KR20210052152A - 저주파 진동 출력 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 저주파 진동 출력 소자는 한 쌍의 연결 전극들을 포함하는 기판; 상기 한 쌍의 연결 전극들 상에 제공되어 진동을 생성하는 액추에이터(actuator); 상기 액추에이터 상에 제공되는 지지대; 상기 지지대 상에 제공되어 상기 액추에이터를 따라 진동되는 진동막; 상기 진동막 상에 제공되어 상기 진동막을 따라 진동되는 진동부를 포함하되, 상기 액추에이터는 적층된 복수 개의 절연막들 및 상기 인접하는 절연막들 사이에 교대로 적층되는 내부 전극들을 포함하고, 상기 진동막과 접촉하는 상기 지지대의 상면의 면적은 상기 액추에이터와 접촉하는 상기 지지대의 하면의 면적과 같거나 그보다 더 작을 수 있다.
Description
본 발명은 저주파 진동 출력 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 다양한 형태의 지지대 및 진동부를 포함하는 저주파 진동 출력 소자에 관한 것이다.
일반적으로 진동 출력 소자는 전기 모터, 압전 소자, 전왜 소자, 정전 용량 소자 등을 이용하여 진동을 발생하고 전달하는 액추에이터(actuator) 소자일 수 있다. 진동 출력 소자는 사람이나 동물의 손끝, 피부 그리고 신체 내부의 조직에 진동을 전달하는 기능을 구현할 수 있다. 진동 출력 소자는 터치 스크린, 촉감 디스플레이, AR(Augmented Reality)/VR(Virtual Reality)/MR(Mixed Reality) 분야, 생체진단 등 다양한 기술 및 산업 분야에 적용이 가능하다.
본 발명은 인간이 감지할 수 있는 저주파를 출력하는 저주파 진동 출력 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자는 한 쌍의 연결 전극들을 포함하는 기판; 상기 한 쌍의 연결 전극들 상에 제공되어 진동을 생성하는 액추에이터(actuator); 상기 액추에이터 상에 제공되는 지지대; 상기 지지대 상에 제공되어 상기 액추에이터를 따라 진동되는 진동막; 상기 진동막 상에 제공되어 상기 진동막을 따라 진동되는 진동부를 포함하되, 상기 액추에이터는 적층된 복수 개의 절연막들 및 상기 인접하는 절연막들 사이에 교대로 적층되는 내부 전극들을 포함하고, 상기 진동막과 접촉하는 상기 지지대의 상면의 면적은 상기 액추에이터와 접촉하는 상기 지지대의 하면의 면적과 같거나 그보다 더 작을 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자는 한 쌍의 연결 전극들을 포함하는 하부 기판; 상기 한 쌍의 연결 전극들 상에 제공되어 진동을 생성하는 액추에이터; 상기 액추에이터 상에 제공되는 제1 지지대; 상기 제1 지지대 상에 제공되는 제1 진동막; 상기 제1 진동막 상에 제공되는 진동부; 상기 진동부 상에 제공되는 제2 진동막; 상기 제2 진동막 상에 제공되는 제2 지지대; 및 상기 제2 지지대 상에 제공되는 상부 기판을 포함하되, 상기 제2 지지대의 상면은 상기 상부 기판과 접촉하고, 상기 액추에이터의 공진 주파수는 상기 진동부의 공진 주파수보다 클 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자는 진동막 및 진동부가 제공됨으로써 인간이 감지할 수 있는 저주파 진동을 출력할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자를 상부에서 바라본 평면도이다.
도 2a는 도 1의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 액추에이터 내부를 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도 및 측면도이다.
도 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 기판을 상부에서 바라본 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도 및 측면도이다.
도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a 및 도 12a는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도들이다.
도 7b 및 도 12b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 측면도들이다.
도 7c, 도 8b, 도 9b, 도 10b, 도 11b 및 도 12c는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 진동부를 상부에서 바라본 평면도들이다.
도 13은 <실험예 1>에서 주파수에 따른 진동부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터(laser vibrometer)로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14은 <실험예 2>에서 주파수에 따른 진동부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 <실험예 3>에서 주파수에 따른 진동부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 16은 캐리어(carrier) 주파수를 1kHz로 하여 전압을 인가하되 4ms 주기로 온-오프 변조(on-off modulation)함으로써 250Hz의 변조 주파수를 얻을 수 있는 가상적인 전기 신호를 나타내는 그래프이다.
도 17은 도 16의 전기 신호 및 1kHz 사인파 전기 신호를 각각 저주파 진동 출력 소자에 인가하여 얻은 진동부의 진동 변위 신호를 FFT(fast fourier transform) 변환한 결과를 나타내는 가상적인 그래프이다.
도 18은 <실험예 5>에서의 주파수에 따른 진동부의 진동 속도를 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 19는 <실험예 5>에서의 저주파 진동 출력 소자에 대해 도 16의 전기 신호를 인가했을 때, 시간에 따른 진동부의 진동 속도를 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2a는 도 1의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 액추에이터 내부를 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도 및 측면도이다.
도 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 기판을 상부에서 바라본 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도 및 측면도이다.
도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a 및 도 12a는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도들이다.
도 7b 및 도 12b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 측면도들이다.
도 7c, 도 8b, 도 9b, 도 10b, 도 11b 및 도 12c는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 진동부를 상부에서 바라본 평면도들이다.
도 13은 <실험예 1>에서 주파수에 따른 진동부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터(laser vibrometer)로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14은 <실험예 2>에서 주파수에 따른 진동부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 <실험예 3>에서 주파수에 따른 진동부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 16은 캐리어(carrier) 주파수를 1kHz로 하여 전압을 인가하되 4ms 주기로 온-오프 변조(on-off modulation)함으로써 250Hz의 변조 주파수를 얻을 수 있는 가상적인 전기 신호를 나타내는 그래프이다.
도 17은 도 16의 전기 신호 및 1kHz 사인파 전기 신호를 각각 저주파 진동 출력 소자에 인가하여 얻은 진동부의 진동 변위 신호를 FFT(fast fourier transform) 변환한 결과를 나타내는 가상적인 그래프이다.
도 18은 <실험예 5>에서의 주파수에 따른 진동부의 진동 속도를 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 19는 <실험예 5>에서의 저주파 진동 출력 소자에 대해 도 16의 전기 신호를 인가했을 때, 시간에 따른 진동부의 진동 속도를 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 층이 다른 층 '상(上)에' 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 상면에 직접 형성되거나 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 층 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 층이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 층을 다른 영역 또는 층과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자를 상부에서 바라본 평면도이다. 도 2a는 도 1의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다. 도 2b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 측면도이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 저주파 진동 출력 소자(10)는 기판(100), 지지대(110), 진동막(120), 진동부(130) 및 액추에이터(actuator)(200)를 포함할 수 있다.
기판(100)은 한 쌍의 연결 전극들(101)을 포함할 수 있다. 일 예로, 기판(100)은 그 표면에 한 쌍의 연결 전극들(101)을 노출할 수 있다. 한 쌍의 연결 전극들(101)은 기판(100)에 실장된 배선 패턴들과 연결될 수 있다. 일 예로, 배선 패턴들은 기판(100) 내부에 실장될 수 있다. 기판(100)은 딱딱한(rigid) 소재를 포함하거나 신축성 소재를 포함할 수 있다. 일 예로, 기판(100)은 PDMS, 엘라스토머(elastomer), 실리콘(Silicone), Ecoflex, 고무 또는 우레탄 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
액추에이터(200)는 한 쌍의 연결 전극들(101) 상에 제공될 수 있다. 액추에이터(200)는 전도성 접착막(102)을 통해 한 쌍의 연결 전극들(101)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일 예로, 전도성 접착막(102)은 은 에폭시(Ag epoxy), 구리 에폭시(Cu epoxy) 또는 혼합금속 에폭시 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 전도성 접착막(102)은 한 쌍의 연결 전극들(101) 상에 접착되기 위하여 그 표면이 개질될 수 있다.
액추에이터(200)는 제1 측면 전극(211) 및 제2 측면 전극(212)을 포함할 수 있다. 제1 측면 전극(211) 및 제2 측면 전극(212)은 액추에이터(200)의 양 측면에 제공될 수 있다. 제1 측면 전극(211) 및 제2 측면 전극(212)은 제1 방향(D1)으로 서로 이격될 수 있다. 제1 측면 전극(211) 및 제2 측면 전극(212)은 액추에이터(200)의 측면 및 하면의 일부분을 덮을 수 있다. 일 예로, 제1 측면 전극(211)은 액추에이터(200)의 일측면 및 하면의 일부분을 덮고, 제2 측면 전극(212)은 액추에이터(200)의 타측면 및 하면의 일부분을 덮을 수 있다.
제1 측면 전극(211) 및 제2 측면 전극(212)은 전도성 접착막(102)을 통해 각각 한 쌍의 연결 전극들(101)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 측면 전극(211) 및 제2 측면 전극(212)은 절연 패턴으로 코팅될 수 있다. 일 예로, 절연 패턴은 SiO2 또는 유기 박막을 포함할 수 있다. 절연 패턴이 제1 측면 전극(211) 및 제2 측면 전극(212)에 코팅됨으로써 소자 간의 전기적 쇼트(short)를 방지할 수 있다. 액추에이터(200)는 기판(100)에 실장된 배선 패턴들을 통해 전기 신호를 받아 진동을 생성할 수 있다.
액추에이터(200) 상에 지지대(110)가 제공되고, 지지대(110) 상에 진동막(120)이 제공될 수 있다. 지지대(110)는 액추에이터(200)의 진동을 진동막(120)으로 전달할 수 있다. 지지대(110)는 금속, 세라믹, 반도체, 경화수지 등을 포함할 수 있다. 일 예로, 지지대(110)는 철(Fe), 스테인리스, 텅스텐(W), 텅스텐 카바이드(WC), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn), 또는 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
진동막(120)과 접촉하는 지지대(110)의 상면(110t)의 면적은 액추에이터(200)와 접촉하는 지지대(110)의 하면(110b)의 면적과 같거나 그보다 더 작을 수 있다. 지지대(110)의 상면(110t)의 면적이 지지대(110)의 하면(110b)의 면적과 같거나 그보다 작음으로써, 지지대(110)와 액추에이터(200) 간의 접촉이 용이해지고 진동막(120)으로 진동이 더 잘 전달될 수 있다. 지지대(110)의 상면(110t)은 진동막(120)의 가장자리와 접촉할 수 있다. 일 예로, 지지대(110)는 U자형 또는 11자형의 단면을 가질 수 있다.
지지대(110)는 서로 이격된 제1 지지부들(111)을 포함할 수 있다. 제1 지지부들(111)은 액추에이터(200)로부터 진동막(120) 방향으로 연장될 수 있다. 제1 지지부들(111)은 제1 방향(D1) 및 제1 방향(D1)에 교차하는 제2 방향(D2)이 이루는 면에 수직한 제3 방향(D3)으로 연장될 수 있다. 제1 지지부들(111)의 상면은 지지대(110)의 상면(110t)일 수 있다. 제1 지지부들(111)은 진동막(120)의 가장자리와 접촉할 수 있다. 일 예로, 제1 지지부들(111)의 높이는 서로 동일할 수 있다.
지지대(110)는 액추에이터(200)의 상면을 덮는 제2 지지부(112)를 더 포함할 수 있다. 제2 지지부(112)는 액추에이터(200)의 상면의 일부분을 덮을 수 있다. 제1 지지부들(111)은 제2 지지부(112)의 일부분으로부터 연장되어 진동막(120)과 접촉할 수 있다. 일 예로, 제1 지지부들(111)은 제2 지지부(112)의 가장자리의 일부분으로부터 연장되어 진동막(120)과 접촉할 수 있다. 제2 지지부(112)의 하면은 지지대(110)의 하면(110b)일 수 있다. 지지대(110)가 제2 지지부(112)를 포함하지 않는 경우, 제1 지지부들(111)의 하면이 지지대(110)의 하면(110b)일 수 있다.
진동막(120)은 지지대(110)를 통해 액추에이터(200)의 진동을 전달받을 수 있다. 진동막(120)은 액추에이터(200)의 진동에 따라 진동될 수 있다. 진동막(120)은 지지대(110)에 접착될 수 있다. 진동막(120)은 유기 박막을 포함할 수 있다. 일 예로, 진동막(120)은 PDMS, PMMA, Ecoflex, 실리콘(Silicone), 우레탄, 고무, PI(Polyimide) 또는 엘라스토머(elastomer) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 진동막(120)은 제3 방향(D3)으로 제2 지지부(112)와 이격될 수 있다.
진동부(130)는 진동막(120) 상에 제공될 수 있다. 진동부(130)는 진동막(120) 상에 접착될 수 있다. 진동부(130)는 금속, 세라믹 또는 반도체 등을 포함할 수 있다. 일 예로, 진동부(130)는 철(Fe), 스테인리스, 텅스텐(W), 텅스텐 카바이드(WC), 몰리브덴(Mo), 납(Pb), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 탄탈륨(Ta), 주석(Sn), 인듐(In), 금(Au), 은(Ag) 또는 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 일 예로, 진동부(130)는 그 표면에 산화막을 포함할 수 있다.
진동부(130)는 진동부(130)를 상부에서 바라보았을 때, 원형, 타원형, 다각형 또는 십(+)자형 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 진동부(130)는 정육면체, 직육면체, 정사면체, 원기둥, 타원기둥, 반구, 삼각기둥 또는 팔각기둥 형상을 가질 수 있다.
진동부(130)가 진동막(120)과 접촉하는 부분의 면적은 진동막(120)의 면적보다 작을 수 있다. 진동부(130)의 일면의 면적은 진동막(120)의 면적보다 작을 수 있다. 진동부(130)는 진동막(120)의 일부분과 접촉할 수 있다. 진동부(130)의 하면이 진동막(120)과 접촉하는 면적은 진동막(120)의 면적보다 작을 수 있다.
액추에이터(200) 상부에 진동막(120) 및 진동부(130)가 제공됨으로써, 저주파 진동 출력 소자(10)는 저주파 진동을 출력할 수 있다. 액추에이터(200)의 공진 주파수는 일반적으로 수백 kHz 이상이나, 액추에이터(200) 상부에 진동막(120) 및 진동부(130)가 제공됨으로써 공진 주파수가 낮아져 저주파 진동 출력 소자(10)는 인체가 진동을 느낄 수 있는 500Hz 이하의 저주파 진동을 출력할 수 있다. 일 예로, 액추에이터(200)의 공진 주파수는 진동부(130)의 공진 주파수보다 클 수 있고, 진동부(130)의 공진 주파수는 500Hz 이하일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 액추에이터 내부를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 액추에이터(200)는 제1 및 제2 측면 전극(211, 212), 절연막들(221) 및 내부 전극들(222)을 포함할 수 있다.
절연막들(221)은 복수 개 제공되어 액추에이터(200) 내부에 적층될 수 있다. 절연막들(221)은 압전(piezo) 소자 또는 전왜(electrostrictive) 소자 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 절연막들(221)은 압전 박막들일 수 있다. 일 예로, 절연막들(221)은 PZT, PLZT, PMN-PT, PYN-PT, PIN-PT, ZnO, CdS, AlN, BaTiO3, PbTiO3, LiNbO3, LiTaO3, BNT, PVDF, P(DVF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-HFP), PVDF-TFE, PVC, PAN, PPEN 또는 Polyamides 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
내부 전극들(222)은 인접하는 절연막들(221) 사이에 교대로 적층될 수 있다. 내부 전극들(222)은 제1 측면 전극(211)과 연결된 제1 내부 전극들(222a) 및 제2 측면 전극(212)과 연결된 제2 내부 전극들(222b)을 포함할 수 있다. 제1 내부 전극들(222a) 및 제2 내부 전극들(222b)은 상호 간에 교대로 적층될 수 있다.
내부 전극들(222)은 제1 및 제2 측면 전극(211, 212)을 통해 전기 신호를 받아 액추에이터(200)의 진동을 유도할 수 있다. 일 예로, 제1 측면 전극(211), 제2 측면 전극(212) 및 내부 전극들(222)은 ITO, 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 금(Au), Ag/Pd, Ti/Au, Ti/Pt, 그래핀, CNT, PEDOT 또는 PEDOT-PSS 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도 및 측면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자(10)는 보호막(300)을 더 포함할 수 있다. 보호막(300)은 진동부(130) 상에 제공될 수 있다. 보호막(300)은 인체의 직접적 접촉을 차단하고 외부 충격이나 이물질로부터 저주파 진동 출력 소자(10)를 보호하는 기능을 수행할 수 있다. 보호막(300)은 진동이 인체에 전달될 수 있도록 신축성을 가지는 유기 박막을 포함할 수 있다. 일 예로, 보호막(300)은 PDMS, Ecoflex, 엘라스토머(elastomer), 실리콘(Silicone), 고무, 우레탄 또는 PI(Polyimide) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도이다. 도 4c를 참조하면, 복수 개의 액추에이터(200) 및 진동부(130)가 기판(100) 상에 제공될 수 있다. 일 예로, 복수 개의 진동부(130) 상에 하나의 보호막(300)이 제공될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 기판을 상부에서 바라본 평면도이다.
도 5를 참조하면, 기판(100)은 배선 패턴들(WP)을 포함할 수 있다. 배선 패턴들(WP)은 한 쌍의 연결 전극들(101)과 연결될 수 있다. 일 예로, 배선 패턴들(WP)은 기판(100) 내부에 실장될 수 있다. 기판(100) 상에는 도 4c와 같이, 복수 개의 액추에이터(200)가 제공될 수 있다. 일 예로, 배선 패턴들(WP)은 패시브 매트릭스(passive matrix) 또는 액티브 매트릭스(active matrix) 형태로 제공될 수 있다. 배선 패턴들(WP)은 한 쌍의 연결 전극들(101)을 통해 액추에이터(200)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라 각각의 액추에이터(200)들이 개별적으로 신호를 전달받아 다양한 형태의 진동 신호를 출력할 수 있다.
기판(100)은 액추에이터(200)를 지탱하기 위한 구조체들(SI)을 포함할 수 있다. 구조체들(SI)은 그 표면에 한 쌍의 연결 전극들(101)을 노출할 수 있다. 구조체들(SI)은 스티프 아일랜드(stiff island) 구조를 가질 수 있다. 구조체들(SI)은 액추에이터(200)를 지탱하기 위하여 구조체들(SI)을 제외한 기판(100)의 다른 영역보다 탄성 계수가 높은 영역일 수 있다. 기판(100)은 탄성 계수가 높은 구조체들(SI)을 포함하고, 한 쌍의 연결 전극들(101)을 내부에 포함하되 신축성을 가지는 박막을 통해 구조체들(SI)이 서로 연결될 수 있다. 또는, 한 쌍의 연결 전극들(101)이 리본 구조의 사행형(serpentine) 패턴을 가짐으로써 구조체들(SI)이 서로 연결될 수 있다. 일 예로, 배선 패턴들(WP)이 액티브 매트릭스 형태로 제공될 경우, 구조체들(SI) 내부에 TFT(thin film transistor)를 포함하는 구동회로가 제공될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도 및 측면도이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면 저주파 진동 출력 소자(10)는 상부 기판(400a), 하부 기판(400b), 제1 지지대(410), 제1 진동막(420), 진동부(430), 제2 진동막(440), 제2 지지대(450) 및 액추에이터(500)를 포함할 수 있다.
저주파 진동 출력 소자(10)는 상부 기판(400a) 및 하부 기판(400b)을 포함할 수 있다. 상부 기판(400a) 및 하부 기판(400b)은 서로 연결될 수 있다. 일 예로, 상부 기판(400a) 및 하부 기판(400b)은 기둥(CN) 또는 벽면을 통해 연결되어 모듈(module) 형태를 이룰 수 있다.
상부 기판(400a) 및 하부 기판(400b)은 딱딱한(rigid) 소재를 포함하거나 신축성 소재를 포함할 수 있다. 일 예로, 상부 기판(400a) 및 하부 기판(400b)은 PDMS, 엘라스토머(elastomer), 실리콘(Silicone), Ecoflex, 고무 또는 우레탄 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
하부 기판(400b)은 내부에 한 쌍의 연결 전극들(401)을 포함할 수 있다. 하부 기판(400b)은 그 표면에 한 쌍의 연결 전극들(401)을 노출할 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 연결 전극들(401)은 하부 기판(400b) 내부에 실장된 배선 패턴들과 연결될 수 있다.
액추에이터(500)는 하부 기판(400b) 상에 제공되어 전도성 접착막(402)을 통해 한 쌍의 연결 전극들(401)과 전기적으로 연결될 수 있다. 액추에이터(500)는 제1 측면 전극(511) 및 제2 측면 전극(512)을 포함할 수 있다.
제1 지지대(410)는 액추에이터(500) 상에 제공되고, 제1 진동막(420)은 제1 지지대(410) 상에 제공될 수 있다. 제1 지지대(410)는 일 예로, 제1 지지부들(411) 및 제2 지지부(412)를 포함할 수 있다. 제1 진동막(420)과 접촉하는 제1 지지대(410)의 상면(410t)의 면적은 액추에이터(500)와 접촉하는 제1 지지대(410)의 하면(410b)의 면적과 같거나 그보다 더 작을 수 있다.
한 쌍의 연결 전극들(401), 전도성 접착막(402), 제1 지지대(410), 제1 진동막(420), 진동부(430) 및 액추에이터(500)는 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 한 쌍의 연결 전극들(101), 전도성 접착막(102), 지지대(110), 진동막(120), 진동부(130) 및 액추에이터(200)와 실질적으로 동일하므로 중복되는 내용은 이하 설명을 생략한다.
제2 진동막(440)이 진동부(430) 상에 제공될 수 있다. 제2 진동막(440)은 진동부(430)의 진동에 따라 진동될 수 있다. 제2 진동막(440)은 제1 진동막(420)과 평행할 수 있다. 제2 진동막(440)은 진동부(430) 상에 접착될 수 있다. 진동부(430)가 제2 진동막(440)과 접촉하는 부분의 면적은 제2 진동막(440)의 면적보다 작을 수 있다. 진동부(430)의 일면의 면적은 제2 진동막(440)의 면적보다 작을 수 있다. 진동부(430)는 제2 진동막(440)의 일부분과 접촉할 수 있다.
제2 진동막(440)은 유기 박막을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 진동막(440)은 PDMS, PMMA, Ecoflex, 실리콘(Silicone), 우레탄, 고무, PI(Polyimide) 또는 엘라스토머(elastomer) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 진동막(440)은 제1 진동막(420)과 동일한 물질을 포함할 수 있다.
제2 지지대(450)가 제2 진동막(440) 상에 제공될 수 있다. 제2 지지대(450)는 상부 기판(400a)과 접촉될 수 있다. 제2 지지대(450)의 상면은 상부 기판(400a)과 접촉할 수 있다. 제2 지지대(450)는 제2 진동막(440)과 상부 기판(400a) 사이에 위치할 수 있다. 제2 지지대(450)의 하면은 제2 진동막(440)과 접촉할 수 있다. 제2 지지대(450)의 하면은 제2 진동막(440)의 가장자리와 접촉할 수 있다. 일 예로, 제2 지지대(450)는 역 'U'자형 또는 11자형 단면을 가질 수 있다. 제2 지지대(450)는 금속, 세라믹, 반도체, 경화수지 등을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 지지대(450)는 철(Fe), 스테인리스, 텅스텐(W), 텅스텐 카바이드(WC), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn), 또는 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 지지대(450)는 제1 지지대(420)와 동일한 물질을 포함할 수 있다. 저주파 진동 출력 소자(10)가 모듈 형태로 제공됨으로써 각종 전자 기기에 접합될 수 있다.
도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a 및 도 12a는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 정면도들이다. 도 7b 및 도 12b는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 측면도들이다. 도 7c, 도 8b, 도 9b, 도 10b, 도 11b 및 도 12c는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자의 진동부를 상부에서 바라본 평면도들이다. 도 7c, 도 8b, 도 9b, 도 10b, 도 11b 및 도 12c의 경우 도시의 간결함을 위해 일부 구성요소들을 생략하였다.
도 7a 내지 도 11b를 참조하면, 진동부(130)는 다양한 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 지지대(110)는 서로 이격된 제1 지지부들(111) 및 제2 지지부(112)를 포함하고, 제1 지지부들(111)이 각각 진동막(120)의 꼭지점 부분과 접촉하는 형상일 수 있다. 일 예로, 진동부(130)는 원기둥, 사각기둥, 마름모기둥, 십(+)자형 기둥 또는 탑 형상을 가질 수 있다.
도 12a 내지 도 12c를 참조하면, 지지대(120)는 서로 이격된 제1 지지부들(111) 및 제2 지지부(112)를 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 지지부들(111)은 진동막(120)의 가장자리 부분과 접촉하되 진동막(120)의 일 변에서 제1 지지부들(111)이 접촉하는 부분이 접촉하지 않은 부분보다 더 많을 수 있다. 일 예로, 진동부(130)는 사각기둥 형상을 가질 수 있다.
아래의 <실험예 1> 내지 <실험예 5>는 본 발명의 실시예들에 따른 저주파 진동 출력 소자에 대한 실험예들이다.
<실험예 1>
본 실험예에서, 저주파 진동 출력 소자(10)의 액추에이터(200)의 크기는 5mm X 5mm X 2mm(가로X세로X높이)이다. 액추에이터(200) 내부의 절연막들(221)은 PZT로 구성되고, 각각 50μm의 두께를 가지며 40층 적층된다. 지지대(110)는 텅스텐 카바이드(WC)로 구성되고, U자형 단면을 가지며 그 높이는 1.3mm이다. 진동막(120)은 PDMS로 구성되고 그 두께는 200μm이다. 진동부(130)는 텅스텐 카바이드(WC)로 구성되고 직육면체 형상을 가지며 그 크기는 2mm X 5mm X 2mm이다. 진동막(120)과 접촉하는 지지대(110)의 상면(110t)의 폭은 500μm이다.
상기 저주파 진동 출력 소자(10)에 전기 신호를 인가하여, 진동부(130)의 진동 변위 스펙트럼을 측정하였다.
저주파 진동 출력 소자(10)에 전기 신호를 인가할 때 절연막들(221)의 극성이 정렬되고 난 후, 반대 방향으로 전기장이 인가되면 극성의 정렬이 반전되고 이에 따라 성능이 저하될 수 있다. 저주파 진동 출력 소자(10)의 성능이 저하되지 않도록 전기 신호에 오프셋(offset)을 적용하였다. 이에 따라, 액추에이터(200)의 양단에 15V 크기의 사인파를 인가하되 15V 상향 오프셋을 설정하여 0~30V 교류 전압을 인가하였다. 200Hz에서 1kHz까지 1Hz 간격으로 주파수에 따른 진동부(130)의 진동 변위를 측정하였다.
도 13은 <실험예 1>에서 주파수에 따른 진동부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터(laser vibrometer)로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 13을 참조하면, 진동 변위 스펙트럼은 279Hz에서 최대값을 갖는다. 진동 변위 스펙트럼의 진동 변위는 측정 장비의 스캔 모드(scan mode) 특성 상, 진동 변위의 절대값이 작게 측정될 수 있으며 단일 주파수를 갖는 사인파를 입력하는 경우에는 최소 40배 이상의 진동 변위를 가질 수 있다. 이는 후술할 <실험예 2> 및 <실험예 3>에서의 진동 변위 스펙트럼의 경우에도 마찬가지이다.
<실험예 2>
본 실험예에서, 저주파 진동 출력 소자(10)의 액추에이터(200)의 크기는 3mm X 3mm X 2mm(가로X세로X높이)이다. 액추에이터(200) 내부의 절연막들(221)은 PZT로 구성되고, 각각 50μm의 두께를 가지며 40층 적층된다. 지지대(110)는 텅스텐 카바이드(WC)로 구성되고 U자형 단면을 가지며 그 높이는 0.9mm이다. 진동막(120)은 PDMS로 구성되고 그 두께는 200μm이다. 진동부(130)는 텅스텐 카바이드(WC)로 구성되고 직육면체 형상을 가지며 그 크기는 1mm X 3mm X 1mm이다. 진동막(120)과 접촉하는 지지대(110)의 상면(110t)의 폭은 400μm이다.
15V 크기의 사인파를 인가하되 15V 상향 오프셋을 설정하여 0~30V 교류 전압을 인가하였다. 200Hz에서 1kHz까지 1Hz 간격으로 주파수에 따른 진동부(130)의 진동 변위를 측정하였다.
도 14는 <실험예 2>에서의 주파수에 따른 진동부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 14를 참조하면, 진동 변위 스펙트럼은 336Hz에서 최대값을 갖는다
<실험예 1> 및 <실험예 2>를 참조하면, 진동막(120) 및 진동부(130)가 액추에이터(200) 상에 제공됨으로써 공진 주파수가 500Hz 이하로 낮아져 저주파 진동 출력 소자(10)는 인체가 감지할 수 있는 저주파 진동을 출력할 수 있다.
<실험예 3>
본 실험예에서, 저주파 진동 출력 소자(10)의 액추에이터(200)의 크기는 2mm X 2mm X 2mm(가로X세로X높이)이다. 액추에이터(200) 내부의 절연막들(221)은 PZT로 구성되고, 각각 50μm의 두께를 가지며 40층 적층된다. 지지대(110)는 텅스텐 카바이드(WC)로 구성되고 U자형 단면을 가지며 그 높이는 0.7mm이다. 진동막(120)은 PDMS로 구성되고 그 두께는 100μm이다. 진동부(130)는 텅스텐 카바이드(WC)로 구성되고 직육면체 형상을 가지며 그 크기는 0.7mm X 2mm X 0.7mm이다. 진동막(120)과 접촉하는 지지대(110)의 상면(110t)의 폭은 300μm이다.
15V 크기의 사인파를 인가하되 15V 상향 오프셋을 설정하여 0~30V 교류 전압을 인가하였다. 200Hz에서 10kHz까지 6Hz 간격으로 주파수에 따른 진동부(130)의 진동 변위를 측정하였다.
도 15는 <실험예 3>에서의 주파수에 따른 진동부의 진동 변위 특성을 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 15를 참조하면, 진동 변위 스펙트럼은 1,930Hz에서 최대값을 갖는다. 저주파 진동 출력 소자(10)의 크기가 작아짐으로 인해서 공진 주파수가 높아진 것이다.
<실험예 4>
1kHz의 공진 주파수를 갖는 저주파 진동 출력 소자(10)에 대해 도 16의 전기 신호를 인가하였다.
도 16은 캐리어(carrier) 주파수를 1kHz로 하여 전압을 인가하되 4ms 주기로 온-오프 변조(on-off modulation)함으로써 250Hz의 변조 주파수를 얻을 수 있는 가상적인 전기 신호를 나타내는 그래프이다. 도 17은 도 16의 전기 신호 및 1kHz 사인파 전기 신호를 각각 저주파 진동 출력 소자에 인가하여 얻은 진동부의 진동 변위 신호를 FFT(fast fourier transform) 변환한 결과를 나타내는 가상적인 그래프이다.
도 17을 참조하면, 단순히 1kHz 사인파 전기 신호를 인가했을 때와 달리 전기 신호의 변조를 통해 인체가 가장 진동을 잘 느낄 수 있는 250Hz의 저주파 진동을 유도하였다.
<실험예 5>
<실험예 3>과 동일한 조건의 저주파 진동 출력 소자에 대해, 15V 크기의 사인파를 인가하되 15V 상향 오프셋을 설정하여 0~30V 교류 전압을 인가하였다. 200Hz에서 3200Hz까지 10Hz 간격으로 주파수에 따른 진동부의 진동 속도를 측정하였다.
도 18은 <실험예 5>에서의 주파수에 따른 진동부의 진동 속도를 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 18을 참조하면, 공진 주파수가 1,930Hz로써 250Hz에서는 진동 속도가 작아 인체가 그 진동을 감지할 수 없다.
도 19는 <실험예 5>에서의 저주파 진동 출력 소자에 대해 도 16의 전기 신호를 인가했을 때, 시간에 따른 진동부의 진동 속도를 레이저 바이브로미터로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 19를 참조하면, 공진 주파수가 1,930Hz인 저주파 진동 출력 소자(10)에 대해서도 캐리어 주파수를 1kHz로 하여 전압을 인가하되 4ms 주기로 전기 신호를 온-오프 변조함으로써, 250Hz의 진동 출력 신호가 생성되었다.
<실험예 3> 내지 <실험예 5>를 통해, 저주파 진동 출력 소자(10)의 크기가 작아짐으로 인해 공진 주파수가 높아지는 경우에도 전기 신호의 온-오프 변조를 통해 500Hz 이하의 저주파 진동 출력이 가능함을 확인하였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (16)
- 한 쌍의 연결 전극들을 포함하는 기판;
상기 한 쌍의 연결 전극들 상에 제공되어 진동을 생성하는 액추에이터(actuator);
상기 액추에이터 상에 제공되는 지지대;
상기 지지대 상에 제공되어 상기 액추에이터를 따라 진동되는 진동막;
상기 진동막 상에 제공되어 상기 진동막을 따라 진동되는 진동부를 포함하되,
상기 액추에이터는 적층된 복수 개의 절연막들 및 상기 인접하는 절연막들 사이에 교대로 적층되는 내부 전극들을 포함하고,
상기 진동막과 접촉하는 상기 지지대의 상면의 면적은 상기 액추에이터와 접촉하는 상기 지지대의 하면의 면적과 같거나 그보다 더 작은 저주파 진동 출력 소자. - 제1항에 있어서,
상기 액추에이터는 상기 내부 전극들과 전기적으로 연결되는 제1 측면 전극 및 제2 측면 전극을 더 포함하고,
상기 제1 및 제2 측면 전극들은 각각 상기 한 쌍의 연결 전극들과 전기적으로 연결되는 저주파 진동 출력 소자. - 제1항에 있어서,
상기 지지대는 서로 이격되는 제1 지지부들을 포함하고,
상기 제1 지지부들은 상기 액추에이터로부터 상기 진동막으로 연장되는 저주파 진동 출력 소자. - 제3항에 있어서,
상기 지지대는 상기 액추에이터의 상면을 덮는 제2 지지부를 더 포함하고,
상기 제1 지지부들 각각은 상기 제2 지지부의 일부분으로부터 연장되어 상기 진동막과 접촉하는 저주파 진동 출력 소자. - 제1항에 있어서,
상기 지지대의 상면은 상기 진동막의 가장자리와 접촉하는 저주파 진동 출력 소자. - 제1항에 있어서,
상기 진동부는 상기 진동부를 상부에서 바라보았을 때, 원형, 타원형, 다각형 또는 십(+)자형 형상 중 어느 하나의 형상을 갖는 저주파 진동 출력 소자. - 제1항에 있어서,
상기 액추에이터의 공진 주파수는 상기 진동부의 공진 주파수보다 큰 저주파 진동 출력 소자. - 제7항에 있어서,
상기 진동부의 공진 주파수는 500Hz 이하인 저주파 진동 출력 소자. - 제1항에 있어서,
상기 진동막은 PDMS, PMMA, Ecoflex, 실리콘(silicone), 우레탄, 고무, PI(Polyimide) 또는 엘라스토머(elastomer) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 저주파 진동 출력 소자. - 제1항에 있어서,
상기 진동부가 상기 진동막과 접촉하는 부분의 면적은 상기 진동막의 면적보다 작은 저주파 진동 출력 소자. - 제1항에 있어서,
상기 진동부 상에 제공되는 보호막을 더 포함하는 저주파 진동 출력 소자. - 제1항에 있어서,
상기 절연막들은 압전(piezoelectric) 소자 및 전왜(electrostrictive) 소자 중 적어도 어느 하나를 포함하는 저주파 진동 출력 소자. - 한 쌍의 연결 전극들을 포함하는 하부 기판;
상기 한 쌍의 연결 전극들 상에 제공되어 진동을 생성하는 액추에이터;
상기 액추에이터 상에 제공되는 제1 지지대;
상기 제1 지지대 상에 제공되는 제1 진동막;
상기 제1 진동막 상에 제공되는 진동부;
상기 진동부 상에 제공되는 제2 진동막;
상기 제2 진동막 상에 제공되는 제2 지지대; 및
상기 제2 지지대 상에 제공되는 상부 기판을 포함하되,
상기 제2 지지대의 상면은 상기 상부 기판과 접촉하고, 상기 액추에이터의 공진 주파수는 상기 진동부의 공진 주파수보다 큰 저주파 진동 출력 소자. - 제13항에 있어서,
상기 제1 진동막과 접촉하는 제1 지지대의 상면의 면적은 상기 액추에이터와 접촉하는 상기 제1 지지대의 하면의 면적과 같거나 그보다 더 작은 저주파 진동 출력 소자. - 제13항에 있어서,
상기 액추에이터는 적층된 복수 개의 절연막들;
상기 복수 개의 절연막들 사이에 교대로 적층되는 내부 전극들; 및
상기 내부 전극들 및 상기 한 쌍의 연결 전극들과 전기적으로 연결되는 제1 측면 전극 및 제2 측면 전극을 포함하는 저주파 진동 출력 소자. - 제13항에 있어서,
상기 제1 및 제2 진동막은 서로 평행하고, 상기 제2 지지대의 하면은 상기 제2 진동막의 가장자리와 접촉하는 저주파 진동 출력 소자.
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