WO2018151440A1 - 햅틱 피드백 버튼 - Google Patents

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WO2018151440A1
WO2018151440A1 PCT/KR2018/001179 KR2018001179W WO2018151440A1 WO 2018151440 A1 WO2018151440 A1 WO 2018151440A1 KR 2018001179 W KR2018001179 W KR 2018001179W WO 2018151440 A1 WO2018151440 A1 WO 2018151440A1
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haptic feedback
lower electrode
feedback button
cover
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PCT/KR2018/001179
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최승태
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중앙대학교 산학협력단
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    • H03K2217/96062—Touch switches with tactile or haptic feedback

Definitions

  • the present invention relates to a haptic feedback button, and more particularly, to a haptic feedback button that can implement a haptic feedback function by applying a piezoelectric polymer material to a touch screen.
  • the future intelligent car needs to secure stable UI technology to provide visual and auditory information as well as tactile information in order to safely perform various convenient operations.
  • the present invention provides a haptic feedback button that can sense haptic feedback while the user touches using a piezoelectric polymer material.
  • the haptic feedback button according to the present invention is a substrate; A lower electrode provided on the substrate and formed by patterning a ground electrode and a touch sensing electrode; An upper electrode provided above the lower electrode at intervals from the lower electrode and to which a driving voltage is applied; And a cover provided on an upper portion of the upper electrode, wherein a piezoelectric polymer is provided on an upper portion of the lower electrode or a lower portion of the upper electrode so that the piezoelectric polymer is in close contact with the lower electrode or the upper electrode disposed to face each other. Fretting vibration may occur.
  • a support spacer may be provided at an edge portion between the lower electrode and the upper electrode to form a gap.
  • the upper electrode, the cover, and the support spacer may be made of a transparent material.
  • the cover and the upper electrode may be made of a flexible material.
  • the cover may be made of at least a portion of a stiff material.
  • a central spacer may be provided between the substrate and the lower electrode to allow the central portion of the lower electrode to be bent upward.
  • Edge portions of the cover and the upper electrode may be formed to be bent upwards.
  • the edge portion of the upper electrode may be formed to be bent upwards.
  • Hinge grooves may be formed in the edge portion of the cover so that the thickness is relatively thin.
  • a support layer is provided below the lower electrode, and the support layer may have an elastic modulus and a thickness designed to form resonance within a frequency range of 100 to 250 Hz.
  • the cover is a rigid portion made of a stiff material; And a flexible part provided on an upper portion of the rigid part and made of a flexible material, and an edge portion of the rigid part may be formed by cutting.
  • the flexible edge portion may be filled in the cut edge portion of the rigid portion.
  • the cover is made of a flexible material and formed on only the edge portion; And a rigid part provided on the flexible part and made of a stiff material.
  • the ground electrode may be patterned at a central portion, and the touch sensing electrode may be patterned to surround the ground electrode.
  • the piezoelectric polymer may be a PVDF-based ferroelectric polymer or a relaxed ferroelectric polymer.
  • the PVDF-based ferroelectric polymer may be P (VDF-TrFE), and the relaxed ferroelectric polymer may be P (VDF-TrFE-CFE) or P (VDFTrFE-CTFE).
  • the touch sensing electrode on the lower electrode side, while the user touches and fretting vibration occurs through the piezoelectric polymer material, it is possible to immediately detect the haptic feedback.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a haptic feedback button according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a driving example of FIG.
  • 3 and 4 illustrate examples of the ground electrode and the touch sensing electrode constituting the lower electrode
  • FIG 5 shows an air channel formed in a support spacer.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a haptic feedback button according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a haptic feedback button according to another embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a haptic feedback button according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view showing a driving example of FIG.
  • the haptic feedback button includes a substrate 10; A lower electrode 20 disposed on the substrate 10 and formed by patterning the ground electrode 22 and the touch sensing electrode 24; An upper electrode 40 disposed above the lower electrode 20 at intervals from the lower electrode 20 and to which a driving voltage is applied; And a cover 50 provided on the upper electrode 40.
  • a piezoelectric polymer 30 is provided on the lower electrode 20, and fretting vibration may occur when the piezoelectric polymer 30 is in close contact with the upper electrode 40 disposed to face the piezoelectric polymer 30.
  • the substrate 10 is a base substrate disposed under the lower electrode 20 and corresponds to the base material of the button.
  • the substrate 10 may be made of a transparent polymer film such as glass, polyether sulfone (PES), polyether sulfone (PET), polyetheretherketone (PEEK), polycarbonate, or the like.
  • the lower electrode 20 and the upper electrode 40 are electrodes for driving the piezoelectric polymer 30 and are disposed above and below the piezoelectric polymer 30 and formed of a transparent material.
  • the lower electrode 20 and the upper electrode 40 may use transparent conductive oxide (TCO) such as indium tin oxide (ITO) or indium zinc oxide (IZO), and in addition, (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly conductive polymer electrodes such as (styrenesulfonate) may be used.
  • 3 and 4 illustrate examples of the ground electrode and the touch sensing electrode constituting the lower electrode.
  • the lower electrode 20 is configured to include the ground electrode 22 and the touch sensing electrode 24. That is, since the touch sensing electrode 24 is provided on the lower electrode 20, the touch is recognized only when the user touches the lower electrode 20 to make contact with the lower electrode 20.
  • the touch sensing electrode 24 serving as a touch sensor may be formed through patterning with the ground electrode 22.
  • the capacitive touch sensor detects a touch position by recognizing a portion where a current amount is changed by using a capacitance in a human body.
  • the capacitive touch sensor is disposed on the upper electrode 40 side, when the user touches the upper electrode 40, there is a problem that the haptic feedback function to be implemented in the present embodiment cannot be simultaneously felt.
  • the fretting vibration for the haptic feedback function occurs when the piezoelectric polymer 30 comes into close contact with the upper electrode 40 or the lower electrode 20.
  • the piezoelectric polymer Since the 30 does not contact the upper electrode 40 or the lower electrode 20, the haptic feedback may be felt by the fretting vibration only by pressing the finger further.
  • there is a slight delay between the touch sensing and the haptic feedback which makes the user feel as if the haptic feedback does not occur at the same time.
  • the lower electrode 20 is patterned by the ground electrode 22 and the touch sensing electrode 24 to perform touch sensing on the lower electrode 20. Therefore, as the user presses the cover 50 until the upper electrode 40 contacts the piezoelectric polymer 30 as shown in FIG. 2, fretting vibration occurs and touch sensing is performed at the same time. As such, when the touch sensing and the haptic feedback are performed at the same time, since the user feels that the haptic feedback is performed immediately when the user touches, the touch sensitivity can be improved and the haptic feedback function can be maximized.
  • the ground electrode 22 may be disposed at the center, and the touch sensing electrode 24 may be disposed to surround the ground electrode 22.
  • the lower electrode 20 is patterned so that when a driving voltage is applied from the upper electrode 40, the ground electrode 22 forms a high voltage electrode, and the capacitance of the touch sensing electrode 24 disposed at the periphery thereof. This is for effective touch sensing using the change of).
  • the ground electrode 22 may be patterned in various ways such as a circular shape in FIG. 3 and a clover shape in FIG. 4, and the touch sensing electrode 24 may be patterned to surround the ground electrode 22.
  • the patterning disposed in this figure is merely an example, and the ground electrode 22 and the touch sensing electrode 24 may be formed of various types of patterning applied to a conventional capacitive touch sensor.
  • the upper electrode 40 serves as a driving electrode to which a driving voltage is applied in this embodiment.
  • the cover 50 is deformed as shown in FIG. 2 while the driving voltage is applied and the upper electrode 40 comes into contact with the piezoelectric polymer 30, the touch is sensed by the touch sensing electrode 24. In one part, the electric field is locally increased, causing deformation in the piezoelectric polymer 30 to cause fretting vibration.
  • the piezoelectric polymer 30 is provided on the lower electrode 40 and has a predetermined gap with the upper electrode 20.
  • the piezoelectric polymer 30 may use a PVDF-based ferroelectric polymer (eg, P (VDF-TrFE)) or a relaxed ferroelectric polymer (eg, P (VDF-TrFECFE) or P (VDF-TrFE-CTFE)).
  • PVDF-based ferroelectric polymer eg, P (VDF-TrFE)
  • a relaxed ferroelectric polymer eg, P (VDF-TrFECFE) or P (VDF-TrFE-CTFE
  • VDF-TrFE is composed of a combination of two single molecule VDF (vinylidene fluoride) and TrFE (trifluoroethylene) among PVDF-based polymers.
  • VDF vinylidene fluoride
  • TrFE trifluoroethylene
  • VDF-TrFE-CFE poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylenechlorofluoroethylene)
  • P (VDF-TrFE-CTFE) poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylenechlorotrifluoroethylene)] polymer, a relaxed ferroelectric polymer, has an electric field of about 150 V / ⁇ m. It is known to be a very promising material that produces strains of up to 5-7% under
  • the cover 50 is disposed above the upper electrode 40 to serve as a cover of the haptic feedback button.
  • the cover 50 may be made of a transparent polymer film such as the substrate 10 as a portion where the user's finger and the like contact substantially.
  • Support spacers 60 may be provided at edge portions of the lower electrode 20 and the upper electrode 40 to form a gap.
  • the support spacer 60 may be provided wholly or intermittently along the edge of the haptic feedback button.
  • the substrate 10, the lower electrode 20, the piezoelectric polymer 30, the upper electrode 40, the cover 50, and the support spacer 60 described above may all be made of a transparent material. This is to allow the light transmitted from the display element positioned below the substrate 10 to be transmitted through the upper portion.
  • the support spacer 60 is made of a transparent material capable of light transmission, the light transmitted from the display element disposed below the substrate 10 is transmitted to the outside through the support spacer 60 to allow the user to change the shape of the button. It's easy to recognize.
  • all of the above configurations may be made of a flexible material. When made of a flexible material as described above, a flexible haptic feedback button that can be bent as a whole can be implemented.
  • one side of the support spacer 60 has an air channel 62 for discharging air between the lower electrode 20 and the upper electrode 40 to the outside when pressure is applied to the cover 50. Can be formed.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a haptic feedback button according to another embodiment of the present invention.
  • the present embodiment has a configuration substantially similar to the above-described embodiment.
  • the piezoelectric polymer 30 is not provided on the lower electrode 20 but provided on the lower part of the upper electrode 40. That is, the piezoelectric polymer 30 is not provided on the lower electrode 20 side but provided on the upper electrode 40 side.
  • the piezoelectric polymer 30 is disposed between two opposite electrodes to contact each other to generate a fretting vibration when electrical energy is applied to implement the haptic feedback function. Accordingly, the piezoelectric polymer 30 may generate mechanical vibrations in close contact with each other as long as the piezoelectric polymer 30 is provided on either the lower electrode 20 or the upper electrode 40.
  • the haptic feedback button according to the embodiment described above can be widely used and applied in the fields of touch buttons, touch pads, portable display devices, flexible display devices, optical devices, and the like of various electronic devices.
  • the cover 50 which is a part directly touched by the user, is made of a flexible material that can be directly deformed.
  • the cover 50 when the user touches the cover 50, the cover 50 may be deformed as a whole until the upper electrode 40 contacts the piezoelectric polymer 30.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a haptic feedback button according to another embodiment of the present invention.
  • the support layer 12 may be provided under the lower electrode 20 and between the substrate 10 and the lower electrode 20.
  • the support layer 12 is attached to the lower portion of the lower electrode 20 to support the lower electrode 20.
  • the support layer 12 includes the lower electrode 20, the upper electrode 40, the piezoelectric polymer 30, and the support layer within a frequency range (100 to 250 Hz) at which the user can best sense vibration when fretting vibration occurs.
  • the elastic modulus and thickness are adjusted so that (12) can be resonated.
  • the support layer 12 may be designed and manufactured with an elastic modulus and a thickness capable of generating a resonance frequency when the resonance frequency is 200 Hz. In this case, even if a small driving voltage is applied, the haptic feedback effect can be maximized because it can be converted to the maximum mechanical energy through resonance.
  • the support layer 12 may be made of a polymer film such as PET.
  • the center spacer 70 may be provided between the substrate 10 and the support layer 12.
  • the center spacer 70 is provided at the center of the substrate 10, and the lower electrode 20 is bent upward as shown in FIG. 7 because the center spacer 70 is provided.
  • the central spacer 70 is provided in this embodiment because the haptic feedback button according to the present embodiment is applied to the hard button type unlike the above-described embodiment. That is, in this embodiment, the cover 50 is not made of a flexible material, but at least a part of the cover 50 is made of a stiff material. Therefore, when the cover 50 is touched, the center spacer 70 is disposed so that the lower electrode 20 is bent upward so that the upper electrode 40 is easily in contact with the piezoelectric polymer 30. In this case, since the gap between the upper electrode 40 and the piezoelectric polymer 30 is reduced, the touch can be made more easily.
  • the modifications are examples for making the cover 50 made of a stiff material pressed well, and add a configuration that can serve as a kind of hinge to the edge of the cover 50.
  • edge portions of the cover 50 and the upper electrode 40 may be formed to be bent upwards. As such, when the edge portion is formed to be bent, the touch 50 can be easily made while the cover 50 is pressed downward even when the user touches the cover 50 only slightly.
  • a hinge groove 52 is formed at an edge portion of the cover 50.
  • the cover 50 can be easily pressed downward because the thickness of the edge portion of the cover 50 becomes relatively thin.
  • the edge portion 42 of the upper electrode 40 may be bent upward to make the thickness of the edge portion of the cover 50 relatively thin.
  • the cover 50 may include a rigid part 54 made of a stiff material and a flexible part 56 made of a flexible material.
  • the rigid part 54 is provided on the upper electrode 40, and the flexible part 56 is provided on the rigid part 54.
  • the flexible portion 56 is filled in the cut edge portion of the rigid portion 54 so that the edge portion of the flexible portion 56 may be deformed well.
  • the rigid part 54 is provided on the flexible part 56. In this case, when the user presses the rigid portion 54, the edge portion is flexible and can be pressed well.

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Abstract

본 발명은 햅틱 피드백 버튼에 관한 것이다. 본 발명은 기판; 상기 기판의 상부에 구비되고, 그라운드 전극과 터치센싱 전극이 패터닝되어 형성되는 하부전극; 상기 하부전극과 간격을 두고 상기 하부전극의 상방에 구비되며, 구동전압이 인가되는 상부전극; 및 상기 상부전극의 상부에 구비되는 커버를 포함하고, 상기 하부전극의 상부 또는 상기 상부전극의 하부에는 압전 고분자가 구비되어, 상기 압전 고분자가 대향되게 배치된 상기 하부전극 또는 상부전극과 밀착될 때 프레팅 바이브레이션이 발생할 수 있다.

Description

햅틱 피드백 버튼
본 발명은 햅틱 피드백 버튼에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전 고분자 소재를 터치 스크린에 적용하여 햅틱 피드백 기능을 구현할 수 있는 햅틱 피드백 버튼에 관한 것이다.
인간의 일반적인 자극인지방식을 고려할 때, 시각, 청각, 촉각 등 두 개 이상의 감각이 복합적인 형태로 제공될 때, 사용자가 전자기기와 더욱 자연스럽게 상호작용할 수 있다. 최근 휴대용 전자기기, 산업기기, 의료기기, 자동차, 게임기, 가상현실(Virtual Reality) 등에서는 사용자에게 시각적 및 청각적 인지와 더불어 접촉 감각을 제공함으로써, 실감나는 사용자 경험(user experience, UX)을 제공하는 데에 큰 기여를 하고 있다.
시각 및 청각에 대한 피드백은 비교적 쉽게 구현할 수 있는 반면 촉각에 대한 피드백은 구현이 쉽지 않아, 현재 스마트폰과 같은 휴대용 전자기기에서는 편심모터, 선형공진구동기 및 압전세라믹 구동기를 이용한 전체진동(gross vibration) 방식이 주를 이루고 있는 실정이다. 그러나, 스마트 패드와 같이 사이즈가 큰 터치 스크린이 장착된 휴대용 전자기기의 경우에는 전체 진동 방식이 매우 비효율적이게 되면서 점차 사용이 어려워지고 있다.
또한, 미래 지능형 자동차는 다양한 편의조작을 안전하게 수행하기 위해 시각 및 청각적인 정보제공과 더불어 촉각에 의한 정보 제공이 가능하도록 하는 안정적인 UI 기술의 확보가 필요하다.
본 발명은 압전 고분자 소재를 이용하여 사용자가 터치를 함과 동시에 햅틱 피드백을 감지할 수 있는 햅틱 피드백 버튼을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 햅틱 피드백 버튼은 기판; 상기 기판의 상부에 구비되고, 그라운드 전극과 터치센싱 전극이 패터닝되어 형성되는 하부전극; 상기 하부전극과 간격을 두고 상기 하부전극의 상방에 구비되며, 구동전압이 인가되는 상부전극; 및 상기 상부전극의 상부에 구비되는 커버를 포함하고, 상기 하부전극의 상부 또는 상기 상부전극의 하부에는 압전 고분자가 구비되어, 상기 압전 고분자가 대향되게 배치된 상기 하부전극 또는 상부전극과 밀착될 때 프레팅 바이브레이션이 발생할 수 있다.
상기 하부전극과 상부전극의 사이에는 간극을 형성하도록 가장자리 부분에 지지 스페이서가 구비될 수 있다.
상기 상부전극, 커버 및 지지 스페이서는 투명한 재질로 만들어질 수 있다.
상기 커버 및 상부전극은 플렉서블한(flexible) 재질로 만들어질 수 있다.
상기 커버는 적어도 일부가 스티프한(stiff) 재질로 만들어질 수 있다.
상기 기판과 하부전극의 사이에는 중앙 스페이서가 구비되어 상기 하부전극의 중앙부가 상방으로 굴곡지게 할 수 있다.
상기 커버와 상부전극의 가장자리 부분은 상방으로 굴곡지게 형성될 수 있다.
상기 상부전극의 가장자리 부분은 상방으로 굴곡지게 형성될 수 있다.
상기 커버의 가장자리 부분에는 상대적으로 두께가 얇도록 힌지홈이 형성될 수 있다.
상기 하부전극의 하부에는 지지층이 구비되는데, 상기 지지층은 100~250 Hz의 주파수 범위 내에서 공진을 형성하도록 탄성계수와 두께가 설계될 수 있다.
상기 커버는, 스티프한 재질로 만들어지는 강성부; 및 상기 강성부의 상부에 구비되고 플렉서블한 재질로 만들어지는 유연부를 포함하고, 상기 강성부의 가장자리 부분은 절개되어 형성될 수 있다.
상기 강성부의 절개된 가장자리 부분에는 상기 유연부가 채워질 수 있다.
상기 커버는, 플렉서블한 재질로 만들어지고 가장자리 부분에만 형성되는 유연부; 및 상기 유연부의 상부에 구비되고, 스티프한 재질로 만들어지는 강성부를 포함할 수 있다.
상기 그라운드 전극은 중앙 부분에 패터닝되고, 상기 터치센싱 전극은 상기 그라운드 전극의 주변을 감싸도록 패터닝될 수 있다.
상기 압전 고분자는 PVDF 기반의 강유전 고분자 또는 완화형 강유전 고분자일 수 있다.
상기 PVDF 기반의 강유전 고분자는 P(VDF-TrFE)이고, 상기 완화형 강유전 고분자는 P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDFTrFE-CTFE)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 터치센싱 전극을 하부 전극 쪽에 배치하여 사용자가 터치를 함과 동시에 압전 고분자 소재를 통해 프레팅 바이브레이션이 발생함으로써, 햅틱 피드백을 즉시 감지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 피드백 버튼의 단면도.
도 2는 도 1의 구동예를 보인 도면.
도 3 및 도 4는 하부전극을 구성하는 그라운드 전극과 터치센싱 전극의 일 예를 보인 도면.
도 5는 지지 스페이서에 형성된 에어채널을 보인 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 햅틱 피드백 버튼의 단면도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 햅틱 피드백 버튼의 단면도.
도 8 내지 도 13은 도 7에 도시된 실시예의 다양한 변형예를 보인 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 의한 햅틱 피드백 버튼의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 피드백 버튼의 단면도이고, 도 2는 도 1의 구동예를 보인 도면이다.
이에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 햅틱 피드백 버튼은 기판(10); 상기 기판(10)의 상부에 구비되고, 그라운드 전극(22)과 터치센싱 전극(24)이 패터닝되어 형성되는 하부전극(20); 상기 하부전극(20)과 간격을 두고 상기 하부전극(20)의 상방에 구비되고, 구동전압이 인가되는 상부전극(40); 및 상기 상부전극(40)의 상부에 구비되는 커버(50)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 하부전극(20)의 상부에는 압전 고분자(30)가 구비되어, 상기 압전 고분자(30)가 대향되게 배치된 상기 상부전극(40)과 밀착될 때 프레팅 바이브레이션이 발생할 수 있다.
기판(10)은 하부전극(20)의 하부에 배치되는 베이스 기판으로서, 버튼의 모재에 해당한다. 기판(10)은 유리, PES(PES(polyether sulfone), PET(polyether sulfone), PEEK(Polyetheretherketone), 폴리카보네이트(Polycarbonate) 등과 같은 투명한 고분자 필름으로 제조될 수 있다.
하부전극(20)과 상부전극(40)은 압전 고분자(30)를 구동하기 위한 전극으로서 압전 고분자(30)를 중심으로 상방 및 하방에 배치되며 투명한 재질로 형성된다. 하부전극(20)과 상부전극(40)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 TCO(Transparent Conductive Oxide)를 사용할 수 있으며, 이외에도 (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate))와 같은 전도성 고분자 전극을 사용할 수도 있다.
도 3 및 도 4는 하부전극을 구성하는 그라운드 전극과 터치센싱 전극의 일 예를 보인 도면이다.
이를 참조하면, 본 실시예에서 하부전극(20)은 그라운드 전극(22)과 터치센싱 전극(24)을 포함하도록 구성된다. 즉, 하부전극(20)에 터치센싱 전극(24)이 구비됨으로써, 사용자가 손가락으로 터치하였을 때 하부전극(20)까지 접촉이 이루어져야 터치를 인식하게 된다. 터치센서로서의 역할을 하는 터치센싱 전극(24)은 그라운드 전극(22)과 패터닝을 통해 형성될 수 있다.
정전용량 방식의 터치센서는 인체에 있는 정전용량을 이용하여 전류의 양이 변경된 부분을 인식하여 터치 위치를 검출하는 방식이다. 이러한 정전용량 방식의 터치센서가 상부전극(40) 쪽에 배치되면 사용자가 상부전극(40)을 터치하였을 때 본 실시예에서 구현하고자 하는 햅틱 피드백 기능을 동시에 느낄 수 없는 문제가 있다.
다시 말해, 햅틱 피드백 기능을 위한 프레팅 바이브레이션은 압전 고분자(30)가 상부전극(40) 또는 하부전극(20)과 접촉하여 밀착될 때 발생하게 되는데, 상부전극(40)을 터치하였을 때에는 압전 고분자(30)가 상부전극(40) 또는 하부전극(20)과 접촉하지 않기 때문에 손가락으로 더 눌러줘야 프레팅 바이브레이션에 의해 햅틱 피드백을 느낄 수 있다. 즉, 터치센싱과 햅틱 피드백 사이에 약간의 딜레이가 생겨 사용자가 느끼는 햅틱 피드백이 동시에 이루어지지 않는 것처럼 느끼게 되는 것이다.
본 실시예에서는 이를 해결하기 위해 하부전극(20)을 그라운드 전극(22)과 터치센싱 전극(24)으로 패터닝하여 하부전극(20) 쪽에서 터치센싱을 하도록 하였다. 따라서, 사용자가 도 2에서와 같이 상부전극(40)이 압전 고분자(30)와 접촉할 때까지 커버(50)를 눌러야만 프레팅 바이브레이션이 발생하면서 동시에 터치센싱도 이루어지는 것이다. 이와 같이 터치센싱과 햅틱 피드백이 동시에 이루어지면 사용자가 터치를 할 때 즉각적으로 햅틱 피드백이 이루어진다고 느끼기 때문에, 터치감도가 향상되고 햅틱 피드백 기능이 극대화될 수 있다.
도면을 참조하면 그라운드 전극(22)은 중앙에 배치되고, 터치센싱 전극(24)은 그라운드 전극(22)의 주변을 감싸도록 배치될 수 있다. 이와 같이 하부전극(20)을 패터닝한 것은 상부전극(40)에서 구동전압이 인가되면 그라운드 전극(22)이 고전압의 전극을 형성하고, 주변에 배치된 터치센싱 전극(24)에서 전기용량(capacitance)의 변화를 이용해서 터치 센싱을 효과적으로 하기 위함이다. 그라운드 전극(22)은 도 3에서의 원형 형태, 도 4에서의 클로버 형태 등 다양하게 패터닝될 수 있으며, 터치센싱 전극(24)은 그라운드 전극(22)의 주변을 감싸도록 패터닝될 수 있다.
본 도면에 배치한 패터닝은 일 예를 도시한 것에 불과하고 그라운드 전극(22)과 터치센싱 전극(24)은 종래의 정전용량 타입의 터치센서에 적용되는 다양한 형태의 패터닝으로 이루어질 수 있다.
상부전극(40)은 본 실시예에서 구동전압이 인가되는 구동전극으로서의 역할을 수행한다. 구동전압이 인가된 상태에서 커버(50)가 도 2에서와 같이 변형되면서 상부전극(40)이 압전 고분자(30)와 접촉하게 되면 터치센싱 전극(24)에서 터치를 센싱하게 되고, 이와 동시에 접촉한 부분에서는 국부적으로 전기장이 높아져 압전 고분자(30)에서 변형이 발생하면서 프레팅 바이브레이션이 발생하게 된다.
압전 고분자(30)는 하부전극(40)의 상부에 구비되고, 상부전극(20)과는 소정의 간극을 가진다. 압전 고분자(30)는 PVDF 기반의 강유전 고분자(예: P(VDF-TrFE)) 또는 완화형 강유전 고분자(예: P(VDF-TrFECFE) 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-trifluoroethylenechlorofluoroethylene)] 또는 P(VDF-TrFE-CTFE) [poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylenechlorotrifluoroethylene)] 고분자는 150 V/μm 정도의 electric field 하에서 최대 5~7 % 수준의 strain을 발생하는 매우 유망한 재료로 알려져 있다.
커버(50)는 상부전극(40)의 상방에 배치되어 햅틱 피드백 버튼의 커버 역할을 수행한다. 커버(50)는 실질적으로 사용자의 손가락 등이 접촉하는 부분으로서, 기판(10)과 같은 투명한 고분자 필름으로 제조될 수 있다.
하부전극(20)과 상부전극(40)의 사이에는 간극을 형성하도록 가장자리 부분에 각각 지지 스페이서(60)가 구비될 수 있다. 지지 스페이서(60)는 햅틱 피드백 버튼의 가장자리를 따라 전체적으로 또는 간헐적으로 구비될 수 있다.
이상에서 설명한 기판(10), 하부전극(20), 압전 고분자(30), 상부전극(40), 커버(50) 및 지지 스페이서(60)는 모두 투명한 재질로 구성될 수 있다. 이는 기판(10)의 하부에 위치한 표시소자로부터 전달되는 빛이 상부로 잘 투과될 수 있도록 하기 위함이다. 특히, 지지 스페이서(60)가 광투과가 가능한 투명 재질로 만들어지면, 기판(10)의 하부에 위치한 표시소자로부터 전달되는 빛이 지지 스페이서(60)를 통해 외부로 투과되면서 사용자가 버튼의 형상을 쉽게 인지할 수 있게 된다. 또한, 상기 구성들은 모두 플렉서블한(flexible) 재질로 만들어질 수 있다. 이와 같이 플렉서블한 재질로 만들어지게 되면, 전체적으로 휘어짐이 가능한 플렉서블 햅틱 피드백 버튼을 구현할 수 있다.
도 5를 참조하면, 지지 스페이서(60)의 일측에는 하부전극(20)과 상부전극(40) 사이의 에어가 커버(50)에 압력이 인가되었을 때 외부로 배출시키기 위한 에어채널(62)이 형성될 수 있다.
한편, 이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 햅틱 피드백 버튼에 대하여 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 햅틱 피드백 버튼의 단면도이다.
이에 도시된 바에 따르면, 본 실시예는 상술한 실시예와 거의 유사한 구성을 가진다. 다만, 본 실시예에서는 압전 고분자(30)가 하부전극(20)의 상부에 구비되지 않고 상부전극(40)의 하부에 구비된다. 즉, 압전 고분자(30)가 하부전극(20) 쪽에 구비되지 않고 상부전극(40) 쪽에 구비되는 것이다.
압전 고분자(30)는 대향하는 2개의 전극 사이에 배치되어 서로 접촉이 되면 전기적 에너지가 가해질 때 프레팅 바이브레이션을 발생시켜 햅틱 피드백 기능을 구현한다. 따라서, 압전 고분자(30)는 대향하는 하부전극(20) 또는 상부전극(40) 중 어느 한 쪽에 구비되기만 하면 서로 밀착된 상태에서 기계적 진동을 발생시킬 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 햅틱 피드백 버튼은 각종 전자기기의 터치버튼, 터치패드, 휴대용 표시소자, 플렉서블 표시소자, 광학기기 등의 분야에 널리 사용 및 응용이 가능하다.
이상에서 설명한 실시예는 소프트 버튼 타입에 적용되는 것이다. 즉, 사용자가 직접 터치하는 부분인 커버(50)가 직접 변형이 가능한 플렉서블한 재질로 만들어진다. 이와 같이 되면 도 2에서와 같이 사용자가 커버(50)를 터치하였을 때 커버(50)는 상부전극(40)이 압전 고분자(30)와 접촉할 때까지 전체적으로 변형될 수 있다.
한편, 이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 햅틱 피드백 버튼에 대하여 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 햅틱 피드백 버튼의 단면도이다.
이에 도시된 바에 따르면, 하부전극(20)의 하부, 기판(10)과 하부전극(20)의 사이에는 지지층(12)이 구비될 수 있다. 지지층(12)은 하부전극(20)의 하부에 부착되어 하부전극(20)을 지지하는 부분이다. 지지층(12)은 프레팅 바이브레이션 발생 시에 사용자가 진동을 가장 잘 감지할 수 있는 주파수 범위(100~250 Hz) 내에서 하부전극(20), 상부전극(40), 압전 고분자(30) 및 지지층(12)이 공진될 수 있도록 탄성계수와 두께가 조절되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 지지층(12)은 공진 주파수가 200 Hz라고 할 때 공진 주파수를 발생시킬 수 있는 탄성계수와 두께로 설계되어 제작될 수 있는 것이다. 이와 같이 되면, 적은 구동전압이 인가되더라도 공진을 통해 최대의 기계적 에너지로 전환될 수 있기 때문에 햅틱 피드백 효과가 극대화될 수 있는 장점이 있다. 한편, 지지층(12)은 PET 등의 고분자 필름으로 만들어질 수 있다.
기판(10)과 지지층(12)의 사이에는 중앙 스페이서(70)가 구비될 수 있다. 중앙 스페이서(70)는 기판(10)의 중앙부에 구비되는 것으로서, 중앙 스페이서(70)가 구비됨으로 인하여 하부전극(20)은 도 7에서와 같이 상방으로 굴곡지게 된다.
본 실시예에서 이와 같이 중앙 스페이서(70)가 구비되도록 한 것은 본 실시예에 의한 햅틱 피드백 버튼은 상술한 실시예와 달리 하드 버튼 타입에 적용되기 때문이다. 즉, 본 실시예에서는 커버(50)가 플렉서블한 재질이 아니고 소정의 강성을 가진 적어도 일부가 스티프한(stiff) 재질로 만들어진다. 따라서, 커버(50)를 터치하였을 때 상부전극(40)이 압전 고분자(30)와 쉽게 접촉이 되도록 하기 위해 하부전극(20)이 상방으로 굴곡지도록 중앙 스페이서(70)를 배치한 것이다. 이와 같이 되면 상부전극(40)과 압전 고분자(30) 사이의 간극이 작아지기 때문에 보다 쉽게 터치가 이루어질 수 있다.
도 8 내지 도 13에는 도 7에 도시된 실시예의 다양한 변형예를 보인 도면이 도시되어 있다. 본 변형예들은 스티프한 재질로 만들어진 커버(50)가 잘 눌러지도록 하기 위한 예들로서, 커버(50)의 가장자리에 일종의 힌지 역할을 할 수 있는 구성을 추가한 것이다.
도 8을 참조하면, 커버(50)와 상부전극(40)의 가장자리 부분은 상방으로 굴곡지게 형성될 수 있다. 이와 같이 가장자리 부분이 굴곡지게 형성되면 사용자가 약간만 커버(50)를 터치하여도 커버(50)가 하방으로 눌러지면서 터치센싱이 쉽게 이루어질 수 있다.
도 9를 참조하면, 커버(50)의 가장자리 부분에는 힌지홈(52)이 형성된다. 힌지홈(52)이 형성되면, 커버(50)의 가장자리 부분의 두께가 상대적으로 얇아지기 때문에 커버(50)가 하방으로 쉽게 눌러질 수 있다. 또한, 도 10을 참조하면, 상부전극(40)의 가장자리 부분(42)이 상방으로 굴곡지게 형성되어 커버(50)의 가장자리 부분의 두께를 상대적으로 얇게 할 수 있다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 커버(50)는 스티프한 재질로 만들어진 강성부(54)와 플렉서블한 재질로 만들어진 유연부(56)를 포함할 수 있다. 도 11에서는 상부전극(40)의 상부에 강성부(54)가 구비되고, 강성부(54)의 상부에 유연부(56)가 구비된다. 이때, 강성부(54)의 가장자리 부분을 절개함으로써 유연부(56)의 가장자리 부분이 잘 변형될 수 있도록 구성하였다. 또한, 도 12에서는 강성부(54)의 절개된 가장자리 부분에 유연부(56)가 채워지도록 하여 유연부(56)의 가장자리 부분이 잘 변형될 수 있도록 구성하였다. 또한, 도 13에서는 상부전극(40)의 상부에 유연부(56)가 가장자리 부분만 구비되도록 하였고, 유연부(56)의 상부에 강성부(54)가 구비된다. 이와 같이 되면, 사용자가 강성부(54)를 눌렀을 때 가장자리 부분이 플렉서블하여 잘 눌러질 수 있다.
상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 기판;
    상기 기판의 상부에 구비되고, 그라운드 전극과 터치센싱 전극이 패터닝되어 형성되는 하부전극;
    상기 하부전극과 간격을 두고 상기 하부전극의 상방에 구비되며, 구동전압이 인가되는 상부전극; 및
    상기 상부전극의 상부에 구비되는 커버를 포함하고,
    상기 하부전극의 상부 또는 상기 상부전극의 하부에는 압전 고분자가 구비되어, 상기 압전 고분자가 대향되게 배치된 상기 하부전극 또는 상부전극과 밀착될 때 프레팅 바이브레이션이 발생하는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부전극과 상부전극의 사이에는 간극을 형성하도록 가장자리 부분에 지지 스페이서가 구비되는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 상부전극, 커버 및 지지 스페이서는 투명한 재질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 커버 및 상부전극은 플렉서블한(flexible) 재질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 커버는 적어도 일부가 스티프한(stiff) 재질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판과 하부전극의 사이에는 중앙 스페이서가 구비되어 상기 하부전극의 중앙부가 상방으로 굴곡지게 하는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 커버와 상부전극의 가장자리 부분은 상방으로 굴곡지게 형성되는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 상부전극의 가장자리 부분은 상방으로 굴곡지게 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 커버의 가장자리 부분에는 상대적으로 두께가 얇도록 힌지홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 하부전극의 하부에는 지지층이 구비되는데, 상기 지지층은 100~250 Hz의 주파수 범위 내에서 공진을 형성하도록 탄성계수와 두께가 설계되는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 커버는,
    스티프한 재질로 만들어지는 강성부; 및
    상기 강성부의 상부에 구비되고 플렉서블한 재질로 만들어지는 유연부를 포함하고,
    상기 강성부의 가장자리 부분은 절개되어 형성되는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 강성부의 절개된 가장자리 부분에는 상기 유연부가 채워지는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
  13. 제 5 항에 있어서,
    상기 커버는,
    플렉서블한 재질로 만들어지고 가장자리 부분에만 형성되는 유연부; 및
    상기 유연부의 상부에 구비되고, 스티프한 재질로 만들어지는 강성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그라운드 전극은 중앙 부분에 패터닝되고, 상기 터치센싱 전극은 상기 그라운드 전극의 주변을 감싸도록 패터닝되는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
  15. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 고분자는 PVDF 기반의 강유전 고분자 또는 완화형 강유전 고분자인 것을 특징으로 햅틱 피드백 버튼.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 PVDF 기반의 강유전 고분자는 P(VDF-TrFE)이고, 상기 완화형 강유전 고분자는 P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDFTrFE-CTFE)인 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 버튼.
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