촉각 피드백 혁신: 압전 트랜스듀서의 장점

많은 터치스크린과 휴대용 기기는 기본적이거나 햅틱 피드백이 없습니다. 사용자 기대치가 높아짐에 따라 엔지니어들은 기존 진동 모터보다 우수한 물리적·전기적 성능을 제공하는 압전 트랜스듀서로 눈을 돌리고 있습니다.

이 글에서는 압전 트랜스듀서의 원리, 이론, 모델링을 검토하고, 이러한 트랜스듀서의 고유 특성을 구동하도록 특별히 설계된 전자 회로를 다룹니다. 또한 압전 기술을 활용한 햅틱 애플리케이션을 탐구하고 앰프 입력 전력이 다양한 압전 부하 구성과 어떻게 관련되는지 살펴봅니다.

압전 액추에이터의 햅틱 진동은 역압전 효과, 즉 전기적 자극을 기계적 운동으로 변환하는 것에 의존합니다. 이 문맥에서 압전 효과에 대한 언급은 모두 전기-기계 에너지 전달을 의미합니다.

압전 햅틱 소개

대부분의 휴대용 전자기기에서 햅틱 피드백은 편심 회전 질량(ERM) 모터와 선형 공진 액추에이터(LRA) 같은 전자기(EM) 트랜스듀서로 생성됩니다. 이 장치들은 저렴하고 사용하기 쉬우며 배터리 레벨 전압으로 동작할 수 있습니다.

그러나 EM 트랜스듀서에는 여러 단점이 있습니다:

• 고정된 주파수에서 공진하며, LRA 유닛은 공장에서 결정된 공진 주파수에 맞춰 캘리브레이션해야 합니다.
• EM 장치는 상대적으로 크기(높이 3~5mm)가 커 얇은 인클로저 통합을 제한합니다.
• 점음원 진동을 생성해 표면 전반에 다양한 주파수 패턴을 만들기 어렵습니다.
• 에너지 효율이 낮아 햅틱 이벤트당 상당한 전력을 소모합니다.
• LRA 모터는 취약해 물리적·전기적 과스트레스에 취약할 수 있습니다.

반면 압전 트랜스듀서는 교류 전압을 결정질 재료에 가해 역압전 효과로 기계적 진동을 생성합니다. 주요 장점은 다음과 같습니다:

• 초박형(1mm 미만)이고 유연해 다양한 구성으로 장착 가능합니다.
• 표면 전체에 진동을 생성해 터치 위치 민감성을 구현합니다.
• 적절한 회로로 구동 시 높은 효율을 보입니다.
• 넓은 주파수 범위와 진동 패턴에 대한 정밀한 제어가 가능합니다.
• 관성이 거의 없어 빠른 응답을 보입니다.
• EMI 방출이 없습니다.

압전 액추에이터는 비교적 높은 구동 전압(일반적으로 60V~200V 피크투피크)을 필요로 하고 용성 부하를 나타내므로 전용 구동 회로의 이점을 누립니다.

압전 액추에이터는 다양한 구성으로 제공됩니다. 햅틱과 오디오에 가장 흔한 형태는 바이모프 벤더로, 접착제를 사용해 디바이스 케이스나 터치스크린 같은 내부 표면에 부착됩니다. 다음 그림은 단일 레이어 표면 실장 압전 액추에이터를 보여줍니다.

그림 1: 바이모프 압전 액추에이터 구조

바이모프 액추에이터는 일반적으로 도전성 기계층(황동, 구리 등) 위에 하나 이상의 다결정 세라믹 층을 증착해 만듭니다. 제작 후 큰 DC 분극 전압으로 결정 도메인을 정렬해 역압전 효과를 강화하고 생성되는 힘의 방향을 정의합니다. 분극장에 대해 동일하거나 반대 방향으로 전압을 가하면 다른 기계적 반응이 나타납니다.

그림 1의 그림은 압전 액추에이터가 분극 전압에 직교하게 장착된 것을 보여줍니다. 이 방향에서 인가된 전기장은 장착 베이스 방향으로 힘을 생성해 최소한의 변위를 만듭니다. 반대로 베이스가 수직으로 장착되고 자유단이 구속되지 않으면 액추에이터는 더 큰 변위를 경험합니다.

예를 들어 압전을 디스플레이 패널에 장착하면 힘을 표면으로 전달해 사용자 손가락에 햅틱 감각을 생성할 수 있습니다. 압전과 장착 표면 사이에 놓인 재료는 특히 부드럽거나 유연한 경우 에너지를 흡수하고 진동을 감쇠시킬 수 있습니다.

압전 트랜스듀서는 국소적 햅틱 피드백도 가능하게 합니다. 터치스크린이나 키보드 아래에 여러 압전 소자를 배치하면 터치가 감지될 때 각 소자를 선택적으로 활성화할 수 있습니다. 이는 고전압 멀티플렉서나 각 압전용 별도 앰프로 달성할 수 있습니다.

각 세라믹 층은 인가 전압에 비례하는 힘을 생성하므로, n층 액추에이터는 단일 층의 n배 힘을 생성합니다.

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