Flexible and wearable electronic devices have received much attention as a promising candidate to satisfy the demands for revolutionary designs for human-computer interaction. Since tactile interface has been consid-ered an essential component for contemporary electronic devices, technologies to implement tactile sensing and feedback functionality on flexible geometries have been widely studied. To provide tactile feedback with me-chanical robustness against geometric changes, electro-active polymers (EAPs), particularly dielectric elasto-mers (DEs) have been used for soft actuators. Although many approaches provide a promising route to human-perceivable tactile response on flexible interfaces, there are still challenges in securing reliable tactile feedback against pressurized contact, and in designing a resonance frequency to be in the human-sensitive frequency range of perception for vibration acceleration (100？200Hz). For practical wearable device applications, we proposed a novel flexible tactile actuator with a microstructured DE layer that is capable of producing robust vibrotactile response under high external pressure as high as 20 kPa, which is a typical pressure for user’s touch. The actuator is capable of tuning the dynamic performance by modulating mechanical and dielectric properties of the DE layer through the geometry-dependent microstructuring. Experimental evaluations of vibrational per-formance with changing geometric parameters of the pyramidal microstructured DEAs (PMDEAs) and cuboidal microstructured DEAs (CMDEAs) revealed that the mechanical and dielectric properties should be balanced to optimize the performance. Due to the benefit of nonlinearity that the pyramidal structure provides, PMDEAs could produce high mechanical output under various external pressures in the frequency range of 100？200 Hz, whereas CMDEAs were difficult to design the resonance in the desired frequency range. Psychophysical exper-iments showed that the PMDEAs could provide perceivable tactile feedback effectively under various external pressures than CMDEAs. A 3 × 3 array tactile display was developed with the PMDEA, which height and spatial distance is 250 μm and 500 μm, respectively, to provide multi-touch haptic feedback in wearable devices. A user test clearly showed that reliable tactile information could be effectively transmitted under user’s pressur-ized contact. A PMDEA-based tactile display, which has not only fast, reversible, and highly durable responses but also high-pressure endurance characteristics has potential for practical wearable device applications.
인간-컴퓨터 상호작용(human-computer interaction)을 위한 새롭고 혁신적인 디자인에 대한 사용자의 요구를 충족시킬 수 있는 대안으로 유연(flexible)하고 착용 가능한 전자기기(wearable electronic devices)가 많은 관심을 받고 있다. 촉감 인터페이스는 현대 저자기기에서 효과적인 커뮤니케이션 수단이자 필수 기능 요소로 간주되어 왔고, 촉감 감지 및 피드백 기능을 유연한 형상에서 구현하는 기술이 활발히 연구되고 있다. 유연한 형상으로의 변화에 대응하여 촉감 피드백을 제공하기 위해 많은 연구자들이 전기활성고분자(electro-active polymer), 특히 유전성 탄성체(dielectric elastomer)를 소프트 액추에이터의 유연 소자로 사용하고 있다. 현재까지 유연한 인터페이스에서 사람이 인지 가능한 촉감 피드백을 제공할 수 있는 가능성을 보여주는 많은 연구 결과가 있었다. 하지만 유전성 탄성체 액추에이터(dielectric elastomer actuator)는 면 방향으로의 팽창에 의해 변형을 생성하기 때문에 사용자의 가압 접촉에 대해 신뢰할 수 있는 출력을 생성하는 데에 한계가 있고, 액추에이터의 주파수 특성이 물질 본연의 기계적 특성에 의존하기 때문에 사람이 진동가속도를 민감하게 인지하는 주파수 영역(100？200 Hz)으로 공진주파수를 설계하는 데에 한계가 있다. 우리는 기존 연구의 한계를 극복하고 착용 형 기기에 실제로 적용하기 위해, 사용자의 일상 생활에서의 일반적인 접촉 압인 20 kPa의 높은 부하에서도 진동 촉감을 강인하게 제공할 수 있는, 미세구조화된 유전성 탄성체 층(microstructured dielectric elastomer layer) 기반의 새로운 유연 촉감 디스플레이를 제안한다. 기하학적 구조에 따른 미세구조화(microstructuring)는 유전성 탄성체 층의 기계적 특성과 유전 특성을 설계하여 액추에이터의 동적 성능을 원하는 대로 조절하여 설계의 유연성을 높일 수 있다는 장점이 있다. 피라미드와 직육면체 형상의 기하학적 변수를 조절하며 수행한 미세구조 유전성 탄성체 액추에이터의 진동 출력에 대한 성능 평가의 결과를 통해, 액추에이터의 성능을 최적화하기 위해서는 유전성 탄성체의 기계적 특성과 유전 특성이 서로 균형을 이루어야 한다는 것을 증명했다. 피라미드-미세구조 유전성 탄성체 액추에이터(pyramidal microstructured dielectric elastomer ac-tuator)는 피라미드 구조의 비선형성으로 인해, 다양한 외부 압력 하에서 공진주파수를 100？200 Hz의 범위 안에 존재하도록 설계하여 높은 성능을 출력할 수 있지만, 직육면체-미세구조 유전성 탄성체 액추에이터(cuboidal microstructured dielectric elastomer actuator)는 상대적으로 선형적인 압축탄성률을 갖기 때문에 다양한 외부 압력의 범위에서 공진주파수를 원하는 영역으로 설계하기 힘들다. 정신 물리학적 실험을 통해, 다양한 외부 압력이 인가될 때 피라미드-미세구조 유전성 탄성체 액추에이터가 직육면체-미세구조 유전성 탄성체 액추에이터에 비해 인지 가능한 촉감 피드백을 효과적으로 제공할 수 있음을 확인했다. 착용 형 기기에서 멀티터치 햅틱 피드백을 제공하기 위해, 미세구조의 높이가 250 μm, 중심거리가 500 μm인 피라미드-미세구조 유전성 탄성체 액추에이터를 3 × 3 배열로 확장하여 촉감 디스플레이를 개발하였다. 사용자 평가를 통해 제안하는 촉감 디스플레이가 사용자의 가압 접촉 하에서도 충분히 신뢰할 수 있을만한 촉감 정보를 효과적으로 전달할 수 있음을 명확하게 보였다. 피라미드-미세구조 유전성 탄성체 액추에이터 기반의 촉감 디스플레이의 빠른 응답 특성과 내구성, 높은 부하에서 강인하게 동작하는 특징은 착용 형 기기로의 실제 적용이 가능하게 한다.
