본 논문은 3차원 물방울 조형 생성장치로 구현된 3차원 물방울 조형을 생성할 때 위성 물방울이 생성되지 않고 형상 왜곡이 일어나지 않으면서 조형의 해상도를 최대한으로 높일 수 있는 기법을 제안한다. 3차원 물방울 생성장치는 보통 표현하고자 3차원 조형을 등 간격으로 배치된 슬라이스들의 집합으로 이산화하여 표현하고 각 슬라이스를 순서대로 읽어 각 슬라이스를 실현하는 물방울을 솔레노이드 밸브를 개폐하여 생성한다. 각 슬라이스의 해상도는 솔레노이드노즐매트릭스의 해상도와 같다. 본 논문에서는 위성 물방울이 생성되지 않으면서 형상의 왜곡도 생기지 않는 새로운 기법 두 가지를 제시하고자 한다. 첫째 방법은 등간격 기법이라고 하는데, 등간격으로 배치된 각 슬라이스를 생성하는 시점을 조절하여 중력에 의해 시간이 지날수록 물방울의 속도가 빨라지더라도 조형 전체가 다 형성되는 순간에 물방울 슬라이스들이 등 간격을 유지하게 하여 원래의 형상이 왜곡되는 것을 방지한다. 두 번째 방법은 최소시간 간격 기법이라고 하는데, 3차원 조형을 슬라이스로 이산화시킬 때, 슬라이스를 등 간격으로 배치하는 것이 아니라 가능한 한 촘촘하게 배치한다. 중력을 고려하여 조형 위쪽으로 갈수록 슬라이스를 더 촘촘하게 배치하고, 아래로 내려올수록 슬라이스 간의 간격이 늘어나게 배치한다. 이때 주어진 노즐의 성능 한도 내에서 최대한 촘촘하게 불균등 간격 슬라이스를 배치하고 조형이 완성되는 시점에 이 간격이 실현되게끔 노즐 개폐를 제어한다. 이 방법을 구현하기 위해 주어진 물방울 생성장치의 솔레노이드 밸브가 위성 물방울 생성 없이 인접한 두 물방울을 연달아 생성하는데 필요한 최소 시간 간격 (노즐 오픈 명령후 노즐이 완전히 오픈되는데 걸리는 시간과 완전 오픈상태를 유지하는 시간, 그리고 노즐 클로즈 명령후, 노즐이 완전히 클로즈 되는데 걸리는 시간의 합) 을 실험으로 구했다. 두 번째 방법은 첫 번째 방법에 비해 조형의 해상도가 상당히 증가하는 장점이 있다.
본 논문은 3차원 물방울 조형 생성장치로 구현된 3차원 물방울 조형을 생성할 때 위성 물방울이 생성되지 않고 형상 왜곡이 일어나지 않으면서 조형의 해상도를 최대한으로 높일 수 있는 기법을 제안한다. 3차원 물방울 생성장치는 보통 표현하고자 3차원 조형을 등 간격으로 배치된 슬라이스들의 집합으로 이산화하여 표현하고 각 슬라이스를 순서대로 읽어 각 슬라이스를 실현하는 물방울을 솔레노이드 밸브를 개폐하여 생성한다. 각 슬라이스의 해상도는 솔레노이드 노즐 매트릭스의 해상도와 같다. 본 논문에서는 위성 물방울이 생성되지 않으면서 형상의 왜곡도 생기지 않는 새로운 기법 두 가지를 제시하고자 한다. 첫째 방법은 등간격 기법이라고 하는데, 등간격으로 배치된 각 슬라이스를 생성하는 시점을 조절하여 중력에 의해 시간이 지날수록 물방울의 속도가 빨라지더라도 조형 전체가 다 형성되는 순간에 물방울 슬라이스들이 등 간격을 유지하게 하여 원래의 형상이 왜곡되는 것을 방지한다. 두 번째 방법은 최소시간 간격 기법이라고 하는데, 3차원 조형을 슬라이스로 이산화시킬 때, 슬라이스를 등 간격으로 배치하는 것이 아니라 가능한 한 촘촘하게 배치한다. 중력을 고려하여 조형 위쪽으로 갈수록 슬라이스를 더 촘촘하게 배치하고, 아래로 내려올수록 슬라이스 간의 간격이 늘어나게 배치한다. 이때 주어진 노즐의 성능 한도 내에서 최대한 촘촘하게 불균등 간격 슬라이스를 배치하고 조형이 완성되는 시점에 이 간격이 실현되게끔 노즐 개폐를 제어한다. 이 방법을 구현하기 위해 주어진 물방울 생성장치의 솔레노이드 밸브가 위성 물방울 생성 없이 인접한 두 물방울을 연달아 생성하는데 필요한 최소 시간 간격 (노즐 오픈 명령후 노즐이 완전히 오픈되는데 걸리는 시간과 완전 오픈상태를 유지하는 시간, 그리고 노즐 클로즈 명령후, 노즐이 완전히 클로즈 되는데 걸리는 시간의 합) 을 실험으로 구했다. 두 번째 방법은 첫 번째 방법에 비해 조형의 해상도가 상당히 증가하는 장점이 있다.
This paper presents two new techniques for solving the two problems of the water curtain: 'shape distortion' caused by gravity and 'resolution degradation' caused by fine satellite droplets around the shape. In the first method, when the user converts a three-dimensional model to a vertical sequence...
This paper presents two new techniques for solving the two problems of the water curtain: 'shape distortion' caused by gravity and 'resolution degradation' caused by fine satellite droplets around the shape. In the first method, when the user converts a three-dimensional model to a vertical sequence of slices, the slices are evenly spaced. The method is to adjust the time points at which the equi-distance slices are created by the nozzle array. In this method, even if the velocity of a water drop increases with time by gravity, the water drop slices maintain the equal interval at the moment of forming the whole shape, thereby preventing distortion. The second method is called the minimum time interval technique. The minimum time interval is the time between the open command of a nozzle and the next open command of the nozzle, so that consecutive water drops are clearly created without satellite drops. When the user converts a three-dimensional model to a sequence of slices, the slices are defined as close as possible, not evenly spaced, considering the minimum time interval of consecutive drops. The slices are arranged in short intervals in the top area of the shape, and the slices are arranged in long intervals in the bottom area of the shape. The minimum time interval is pre-determined by an experiment, and consists of the time from the open command of the nozzle to the time at which the nozzle is fully open, and the time in which the fully open state is maintained, and the time from the close command to the time at which the nozzle is fully closed. The second method produces water drop sculptures with higher resolution than does the first method.
This paper presents two new techniques for solving the two problems of the water curtain: 'shape distortion' caused by gravity and 'resolution degradation' caused by fine satellite droplets around the shape. In the first method, when the user converts a three-dimensional model to a vertical sequence of slices, the slices are evenly spaced. The method is to adjust the time points at which the equi-distance slices are created by the nozzle array. In this method, even if the velocity of a water drop increases with time by gravity, the water drop slices maintain the equal interval at the moment of forming the whole shape, thereby preventing distortion. The second method is called the minimum time interval technique. The minimum time interval is the time between the open command of a nozzle and the next open command of the nozzle, so that consecutive water drops are clearly created without satellite drops. When the user converts a three-dimensional model to a sequence of slices, the slices are defined as close as possible, not evenly spaced, considering the minimum time interval of consecutive drops. The slices are arranged in short intervals in the top area of the shape, and the slices are arranged in long intervals in the bottom area of the shape. The minimum time interval is pre-determined by an experiment, and consists of the time from the open command of the nozzle to the time at which the nozzle is fully open, and the time in which the fully open state is maintained, and the time from the close command to the time at which the nozzle is fully closed. The second method produces water drop sculptures with higher resolution than does the first method.
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문제 정의
기존에 사용하는 기법의 약점인 중력가속도에 의한 형상의 왜곡과 의도하지 않고 생성된 위성 물방울들로 인하여 해상도 저하되는 등, 현재까지 물방울 생성장치가 가지고 있는 대표적인 두 가지 문제를 해결했다. 다양한 실험을 통하여 통제 가능한 물방울생성과 특정 구간에서의 왜곡이 없는 물방울 조형을 구현하기 위하여 연구했다. 단일 물방울 생성 기법으로 특정 부피의 물방울을 생성하는데 필요한 시간을 측정하고 해당 물방울이 특정 위치에 낙하하는데 필요한 시간을 계산하였으며, 단일 물방울 생성기법으로 생성된 물방울을 이용하여 물방울의 낙하 거리를 제어하여 물방울 조형의 수직 방향 물방울들의 위치를 결정할 수 있다.
따라서 본 논문에서는 위의 두 문제들을 해결하는 두 가지 기법을 제안한다. 특정 구간에서 등 간격 슬라이스를 가지는 물방울 조형을 형성하는 “등간격” 기법 (<Figure 9>) 과 이 기법보다 복잡하지만 물방울 해상도를 높이는 ''최소시간간격'' 기법 (<Figure 10>) 이다.
본 실험의 목적은 2m 구간에서 20개의 물방울의 등 간격을 만들기 위하여 물방울 한 개가 노즐 끝단에서 형성되는 시점부터 10cm 간격으로 떨어져 있는 위치에 도달할 때 소요되는 시간을 측정하여 물방울 생성후 경과시간과 낙하 거리 간의 관계식을 유도하기 위한 것이다. 물방울 낙하 실험은 단일 물방울 생성을 위한 최소시간간격을 구하는 실험과 동일한 조건을 사용하였다.
본 연구는 관람자에게 한층 더 선명한 3차원 물방울 조형 생성장치로 구현된 3차원 물방울 조형을 제공하기 위한 연구로, 기존의 국내외 2D, 3D 물방울 생성 장치의 사용사례를 분석하였다. 기존에 사용하는 기법의 약점인 중력가속도에 의한 형상의 왜곡과 의도하지 않고 생성된 위성 물방울들로 인하여 해상도 저하되는 등, 현재까지 물방울 생성장치가 가지고 있는 대표적인 두 가지 문제를 해결했다.
본 연구는 관람자에게 한층 더 선명한 3차원 물방울 조형을 3차원 물방울 조형 생성장치로 구현하고 제공하기 위한 연구로, 기존의 국내외 2D, 3D 물방울 생성 장치의 사용사례를 분석하였다. 이를 통하여 구현하고자 하는 조형을 이산화하여 물방울로 조형을 구현한다.
특정 구간에서 왜곡이 없는 물방울 조형을 형성하기 위하여, 즉 등 간격 기법과 최소 시간 간격 기법을 사용하기 위하여 물방울 생성장치의 솔레노이드 밸브가 위성 물방울 생성 없이 인접한 두 물방울을 연달아 생성하는데 필요한 최소 시간 간격을 측정하는 실험이다. 실험장치는 <Figure 25>, <Figure 26> 과 같다.
이를 통하여 구현하고자 하는 조형을 이산화하여 물방울로 조형을 구현한다. 하지만 전통기법은 중력가속도에 의한 형상의 왜곡과 의도하지 않고 생성된 위성 물방울들로 인하여 해상도 저하되는 등, 약점이 있으므로 기존의 물방울 생성장치가 가지고 있는 대표적인 두 가지 문제를 해결할 수 있는 기법을 연구한다.
가설 설정
<Figure 33>과 같이 Matlab 에서 polyfitO 함수를 이용하여 경과시간 X 와 낙하거리 y 간의 2차함수식을 구하였다. 시간과 낙하거리간의 관계는 중력 법칙에 의해 2차함수로 표시될 수 있다는 합리적인 가정을 했다.
제안 방법
구하는 방법은 다음과 같다. <Figure 33>과 같이 Matlab 에서 polyfitO 함수를 이용하여 경과시간 X 와 낙하거리 y 간의 2차함수식을 구하였다. 시간과 낙하거리간의 관계는 중력 법칙에 의해 2차함수로 표시될 수 있다는 합리적인 가정을 했다.
다양한 실험을 통하여 통제 가능한 물방울생성과 특정 구간에서의 왜곡이 없는 물방울 조형을 구현하기 위하여 연구했다. 단일 물방울 생성 기법으로 특정 부피의 물방울을 생성하는데 필요한 시간을 측정하고 해당 물방울이 특정 위치에 낙하하는데 필요한 시간을 계산하였으며, 단일 물방울 생성기법으로 생성된 물방울을 이용하여 물방울의 낙하 거리를 제어하여 물방울 조형의 수직 방향 물방울들의 위치를 결정할 수 있다. 이것을 기초로 등 간격 기법과 최소 시간 간격 기법으로 특정 구간에서의 왜곡이 없는 물방울 조형을 구현하였다.
그러나 장치설계에 있어서 과도한 수조의 높이는 장치의 무게와 부피를 증가하여 설치, 및 장치 이용이 어렵다. 따라서 장치설계에 있어서 필요한 높이에 해당하는 수위를 정하고 실험하였다.
수위 즉 수압이 솔레노이드 밸브의 개폐 시간에 영향을 주는 것을 증명하기 위하여 와 같이 open delay를 13ms로, close delay를 8ms로 설정하여 실험하였다.
수직 구간의 물방울 해상도를 높이기 위하여 위 결과를 토대로 솔레노이드 밸브가 단일 물방울 생성기법으로 연속적으로 물방울을 생성하는 open 신호와 다음 물방울 생성하기 위한 open 신호 사이의 최소 시간, 즉 open delay 13ms, close delay 8ms의 합인 21ms로 연속된 물방울을 생성하였을 때 2m 범위 안에서의 물방울 위치를 와 같이 슬라이스 그리드를 형성하였다.
완전한 개폐를 하는 시간을 각각 측정하기 위하여 초고속카메라를 이용하여 open 신호가 인가되는 시점을 기준으로 밸브의 개방과 폐쇄 하는데 필요한 시간을 측정하는 실험을 하였다. 신호가 인가되는 시점을 알기 위하여 디코더 <Figure 19>의 LED를 사용하였다.
단일 물방울 생성 기법으로 특정 부피의 물방울을 생성하는데 필요한 시간을 측정하고 해당 물방울이 특정 위치에 낙하하는데 필요한 시간을 계산하였으며, 단일 물방울 생성기법으로 생성된 물방울을 이용하여 물방울의 낙하 거리를 제어하여 물방울 조형의 수직 방향 물방울들의 위치를 결정할 수 있다. 이것을 기초로 등 간격 기법과 최소 시간 간격 기법으로 특정 구간에서의 왜곡이 없는 물방울 조형을 구현하였다. 결과적으로 최소 시간 간격 기법은 등 간격 기법에 비해 조형의 해상도가 상당히 증가하는 점도 확인되었다.
사용사례를 분석하였다. 이를 통하여 구현하고자 하는 조형을 이산화하여 물방울로 조형을 구현한다. 하지만 전통기법은 중력가속도에 의한 형상의 왜곡과 의도하지 않고 생성된 위성 물방울들로 인하여 해상도 저하되는 등, 약점이 있으므로 기존의 물방울 생성장치가 가지고 있는 대표적인 두 가지 문제를 해결할 수 있는 기법을 연구한다.
매회의 실험에서 총 4개의 물방울이 형성된다. 이유는 한 개를 생성하여 측정한 결과에 비교해 연속으로 물방울 생성 시 첫 번째 물방울과 다음 물방울이 서로에게 영향을 줄 수 있는 변수가 생길 수 있기에 정확한 측정 결과를 위하여 물방울 4개를 생성하는 실험 방법을 선택하였다. <Figure 26> 와 같이 컴퓨터에서 시리얼 통신으로 아두이노에 코드를 upload 하고 아두이노에서 SPI 통신으로 디코더에 신호를 보낸다.
대상 데이터
신호가 인가되는 시점을 알기 위하여 디코더 의 LED를 사용하였다.
실험에 사용하는 솔레노이드 밸브는 크게 전자코일, 코어, 코어 스프링 등으로 구성되었으며 전기가 공급되면 전자코일의 전자력으로 코어를 당겨 입구가 개방되고 전기가 끊기면 코일의 전자력이 사라져 코어 속의 코어 스프링에 의하여 다시 내려가 입구를 폐쇄하는 직동식솔레노이드 밸브이다 .
4개의 물방울이 모두 동일한 낙하과정을 거치는 것이 확인되었다. 실험은 총 20회를 실시하였다. 측정결과는<Table 4>와 같다.
초고속카메라는 Is/lOOOes로 설정하였으며 오차범위는 1ms이다. 이때 수압은 유량에 영향을 주게 되므로 수위를 30cm(약 0.
성능/효과
open delay time 은 13ms, close delay timee 8ms로 설정하고 시간으로 연속된 4개의 물방울을 생성하여 측정하였다. 4개의 물방울이 모두 동일한 낙하과정을 거치는 것이 확인되었다. 실험은 총 20회를 실시하였다.
이것을 기초로 등 간격 기법과 최소 시간 간격 기법으로 특정 구간에서의 왜곡이 없는 물방울 조형을 구현하였다. 결과적으로 최소 시간 간격 기법은 등 간격 기법에 비해 조형의 해상도가 상당히 증가하는 점도 확인되었다. 이러한 연구의 결과는 향후 2D, 3D 물방울 생성 장치의 형상 생성기법에 많은 변화를 가져다줄 것으로 예상된다.
<Figure 24>와 같이 물방울 생성 시간은 물방울이 노즐의 끝단에서 분리되는 시점을 의미한다. 단일 물방울 생성은 open 신호가 인가되고 다음 물방울 생성을 위한 open 신호가 인가된 후 물방울로 분리되는 것을 확인할 수 있다. 폐쇄시간을 8ms로 설정한 이유는 코어가 완전히 폐쇄하는데 필요한 시간이 약 8ms이므로 완전히 폐쇄한 상태에서 다음 개방 신호를 주기 위해서 10ms 로 설정하였다.
따라서 특정 구간에서의 왜곡이 없는 물방울 조형의 형성을 위한 적합한 물방울을 생성하기 위한 솔레노이드 밸브의 open delay는 13ms로 확인된다.
이는 물방울의 부피가 너무 크면 분리되는 과정에서 위성 물방울이 생길 수 있으며 또한 물방울이 2m 높이에서 자유 낙하를 하는 과정에서 물방울 자체의 표면 장력과 점성이 저항력보다 작으면 작은 위성 물방울로 분리될 수 있기에 일정한 부피를 초과하지 말아야 한다<Figure 27>. 셋째, 연속적인 물방울을 생성하여 특정 구간에서의 등 간격을 만들어야 하기에 물줄기에서 분리된 물방울들의 부피는 최대한 일치해야 한다. 물방울의 부피가 서로 다르면 중력가속도에 의하여 낙하하는 물방울들의 속도 차이에 의하여 물방울 사이의 간격에 큰 차이가 생긴다.
실험결과 open 신호를 주는 시간을 기준으로 솔레노이드밸브가 완전한 open을 하는데 필요한 시간은 약 6ms이며 완전한 close를 하는데 필요한 시간은 약 8ms로 확인된다. 실험 과정에서 open 신호를 주고 약 1ms 동안 코어는 움직이지 않는데 이는 1ms 동안 코일에 전류가 흐리고 자기장을 형성하는데 필요한 시간이다.
실험결과 솔레노이드 밸브의 open delay를 7ms로 설정했을 경우 첫 번째 물방울을 형성할 수 있는 물의 양이 부족하여 물방울은 노즐 밑단에 머물러 있다가 두 번째 물방울개방 시간까지 물줄기에서 분리할 수 있는 물의 양을 보충하고 낙하하는 악순환이 계속되는 것이 확인된다<;Figure 29>. 솔레노이드 밸브의 open delay를 16ms~20ms로 설정한 물방울은 개방시간이 긴 이유로 물방울의 부피가 너무 커져 물줄기에서 물방울로 분리되는 과정에서 위성 물방울이 생성된다.
수위 즉 수압이 솔레노이드 밸브의 개폐 시간에 영향을 주는 것을 증명하기 위하여 <Table 4>와 같이 open delay를 13ms로, close delay를 8ms로 설정하여 실험하였다. 실험결과 수위가 30cm인 겨우 open delay를 13ms로, close delay를 8ms로 설정 시 전부 안정적으로 물방울을 생성하였으며 open delay를 13ms로 설정한 경우 물방울 생성시간이 제일 짧다. 수위가 25cm 이하로 유지했을 경우 open delay를 13ms, 설정했을 경우 수압의 감소로 인해 솔레노이드 밸브의 개폐 시간이 부족한 것을 확인할 수 있다.
조건은 다음과 같다. 첫째, 하나의 물방울을 생성하는데 필요한 시간은 짧으면 좋다. 이는 물방울과 물방울 사이의 거리와 비례하기에 물방울 사이의 간격이 짧을수록 정해진 높이에서 생성할 수 있는 물방울의 개수가 증가하여 높은 해상도를 만들 수 있는 필수 조건이다.
후속연구
결과적으로 최소 시간 간격 기법은 등 간격 기법에 비해 조형의 해상도가 상당히 증가하는 점도 확인되었다. 이러한 연구의 결과는 향후 2D, 3D 물방울 생성 장치의 형상 생성기법에 많은 변화를 가져다줄 것으로 예상된다.
참고문헌 (6)
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10.1088/0950-7671/40/5/318 B. J. Mason, W. Jayaratne and J. D. Woods, “An improved vibrating capillary device for producing uniform water droplets of 15 to Soopm radius”, SCI. Instrum, VOL. 40, 1963. 10.1088/0950-7671/40/5/318
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