최근 의료 및 생체공학 분야의 액추에이터(actuator)와 센서 및 연료전지로 활용할 수 있는 새로운 재료인 IPMC(Ionic Polymer Metal Composite)에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 IPMC의 특징은 센서(sensor)와 액추에이터(actuator)의 성질을 동시에 가지는 있는 특이한 성질을 가진 복합재료로서 IPMC에 전압을 가하면 움직임이 생기며, IPMC에 움직임이 발생하면 IPMC 내부에 전압이 충전되는 성질이 있어 모션 센서나 힘 센서로도 활용할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 IPMC에 대한 몇 가지 특성을 파악하고 IT 기술인 스마트폰의 연계하여 원격지에서 IPMC의 동작을 제어할 수 있도록 시스템을 구성하였다. 또한, 스마트폰을 기반으로 하여 영상정보를 전송하여 모니터링 하도록 하였다. IPMC의 동작제어는 스마트폰의 블루투스를 이용하여 동작명령을 전송하도록 시스템을 구현하였다. 본 논문의 실험 및 구현으로부터 IPMC 물성에 대한 정확한 분석은 부족하지만 향후 IPMC의 활용에 있어서 IT 기술과의 융합을 통하여 센서, 액추에이터, 연료전지 등과 같은 분야에 적극 활용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
최근 의료 및 생체공학 분야의 액추에이터(actuator)와 센서 및 연료전지로 활용할 수 있는 새로운 재료인 IPMC(Ionic Polymer Metal Composite)에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 IPMC의 특징은 센서(sensor)와 액추에이터(actuator)의 성질을 동시에 가지는 있는 특이한 성질을 가진 복합재료로서 IPMC에 전압을 가하면 움직임이 생기며, IPMC에 움직임이 발생하면 IPMC 내부에 전압이 충전되는 성질이 있어 모션 센서나 힘 센서로도 활용할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 IPMC에 대한 몇 가지 특성을 파악하고 IT 기술인 스마트폰의 연계하여 원격지에서 IPMC의 동작을 제어할 수 있도록 시스템을 구성하였다. 또한, 스마트폰을 기반으로 하여 영상정보를 전송하여 모니터링 하도록 하였다. IPMC의 동작제어는 스마트폰의 블루투스를 이용하여 동작명령을 전송하도록 시스템을 구현하였다. 본 논문의 실험 및 구현으로부터 IPMC 물성에 대한 정확한 분석은 부족하지만 향후 IPMC의 활용에 있어서 IT 기술과의 융합을 통하여 센서, 액추에이터, 연료전지 등과 같은 분야에 적극 활용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
Recently, Ionic Polymer Metal Composite (IPMC) systems receive great attention in the fields of the medical and biomedical Engineering because of several merits in terms of new actuators and sensors and fuel cell materials. When the voltage is excited to IPMC system, it moves. Conversely, if there a...
Recently, Ionic Polymer Metal Composite (IPMC) systems receive great attention in the fields of the medical and biomedical Engineering because of several merits in terms of new actuators and sensors and fuel cell materials. When the voltage is excited to IPMC system, it moves. Conversely, if there are any movement on the IPMC, the IPMC has charge voltage by the internal properties. Therefore the IPMC can be used as a motion sensor or force sensor. In this paper, we identify characteristics of the IPMC and control its movements from remote locations by the smart-phone system based on visual information for monitoring. Additionally, control of movements of the IPMC is realized by transmit motion commands using the smart-phone system with the blue-tooth communication. Unfortunately, there are some deficiencies to perfectly attain physical properties of the IPMC systems from our experiments in this paper. However, in its utilization point of view, we demonstrate that the IPMC has some potentials as new sensors, actuators, and fuel cells.
Recently, Ionic Polymer Metal Composite (IPMC) systems receive great attention in the fields of the medical and biomedical Engineering because of several merits in terms of new actuators and sensors and fuel cell materials. When the voltage is excited to IPMC system, it moves. Conversely, if there are any movement on the IPMC, the IPMC has charge voltage by the internal properties. Therefore the IPMC can be used as a motion sensor or force sensor. In this paper, we identify characteristics of the IPMC and control its movements from remote locations by the smart-phone system based on visual information for monitoring. Additionally, control of movements of the IPMC is realized by transmit motion commands using the smart-phone system with the blue-tooth communication. Unfortunately, there are some deficiencies to perfectly attain physical properties of the IPMC systems from our experiments in this paper. However, in its utilization point of view, we demonstrate that the IPMC has some potentials as new sensors, actuators, and fuel cells.
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문제 정의
본 논문에서는 새로운 신소재인 IPMC의 활용에 있어서 액추에이터로서의 활용과 센서로서의 활용도를 IT 기술과 융합하여 몇 가지 특징을 고찰하였다.
본 논문에서는 이러한 IPMC의 동특성을 감안하여 액추에이터로서 활용할 수 있도록 시스템에 주안점을 두었다. IPMC의 휨 정도에 대한 계측은 스마트폰의 CCD 카메라를활용하여 계측하였으며, IPMC의 휨정도에 대한 영상을 Wi-Fi 통신을 이용하여 실시간으로 원격지 서버로 영상 데이터를 전송하도록 구현하여 원격지에서 모니터링 하도록 구현하였다.
본 논문에서는 이상과 같은 시스템을 구축하여 IPMC에 대한 휨 상태를 Wi-Fi를 이용하여 원격지 스마트폰에서 모니터링 할 수 있도록 구현하였으며, 또한 IPMC 상태 제어는 스마트폰에 탑재된 블루투스를 통하여 IPMC 구동 프로세서를 통하여 제어하도록 하여 스마트폰 기반의 원격 IPMC 제어시스템을 제시하고자 한다.
제안 방법
원격지 제어자로부터 IPMC를 원격으로 제어하고자 할 때에는 원격지 제어자에 의한 제어 명령을 스마트폰의 블루투스(bluetooth)를 이용하여 IPMC를 제어하는 드라이브 제어기에 명령을 전달하도록 하였다. IPMC 구동을 위한 CPU는 마이크로칩(주)사의 16-bit 마이크로프로세스인 dsPIC30F3011을 사용하였으며, IPMC를 제어하기 위한 PWM(pulse width modulation)은 16비트 타이머/카운터(timer/counter)를 활용하였다. 또한, 전체적인 시스템을 모니터링을 위하여 LabView와 DAQ 보드는 PXI-6259를 이용하여 데이터를 모니터링 하였다.
IPMC의 구동 조건은 최대 5[v]를 인가하여 PWM 듀티비를 70% 이하로 제안하여 과전류에 의한 파괴를 막도록 하였다. 이러한 IPMC의 휨에 따라 인가되는 전류[mA]와 전압[v]을 계측하여 아래의 표 1에 제시하였다.
본 논문에서는 이러한 IPMC의 동특성을 감안하여 액추에이터로서 활용할 수 있도록 시스템에 주안점을 두었다. IPMC의 휨 정도에 대한 계측은 스마트폰의 CCD 카메라를활용하여 계측하였으며, IPMC의 휨정도에 대한 영상을 Wi-Fi 통신을 이용하여 실시간으로 원격지 서버로 영상 데이터를 전송하도록 구현하여 원격지에서 모니터링 하도록 구현하였다.
IPMC 구동을 위한 CPU는 마이크로칩(주)사의 16-bit 마이크로프로세스인 dsPIC30F3011을 사용하였으며, IPMC를 제어하기 위한 PWM(pulse width modulation)은 16비트 타이머/카운터(timer/counter)를 활용하였다. 또한, 전체적인 시스템을 모니터링을 위하여 LabView와 DAQ 보드는 PXI-6259를 이용하여 데이터를 모니터링 하였다.
본 논문에서 IPMC 영상 데이터 정보를 원격지 스마트폰으로 전송하기 위한 방법은 Wi-Fi를 통하여 서버로 전송하도록 하였다. 서버로 전송된 IPMC 영상데이터를 서버의 버퍼에 임시적으로 저장을 해 두었다가 다른 스마트기기의 서버 접속 요청에 의해 영상 데이터를 바로 전송해 주도록 구현하였다.
본 논문에서 이러한 스마트폰의 블루투스와 MCU(ATmega128)에 장착된 FB155BC 블루투스는 RFCOMM 프로토콜을 이용하여 각각의 데이터를 송수신 한다. 본 논문에서 사용할 프로파일은 SPP(Serial Port Profile) 프로파일을 사용하였다.
본 논문의 실험에 사용한 IPMC의 크기는 50×8.5×0.4[mm]를 사용하였으며 출력되는 출력전압이 극히 미량이어서 소신호 증폭용 차동 증폭기를 설계하여 소신호를 100배 증폭하여 계측할 수 있도록 설계하였다.
본 논문의 실험은 IPMC의 특성을 파악하기 위하여 IPMC에 전압을 공급하여 일정량의 전압을 축적하면서 액추에이터로 구동시킨 다음 IPMC 내부에 축적된 전하를 저항 1Ω, 10Ω, 100Ω을 통하여 방전시켜 IPMC의 응답 특성을 계측하였다.
본 논문에서 IPMC 영상 데이터 정보를 원격지 스마트폰으로 전송하기 위한 방법은 Wi-Fi를 통하여 서버로 전송하도록 하였다. 서버로 전송된 IPMC 영상데이터를 서버의 버퍼에 임시적으로 저장을 해 두었다가 다른 스마트기기의 서버 접속 요청에 의해 영상 데이터를 바로 전송해 주도록 구현하였다.
그림 5는 실험을 위한 IPMC 실험 환경을 제시하였다. 소전력으로 IPMC를 구동하고 테스트하기 위하여 전원장치, 소신호 증폭용 차동증폭기 회로 및 계측장비, IPMC 구동 모듈을 제시하였다. 실험에 주의해야 할 점은 인가전압을 1~3[V]의 약한 전압을 인가하도록 하여 IPMC 내부의 수분 증발을 억제하면서 실험을 하여야 한다는 것에 주의하여야 한다.
그림 8의 결과로부터 IPMC 응답 특성은 인가된 전압에 대하여IPMC 내부의 이온화를 통하여 변형이 일어나고, 일어난 변형에 대하여 축전지 또는 캐패시터(C)와 같은 특성을 가진다는 것을 확인하였다. 실험 데이터 측정은 외부전원 1.29[v], IPMC 휨 각도를 30도가 되도록 한 다음 외부전원을 차단하고 각가의 저항을 통하여 방전되는 IPMC의 전압 곡선을 측정하였다.
액추에이터로서의 활용은 IT 기술과 융합하여 스마트폰의 영상정보를 활용하여 액추에이터로서의 IPMC를 모니터링 하였으며, 동시에 IPMC 구동을 위해 스마트폰의 블루투스를 활용하여 원격지에서 IPMC를 제어하도록 하였다. 특히 IPMC의 구동은 전기 분해에 의해 수분의 감소 현상이 발생하여 장시간 사용하면 IPMC의 구동 변위가 감소하는 등 아직 많은 문제가 발생하는 것도 확인하였다.
원격지 제어자로부터 IPMC를 원격으로 제어하고자 할 때에는 원격지 제어자에 의한 제어 명령을 스마트폰의 블루투스(bluetooth)를 이용하여 IPMC를 제어하는 드라이브 제어기에 명령을 전달하도록 하였다. IPMC 구동을 위한 CPU는 마이크로칩(주)사의 16-bit 마이크로프로세스인 dsPIC30F3011을 사용하였으며, IPMC를 제어하기 위한 PWM(pulse width modulation)은 16비트 타이머/카운터(timer/counter)를 활용하였다.
첫째는 MCU(dsPIC30F3011)를 이용하여 IPMC 드라이브를 포함한 제어모듈과 데이터 계측을 위한 차동 증폭기 모듈이며, 둘째는 스마트폰으로 획득된 영상을 Wi-Fi 기반으로 원격지 서버에 영상 데이터를 전송하는 부분과 다른 원격지에서 스마트폰을 통하여 서버의 영상정보를 모니터링 할 수 있는 영상 통신 및 처리부 이며, 셋째는 원격지 IPMC 영상을 통하여 원격지에서 IPMC를 제어할 수 있는 블루투스 기반의 원격 제어 모듈로 구성된다.
대상 데이터
본 논문에서 이러한 스마트폰의 블루투스와 MCU(ATmega128)에 장착된 FB155BC 블루투스는 RFCOMM 프로토콜을 이용하여 각각의 데이터를 송수신 한다. 본 논문에서 사용할 프로파일은 SPP(Serial Port Profile) 프로파일을 사용하였다. SPP 프로파일은 RFCOMM 위에 상주하고 있어 데이터를 전송할 때 시리얼 포트를 사용하는 방식과 같게 전달한다.
실험 데이터의 저장은 LabView DAQ 보드 PXI-6259를 이용하였으며 샘플링은 1[ms]로 하여 샘플링 하였다.
성능/효과
IPMC를 이용한 전기에너지 생산 측면은 조류의 움직임이 활발한 바다와 같은 지형에 적합한 것으로 판단되며, 자동차와 같이 진동이 많이 발생하는 곳에 적용할 수 있는 소형 발전기로서의 활용가능성과 잠재능력을 확인하였다. 특히, IPMC의 친수성을 응용하여 심장의 박동에 의해 소량의 전류를 발생시키는 신체 이식 발전기에 적용될 수도 있으리라 기대 된다.
그림 8의 결과로부터 IPMC 응답 특성은 인가된 전압에 대하여IPMC 내부의 이온화를 통하여 변형이 일어나고, 일어난 변형에 대하여 축전지 또는 캐패시터(C)와 같은 특성을 가진다는 것을 확인하였다. 실험 데이터 측정은 외부전원 1.
본 논문을 통하여 새로운 소재인 IPMC는 낮은 구동 전압을 이용하여 큰 변형과 빠른 응답 특성을 가지는 액추에이터로서의 활용도와 센서로서의 활용도 및 연료전지와 같은 다양한 응용분야에 활용할 수 있음을 확인하였다.
액추에이터로서의 활용은 IT 기술과 융합하여 스마트폰의 영상정보를 활용하여 액추에이터로서의 IPMC를 모니터링 하였으며, 동시에 IPMC 구동을 위해 스마트폰의 블루투스를 활용하여 원격지에서 IPMC를 제어하도록 하였다. 특히 IPMC의 구동은 전기 분해에 의해 수분의 감소 현상이 발생하여 장시간 사용하면 IPMC의 구동 변위가 감소하는 등 아직 많은 문제가 발생하는 것도 확인하였다.
후속연구
IPMC를 이용한 전기에너지 생산 측면은 조류의 움직임이 활발한 바다와 같은 지형에 적합한 것으로 판단되며, 자동차와 같이 진동이 많이 발생하는 곳에 적용할 수 있는 소형 발전기로서의 활용가능성과 잠재능력을 확인하였다. 특히, IPMC의 친수성을 응용하여 심장의 박동에 의해 소량의 전류를 발생시키는 신체 이식 발전기에 적용될 수도 있으리라 기대 된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스마트폰 기반의 IPMC 원격 위치 제어 시스템의 구성은 어떻게 나누어 지는가?
첫째는 MCU(dsPIC30F3011)를 이용하여 IPMC 드라이브를 포함한 제어모듈과 데이터 계측을 위한 차동 증폭기 모듈이며, 둘째는 스마트폰으로 획득된 영상을 Wi-Fi 기반으로 원격지 서버에 영상 데이터를 전송하는 부분과 다른 원격지에서 스마트폰을 통하여 서버의 영상정보를 모니터링 할 수 있는 영상 통신 및 처리부 이며, 셋째는 원격지 IPMC 영상을 통하여 원격지에서 IPMC를 제어할 수 있는 블루투스 기반의 원격 제어 모듈로 구성된다.
IPMC의 특징은 무엇인가?
최근 의료 및 생체공학 분야의 액추에이터(actuator)와 센서 및 연료전지로 활용할 수 있는 새로운 재료인 IPMC(Ionic Polymer Metal Composite)에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 IPMC의 특징은 센서(sensor)와 액추에이터(actuator)의 성질을 동시에 가지는 있는 특이한 성질을 가진 복합재료로서 IPMC에 전압을 가하면 움직임이 생기며, IPMC에 움직임이 발생하면 IPMC 내부에 전압이 충전되는 성질이 있어 모션 센서나 힘 센서로도 활용할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 IPMC에 대한 몇 가지 특성을 파악하고 IT 기술인 스마트폰의 연계하여 원격지에서 IPMC의 동작을 제어할 수 있도록 시스템을 구성하였다.
IPMC의 단점은 무엇인가?
또한 IPMC는 모션 센서나 힘 센서로 활용할 수 있기 때문에 센서로서의 활용도가 매우 높다고 할 수 있다. 그러나 IPMC의 단점은 히스테리시스(hysteresis)가 존재하는 단점을 가지고 있으며, IPMC 내부의 화학적인 반응에 대한 비선형 특성을 반영하지 않아 액추에이터로 활용하고자 할 때 정밀 제어에 많은 어려움이 있다.[1][2][3][4]
참고문헌 (8)
Kim S. J., Lee I. T., Lee H. Y., Kim Y. H., 2006, "Performance improvement of an ionic Polymer-metal composite actuator by parylene thin film coating," Smart Mater. Struct., 15, pp. 1540-1546.
Choi S., Tang W. and Lee S. Y., 1009, "Theoretical modeling and experimental verification for a multi-layered IPMC actuator," The KSME Fall Ann. Metting, pp. 2763-2768.
P. Brunetto, L. Fortuna, S. Graziani, and S. Strazzeri, "A model of ionic polymer-metal composite actuators in underwater operations," Smart Materials and Structures, Vol. 17, 025029, 2008.
B. Fang, C. K. Lin, M. Ju, "Development of sensing/ actuating ionic polymer-metal composite (IPMC) for active guide-wire system," Sensors and Actuators A, vol. 158, pp. 1-9, 2010.
Y. Zhang, M. Cong, and D. Guo, "Design optimization of a bidirectional microswimming robot using giant magneto strictive thin films," IEEE Trans. Mechatronics, vol. 14, pp. 493-503, 2009.
Z. Chen, S. Shatara, and X. Tan, "Modeling of biomimetic robotic fish propelled by an ionic polymer-metal composite caudal fin, "IEEE Trans. Mechatronics, vol. 15, pp. 448-459, 2010.
M. Aureli, V. Kopman, and M. Porfiri, "Freelocomotion of underwater vehicles actuated by ionic polymer metal composite," IEEE Trans. Mechatronics, vol. 15, pp. 603-614, 2010.
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