[논문]HMD용 발향장치 설계와 적용

백민호; 김민구; 금동위; 김정도

doi:10.5369/jsst.2019.28.1.52

HMD용 발향장치 설계와 적용
Application and Design of Scent Display Device for Head-Mounted Display 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.28 no.1, 2019년, pp.52 - 57

백민호 (호서대학교 전자공학과) , 김민구 (호서대학교 전자공학과) , 금동위 (호서대학교 전자공학과) , 김정도 (호서대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Studies to augment emotion and immersion in multimedia content through olfactory stimulation are being increasingly conducted in the past two decades, and a variety of scent devices have been developed. Most of the scent devices are very large and heavy; consequently, they are installed on a table rather than being attached to the Head-mounted Display (HMD). Even if such devices are mounted on the HMD, it is not possible to control the scent density because of the size limitation, and it is not easy to be immersed in the experience because of the noise caused by the scent device. In order for an actual virtual reality or an augmented reality system to work efficiently with the scent device, three conditions - noiseless, a compact design, and concentration control- must be satisfied. In this study, we design a scent device that satisfies these three conditions. By using a miniature piezoelectric pump, a small size scent device is designed so that it can be easily attached to the lower end of the HMD, and hardly any noise is generated. Moreover, it is possible to control the concentration of the scent by controlling the piezoelectric pump using amplitude and frequency.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Meta Cookie project of Tokyo University
그림 Fig. 2. Scent display of Tokyo institute of technology (a) Scent blending game, (b) HMD interfaced with scent device
그림 Fig. 3. Scent mask of FEELREAL
그림 Fig. 4. A used small air pump
그림 Fig. 5. Max4990 Driver circuit (a) DIM-Flow Rate Graph , (b) ELFlow Rate Graph
그림 Fig. 6 Internal structure of Scent device
그림 Fig. 7. Scent device attached to HMD
그림 Fig. 8. Structure of piezo liquid pump
그림 Fig. 9. structure of scent device
그림 Fig. 10. Driver circuit of piezo liquid pump using MAX14514
표 Table 1. Fluid control using amplitude and frequency (Air Pump)
표 Table 2. Fluid control using amplitude and frequency (Liquid Pump)
표 Table 3. Sensory evaluation according to scent concentration
그림 Fig. 11. Virtual reality content used in experiments (a) Scene 1 (b) Scene 2 (c) Scene 3
그림 Fig. 12. User satisfaction with the first experiment
그림 Fig. 13. User satisfaction with the second experiment

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 설계된 발향장치는 HMD의 하단에 부착할 수 있을 정도로 작게 설계되었으며, 압전 펌프를 주파수와 진폭으로 동시 제어함으로써 넓은 범위의 농도를 제어할 수 있다. 본 발향장치는 사용자를 대상으로 실제 가상현실 향 콘텐츠에 대한 만족도 평가가 시행되어 만족할 만한 결과를 얻었다.
본 연구에서는 HMD 부착형 발향장치의 콘텐츠 적용 가능성을 확인하기 위해 농도제어 능력을 측정함과 동시에 사용자의 관능평가를 시행하였다. 또한, 실제 적용 가능성을 확인하기 위해 실제 가상현실 콘텐츠와의 연동[9]을 통해 사용자의 감성효과 만족도를 평가하였다.
본 연구에서는 가상 및 증강 현실 시스템에서 향을 이용하여 몰입감과 감성의 증강이 가능하도록 하기 위하여 무소음 및 농도조절이 가능한 발향장치를 설계하였다.
인간이 현실감을 느끼기 위해 필요한 시각, 청각, 촉각 및 후각 중에서 후각의 경우 그 기술적 어려움 때문에 제한적으로 적용되어 왔으나, 가상현실 공간에서 향을 발향하기 위한 기술적 연구가 2000년대 들어 급증하기 시작하였다. 솔레노이드 밸브(solenoid valve), 표면탄성파(Surface Acoustic Wave: SAW), 그리고 초소형 펌프 등을 사용한 발향장치(scent device)들이 개발되기 시작하였으며[1-4], 이러한 향 디스플레이 장치들은 주로 가상 전시장 혹은 가상 박물관 시스템에서 다양한 시각적 장비와 발향 장치를 이용하여 사용자에게 단지 극대화된 몰입감 제공의 가능성을 확인하기 위해 사용되었다. 그러나 이 발향장치들은 대부분 크기가 매우 커서 테이블에 설치하는 형태로 개발되었거나 HMD에 장착되더라도 그 크기와 무게 때문에 실제 적용이 쉽지 않았다.

제안 방법

두 번째 방법은 첫 번째 실험에 참여하지 않은 인원 30명 (남 22, 여 8)을 15명씩 두 개의 군집으로 나누어 한 군집은 향효과를 제시하지 않고 다른 한 군집은 향 효과를 제시하도록 하여 만족도를 비교한다.
첫 번째 실험의 경우, 기존에 접하지 않던 향 효과가 제시될 경우 실제 감성이 증강되었는지에 상관없이 더 좋은 만족도를 느낄 수 있기 때문에 두 번째 실험을 실시하였다.
(1) 실험 영상을 향 효과 없이 실험 대상자들에게 보여준 후 만족도 평가를 실시한다.
(2) 2~3일이 지난 후, 같은 영상을 향 효과를 포함하여 보여준 후 만족도 평가를 실시한다. 첫 번째 실험의 경우, 기존에 접하지 않던 향 효과가 제시될 경우 실제 감성이 증강되었는지에 상관없이 더 좋은 만족도를 느낄 수 있기 때문에 두 번째 실험을 실시하였다.
감각 효과의 만족도 조사를 위하여 VR 콘텐츠에 향을 사용하지 않은 경우와 향을 사용하였을 때를 비교하였다.
또한, 진폭과 주파수를 이용한 향의 유량제어를 통해 미세 농도조절이 가능하도록 하였다. 또한, 설계된 발향장치의 유용성을 입증하기 위하여 가상현실 콘텐츠와 연동하였으며, 관능평가 및 사용자 만족도 평가를 통해 그 가능성을 입증하였다.
본 연구에서는 HMD 부착형 발향장치의 콘텐츠 적용 가능성을 확인하기 위해 농도제어 능력을 측정함과 동시에 사용자의 관능평가를 시행하였다. 또한, 실제 적용 가능성을 확인하기 위해 실제 가상현실 콘텐츠와의 연동[9]을 통해 사용자의 감성효과 만족도를 평가하였다. 가상현실을 위해 사용된 플랫폼은 Unity 이며, Oculus DK2 HMD가 사용되었다.
본 연구에서는 초소형 압전 펌프를 사용함으로써 소음이 발생하지 않도록 하였으며 HMD의 하단부에 쉽게 부착될 수 있도록 작게 설계되었다. 또한, 진폭과 주파수를 이용한 향의 유량제어를 통해 미세 농도조절이 가능하도록 하였다. 또한, 설계된 발향장치의 유용성을 입증하기 위하여 가상현실 콘텐츠와 연동하였으며, 관능평가 및 사용자 만족도 평가를 통해 그 가능성을 입증하였다.
또한, 포토 릴레이를 사용하여 드라이버 회로 하나로 여러 개의 펌프를 스위칭하는 방법으로 회로를 소형화시켰다. 포토 릴레이는 TOSHIBA 사의 TLP224G-2를 사용하였으며, 소자 하나로 두 개의 포토 릴레이 기능을 사용할 수 있다.
본 연구에서 제작한 HMD용 발향장치는 압전 펌프로 제작하였으며 에어용 펌프와 액체형 펌프를 사용한 발향장치로 구분된다. 발향장치에서 발향되는 향의 농도는 압전 펌프에 의해 발생하는 유량에 의해 영향받기 때문에, 유량계를 통해 단위 시간당 유량을 측정하였다. Table 1에서 볼 수 있는 바와 같이 에어형 펌프를 사용하였을 경우 초당 4~18 ml에서 제어가 가능하며, 액체형 펌프의 경우 초당 1.
본 발향 장치에서는 압전 피에조를 사용한 소형 에어 펌프를 사용함으로써, 적은 전력으로 펌프를 동작시킴과 동시에 소음을 최소화시켰다. Fig.
4의 압전 피에조를 사용한 소형 에어 펌프는 Lamp Driver 를 사용하여 주파수와 진폭을 제어함으로써, 분출되는 에어량을 정밀하게 조절할 수 있다. 본 발향장치에서는 MAX4990 Lamp Driver IC를 사용하였고 PWM Duty비와 주파수를 조절함으로써, 펌프에 인가되는 전압과 주파수를 제어하였다. DIM은 펌프에 인가되는 전압의 진폭을 조절하고 EL은 전압의 주파수를 제어하게 되며, DIM과 EL에 따른 Flow Rate의 변화는 Fig.
본 연구에서 설계된 HMD 부착형 발향장치는 초소형 압전액체펌프를 이용하여 향 카트리지 속의 향액을 히터로 배출하여 기화시킨 후에 초소형 팬(fan)을 이용하여 사용자의 코로 전달하는 방법을 사용한다. 또한, 본 연구에서 설계된 발향 장치는 블루투스 통신을 통해 가상현실 시스템과 연동된다.
본 연구에서 설계된 발향장치는 HMD의 하단에 부착할 수 있을 정도로 작게 설계되었으며, 압전 펌프를 주파수와 진폭으로 동시 제어함으로써 넓은 범위의 농도를 제어할 수 있다. 본 발향장치는 사용자를 대상으로 실제 가상현실 향 콘텐츠에 대한 만족도 평가가 시행되어 만족할 만한 결과를 얻었다.
또한, 압전펌프를 주파수 뿐만 아니라 진폭을 동시에 제어함으로써 정밀한 농도의 제어가 가능하다. 본 연구에서는 압전 액체 펌프를 이용한 발향장치 뿐만 아니라 압전 에어 펌프를 사용한 발향장치를 동시에 설계하였다.
본 연구에서는 초소형 압전 펌프를 사용함으로써 소음이 발생하지 않도록 하였으며 HMD의 하단부에 쉽게 부착될 수 있도록 작게 설계되었다. 또한, 진폭과 주파수를 이용한 향의 유량제어를 통해 미세 농도조절이 가능하도록 하였다.
본 연구에서는 향의 미세농도제어를 위해, Max14514 Lamp Driver를 이용하여 액체펌프의 주파수와 진폭을 동시에 제어하는데, Fig. 10은 본 연구에서 설계된 압전 액체펌프의 유량 제어를 위한 구동회로를 보여주고 있다.
실험에는 발향의 시간을 5초로 고정하고 향의 농도를 변화시켰으며, 향을 맡고 결과를 기록한 뒤 5분 동안 휴식을 취하였다. 모든 농도의 향을 맡은 후 관능평가 결과를 다음과 같은 점수로 기록하고 평균을 내어 Table 3에 나타내었다.
동경공업대의 Nakamoto 교수는 잉크젯 펌프와 QMB (Quartz Micro Balance) 센서를 이용한 향의 미세농도 제어 기술을 이용하여 다양한 향을 조합하는 향 블렌딩(blending) 기술을 제시하여 다양한 콘텐츠에 적용한 바 있다[1,2]. 이 실험에서는 발향장치와 HMD를 튜브를 통해 연결하는 방법을 사용하였다.
향 효과의 실제 관능평가는 압전 액체펌프를 이용하여 설계된 발향장치를 이용하였으며, 발향장치를 부착한 HMD를 얼굴에 착용하고 콘텐츠를 동작시키지 않은 상태에서 커피향을 발향하도록 하였다.

대상 데이터

또한, 실제 적용 가능성을 확인하기 위해 실제 가상현실 콘텐츠와의 연동[9]을 통해 사용자의 감성효과 만족도를 평가하였다. 가상현실을 위해 사용된 플랫폼은 Unity 이며, Oculus DK2 HMD가 사용되었다.
본 연구에서 제작한 HMD용 발향장치는 압전 펌프로 제작하였으며 에어용 펌프와 액체형 펌프를 사용한 발향장치로 구분된다. 발향장치에서 발향되는 향의 농도는 압전 펌프에 의해 발생하는 유량에 의해 영향받기 때문에, 유량계를 통해 단위 시간당 유량을 측정하였다.
모든 농도의 향을 맡은 후 관능평가 결과를 다음과 같은 점수로 기록하고 평균을 내어 Table 3에 나타내었다. 실험에 참가한 인원은 21명 (남17, 여4) 이다.
2011년 동경대학의 연구자들은 Meta Cookie 프로젝트를 통해 가상 및 증강현실에서 시각과 후각에 의해 사람의 미각을 변화시킬 수 있다는 것을 실험을 통해 확인하였다[7]. 이 실험에서는 발향이 가능한 HMD가 사용되었는데, 7개의 병에 들어 있는 과자 냄새향이 에어펌프와 밸브를 통해 사용자의 코에 냄새를 전달하며, 부가적인 한 개의 펌프가 냄새를 희석시키기 위해 사용되었다.
첫 번째 방법은 인원 30명 (남 24, 여 6)이 참여하였다.

성능/효과

Figs. 4.3의 결과로부터 우리는 발향 장치에 의한 향 효과의 유무가 실험 참여자의 감성에 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있다.
12는 첫 번째 실험에서의 실험대상자 만족도를 평가한 결과이다. 93%의 실험대상자들이 만족도가 향상되었다고 대답하였으며, 단지 7%만이 큰 변화가 없다고 대답하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프로토 타입의 소형 몰입형 마스크의 단점은 무엇인가?	최근, FEELREAL사는 기존 Head-mounted Display (HMD) 장치와 결합되어 바람, 뜨거운 공기, 진동, 물의 뿌려짐과 향을 공급할 수 있는 프로토 타입의 소형 몰입형 마스크를 개발하였으나 향의 농도 조절이 불가능하다는 단점을 가지고 있다[5].
	발향장치가 콘텐츠와 결합될 때 갖추어야 할 특징은 무엇인가?	향이 콘텐츠와 결합될 때 자극적이거나 강한 느낌의 영상에 서는 진한 농도가 필요하며 부드러운 느낌의 영상에서는 부드 러운 농도의 향이 제시되어야 한다. 영상과 향의 농도가 어울리지 않는 경우에는 모달리티 부조화가 일어나기 때문에 오히려 감성과 몰입감의 저하가 일어날 수 있다.
	프로토 타입의 소형 몰입형 마스크란 무엇인가?	최근, FEELREAL사는 기존 Head-mounted Display (HMD) 장치와 결합되어 바람, 뜨거운 공기, 진동, 물의 뿌려짐과 향을 공급할 수 있는 프로토 타입의 소형 몰입형 마스크를 개발하였으나 향의 농도 조절이 불가능하다는 단점을 가지고 있다[5].

참고문헌 (9)

Y. Ariyakul and T. Nakamoto, "Improvement of Miniaturized Olfactory Display Using Electroosmotic Pumps and SAW Device", TENCON 2014 - 2014 IEEE Reg. 10 Conf., Bangkok, Thailand, pp. 1-5, 2014.
T. Nakamoto, H. Takigawa, T. Yamanaka, "Fundamental Study of Odor Recorder Using Inkjet Devices for Low-Volatile Scents", IEICE Trans. On Electronics, Vol.E87-C, No.12, (2004), pp.2081-2096.
S. H. Abid, Z. Li, R. Li, and J. Waleed, "A Novel Olfactory Displays Scent Dispersing Module", Int. J. Hybrid Inf. Technol., Vol.8, No.1, pp. 435-442, 2015.
D. W. Kim, Y. H. Cho, K. Nishimoto, Y. Kawakami, S. Kunifuji, and H. Ando, "Development of aroma-Card based soundless Olfactory Display", 16th IEEE Int. Conf. on Electron. Circuits Syst., pp. 703-706, City, Country, 2009.
https://newatlas.com/feelreal-vr-mask-smells/57799/(retrieved on Dec. 27, 2018).
J. -P. Papin, M. Bouallagui, A. Ouali, P. Richard, A. Tijou, P. Poisson, and W. Bartoli, "DIODE: Smell-diffusion in real and virtual environments", Proc. 5th Int. Conf. on virtual reality (VRIC''03), pp. 113-117, Laval, France, 2003.
S.-J. Lim, "A Study on Scent Devices and SDK for Scent Display of Realistic Media", Doctoral dissertation, The Graduate School Hoseo Univ., City, Country, 2016.
J.D Kim, S. Park, J. Lee, J.J. Kim, S. Lee, "The Interactive Virtual Space with Scent Display for Song-Do Tomorrow-City Experience Complex", Journal of the Ergonomics Society of Korea, Vol.29, No.4, (2010), pp.585-593

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O.H. Yu, M.K. Kim and J.D. Kim, "Study on Scent Media Service in Virtual Reality", Journal of Sensor Science and Technology, Vol.27, No.6, (2018), pp.414-420

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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