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문제 정의
- 전술한 연구들에서 사용한 직조방식의 전도성 섬유센서들은 섬유의 결방향과 이에 수직한 방향에서 저항값이 서로 다르게 나타나는 방향성을 가지게 되므로 계측위치에 따른 오차특성이 일정하지 않다는 문제점을 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 방향성을 줄여서 모든 위치에서 고른 계측정확도를 가지는 압력센서용 전도성 섬유조합을 발굴하고자 하였다. 즉, 여러 종류의 전도성 섬유를 이용한 EIT system을 구성하여 외란을 가한 후 외란위치를 계측하고 그 결과를 phantom의 경우와 비교함으로써 성능을 평가하였다.
- 전극은 구리선을 연결한 나사 16개를 등간격으로 박아 넣어 배치하였으며 이 나사는 전도성섬유를 고정하는 역할을 겸한다. 전극(여기서는 나사)과 섬유 사이 접촉부에 전도성 페인트를 칠하여 접촉저항에 의한 전도성 손실을 줄이고자 하였다. 실험에 사용한 전도성 섬유는 국내에서 제작한 직조 방식(NDK,Doosung Co, Korea)과 접착 방식(IDK-NK, Doosung Co,Korea)의 두 제품과 해외에서 제작한 직조 방식(DEV, Statex,Germany) 제품을 사용하였다.
제안 방법
- 2와 같다. 16개의 전극과 multiplexer(ADG508A, Analog Devices, USA)를 이용하여 전류공급과 전압계측이 자동적으로 이루어지도록 구성하였고 일정한 전류값을 인가하기 위한 OP-Amp (LM358M,National semiconductor, USA)를 사용하였다. EIT system 내부에 발현한 전압을 측정하기 위해서 National Instrument의 DAQ장비를 채용하였다.
- 16개의 전극과 multiplexer(ADG508A, Analog Devices, USA)를 이용하여 전류공급과 전압계측이 자동적으로 이루어지도록 구성하였고 일정한 전류값을 인가하기 위한 OP-Amp (LM358M,National semiconductor, USA)를 사용하였다. EIT system 내부에 발현한 전압을 측정하기 위해서 National Instrument의 DAQ장비를 채용하였다.
- Phantom 내부 생리 식염수의 전도율은 전도율 측정기 (EC100, Extech, USA)를 사용하여 측정하였다. 또한 전도성 섬유의 저항값은 해당섬유를 길이 100 mm, 너비 10 mm의 크기로 자른 후 섬유의 양단 끝에서 멀티테스터로 측정하였다.
- Phantom을 이용한 실험에서는 내부 생리식염수 안의 임의의 위치에 비전도성 물질인 플라스틱 막대(plastic bar, 직경 24mmx 높이 95mm)를 넣고 그 위치를 파악하는 연구를 진행하였다.
- Phantom 내부 생리 식염수의 전도율은 전도율 측정기 (EC100, Extech, USA)를 사용하여 측정하였다. 또한 전도성 섬유의 저항값은 해당섬유를 길이 100 mm, 너비 10 mm의 크기로 자른 후 섬유의 양단 끝에서 멀티테스터로 측정하였다.
- 식염수에 이물질이 첨가되지 않은 경우와 CNT (carbon-nanotube) 분말을 0.04g씩 단계별로 증가시키면서 0.2g에 도달할 때까지 첨가한 경우를 포함하여 총 6가지의 서로 다른 전도율을 가지는 phantom에 대하여 EIT 영상을 획득하고 서로 비교하였다.
- 이러한 오차는 전도성 섬유소재의 저항값과 밀접한 관련이 있으므로 오차(%)를 저항값(Ω)으로 나누어 정규화한 후 비교하였다(이하 절대값).
- 전극의 배치는 Fig. 4와 같으며, 인접한 전극 사이에 전류를 공급하고 해당 전극을 제외한 나머지 전극에서 서로 인접한 전극 사이의 전압차를 측정하였다[1][7]. 예를 들어, 5-6번 전극에 전류를 공급할 경우, 7-8, 9-10, 11-12, •••, 그리고 3-4 번 전극에서 전압을 계측한 후, 다시 전류공급용 전극의 위치를 시계방향으로 한 칸 이동하여 위 과정을 반복하였다.
- 전도성 섬유는 3종류(Table 2 참조)를 사용하였고 두 장의 전도성 섬유를 겹쳐서 설치하되 섬유의 결이 서로 수직이 되도록 배치하였다. 이는 직조방식의 전도성 섬유의 경우 결방향과 이에수직한 방향의 출력전압에 차이가 존재할 수 있기 때문이다.
- 이는 직조방식의 전도성 섬유의 경우 결방향과 이에수직한 방향의 출력전압에 차이가 존재할 수 있기 때문이다. 전도성 섬유표면을 직경 10mm의 플라스틱 막대로 누른 상태의EIT 영상을 확보하여 그 위치를 파악하는 실험을 진행하였다.
- 본 논문에서는 이러한 방향성을 줄여서 모든 위치에서 고른 계측정확도를 가지는 압력센서용 전도성 섬유조합을 발굴하고자 하였다. 즉, 여러 종류의 전도성 섬유를 이용한 EIT system을 구성하여 외란을 가한 후 외란위치를 계측하고 그 결과를 phantom의 경우와 비교함으로써 성능을 평가하였다.
- 직조방식 전도성 섬유의 경우, 섬유의 결 방향에서 길이 변화에 따른 전기저항변화가 잘 나타나므로 실험에서는 섬유의 결이 서로 직교하도록 겹쳐서 사용하였다.
- 직조방식과 부직포 방식의 전도성 섬유를 도전성을 띈 면이 서로 겹치도록 하여 실험해 보았다. 이 경우에는 반경오차가 2.
대상 데이터
- 1과 같다. Fig. 1 (a)의phantom은 외경 100 mm, 높이 70 mm, 두께 5 mm의 아크릴 원통으로 제작하였으며 내부에는 농도 0.9%의 생리식염수 330ml 를채웠다. Phantom 가장자리를 따라 등간격으로 직경 0.
- Fig. 1 (b)의 전도성 섬유를 이용한 EIT system은 직경100mm, 높이 20mm의 실리콘 패드 위에 전도성 섬유를 고정하여 사용하였다. 전극은 구리선을 연결한 나사 16개를 등간격으로 박아 넣어 배치하였으며 이 나사는 전도성섬유를 고정하는 역할을 겸한다.
- 9%의 생리식염수 330ml 를채웠다. Phantom 가장자리를 따라 등간격으로 직경 0.5 mm의 구리선 16개를 배치하되 구리선이 식염수에 10 mm 정도 잠기도록 하여 전극으로 사용하였다.
- 1 (%/Ω)로서 직조 방식의 것과 매우 다른 양상을 보였다. 본 연구에서 사용한 부직포 방식의 전도성 섬유는 폴리머시트 위에 막대형태의 전도성 소재(whisker)를 골고루 뿌려주면서 접착제로 고정한 것으로서 직조방식의 섬유보다 저항값이 평균 1/2 수준에 불과하였다. 또한 디스크 형태로 잘라서 잡아당겨 보면 반경방향으로는 변형이 쉽고 일정하게 이루어지지만 원주방향으로는 변화형태가 불균일하게 나타났다.
- 전극(여기서는 나사)과 섬유 사이 접촉부에 전도성 페인트를 칠하여 접촉저항에 의한 전도성 손실을 줄이고자 하였다. 실험에 사용한 전도성 섬유는 국내에서 제작한 직조 방식(NDK,Doosung Co, Korea)과 접착 방식(IDK-NK, Doosung Co,Korea)의 두 제품과 해외에서 제작한 직조 방식(DEV, Statex,Germany) 제품을 사용하였다. 모델명에 따른 섬유소재의 기본저항값은 Table 2에 나타내었다.
성능/효과
- 1. 식염수를 이용한 phantom은 약 9% 이내의 오차로 외란의위치를 파악할 수 있다.
- 2. Phantom에 CNT 분말을 첨가하여 내부 전도율을 증가시키면 각도오차를 다소 감소시키는 반면 반경오차는 오히려 크게 증가하였으므로 CNT 분말 첨가에 의한 계측오차 개선효과는 기대할 수 없는 것으로 볼 수 있다.
- 3. 직조방식의 전도성 섬유 두 장을 서로 겹쳐서 사용할 경우,외란 위치 계측오차는 평균 10% 이내로 나타났으며 phantom과 비교할 때 성능에서는 큰 차이가 없는 것으로 판단된다.
- 4. 직조방식의 전도성 섬유와 부직포 방식의 전도성 섬유를 함께 사용하면 외란의 위치를 약 4% 정도의 반경오차와 8% 내외의 각도오차를 가지고 검출해 낼 수 있었다.
- Table 1과 Fig. 7의 실험결과를 보면, 식염수의 전도율은 CNT 분말의 첨가량에 비례하여 거의 선형적으로 변화하여 최대 3.0%까지 증가하였고 전도율이 상승함에 따라 원점을 기준으로 한phantom의 위치 계측오차(절대값)는 반경과 각도에 대하여 각각 최대 15.2%와 3.4%로 나타났다. 특히 CNT 분말 첨가량이 0.
- 8 (%/Ω)를 보여 전도성 섬유조합과 유사하게 나타남으로써 부직포방식의 전도성 섬유가 가지는 각도(원주 방향) 계측오차를 개선할 수 있음을 보여주었다. 더욱이 반경방향 위치계측오차는 4.1%(절대값)로서 직조방식의 최대 반경오차 대비 50%가 감소하였고, 각도오차는 8.4%(절대값)로서 직조방식의 최대 각도오차 대비 21.5% 감소함으로써 직조방식 전도성 섬유가 가지는 계측오차를 현저하게 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 실험결과를 보면 소재의 저항값이 작은 전도성 섬유를 적용한EIT system의 경우에는 system 내부에 유도되는 임피던스분포도의 변화간극이 미세해지면서 계측분해능이 작아지기 때문에 위치계측오차도 감소하는 것으로 판단된다.
- 전체적으로 볼 때, phantom을 이용한 실험에서는 식염수 내에 삽입한 플라스틱 막대의 위치가 실제 위치와 약 9% 정도의 오차를 가지는 것으로 나타났으며, 식염수 내에 CNT 분말을 첨가하여 전도율을 높여 주면 각도오차는 줄어든 반면 반경오차는 오히려 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 식염수만으로도 위치계측오차가 9% 이내인 phantom을 구성할 수 있는 것으로 나타났다.
- 실험결과를 보면 소재의 저항값이 작은 전도성 섬유를 적용한EIT system의 경우에는 system 내부에 유도되는 임피던스분포도의 변화간극이 미세해지면서 계측분해능이 작아지기 때문에 위치계측오차도 감소하는 것으로 판단된다. 따라서 저항값이 작은 부직포 방식의 전도성 섬유를 직조방식 전도성 섬유와 조합하여 사용할 경우 위치 계측오차의 평균값이 감소함과 동시에 반경방향과 원주방향 모두에서 계측성능이 비교적 고르게 구현되므로 압력변화 감지용 섬유센서로 활용할 수 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 사용한 부직포 방식의 전도성 섬유는 폴리머시트 위에 막대형태의 전도성 소재(whisker)를 골고루 뿌려주면서 접착제로 고정한 것으로서 직조방식의 섬유보다 저항값이 평균 1/2 수준에 불과하였다. 또한 디스크 형태로 잘라서 잡아당겨 보면 반경방향으로는 변형이 쉽고 일정하게 이루어지지만 원주방향으로는 변화형태가 불균일하게 나타났다.
- 5% 감소함으로써 직조방식 전도성 섬유가 가지는 계측오차를 현저하게 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 실험결과를 보면 소재의 저항값이 작은 전도성 섬유를 적용한EIT system의 경우에는 system 내부에 유도되는 임피던스분포도의 변화간극이 미세해지면서 계측분해능이 작아지기 때문에 위치계측오차도 감소하는 것으로 판단된다. 따라서 저항값이 작은 부직포 방식의 전도성 섬유를 직조방식 전도성 섬유와 조합하여 사용할 경우 위치 계측오차의 평균값이 감소함과 동시에 반경방향과 원주방향 모두에서 계측성능이 비교적 고르게 구현되므로 압력변화 감지용 섬유센서로 활용할 수 것으로 판단된다.
- 전체적으로 볼 때, phantom을 이용한 실험에서는 식염수 내에 삽입한 플라스틱 막대의 위치가 실제 위치와 약 9% 정도의 오차를 가지는 것으로 나타났으며, 식염수 내에 CNT 분말을 첨가하여 전도율을 높여 주면 각도오차는 줄어든 반면 반경오차는 오히려 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 식염수만으로도 위치계측오차가 9% 이내인 phantom을 구성할 수 있는 것으로 나타났다.
- 6의 EIT 영상을 보면 그림 오른쪽 막대그래프(범례)에 보인 것처럼 검붉은색 쪽으로 변화될수록 높은 전압이 나타난 것을 의미한다. 즉, CNT 분말이 첨가된 경우에는 높은 전압을 보이는 node들이 상대적으로 아크릴통 안쪽 벽으로 몰리면서 밀집되는 것으로 나타났다. 이것은 첨가된 CNT 입자가 인력에 의하여 삽입된 플라스틱 막대표면과 아크릴통 안쪽 벽 주위에 분포하게 되어 해당부위의 전기 전도율이 높아지면서 전기장변화가 나머지 부분보다 크게 나타나기 때문인 것으로 판단된다
- 4%로 나타났다. 특히 CNT 분말 첨가량이 0.08g 이상인 경우만 비교하면 CNT 분말 첨가량이 증가함에 따라서 반경오차는 점차 증가하는 반면 각도오차는 그 절대값이 거의 일정한 수준에 머물러 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 5. 전체적으로 볼 때, 저항값이 상대적으로 작은 부직포 방식의 전도성 섬유를 직조방식의 전도성 섬유와 함께 사용하여 EIT 영상 복원기술을 적용하면 직조방식의 전도성 섬유만을 사용하는 경우보다 외란 위치 계측오차를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 방향별 오차특성이 비교적 고른 섬유센서를 구현할 수 있으므로 각종 레저/스포츠용 의류와 의료기기 등의 웨어러블 센서에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
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