KR101549490B1 - 3d 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자 및 그 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린팅 기법으로 제작되는 소정의 객체 표층에 촉감소자가 형성되도록 하여 터치를 감지하거나 촉각 피드백을 출력할 수 있는 곡면형 촉감소자 및 그 형성방법에 관한 것이다. 본 발명의 일례와 관련된 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자는, 제 1 객체의 표면을 이루고 상면의 적어도 일부인 제 1 터치영역에 터치수단이 접촉될 수 있는 외피층, 상기 외피층의 하부에 상기 외피층과 이격되어 형성되는 지지층, 상기 외피층의 하면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 상부전극, 상기 지지층의 상면에 소정 간격으로 평행하게 배치되고 상기 복수의 상부전극과 교차하는 방향으로 배치되는 복수의 하부전극, 상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극이 교차하는 부분 각각에 형성되는 복수의 소자층 및 상기 복수의 소자층과 연결되어 상기 복수의 소자층 각각에 대한 변환인자를 감지하는 신호처리부를 포함하되, 상기 지지층, 상기 하부전극, 상기 소자층, 상기 상부전극 및 상기 외피층은 상기 3D 프린팅을 이용하여 형성되고, 상기 터치수단의 접촉에 의하여 제 1 소자층과 관련된 제 1 변환인자가 변화되고, 상기 제 1 소자층은 상기 복수의 상부전극 중 적어도 하나인 제 1 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 하부전극 사이에 형성된 것이며, 상기 신호처리부는 상기 제 1 변환인자의 변화를 이용하여 상기 터치수단을 감지할 수 있다.

Description

3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자 및 그 형성방법{CURVED HAPTIC DEVICE BASED ON 3D PRINTING AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자 및 그 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3D 프린터를 이용하여 제작되는 소정의 객체 표층에 촉감소자를 형성하여 터치를 감지하거나 촉각 피드백을 출력할 수 있는 곡면형 촉감소자 및 그 형성방법에 관한 것이다.

근래에 들어 터치 패널 기술은 우리 일상에 깊숙이 잡아 다양한 방면에서 생활에 편의를 제공하고 있으며, 일상생활에 반드시 필요한 핵심 기술로서 각광을 받고 있다. 일반적으로 이러한 터치 패널 기술은 노트북, 개인정보단말기(PDA), 게임기, 스마트폰, 네비게이션 등 다양한 전자/통신기기에 사용될 수 있으며, 사용자가 원하는 기능을 선택하거나 입력하는 데 이용될 수 있다.

이러한 터치 패널 기술은 크게 저항막 방식과 정전용량 방식으로 구현될 수 있다. 먼저, 저항막 방식은 상부와 하부 전극막이 스페이서에 의해 이격되고, 눌림에 의해 서로 접촉될 수 있도록 배치된 형태이다. 상부 전극막이 형성되어 있는 상판이 손가락, 펜 등의 입력수단에 의해 눌릴 때 상부와 하부의 전극막이 통전되고, 그 위치의 저항값 변화에 따른 전압변화를 제어부에서 인지하여 접촉좌표를 인식하는 방식이다.

상기 정전용량 방식은 다시 표면 정전용량 방식(Surface Capacitive)과 투영 정전용량 방식(Projected Capacitive)으로 분류될 수 있다. 표면 정전용량 방식은 금속 테두리 패턴이 있는 평평한 ITO 층을 사용한다. 상기 ITO 전체에 걸쳐 자기장이 형성되어 있는 상태에서 손가락으로 스크린을 터치하면 정전용량의 변화를 네 모퉁이에서 감지하여 좌표를 추출할 수 있다.

그리고, 투영 정전용량 방식은 가로축과 세로축으로 전극을 형성하여 가로축 및 세로축 각각의 채널별 정전용량 변화에 따른 위치좌표를 추출할 수 있다. 도 1은 이러한 투영 정전용량 방식의 일례를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 정전용량형 터치 패널은 유전체(1)를 사이에 두고 이격되어 배치되는 제 1 위치측정용 전극(3)과 제 2 위치측정용 전극(5) 등을 포함할 수 있다. 제 1 위치측정용 전극(3)과 제 2 위치측정용 전극(5)에는 전압이 인가되며, 상기 전압에 의하여 유전체(1)에 커패시턴스가 형성될 수 있다. 소정의 객체의 터치 입력이 있는 경우, 제 1 위치측정용 전극(3)과 제 2 위치측정용 전극(5) 사이의 커패시턴스에 변화가 유도될 수 있으며, 이를 측정하여 터치 위치를 측정할 수 있다. 제 1 위치측정용 전극(3)을 이용하여 X축 기반 위치 정보 획득이 가능하고, 제 2 위치측정용 전극(5)을 이용하여 Y축 기반 위치 정보 획득이 가능하다.

이러한 종래의 터치 입력 기술은 액정패널에서 발광되는 빛이 사용자에게 전달됨에 있어 장애가 되지 않아 깨끗한 화면을 제공할 수 있고, 휴대폰 등의 외관에 해가 되지 않는다는 장점이 있었다.

한편, 최근 3차원의 입체형상을 단시간 내에 출력할 수 있는 3D 프린터를 이용한 기술이 발달하고 있다.

3차원 입체 형상을 가진 시제품을 제작하기 위해서는 도면에 의존하여 수작업에 의해 이루어지는 목합 제작 방식과 CNC 밀링에 의한 제작방법 등이 알려져 있다. 그러나, 목합 제작방식은 수작업에 의하므로 정교한 수치제어가 어렵고 많은 시간이 소요되며, CNC 밀링에 의한 제작방법은 정교한 수치제어가 가능하지만 공구간섭에 의하여 가공하기 어려운 형상이 많다.

따라서, 최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 CAD 나 CAM을 이용하여 3차원 모델링 데이터를 생성하고, 생성한 데이터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작하는 이른바 3차원 프린팅 방법이 등장하게 되었으며, 이러한 3D 프린터를 산업, 생활, 의학 등 매우 다양한 분야에서 활용하고 있다.

일반적인 3D 프린팅의 기본적인 원리는 얇은 2D 레이어를 쌓아서 3D 물체를 만드는 것이다.

상기 3D 프린팅 기법은 그 동작 방법에 따라, 광경화성 수지에 레이저 광선을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 SLA(StereoLithography Apparatus)와, SLA에서의 광경화성 수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하여 레이저 광선으로 주사하여 기능성 고분자 또는 금속분말을 고결시켜 성형하는 원리를 이용한 SLS(Selective Laser Sintering), 열가소성 수지를 이용한 IM(Inkjet modeling), 석회가루를 이용한 3DP(3 Dimension Printing) 등이 있다.

근래 사물 인터넷과 빅테이터의 활용에 대한 관심이 높아지면서 촉각적인 감성을 제공할 수 있는 입체형상에 대한 수요도 점점 늘어나고 있다.

그러나, 종래의 3D 프린터를 이용하여 제작된 입체형상은 별도로 제작된 촉각 센서나 촉각 액추에이터를 상기 입체형상에 조립하여 생산하는 방식을 이용하여 왔다.

이러한 종래 기술에 의하면, 임의의 곡면에 촉각 센서나 촉각 액추에이터를 조립하는 것이 어려웠으며, 대량으로 생산하는 경우 작업성이 떨어진다는 문제점이 있었다. 그리고, 조립된 촉각 센서나 촉각 액추에이터는 소자 구조의 안정성과 감도에 영향을 미칠 수 있었으며, 고밀도의 어레이 형태의 촉감소자는 제작이 어렵다는 난점이 있었다. 또한, 촉각 센서나 촉각 액추에이터를 부착하여 조립하는 경우, 입체형상에 이음새가 생기기 때문에 디자인의 심미감이 크게 떨어질 수 있다는 문제점도 존재하였다.

이에 따라, 3D 프린팅 기법을 이용함으로써 촉감소자를 제공할 수 있는 입체형상을 제작하는 방안에 대한 기술의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

미국특허 제4,575,330호 대한민국 등록특허 제10-1258897호 대한민국 등록특허 제10-1124227호

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 3D 프린팅 기법으로 제작되는 소정의 객체 표층에 촉감소자가 형성되도록 하여 터치를 감지하거나 촉각 피드백을 출력할 수 있는 곡면형 촉감소자 및 그 형성방법을 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.

구체적으로, 본 발명은 3D 프린터를 이용하여 3차원 형상의 객체 제작하는 과정에서 객체의 표층에 촉감소자가 같이 형성되도록 함으로써 촉각 센서나 촉각 엑츄에이터를 용이하게 활용할 수 있으며 생산의 효율성을 증진시킬 수 있는 곡면형 촉감소자를 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 안정성과 감도를 향상시킬 수 있으며, 외적 디자인의 심미감을 크게 개선시킬 수 있는 곡면형 촉감소자를 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

3D 프린팅 기법으로 제작되는 제 1 객체의 표층에 형성된 곡면형 촉감소자에 있어서, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일례와 관련된 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자는, 상기 제 1 객체의 표면을 이루고, 상면의 적어도 일부인 제 1 터치영역에 터치수단이 접촉될 수 있는 외피층, 상기 외피층의 하부에 상기 외피층과 이격되어 형성되는 지지층, 상기 외피층의 하면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 상부전극, 상기 지지층의 상면에 소정 간격으로 평행하게 배치되고, 상기 복수의 상부전극과 교차하는 방향으로 배치되는 복수의 하부전극, 상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극이 교차하는 부분 각각에 형성되는 복수의 소자층 및 상기 복수의 소자층과 연결되어 상기 복수의 소자층 각각에 대한 변환인자를 감지하는 신호처리부를 포함하되, 상기 지지층, 상기 하부전극, 상기 소자층, 상기 상부전극 및 상기 외피층은 상기 3D 프린팅을 이용하여 형성되고, 상기 터치수단의 접촉에 의하여 제 1 소자층과 관련된 제 1 변환인자가 변화되고, 상기 제 1 소자층은 상기 복수의 상부전극 중 적어도 하나인 제 1 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 하부전극 사이에 형성된 것이며, 상기 신호처리부는 상기 제 1 변환인자의 변화를 이용하여 상기 터치수단을 감지할 수 있다.

또한, 상기 변환인자는, 상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극에 의해 상기 복수의 소자층에 형성되는 커패시턴스일 수 있다.

또한, 상기 터치수단의 접촉에 대응하여 상기 제 1 상부전극과 상기 제 1 하부전극 사이의 이격거리가 변화되지 않는 경우, 상기 터치수단의 접촉에 대응하여 변화되는 상기 제 1 상부전극과 상기 제 1 하부전극 사이의 제 1 전기장의 변화 정도에 따라 상기 제 1 소자층에 형성되는 제 1 커패시턴스의 변화가 유도될 수 있다.

또한, 상기 터치수단의 접촉에 대응하여 상기 제 1 상부전극과 상기 제 1 하부전극 사이의 이격거리가 변화되는 경우, 상기 이격거리의 변화 정도에 따라 상기 제 1 소자층에 형성되는 제 1 커패시턴스의 변화가 유도될 수 있다.

또한, 상기 변환인자는, 상기 복수의 소자층에 형성되는 저항일 수 있다.

또한, 상기 변환인자는, 상기 복수의 소자층에서 발생되는 전기신호일 수 있다.

한편, 3D 프린팅 기법으로 제작되는 제 1 객체의 표층에 형성된 곡면형 촉감소자에 있어서, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다른 일례와 관련된 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자는, 상기 제 1 객체의 표면을 이루는 외피층, 상기 외피층의 하부에 상기 외피층과 이격되어 형성되는 지지층, 상기 외피층의 하면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 상부전극, 상기 지지층의 상면에 소정 간격으로 평행하게 배치되고, 상기 복수의 상부전극과 교차하는 방향으로 배치되는 복수의 하부전극, 상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극이 교차하는 부분 각각에 형성되고, 촉각 피드백을 출력할 수 있는 복수의 소자층 및 상기 복수의 소자층과 연결되어 상기 복수의 소자층 각각에 대한 변환인자를 감지하는 신호처리부를 포함하되, 상기 지지층, 상기 하부전극, 상기 소자층, 상기 상부전극 및 상기 외피층은 상기 3D 프린팅을 이용하여 형성되고, 상기 터치수단의 접촉에 의하여 제 1 소자층과 관련된 제 1 변환인자가 변화되고, 상기 제 1 소자층은 상기 복수의 상부전극 중 적어도 하나인 제 1 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 하부전극 사이에 형성된 것이며, 상기 신호처리부는 상기 제 1 변환인자의 변화에 대응한 제어신호를 상기 제 1 소자층으로 전송하고, 상기 제 1 소자층은 상기 제어신호에 대응하여 상기 촉각 피드백을 출력할 수 있다.

또한, 상기 변환인자는, 상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극에 의해 상기 복수의 소자층에 형성되는 커패시턴스일 수 있다.

한편, 3D 프린팅 기법으로 제작되는 제 1 객체의 표층에 형성된 곡면형 촉감소자에 있어서, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다른 일례와 관련된 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자는, 상기 제 1 객체의 표면을 이루는 외피층, 상기 외피층의 하부에 상기 외피층과 이격되어 형성되는 지지층, 상기 외피층의 하면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 상부전극, 상기 지지층의 상면에 소정 간격으로 평행하게 배치되고, 상기 복수의 상부전극과 교차하는 방향으로 배치되는 복수의 하부전극, 상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극이 교차하는 부분 각각에 형성되는 복수의 소자층 및 상기 복수의 소자층과 연결되어 상기 복수의 소자층 각각에 대한 변환인자를 감지하는 신호처리부를 포함하되, 상기 지지층, 상기 하부전극, 상기 소자층, 상기 상부전극 및 상기 외피층은 상기 3D 프린팅을 이용하여 형성되고, 외부 온도에 감응하여 제 1 소자층과 관련된 제 1 변환인자가 변화되고, 상기 제 1 소자층은 상기 복수의 상부전극 중 적어도 하나인 제 1 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 하부전극 사이에 형성된 것이며, 상기 신호처리부는 상기 제 1 변환인자의 변화를 이용하여 상기 외부 온도를 감지할 수 있다.

또한, 상기 외피층과 상기 지지층 사이의 공간을 이루는 버퍼층을 더 포함하되, 상기 버퍼층은 공기 및 유전체 중 적어도 하나이다.

또한, 상기 외피층 및 상기 지지층은, 글래스(Glass), 강화 고분자 또는 실리콘으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 외피층, 상기 지지층 및 상기 소자층 중 적어도 하나는, 열가소성 수지 또는 광경화성 수지를 이용하여 형성될 수 있다.

또한, 상기 복수의 상부전극 및 상기 복수의 하부전극은, 은(Silver), 전도성 전극, 카본 복합체 및 인듐 주석 산화물(Induim Tin Oxide, ITO) 투명 전극 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 복수의 소자층과 상기 소자층은 신호선에 의하여 연결되고, 상기 신호선은, 은(Silver), 전도성 전극, 카본 복합체 및 인듐 주석 산화물(Induim Tin Oxide, ITO) 투명 전극 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 복수의 소자층 각각은, 상기 복수의 상부전극 중 임의로 선택된 제 2 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 임의로 선택된 제 2 하부전극이 교차되는 부분에서 상기 제 2 상부전극의 하면과 상기 제 2 하부전극의 상면을 연결하도록 형성될 수 있다.

한편, 3D 프린팅 기법으로 제작되는 제 1 객체의 표층에 촉감소자를 형성하는 방법에 있어서, 상기 촉감소자는, 상기 제 1 객체의 표면을 이루는 외피층, 상기 외피층의 하부에 상기 외피층과 이격되는 지지층, 상기 외피층의 하면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 상부전극, 상기 지지층의 상면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 하부전극, 복수의 소자층 및 상기 복수의 소자층 각각에 대한 변환인자를 감지하는 신호처리부를 포함하고, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일례와 관련된 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자의 형성방법은, 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 지지층의 형성을 완료하는 제 1 단계, 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극의 형성을 완료하는 제 2 단계, 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극의 상면에 상기 복수의 소자층의 형성을 완료하는 제 3 단계, 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극과 교차하는 방향으로 상기 복수의 상부전극의 형성을 완료하는 제 4 단계 및 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 외피층의 형성을 완료하는 제 5 단계를 포함하되, 상기 제 3 단계에서 형성되는 상기 복수의 소자층 각각은 상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극이 교차하는 부분에 위치되고, 상기 외피층 상면의 적어도 일부인 제 1 터치영역에는 터치수단이 접촉될 수 있으며, 상기 터치수단의 접촉에 의하여 제 1 소자층과 관련된 제 1 변환인자가 변화되고, 상기 제 1 소자층은 상기 복수의 상부전극 중 적어도 하나인 제 1 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 하부전극 사이에 형성된 것이며, 상기 신호처리부는 상기 제 1 변환인자의 변화를 이용하여 상기 터치수단을 감지할 수 있다.

한편, 3D 프린팅 기법으로 제작되는 제 1 객체의 표층에 촉감소자를 형성하는 방법에 있어서, 상기 촉감소자는, 상기 제 1 객체의 표면을 이루는 외피층, 상기 외피층의 하부에 상기 외피층과 이격되는 지지층, 상기 외피층의 하면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 상부전극, 상기 지지층의 상면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 하부전극, 복수의 소자층, 및 상기 복수의 소자층 각각에 대한 변환인자를 감지하는 신호처리부를 포함하고, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다른 일례와 관련된 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자의 형성방법은, 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 지지층의 형성을 완료하는 제 1 단계, 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극의 형성을 완료하는 제 2 단계, 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극의 상면에 상기 복수의 소자층의 형성을 완료하는 제 3 단계, 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극과 교차하는 방향으로 상기 복수의 상부전극의 형성을 완료하는 제 4 단계 및 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 외피층의 형성을 완료하는 제 5 단계를 포함하되, 상기 제 3 단계에서 형성되는 상기 복수의 소자층 각각은 상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극이 교차하는 부분에 위치되고, 상기 터치수단의 접촉에 의하여 제 1 소자층과 관련된 제 1 변환인자가 변화되고, 상기 제 1 소자층은 상기 복수의 상부전극 중 적어도 하나인 제 1 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 하부전극 사이에 형성된 것이며, 상기 신호처리부는 상기 제 1 변환인자의 변화에 대응한 제어신호를 상기 제 1 소자층으로 전송하고, 상기 제 1 소자층은 상기 제어신호에 대응하여 상기 촉각 피드백을 출력할 수 있다.

한편, 3D 프린팅 기법으로 제작되는 제 1 객체의 표층에 촉감소자를 형성하는 방법에 있어서, 상기 촉감소자는, 상기 제 1 객체의 표면을 이루는 외피층, 상기 외피층의 하부에 상기 외피층과 이격되는 지지층, 상기 외피층의 하면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 상부전극, 상기 지지층의 상면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 하부전극, 복수의 소자층 및 상기 복수의 소자층 각각에 대한 변환인자를 감지하는 신호처리부를 포함하고, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다른 일례와 관련된 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자의 형성방법은, 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 지지층의 형성을 완료하는 제 1 단계, 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극의 형성을 완료하는 제 2 단계, 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극의 상면에 상기 복수의 소자층의 형성을 완료하는 제 3 단계, 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극과 교차하는 방향으로 상기 복수의 상부전극의 형성을 완료하는 제 4 단계 및 상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 외피층의 형성을 완료하는 제 5 단계를 포함하되, 상기 제 3 단계에서 형성되는 상기 복수의 소자층 각각은 상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극이 교차하는 부분에 위치되고, 외부 온도에 감응하여 제 1 소자층과 관련된 제 1 변환인자가 변화되고, 상기 제 1 소자층은 상기 복수의 상부전극 중 적어도 하나인 제 1 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 하부전극 사이에 형성된 것이며, 상기 신호처리부는 상기 제 1 변환인자의 변화를 이용하여 상기 외부 온도를 감지할 수 있다.

또한, 상기 제 1 단계와 상기 제 2 단계 사이, 상기 제 2 단계와 상기 제 3 단계 사이 또는 상기 제 3 단계와 상기 제 4 단계 사이에는, 상기 복수의 소자층과 연결되는 상기 신호처리부를 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 3D 프린팅 기법으로 제작되는 소정의 객체 표층에 촉감소자가 형성되도록 하여 터치를 감지하거나 촉각 피드백을 출력할 수 있는 곡면형 촉감소자 및 그 형성방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

구체적으로, 본 발명은 3D 프린터를 이용하여 3차원 형상의 객체 제작하는 과정에서 객체의 표층에 촉감소자가 같이 형성되도록 함으로써 촉각 센서나 촉각 엑츄에이터를 용이하게 활용할 수 있으며 생산의 효율성을 증진시킬 수 있는 곡면형 촉감소자를 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 안정성과 감도를 향상시킬 수 있으며, 외적 디자인의 심미감을 크게 개선시킬 수 있는 곡면형 촉감소자를 사용자에게 제공할 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시례를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 터치 위치를 측정할 수 있는 일반적인 정전용량형 터치 센서의 일 실시례를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일례와 관련된 곡면형 촉감소자의 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 곡면형 촉감소자에 적용될 수 있는 상부전극과 하부전극의 배열도의 일례를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 적용될 수 있는 촉감소자의 블록 구성도의 일례를 나타낸 것이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 곡면형 촉감소자의 위치 측정 원리를 설명하기 위한 상부전극과 하부전극 사이의 정전용량 변화를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 곡면형 촉감소자의 힘 측정 원리를 설명하기 위한 상부전극과 하부전극의 교차지점을 나타낸다.
도 7은 작은 힘에 의한 손가락 터치에 따른 상부전극과 하부전극 사이의 정전용량 변화를 나타낸다.
도 8은 큰 힘에 의한 손가락 터치에 따른 상부전극과 하부전극 사이의 정전용량 변화를 나타낸다.
도 9는 큰 힘에 의한 손가락 터치에 따른 상부전극과 하부전극 사이의 상대 정전용량을 나타낸다.
도 10은 펜 터치로 인한 상부전극과 하부전극 사이의 정전용량 변화를 나타낸다.
도 11은 3D 프린팅에 기반하여 본 발명의 곡면형 촉감소자를 형성하는 방법의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 12a 내지 도 12f는 도 11의 순서도에 따른 곡면형 촉감소자를 형성하는 방법의 일례를 나타내는 단면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시례에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일 실시례는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.

최근 사물 인터넷과 빅테이터의 활용에 대한 관심이 높아지면서 3D 프린터 기술이 널리 이용되며 삶의 많은 영역에서 편의를 제공하고 있다. 그러나, 종래의 3D 프린팅 기술은 촉각 센서나 촉각 액추에이터를 별도로 조립하는 방식으로 이루어짐에 따라 그 활용의 폭이 제한적이었다.

본 발명은 3D 프린터를 이용하여 촉감소자를 함께 형성함으로써 생산성이 증대될 수 있으며 안정성과 감도도 향상시킬 수 있는 곡면형 촉감소자 및 그 형성방법을 제안하고자 한다.

<3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자의 구성>

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명이 제안하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일례와 관련된 곡면형 촉감소자의 구성을 나타낸다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 같이, 본 발명의 곡면형 촉감소자(100)는 외피층(10), 지지층(20), 상부전극(30), 하부전극(40), 소자층(50), 신호처리부(60) 등을 포함할 수 있다. 단, 도 2a 및 도 2b에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 곡면형 촉감소자가 구현될 수도 있다.

도 2a에 도시된 것과 같이, 본 발명의 곡면형 촉감소자는 3D 프린팅 기법을 이용하여 제작되는 제 1 객체(110)의 표층에 형성될 수 있다. 여기서, 3D 프린팅 기법은 기본적으로 3D 프린터의 노즐을 통하여 분사되는 열가소성 수지 또는 광경화성 재료를 특정 위치에 형성하여 얇은 2D 레이어을 만들 수 있고, 상기 2D 레이어를 적층하여 3차원의 제 1 객체(110)를 만들 수 있다. 3D 프린팅 기법으로 제작되는 상기 제 1 객체(110)는 구, 타원 형상뿐만 아니라 사용자가 원하는 임의의 형태를 띨 수 있다.

본 발명의 곡면형 촉감소자(100)가 임의의 형상을 갖는 제 1 객체(110)의 표층에 적용되기 위해서는 도 2a에 도시된 것과 같이 곡면형 촉감소자(100)의 소자층(50)을 기둥 형상으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 곡면형 촉감소자(100)의 감도를 개선시키기 위해서는 소자층(50)을 고밀도로 형성하여야 하며, 바람직하게는 1~2개/㎟의 밀도 또는 그 이상의 밀도가 요구된다.

도 2b를 참조하면, 외피층(10)은 제 1 객체(110)의 표면을 이루는 부분이고, 외피층(10)과 지지층(20)은 소정의 간격으로 이격되어 있으며, 외피층(10)과 지지층(20)은 평행하게 결합되도록 배치된다.

외피층(10)은 외부의 힘에 의해 변형이 될 수 있도록 구현될 수도 있으며, 이는 강성이 작은 소자층(50)이나 버퍼층(54)을 변형시킬 수 있다.

상기 외피층(10)은 글래스(Glass), 고분자 또는 실리콘 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 지지층(20)은 글래스(Glass)나 고분자 등으로 이루어질 수 있다.

외피층(10)의 하면에는 복수의 상부전극(30)이, 지지층(20)의 상면에는 복수의 하부전극(40)이 형성될 수 있다. 복수의 상부전극(30)과 복수의 하부전극(40)은 구리(Cu), 은(Ag), 전도성 전극, 카본 복합체, 인듐 주석 산화물(Induim Tin Oxide, ITO), 탄소 나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 그래핀(Graphene), 금속 나노 와이어, 전도성 고분자(PEDOT, Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 또는 투명 전도성 산화물(TCO)로 이루어질 수 있다.

상기 복수의 상부전극(30)과 복수의 하부전극(40)의 구성을 살펴보기 위하여 도 3을 먼저 참조한다. 도 3은 본 발명의 곡면형 촉감소자에 적용될 수 있는 상부전극과 하부전극의 배열도의 일례를 나타낸다.

도 3에 도시한 것과 같이, 상부전극(30a, 30b, 30c, …)들이 횡방향으로 평행하게 배열되어 복수의 상부전극(30)을 형성할 수 있다. 마찬가지로, 하부전극(40a, 40b, 40c, 40d, …)들이 종방향으로 평행하게 배열되어 복수의 하부전극(40)을 형성할 수 있다.

단, 도 3의 복수의 상부전극(30) 및 복수의 하부전극(40)의 배치는 본 발명의 측정 원리를 간단하게 설명하기 위한 단순한 일례에 불과하며, 본 발명의 내용이 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 도 3에 도시한 것과는 달리, 상부전극(30a, 30b, 30c, …)들이 종방향으로 나란하게 배열되어 복수의 상부전극(30)을 형성하고, 하부전극(40a, 40b, 40c, 40d, …)들이 횡방향으로 나란하게 배열되어 복수의 하부전극(40)을 형성하는 배치는 통상의 기술자가 이로부터 자명하게 도출해낼 수 있다.

다시 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상기 복수의 상부전극(30)과 복수의 하부전극(40)은 서로 교차하는 방향으로 배치되며, 복수의 상부전극(30)과 복수의 하부전극(40)이 교차하는 부분에는 소자층(50)이 형성된다. 소자층(50)은 상부전극(30)의 하면과 하부전극(40)의 상면을 연결하도록 상기 교차 부분에 기둥 모양으로 형성될 수 있으며, 유전체나 저항체 등으로 이루어질 수 있다.

외피층(10)과 지지층(20) 사이의 소자층(50) 주위의 공간에는 공기나 유전체로 이루어진 버퍼층(54)이 채워질 수 있다.

소자층(50)은 신호선(52)에 의하여 신호처리부(60)와 연결되도록 구성되며, 신호처리부(60)는 소자층(50)에 대한 변환인자를 감지할 수 있다. 여기서, 변환인자로는 소자층(50)에 형성되는 커패시턴스, 저항, 전기신호 등이 이용될 수 있다.

상기 소자층(50)은 신호처리부(60)와 함께 동작하여 센서나 액추에이터로 기능할 수 있다. 본 발명에서 제공되는 센서 기능에는 터치의 센싱 뿐만 아니라 온도의 센싱도 포함될 수 있다. 신호처리부(60)는 센서와 액추에이터 기능을 적절히 스위칭하여 양 기능을 모두 제공하도록 구현될 수도 있다.

이러한 센서와 액추에이터의 구체적인 구성을 살펴보기 위하여 도 4를 참조한다. 도 4는 본 발명에 적용될 수 있는 촉감소자의 블록 구성도의 일례를 나타낸 것이다.

신호처리부(60)는 통상적으로 본 발명의 곡면형 촉감소자(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 예를 들어, 사람의 손가락이나 스타일러스(stylus)와 같은 소정의 터치수단의 터치 감지, 촉각 피드백 출력을 위한 신호 발생 등을 위한 관련된 제어 및 처리를 수행한다.

상기 소자층(50)은 센서(58a) 및 액추에이터(58b) 기능을 포함할 수 있으며, 신호처리부(60)는 센서 제어부(62) 및 액추에이터 제어부(64) 등을 포함할 수 있다. 단, 이보다 많거나 적은 구성요소를 갖는 소자층(50) 및 신호처리부(60)의 구현도 가능하다.

센서 제어부(62)는 소자층(50)의 센서(58a)가 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10) 상면의 전체 영역 중 일부에 소정의 터치수단이 터치하는 경우 이를 감지하도록 제어할 수 있다. 나아가, 센서 제어부(62)는 상기 터치수단의 터치로 인하여 상부전극(30)과 하부전극(40) 사이의 커패시턴스가 변화하는 경우, 변화된 커패시턴스를 감지하도록 구현될 수 있으며, 이를 이용하여 터치수단의 터치 위치 등을 검출할 수 있다.

센서 제어부(62)는 반드시 신호처리부(60)와 통합되어 구현될 필요는 없으며, 신호처리부(60)와 별도로 구현될 수도 있다.

액추에이터 제어부(64)는 외피층(10) 상면에 터치수단이 터치하는 경우, 촉각 피드백을 출력하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 상기 제어신호는 액추에이터(58b)로 입력되며, 액추에이터(58b)가 촉각 피드백을 출력하도록 제어할 수 있다.

액추에이터(58b)는 터치수단의 터치에 대응하여 진동, 마찰력 등과 같은 촉각 피드백을 출력하기 위한 기기이다. 액추에이터(58b)는 신호처리부(60)의 액추에이터 제어부(64)와 연결되어 있으며, 액추에이터 제어부(64)의 촉각 피드백 출력을 위한 제어신호를 입력받아 작동할 수 있다. 또한, 액추에이터(58b)는 상기 터치수단이 터치한 위치에만 촉각 피드백을 국부적으로 출력시킬 수도 있다.

<3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자의 동작>

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명이 제안하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자의 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 곡면형 촉감소자(100)는 상술한 바와 같이 센서 또는 액추에이터의 기능을 제공할 수 있다.

본 발명의 곡면형 촉감소자(100)가 온도를 감지하기 위한 센서로 기능하는 경우에는 소자층(50)으로 온도에 감응하여 변환인자가 변화되는 재료를 사용할 수 있다. 외부 온도에 의하여 소자층(50)의 변환인자가 변경되는 경우, 신호처리부(60)는 이를 감지하여 온도를 센싱할 수 있다.

본 발명의 곡면형 촉감소자(100)가 터치수단에 의한 터치를 감지하기 위한 센서로 기능하는 경우에는 정전용량방식, 저항방식 및 압전재료방식 등이 적용될 수 있다.

구체적으로, 소자층(50)이 유전체로 이루어진 경우에는 정전용량방식의 센서 또는 액추에이터 기능을 제공할 수 있고, 소자층(50)이 저항체로 이루어진 경우에는 저항방식의 센서 기능을 제공할 수 있으며, 소자층(50)이 압전소자로 이루어진 경우에는 압전재료방식의 센서 기능을 제공할 수 있다.

저항방식의 경우, 터치수단의 터치에 따라 저항체로 이루어진 소자층(50)의 저항이 변화하며, 신호처리부(60)는 소자층(50)의 저항 변화를 감지하여 터치수단의 접촉 위치나 접촉 힘을 측정할 수 있다.

압전재료방식의 경우, 터치수단의 터치에 따라 압전소자로 이루어진 소자층(50)으로부터 전기신호가 생성되며, 신호처리부(60)는 상기 전기신호를 감지하여 터치수단의 접촉 위치나 접촉 힘을 측정할 수 있다.

한편, 정전용량방식에서 터치수단에 의한 근접, 접촉 위치 및 접촉 힘을 측정하는 원리를 도 5a 내지 도 5c 및 도 6을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 곡면형 촉감소자의 위치 측정 원리를 설명하기 위한 상부전극과 하부전극 사이의 정전용량 변화를 나타낸다.

도 5a에 도시한 것과 같이, 복수의 상부전극(30)과 복수의 하부전극(40)에 전압이 인가되면 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이에 전기장(Electric Field)이 발생하며, 상호 정전용량(Mutual Capacitance) C₁ 이 형성될 수 있다. 상호 정전용량 C₁ 은 상부전극(30a)과 하부전극(40a)이 겹쳐지지 않는 부분 사이에서 형성되는 커패시턴스이다.

도 5b에 도시한 것과 같이, 손가락과 같은 도체가 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)으로 근접하게 되면, 상부전극(30a)과 하부전극(40a)이 겹쳐지지 않는 부분 사이에 형성되었던 전기장의 일부가 손가락 측으로 흡수되며, 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 상호 정전용량이 작아진다.

도 5c에 도시한 것과 같이, 손가락과 같은 유전체가 더욱 근접하여 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 접촉하게 되면, 손가락 측으로 흡수되는 전기장의 양이 더욱 많아지며, 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 상호 정전용량이 더욱 감소한다.

손가락이 외피층(10)에 접촉하였을 때 감소되는 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 상호 정전용량을 ΔC₁ 이라고 한다면, 접촉 시의 상호 정전용량은 C₁ - ΔC₁ 이라고 할 수 있다.

다음으로, 도 6은 본 발명의 곡면형 촉감소자의 힘 측정 원리를 설명하기 위한 상부전극과 하부전극의 교차지점을 나타낸다.

도 6에 도시한 것과 같이, 복수의 상부전극(30)과 복수의 하부전극(40)에 전압이 인가되면 상부전극(30a)과 하부전극(40a)이 겹쳐지는 면적의 공간에 전기장이 발생하며, 상호 정전용량 C₀ 가 형성될 수 있다.

외부의 힘이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 인가되면, 이에 의해 그 지점의 상부전극(30a)과 하부전극(40a)의 간격이 좁아지며, 상호 정전용량 C₀ 의 변화를 유발할 수 있다. 일반적으로 커패시터의 정전용량 C 는 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 1에서 ε_o 는 진공에서의 유전율로써 약 8.85 pF/m 이고, ε_r 은 유전체의 유전상수이며, A 는 전극의 면적이고, d 는 양 전극 간의 간격이다.

상기 수학식 1에서 볼 수 있듯이, 양 전극의 간격 d 가 작아지면, 커패시터의 정전용량 C 는 이에 반비례하여 커지게 된다. 따라서, 외부의 힘으로 인해 외피층(10)이 눌러져 상부전극(30a)과 하부전극(40a)의 간격이 좁아지면, 상호 정전용량 C_o 는 커지게 된다.

즉, 외부의 힘이 외피층(10)의 상면에 인가되었을 때 증가된 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 상호 정전용량을 ΔC_o 라고 한다면, 이때의 상호 정전용량은 C_o + ΔC_o 라고 할 수 있다. 따라서, 상기 증가한 상호 정전용량 값 ΔC_o 를 파악하여 접촉 힘의 크기를 측정할 수 있다.

한편, 본 발명의 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10) 상면에는 터치수단이 접촉될 수 있으며, 상기 터치수단에는 손가락과 같은 도체와 펜과 같은 비도체가 이용될 수 있다.

먼저, 일반적인 손가락 터치로 인한 시간에 따른 정전용량 변화의 원리를 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한다.

도 7은 작은 힘에 의한 손가락 터치에 따른 상부전극과 하부전극 사이의 정전용량 변화를 나타낸다. 도 7에서 d 는 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)과 손가락 사이의 거리를 나타낸다. 단, 도 7은 본 발명의 곡면형 촉감소자(100)의 일 실시례에 따른 정전용량의 변화를 나타내며, 본 발명의 효과가 이에 한정되는 것은 아니다.

곡면형 촉감소자(100)의 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 정전용량은 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

상기의 수학식 2에서 C_tot 는 곡면형 촉감소자(100)의 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 전체 정전용량 값이고, C_ini 는 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 초기 정전용량 값이며, ΔC_o 는 외피층(10)이 눌러지는 힘에 의해 증가되는 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 정전용량 값이고, ΔC₁ 은 손가락이 외피층(10)에 근접하거나 미세한 터치가 있을 때 감소되는 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 정전용량 값이다.

도 7에서, 제 1구간은 손가락이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 근접하기 전의 상태에 해당한다. 제 1구간에서 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 전체 정전용량은 초기의 정전용량 값인 C_ini 로 일정하게 유지된다.

제 2구간은 손가락이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 근접하면서부터 외피층(10)을 접촉하기 직전까지의 상태에 해당한다. 제 2구간에서는 손가락의 근접으로 인해 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 전기장이 손가락 측으로 조금씩 흡수되며, ΔC₁ 이 점차 증가한다. 다만, 아직 접촉이 없으므로 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 간격은 그대로이고, ΔC_o 는 0 이 된다. 이에 따라, 제 2 구간에서의 전체 정전용량 값은 수학식 2에 따라 점차 감소하게 된다.

제 3구간은 손가락이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 접촉하여 미세한 힘을 가하는 상태에 해당한다. 제 3구간에서는 제 2구간에서보다 손가락이 더 근접하게 되므로 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 전기장이 손가락 측으로 더 흡수가 되며, ΔC₁ 도 제 2구간에서보다 더 크게 증가한다. 제 3구간에서는 미세한 압력만을 가하기 때문에 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 간격도 미세하게만 좁혀지는 상태이며, ΔC_o 는 작은 값을 가지게 된다. 이에 따라, 도 7에서 볼 수 있듯이, 전체 정전용량 값은 수학식 2에 따라 제 2구간에서보다 더 가파르게 감소하게 된다.

제 4구간은 손가락이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 접촉하여 점점 더 강한 힘을 가하는 상태에 해당한다. 제 4구간에서는 손가락으로 외피층(10)에 점점 큰 힘을 가하게 되므로 변형이 일어나며, 이 지점의 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 간격도 제 3구간에 비하여 더 크게 줄어들게 된다. 수학식 1에서 볼 수 있듯이, 양 전극의 간격이 작아지면 정전용량은 증가하게 되므로, ΔC_o 가 크게 증가한다. 이에 따라, 도 7에서 볼 수 있듯이, 접촉힘에 의해 전체 정전용량 값은 증가하게 된다.

제 5구간은 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 강한 힘을 가하던 손가락에서 힘을 점점 줄이면서 미세한 힘만을 가하기 직전까지의 상태이다. 제 5구간에서는 큰 힘이 가해졌던 외피층(10)에 힘을 빼면서 변형상태도 원상태로 복귀가 되며, 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 간격은 다시 증가하게 된다. 수학식 1에서 볼 수 있듯이, 양 전극의 간격이 커지면 정전용량은 감소하게 되므로, ΔC_o 가 크게 감소한다. 이에 따라, 도 7에서 볼 수 있듯이, 전체 정전용량 값은 다시 감소하게 된다.

제 6구간은 손가락이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 미세한 힘을 가하는 상태에서부터 외피층(10)에 접촉을 해제하기 직전까지의 상태에 해당한다. 제 6구간에서는 손가락 측으로 흡수가 되었던 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 전기장이 줄어들면서, ΔC₁ 도 감소한다. 제 6구간에서는 미세한 압력만이 가해지기 때문에 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 간격도 미세하게만 좁혀지는 상태이며, ΔC_o 는 작은 값을 가지게 된다. 이에 따라, 도 7에서 볼 수 있듯이, 전체 정전용량 값은 수학식 2에 따라 다시 증가하게 된다.

제 7구간은 손가락이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 접촉을 해제하면서부터 점점 멀어지는 상태로서 근접 구간에 해당한다. 제 7구간에서는 제 6구간에서보다 손가락이 외피층(10)에서 더 멀어지게 되므로 손가락 측으로 흡수되던 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 전기장이 감소하며, ΔC₁ 도 제 6구간에서보다 더 작아진다. 다만, 접촉이 해제된 후이므로 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 간격은 그대로이고, ΔC_o 는 0 이 된다. 이에 따라, 도 7에서 볼 수 있듯이, 전체 정전용량 값은 수학식 2에 따라 제 6구간에서보다 더 완만하게 증가하게 된다.

제 8구간은 손가락이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에서 멀어져 근접하지 않는 상태에 해당한다. 제 8구간에서 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 전체 정전용량은 다시 초기의 정전용량 값인 C_ini 로 일정하게 유지된다.

도 8은 큰 힘에 의한 손가락 터치에 따른 상부전극과 하부전극 사이의 정전용량 변화를 나타낸다.

손가락으로 도 7보다 큰 힘을 인가하는 경우에는 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 간격이 도 7보다 더 좁혀지게 된다. 상기 수학식 1에 나타난 것과 같이 양 전극의 간격이 작아지면 정전용량은 커지게 되므로, ΔC_o 가 크게 증가한다. 이에 따라, 도 8의 제 4구간과 제 5구간에서는 도 7의 제 4구간과 제 5구간보다 전체 정전용량의 변화가 더 크게 나타난다.

상기 도 8과 같은 전체 정전용량 변화를 이용하여 손가락의 근접, 접촉 위치 및 힘을 측정하는 원리를 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9는 큰 힘에 의한 손가락 터치에 따른 상부전극과 하부전극 사이의 상대 정전용량을 나타낸다.

큰 힘에 의한 손가락 터치에 따른 근접, 접촉 위치 및 힘을 측정하기 위하여, 먼저 복수의 상부전극(30)과 복수의 하부전극(40) 사이에 형성되는 시간에 따른 커패시턴스의 변동을 측정하며, 이는 상기 도 8과 같이 도시할 수 있다. 상기 측정된 시간에 따른 커패시턴스의 변동을 이용하여 도 9에 나타난 것과 같은 상대 정전용량을 구할 수 있다.

여기서 상대 전정용량이란 초기 커패시턴스 값을 기준으로 손가락이 근접, 접촉 및 힘을 가함에 따라 변동되는 커패시턴스의 값을 나타낸 것이며, 시간에 따른 커패시턴스의 변동량에 절대값을 취한 값을 의미한다. 즉, 초기 커패시턴스 값을 0으로 하였을 때, 시간에 따른 커패시턴스의 변동을 표현한 것이다.

도 9 참조하면, 제 1구간은 손가락이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 근접하기 전의 상태로서, 제 1구간에서 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 전체 정전용량은 초기의 정전용량 값인 C_ini 로 일정하게 유지된다. 따라서, 제 1구간에서 상대 정전용량은 0 이 된다.

제 2구간은 손가락이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 근접하면서부터 외피층(10)을 접촉하기 직전까지의 상태로서, 제 2 구간에서의 전체 정전용량 값은 도 8에 나타낸 것과 같이 시간에 따라 완만하게 감소하게 된다. 따라서, 제 2구간에서 상대 정전용량은 도 9에 도시된 것과 같이 완만하게 증가하게 된다.

제 3구간은 손가락이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 접촉하여 미세한 힘을 가하는 상태로서, 전체 정전용량 값은 제 2구간에서보다 더 가파르게 감소하게 된다. 따라서, 제 3구간에서 상대 정전용량은 제 2구간에서보다 가파르게 증가하게 된다.

제 4구간은 손가락이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 접촉하여 점점 더 강한 힘을 가하는 상태로서, 도 8에서 볼 수 있듯이 상부전극(30a)과 하부전극(40a)의 겹쳐지는 면적의 증대로 의해 전체 정전용량 값은 크게 증가한다. 따라서, 제 4구간에서 상대 정전용량은 도 9에 도시한 것과 같이 크게 변화된다.

제 5구간은 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 강한 힘을 가하던 손가락에서 힘을 점점 줄이면서 미세한 힘만을 가하기 직전까지의 상태로서, 도 8에서 볼 수 있듯이 전체 정전용량 값은 다시 크게 감소한다. 따라서, 제 5구간에서 상대 정전용량은 도 9에 도시한 것과 같이 크게 변화된다.

제 6구간은 손가락이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 미세한 힘을 가하는 상태에서부터 외피층(10)에 접촉을 해제하기 직전까지의 상태로서, 도 8에서 볼 수 있듯이 전체 정전용량 값은 다시 증가한다. 따라서, 제 6구간에서 상대 정전용량은 도 9에 도시한 것과 같이 감소한다.

제 7구간은 손가락이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 접촉을 해제하면서부터 점점 멀어지는 상태로서, 도 8에서 볼 수 있듯이 전체 정전용량 값은 제 6구간에서보다 더 완만하게 증가한다. 따라서, 제 7구간에서 상대 정전용량은 제 6구간에서보다 더 완만하게 감소한다.

제 8구간은 손가락이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에서 멀어져 근접하지 않는 상태로서, 전체 정전용량은 다시 초기의 정전용량 값인 C_ini 로 일정하게 유지된다. 따라서, 제 8구간에서 상대 정전용량은 0 이 된다.

상기 도 9의 상대 정전용량을 이용하면 손가락 터치에서 근접, 접촉 위치 및 힘을 측정할 수 있다. 즉, 제 2구간과 제 3구간, 제 6구간, 제 7구간의 상대 정전용량의 변화인 변화폭 A를 이용하면, 손가락이 근접하거나 미세한 힘을 가하는 경우 손가락의 접촉위치를 측정할 수 있다.

이러한 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 인가되는 미세한 힘은 20 g 이하의 힘으로 설계할 수 있으며, 바람직하게는 80 g 이하의 힘으로 설계할 수 있다. 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 손가락이 근접하거나 미세한 힘이 인가되는 경우에도 민감하게 반응하여 접촉위치를 측정할 수 있다.

또한 제 4구간과 제 5구간의 상대 정전용량의 변화인 변화폭 B를 이용하면, 손가락으로 큰 힘을 가하는 경우 가해지는 힘의 크기를 측정할 수 있다.

다음으로, 펜 터치로 인한 시간에 따른 정전용량 변화를 도 10을 참조하여 설명한다.

도 10은 펜 터치로 인한 상부전극과 하부전극 사이의 정전용량 변화를 나타낸다. 도 10에서 d는 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)과 펜 사이의 거리를 나타낸다. 단, 도 10은 본 발명의 곡면형 촉감소자(100)의 일 실시례에 따른 정전용량의 변화를 나타내며, 본 발명의 효과가 이에 한정되는 것은 아니다.

도 10에서와 같이 비전도성 물질인 펜을 사용하여 터치를 하는 경우에는 펜을 외피층(10) 측으로 근접시키더라도 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 전기장이 흡수되지 않으며, 제 1구간 내지 제 8구간의 전 구간에서 ΔC₁ 은 0 이 된다.

상기 도 7에서와 마찬가지로, 도 10에서 제 1구간은 펜이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 근접하기 전의 상태이고, 제 2구간은 펜이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 근접하면서부터 외피층(10)을 접촉하기 직전까지의 상태에 해당한다.

제 1구간과 제 2구간에서는 외피층(10)에 압력이 가해지기 전이므로 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 전체 정전용량은 초기의 정전용량 값인 C_ini 로 일정하게 유지된다.

제 3구간은 펜이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 접촉하여 미세한 힘을 가하는 상태이고, 제 4구간은 펜이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 접촉하여 점점 더 강한 힘을 가하는 상태에 해당한다.

제 3구간과 제 4구간에서는 펜으로 외피층(10)에 점점 큰 힘을 가하게 되므로 강성이 변형이 발생하게 되며, 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 간격이 줄어들게 된다. 수학식 1에서 볼 수 있듯이, 양 전극의 간격이 작아지면 정전용량은 증가하게 되므로, ΔC_o 는 증가하게 된다. 이에 따라, 도 10에서 볼 수 있듯이, 제 3구간과 제 4구간에서는 접촉힘에 의해 전체 정전용량 값은 증가하게 된다.

제 5구간은 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 강한 힘을 가하던 펜에서 힘을 점점 줄이면서 미세한 힘만을 가하기 직전까지의 상태이고, 제 6구간은 펜이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 미세한 힘을 가하는 상태에서부터 외피층(10)에 접촉을 해제하기 직전까지의 상태에 해당한다.

제 5구간과 제 6구간에서는 외피층(10)을 누르고 있던 펜의 힘을 빼면서 변형도 원상태로 복귀가 되며, 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 간격은 다시 증가하게 된다. 수학식 1에서 볼 수 있듯이, 양 전극의 간격이 커지면 정전용량은 감소하게 되므로, ΔC_o 는 감소하게 된다. 이에 따라, 도 10에서 볼 수 있듯이, 제 5구간과 제 6구간에서는 전체 정전용량 값은 감소하게 된다.

제 7구간은 펜이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 접촉을 해제하면서부터 근접에서부터 점점 멀어지는 상태이고, 제 8구간은 펜이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에서 멀어져 근접하지 않는 상태에 해당한다.

제 7구간과 제 8구간에서는 접촉이 해제된 후이므로 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 간격은 그대로이고, ΔC_o 는 0 이 된다. 이에 따라, 상부전극(30a)과 하부전극(40a) 사이의 전체 정전용량은 다시 초기의 정전용량 값인 C_ini 로 일정하게 유지된다.

상기 도 7 내지 도 10에서 볼 수 있듯이, 손가락과 같은 도체를 이용하거나 플라스틱 펜과 같은 부도체를 이용하여 곡면형 촉감소자(100)을 터치하는 경우 정전용량의 변화가 발생하며, 이러한 정전용량이 변화를 검출하여 접촉 위치나 접촉 힘의 크기 등을 측정할 수 있다.

한편, 곡면형 촉감소자(100)가 액추에이터의 기능을 제공하는 경우를 살펴본다.

본 발명의 곡면형 촉감소자(100)는 촉각 피드백을 제공할 수 있는 액추에이터로서 구현될 수 있으며, 이때 촉각 피드백은 마찰력 및 정전기력을 포함할 수 있다.

구체적으로, 손가락과 같은 터치수단이 곡면형 촉감소자(100)의 외피층(10)에 접촉하여 터치가 이루어지면, 촉각 피드백으로 외피층(10)에 수직하는 방향의 진동이 발생할 수 있다. 이는 복수의 상부전극(30)과 복수의 하부전극(40) 사이에 형성된 정전기력에 의하여 발생하는 촉각 피드백이다. 상기 정전기력은 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

은 정전기력이고,

는 진공의 유전율이며,

은 유전상수이고,

는 상부전극(30)과 하부전극(40)이 겹쳐지는 면적의 넓이이며,

는 상기 전극에 인가되는 전압이고,

은 상기 상부전극(30)과 하부전극(40) 사이의 간격을 나타낸다.

또한, 터치수단이 외피층(10)을 접촉하며 움직이는 경우에는, 촉각 피드백으로 외피층(10)을 접촉하는 터치수단의 표면에 수평하는 방향의 마찰력이 발생한다. 이는 복수의 상부전극(30)과 터치수단 사이에 형성된 정전기력에 의하여 발생하는 촉각 피드백이다.

상기 촉각 피드백으로서 마찰력을 보다 구체적으로 살펴본다.

사용자가 손가락과 같은 터치수단을 이용하여 터치를 입력하는 경우, 터치수단의 상하로 누르는 힘보다 터치수단의 움직임에 의하여 발생되는 정전기력에 따른 마찰력이 가장 민감하게 변화될 수 있다.

터치수단에 의한 누르는 힘을

라고 하고, 터치수단과 전극(30, 40) 사이에 발생되는 정전기력을

라고 가정하자.

손가락 피부의 피하층은 비전도층과 전도층으로 도식화될 수 있으므로, 전극이 하나의 판을 형성하고, 손가락의 전도층이 다른 하나의 판을 형성하므로, 이는 평행판 커패시터로 모델링 될 수 있다.

따라서, 전극에 전압을 인가하는 경우, 손가락과 전극 사이에 하기의 수학식 4의 정전기력이 발생된다.

상기 수학식 4에서,

는 손가락과 전극 사이의 정전기력이고,

는 진공의 유전율이며,

은 유전상수이고,

는 전극과 손가락이 겹쳐지는 면적의 넓이이며,

는 전극에 인가되는 전압이고,

는 전극과 손가락 사이의 간격을 나타낸다.

또한, 손가락에 의한 누르는 힘

와 손가락과 전극 사이에 발생되는 정전기력

에 의하여 발생하는 마찰력은 하기의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 5에서,

는 발생된 전체 마찰력을 의미하고,

는 마찰계수이며,

는 누르는 힘에 의하여 발생된 마찰력이고,

는 정전기력에 의하여 발생된 마찰력을 나타낸다.

여기서,

의 값은

의 값에 비하여 현저히 작으므로 무시될 수 있고, 결국 전체 마찰력은

에 의하여 결정된다.

따라서, 손가락을 움직이는 경우, 손가락과 전극 사이에 발생된 정전기력에 의하여 마찰력이 촉각 피드백으로 발생하게 된다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이 상기 마찰력은 수평방향의 촉각 피드백에 해당한다.

<3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자의 형성방법>

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명이 제안하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자의 형성방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 11은 3D 프린팅에 기반하여 본 발명의 곡면형 촉감소자를 형성하는 방법의 일례를 나타내는 순서도이고, 도 12a 내지 도 12f는 도 11의 순서도에 따른 곡면형 촉감소자를 형성하는 방법의 일례를 나타내는 단면도이다.

3D 프린팅에 기반하여 제작되는 제 1 객체(110)의 표층에 본 발명에 따른 곡면형 촉감소자(100)를 형성하기 위해서는, 먼저 도 12a에 도시된 것과 같이 지지층(20)의 형성이 완료되어야 하며(S10), 도 12b에 도시된 것과 같이 3D 프린팅을 이용하여 복수의 하부전극(40)의 형성을 완료하여야 한다(S20).

여기서, 지지층(20)은 적층이 용이한 열가소성 수지나 광경화성 재료를 사용할 수 있다. 또한, 복수의 하부전극(40)은 도 3에 도시된 것과 같이 지지층(20)의 상면에 소정 간격으로 평행하게 배치되도록 형성될 수 있다.

다음으로, 도 12c에 도시된 것과 같이 3D 프린팅을 이용하여 복수의 하부전극(40)의 상면에 소자층(50)의 형성을 완료한다(S30). 소자층(50)은 복수의 상부전극(30)과 복수의 하부전극(40)이 교차하는 부분에 원기둥 형태로 이루어질 수 있도록 형성된다.

상기 소자층(50)은 센싱 방식에 따라 유전체, 저항체, 압전소자 등을 이용할 수 있으며, 고분자 또는 카본기반의 복합재료로 구성될 수 있다. 또한, 소자층(50)은 적층이 용이한 열가소성 수지나 광경화성 재료를 사용할 수 있다.

다음으로, 도 12d에 도시된 것과 같이 신호선(52)에 의하여 복수의 소자층(50)과 연결되는 신호처리부(60)를 설치한다(S40). 상기 S40 단계는 상부전극(30)이 형성되기 이전의 임의의 단계에서 수행될 수 있으며, 반드시 도 11에 도시된 것과 같은 순서에 따르는 것은 아니다.

또한, 3D 프린터를 이용하여 신호처리부(60)를 설치는 하는 것은 기술적으로 불가능하며, SMT 장비 등을 이용하여 장착할 수 있다.

다음으로, 도 12e에 도시된 것과 같이 3D 프린팅을 이용하여 복수의 하부전극(40)과 교차하는 방향으로 복수의 상부전극(30)의 형성을 완료한다(S50). 복수의 상부전극(30)은 도 3에 도시된 것과 같이 외피층(10)의 하면에 소정 간격으로 평행하게 배치되도록 형성될 수 있으며, 복수의 상부전극(30)과 복수의 하부전극(40)은 서로 90도를 이루도록 교차 배열될 수 있다.

또한, 여기서 외피층(10)의 안정적인 지지를 위하여 중간부(56)가 추가로 형성될 수 있다.

다음으로, 도 12f에 도시된 것과 같이 3D 프린팅을 이용하여 외피층(10)의 형성을 완료하여 본 발명의 곡면형 촉감소자(100)를 완성할 수 있다(S60). 여기서, 외피층(10)은 적층이 용이한 열가소성 수지나 광경화성 재료를 사용할 수 있다.

외피층(10)과 지지층(20) 사이의 공간에 공기나 유전체로 이루어진 버퍼층(54)을 형성하기 위하여 외피층(10)과 지지층(20) 사이의 빈 공간에 다른 물질을 채워넣을 수 있다. 상기 물질은 본 발명의 곡면형 촉감소자(100)의 형성 후 제거되면서 버퍼층(54)이 형성될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 곡면형 촉감소자에 의하면 3D 프린팅 기술을 활용하여 용이하고 신속하게 촉각 감각을 제공할 수 있는 3차원 형상을 제작할 수 있으며, 디자인적으로 우수하며 제작이 효율적인 제품을 대량으로 공급할 수 있으므로 그 활용의 폭이 매우 클 것으로 예상된다.

한편, 본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분상방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행할 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시례들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시례들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시례들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

10: 외피층
20: 지지층
30: 복수의 상부전극
40: 복수의 하부전극
50: 소자층
52: 신호선
54: 버퍼층
56: 중간부
58: 액추에이터
60: 신호처리부
62: 센서부
64: 신호발생부
100: 촉감소자
110: 제 1 객체

Claims (19)

1. 3D 프린팅 기법으로 제작되는 제 1 객체의 표층에 형성된 곡면형 촉감소자에 있어서,
   상기 제 1 객체의 표면을 이루고, 상면의 적어도 일부인 제 1 터치영역에 터치수단이 접촉될 수 있는 외피층;
   상기 외피층의 하부에 상기 외피층과 이격되어 형성되는 지지층;
   상기 외피층의 하면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 상부전극;
   상기 지지층의 상면에 소정 간격으로 평행하게 배치되고, 상기 복수의 상부전극과 교차하는 방향으로 배치되는 복수의 하부전극;
   상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극이 교차하는 부분 각각에 형성되는 복수의 소자층; 및
   상기 복수의 소자층과 연결되어 상기 복수의 소자층 각각에 대한 변환인자를 감지하는 신호처리부;를 포함하되,
   상기 지지층, 상기 하부전극, 상기 소자층, 상기 상부전극 및 상기 외피층은 상기 3D 프린팅을 이용하여 형성되고,
   상기 터치수단의 접촉에 의하여 제 1 소자층과 관련된 제 1 변환인자가 변화되고, 상기 제 1 소자층은 상기 복수의 상부전극 중 적어도 하나인 제 1 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 하부전극 사이에 형성된 것이며,
   상기 신호처리부는 상기 제 1 변환인자의 변화를 이용하여 상기 터치수단을 감지하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 변환인자는,
   상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극에 의해 상기 복수의 소자층에 형성되는 커패시턴스인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 터치수단의 접촉에 대응하여 상기 제 1 상부전극과 상기 제 1 하부전극 사이의 이격거리가 변화되지 않는 경우,
   상기 터치수단의 접촉에 대응하여 변화되는 상기 제 1 상부전극과 상기 제 1 하부전극 사이의 제 1 전기장의 변화 정도에 따라 상기 제 1 소자층에 형성되는 제 1 커패시턴스의 변화가 유도되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 터치수단의 접촉에 대응하여 상기 제 1 상부전극과 상기 제 1 하부전극 사이의 이격거리가 변화되는 경우,
   상기 이격거리의 변화 정도에 따라 상기 제 1 소자층에 형성되는 제 1 커패시턴스의 변화가 유도되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 변환인자는,
   상기 복수의 소자층에 형성되는 저항인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 변환인자는,
   상기 복수의 소자층에서 발생되는 전기신호인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
7. 3D 프린팅 기법으로 제작되는 제 1 객체의 표층에 형성된 곡면형 촉감소자에 있어서,
   상기 제 1 객체의 표면을 이루는 외피층;
   상기 외피층의 하부에 상기 외피층과 이격되어 형성되는 지지층;
   상기 외피층의 하면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 상부전극;
   상기 지지층의 상면에 소정 간격으로 평행하게 배치되고, 상기 복수의 상부전극과 교차하는 방향으로 배치되는 복수의 하부전극;
   상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극이 교차하는 부분 각각에 형성되고, 촉각 피드백을 출력할 수 있는 복수의 소자층; 및
   상기 복수의 소자층과 연결되어 상기 복수의 소자층 각각에 대한 변환인자를 감지하는 신호처리부;를 포함하되,
   상기 지지층, 상기 하부전극, 상기 소자층, 상기 상부전극 및 상기 외피층은 상기 3D 프린팅을 이용하여 형성되고,
   터치수단의 접촉에 의하여 제 1 소자층과 관련된 제 1 변환인자가 변화되고, 상기 제 1 소자층은 상기 복수의 상부전극 중 적어도 하나인 제 1 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 하부전극 사이에 형성된 것이며,
   상기 신호처리부는 상기 제 1 변환인자의 변화에 대응한 제어신호를 상기 제 1 소자층으로 전송하고, 상기 제 1 소자층은 상기 제어신호에 대응하여 상기 촉각 피드백을 출력하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 변환인자는,
   상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극에 의해 상기 복수의 소자층에 형성되는 커패시턴스인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
9. 3D 프린팅 기법으로 제작되는 제 1 객체의 표층에 형성된 곡면형 촉감소자에 있어서,
   상기 제 1 객체의 표면을 이루는 외피층;
   상기 외피층의 하부에 상기 외피층과 이격되어 형성되는 지지층;
   상기 외피층의 하면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 상부전극;
   상기 지지층의 상면에 소정 간격으로 평행하게 배치되고, 상기 복수의 상부전극과 교차하는 방향으로 배치되는 복수의 하부전극;
   상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극이 교차하는 부분 각각에 형성되는 복수의 소자층; 및
   상기 복수의 소자층과 연결되어 상기 복수의 소자층 각각에 대한 변환인자를 감지하는 신호처리부;를 포함하되,
   상기 지지층, 상기 하부전극, 상기 소자층, 상기 상부전극 및 상기 외피층은 상기 3D 프린팅을 이용하여 형성되고,
   외부 온도에 감응하여 제 1 소자층과 관련된 제 1 변환인자가 변화되고, 상기 제 1 소자층은 상기 복수의 상부전극 중 적어도 하나인 제 1 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 하부전극 사이에 형성된 것이며,
   상기 신호처리부는 상기 제 1 변환인자의 변화를 이용하여 상기 외부 온도를 감지하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
10. 제 1항, 제 7항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 외피층과 상기 지지층 사이의 공간을 이루는 버퍼층;을 더 포함하되,
    상기 버퍼층은 공기 및 유전체 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
11. 제 1항, 제 7항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 외피층 및 상기 지지층은,
    글래스(Glass), 강화 고분자 또는 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
12. 제 1항, 제 7항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 외피층, 상기 지지층 및 상기 소자층 중 적어도 하나는,
    열가소성 수지 또는 광경화성 수지를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
13. 제 1항, 제 7항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 복수의 상부전극 및 상기 복수의 하부전극은,
    은(Silver), 전도성 전극, 카본 복합체 및 인듐 주석 산화물(Induim Tin Oxide, ITO) 투명 전극 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
14. 제 1항, 제 7항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 복수의 소자층과 상기 소자층은 신호선에 의하여 연결되고,
    상기 신호선은,
    은(Silver), 전도성 전극, 카본 복합체 및 인듐 주석 산화물(Induim Tin Oxide, ITO) 투명 전극 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
15. 제 1항, 제 7항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 복수의 소자층 각각은,
    상기 복수의 상부전극 중 임의로 선택된 제 2 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 임의로 선택된 제 2 하부전극이 교차되는 부분에서 상기 제 2 상부전극의 하면과 상기 제 2 하부전극의 상면을 연결하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자.
16. 3D 프린팅 기법으로 제작되는 제 1 객체의 표층에 촉감소자를 형성하는 방법에 있어서,
    상기 촉감소자는, 상기 제 1 객체의 표면을 이루는 외피층; 상기 외피층의 하부에 상기 외피층과 이격되는 지지층; 상기 외피층의 하면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 상부전극; 상기 지지층의 상면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 하부전극; 복수의 소자층; 및 상기 복수의 소자층 각각에 대한 변환인자를 감지하는 신호처리부;를 포함하고,
    상기 촉감소자의 형성방법은,
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 지지층의 형성을 완료하는 제 1 단계;
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극의 형성을 완료하는 제 2 단계;
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극의 상면에 상기 복수의 소자층의 형성을 완료하는 제 3 단계;
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극과 교차하는 방향으로 상기 복수의 상부전극의 형성을 완료하는 제 4 단계; 및
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 외피층의 형성을 완료하는 제 5 단계;를 포함하되,
    상기 제 3 단계에서 형성되는 상기 복수의 소자층 각각은 상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극이 교차하는 부분에 위치되고,
    상기 외피층 상면의 적어도 일부인 제 1 터치영역에는 터치수단이 접촉될 수 있으며,
    상기 터치수단의 접촉에 의하여 제 1 소자층과 관련된 제 1 변환인자가 변화되고, 상기 제 1 소자층은 상기 복수의 상부전극 중 적어도 하나인 제 1 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 하부전극 사이에 형성된 것이며,
    상기 신호처리부는 상기 제 1 변환인자의 변화를 이용하여 상기 터치수단을 감지하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자의 형성방법.
17. 3D 프린팅 기법으로 제작되는 제 1 객체의 표층에 촉감소자를 형성하는 방법에 있어서,
    상기 촉감소자는, 상기 제 1 객체의 표면을 이루는 외피층; 상기 외피층의 하부에 상기 외피층과 이격되는 지지층; 상기 외피층의 하면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 상부전극; 상기 지지층의 상면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 하부전극; 복수의 소자층; 및 상기 복수의 소자층 각각에 대한 변환인자를 감지하는 신호처리부;를 포함하고,
    상기 촉감소자의 형성방법은,
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 지지층의 형성을 완료하는 제 1 단계;
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극의 형성을 완료하는 제 2 단계;
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극의 상면에 상기 복수의 소자층의 형성을 완료하는 제 3 단계;
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극과 교차하는 방향으로 상기 복수의 상부전극의 형성을 완료하는 제 4 단계; 및
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 외피층의 형성을 완료하는 제 5 단계;를 포함하되,
    상기 제 3 단계에서 형성되는 상기 복수의 소자층 각각은 상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극이 교차하는 부분에 위치되고,
    터치수단의 접촉에 의하여 제 1 소자층과 관련된 제 1 변환인자가 변화되고, 상기 제 1 소자층은 상기 복수의 상부전극 중 적어도 하나인 제 1 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 하부전극 사이에 형성된 것이며,
    상기 신호처리부는 상기 제 1 변환인자의 변화에 대응한 제어신호를 상기 제 1 소자층으로 전송하고, 상기 제 1 소자층은 상기 제어신호에 대응하여 촉각 피드백을 출력하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자의 형성방법.
18. 3D 프린팅 기법으로 제작되는 제 1 객체의 표층에 촉감소자를 형성하는 방법에 있어서,
    상기 촉감소자는, 상기 제 1 객체의 표면을 이루는 외피층; 상기 외피층의 하부에 상기 외피층과 이격되는 지지층; 상기 외피층의 하면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 상부전극; 상기 지지층의 상면에 소정 간격으로 평행하게 배치되는 복수의 하부전극; 복수의 소자층; 및 상기 복수의 소자층 각각에 대한 변환인자를 감지하는 신호처리부;를 포함하고,
    상기 촉감소자의 형성방법은,
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 지지층의 형성을 완료하는 제 1 단계;
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극의 형성을 완료하는 제 2 단계;
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극의 상면에 상기 복수의 소자층의 형성을 완료하는 제 3 단계;
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 복수의 하부전극과 교차하는 방향으로 상기 복수의 상부전극의 형성을 완료하는 제 4 단계; 및
    상기 3D 프린팅을 이용하여 상기 외피층의 형성을 완료하는 제 5 단계;를 포함하되,
    상기 제 3 단계에서 형성되는 상기 복수의 소자층 각각은 상기 복수의 상부전극과 상기 복수의 하부전극이 교차하는 부분에 위치되고,
    외부 온도에 감응하여 제 1 소자층과 관련된 제 1 변환인자가 변화되고, 상기 제 1 소자층은 상기 복수의 상부전극 중 적어도 하나인 제 1 상부전극과 상기 복수의 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 하부전극 사이에 형성된 것이며,
    상기 신호처리부는 상기 제 1 변환인자의 변화를 이용하여 상기 외부 온도를 감지하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자의 형성방법.
19. 제 16항, 제 17항 또는 제 18항에 있어서,
    상기 제 1 단계와 상기 제 2 단계 사이, 상기 제 2 단계와 상기 제 3 단계 사이 또는 상기 제 3 단계와 상기 제 4 단계 사이에는,
    상기 복수의 소자층과 연결되는 상기 신호처리부를 설치하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기반의 곡면형 촉감소자의 형성방법.

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