Journal of Korea Robotics Society (2013) 8(3):150-155 150 로봇학회논문지제8권제3호 (2013. http://dx.doi.org/10.7746/jkros.2013.8.3.150 9) ISSN: 1975-6291 / eissn: 2287-3961 휴대용장치를위한필름형촉감액추에이터 A Film-type Vibrotactile Actuator for Hand-held Devices 김상연 1, 김기백 2, 김재환 2, 박원형 1, 경기욱 Sang-Youn Kim 1, Ki-baek Kim 2, Jaehwan Kim 2, Won-Hyeong Park 1, Ki-uk Kyung Abstract Vibrotactile actuators for small consumer electronic products, such as mobile devices, have been widely used for conveying haptic sensation to users. One of the most important things in vibrotactile actuators is to be developed in the form of thin actuator which can be easily embedded into mobile devices and to provide vibrotactile signals with wide frequency band to users. Thus, this paper proposes a thin film type haptic actuator with an aim to convey vibrotactile information with high frequency bandwidth to users in mobile devices. To this end, a vibrotactile actuator which creates haptic sensation is designed and constructed based on cellulose acetate material. A cellulose acetate material charged with an electric potential can generate vibration under the AC voltage input. It is found that the motion of the actuator can have concave or convex shape by controlling a polarity of both charged membranes and the actuator performance can be modulated by increasing level of biased electric potential. The experiment clearly shows that the proposed actuator creates enough output force to stimulate human skin with a large frequency bandwidth and to simulate various vibrotactile sensations to users. Keywords: Vibrotactile, Haptic Actuator, Transparent Actuator, Mobile Device 1. 서론 1)` 최근들어정보기술의급속한발전으로인하여다양한휴대용장치들이개발되고있으며상업화되고있다. 대부분의휴대용장치들은사용자들에게명령을받아들이기위해키패드와같은기계적입력장치들을가지고있으므로사용자가휴대용기기와인터랙션을수행할때휴대기기의어플리케이션의상황과관계없이항상일정한촉감을제공한다. 하지만사용자가휴대용장치의그래픽컨텐츠와상호작용할때실제물체를조작하는것과같은다양한터치감각을받아들이고자하는요구가증가하고있다. 이를위하여상황에적합한촉감을생성하여사용자에게전달하 Received : May 30. 2013; Reviewed : Jun. 25. 2013; Accepted : Aug. 5. 2013 This research was supported by the Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education, Science and Technology (grant number : 2012-0004550) This work has been supported by the S/W Computing R&D program of MKE/KEIT(10035360-2010-01,TAXEL: Visio-haptic Display and Rendering Engine). 1 Computer Science & Engineering, KoreaTech, ({sykim, ipo1001}@kut.ac.kr) 2 Mechanical Engineering, Inha University (kimroll@naver.com, jaehwan @inha.ac.kr) Corresponding author:,kyungku@etri.re.kr, jaehwan@inha.ac.kr 기위한햅틱기술이휴대용기기에적용되기시작하였다. 사용자에게몰입감을증가시키기위해최근들어휴대용장치의기계적인키패드는시각디스플레이의크기를최대화할수있는터치스크린으로대체되었다. 그러나터치스크린기반휴대용기기는조작감의부재라는또다른문제를야기시켰으며이와같은문제를해결하기위해휴대용장치에쉽게탑재되어조작감을생성하기위한다양한햅틱액츄에이터들이개발되고있다 [1-5]. 휴대용기기에서햅틱감각을생성하기위해편심모터 (ERM, Eccentric rotary motor) 가최초로사용되었다. 그러나편심모터는다양한햅틱감각을생성하여사용자들에게전달하기에는치명적인단점들을가지고있다. 가장치명적인단점은편심모터의반응속도는너무느려서사용자에의해감각이감지되기까지시간지연이크다는것이고, 또하나의단점은햅틱신호의주파수와크기가서로독립적으로생성이불가능하다는것이다. 이와같은이유로인하여편심모터는다양한햅틱감각을생성하는것이아니고단순한알람신호들을생성하는데국한되었다. 이와같은편심모터의단점을극복하기위해, 사실적인 CopyrightcKROS
휴대용장치를위한필름형촉감액추에이터 151 촉감을실시간으로만들어내기충분할만큼의빠른반응시간을가지는선형공진모터 (LRA, Linear Resonance Actuator) 가개발되었다 [6]. 선형공진모터는편심모터에비해응답시간을 25ms 로단축시켰으며사용자의기계적수용기 (mechanoreceptors) 들을자극하기에충분히큰힘을실시간으로생성할수있다. 그러나공진모터는단지공진주파수근처에서만햅틱감각의생성이가능하므로사용자의여러기계적수용기들을선택적으로자극시키기에는한계가있다. 넓은주파수에서다양한감각을생성하기위하여교류입력에따라서피에조물질들의물리적인변화에의해진동신호를생성하는피에조모터들이연구되기시작하였다 [7-9]. 피에조모터는입력전압의크기에따라모양이변화하며매우넓은주파수로구동될수있기때문에다양한촉감을생성할수있다. 하지만피에조액추에이터는깨지기쉬우며생성할수있는진동력이약하기때문에공진점에서만햅틱감각을생성하는데만족하고있다. 또다른대표적인햅틱모터로는가벼운무게와큰힘, 그리고빠른반응시간을가지는전기활성고분자 (EAP, Electroactive Polymer) 기반의액츄에이터가개발되었다 [10,11]. 또한 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 나크리스털공중합체 (Crystal Copolymer) 와같은몇몇고분자재료또한촉감액추에이터로활용될수있도록연구되었다 [12,13]. Kolesar 등은단일실리콘직접회로에서 40μm 두께의 PVDF 필름을이용하여햅틱액츄에이터를제작하였다 [14]. 이와같은액츄에이터들은얇게개발되어휴대용기기에적용하기에충분하지만아직도단점을가지고있다. 가장큰단점은액츄에이터가투명하지않기때문에시각디스플레이장치뒷부분에장착되어사용자에게다소어색한감각을생성한다는것이다. 그러므로본연구에서는휴대용기기에앞쪽에배치되어햅틱감각을생성할수있는투명하고유연한햅틱액츄에이터를개발한다. 투명 / 유연한액츄에이터를개발하기위하여본연구에서는천연고분자물질인피에조효과를갖는셀룰로오스를활용한다. 통해전하를축적할수있다. 이러한분극현상을갖는셀룰로오스의특징으로인해기계적인변형이발생한다. 셀룰로오스필름은입력전압을가하지않았을때내부에빈공간이있는평평한필름으로존재하지만 (Fig 1), 전압을인가하게되면분극현상이발생하여필름내에밀거나당기는힘이생성된다. 셀룰로오스물질은반결정전석으로분류된다. 셀룰로오스결정에서압전효과를만들때정전기현상에대한충전 / 방전을방해하는잔여분극이있을수있으므로, 본연구에서는완전비정질형태인셀룰로오스아세테이트를사용하여필름형촉각제시장치를제작하였다. Fig 2는셀룰로오스아세테이트필름의제조과정을보여준다. 먼저아세톤용액의무게에 15% 에해당하는셀룰로오스아세테이트가루를녹여셀룰로오스아세테이트용액을만든다. 그다음, 적절히분해된셀룰로오스아세트산용액을 500rpm의속도로스핀코팅하여실내설정조건 (room condition) 에서경화시키면투명한아세테이트필름을얻을수있다. Fig 3은제작한셀룰로오스의횡단면을전자현미경으로촬영한모습을보여준다. 절단된셀룰로오스의단면에는전하를쉽게충전할수있도록만들어주는공극 (air gap) 들이촘촘하게존재하는것을확인할수있다. 내부에 Fig. 1. Electret property of the cellulose 2. 필름형햅틱액츄에이터 천연고분자셀룰로오스를기반으로한전기활성종이 (EAPap) 는압전효과, 이온영동효과, 전기잔류효과, 정전기력등으로구성된동작메커니즘을가진다. 압전재료중하나인셀룰로오스는쌍극자분자사슬구조를가지고있으며, 다공성해면구조를가지고있기때문에계면분극을 Fig. 2. Manufacturing process for fabricating cellulose acetate film
152 로봇학회논문지제 8 권제 3 호 (2013. 9) (a) Fig. 3. Schematic and Film cross section Scanning Electron Microscope image of cellulose acetate 전하들이많이존재할수록액츄에이션힘이커지기때문에, 본연구에서는전하들을포함하고있는공극들을최대화할수있는새로운구조를가진필름형촉감액츄에이터를제안한다. Fig 4는제안하는필름형촉감액츄에이터를제작하는과정이다. 실리콘웨이퍼위에제작한셀룰로오스아세 Fig. 8. (a) Displacement evaluation system consisting of laser displacement, sensor, electric field applying systems and data acquisition systems, (b) Experimental setup to evaluate the vibration force of the proposed actuator (b) Fig. 5. Structure of film-type haptic actuator [Fig 4] Fabrication mechanism for the proposed actuator (a) Fig. 6. (a) Fabricated film-type haptic actuator whose actual size is 40 10 0.27mm, (b) the gold coated actuator for connecting power (b)
휴대용장치를위한필름형촉감액추에이터 153 테이트필름을얹고그위에 PDMS(Polydimethylsiloxane) 몰드를얹어애어갭을만든다. 그리고나서 PDMS 몰드위에산화인듐주석 (ITO) 유리를올려촉감액츄에이터를제작한다. Fig 5는셀룰로오스아세테이트기반의촉감액츄에이터의구조를보여준다. 개발된액츄에이터는셀룰로오스필름과, 동작을위한 ITO가코팅된유리판, 그리고공극을생성하기위한 PDMS 몰드의세개의층으로구성하였다. 셀룰로오스에전력을제공하기위해제작된필름의한쪽면에금박막의전극을위치시켰으며공극형성을위한지지대로는 PDMS 몰드를이용하였다. 그리고폴리비닐알콜 (PVA) 을이용하여 ITO 글래스를부착하였다. 제안하는구조에서양쪽전극의전압차가 0이되었을때, 셀룰로오스아세테이트필름과 ITO가코팅된유리판사이에생기는정전기력은 0이된다. 양전극사이에전압차가커짐에따라셀룰로오스필름과 ITO가코팅된유리판에서생기는정전기력이증가하여액츄에이터의움직임이점점커지게된다. Fig 6(a) 는 40 10 0.27mm3크기로제작된필름을보여주며, Fig 6(b) 는전압을인가하기위하여금박코팅된액츄에이터의최종모습을보여준다. 만일제어입력을위해투명한전극을이용하면액츄에이터의투명도를그대로유지가가능하다. 3. 실험및결과 모바일장치를위한촉감액츄에이터에있어서투명도는매우중요한요소중하나가될수있다. 그러므로본실험에서는 UV-VIS 분광광도계 (spectrophotometer) 를이용하여제안하는촉감액츄에이터의투명도를측정하였다. Fig. 7 The transparency of the proposed actuator according to the number of spin coating Fig 7은스핀코팅횟수에따른본연구에서제안하는촉감액츄에이터의투명도를보여준다. 제안하는촉감액츄에이터의투명도는액츄에이터두께의증가에따라 86%~72% 까지변화하였다. 만일스핀코팅을 20회하였다면제안하는액츄에이터의투명도는급격하게떨어진다. 그러므로본연구에서는스핀코팅의횟수를 15회로선택하였다. 본연구에서는제안하는셀룰로오스아세테이트를기반으로한필름형촉감액츄에이터의효용성을평가하기위해서액츄에이터의변위와가속력을측정하였다. 제안하는액츄에이터의변위량을측정하기위해 Fig 8(a) 와같은평가시스템을제작하였다. 제안하는액츄에이터의변위는레이저변위센서 (Keyence LK-G15) 에의해측정되었으며, 펄스분석기 (B&K Pulse analyzer) 와 PC를이용해데이터를수집하였다. 그리고고전압발생기 (High voltage amplifier, trek 20/20) 와함수발생기 (Function generator, Agilent 33220A) 를이용하여구형파 (Square wave) 형태의 AC 전압을제안하는액츄에이터에인가하였다. 또한패키징되지않은셀룰로오스재료는습도등주변환경에민감하기때문에측정공간내부의상대습도는 25% 로, 온도는 23 C 로유지하였다. Fig 8(b) 는제안하는장치의가속력를평가하기위한실험환경의블록다이어그램을보여준다. 실험환경은아날로그- 디지털변환채널이존재하는 PC, PC 와연결된데이터획득보드 (NI USB-6259), 증폭기 (STT-200S-01), 가속도센서 (SCA1020), 파워공급기 (Face International Co. TD-2) 로구성하였다. 제안하는액츄에이터로부터획득된신호는증폭기를이용하여의미있는전압신호로변환되었으며변환된전압신호는아날로그 / 디지털변환채널을통해자료획득보드로전해진다. 제안하는촉감액츄에이터는전류가아닌전압에의해구동되기때문에, 입력전압에따른변위량을확인하기위해전압의크기를바꿔보았다. 이실험에서주파수는 1kHz 로고정하였다. Fig 9(a) 는전압의세기에따른변위량을보여준다. 제안하는촉감제시장치의변위량은 3.3um (1000V) 에서 10.4um (1600V) 까지증가하였으며, 전압이 1600V 이상인가되더라도변위량의변화는거의없었다. 또한촉감제시장치에서가속도는모바일장치에있어매우중요한요소중하나이기때문에인가하는주파수에따른가속도의변화를실험을통해파악하였다. 입력주파수는 1Hz부터 250Hz까지다양하게인가하였으며, 그결과는 Fig 9(b) 와같다. 제안하는촉감제시장치는 30Hz에서 200Hz의주파수를입력할때약 0.6g (g = 9.8m/s2) 정도
154 로봇학회논문지제 8 권제 3 호 (2013. 9) References Fig. 9. (a) Displacement of the proposed actuator, (b) Acceleration of the proposed actuator 의가속력을생성하였다. (a) (b) 4. 결론 본연구에서는셀룰로오스아세테이트를이용한새로운필름형촉감액츄에이터를제안하였다. 사용된셀룰로오스의정전효과는반영구적분극 ( 分極 ) 을가진유전체속성과관련이있다. 제안하는촉감제시장치의반응시간은약 15um 이며최대변위는약 11.4um, 그리고진동력은약 0.6g(g=9.8m/s2) 를갖는다. 실험을통해얻은 0.6g 의가속력은모바일장치에서알람기능을수행하기엔부족하지만사용자에게휴대용기기에서다양한촉감을생성및제공하는데에는충분하다. 본연구의후속으로최근진동력및투명도를향상시키는연구를수행중이다. [1] D. Siewiorek, A. Smailagic, J. Furukawa, A. Krause, N. Moraveji, K. Reiger, J. Shaffer, F.L. Wong. SenSay: a Context-Aware Mobile Phone. Proceeding of 7th IEEE International Symposium on Wearable Computers (ISWC) 2003, New York, USA, pages 248-249., 2003. [2] S. Brewster, F. Chohan, L. Brown. Tactile Feedback for Mobile Interactions. Proceeding of International Conference for Human-Computer Interaction (CHI) 2007, San Jose, CA, pages. 159 162, 2007. [3] L. Brown, S. Brewster, H. Purchase, H. Multidimensional Tactons for Non-Visual Information presentation in Mobile Devices. Proceeding of 8th conference on Human-Computer Interaction with Mobile Devices and Services (MobileHCI) 2006, Helsinki, Finland, pages. 231-238, 2006. [4] J. Luk, J. Pasquero, S. Little, K. MacLean, V. Levesque, V. Hayward. A role for Haptics in Mobile Interaction: Initial Design using a Handheld Tactile Display Prototype. Proceeding of Premier International Conference for Human-Computer Interaction (CHI) Montreal, Canada, pages. 171 180, 2006. [5] D.S. Kwon, T.H. Yang, Y.J. Cho. Mechatronics Technology in Mobile Devices, In IEEE Industrial Electronics Magazine, volume 4,no 2. pages 36-41, 2010. [6] S. D. Kweon, I. O. Park, Y. H. Son, J. Choi and H. Y. Oh. Linear vibration motor using resonance frequency, In US PATENT no. 7,358,633 B2, Assignee Samsung Elecctro-Mechanics Co., Ltd., 2008. [7] M. O. Ernst, M. S. Banks, Humans Integrate Visual and Haptic Information in a Statistically Optimal Fashion, In Nature, Volume 415, pages 429-433, 2005. [8] R. J. Wood, E. Steltz, R. S. Fearing, Optimal Energy Density Piezoelectric Bending Actuators. In Sensors and Actuators A, Volume 119, pages 476-488, 2005
휴대용장치를위한필름형촉감액추에이터 155 [9] D. H. Kim, B. Kim, H. Kang. Development of a Piezoelectric Polymer Based-sensorized Microgripper for Microassembly and Micromanipulation, In Microsystem Technology volume 10, pages 275-280, 2004. [10] R. Sarban, J. Oubaek, and R. Jones. Closed-Loop Control of a Core Free Rolled EAP Actuator, Proceeding of SPIE 7287, 72870G 2009. [11] M.Y. Ozsecen, M.Sivak, and C. Mavroidis. Haptic Interfaces Using Dielectric Electroactive Polymer, Proceeding of SPIE 7647, 2010. [12] A. V. Bune, C. Zhu, S. Bucharme, L. M. Blinov, V. M. Fridkin, S. P.Palto, N. G. Petukhova, and S. G. Yudin. Piezoelectric and Pyroelectric Properties of Ferroeletric Langmuir-Blodgett Polymer Films, In Journal of Applied Physics Letter. Volume 85 pages 7869-7873, 1999. [13] A. Ambrosy, and K. Holdik, Piezoelectric PVDF Films as Ultrasonic Transducer, In Journal of Physics. E: Sci. Intrum. Volume 17 pages. 856-859, 1984. [14] E. S. Kolesar, and C. S. Dyson. Object Imaging with a Piezoelectric Robotic Tactile Sensor, In Journal of Microelectromech. System. Volume 4 pages 87-96, 1995. 김상연 1997 KAIST 자동화및설계공학 ( 공학석사 ) 2005 KAIST 기계공학 ( 공학박사 ) 2006 삼성종합기술원책임연구원 2006~ 현재한국기술교육대학교부교수관심분야 : Haptic Rendering, Haptic Actuator, Tactile Display, Virtual Reality 김기백 2011 인하대학교기계공학과 ( 공학사 ) 2013 인하대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 관심분야 : 지능재료, 지능구조물김재환 1987 KAIST 기계공학 ( 공학석사 ) 1995 Penn. State Univ. Engineering Science & Mechanics ( 공학박사 ) 1996 인하대학교교수 2003~2012 EAPap Actuator 창의연구단단장 2012~ 현재한국과학기술한림원정회원관심분야 : 지능재료, 지능구조물, EAP, Actuator, Sensor 박원형 2011 한국기술교육대학교컴퓨터공학부 ( 공학사 ) 2013 한국기술교육대학교컴퓨터공학과 ( 공학석사 ) 2013~ 현재한국기술교육대학교컴퓨터공학과박사과정관심분야 : Haptic Rendering, Haptic Actuator, EAP, HCI 경기욱 1999 KAIST 기계공학과 ( 공학사 ) 2006 KAIST 기계공학과 ( 공학박사 ) 2006 한국전자통신연구원선임연구원 2012~ 현재한국전자통신연구원투명소자및 UX 창의연구센터장관심분야 : Haptics, 센서 / 액츄에이터, HCI