[논문]손끝 움직임 인식과 질감 표현이 가능한 촉각정보 입출력장치

윤세찬; 조영호

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.6.545

손끝 움직임 인식과 질감 표현이 가능한 촉각정보 입출력장치
Tactile Transceiver for Fingertip Motion Recognition and Texture Generation 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.6 = no.333, 2013년, pp.545 - 550

윤세찬 (한국과학기술원 바이오및뇌공학과) , 조영호 (한국과학기술원 바이오및뇌공학과)

초록
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본 논문은 정전기력을 이용한 마찰력 변조를 이용하여 손끝을 통한 촉각정보의 입출력을 동시 구현하는 소자를 제안하였다. 기존의 촉각소자들이 촉각정보의 입력 및 출력을 개별적으로 구현한 것에 비해 본 연구는 손끝의 수직/수평 방향 동작 인식과 질감 구현을 동시에 구현하였다는 점에서 차별성을 가진다. 실험분석을 통해 검증한 손끝 동작 인식기능은 수직방향의 클릭의 경우 0.146nF/$40{\mu}m$, 수평방향의 경우 0.09nF/$750{\mu}m$의 정전용량 변화를 통해 인식 가능하였으며, 질감 구현의 경우 정전기적 인력을 통해 마찰력을 32~152mN의 범위에서 제어할 수 있음을 확인하였다. 교류전압을 이용한 수평적 진동은 60V, 3Hz에서 최대 128.1mN의 마찰력 변조를 구현하였으며, 이는 기존 연구 대비 32% 향상을 보여준다. 본 연구는 손끝에서 정보의 입출력을 동시 구현하여 정보기기의 촉각인터페이스에 적용 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

We present a tactile information transceiver using a friction-tunable slider-pad. While previous tactile information devices were focused on either input or output functions, the present device offers lateral position/vertical direction detection and texture expression. In characterizing the tactile input performance, we measured the capacitance change due to the displacement of the slider-pad. The measured difference for a z-axis click was 0.146 nF/$40{\mu}m$ when the x-y axis navigation showed 0.09 nF/$750{\mu}m$ difference. In characterizing the texture expression, we measured the lateral force due to a normal load. We applied a voltage between parallel electrodes to induce electrostatic attraction in DC and AC voltages. We measured the friction under identical fingertip action conditions, and obtained friction in the range of 32-152 mN and lateral vibration in the force range of 128.1 mN at 60 V, 2 Hz. The proposed device can be applied to integrated tactile interface devices for mobile appliances.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 정전기력을 이용한 마찰력 변조를 이용하여 손끝을 통한 촉각정보의 입출력을 동시 구현하는 소자를 제안하였다. 기존의 촉각소자들이 입출력을 개별적으로 구현한 것에 비해 본 연구는 손끝의 수직/수평 방향 동작 인식과 질감 구현을 동시에 구현하였다는 점에서 차별성을 가진다.
기존 연구는 압전구동기,^(2,3) 폴리머구동기,^(4,5) 전자기구동기⁽⁶⁾ 및 열공압 구동기^(7~11) 등을 이용하여 수직적인 진동 및 패턴을 출력하는 방식과, 손가락과 전극간의 정전기력을 통해 수평방향의 마찰력을 가하는 방식^(12,13)으로, 수직/수평방향의 자극을 동시에 구현하지 못하였으며, 촉각정보의 입력기능과의 집적이 숙제로 남아있다. 이에 본 논문에서는 마찰력 변조가 가능한 슬라이더 패드를 이용하여 손끝 움직임의 입력과 질감의 출력을 동시에 구현하는 신개념의 촉각정보 입출력장치를 제안하고자 한다.

제안 방법

Photolithography를 통해 전극패턴을 형성한 후 다시 250nm의 SiO2를 절연층으로 증착하였고, AZ9260 10µm의 마스킹 레이어를 형성 후 DRIE공정을 통해 380µm의 실리콘층을 관통하였다.
5cm² 크기에 3 자유도를 갖고 손가락이 접촉하는 슬라이더패드가 스프링에 연결된 구조로 마찰력 변조를 위한 전극과 위치감지 공통전극을 포함한다. 바닥 층은 마찰력 변조 전극과 4개의 개별적인 위치감지 전극을 갖는데, 슬라이더 패드상의 공통전극과의 상대적 위치에 따라 변화하는 커패시턴스를 바탕으로 z축 및 x-y축의 움직임을 인식할 수 있게 설계되었다.
본 논문에서 제안하는 촉각정보 입출력장치의 슬라이더층과 전극층의 제작을 위해 Fig. 8과 같이 먼저, 400µm 두께의 SOI 웨이퍼의 후면에 250nm의 SiO2를 증착한 후 전극 형성을 위한 Au/Cr을 각각 200/100nm 증착하였다.
손가락의 움직임 인식을 위해 패드의 변위에 따라 슬라이드패드의 공통전극과 바닥층에 형성된 4개의 전극간의 커패시턴스 변화를 측정하였다.
슬라이더패드와 바닥층간의 마찰력 및 이의 변조기능 평가를 위하여 슬라이더패드에 로드셀을 연결하고 소자를 부착한 stage의 조작을 통해 변위를 입력하였다. Table 1은 전압의 범위와 파형에 따른 마찰력의 변조 범위를 나타낸 것이다.
피부가 인지하는 질감은, 피부표면의 측방향 힘(마찰력)과 진동의 조합으로 구성된다. 이에 본 연구에서는 슬라이더패드와 전극층 사이에 전압을 인가하여 정전기적 인력을 발생, 마찰력을 인위적으로 조절함으로써 피부가 느끼는 질감을 인공적으로 구현하였다. 외부의 전압이 인가되지 않은 상태에서 손끝으로 슬라이더패드를 누르며 x-y 방향으로 이동시킬 경우(Fig.

대상 데이터

촉각정보 입출력장치는 Fig. 2에 도시된 바와 같이 슬라이더층(Slider Layer), 전극층(Electrode Layer)으로 구성되어 있다. 슬라이더층은 1.

성능/효과

초기상태에는 슬라이더패드와 전극층이 40µm의 간격으로 분리되어 있어, 이들 사이의 공기층으로 인해 식별 가능한 커패시턴스가 측정되지 않으나 손끝으로 힘을 가해 선택(click) 동작 입력시(Fig. 3(a)) 두 전극이 밀착되면서 커패시턴스가 급격히 증가, 선택 동작의 인식이 가능하다. 또한, 그 상태에서 슬라이더패드를 수평적으로 이동시킬 경우(Fig.
질감 구현의 경우 정전기적 인력을 통해 마찰력을 32~152mN의 범위에서 제어할 수 있음을 확인하였다. 교류전압을 이용한 수평적 진동은 60V, 3Hz에서 최대 128.1mN의 마찰력 변조를 구현하여 질감구현 성능을 확인하였다. 본 연구는 손끝에서 정보의 입출력을 동시 구현하여 정보기기의 촉각인터페이스에 적용 가능하다.
본 논문은 정전기력을 이용한 마찰력 변조를 이용하여 손끝을 통한 촉각정보의 입출력을 동시 구현하는 소자를 제안하였다. 기존의 촉각소자들이 입출력을 개별적으로 구현한 것에 비해 본 연구는 손끝의 수직/수평 방향 동작 인식과 질감 구현을 동시에 구현하였다는 점에서 차별성을 가진다. 실험분석을 통해 검증한 손끝 동작 인식기능은 수직 방향(클릭)의 경우 40µm 간격에 대한 움직임을 통해 평균 0.
두 경우 모두 수직방향 입력에 대해 급격한 커패시턴스 증가를 보였는데 각 전극에 대한 이의 평균값은 0.146±0.02nF으로, 본 소자를 통해 손가락의 움직임 입력을 인식할 수 있음을 확인하였다.
12는 60V 전압 하에 더 낮은 주파수 영역에서 마찰력의 변동(fluctuation)을 측정한 것이다. 변동(fluctuation)시의 p-p 값은 3Hz, 60V에서 최대 128.1mN으로 나타나 본 소자의 경우 저주파에서 더 진동의 편차가 더 명확하게 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 60V 전압 하에서 나타나는 수평적 진동의 p-p값은 동일전압 하에서 얻은 기존연구⁽¹³⁾ 결과보다 약 32% 높은 수치를 보여주고 있다.
본 연구의 촉각정보 입출력 장치는 손끝의 수직/수평방향 움직임을 커패시턴스 변화를 통해 인식이 가능하다. 초기상태에는 슬라이더패드와 전극층이 40µm의 간격으로 분리되어 있어, 이들 사이의 공기층으로 인해 식별 가능한 커패시턴스가 측정되지 않으나 손끝으로 힘을 가해 선택(click) 동작 입력시(Fig.
수평방향 최대변위인 750µm 이동 시 변화량은 0.09±0.02nF로 나타났고, 각각의 움직임 단계에 따라 커패시턴스가 감소함을 확인하였다.
이와 같이 전압 인가를 통한 정전기적 인력을 이용, 손끝에서 느껴지는 마찰력을 조절할 수 있음을 확인하였다. 슬라이더패드에 전압을 가할 경우 전압에 비례하여 같은 하중에서 마찰력이 약 30% 증가함을 확인할 수 있었다. 이를 통해 정전기력을 이용한 마찰력 변조가 가능함을 실험적으로 검증하였다.
실험분석을 통해 검증한 손끝 동작 인식기능은 수직 방향(클릭)의 경우 40µm 간격에 대한 움직임을 통해 평균 0.146nF±0.02의 커패시턴스 변화로 측정하였으며, 이 값은 수평방향으로의 총 750µm 움직임에 대해 0.09±0.02nF의 정전용량 변화를 유발하여 손끝의 방향 동작 인식이 가능함을 확인하였다.
슬라이더패드에 전압을 가할 경우 전압에 비례하여 같은 하중에서 마찰력이 약 30% 증가함을 확인할 수 있었다. 이를 통해 정전기력을 이용한 마찰력 변조가 가능함을 실험적으로 검증하였다.
Table 1은 전압의 범위와 파형에 따른 마찰력의 변조 범위를 나타낸 것이다. 이와 같이 전압 인가를 통한 정전기적 인력을 이용, 손끝에서 느껴지는 마찰력을 조절할 수 있음을 확인하였다. 슬라이더패드에 전압을 가할 경우 전압에 비례하여 같은 하중에서 마찰력이 약 30% 증가함을 확인할 수 있었다.

후속연구

1mN의 마찰력 변조를 구현하여 질감구현 성능을 확인하였다. 본 연구는 손끝에서 정보의 입출력을 동시 구현하여 정보기기의 촉각인터페이스에 적용 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인간이 손끝에서 느끼는 질감은 어떻게 만들어지는가?	그러나 이는 터치스크린과 터치패드와 같은 정보 입력장치에 국한되어 있으며, 촉각을 통한 정보의 출력기능은 그 개발수준이 초기단계에 있다. 인간이 손끝에서 느끼는 질감은, 손끝의 피부가 받는 수평방향의 힘에 인한 피부의 변형, 그리고 피부의 수직방향 진동의 조합으로 만들어지는데(1) 각 촉각요소에 대한 수용 역시 피부에 존재하는 5종의 촉각수용체에서 이루어진다(Fig. 1).
	슬라이더 층과 전극 층간에 전압을 교류로 인가할 경우 발생하는 마찰력의 변동에 의한 수평적인 진동은 어디에 적용 가능한가?	슬라이더층과 전극층간에 전압을 교류로 인가할 경우 마찰력에 변동(fluctuation)이 발생하여 수평적인 진동을 구현할 수 있다. 이는 사람이 느끼는 마찰력의 힘과 진동을 동시구현하는 것으로 실크의 부드러움이나 사포의 거침과 같은 표면 특성을 인공적으로 구현하는데 적용 가능하다. Fig.
	촉각정보 입출력장치는 어떻게 구성되는가?	촉각정보 입출력장치는 Fig. 2에 도시된 바와 같이 슬라이더층(Slider Layer), 전극층(Electrode Layer)으로 구성되어 있다. 슬라이더층은 1.

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