WO2015163586A1 - 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스 - Google Patents

압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스 Download PDF

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WO2015163586A1
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piezoelectric polymer
haptic feedback
feedback device
polymer
film vibrator
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최승태
문용주
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University of Ulsan Foundation for Industry Cooperation
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University of Ulsan Foundation for Industry Cooperation
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    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/857—Macromolecular compositions

Definitions

  • the present invention relates to a haptic feedback device using a piezoelectric polymer that enables the user to implement a haptic feedback function without pressing by using a thin film-type vibrator.
  • a touch screen is a touch screen that does not use a keyboard and touches a human hand or an object on a character or a specific location on the screen.
  • UIs physical user interfaces
  • tactile senses as feedback on touch to users.
  • the gross vibration type haptic feedback technology used in the existing mobile phones is becoming inefficient due to the increase in the size of the display device, making it difficult to use.
  • haptic feedback is not easy to implement.
  • the main focus is on gross vibration, in which the entire portable electronic device vibrates.
  • the entire vibration method is not used because it is very inefficient.
  • a haptic feedback method that can be implemented in a touch screen that can be used in a bending electronic device has not been developed yet.
  • Korean Patent Laid-Open No. 10-2013-0047604 discloses a vibration generating device and a haptic feedback device having the same, which are easy to fix or attach a vibration member.
  • an object of the present invention is to provide a haptic feedback device using a piezoelectric polymer that enables the user to implement the haptic feedback function without pressing by using a thin film-type vibrator.
  • the present invention provides a lower protective film constituting the lower end; A lower electrode disposed on the lower protective film; An upper electrode disposed above the lower electrode at a distance from the lower electrode to correspond to the lower electrode; A piezoelectric polymer, which is installed between the lower electrode and the upper electrode, the one end of which is in close contact with the lower electrode and one end of the upper electrode at the same time and the one end of the piezoelectric polymer that is installed in a bent shape; An upper protective film installed on the upper electrode; It provides a haptic feedback device using a piezoelectric polymer, characterized in that consisting of a film vibrator comprising a.
  • the touch sensor array is installed above the film vibrator; And controlling the on / off operation of the film vibrator while being electrically connected to the film vibrator and the touch sensor array.
  • the film vibrator controller sends an operation signal to the film vibrator to generate a fretting vibration. ; Characterized in that it comprises a.
  • a cover is installed on the touch sensor array.
  • a display panel electrically connected to the film vibrator controller is installed between the film vibrator and the touch sensor array.
  • a display panel electrically connected to the film vibrator controller is installed under the film vibrator.
  • the left and right ends of the piezoelectric polymer are in contact with only one of the upper and lower electrodes. It is done.
  • the piezoelectric polymer is characterized in that the PVDF-based ferroelectric polymer or relaxed ferroelectric polymer.
  • the PVDF-based ferroelectric polymer is P (VDF-TrFE), and the relaxed ferroelectric polymer is P (VDF-TrFE-CFE) or P (VDF-TrFE-CTFE).
  • a section in which one end portion of the piezoelectric polymer is in close contact with both ends of the upper electrode and the lower electrode at the same time may be a region in which fretting vibration occurs.
  • the haptic feedback device using the piezoelectric polymer according to the present invention may implement a haptic feedback function without a user pressing by using a thin film-type vibrator.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a haptic feedback device using a piezoelectric polymer according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side cross-sectional view of a film vibrator according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a plan view of a film vibrator showing a fretting vibration generation region according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a side cross-sectional view of a film vibrator according to another embodiment of FIG. 2.
  • the haptic feedback device using the piezoelectric polymer according to the present invention includes a display panel 20 provided on the film vibrator 10 and the film vibrator 10 constituting the lowermost layer, and the display panel 20.
  • the touch sensor array 30 installed on the upper portion, the cover 40 installed on the touch sensor array 30, the film vibrator 10, the display panel 20, and the touch sensor array 30 are electrically connected to each other.
  • a film vibrator controller 50 to be connected.
  • the film vibrator 10, the display panel 20, the touch sensor array 30, and the cover 40 are formed in a layered structure sequentially from the bottom to the top.
  • the touch sensor array 30, the film vibrator 20, and the display panel 20 may be provided in the order. If the touch sensor array 30, the display panel 20, and the film vibrator 20 are installed in this order, the film vibrator 20 does not need to be transparently manufactured.
  • the film vibrator 10 is formed in a thin film form, and has a lower protective film 11 constituting the lowermost layer, a lower electrode 12 provided on the lower protective film 11, and an upper portion of the lower electrode 12. It includes a piezoelectric polymer 13 is installed in, the upper electrode 14 is installed on the piezoelectric polymer 13, the upper protective film 15 is installed on the upper electrode (14).
  • the lower protective film 11 constitutes the lowermost layer
  • the lower electrode 12, the piezoelectric polymer 13, and the upper electrode 14 are disposed between the lower protective film 11 and the upper protective film 15.
  • the lower electrode 12 and the upper electrode 14 are lower and upper electrodes for driving the piezoelectric polymer 13, respectively, through which voltage is applied to the piezoelectric polymer 13.
  • the piezoelectric polymer 13 performs a function of converting the applied electrical energy into mechanical vibration energy.
  • the lower electrode 12 is flat and closely attached to the upper surface of the lower protective film 11 in the form of a plate.
  • FIG. 2 is a side cross-sectional view of a film vibrator according to a preferred embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a plan view of a film vibrator showing a fretting vibration generation region according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric polymer 13 is disposed between the lower electrode 12 and the upper electrode 14.
  • the piezoelectric polymer 13 is simultaneously in contact with one end of the lower electrode 12 and the upper electrode 14 by the upper dot spacer 16, the lower dot spacer 17, and the spacer 18, and one end of the upper electrode ( 14) It is installed in a curved form so as to contact only.
  • the upper dot spacers 16 are arranged in plural at regular intervals on the bottom surface of the upper protective film 15.
  • the upper dot spacer 16 protrudes downward from the bottom surface of the upper protective film 15.
  • the upper dot spacer 16 presses one end of the upper electrode 14 downward so that one end portion of the piezoelectric polymer 13 pressed down contacts the upper electrode 14 and one end of the lower electrode 12 simultaneously.
  • a voltage is applied to the piezoelectric polymer 13.
  • a fretting vibration generation region 60 is formed as shown in FIG. 3.
  • the upper electrode 14 is closely attached along the bending line of the piezoelectric polymer 13 which is bent by the upper dot spacer 16.
  • the lower dot spacer 17 is provided at one end of the lower electrode 12 to be positioned between the plurality of upper dot spacers 16.
  • the lower dot spacer 17 protrudes upward from one end of the lower electrode 12.
  • the lower dot spacer 17 pushes up one end portion of the piezoelectric polymer 13 between the upper dot spacers 16 so that the one end portion of the piezoelectric polymer 13 that is pushed up contacts only the upper electrode 14.
  • the spacer 18 is provided between both ends of the piezoelectric polymer 13 and the lower electrode 12. The separated state is maintained between the piezoelectric polymer 13 and both ends of the lower electrode 12 by the spacer 18.
  • the spacer 18 may be disposed between the upper protective film 15 and the upper electrode 14 like the upper dot spacer 16. This may cause fretting vibration to occur even at the edge where the spacer 18 is located.
  • Spacer 18 may be provided over the front, rear, left and right sloped end as shown in FIG.
  • the upper dot spacer 16 is made by dropping a small amount of solution into the dispenser and curing it.
  • Typical dot spacers have a horizontal diameter of about 200 um and a height of 50 um).
  • the minimum height of the upper dot spacer in the present invention should be higher than the height of the spacer 18 which distinguishes the upper electrode and the lower electrode.
  • the height of the spacer is preferably about 75 to 100 um.
  • the upper dot spacer 16 can adjust the spacing, size, and number according to the position where the designer wants to generate a desired vibration. However, the spacing of the lower dot spacers must also be taken into account at that time.
  • the piezoelectric polymer 13 may use a PVDF-based ferroelectric polymer (eg, P (VDF-TrFE)) or a relaxed ferroelectric polymer (eg, P (VDF-TrFE-CFE) or P (VDF-TrFE-CTFE)).
  • PVDF-based ferroelectric polymer eg, P (VDF-TrFE)
  • relaxed ferroelectric polymer eg, P (VDF-TrFE-CFE
  • P (VDF-TrFE-CTFE) P (VDF-TrFE-CTFE)
  • VDF-TrFE is composed of a combination of two single molecules of VDF (vinylidene fluoride) and TrFE (trifluoroethylene) among PVDF-based polymers, and it shows higher piezoelectric properties than other piezoelectric polymers.
  • VDF vinylidene fluoride
  • TrFE trifluoroethylene
  • VDF-TrFE-CFE poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)
  • P (VDF-TrFE-CTFE) poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorotrifluoroethylene)] polymer, a relaxed ferroelectric polymer, is 150 V / ⁇ m. It is known to be a very promising material that generates strains of up to 5 to 7% under electric fields.
  • the film vibrator controller 50 is electrically connected to the film vibrator 10, the display panel 20, and the touch sensor array 30.
  • the film vibrator controller 50 controls on and off the film vibrator 10 during touch sensing.
  • the film vibrator controller 50 may apply a signal having a different waveform according to the content displayed on the display and whether the user touches the finger.
  • the circuit included in the film vibrator controller 50 may be different according to the presence or absence of contact with the content. It is a structure that sends an amplitude different from a waveform (frequency conversion such as square wave or sine wave in a function generator). Different waveforms and amplitudes can result in different waveforms and amplitudes, which in turn can provide a variety of touches.
  • a waveform frequency conversion such as square wave or sine wave in a function generator
  • the touch sensor array 30 detects a touch and at the same time, the film vibrator controller 50 sends an operation signal to the film vibrator 10 to vibrate. Let's do it.
  • one end of the piezoelectric polymer 13 is simultaneously in contact with one end of the upper electrode 14 and the lower electrode 12 by the upper dot spacer 16.
  • produces is preset. Haptic feedback is possible even if the user does not press with force.
  • the film vibrator controller 50 sends an operation signal to the film vibrator 10. Accordingly, a voltage is applied to a portion of the piezoelectric polymer 13 which is simultaneously in contact with one end of the upper electrode 14 and the lower electrode 12 of the film vibrator 10.
  • the haptic feedback is delivered to the user's fingertips as the electric field locally increases in this region where voltage is applied.
  • a fretting phenomenon occurs, in which a small amplitude movement between two pushed surfaces occurs, and the haptic feedback effect is further increased.
  • the electrode may be a metal electrode, an organic electrode such as PEDOT: PSS, or a graphene electrode.
  • Etc. The voltage is applied where the upper electrode 14, the piezoelectric polymer 13, and the lower electrode 12 are in contact with the upper dot spacer 16 in this order. Therefore, a high voltage difference occurs in the piezoelectric polymer 13 and vibration occurs. As a result, local vibration can be felt only in the region around the upper dot spacer 16.
  • the haptic feedback device using the piezoelectric polymer according to the present invention generates vibrations in the fretting vibration generating region 60 preset in the film vibrator 10 without a user's pressing force and only a fine touch.
  • a haptic feedback function delivered to a fingertip can be implemented.
  • the haptic feedback device using the piezoelectric polymer according to the present invention may provide a curved driver capable of implementing a haptic feedback function using a film vibrator.
  • the present invention can be applied to a large area display device, a mobile display device, a flexible display device, an optical instrument, and the like.

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Abstract

본 발명은 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 필름 바이브레이터와, 필름 바이브레이터의 위쪽에 설치되는 터치 센서 어레이 및 터치 센서 어레이로부터 터치 신호가 감지되면 필름 바이브레이터에 작동 신호를 보내 프레팅 바이브레이션이 발생되게 하는 필름 바이브레이터 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 얇은 박막 형태의 필름 바이브레이터를 이용하여 사용자가 힘을 주어 누르지 않아도 햅틱 피드백 기능을 구현할 수 있다.

Description

압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스
본 발명은 얇은 박막 형태의 필름 바이브레이터를 이용하여 사용자가 힘을 주어 누르지 않아도 햅틱 피드백 기능을 구현할 수 있도록 한 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스에 관한 것이다.
일반적으로 터치 스크린(Touch Screen)은 키보드를 사용하지 않고 화면에 나타난 문자나 특정 위치에 사람의 손 또는 물체가 접촉하면 터치 센서로 그 위치를 파악하여 저장된 소프트웨어에 의해 특정 처리를 할 수 있도록 화면에서 직접 입력자료를 받을 수 있게 한 화면을 말한다. 최근의 휴대용 전자기기에 사용되는 터치 스크린은 사용자들에게 접촉에 대한 피드백으로서 시각, 청각, 촉각 등의 다양한 물리적 UI(user interface)를 제공하는 방향으로 발전하고 있다. 그리고 기존의 휴대전화에서 사용하였던 전체진동(gross vibration) 방식의 햅틱 피드백 기술은 표시소자의 크기가 커지면서 비효율적이 되어 사용이 어려워지고 있다.
시각적 및 청각적 피드백은 비교적 쉽게 구현할 수 있는 것과는 달리, 촉각(haptic) 피드백은 구현이 쉽지 않아 현재는 휴대용 전자기기 전체가 진동하는 전체진동(gross vibration) 방식이 주를 이루고 있다. 하지만 스마트 패드와 같이 큰 크기의 터치 스크린이 장착된 휴대용 전자기기의 경우에는 전체진동 방식은 매우 비효율적이어서 사용이 되지 않고 있다. 또한, 휘어지는 전자기기에 사용 가능한 터치 스크린에서 구현할 수 있는 햅틱 피드백 방법은 아직 개발된 바 없다.
햅틱 피드백 디바이스 기술의 일례로서, 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0047604호는 “진동 부재의 고정 또는 부착이 용이한 진동발생장치 및 이를 구비한 햅틱 피드백 디바이스”를 개시한다.
전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 얇은 박막 형태의 필름 바이브레이터를 이용하여 사용자가 힘을 주어 누르지 않아도 햅틱 피드백 기능을 구현할 수 있도록 한 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 이루기 위해, 본 발명은 최하단을 구성하는 하부 보호필름; 상기 하부 보호필름 상부에 설치되는 하부전극; 상기 하부전극과 대응하여 하부전극과 간격을 두고 하부전극 위쪽에 설치되는 상부전극; 상기 하부전극과 상부전극 사이에 설치되는 것으로서 일단은 하부전극과 상부전극 일단에 동시에 밀착되고 일단은 상부전극 일단에만 밀착하도록 굴곡 형태로 설치되는 압전 고분자; 및 상기 상부전극 상부에 설치되는 상부 보호필름; 을 포함하는 필름 바이브레이터로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스를 제공한다.
또한, 상기 필름 바이브레이터의 위쪽에 설치되는 터치 센서 어레이; 및 상기 필름 바이브레이터 및 터치 센서 어레이와 전기적으로 연결되면서 필름 바이브레이터의 온오프 작동을 제어하는 것으로서, 터치 센서 어레이로부터 터치 신호가 감지되면 필름 바이브레이터에 작동 신호를 보내 프레팅 바이브레이션이 발생되게 하는 필름 바이브레이터 컨트롤러; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 터치 센서 어레이 상부에는 커버가 설치됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 필름 바이브레이터와 터치 센서 어레이 사이에는 필름 바이브레이터 컨트롤러와 전기적으로 연결되는 디스플레이 패널이 설치됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 필름 바이브레이터 하부에는 필름 바이브레이터 컨트롤러와 전기적으로 연결되는 디스플레이 패널이 설치됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 보호필름 저면에 하향으로 돌출되는 상부 도트 스페이서를 간격을 두고 복수로 배열설치함으로써, 상부 도트 스페이서가 상부전극 일단을 하향으로 눌러 눌러진 압전 고분자의 일단 부위가 상부전극과 하부전극의 양 전극 일단에 동시에 밀착되게 함을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수로 설치된 상부 도트 스페이서 사이에 위치하도록 하부전극 일단에 상향으로 돌출되는 하부 도트 스페이서를 설치함으로써, 하부 도트 스페이서가 압전 고분자의 일단을 상향으로 밀어올려 밀어올린 압전 고분자의 일단 부위가 상부전극에만 밀착되게 함을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부전극과 압전 고분자의 좌우 양쪽 끝단 사이 또는 상부전극과 압전 고분자의 좌우 양쪽 끝단 사이에 스페이서를 설치하여 압전 고분자의 좌우 양쪽 끝단이 상부전극과 하부전극 중 어느 한쪽에만 접촉되도록 함을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전 고분자는 PVDF 기반의 강유전 고분자 또는 완화형 강유전 고분자임을 특징으로 한다.
또한, 상기 PVDF 기반의 강유전 고분자는 P(VDF-TrFE)이고, 완화형 강유전 고분자는 P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-TrFE-CTFE)임을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전 고분자의 일단 부위가 상부전극과 하부전극의 양 전극 일단에 동시에 밀착되는 구간은 프레팅 바이브레이션이 발생하는 영역임을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스는, 얇은 박막 형태의 필름 바이브레이터를 이용하여 사용자가 힘을 주어 누르지 않아도 햅틱 피드백 기능을 구현할 수 있다.
또한, 대면적 표시소자, 휴대용 표시소자(mobile display), 유연한 표시소자, 광학 기기 (optical instrument) 등의 분야에 응용이 가능한 유망한 기술이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스의 전체구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 필름 바이브레이터의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레팅 바이브레이션 발생 영역을 나타내는 필름 바이브레이터의 평면도이다.
도 4는 도 2의 다른 실시예에 따른 필름 바이브레이터의 측단면도이다.
*부호의 설명*
10:필름 바이브레이터 11:하부 보호필름 12:하부전극
13:압전 고분자 14:상부전극 15:상부 보호필름
16:상부 도트 스페이서 17:하부 도트 스페이서 18:스페이서
20:디스플레이 패널 30:터치 센서 어레이 40:커버
50:필름 바이브레이터 컨트롤러 60:프레팅 바이브레이션 발생 영역
이하 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스의 전체구성도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스는, 최하단 층을 구성하는 필름 바이브레이터(10)와 필름 바이브레이터(10)의 상부에 설치되는 디스플레이 패널(20)과, 디스플레이 패널(20) 상부에 설치되는 터치 센서 어레이(30)와, 터치 센서 어레이(30) 상부에 설치되는 커버(40)와, 필름 바이브레이터(10)와 디스플레이 패널(20)과 터치 센서 어레이(30) 각각과 전기적으로 연결되는 필름 바이브레이터 컨트롤러(50)를 포함한다.
필름 바이브레이터(10)와, 디스플레이 패널(20)과, 터치 센서 어레이(30)와 커버(40)는 하부에서 상부로 순차적으로 층을 이루는 구조로 형성된다.
다른 실시예로, 도 4와 같이 터치 센서 어레이(30), 필름 바이브레이터(20), 디스플레이 패널(20)의 순서로 설치하는 것도 가능하다. 터치 센서 어레이(30), 디스플레이 패널(20), 필름 바이브레이터(20)의 순으로 설치된다면 필름 바이브레이터(20)를 투명하게 제작할 필요가 없다.
필름 바이브레이터(10)는, 얇은 박막형태로 구성되는 것으로서 최하단 층을 구성하는 하부 보호필름(11)과, 하부 보호필름(11) 상부에 설치되는 하부전극(12)과, 하부전극(12) 상부에 설치되는 압전 고분자(13)와, 압전 고분자(13) 상부에 설치되는 상부전극(14)과, 상부전극(14) 상부에 설치되는 상부 보호필름(15)을 포함한다.
구체적으로 하부 보호필름(11)은 최하단 층을 구성하고, 이에 대응하여 설치되는 상부 보호필름(15)은 최상단 층을 구성한다. 하부 보호필름(11)과 상부 보호필름(15) 사이에는 하부전극(12)과 압전 고분자(13)와 상부전극(14)이 설치된다.
하부전극(12)과 상부전극(14)은 각각 압전 고분자(13)를 구동하기 위한 하부 및 상부 전극으로 이를 통해 전압이 압전 고분자(13)에 가해진다. 압전 고분자(13)는 가해진 전기 에너지를 기계적 진동 에너지로 변환하는 기능을 수행한다. 하부전극(12)은 평판 형태의 하부 보호필름(11) 상면에 평평하게 밀착설치된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 필름 바이브레이터의 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레팅 바이브레이션 발생 영역을 나타내는 필름 바이브레이터의 평면도이다. 도시된 바와 같이 압전 고분자(13)는 하부전극(12)과 상부전극(14) 사이에 설치된다. 압전 고분자(13)는 상부 도트 스페이서(16)와 하부 도트 스페이서(17)와 스페이서(18)에 의해 일단은 하부전극(12)과 상부전극(14) 일단에 동시에 접촉되고, 일단은 상부전극(14)에만 접촉되도록 굴곡 형태로 설치된다.
상부 도트 스페이서(16)는 상부 보호필름(15) 저면에 일정간격을 두고 복수로 배열설치된다. 상부 도트 스페이서(16)는 상부 보호필름(15) 저면으로부터 하향으로 돌출된 형태이다. 상부 도트 스페이서(16)는 상부전극(14)의 일단을 하향으로 눌러 눌러진 압전 고분자(13)의 일단부위가 상부전극(14)과 하부전극(12) 일단에 동시에 접촉되게 한다.
압전 고분자(13)의 일단부위가 상부전극(14)과 하부전극(12) 일단에 동시에 접촉되면 전압이 압전 고분자(13)에 가해진다. 그리고 이 부위에는 도 3과 같이 프레팅 바이브레이션 발생 영역(60)이 형성된다.
상부전극(14)은, 상부 도트 스페이서(16)에 의해 굴곡지게 설치되는 압전 고분자(13)의 굴곡 라인을 따라 밀착 설치된다.
하부 도트 스페이서(17)는 복수로 설치된 상부 도트 스페이서(16) 사이에 위치하도록 하부전극(12) 일단에 설치된다. 하부 도트 스페이서(17)는 하부전극(12) 일단으로부터 상향으로 돌출 형성된다. 하부 도트 스페이서(17)는 상부 도트 스페이서(16) 사이의 압전 고분자(13) 일단 부위를 상향으로 밀어올려 밀어올린 압전 고분자(13)의 일단 부위가 상부전극(14)에만 접촉되게 한다.
스페이서(18)는 압전 고분자(13)와 하부전극(12) 양쪽 끝단 사이에 설치된다. 스페이서(18)에 의해 압전 고분자(13)와 하부전극(12) 양 끝단 사이는 분리된 상태가 유지된다. 다른 실시예로 스페이서(18)를 상부 도트 스페이서(16)와 같이 상부 보호 필름(15)과 상부전극 사이(14)에 배치를 하는 것도 가능하다. 이렇게 하면 스페이서(18)가 있는 가장자리 부분에서도 프레팅 바이브레이션이 발생할 수 있다. 스페이서(18)는 도 3과 같이 전후좌우 사면 끝에 걸쳐 설치될 수 있다.
상부 도트 스페이서(16)는, 소량의 용액을 디스펜서로 드롭(drop)한 후 경화시키는 작업을 통하여 만들어 진다.(통상적인 도트 스페이서의 가로직경 약 200 um, 높이는 50 um)
본 발명에서의 상부 도트 스페이서의 최소 높이는, 상부전극과 하부전극의 구분을 시켜주는 스페이서(18)의 높이 보다는 높아야 한다.(예로서 상부 도트 스페이서 및 하부 도트 스페이서의 높이가 약 50 um인 경우, 스페이서의 높이는 약 75~100 um로 하는 것이 바람직하다.)
상부 도트 스페이서(16)는, 설계자가 원하는 진동을 발생시키고 싶은 위치에 따라 간격, 크기, 숫자의 조절이 가능하다. 다만, 그때 하부 도트 스페이서의 간격도 고려해야 한다.
압전 고분자(13)는, PVDF 기반의 강유전 고분자(예: P(VDF-TrFE)) 또는 완화형 강유전 고분자(예: P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-TrFE-CTFE))를 사용할 수 있다.
참고로 P(VDF-TrFE)는, PVDF 기반의 고분자 중에서 두 개의 단분자 VDF (vinylidene fluoride)와 TrFE (trifluoroethylene)의 조합으로 구성되며, 다른 압전 고분자보다 높은 압전 특성을 보여주어 널리 사용되고 있는 압전 고분자 중의 하나로 알려져 있다.
완화형 강유전 고분자인 P(VDF-TrFE-CFE) [poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)] 또는 P(VDF-TrFE-CTFE) [poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorotrifluoroethylene)] 고분자는 150 V/μm 정도의 electric field 하에서 최대 5~7 % 수준의 strain을 발생하는 매우 유망한 재료로 알려져 있다.
필름 바이브레이터 컨트롤러(50)는, 필름 바이브레이터(10)와 디스플레이 패널(20)과 터치 센서 어레이(30)와 전기적으로 연결된다. 필름 바이브레이터 컨트롤러(50)는 터치 센싱시 필름 바이브레이터(10)를 온오프 컨트롤 한다. 필름 바이브레이터 컨트롤러(50)는 디스플레이에 표시되는 콘텐츠와 사용자 손가락 접촉유무에 따라 다른 파형의 신호를 인가할 수 있다.
즉, 디스플레이 패널(20) 위에 구성된 터치 센서 어레이(30)가 디스플레이에 표시되는 콘텐츠와 사용자 손가락 접촉 유무를 인식을 하게 되면 필름 바이브레이터 컨트롤러(50)에 포함된 회로에서 이들 콘텐츠와 접촉 유무에 따라 다른 파형[함수 발생기(function generator)에서 사각파, 또는 사인파 등 주파수(frequency)변환]과 다른 진폭(amplitude)을 보내는 구조이다. 서로 다른 파형과 진폭이 곧 다양한 파형과 진폭이 될 수 있고, 결국 이는 다양한 터치감을 제공할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스의 작용에 대해 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 3과 같이, 사용자가 디스플레이에 표시된 일정 콘텐츠에 손가락을 접촉하면 터치 센서 어레이(30)가 터치를 감지함과 동시에 필름 바이브레이터 컨트롤러(50)는 필름 바이브레이터(10)에 작동 신호를 보내 진동하게 한다.
필름 바이브레이터(10)의 진동과정을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 2, 3과 같이, 본 발명의 필름 바이브레이터(10)는 상부 도트 스페이서(16)에 의해 압전 고분자(13)의 일단이 상부전극(14)과 하부전극(12) 일단에 동시에 접촉되어 진동이 발생하는 프레팅 바이브레이션 발생 영역(60)이 미리 설정되어 있다. 이에 사용자가 힘을 주어 누르지 않더라도 햅틱 피드백이 가능하다.
예컨대, 터치 센서 어레이(30)가 터치를 감지하면 필름 바이브레이터 컨트롤러(50)가 필름 바이브레이터(10)에 작동 신호를 보낸다. 이에 필름 바이브레이터(10)의 상부전극(14)과 하부전극(12) 일단에 동시에 접촉된 압전 고분자(13) 부위에 전압이 인가된다. 전압이 인가된 이 부위에서 전기장이 국부적으로 높아져 음파(acoustic wave)가 발생함에 따라 햅틱 피드백이 사용자 손끝으로 전달된다. 한편, 음파가 발생하게 되면 밀어붙여진 두 면간의 미소진폭운동이 생기는 프레팅(Fretting)현상이 일어나 햅틱 피드백 효과는 더욱 증가된다.
더욱 구체적으로, 하부 보호필름(11)과 그 위에 하부전극(12)으로 구성되어 있고, 하부전극(12) 위에 올려진 하부 도트 스페이서(17) 부근에는, 상부전극(14)과 하부전극(12) 두 전극이 맞닿아 있지 않기 때문에 전압을 인가하더라도 압전 고분자(13)에는 매우 낮은 전기장이 걸리게 된다. 그러므로 하부 도트 스페이서(17)의 주위에서는 전압을 인가하더라도 진동이 거의 발생하지 않는다.
반면, 상부 보호필름(15) 바로 아래에 상부 도트 스페이서(16)가 있고, 압전 고분자(13)의 상부 측에 전극을 올리게 되면(전극은, 금속전극, PEDOT:PSS와 같은 유기전극, graphene 전극 등을 사용 가능) 상부 도트 스페이서(16)와 맞닿아 있는 상부전극(14), 압전 고분자(13), 하부전극(12) 순으로 붙어진 곳엔 전압이 인가된다. 따라서 압전 고분자(13)에 높은 전압차이가 생기게 되어 진동이 발생한다. 결국 상부 도트 스페이서(16)를 가지고 있는 그 주변의 영역에서만 국부적인 진동을 느낄 수가 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스는 사용자가 힘을 주어 누르지 않고 미세한 터치만으로도 필름 바이브레이터(10)에 미리 설정된 프레팅 바이브레이션 발생 영역(60)에서 진동이 발생하고 이 진동이 사용자의 손끝에 전달되는 햅틱 피드백 기능을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스는, 필름 바이브레이터(film vibrator)를 이용하여 햅틱 피드백(haptic feedback) 기능을 구현할 수 있는 휘어지는 구동기를 제공할 수 있다. 예컨대, 대면적 표시소자, 휴대용 표시소자(mobile display), 유연한 표시소자, 광학 기기(optical instrument) 등의 분야에 응용 가능하다.
이상, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정하여져야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 최하단을 구성하는 하부 보호필름;
    상기 하부 보호필름 상부에 설치되는 하부전극;
    상기 하부전극과 대응하여 하부전극과 간격을 두고 하부전극 위쪽에 설치되는 상부전극;
    상기 하부전극과 상부전극 사이에 설치되는 것으로서 일단은 하부전극과 상부전극 일단에 동시에 밀착되고 일단은 상부전극 일단에만 밀착하도록 굴곡 형태로 설치되는 압전 고분자; 및
    상기 상부전극 상부에 설치되는 상부 보호필름;
    을 포함하는 필름 바이브레이터로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 필름 바이브레이터의 위쪽에 설치되는 터치 센서 어레이; 및
    상기 필름 바이브레이터 및 터치 센서 어레이와 전기적으로 연결되면서 필름 바이브레이터의 온오프 작동을 제어하는 것으로서, 터치 센서 어레이로부터 터치 신호가 감지되면 필름 바이브레이터에 작동 신호를 보내 프레팅 바이브레이션이 발생되게 하는 필름 바이브레이터 컨트롤러;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 터치 센서 어레이 상부에는,
    커버가 설치됨을 특징으로 하는 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 필름 바이브레이터와 터치 센서 어레이 사이에는,
    필름 바이브레이터 컨트롤러와 전기적으로 연결되는 디스플레이 패널이 설치됨을 특징으로 하는 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 필름 바이브레이터 하부에는,
    필름 바이브레이터 컨트롤러와 전기적으로 연결되는 디스플레이 패널이 설치됨을 특징으로 하는 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 보호필름 저면에 하향으로 돌출되는 상부 도트 스페이서를 간격을 두고 복수로 배열설치함으로써, 상부 도트 스페이서가 상부전극 일단을 하향으로 눌러 눌러진 압전 고분자의 일단 부위가 상부전극과 하부전극의 양 전극 일단에 동시에 밀착되게 함을 특징으로 하는 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수로 설치된 상부 도트 스페이서 사이에 위치하도록 하부전극 일단에 상향으로 돌출되는 하부 도트 스페이서를 설치함으로써, 하부 도트 스페이서가 압전 고분자의 일단을 상향으로 밀어올려 밀어올린 압전 고분자의 일단 부위가 상부전극에만 밀착되게 함을 특징으로 하는 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 하부전극과 압전 고분자의 좌우 양쪽 끝단 사이 또는 상부전극과 압전 고분자의 좌우 양쪽 끝단 사이에 스페이서를 설치하여 압전 고분자의 좌우 양쪽 끝단이 상부전극과 하부전극 중 어느 한쪽에만 접촉되도록 함을 특징으로 하는 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 압전 고분자는,
    PVDF 기반의 강유전 고분자 또는 완화형 강유전 고분자임을 특징으로 하는 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 PVDF 기반의 강유전 고분자는 P(VDF-TrFE)이고, 완화형 강유전 고분자는 P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-TrFE-CTFE)임을 특징으로 하는 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 압전 고분자의 일단 부위가 상부전극과 하부전극의 양 전극 일단에 동시에 밀착되는 구간은 프레팅 바이브레이션이 발생하는 영역임을 특징으로 하느 압전 고분자를 사용한 햅틱 피드백 디바이스.
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