터치 스크린용 촉각 액추에이터, 압전 액츄에이터 Piezo

터치 스크린용 촉각 액추에이터, 압전 액츄에이터 Piezo

압전 액추에이터는 자석이나 코일이 없이 동작하는 새로운 타입의 액추에이터로서, 전기장 에 의해 순간적으로 크기나 모양이 변하는 특성이 있는 압전 소자를 이용해 구동되는 액추에이터이다. 응답속도(< 5ms)가 매우 빠르기 때문에 매우 키보드 타이핑과 같이 짧은 촉각 효과 구현이 가능하다. 동작 주파수 또한 150~300Hz로 광범위하기 때문에 주파수 변화를 이용하여 다양한 촉각 효과를 구현할 수 있다. 뿐만 아니라, 크기나 두께 등의 제약이 없어 특정 애플리케이션이나 패키징을 위해 주문형 형태로 제작이 가능하다. 관성형 액추에이터에 비해 형태적으로 자유롭고, 응답속도가 빠르며, 정확한 진동 제어 및 다양한 구동 주파수를 이용할 수 있는 장점이 있으나, 충분한 세기의 촉각 효과를 위해서는 비교적 높은 소비 전류가 필요한 특성이 있다. 형태는 주로 빔(Beam)형이나 디스크(Disk) 형으로 제작되고 있다<그림 6>.

빔 형은 Bimorph의 원리를 이용하여 압전 세라믹 물질을 금속의 양면에 얇게 덮은 형태로 벤딩(Bending) 액추에이터라고도 한다. 디스크 형은 빔 형에 비해 상대적으로 크기가 크게(동전크기 수준) 제작되며, 출력 힘의 크기가 작아 활용범위가 제한적인 빔 형의 단점을 보완한 형태로, 진동 주파수 및 변위 등 진동에 대한 다양한 제어가 가능하다. 빔 형이나 디스크 형과 달리 초음파 타입의 액추에이터도 개발되었다. 형태는 피에조 물질을 매우 작은 디스크 형태로 만들고, 디스크와 축을 연결한 후, 이동자가 축을 감싸고 있는 형태이다. 초음파 대역 이상의 고 주파수로 디스크를 운동시켜, 이동자가 디스크가 연결된 축을 따라 일정한 방향으로 움직이게 하는 원리로 동작한다. 이때 이동자를 움직이게 하는 디스크가 초음파 영역의 진동수로 진동하기 위해 초음파 모터라고도 하며, 디스크가 압전 소자이기 때문에 압전 액추에이터라고도 한다.

압전 소자는 초음파 영역에서 진동하지만, 압전 액추에이터를 촉각 어플리케이션을 위해서는 주로 공진 주파수 이하에서 구동시키게 된다. 부서지기 쉬운 세라믹 소재를 사용하는 압전 소자 특성에도 불구하고, 휴대용 기기 낙하 테스트에도 견딜 수 있도록 내구성있게 설계되어, 향후, 다양한 휴대기기에 활용될 것으로 예상된다<그림 7, 8>.