 어셈블리를 제공하되, 삼중층 액츄에이터는 전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1 및 제2 전도성층과; 제1 및 제2 전도성층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 전도성층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 부재;를 포함하는, 하나 이상의 자극기 어셈블리를 제공하고;
    하나 이상의 자극기 어셈블리 중 각각에 제어 회로를 연결해서, 제어 회로가, 각 자극기 어셈블리의 각 삼중층 어셈블리에 대해, 제1 및 제2 전도성층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 전도성층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되고, 삼중층 액츄에이터가 제1 및 제2 형상 사이에서 스위치하는 경우 삼중층 액츄에이터 및 이펙터 사이에서 접촉하면 그에 상응하는 제1 및 제2 이펙터 배열 사이에서 이펙터가 횡 방향으로 움직이게 되고, 제1 및 제2 이펙터 배열 사이에서 이펙터의 움직임이나 전이가 인간 사용자의 촉감에 의해 감지될 수 있는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  56. 제45항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제2항 내지 제22항 또는 제26항 내지 제41항 또는 제49항 내지 제54항 중 어느 한 항에 유사한 특징을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  57. 하나 이상의 삼중층 액츄에이터를 포함하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치로써,
    각 삼중층 액츄에이터는,
    전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1 및 제2 폴리머층과;
    제1 및 제2 폴리머층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 폴리머층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 부재와;
    프레임에 연결되는 제1 단부와;
    제1 단부와 마주보며, 프레임에 대해 움직임이 자유로운 끝 단부;를 포함하고,
    각 삼중층 액츄에이터에서,
    제1 및 제2 폴리머층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 폴리머층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되고,
    여기서 삼중층 액츄에이터의 제1 형상은 제1 단부로부터 제1 거리에서 끝 단부에 대해 대략 평탄하고, 삼중층 액츄에이터의 제2 형상은 제1 폴리머층의 수축과 제2 폴리머층의 팽창을 포함함으로써 삼중층 액츄에이터가 제1 평판 형상으로부터 구부러지도록 하고 끝 단부가 제1 단부로부터 제2 거리에 있게 하되, 제2 거리는 제1 거리보다 작고, 제1 및 제2 형상 사이에서의 삼중층 액츄에이터의 움직임 또는 전이가 인간 사용자의 촉각에 의해 감지 가능한 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  58. 제57항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제2항 내지 제22항 또는 제26항 내지 제41항 또는 제48항 또는 제54항 중 어느 한 항의 특징 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  59. 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법으로써,
    하나 이상의 삼중층 액츄에이터를 제공하되, 각 삼중층 액츄에이터는,
    전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1 및 제2 폴리머층과;
    제1 및 제2 폴리머층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 폴리머층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 부재와;
    프레임에 연결되는 제1 단부와;
    제1 단부와 마주보며, 프레임에 대해 움직임이 자유로운 끝 단부;를 포함하는, 하나 이상의 삼중층 액츄에이터를 제공하고;
    복수개의 삼중층 액츄에이터에 제어 회로를 연결해서, 제어 회로가, 각 삼중층 액츄에이터에 대해, 제1 및 제2 전도성층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 전도성층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되고, 삼중층 액츄에이터의 제1 형상은 제1 단부로부터 제1 거리에서 끝 단부에 대해 대략 평탄하고, 삼중층 액츄에이터의 제2 형상은 제1 폴리머층의 수축과 제2 폴리머층의 팽창을 포함함으로써 삼중층 액츄에이터가 제1 평판 형상으로부터 구부러지도록 하고 끝 단부가 제1 단부로부터 제2 거리에 있게 하되, 제2 거리는 제1 거리보다 작고, 제1 및 제2 형상 사이에서의 삼중층 액츄에이터의 움직임 또는 전이가 인간 사용자의 촉각에 의해 감지될 수 있는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  60. 제59항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제2항 내지 제22항 또는 제26항 내지 제41항 또는 제48항 내지 제54항 중 어느 한 항에 유사한 특징을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  61. 하나 이상의 자극기 어셈블리를 포함하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치로써, 각각의 자극기 어셈블리는 삼중층 액츄에이터를 포함하고, 삼중층 액츄에이터는,
    전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1, 제2, 제3 및 제4 전도성층과;
    제1 및 제2 전도성층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 전도성층을 물리적으로 서로로부터 분리하며, 제3 및 제4 전도성층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제3 및 제4 전도성층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 부재;을 포함하고,
    각각의 삼중층 액츄에이터에서,
    제1 및 제2 전도성층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 전도성층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2의 서로 마주보는 방향으로의 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되며, 제3 및 제4 전도성층 사이에 제3 및 제4 전압을 인가하면 제3 및 제4 전도성층 내에서 그에 상응하는 제3 및 제4 이온 분배가 발생되고 제3 및 제4 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제3 및 제4의 서로 마주보는 방향으로의 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되고, 제3 및 제4의 서로 마주보는 방향은 제1 및 제2의 마주보는 방향과 서로 평행하지 않은 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  62. 제61항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    각 자극기 어셈블리는 삼중층 액츄에이터와 접촉하는 이펙터를 포함하고, 삼중층 액츄에이터와 이펙터가 접촉하면 이펙터가 서로 마주보는 제1 및 제2 방향과 서로 마주보는 제3 및 제4 방향에 의해 걸쳐지는 2차원 공간으로 움직이게 되고, 제1 및 제2 이펙터 배열 사이에서의 이펙터의 움직임이 인간 사용자에게 촉감에 의해 감지될 수 있는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  63. 제61항 및 제62항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2항 내지 제22항 또는 제26항 내지 제41항 또는 제48항 내지 제54항 중 어느 한 항에 따른 특징 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  64. 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법으로써,
    하나 이상의 자극기 어셈블리를 제공하되, 각 자극기 어셈블리는 삼중층 액츄에이터를 포함하고, 삼중층 액츄에이터는,
    전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1, 제2, 제3 및 제4 전도성층과;
    제1 및 제2 전도성층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 전도성층을 물리적으로 서로로부터 분리하며, 제3 및 제4 전도성층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제3 및 제4 전도성층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 부재;을 포함하는, 하나 이상의 자극기 어셈블리를 제공하고;
    하나 이상의 자극기 어셈블리 각각에 제어 회로를 연결해서, 제어 회로가, 각 자극기 어셈블리의 각 삼중층 액츄에이터에 대해, 제1 및 제2 전도성층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 전도성층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2의 서로 마주보는 방향으로의 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되며, 제3 및 제4 전도성층 사이에 제3 및 제4 전압을 인가하면 제3 및 제4 전도성층 내에서 그에 상응하는 제3 및 제4 이온 분배가 발생되고 제3 및 제4 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제3 및 제4의 서로 마주보는 방향으로의 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되고, 제3 및 제4의 서로 마주보는 방향은 제1 및 제2의 마주보는 방향과 서로 평행하지 않은 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  65. 제64항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제2항 내지 제22항 또는 제26항 내지 제41항 또는 제48항 내지 제54항 또는 제62항 중 어느 한 항에 유사한 특징을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  66. 복수개의 삼중층 액츄에이터를 포함하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치로써,
    각 삼중층 액츄에이터는,
    전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1 및 제2 폴리머층과;
    제1 및 제2 폴리머층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 폴리머층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 부재;를 포함하고,
    각 삼중층 액츄에이터에서,
    제1 및 제2 폴리머층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 폴리머층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되고,
    복수개의 삼중층 액츄에이터는 각각의 옆에 위치해서 변형 가능한 재료의 층에 의해 접촉하는 제1 및 제2 삼중층 액츄에이터를 포함하고 변형 가능한 재료의 층이 제1 및 제2 삼중층 액츄에이터를 물리적으로 분리하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  67. 제66항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제1 및 제2 삼중층 액츄에이터의 적어도 제1 및 제2 부분은 변형 가능한 재료의 층에 대해 미끄러지게 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  68. 제66항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제1 및 제2 삼중층 액츄에이터는 변형 가능한 재료의 층에 부착된 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  69. 제66항 내지 제67항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 및 제2 삼중층 액츄에이터의 제1 및 제2 전도성층 사이에 제1 전압을 인가하면 제1 및 제2 삼중층 액츄에이터의 제1 및 제2 부분이 변형 가능한 재료의 층에 대해 제1 방향으로 미끄러지게 움직이게 되고 제1 및 제2 삼중층 액츄에이터의 제1 및 제2 전도성층 사이에 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 삼중층 액츄에이터의 제1 및 제2 부분이 변형 가능한 재료의 층에 대해, 제1 방향과 마주보는 제2 방향으로, 미끄러지게 움직이게 되는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  70. 제66항 내지 제69항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 삼중층 액츄에이터는 제2 삼중층 액츄에이터의 대응하는 치수에 비해 큰 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  71. 제66항 내지 제69항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2항 내지 제22항 또는 제26항 내지 제41항 또는 제48항 또는 제54항 중 어느 한 항의 특징 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 장치.
  72. 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법으로써,
    제1 및 제2 삼중층 액츄에이터를 제공하되, 각 삼중층 액츄에이터는,
    전자적으로 및 이온적으로 전도성이고, 그 안으로 이온이 삽입되고 그로부터 이온이 탈락됨에 의존하여 변화하는 하나 이상의 치수 (dimension)를 갖는, 제1 및 제2 폴리머층과;
    제1 및 제2 폴리머층 사이에 위치하여 이들과 접촉하여 제1 및 제2 폴리머층을 물리적으로 서로로부터 분리하고, 전자적으로는 절연성이고 이온적으로는 전도성인, 변형가능한 부재;를 포함하고,
    제1 및 제2 삼중층 액츄에이터를 각각의 옆에 변형 가능한 재료의 층에 의해 접촉하여 변형 가능한 재료의 층이 제1 및 제2 삼중층 액츄에이터를 물리적으로 분리하도록 위치시키고,
    각 삼중층 액츄에이터에 제어 회로를 연결해서, 제어 회로가, 각 삼중층 액츄에이터에 대해, 제1 및 제2 전도성층 사이에 제1 및 제2 전압을 인가하면 제1 및 제2 전도성층 내에서 그에 상응하는 제1 및 제2 이온 분배가 발생되고 제1 및 제2 전압의 인가 사이에서 변화하면 그에 상응하는 제1 및 제2 형상 사이에서 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형이 야기되는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  73. 제72항 또는 여기의 다른 어떤 청구항에 있어서,
    제1 및 제2 삼중층 액츄에이터의 적어도 제1 및 제2 부분이 변형 가능한 재료의 층에 대해 미끄러지게 움직이도록 제어 회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  74. 제72항 및 제73항 또는 여기의 다른 어떤 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2항 내지 제22항 또는 제26항 내지 제41항 또는 제48항 내지 제54항 또는 제67 내지 제70항 중 어느 한 항에 유사한 특징을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 사용자에게 촉각 자극을 제공하는 방법.
  75. 삼중층 액츄에이터가 센서 및/또는 변환기로서 부가적으로 혹은 대안으로 구성되고 삼중층 액츄에이터에 인가되는 힘이 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형을 야기하며 삼중층 액츄에이터의 변형이 삼중층 액츄에이터의 제1 및 제2 전도성층 및/또는 폴리머층 사이에서 그에 상응하는 전자적 응답을 가져오는, 여기에 기재된 장치 중 어느 하나 및/또는 여기의 청구항 중 어느 하나에 따른 장치.
  76. 삼중층 액츄에이터가 센서 및/또는 변환기로서 부가적으로 혹은 대안으로 구성되고 삼중층 액츄에이터에 인가되는 힘이 삼중층 액츄에이터의 그에 상응하는 변형을 야기하며 삼중층 액츄에이터의 변형이 삼중층 액츄에이터의 제1 및 제2 전도성층 및/또는 폴리머층 사이에서 그에 상응하는 전자적 응답을 가져오는, 여기에 기재된 장치 중 어느 하나 및/또는 여기의 청구항 중 어느 하나에 따른 방법.
  77. 여기에 혹은 첨부한 도면에서 보여지거나 기술된 특징들, 이들의 조합 혹은 이들의 치환 조합을 포함하는 장치.
  78. 여기에 혹은 첨부한 도면에서 보여지거나 기술된 특징들, 이들의 조합 혹은 이들의 치환 조합을 포함하는 방법.
KR1020177028203A 2015-03-09 2016-03-09 삼중층 액츄에이터를 채택한 촉각 자극을 제공하는 장치 및 방법 KR20170132198A (ko)

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