피에조 햅틱은 촉각 피드백 경험을 강화하는 매력적인 기능을 지니고 있으며, 모바일 기기의 전체 사용자 경험을 개선시켜준다. TI는 시중의 여러 가지 피에조 액추에이터와 인터페이스 되는 아날로그 입력 및 디지털 입력 피에조 햅틱 드라이버를 제공한다. 또한 데모를 통해 설계자가 그 차이를 느낄 수 있게 하고 있다.

쉬레하샤 라오(ShreHarsha Rao) 텍사스 인스트루먼트 햅틱 제품 라인 매니저

스마트폰과 태블릿 사용자의 대부분이 이미 햅틱을 사용해 봤지만 해당 용어 자체는 잘 모른다. 기본적인 정의에 따르면, “햅틱”이란 촉각 피드백에 대한 학문을 뜻한다. 햅틱의 가장 기본적인 형태는 걸려온 전화나 전화 수신함에 메시지가 도착했음을 알리는 휴대전화의 진동이다. 이 경우 사용자는 촉각 경보를 통해 인식한다.
스마트폰의 3분의 1 가량은 진동 경보 외에 여러 촉각 피드백을 탑재하고 있다. 비슷한 예로 메일이나 문자를 입력할 때 사용자가 느끼는 미세한 진동을 들 수 있다. 타자를 칠 때마다 타자가 입력되었음을 매번 진동으로 확인시켜주는 것이다. 사용자가 타자 실수를 하기 쉽기 때문에 촉각 피드백이 있으면 사용자는 더욱 만족감을 느낄 것이다.

햅틱의 사용자 경험 강화
휴대전화나 태블릿 같은 터치 기능의 모바일 기기가 점점 늘어나고 있다. 터치 인터페이스는 간편해서 아이도 스마트폰의 잠금을 해제하고 유튜브 아이콘을 클릭하여 재생 목록을 볼 수 있다. 그렇지만 터치스크린은 사용자 상호작용이나 경보에 대한 물리적 혹은 기계적 피드백이 없다는 점에서 큰 한계를 지니고 있다. 잘 설계된 햅틱은 터치 기능 모바일 기기의 전반적인 사용자 경험을 크게 향상시킬 수 있다.
햅틱은 경보나 타자 확인 역할보다 더 쓰임이 많다. 톡 쳐서 잠금을 해제하고, 두 손가락으로 확대/축소하고, 밀거나 당겨서 스크롤을 하는 등의 표준 동작에 자기만의 촉각적 기호를 둘 수도 있다. 사용자가 화면을 최대 확대로 줌인을 하면 피드백이 커질 수 있다. 스크롤이 빠를수록 촉각 피드백도 빨라지게 할 수 있다. 이런 종류의 환경의존적(context-sensitive) 피드백이 시청각적 피드백과 결합하면, 소비자 경험은 매우 만족스럽고 직관적이 될 것이다.
또한 햅틱은 재미를 준다. 대부분의 사람들이 모바일 기기에서 게임을 한다. 촉각적 피드백을 이용하면 게임 체험을 크게 개선할 수 있다. 예를 들어, 1인용 슈팅 게임에서 사수는 무기가 발사되는 것을 실제로 느낄 수 있다. 레이싱 게임에서는 충돌과 추돌을 느낄 수 있고, 인기 게임 앵그리 버드에서는 줄을 놓았을 때의 팽팽함을, 기타 줄을 켜거나 피아노 건반을 누르는 것과 같이 느낄 수 있다. 게임 개발자의 상상력만큼이나 그 가능성은 무궁무진하다.

관성적 햅틱 액추에이터(ERM/LRA)
휴대전화의 표준 햅틱은 ERM (ecc-entric rotating mass) 액추에이터라 불리는 소형 모터 덕분이다. 이 모터가 어떤 전압에서 구동되어 회전을 시작하면 진동이 느껴진다. 햅틱 드라이버 칩은 이 모터를 차동 구동한다. 따라서, 이 모터는 양 전압이 적용되면 회전을 하고 반대 극성이거나 음 전압이 적용되면 멈춘다. 이것은 진동 경보의 경우 완벽하게 들어맞는다. 그러나 ERM을 다른 햅틱 용도, 예컨대 게임 같은 곳에 사용하면 배터리가 빨리 소모된다.



ERM은 관성으로 더 빨리 회전하려면 증속 구동(overdrive)이 필요하다. 모터가 정격 가속의 90%에 도달하는데 걸리는 시간이라 할 수 있는 스타트업 시간은 보통 50 ~ 100 ms 범위 내에 있다. 모터를 제동하거나 멈추는데 이와 유사한 타임 프레임이 수반된다. 클릭 같이 아주 간단한 햅틱 이벤트의 경우, 오버헤드는 약 100 ~ 200 ms이다. 애플리케이션이 반복적인 촉각 이벤트를 요구하는 경우, 모터 기반 햅틱에서의 지연은 바람직하지 않을 수도 있다.
ERM의 또 다른 측면은 회전하는 모터에서 생기는 윙윙거림과 같은 소음이다. 햅틱 피드백이 오디오 피드백과 조합되어 있는 경우에는 문제가 덜한 편이다. 그러나 조용한 회의실에서 누군가 메시지를 입력하면 모든 사람이 모터 소리를 들을 수 있다. 또한 ERM은 사용자가 만들어낼 수 있는 인식 가능한 햅틱 효과가 거의 없다. 진동 주기와 증폭은 단 하나의 컨트롤 전압과 연결되어 있다.
또 다른 종류의 관성 액추에이터, LRA (linear resonant actuator)는 일부 스마트폰에서 햅틱과 진동 경보에 사용되고 있다. LRA는 ERM과 서로 다른 기계적 구조를 가지고 있다. 이것은 스프링이 탑재된 질량으로 구성되어 있고 선형 움직임으로 진동한다. LRA는 좁은 공명 주파수에서 구동해야 한다. 또한 이것은 ERM보다 스타트업 시간이 약간 더 뛰어난 경향이 있다. 제조사에 따라, 스타트업 시간은 40 ~ 60 ms까지 다양하다(그림 1). 이것은 50 ~ 100 ms의 ERM 스타트업 시간보다 약간 더 나은 편이다. 공명 운반 진폭을 변조함으로써 다양한 종류의 햅틱 효과를 만들어낼 수 있다.

고해상도 햅틱
고해상도(HD) TV가 일반 TV보다 더 높은 해상도로 훨씬 선명하고 뚜렷한 이미지를 만들어내듯이, HD 햅틱도 관성 액추에이터의 윙윙거림보다 더 인식하기 쉬운 진동효과를 느낄 수 있게 해준다. 압전(피에조) 햅틱 또는 세라믹 햅틱 액추에이터가 HD 햅틱을 구현하는 데 사용되며, ERM/LRA와는 다른 매력을 제공한다.




피에조 액추에이터
차동 전압이 피에조 액추에이터의 양 끝에 인가되면, 구부러지거나 변형되면서 진동을 만들어낸다. 피에조 액추에이터는 고전압이 있어야 변형된다. 제조사에 따라 전압은 50 ~ 150 VPP로 다양하다. 이보다 높은 전압에서는, 필요한 피에조 레이어의 수가 감소한다. 따라서 150 VPP에서 피에조 액추에이터는 약 4개의 레이어를 갖는데 반해, 50 VPP에서는 16 ~ 24 레이어까지 가질 수 있다. 이보다 높은 전압에서는 감소된 레이어 숫자로 인해 피에조 액추에이터의 정전용량이 낮아진다. 즉, 더 적은 전류로도 이보다 낮은 정전용량 햅틱 액츄에이터를 구동할 수 있다는 뜻이다.
피에조 액추에이터는 디스크나 직사각형 스트립으로 사용할 수 있으며 벤더(bender)라고 불린다. 피에조 디스크는 수직 변형되며 z축 진동에 사용할 수 있다. 피에조 벤더는 “부동” 터치스크린에 바로 탑재해 화면만을 진동시킬 수 있다(그림 2a). 피에조 벤더 역시 소형 모듈에 탑재된 질량일 수 있으며, 이것을 디바이스 케이스나 PCB에 탑재시켜 전체 디바이스에 진동을 전달하게 할 수 있다(그림 2b). 피에조 모듈은 기계적 통합이 쉽다는 점에서 인기가 높다.

피에조 액추에이터를 HD로 만드는 것은 무엇인가?
다음 네 가지 주요 요소가 피에조 액추에이터를 관성 액추에이터와 차별화시킨다:

1. 빨라진 스타트업 : 피에조 액추에이터 본연의 기계적 성질 때문에, 스타트업 시간이 보통 15 ms 미만일 정도로 매우 빠르다. 이것은 ERM보다 서너 배 더 빠른 속도다. ERM과 비교했을 때, 전체 햅틱 이벤트 시간이 70 ms까지 단축될 수 있다. 이에 대한 설명은 그림 3에 나와 있다.
2. 높아진 대역폭 : 그림 4에 설명된 피에조 액추에이터의 높아진 대역폭으로 인해 더욱 세밀해진 햅틱 팔레트에 더 많은 수의 효과를 제공할 수 있다.
3. 줄어든 잡음 : ERM과 달리, 피에조 액추에이터에는 기계 잡음을 일으키는 회전 질량이 없다.
4. 강해진 진동: 피에조 모듈은 더 높은 진동 강도를 만들어내기 쉽다. 그림 5는 시중의 피에조 모듈의 가속 특성에 관한 것이고, 그림 6은 시중의 LRA의 가속 특성에 관한 것이다. 피에조 액추에이터는 LRA의 1.5 GPP 미만과 비교했을 때, 3 GPP의 피크 대 피크 가속을 만들어냈다고 볼 수 있다. 진동 강도가 높을수록 피에조 모듈은 더 큰 화면의 스마트폰과 태블릿의 훌륭한 후보군이 될 수 있다.

피에조 액추에이터의 전류 소비
피에조 액추에이터가 표준 관성 액추에이터보다 더 높은 전압을 필요로 하지만, 실제 전류 소비는 ERM보다 낮고 LRA와는 동일하다(표 1 참고).

결론
피에조 액추에이터는 관성 액추에이터와 비교했을 때 성능과 비용 면에서 이점이 많다. 빨라진 스타트업 시간으로 키보드 애플리케이션에서 선명하고 또렷한 클릭을 만들어낼 수 있다. 높아진 대역폭으로는 보다 사용자 인식 용이성(perceivable) 햅틱 효과를 만들어낼 수 있다. 이것은 게임 애플리케이션에서 매우 중요하다. 피에조 액추에이터의 강해진 진동 강도를 이용해 태블릿과 e-리더 같은 대형 소비자 기기를 위한 햅틱 피드백을 생성할 수도 있다. 전체적으로 피에조 햅틱은 촉각 피드백 경험을 강화하는 매력적인 기능을 지니고 있으며 모바일 기기의 전체 사용자 경험을 개선시켜준다
텍사스 인스트루먼트(TI)는 시중의 여러 가지 피에조 액추에이터와 인터페이스되는 아날로그 입력(DRV8662) 및 디지털 입력(DRV2665) 피에조 햅틱 드라이버를 제공한다. 또한 TI는 데모를 통해 설계자가 그 차이를 느낄 수 있게 한다.