[논문]마이크로 다공성 압전 진동자를 이용한 발향장치 설계

이영준; 임승주; 김민구; 이해룡; 김정도

doi:10.5369/jsst.2016.25.6.399

마이크로 다공성 압전 진동자를 이용한 발향장치 설계
Development of Scent Display Device using Micro-pore Piezo Actuator 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.25 no.6, 2016년, pp.399 - 405

이영준 (호서대학교 전자공학과) , 임승주 (호서대학교 전자공학과) , 김민구 (호서대학교 전자공학과) , 이해룡 (한국 전자통신 연구원) , 김정도 (호서대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Scent diffuser using micro-pore piezo actuator achieved a commercial success because of its cheap production cost, but it is easy to be use for IT-based contents due to difficulty of scent intensity control. To solve this problem, we control the emission amount of scent diffuser by changing amplitude and frequency of input voltage applied to micro-pore piezo actuator. And, we analyzed the effect of density of cotton core on emission amount and a relationship between hole-size of mesh in piezo actuator and viscosity of scents to design a mechanically optimal scent device.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 마이크로 다공성 압전 진동자를 이용한 발향 장치에서 발향 특성에 영향을 미칠 수 있는 물리적 요소와 제어 요소 등을 실험을 통해 분석하고, 이 분석을 통해 최적의 발향 모듈을 설계할 수 있는 방법을 제시하며, 마이크로 다공성 압전 진동자를 이용한 발향장치의 최대 단점인 농도 제어능력을 부여하고자 한다.
본 연구에서는 마이크로 다공성 압전 진동자를 이용한 발향 장치의 향 분사량 변화 요소를 물리적 측면과 전기적 측면으로 살펴보았으며, 각 측면에서 바라본 요소를 고려하여 농도제어가 가능한 발향장치를 개발하였다. 실험은 핵심적인 요소인 Mesh 구멍크기, 향 액의 점성, 진폭의 변화, 주파수에 변화에 따른 분사 영향을 관찰하였으며 이를 이용하여 발향장치 제작 시 농도 제어가 가능함을 확인하였다.
본 연구에서는 마이크로 다공성 압전 진동자의 분사량 변화 요소를 파악하여 이를 입증하기 위한 실험을 진행하였다. 진동자의 제원은 Table 2와 같으며, 이를 이용하여 농도제어가 가능한 발향장치를 개발하였다.

제안 방법

2011년 동경대학의 연구자들이 가상 및 증강현실에서 시각과 후각에 의해 사람의 미각을 변화시킬 수 있다는 것을 실험을 통해 확인하기 위해, 7개의 병에 들어 있는 과자 냄새향이 에어 펌프와 밸브를 통해 사용자의 코에 냄새를 전달할 수 있는 발향장치를 개발하였다[6].
일반적으로 전압의 진폭을 제어하기 위한 회로는 부피가 크며 복잡하다. 그러나 본 연구에서 설계한 발향 모듈은 소형화에 목적을 두고 있기 때문에 회로의 부피를 줄이고 간단하게 구성 하기 위하여 입력 주파수의 듀티(duty)비를 이용하여 진폭을 조절하였다. 입력 주파수의 듀티비를 제어하기 위하여 Fig.
따라서, MCU 에서 생성된 주파수를 사용하게 되면 정밀한 주파수 제어가 불가능하기 때문에 압전 진동자의 분사량을 정밀하게 제어 할 수 없다. 따라서 Fig. 7에 나타내었듯이, 고속 RC 오실레이터를 이용하여 주파수를 생성하도록 설계하였다. RC 오실레이터는 R 의 값이 변하면 주파수가 변하게 되는 특성을 가지고 있으며, 이에 따라 Digital Potentiometer를 이용하여 주파수의 크기를 조절하게 된다.
필름 결합부는 세라믹 필름과 코튼 코어를 접촉시켜 코튼 코어에 의해서 향 액부로부터 끌어올려진 향 액을 마이크로 다공성 압전 진동자의 Mesh로 스며들게 한다. 또한, 향액 및 코튼 코어를 교체할 경우 필름 결합부를 향 액부와 분리 하여 교체가 용이하도록 설계하였다. 발향모듈의 세부 구조도는 Fig.
발향모듈 마다 하나의 향을 발향할 수 있기 때문에 여러 가지의 향을 발향하기 위하여 본 논문에서는 Fig. 4와 같이 발향 모듈을 나열하여 제어하는 구조로 설계하였다.
10는 진폭 변화에 따른 향 분사량의 측정값을 나타낸 것이다. 실험은 3.3에서 설명했던 주파수 변화를 위한 회로를 적용한 발향모듈에 물 5 ml를 주입 후 입력전압은 40 V로 맞추고 입력 주파수를 105kHz부터 115kHz까지 조절하여 해당 액체가 전부 분사될 때 까지의 시간을 측정하여 진행하였다. 측정에 사용된 진동자의 제원은 Table 2와 같다.
9는 진폭 변화에 따른 향 분사량의 측정값을 나타낸 것이다. 실험은 3.3에서 설명했던 진폭 변화를 위한 회로를 적용한 발향모듈에 물 5 ml를 주입 후, 입력전압은 40V로 맞추고 입력 주파수를 공진주파수로 맞춘 뒤 주파수의 듀티비를 0%부터 100%까지 조절하여 해당 액체가 전부 분사될 때까지의 시간을 측정하여 진행하였다. 측정에 사용된 진동자의 제원은 Table 2와 같다.
Table 3은 Mesh구멍에 따른 진동자의 분사 정도를 나타낸 것이다. 실험은 서로 다른 Mesh구멍을 가지고 있는 진동자마다 각각 물과 점성이 있는 향액을 분사시켜 그 모습을 관찰하였다.
11은 향 액의 점성에 따른 분사량을 나타낸 것이다. 위 실험과 같은 조건의 회로와 진동자를 이용하여 5 ml의 물과 점성이 있는 향 액을 주입하고, 해당 액체가 전부 분사될 때까지의 시간을 측정하여 진행하였다. Fig.
위에서 언급한 물리적 측면의 요소와 전기적 측면의 요소들은 4.1~4.4의 실험을 통하여 분석하였으며, 본 연구에서는 실험을 통하여 얻어진 데이터를 근거로 하여 연구 목적에 최적화된 발향 모듈을 설계하였다.
본 연구에서는 마이크로 다공성 압전 진동자의 분사량 변화 요소를 파악하여 이를 입증하기 위한 실험을 진행하였다. 진동자의 제원은 Table 2와 같으며, 이를 이용하여 농도제어가 가능한 발향장치를 개발하였다. 분사량 변화요소에 따른 실험은 다음과 같다.

대상 데이터

2의(a)는 Mesh형 진동자 구조를 나타내며, (b)는 마이크로 다공성 압전 진동자를 이용하여 설계된 발향 모듈의 단면도를 나타내었다. 설계 된 발향 모듈은 향 액부, 코튼 코어부, 필름 결합부로 구성되어있다. 향 액부는 향 원액을 담는 용기로 사용되어지며, 코튼 코어부는 향 액부에 있는 향 액을 코튼 코어를 이용하여 필름 결합부까지 균일하게 끌어올리기 위해 사용된다.

성능/효과

0%부터 50% 까지의 듀티비는 진폭 변화에 따라 0 µl/s 부터 5.2 µl/s 까지 진폭의 크기와 비례하게 분사량이 변하는 것을 확인할수 있다.
50%부터 90%까지의 µl/s듀티비는 high 상태의 지연시간이 길어질수록 분사량이 줄어들게 되며 진폭에 의한 분사량의 변화에 비하여 변화폭이 작아 효율이 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
그 결과 물을 분사할 시 3~5 µm인 진동자를 이용하였을 때에는 모두 정상적으로 분사가 잘 되었으나, 9~15 µm의 Mesh 구멍 크기를 가진 진동자를 사용할 때에는 액체의 일부가 기화가 되지 않은 채 진동자 주변에 떨어져 잇는 것을 확인 할수 있었다.
물리적 측면에서 살펴보면, 필름 고정에 의해 진동을 방해하여 향 분사량을 변화시킬 수 있으며, 코튼 코어의 밀도에 의해서도 분사량이 변화는 것을 확인하였다. 그러나 위의 요소들은 기구부 설계자와 압전 진동자 제조사에 의한 요소이기 때문에 본 논문에서 다루지 않는다.
본 연구에서는 마이크로 다공성 압전 진동자를 이용한 발향 장치의 향 분사량 변화 요소를 물리적 측면과 전기적 측면으로 살펴보았으며, 각 측면에서 바라본 요소를 고려하여 농도제어가 가능한 발향장치를 개발하였다. 실험은 핵심적인 요소인 Mesh 구멍크기, 향 액의 점성, 진폭의 변화, 주파수에 변화에 따른 분사 영향을 관찰하였으며 이를 이용하여 발향장치 제작 시 농도 제어가 가능함을 확인하였다.

후속연구

해당 발향장치는 기존의 콘텐츠에 향 디스플레이 기술이 적용되기 위해서 필요한 발향장치의 설계요소를 거의 만족시키며, 이를 응용한다면 앞으로 개발될 후각 콘텐츠의 적용에도 큰 문제가 없을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인간이 지식을 습득하기 위해 어떤 감각에 의존하는가?	인간은 보통 지식을 습득하는데 있어 약 80%를 시각에 의존하고, 11%를 청각에 의존하며 3.5%를 후각, 그리고 1~1.5%를 촉각과 미각에 의존하고 있다. 그러므로 이러한 여러 가지 형태의 오감 미디어를 함께 융합한다면 지식 전달과 지식의 흡수 능력이 더 높아질 것은 당연하다고 할 수 있다.
	증강현실 산업에서 후각 활용의 장점은?	그러므로 이러한 여러 가지 형태의 오감 미디어를 함께 융합한다면 지식 전달과 지식의 흡수 능력이 더 높아질 것은 당연하다고 할 수 있다. 후각의 경우는 자주 사용되지는 않지만 기존의 시청각 미디어와 상호작용할 경우, 매우 강력한 기억과 연상 메카니즘을 제공하고, 기존 감각의 극적인 증강효과를 제공할 수 있으며, 방송이나 인터넷에서 미디어의 실감효과 뿐만 아니라 가상현실과 증강현실을 실제 현실처럼 느끼게 만들 수 있을 것이다. 후각의 이러한 장점 때문에 향 디스플레이 기술 적용이 증가하고 있으며 다양한 형태의 발향장치가 속속 개발되고 있다[1].
	향 디스플레이 기술 적용 연구 예는?	Papin은 2003년 후각 피드백(Feedback)이 가능한 DIODE 프로젝트를 수행한 바 있는데, 사용자는 HMD의 영상과의 상호작용을 통해 사용자 주변 환경에 설치된 3개의 발향장치에서 냄새를 발향한다[2]. Cater는 에어펌프를 이용한 표준 소방훈련용 발향시스템을개발한바있다[3]. 일본의 NICT는 Aroma Shooter 라는 독자적인 발향장치를 개발하여 유물을 소개할 때 유물의 촉감과 함께 향을 느낄 수 있는 시스템을 개발한 바 있다[4,5]. 최근에는 Smell-O-Phone과 Smell-O-Grams 및 Smell-O-Vision 등의 발향장치가 개발되어 후각 디스플레이 기술이 iPhone에 적용되었을뿐만아니라 e-book과영상시스템에적용되기시작하였다. 2011년 동경대학의 연구자들이 가상 및 증강현실에서 시각과 후각에 의해 사람의 미각을 변화시킬 수 있다는 것을 실험을 통해 확인하기 위해, 7개의 병에 들어 있는 과자 냄새향이 에어 펌프와 밸브를 통해 사용자의 코에 냄새를 전달할 수 있는 발향장치를 개발하였다[6]. 동경공업대의 Nakamoto 교수는 잉크젯 펌프와 QMB 센서를 이용한 향의 미세농도 제어 기술을 이용하여 다양한 향을 조합 하는 향 브렌딩 기술을 제시한 바 있으며, 최근 삼투압 펌프를 이용한 발향장치를 성공적으로 개발하였다[7-10]. 최근 CJ는 에어 콤프레셔와 솔레노이드 밸브를 이용한 대규모 극장용 발향장치를 개발하여 4D 극장에서의 향 서비스를 상용화한 바 있다.

참고문헌 (11)

Jeong Do Kim, Ji Hoon Choi, Seung Ju Lim, Sung Dae Park, Jung Ju Kim, and Chung Hyun Ahn, "Development of Scent Display and Its Authoring Tool", ETRI Journal, vol.37, No.1, pp. 88-96, 2015..

원문보기 상세보기
Papin, J.-P., Bouallagui, M., Ouali, A., Richard, P., Tijou, A., Poisson, P. and Bartoli, W., DIODE: Smell-diffusion in real and virtual environments. Proc. 5th Int. Conf. on virtual reality (VRIC''03). Laval, France, May, pp. 113-117, 2003.
Cater, J., Approximating the senses. Smell/taste: odors in virtual reality. Proc. IEEE Int. conf. systems, man and cybernetics, San Antonio 2, 1781, 1994.
NICT press release: Successful development of a multisensory interaction system combining four senses -Interactive experiences using 3D video, audio, touch and aroma, 2009. http://www.nict.go.jp/press/2009/11/04-1.html
D. Kim and H. Ando, Development of Directional Olfactory Display, VRCAI (Virtual Reality Continuum and is Applications in Industry), ACM SIGGRAPH, ,2010.
Takuji Narumi, Takashi Kajinami, Tomohiro Tanikawa, Michitaka Hirose, Meta Cookie, SIGGRAPH 2010, Los Angeles, California, 2010.
T. Nakamoto, M. Kinoshita, K. Murakami and A. Yossiri, "Demonstration of Improved Olfactory Display using Rapidly-Switching Solenoid Valves", IEEE Virtual Reality Conference, VR, pp.301-302, Lafayette, LA, 2009.
T. Nakamoto and H. P. D. Minh, "Improvement of olfactory display using solenoid valves", IEEE Virtual Reality Conference, VR, Charlotte, NC, pp.179-186, 2007.
Yossiri Ariyakul and Takamichi Nakamoto, Improvement of Olfactory Display Using Electroosmotic Pumps and a SAW Device for VR Application, The 21st International Conference on Artificial Reality and Telexistence, Osaka, Japan, 2011.
Y. Ariyakul, Y. Hosoda and T. Nakamoto, "Improvement of odor blender using electroosmotic pumps and SAW atomizer for low-volatile scents", IEEE Sensors, Taipei, 2012.
Saad Hameed Abid, Zhiyong Li, Renfa Li and Jumana Waleed, A Novel Olfactory Displays' Scent Dispersing Module, International Journal of Hybrid Information Technology Vol.8, No.1, pp.435-442, 2015.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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