KR20160071804A - 액츄에이터 및 이를 포함하는 표시 장치 - Google Patents

액츄에이터 및 이를 포함하는 표시 장치 Download PDF

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KR20160071804A
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Abstract

액츄에이터 및 액츄에이터를 포함하는 표시 장치를 제공한다. 본 발명의 액츄에이터는 유전성 엘라스토머 및 강유전성 필러를 포함하는 전기 활성층 및 상기 전기 활성층의 양쪽 표면에 부착된 제1 투명 전극 및 제2 투명 전극을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터는 광 투과율이 우수하여 표시 패널 전면에 장착되기 용이하며, 구동 전압이 낮아, 모바일 디스플레이 등에 사용이 용이하다.

Description

액츄에이터 및 이를 포함하는 표시 장치{ACTUATOR AND DISPLAY DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 액츄에이터 및 액츄에이터를 포함하는 표시 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광 투과율 및 유전율이 우수한 전기 활성층을 포함하는 액츄에이터 및 이를 포함하는 표시 장치에 관한 것이다.
최근, 액정 표시 장치 및 유기 발광 표시 장치를 비롯한 다양한 디스플레이 장치를 간편하게 사용하려는 사용자들의 요구에 따라, 디스플레이 장치를 터치하여 조작하는 터치 방식의 표시 장치의 사용이 보편화되고 있다.
근래에 들어, 터치 방식의 표시 장치에, 표시 장치를 조작하는 기술 이외에, 인터페이스에 사용자의 직관적 경험을 반영하고 터치에 대한 촉각 피드백을 느낄 수 있도록 액츄에이터에 관한 기술이 도입되고 있다. 특히, 종래의 액츄에이터는 표시 패널 후면에 부착되어 있으므로, 사용자의 터치에 대한 즉각적이고 미세한 피드백을 제공하기 어려웠다. 따라서, 표시 패널 전면에 액츄에이터를 위치시킴으로써, 사용자의 터치에 민감하고 다양하고 직접적인 피드백을 제공하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로, 종래의 표시 장치는 액츄에이터로 편심 모터(ERM), 선형 공진 모터(LRA)와 같은 진동 모터를 사용하였다. 상기 진동 모터는 표시 장치 전체를 울리도록 고안되어 있어, 진동력을 증가시키기 위해서는 질량체의 크기를 증가시켜야 하는 문제점이 있었고, 진동의 정도를 조절하기 위한 주파수 변조가 어렵다는 단점이 있었다.
이와 같은 문제점을 개선하기 위하여, 액츄에이터 재료로서 형상 기억 합금 (Shape Memory Alloy; SMA) 및 압전성 세라믹 (Electro-Active Ceramics; EAC)이 개발되어 왔다. 상기 형상 기억 합금(SMA)을 이용한 액츄에이터는 형상 기억 합금(SMA)에 전류를 흘려 발생하는 열을 이용하는 원리로 구동되며 매우 큰 힘을 낼 수 있다. 압전성 세라믹(EAC)을 이용한 액츄에이터는 압전 세라믹에 비교적 높은 전압을 가할 때 발생하는 진동을 이용하여 구동되며, 빠른 속도로 제어 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 형상 기억 합금(SMA)은 반응속도가 느리고 수명이 짧으며 불투명하고, 압전성 세라믹은, 깨지기 쉽고 불투명하기 때문에 표시 패널 전면에 적용하기에 어려움이 있다.
이에 따라, 최근, 전기 활성 고분자(Electro-Active Polymer; EAP)를 이용한 액츄에이터(actuator) 기술이 많은 사람들의 관심을 끌고 있다. 전기 활성 고분자(Electro-Active Polymer; EAP)란 전기적 자극에 의하여 변형될 수 있는 고분자로서, 전기적 자극에 의해 반복적으로 팽창, 수축 및 벤딩(bending)될 수 있는 고분자를 의미한다. 다양한 종류의 전기 활성 고분자 중 강유전성 고분자(Ferroelectric Polymer)와 유전성 엘라스토머(Dielectric Elastomer)가 주로 사용되고 있다. 예를 들어, 강유전성 고분자에는 PVDF(Poly VinyliDene Fluoride)나 P(VDF-TrFE)(Poly(VinyliDene Fluoride)-TriFlurorEtylene)가 있고, 유전성 엘라스토머로는 실리콘계 중합체, 우레탄계 중합체 또는 아크릴계 중합체 등을 들 수 있다.
강유전성 폴리머는 가요성이 우수하여 취급이 용이하고, 유전율이 우수하다는 장점이 있으나, 광 투과율을 비롯한 광학 특이 매우 열악하기 때문에, 표시 장치 전면에 사용되기에 어려움이 있다. 또한, 유전성 엘라스토머는 투과율이 우수하나, 강유전성 폴리머에 비해 유전율이 상대적으로 낮기 때문에, 구동 전압이 높아 모바일 디스플레이 등과 같이 구동 전압이 상대적으로 낮은 표시 장치에 그대로 사용되기 어렵다는 문제점이 있다.
[관련기술문헌]
1. 전기 활성 액츄에이터 (특허출원번호 제10-2010-0059089호)
2. 압전 액추에이터 모듈 및 이를 이용한 터치 스크린 장치 (특허출원번호 제10-2009-0128115호)
본 발명의 발명자들은 상술한 바와 같이, 종래의 전기 활성 고분자(EAP)는 구동 전압이 높아 모바일 디스플레이와 같은 표시 장치에서 사용하기에 곤란하고, 광 투과율이 낮아 표시 장치의 전면에 사용하기 어렵다는 것을 파악하였다. 이에, 본 발명의 발명자들은 광 투과율이 우수함과 동시에 높은 유전율을 가짐으로써, 구동 전압이 낮은 액츄에이터 및 이를 포함하는 표시 장치를 발명하였다.
이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광 투과율 및 헤이즈 특성이 우수한 엑츄에이터를 제공하고, 이를 통해 표시 패널의 전면에 배치가 가능한 액츄에이터를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 유전성 엘라스토머를 포함하고 유전율이 증가된 전기 활성층을 이용함으로써 구동 전압이 낮은 액츄에이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터는 유전성 엘라스토머 및 강유전성 필러를 포함하는 전기 활성층 및 상기 전기 활성층의 양쪽 표면에 부착된 제1 투명 전극 및 제2 투명 전극을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터는 광 투과율이 우수함과 동시에, 구동 전압이 낮아, 표시 패널 전면에 장착되기 용이하다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 유전성 엘라스토머는 아크릴계 중합체, 우레탄계 중합체 및 실리콘계 중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 강유전성 필러는 압전성 세라믹, 탄소 나노입자, 금속 나노입자 또는 전도성 고분자인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 압전성 세라믹은 입자 직경이 300nm 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 유전성 엘라스토머와 강유전성 필러의 중량비는 99:1 내지 85:15인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전기 활성층은 유전율이 5 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전기 활성층은 투과율이 85%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 표시 장치는 표시 패널; 액츄에이터; 및 터치 패널을 포함하고, 상기 액츄에이터는 유전성 엘라스토머와 강유전성 필러를 포함하는 전기 활성층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 전기 활성층의 광 투과율을 향상시킴으로써 표시 패널 전면에 배치가 가능한 액츄에이터를 제작할 수 있고, 최종적으로 사용자에게 직접적인 촉각 피드백을 전달할 수 있다.
또한, 본 발명은 유전율이 향상되어 종래의 유전성 엘라스토머를 포함하는 액츄에이터에 비하여 저전압에서 진동 촉각의 전달이 가능한 액츄에이터를 제작할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터의 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액츄에이터의 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터를 포함하는 표시 장치의 구조를 설명하기 위한 개략적인 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치가 유리하게 활용될 수 있는 실례들을 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
소자 또는 층이 다른 소자 또는 층 "위 (on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
본 발명에서 유전율(ε, permittivity)은 유전체에 전기장이 작용할때 내부에서 전하의 변위에 의해 강화된 내부의 전기장의 세기와 가해진 전기장의 세기의 비율을 의미한다. 유전율(ε)은 하기 수학식 1과 같이 표시된다.
[수학식 1]
ε=ε0·εr
(ε0: 진공 유전율, εr: 상대 유전율)
본 발명에서 표시 패널의 전면이라 함은, 표시 패널으로부터 화상이 표현되는 방향의 면을 말하며, 사용자가 표시 장치의 표시 패널을 바라보는 면을 말하고, 표시 패널의 후면은 표시 패널으로부터 화상이 표현되는 방향의 반대면을 말한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터의 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터(100)는 유전성 엘라스토머 및 강유전성 필러를 포함하는 전기 활성층(110), 전기 활성층(110)의 양쪽 표면에 부착된 제1 투명 전극(121) 및 제2 투명 전극(122)를 포함한다.
액츄에이터(100)는 제1 투명 전극(121)과 제2 투명 전극(122) 각각에 인가되는 전압에 의해 생성되는 전기장에 따라 변형된다. 구체적으로, 제1 투명 전극(121)과 제2 투명 전극(122)에 인가되는 전압의 전위에 따라 액츄에이터(100)가 변형되는 방향 및 형상이 상이해질 수 있고, 인가되는 전압의 양에 따라 전기장의 세기가 달라져, 변형 및 진동의 크기가 상이해 질 수 있다.
도 1을 참조하면, 전기 활성층(110)은 제1 투명 전극(121) 및 제2 투명 전극(122) 사이에 배치된다.
전기 활성층(110)은 전기적 자극에 의하여 변형되어 진동 또는 휨을 구현하는 역할을 한다. 구체적으로, 전기 활성층(110)은 제1 투명 전극(121)과 제2 투명 전극(122) 사이에 인가되는 전기장에 의해 전기 활성층(110) 내부에서 분극 현상(polarization)이 발생한다. 이러한 분극 현상으로 발생하는 정전기적 인력(Coulombic Force)에 의해 전기 활성층(110)에 맥스웰 스트레스(Maxwell Stress)가 가해진다. 맥스웰 스트레스의 크기는 하기 수학식 2와 같이 표시된다.
[수학식 2]
Figure pat00001
(ε0: 진공 유전율, εr: 상대 유전율, E: 전기장, V: 전압, t: 전기 활성층 두께)
여기서, 맥스웰 스트레스는 전기 활성 고분자가 두께 방향으로 수축하고 길이 방향으로 팽창하려는 힘을 의미한다. 결국, 인가되는 전기장의 세기 및 방향에 따라, 전기 활성층(110)이 휘거나 진동하게 된다.
전기 활성층(110)은 유전성 엘라스토머(dielectric elastomer) 및 강유전성 필러를 포함한다.
먼저, 유전성 엘라스토머(dielectric elastomer)라 함은 전기장에 의해 전왜 변형(electrostrictive strain)이 유발되는 고분자 재료로서, 전기적으로는 절연 특성을 가지며, 구조적으로는 탄성 복원력을 가지는 고분자 재료를 통칭하는 것으로 정의한다.
유전성 엘라스토머(dielectric elastomer)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것일 수 있고, 이로써 제한되는 것은 아니나, 아크릴계 중합체, 우레탄계 중합체 및 실리콘계 중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다. 상기 유전성 엘라스토머의 일 예로서, 아크릴계 중합체 및 실리콘계 중합체를 블랜딩한 화합물일 수 있다.
특히, 본 발명의 유전성 엘라스토머는 낮은 점탄성 및 넓은 온도 범위에서 동작할 수 있다는 장점을 갖는 실리콘계 중합체인 것이 바람직하며, 폴리디메틸 실록산(polydimethyl siloxane; PDMS)이 더욱 바람직하다.
유전성 엘라스토머는 작은 구동 전압으로 큰 변형을 얻기 위해 극성이 큰, 즉 유전율(permittivity)이 큰 화합물인 것이 바람직하다. 예를 들면, 1kHz에서 측정한 유전율이 2.5인 것이 더욱 바람직하다.
유전성 엘라스토머는 액츄에이터에 요구되는 기계적 물성을 감안하여, 중량 평균 분자량이 10,000 g/mol 이상인 것일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 강유전성 필러는 유전성 엘라스토머와 혼합되어 전기 활성층(110)의 유전율을 향상시키기 위한 재료로서, 이로써 제한되는 것은 아니나, 압전성 세라믹, 탄소 나노입자, 금속 나노입자 및 전도성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
압전성 세라믹은 이로써 제한되는 것은 아니나, 납(Pb), 지르코늄(Zr), 티탄(Ti), 바륨(Ba) 등의 금속 원자를 포함하는 압전성 금속 산화물을 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 압전성 세라믹은 티탄산 지르콘산납(PbZrO3-PbTiO3, PZT) 또는 티탄산바륨(barium titanate, BaTiO3)으로 이루어지는 페로브스카이트형 산화물일 수 있다.
압전성 세라믹은 입자 직경이 300nm 이하인 것이 바람직하며, 200nm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 입자 직경이 상기 범위를 만족하는 경우, 전기 활성층(110)의 유전율을 상승시킴과 동시에, 압전성 세라믹 입자가 유전성 엘라스토머에 균일하게 분산될 수 있으므로, 전기 활성층(110)의 투과율이 향상된다. 그러나, 압전성 세라믹의 입자 직경이 300nm를 초과하는 경우, 소량의 첨가만으로, 전기 활성층(110)의 투명성이 크게 저하될 수 있다.
본 발명에서의 입자 직경은 당해 발명에서 채용되는 측정 방법으로 측정이 가능하며, 이로써 제한되는 것은 아니나, 투과형 전자 현미경 (TEM), 주사형 프로브 현미경 (SPM), 소각 X 선 산란법 또는 X 선 회절 (XRD)에 의해 측정될 수 있다.
한편, 본 발명의 강유전성 필러로는, 전기 활성층(110)의 투명성을 확보함과 동시에 전기 활성층(110)의 유전율을 현저히 향상시킨다는 점에서 티탄산바륨이 가장 바람직하다.
이때, 티탄산바륨은 결정화도가 70% 이상인 것이 바람직하고, 80% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 티탄산바륨의 결정화도가 70% 이상인 경우, 결정성이 높기 때문에 티탄산바륨의 유전율 및 체적 저항률이 크다. 이때, 결정화도는 X 선 회절 (XRD) 장치에 의해 측정할 수 있다.
한편, 본 발명에 사용되는 티탄산바륨은 입자 직경 및 결정화도를 가지도록 제조될 수 있으며, 고상 반응법, 수열 합성법, 졸 겔법등을 이용하여 제조될 수 있다.
예를 들어, 수열 합성법에 의하면, 티탄산바륨은 바륨(Ba) 및 티탄(Ti)을 함유하는 금속 착물을 초임계수 상태의 환경에서 공급하여, 일정 시간 동안 체재시킴으로써 제조될 수 있다. 이때, 금속 착물로는 바륨 또는 티탄을 함유하는 단일 금속의 알콕시드나 수산화물을, 페로브스카이트 화합물의 조성이 되도록 복수의 종류를 조합하여 사용할 수 있고, 바륨 및 티탄 모두를 함유하는 복합 알콕시드를 사용할 수도 있다. 상기 방법에 의하면, 결정화도가 70% 이상이고, 입자 직경이 300nm 이하인 티탄산바륨 입자를 용이하게 제조할 수 있다.
탄소 나노입자는 이로써 제한되는 것은 아니나, 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 그라펜(graphene), 그래파이트(graphite), 카본블랙(carbon black), 카본파이버머 및 플러렌(fullerene)으로이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다. 특히, 단일벽 탄소나노튜브의 경우 저주파수 영역에서 전기 활성층(110)의 유전율을 크게 향상시킨다는 점에서 더욱 바람직하다.
금속 나노입자는 이로써 제한되는 것은 아니나, 금(Au) 또는 은(Ag)을 포함하는 나노와이어, 나노로드, 나노포어 또는 나노튜브일 수 있다.
전도성 고분자는 이로써 제한되는 것은 아니나, 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리페닐렌(polyphenylene), 폴리피렌(polypyrene), 폴리아줄렌(polyazulene), 폴리나프탈렌(polynaphthalene), 폴리아세틸렌(polyacetylene, PAC), 폴리-p-페닐렌비닐렌(poly(p-phenylene vinylene, PPV), 폴리피롤(polypyrrole, PPY), 폴리카바졸(polycarbazole), 폴리인돌(polyindole), 폴리아제핀(polyzepine), 폴리티에닐렌비닐렌(poly(thienylene vinylene), Poly Thienylene Vinylene폴리아닐린(polyaniline, PANI), 폴리티오펜(poly(thiophene)), 폴리(p-페닐렌설파이드(poly(p-phenylene sulfide, PPS), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxy thiophene, PEDOT), 폴리스티렌술폰산(poly(styrene sulfonate, PSS)로 도핑된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT:PSS), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-테트라메타크릴레이트(PEDOT-TMA) 및 폴리퓨란(polyfuran)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
전도성 고분자는 전기전도도가 10-6 S/cm 이상인 것이 바람직하고, 10-2 S/cm 이상인 것이 더욱 바람직하다. 전도성 고분자의 전기전도도가 상기 범위를 만족하는 경우, 유전성 엘라스토머와의 작용에 의해 전기 활성층(110)의 유전율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 전기 활성층(110)에 있어서, 유전성 엘라스토머 및 강유전성 필러의 중량비는 99.9:0.1 내지 85:15인 것이 바람직하고, 99:1 내지 90:10인 것이 더욱 바람직하다. 강유전성 필러의 함량이 상기 범위 미만인 경우, 전기 활성층(110)의 유전율 향상의 효과를 기대하기 어렵다. 또한, 강유전성 필러의 함량이 상기 범위 초과인 경우, 유전율 상승 효과는 미비하고 오히려 저하되는 현상이 발생한다. 뿐만 이니라, 전기 활성층(110)의 투과율이 크게 저하되어, 액츄에이터(100)를 표시 패널 전면에 배치할 수 없다는 문제점이 발생한다.
한편, 본 발명의 전기 활성층(110)은 1kHz에서 측정한 유전율이 5.0 이상인 것이 바람직하며, 7.0 이상인 것이 더욱 바람직하다. 유전성 엘라스토머로 가장 널리 사용되는 폴리디메틸 실록산(PDMS)의 경우, 일반적으로 약 2.5 내지 3.0 정도의 유전율을 가지지만, 본 발명과 같은 강유전성 필러를 사용하는 경우, 유전율이 7.0 이상으로 향상되며, 더욱 바람직하게 9.0 이상으로 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 전기 활성층(110)은 100㎛ 두께를 기준으로, 광 투과율이 85%인 것이 바람직하며, 90% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 일반적으로, 표시 패널 전면에 액츄에이터를 배치하기 위해서는 액츄에이터의 광 투과율이 80%이상이어야 한다. 특히, 전기 활성층으로 사용할 수 있는 PVDF(Poly VinyliDene Fluoride)폴리머나 P(VDF-TrFE)(Poly(VinyliDene Fluoride)-TriFlurorEtylene)폴리머 등과 같은 강유전성 폴리머(ferro-electric polymer)의 경우, 일반적으로, 80% 이하의 광 투과율을 가지므로 표시 패널 전면에 배치하기 어려운 문제점이 있었다. 그러나 본 발명은 유전성 엘라스토머 및 강유전성 필러를 포함함으로써, 광 투과율 및 유전율이 모두 우수한 액츄에이터(100)를 제공할 수 있다.
본 발명의 전기 활성층(110)은 두께가 50㎛ 내지 1000㎛인 것이 바람직하고, 100㎛ 내지 500㎛인 것이 더욱 바람직하다.
전기 활성층(110)의 양쪽 표면에는 전원 공급을 위한 제1 투명 전극(121) 및 제2 투명 전극(122)이 부착된다.
도 1에는 전기 활성층(110)의 하면에 배치되는 전극을 제1 투명 전극(121)으로, 전기 활성층(110)의 상면에 배치되는 전극을 제2 투명 전극(122)으로 도시하였다.
제1 투명 전극(121) 및 제2 투명 전극(122)은 외부로부터 전압이 인가되어 전기장을 형성한다. 여기서, 제1 투명 전극(121)과 제2 투명 전극(122)에 인가되는 전압의 전기적 성질은 서로 반대이다. 즉, 제1 투명 전극(121)에 양(+)의 전압이 인가되는 경우 제2 투명 전극(122)에는 음(-)의 전압이 인가되고, 제1 투명 전극(121)에 음(-)의 전압이 인가되는 경우 제2 투명 전극(122)에는 양(+)의 전압이 인가된다. 여기서, 제1 투명 전극(121)에 인가되는 전압의 전기적 성질과 제2 투명 전극(122)에 인가되는 전압의 전기적 성질이 서로 반대로 변경됨에 따라, 전기장의 방향도 함께 변경된다. 즉, 제1 투명 전극(121)과 제2 투명 전극(122) 사이에 인가되는 전압은 교류(Alternating Current) 전압일 수 있으며, 제1 투명 전극(121)과 제2 투명 전극(122) 사이에서 교류 전압에 의한 전기장이 형성될 수 있다.
이에 따라, 제1 투명 전극(121)과 제2 투명 전극(122) 사이에 형성되는 전기장은 제1 투명 전극(121)과 제2 투명 전극(122) 사이의 전기 활성층(110)에서 분극 현상을 발생시키고, 분극 현상에 의한 정전기적 인력에 의해 맥스웰 스트레스를 받는 전기 활성층(110)이 변형 및 진동하게 된다.
이때, 제1 투명 전극(121) 및 제2 투명 전극(122)은 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제1 투명 전극(121)과 제2 투명 전극(122)은 투명한 전도성 물질을 포함한다. 이로써 제한되는 것은 아니나, 인듐 주석 산화물(Induim Tin Oxide, ITO), 탄소 나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 그래핀(Graphene), 금속 나노 와이어, 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 및 투명 전도성 산화물(TCO)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
한편, 제1 투명 전극(121) 및 제2 투명 전극(122)은 상기 투명한 전도성 물질의 분산성을 향상시키기 위해 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더는 이로써 제한되는 것은 아니나, 폴리에스테르계 탄성체, 아크릴계 탄성체, 실리콘계 탄성체, 부타디엔계 탄성체, 이소프렌계 탄성체, 스티렌계 탄성체, 실록산계 탄성체, 실세스퀴옥산계 탄성체, 이들의 단독 및 공중합체들로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하고, 스타이렌-에틸렌-부틸렌-스타이렌 블록 공중합체(SEBS), 폴리디메틸 실록산(PDMS) 또는 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT)을 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 바인더는 투명한 전도성 물질 100 중량부를 기준으로 20 중량부 내지 99 중량부를 포함하는 것이 바람직하고, 40 중량부 내지 80 중량부를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
제1 투명 전극(121) 및 제2 투명 전극(122)은 본 발명의 기술분야에서 통상적으로 사용되는 방법으로 형성될 수 있으며, 이로써 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 전기 활성층(110)의 상면 및 하면에 스퍼터링 방법 또는 슬롯 코팅 방법을 이용하여 투명 전극을 형성시킬 수 있다.
본 발명의 액츄에이터(100)는 유전율과 광 투과율이 우수한 전기 활성층(110)을 포함한다. 즉, 전기 활성층(110)의 유전율이 종래의 유전성 엘라스토머를 포함하는 전기 활성층과 비교하여 현저히 크므로, 액츄에이터(100)의 구동 전압을 낮출 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 액츄에이터(100)는 종래의 강유전성 폴리머를 포함하는 전기 활성층에 비하여 광 투과율이 우수하므로, 표시 패널 상에 위치할 수 있으므로, 표시 장치의 전면에서 사용자로 하여금 직접적인 촉감 피드백을 전달할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액츄에이터(200)를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 다른 액츄에이터는(200) 다층의 전기 활성층을 포함하고, 보다 구체적으로, 다층의 전기 활성층은 제1 전기 활성층(211), 제2 전기 활성층(212) 및 제3 전기 활성층(213)의 상하 3층으로 도시되어 있다.
이때, 각각의 전기 활성층들 사이에는 반대의 전압을 가지는 투명 전극이 번갈아 배치되어 있고, 가장 아래에 위치하는 제1 전기 활성층(211)의 하면부터 교번적으로 배치된다.
보다 구체적으로, 제2 실시예에 따른 액츄에이터(200)는 제1 전기 활성층(211) 하면에 제1 투명 전극(221)이, 제1 전기 활성층(211) 상면에 제2 투명 전극(222)이 배치되고, 제2 투명 전극(222) 상에 제2 전기 활성층(212)이 배치되고, 제2 전기 활성층(212)의 상면에 제3 투명 전극(223)이 배치되고, 제3 투명 전극(223) 상에 제3 전기 활성층(213)이 배치되고, 제3 전기 활성층(213)의 상면에 제4 투명 전극(224)이 배치된다.
제2 실시예에 따른 액츄에이터(200)는 제1 투명 전극(221), 제2 투명 전극(222), 제3 투명 전극(223) 및 제4 투명 전극(224)에 각각 인가되는 전압에 의해 생성되는 전기장에 따라 변형된다.
이때, 제1 투명 전극(221), 제2 투명 전극(222), 제3 투명 전극(223) 및 제4 투명 전극(224)에 인가되는 전압은 각각의 투명 전극마다 서로 교번적으로 인가된다. 즉, 제1 투명 전극(221)과 제3 투명 전극(223)은 서로 동일한 전기적 성질을 갖는 전압이 인가되고, 제2 투명 전극(222)과 제4 투명 전극(224)은 제1 투명 전극(221)과 제3 투명 전극(223)에 인가되는 전압의 반대의 전기적 성질을 가지는 전압이 인가된다. 예를 들면, 제1 투명 전극(221)과 제3 투명 전극(223)에 음(-)의 전압이 공급되는 경우, 제2 투명 전극(222)과 제4 투명 전극(224)에는 양(+)의 전압이 공급될 수 있다.
도 1에서 설명한 바와 마찬가지로, 제1 투명 전극(221)과 제3 투명 전극(223)에 인가되는 전압의 전기적 성질과, 제2 투명 전극(222)과 제4 투명 전극(224)에 인가되는 전압의 전기적 성질이 서로 반대로 변경됨에 따라, 전기장의 방향도 함께 변경된다.
한편, 도 2와 같이 다층의 전기 활성층을 포함하는 액츄에이터(200)의 경우, 각각의 투명 전극에 균일하게 전압이 인가되고, 용이하게 액츄에이터를 제조하기 위하여, 각각의 투명 전극들은 동일한 전압이 인가되는 투명 전극끼리 측부가 연결되어 있는 구조를 가질 수 있다. 이때, 연결되는 측부는 투명 전극과 동일한 물질로 연결되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 동일한 전압이 인가되는 제1 투명 전극(221)과 제3 투명 전극(223)의 일 측부가 연결되어, 제1 전기 활성층(211) 및 제2 투명 전극(222)의 좌측면을 감싸고, 동일한 전압이 인가되는 제2 투명 전극(222)과 제4 투명 전극(224)의 반대 측부가 연결되어, 제2 전기 활성층(211) 및 제3 투명 전극(223)의 우측면을 감싸는 형태일 수 있다.
제2 실시예에 따른 액츄에이터(200)의 경우 다층의 전기 활성층(210)을 포함하는 것을 특징으로 하며, 이 경우 낮은 전압에서도 쉽게 구동할 수 있다.
그러나, 제2 실시예에 따른 액츄에이터(200)와 같이 다층의 전기 활성층과 투명 전극을 포함할 경우, 액츄에이터(200)의 변형에 영향을 주지 않기 위하여 가능한 얇은 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 제1 실시예에 따른 액츄에이터(100)에 대비하여, 전기 활성층 및 투명 전극의 두께가 얇게 형성될 수 있다. 이로써 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 제1 전기 활성층(211), 제2 전기 활성층(212) 및 제3 전기 활성층(213) 각각은 두께가 200㎛ 이하일 수 있고, 제1 투명 전극(221), 제2 투명 전극(222), 제3 투명 전극(223) 및 제4 투명 전극(224) 각각은 두께가 50nm 이하일 수 있다
이때, 도 2에 도시된 제1 전기 활성층(211), 제2 전기 활성층(212) 및 제3 전기 활성층(213) 각각의 구체적인 구성은 도 1에서 설명한 전기 활성층(110)과 동일하고, 제1 투명 전극(221), 제2 투명 전극(222), 제3 투명 전극(223) 및 제4 투명 전극(224) 각각의 구체적인 구성 또한 도 1에서 설명한 제1 투명(121) 전극 및 제2 투명 전극(121)과 동일하므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터(100)를 포함하는 표시 장치(300)의 구조를 설명하기 위한 개략적인 분해 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치(300)는 표시 패널(310), 액츄에이터(100) 및 터치 패널(320)를 포함한다. 보다 구체적으로, 하부 커버(330) 및 상부 커버(340) 사이에 표시 패널(310)이 배치되고, 표시 패널(310) 상에 액츄에이터(100)가 배치되며, 액츄에이터(100) 상에 터치 패널(320)이 배치되어 있다.
하부 커버(330)는 터치 패널(320), 표시 패널(310) 및 액츄에이터(100)의 하부를 덮도록 표시 패널(310) 아래에 배치된다. 하부 커버(330)는 표시 장치(300) 내부의 구성들을 외부의 충격 및 이물질이나 수분의 침투로부터 보호한다. 예를 들어, 하부 커버(330)는 경도가 좋은 유리나 열 성형이 가능하고 가공성이 좋은 플라스틱과 같은 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 하부 커버(330)는 액츄에이터(100)의 연성과 형상의 변화에 따라 함께 변형될 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 하부 커버(330)는 연성을 갖는 플라스틱과 같은 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
표시 패널(310)은 하부 커버(330) 상에 배치되고, 액츄에이터(100) 하에 배치되는 것으로, 예를 들면, 액정 표시 장치(LCD) 또는 유기 발광 표시 장치(OLED)일 수 있다.
액정 표시 장치는 하부 기판, 상부 기판, 화소 전극, 공통 전극, 컬러 필터, 편광 필름 및 상부 기판과 하부 기판 사이에 개재된 액정층을 포함한다. 액정 표시 장치는 액정 표시 장치의 화소 영역에 위치하는 화소 전극과 하부 기판 또는 상부 기판에 형성되는 공통 전극 사이에서 형성되는 전기장에 의해 액정을 제어 하며, 액정의 제어 정도에 따라 편광 필름을 통하여 투과하는 별도의 광원에서부터 입사된 광을 선택적으로 투과시킨다. 이렇게 선택적으로 투과된 광은 상부 기판에 위치한 컬러 필터를 통과하여, 영상이 표시되게 된다. 액정 표시 장치는 별도의 광원이 액정 표시 장치의 후면이 아닌 측면 등에 형성되어 표시 장치로써 구동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치(300)의 표시 패널(310)은 유기 발광 표시 장치(OLED)일 수 있다. 유기 발광 표시 장치는 유기 발광층에 전류를 흐르게 함으로써, 유기 발광층이 발광하도록 하는 표시 장치이다. 유기 발광 표시 장치는 유기 발광층을 사용하여 특정 파장의 빛을 발광한다. 유기 발광 표시 장치는 적어도 캐소드, 유기 발광층, 애노드를 포함한다. 표시 패널(310)은 패시브 매트릭스 (passive matrix) 및 액티브 매트릭스 (active matrix)로 구동될 수 있다.
유기 발광 표시 장치는 탑 에미션(top emission) 방식과 바텀 에미션(bottom emission) 방식으로 구성될 수 있다. 탑 에미션 방식의 유기 발광 표시 장치는 유기 발광 소자에서 발광된 빛이 유기 발광 표시 장치 상부로 방출되는 유기 발광 표시 장치를 의미하는 것으로서, 유기 발광 소자에서 발광된 빛이 유기 발광 표시 장치를 구동하기 위한 박막 트랜지스터가 형성된 기판의 상면 방향으로 방출되는 유기 발광 표시 장치를 의미한다. 바텀 에미션 방식의 유기 발광 표시 장치는 유기 발광 소자에서 발광된 빛이 유기 발광 표시 장치 하부로 방출되는 유기 발광 표시 장치를 의미하는 것으로서, 유기 발광 소자에서 발광된 빛이 유기 발광 표시 장치를 구동하기 위한 박막 트랜지스터가 형성된 기판의 하면 방향으로 방출되는 유기 발광 표시 장치를 의미한다. 나아가, 유기 발광 표시 장치는 양면 발광 방식으로 구성될 수도 있다. 양면 발광 방식의 유기 발광 표시 장치는 유기 발광 소자에서 발광된 빛이 유기 발광 표시 장치 상부 및 하부로 방출되는 유기 발광 표시 장치를 의미하는 것으로서, 탑 에미션 방식과 바텀 에미션 방식으로 동시에 구동 가능한 유기 발광 표시 장치를 의미한다.
유기 발광 표시 장치는 플렉서블(flexible) 기판을 포함하고, 연성을 갖는 플렉서블 유기 발광 표시 장치일 수 있다. 플렉서블 유기 발광 표시 장치는 외부에서 가해지는 힘에 의해 다양한 방향 및 각도로 변형될 수 있다.
액츄에이터(100)는 표시 패널(310) 상에 배치되고, 터치 패널(320) 아래에 배치된다. 이때, 액츄에이터(100)는 표시 패널(310) 상에 직접 접촉되도록 배치될 수 있고, 표시 패널(310) 상면과 액츄에이터(100) 하면 사이에 접착층이 더 배치될 수도 있다. 상기 접착층에 의해 표시 패널(310)과 액츄에이터(100)는 서로 접착될 수 있다. 상기 접착제로는 이로써 제한되는 것은 아니나, OCA(optical clear adhesive) 또는 OCR(optical clear resin) 와 같은 광학용 투명 접착제를 이용하는 것이 바람직하다.
한편, 액츄에이터(100)의 구체적인 구성 요소는 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 동일하므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
터치 패널(320)는 액츄에이터(100) 상에 배치되는 것으로, 사용자가 표시 패널(310)에 표시되는 화상을 보면서 표면을 누름으로써 발생하는 외부의 터치를 감지하고, 터치 좌표를 제공하는 기능을 수행한다.
터치 패널(320)는 배치되는 위치에 따라 구분될 수 있다. 예를 들면, 표시 패널(310) 외부 표면에 부착하는 애드-온(Add-On) 방식, 표시 패널(310) 상에 터치 패널(320)를 증착시키는 온-셀(On-Cell) 방식 및 표시 패널(310)의 내부에 형성한 인-셀(In-Cell) 방식 등이 있다.
또한, 터치 패널(320)는 구동 방식에 따라, 감압 방식 또는 정전용량 방식으로 구분될 수 있으며, 상기 정전 용량 방식은 다시 셀프캡(SelfCap) 방식과 뮤츄얼(mutual) 방식으로 구분될 수 있다.
터치 패널(320)는 서로 교차하는 두 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 터치 패널(320)는 가로로 패터닝된 전극과 세로로 패터닝된 전극을 포함하고, 각각 패터닝된 전극은 서로 교차하도록 배치될 수 있다.
또한, 터치 패널(320)는 액츄에이터(100)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 터치 패널(320)는 액츄에이터(100)의 제1 투명 전극(121) 및 제2 투명 전극(122)과 전기적으로 연결될 수도 있다. 이에 따라, 터치 패널(320)에서 입력된 다양한 터치 입력에 의한 신호 또는 전압이 액츄에이터(100)로 전달될 수 있다.
본 발명의 터치 패널(320)는 표시 패널(310) 상에 배치되므로 투명성 및 가요성을 가지는 것이 바람직하다. 터치 패널(320)는 이로써 제한되는 것은 아니나, 표시 장치(300)의 시인성 저하를 방지하기 위해 ITO(Indium-Tin-Oxide)와 같은 투명 도전성 물질로 형성될 수 있다.
상부 커버(340)는 표시 패널(310), 액츄에이터(100) 및 터치 패널(320)의 상부를 덮도록 터치 패널(320) 상에 배치된다. 상부 커버(340)는 하부 커버(330)와 동일한 기능을 할 수 있다. 또한, 상부 커버(340)도 하부 커버(330)와 마찬가지로 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터(100)를 포함하는 표시 장치(300)는 광 투과율 및 유전율이 우수한 전기 활성층(110)을 사용함으로써, 구동 전압이 낮고 광 투과율이 우수하므로, 표시 패널 전면에 배치시킬 수 있다. 이로써, 본 발명의 표시 장치(300)는 사용자에게 직접적인 터치감과 피드백을 전달할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 표시 장치가 유리하게 활용될 수 있는 실례들을 나타내는 도면이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터를 포함하는 모바일 표시 장치(400)의 예시적인 외관도이다. 이때, 상기 모바일 표시 장치(400)로는 스마트폰, 핸드폰, 태블릿 PC, PDA 등과 같은 소형화 장치일 수 있다. 본 발명의 액츄에이터가 모바일 표시 장치(400)에 설치되는 경우, 사용자의 터치에 의해 모바일 표시 장치(400) 전부에 진동이 발생하는 종래와는 달리, 터치한 부분에만 한정하여 진동이 발생하거나, 터치 강도에 따라 미세한 차이까지 직접적으로 사용자에게 진동을 전달해 줄 수 있다. 사용자는 모바일 표시 장치(400)로 동영상 시청, 게임, 버튼 입력 등을 수행할 시에 터치와 함께 진동을 느낄 수 있으므로, 모바일 표시 장치(400)로부터 보다 공감각적인 정보를 전달받을 수 있다
도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터를 포함하는 차량용 네비게이션(500)의 예시적인 외관도이다. 차량용 네비게이션(500)은 표시 장치 및 다수의 조작 요소들을 포함할 수 있으며, 차량 내부에 설치된 프로세서에 의해 제어될 수 있다. 본 발명의 표시 장치가 차량용 네비게이션(500)에 적용되는 경우, 도로의 높낮이, 도로의 상태, 차량의 진행 상황 등을 다양하게 사용자에게 촉각적으로 제공할 수 있게 된다.
도 4의 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터를 포함하는 티비(600)의 예시적인 외관도이다. 본 발명의 표시 장치가 티비(600) 또는 모니터와 같은 디스플레이 장치에 사용되는 경우, 사용자는 디스플레이 장치를 통하여 특정 물건의 질감, 화자의 상태 등을 실제로 경험하듯이 느낄 수 있으므로, 보다 실감나는 영상을 즐길 수 있게 된다.
도 4의 (d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터를 포함하는 옥외 광고판(700)의 예시적인 외관도이다. 본 발명의 표시 장치가 옥외 광고판(700)에 적용되는 경우, 판매하고자 하는 광고 물품에 대한 촉각적인 정보를 사용자에게 직접 전달할 수 있으므로, 광고 효과를 극대화할 수 있게 된다.
도 4의 (e)는 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터를 포함하는 슬롯 머신(800)의 예시적인 외관도이다. 슬롯 머신(800)은 표시 장치, 및 다양한 프로세서가 내장되는 하우징을 포함할 수 있다. 본 발명의 표시 장치를 슬롯 머신(800)에 적용하는 경우, 직접 화상을 동작시킴으로써, 레버 당기기, 룰렛 휠의 회전, 룰렛 볼의 이동 등을 실감나게 제공할 수 있게 되므로, 게임에 대한 몰입도를 배가시킬 수 있게 된다.
도 4의 (f)는 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터를 포함하는 전자 칠판(900)의 예시적인 외관도이다. 전자 칠판(900)은 표시 장치, 스피커 및 이들을 외부의 충격으로부터 보호하기 위한 구조물을 포함할 수 있다. 본 발명의 표시 장치를 전자 칠판(900)에 적용하는 경우, 교육자는 스타일러스 펜 또는 손가락으로 표시 장치에 강의 내용을 입력할 때에 직접 칠판(900)에 판서하는 듯한 느낌을 제공받을 수 있게 된다. 또한, 피교육자가 전자 칠판(900)에 표시된 이미지에 대한 터치 입력을 인가하는 경우, 해당 이미지에 적합한 촉각적 피드백이 피교육자에게 제공될 수 있으므로, 교육의 효과가 극대화될 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명의 예시를 위한 것이며, 하기 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 - 액츄에이터 제조
실시예 1
유전성 엘라스토머로서 폴리디메틸 실록산(PDMS)과 강유전성 필러로서 티탄산바륨(입자 직경: 120nm)을 용매인 헥산에 넣어 혼합하여 혼합액을 제조하였다. 이때, 폴리디메틸 실록산(PDMS)과 티탄산바륨의 중량비는 95:5 이였다. 상기 혼합액을 기재 상에 도포하여 건조시켜 두께가 100㎛인 전기 활성층을 얻었다. 이후, 제조된 전기 활성층의 양면에 인듐 주석 산화물(Induim Tin Oxide, ITO)를 슬릿 코팅하여 투명 전극이 형성된 액츄에이터를 제조하였다.
실시예 2
폴리디메틸 실록산(PDMS)과 티탄산바륨의 중량비가 90:10인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 액츄에이터를 제조하였다.
비교예 1
유전성 엘라스토머로서 폴리디메틸 실록산(PDMS)만을 포함하는 전기 활성층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 액츄에이터를 제조하였다.
비교예 2
유전성 엘라스토머가 아닌 강유전성 폴리머인 P(VDF-TrFE)(Poly(VinyliDene Fluoride)-TriFlurorEtylene)폴리머 만을 포함하는 전기 활성층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 액츄에이터를 제조하였다.
비교예 3
폴리디메틸 실록산(PDMS)과 티탄산바륨의 중량비가 80:20인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 액츄에이터를 제조하였다.
비교예 4
폴리디메틸 실록산(PDMS)과 티탄산바륨의 중량비가 70:30인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 액츄에이터를 제조하였다.
비교예 5
폴리디메틸 실록산(PDMS)과 티탄산바륨의 중량비가 40:60인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 액츄에이터를 제조하였다.
참조예 1
입자 직경이 300nm인 티탄산바륨을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 액츄에이터를 제조하였다.
참조예 2
입자 직경이 300nm인 티탄산바륨을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 액츄에이터를 제조하였다.
실험예 1 - 유전율 측정
실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 액츄에이터의 유전율은 LCR 미터(4284A)을 이용하여 주파수 1kHz에서의 정전용량을 측정하고, 하기 수학식 3을 이용하여 계산하여 측정하였다. 측정 결과는 하기 표 1에 표시에 표시하였다.
[수학식 3]
ε = C × t / εo × A
(ε: 유전율, C: 정전용량(capacitance), εo: 진공 유전율, t: 전기 활성층의 두께, A: 전극의 접촉 단면적)
실험예 2 - 광학 특성 측정
실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 7에 따라 제조된 액츄에이터의 광 투과율 및 헤이즈는 헤이즈 미터(JCH-300S, Oceanoptics社)를 이용하여 측정하였다. 측정 결과는 하기 표 1에 표시에 표시하였다.
구분 유전율
(at 1kHz)		 광 투과율
(%)		 헤이즈
(%)
실시예 1 7.8 89.5 3.5
실시예 2 8.5 87.3 4.3
비교예 1 2.7 89.8 4.9
비교예 2 12 75 15
비교예 3 8.5 ~ 9.0 40.2 37.8
비교예 4 8.5 ~ 9.0 27.5 50 이상
비교예 5 8.5 ~ 9.0 15.5 50 이상
참조예 1 7.9 60.6 50 이상
참조예 2 8.2 22.9 50 이상
상기 표 1을 통해 확인한 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 2는, 강유전성 필러를 포함하지 않은 비교예 1에 비해여, 유전율이 현저히 상승함을 확인할 수 있었으며, 강유전성 폴리머를 포함하는 비교예 2에 비하여 광 투과율이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
한편, 비교예 3 내지 비교예 5를 통해 확인할 수 있듯이, 강유전성 필러의 함량이 본 발명의 범위를 벗어나는 경우, 더 이상 유전율이 상승하지 않을 뿐만 아니라, 광 투과율이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 참조예 1 및 2을 통해 확인할 수 있듯이, 강유전성 필러, 특히 압전성 세라믹의 입자 직경이 300nm를 초과하는 경우, 액츄에이터의 광 투광율이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
상기 실시예 및 비교예를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 전기 활성층을 포함하는 액츄에이터는 유전율 및 광 투과율이 동시에 향상됨을 알 수 있었다. 이에 따라, 본 발명의 액츄에이터는 구동 전압이 낮고, 표시 패널 전면에 배치될 수 있어, 사용자로 하여금 직접적이고, 다양한 촉각 피드백을 제공할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200: 액츄에이터
110, 210: 전기 활성층
111: 제1 전기 활성층
112: 제2 전기 활성층
113: 제3 전기 활성층
121, 221: 제1 투명 전극
122. 222: 제2 투명 전극
223: 제3 투명 전극
224: 제4 투명 전극
300: 표시 장치
310, 410, 510, 610, 710, 810, 910: 표시 패널
320: 터치 패널
330: 하부 커버
340: 상부 커버
400: 모바일 표시 장치
500: 차량용 네비게이션
600: 티비
700: 옥외 광고판
800: 슬롯 머신
900: 전자 칠판

Claims (14)

  1. 유전성 엘라스토머(dielectric elastomer) 및 강유전성 필러를 포함하는 전기 활성층; 및
    상기 전기 활성층의 양면에 배치된 제1 투명 전극 및 제2 투명 전극을 포함하는, 액츄에이터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 유전성 엘라스토머는, 아크릴계 중합체, 우레탄계 중합체 및 실리콘계 중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 액츄에이터.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 유전성 엘라스토머는 폴리디메틸 실록산(polydimethyl siloxane; PDMS)인, 액츄에이터.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 강유전성 필러는 압전성 세라믹, 탄소 나노입자, 금속 나노입자 및 전도성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 액츄에이터.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 압전성 세라믹은 납(Pb), 지르코늄(Zr), 티탄(Ti) 및 바륨(Ba)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 액츄에이터.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 압전성 세라믹은 티탄산바륨(BaTiO3) 및 티탄산 지르콘산납(PZT)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 액츄에이터.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 압전성 세라믹은 입자 직경이 300nm 이하인, 액츄에이터.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 탄소 나노입자는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 그라펜(graphene), 그래파이트(graphite), 카본블랙(carbon black), 카본파이버머 및 플러렌(fullerene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 액츄에이터.
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는 금(Au) 또는 은(Ag)을 포함하는 나노와이어, 나노로드, 나노포어 및 나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 액츄에이터.
  10. 제4 항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 전기전도도가 10-6 S/cm 이상인, 액츄에이터.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 유전성 엘라스토머와 상기 강유전성 필러의 중량비는 99.9:0.1 내지 85:15인, 액츄에이터.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 활성층은 1kHz에서 측정한 유전율이 5.0 이상인, 액츄에이터.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 활성층 상에 배치되는 제2 전기 활성층 및 제3 전기 활성층;
    상기 제2 전기 활성층과 제3 전기 활성층 사이에 배치되는 제3 투명 전극; 및
    상기 제3 전기 활성층 상에 배치되는 제4 전기 활성층을 더 포함하는, 액츄에이터.
  14. 표시 패널, 터치 패널 및 액츄에이터를 갖는 표시 장치로서,
    상기 액츄에이터는,
    유전성 엘라스토머(dielectric elastomer) 및 강유전성 필러를 포함하는 전기 활성층; 및
    상기 전기 활성층의 양면에 배치된 제1 투명 전극 및 제2 투명 전극을 포함하는, 표시 장치.
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