http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2016.25.6.399 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
마이크로 다공성 압전 진동자를 이용한 발향장치 설계
이영준1 · 임승주1 · 김민구1 · 이해룡2 · 김정도1,+
Development of Scent Display Device using Micro-pore Piezo Actuator
Young-Joon Lee1, Seung-Ju Lim1, Min-Ku Kim1, Hae-Lyong Lee2, and Jeong-Do Kim1,+
Abstract
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 den- sity 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.
Keywords: Scent device, Micro-pore piezo actuator, Olfactory display, Olfactory contents
1. 서 론
인간은 보통 지식을 습득하는데 있어 약 80%를 시각에 의존 하고, 11%를 청각에 의존하며 3.5%를 후각, 그리고 1~1.5%를 촉각과 미각에 의존하고 있다. 그러므로 이러한 여러 가지 형태 의 오감 미디어를 함께 융합한다면 지식 전달과 지식의 흡수 능 력이 더 높아질 것은 당연하다고 할 수 있다. 후각의 경우는 자 주 사용되지는 않지만 기존의 시청각 미디어와 상호작용할 경 우, 매우 강력한 기억과 연상 메카니즘을 제공하고, 기존 감각 의 극적인 증강효과를 제공할 수 있으며, 방송이나 인터넷에서 미디어의 실감효과 뿐만 아니라 가상현실과 증강현실을 실제 현 실처럼 느끼게 만들 수 있을 것이다. 후각의 이러한 장점 때문 에 향 디스플레이 기술 적용이 증가하고 있으며 다양한 형태의 발향장치가 속속 개발되고 있다[1].
Papin 은 2003년 후각 피드백(Feedback)이 가능한 DIODE 프 로젝트를 수행한 바 있는데, 사용자는 HMD의 영상과의 상호작 용을 통해 사용자 주변 환경에 설치된 3개의 발향장치에서 냄 새를 발향한다[2]. Cater는 에어펌프를 이용한 표준 소방훈련용 발향 시스템을 개발한 바 있다[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 적 용되었을 뿐만 아니라 e-book과 영상 시스템에 적용되기 시작하였다.
2011 년 동경대학의 연구자들이 가상 및 증강현실에서 시각과 후각에 의해 사람의 미각을 변화시킬 수 있다는 것을 실험을 통 해 확인하기 위해, 7개의 병에 들어 있는 과자 냄새향이 에어 펌프와 밸브를 통해 사용자의 코에 냄새를 전달할 수 있는 발 향장치를 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 대규 모 극장용 발향장치를 개발하여 4D 극장에서의 향 서비스를 상 용화한 바 있다.
앞서 설명한 발향장치들은 대부분 에어 펌프와 솔레노이드 밸 브를 이용하거나 액체 펌프를 이용하여 미세한 양의 향 원액을 제어하여 분사하는 방법을 사용하고 있는데, 높은 비용의 제조 단가 때문에 실제 상용화에 접근하는 데 어려움을 겪고 있다.
2015 년 Saad Hameed Abid는 메시형 압전 고주파 진동자와
1호서대학교 전자공학과(Department of Electonic Engineering, Hoseo Unversity)
31499,Hoseo University, 20, Hoseo-ro 79beon-gil, Sechul-ri, Asan-si, Chungcheongnam-do, Korea
2한국 전자통신 연구원(Electronics and Telecommunications Research Institute)
34129, Creative Contents Division, 218, Gajeong-ro, Yuseong -gu, Daejeon, Republic of Korea
+Corresponding author: [email protected] (Received: Nov. 11, 2016, Accepted: Nov. 29, 2016)
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코튼코어를 이용한 마이크로 다공성 압전 진동자를 이용한 발 향장치를 새롭게 제안하였는데, 이 발향 모듈은 저 가격에 발향 장치를 개발할 수 있는 기구적 방법을 제시한 바 있다. 그러나, 발향 특성에 영향에 미칠 수 있는 요소에 대한 분석이 정확히 이루어지지 않았으며, 실질적인 발향 농도제어가 이루어지지 않 았다는 단점을 가진다[11].
본 연구에서는 마이크로 다공성 압전 진동자를 이용한 발향 장치에서 발향 특성에 영향을 미칠 수 있는 물리적 요소와 제 어 요소 등을 실험을 통해 분석하고, 이 분석을 통해 최적의 발 향 모듈을 설계할 수 있는 방법을 제시하며, 마이크로 다공성 압전 진동자를 이용한 발향장치의 최대 단점인 농도 제어능력 을 부여하고자 한다.
2. 기존 발향장치의 특성 분석
IT 콘텐츠와 연동하여 후각 디스플레이 기술을 구현하기 위 해 개발되었거나 연구 중인 다양한 발향장치가 존재한다. 이 중 에서 일부는 상용화된 것도 있으나 대부분의 기술이 실험실 구 현 형태인 상황이다. 하지만 실험실 형태의 발향장치라 하더라 도 상용화 직전 단계까지 접근하고 있으나 아직 시장이 열리지 않아 시장이 숙성되기를 기다리고 있다.
기존의 콘텐츠에 향 디스플레이 기술이 적용되기 위해서 필 요한 발향장치의 설계요소는 발향속도, 농도조절 능력, 낮은 잔 존 냄새, 작은 크기, 낮은 소비전력, 무 소음 및 낮은 생산비용 등이다.
현재 개발된 발향장치 중에서 이러한 조건에 가장 적합한 발 향장치는 전기 삼투형 액체 펌프 혹은 압전 피에조 액체 펌프 를 사용하면서 분사를 위해 SAW Atomize를 사용하는 발향장 치와 마이크로 다공성 압전 진동자를 사용한 발향장치라 할 수 있다. 그러나 이러한 액체 펌프와 SAW Atomizer를 사용한 발 향장치의 경우, 농도 제어능력의 우수성을 비롯한 다양한 부분 에서 우수한 발향특성을 가지지만 높은 가격의 액체 펌프가 실 제 상용화를 어렵게 하는 문제점을 가진다. 이에 반해, 마이크 로 다공성 압전 진동자를 이용한 발향장치의 경우 매우 싼 가 격에 제조가 가능하다는 장점을 가지지만, 액체 펌프와 SAW
Atomizer 를 사용하는 방법에 비해 농도 제어능력이 떨어진다.
2015 년 Saad Hameed Abid는 Mesh형 압전 고주파 진동자와 코튼코어를 이용한 마이크로 다공성 압전 진동자형 발향장치를 새롭게 제안하였는데, 이 발향 모듈은 저 가격에 우수한 발향장 치를 개발할 수 있는 기구적 방법을 제시하고, 실험을 통해 그 가능성을 입증한 바 있다. 그러나 발향 모듈의 기구적 설계에 있어 발향 특성에 영향에 미칠 수 있는 요소에 대한 분석이 정 확히 이루어지지 않아 기구적 설계에 반영되지 않았으며, 농도 의 제어를 단지 발향 시간에 의존함으로써 정밀한 발향 농도제 어가 이루어지지 않았다는 단점을 가진다[11].
3. 마이크로 다공성 압전 진동자를 이용한 발향장치 설계
3.1 마이크로 다공성 압전 진동자와 발향 모듈
마이크로 다공성 압전 진동자는 크기가 작고, 동작 소음이 적 기 때문에 발향 모듈에 적용하게 되면 발향 모듈의 소형화, 무 소음 동작, 빠른 발향 속도를 기대할 수 있다. Fig. 2는 마이크 로 다공성 압전 진동자의 구조와 발향 모듈의 단면도를 나타내 었다. Fig. 2 (a)에서 나타낸 것처럼, 마이크로 다공성 압전 진 동자는 PZT 세라믹 필름과 중앙부의 Mesh 구조로 구성되어 있다. PZT 세라믹 필름에 전원을 인가하게 되면 진동을 일으 키며, 이 진동에 의하여 마이크로 크기의 구멍으로 액체가 분사 되어 진다. Fig. 2의(a)는 Mesh형 진동자 구조를 나타내며, (b) 는 마이크로 다공성 압전 진동자를 이용하여 설계된 발향 모듈 의 단면도를 나타내었다. 설계 된 발향 모듈은 향 액부, 코튼 코 어부, 필름 결합부로 구성되어있다. 향 액부는 향 원액을 담는 용기로 사용되어지며, 코튼 코어부는 향 액부에 있는 향 액을 코튼 코어를 이용하여 필름 결합부까지 균일하게 끌어올리기 위 해 사용된다. 필름 결합부는 세라믹 필름과 코튼 코어를 접촉시 켜 코튼 코어에 의해서 향 액부로부터 끌어올려진 향 액을 마 이크로 다공성 압전 진동자의 Mesh로 스며들게 한다. 또한, 향 액 및 코튼 코어를 교체할 경우 필름 결합부를 향 액부와 분리 하여 교체가 용이하도록 설계하였다. 발향모듈의 세부 구조도는
Fig. 1. Scent display device using micropore piezo actuator that had been developed.
Fig. 2. Structure of scent display module; (a) Structure of micropore
piezo actuator, (b) Cross-sectional diagram of scent display
module.
Fig. 3에서 확인할 수 있다.
발향모듈 마다 하나의 향을 발향할 수 있기 때문에 여러 가 지의 향을 발향하기 위하여 본 논문에서는 Fig. 4와 같이 발향 모듈을 나열하여 제어하는 구조로 설계하였다.
3.2 발향 모듈 설계 시 분사량 조절을 위한 고려사항
마이크로 다공성 압전 진동자는 다양한 요소에 의하여 향의 분사량이 달라지게 된다. 향의 분사량을 제어 할수 없다면, 향 의 농도에 매우 민감한 콘텐츠에는 적용이 불가능하다. 따라서 최적화된 발향을 위하여, 회로 설계 전에 고려되어야할 요소들 을 파악해야 한다. 마이크로 다공성 압전 진동자의 향 분사량을 변화시키는 요소를 정리하면 Table 1과 같다.
Table 1 에 나타난 것처럼, 향의 분사량이 변화하는 요소는 물 리적 측면과 전기적 측면으로 구분지어 살펴볼 수 있다.
물리적 측면에서 살펴보면, 필름 고정에 의해 진동을 방해하 여 향 분사량을 변화시킬 수 있으며, 코튼 코어의 밀도에 의해 서도 분사량이 변화는 것을 확인하였다. 그러나 위의 요소들은 기구부 설계자와 압전 진동자 제조사에 의한 요소이기 때문에
본 논문에서 다루지 않는다. 물리적 측면의 분사량 변화 요소는 발향장치 제작 시 진동자와 향 액을 선택하는 변수로서 고려 되 어야 한다. 발향장치는 마이크로 다공성 진동자의 Mesh 부로 향 액이 분사되는 구조이기 때문에 Mesh 구멍의 크기와 향 액 의 점성은 밀접한 관계를 갖는다. 만약, 구멍 크기가 지나치게 작다면 분사량이 적어지며 물과 같은 점성이 낮은 액체는 분사 가 가능하지만, 점성이 높은 향 액을 사용 시 구멍이 막혀 분사 가 안 될 가능성이 높다. 반대로 구멍 크기가 지나치게 크다면 분사량은 증가하지만, 기화되는 양이 공급되는 액체의 양을 못 따라가기 때문에, 기화가 되지 않는 현상이 발생 할 수 있다. 따 라서 발향 모듈을 구성할 때, 반드시 압전 진동자의 Mesh 크기 와 향 액의 점성을 고려해야한다.
전기적 측면의 요소는 전압의 진폭과 주파수는 향 분사량에 매우 큰 영향을 끼칠 수 있다. 입력 전압의 진폭이 클수록 분사 량이 많아지게 된다는 특징을 가지고 있다. 진폭이 커지게 되면 진동자의 변이가 늘어나게 되어 분사하는 힘이 강해지게 되며, 이에 따라 분사량이 늘어나게 된다. 전기적 측면의 요소 중 입 력 주파수 또한 향의 분사량 변화에 큰 영향을 끼친다. 마이크 로 다공성 압전 진동자는 공진 주파수를 가지고 있으며, 진동자 구동 시 입력 주파수의 크기가 공진주파수에 근접할수록 분사 량이 증가하게 된다. 시중에 유통되고 있는 마이크로 다공성 압 전 진동자의 공진주파수는 적게는 100 kHz부터 많게는 200 kHz 까지 다양하게 존재하며 보통 공진주파수로부터 ±5 kHz 까지 동작이 가능하다. 따라서 입력 주파수의 크기를 이용하여 농도 제어를 할 때에는 이와 같은 범위 안에서 조절하여야 한다. 전 기적 측면의 요소들은 물리적 측면의 요소와는 달리 회로를 이 용하여 제어가 가능하기 때문에 압전 진동자 구동을 위한 회로 를 설계할 때, 전기적 측면의 요소를 반드시 고려해야한다.
위에서 언급한 물리적 측면의 요소와 전기적 측면의 요소들 은 4.1~4.4의 실험을 통하여 분석하였으며, 본 연구에서는 실험 을 통하여 얻어진 데이터를 근거로 하여 연구 목적에 최적화된 발향 모듈을 설계하였다.
3.3 농도 제어를 위한 회로 설계
마이크로 다공성 압전 진동자의 분사량 변화 요소 중에서 전 기적 측면에 해당하는 요소인 전압의 진폭과 주파수의 크기는 회로 설계를 통하여 제어할 수 있으며, 요소마다 제어하는 방법 이 각기 다르다. 각각의 요소들은 모두 최소 분사량부터 최대 분사량까지의 제어 범위를 가지고 있기 때문에 나머지 요소는 고정시켜놓고 한가지 요소만 제어하는 것이 효율적이다. 농도 제어를 위한 회로 설계 방법은 다음과 같다.
3.3.1 압전 진동자의 입력 전압 진폭 조절을 위한 회로 설계 일반적으로 전압의 진폭을 제어하기 위한 회로는 부피가 크 며 복잡하다. 그러나 본 연구에서 설계한 발향 모듈은 소형화에 Fig. 3. Detailed structure of scent display module.
Fig. 4. Structure of arrayed scent display device.
Table 1. An analysis on changing factor of scent injection rate at scent device using micro pore piezo actuator.
Division Element
Physical aspects
Density of Cotton core Mesh’s hole size Viscosity of the fragrance liquid Electrical aspects The amplitude of the voltage
Frequency
목적을 두고 있기 때문에 회로의 부피를 줄이고 간단하게 구성 하기 위하여 입력 주파수의 듀티(duty)비를 이용하여 진폭을 조 절하였다. 입력 주파수의 듀티비를 제어하기 위하여 Fig. 5와 같 은 회로 구조로 설계 하였다.
Fig. 5에서 볼 수 있듯이, 발향 명령이 수신되면 MCU의 timer 를 이용하여 압전 진동자의 공진주파수를 생성하게 되며, PWM 을 통하여 명령에 맞게 듀티를 조절하여 MOSFET의 게이트로 신호를 발생시키게 된다. 이 신호는 boost convertor에 의하여 진폭으로 변환하여 진동자를 구동시키게 된다. 조절된 듀티비는 영역에 따라 서로 다른 특성을 보이게 된다. Fig. 6은 듀티비 영 역에 따른 동작파형을 나타내고 있다.
진동자에 들어가는 신호는 최대 전압에서 0으로 하강할 때 에는 시간 지연이 거의 발생하지 않지만 반대로 상승할 때에 는 상대적으로 시간이 많이 걸리게 된다. 최대 전압까지 상승 하는데 필요한 최소 시간은 50% 듀티비의 high상태일 때의 시간이며 이때의 파형은 Fig. 6의 (c)와 같다. 듀티비를 50%
이하로 낮추게 되면 Fig. 6의 (a), (b)와 같이 최대 전압까지 올라가는 시간은 부족해지기 때문에 듀티비가 낮아질수록 진 폭이 낮아지게 된다.
듀티비를 50%이상 90%이하로 맞추게 되면 Fig. 6의 (d)와 같 이 진폭은 변화하지 않으나, high상태가 지연되며 이에 따라 진 동이 늦어지기 때문에 분사량은 줄어들게 된다. 또한 듀티비를 90% 이상으로 맞추게 되면 Fig. 6의 (e)와 같이 MOSFET의 스 위칭 딜레이로 인하여 진폭이 낮아지게 된다.
서로 다른 특성의 듀티비 영역에 따라 분사량이 변하지만 0~50% 듀티 범위가 가장 농도 조절 폭이 넓기 때문에 해당 영 역범위 안에서 듀티비 제어를 통한 진폭 제어를 하는 것이 가 장 이상적이다. 이와 같은 방법은 MCU 하나만을 이용하여 주 파수 생성 및 제어를 하기 때문에 회로의 규모가 작아지고 간 편해지며, 손쉽게 제어가 가능하다는 장점을 가지고 있다.
3.3.2 압전 진동자의 입력 전압 주파수 조절을 위한 회로 설계
압전 진동자의 입력 주파수에 의해서도 향 분사량의 변화를 줄수 있다. 본 연구에서 압전 진동자의 입력 주파수를 조절하기 위한 회로는 Fig. 7과 같다.
압전 진동자의 공진 주파수는 진동자마다 다르지만 수백 kHz 로 동작하기 때문에 고주파 신호를 생성해야한다. 따라서, MCU 에서 생성된 주파수를 사용하게 되면 정밀한 주파수 제어가 불 가능하기 때문에 압전 진동자의 분사량을 정밀하게 제어 할 수 없다. 따라서 Fig. 7에 나타내었듯이, 고속 RC 오실레이터를 이 용하여 주파수를 생성하도록 설계하였다. RC 오실레이터는 R 의 값이 변하면 주파수가 변하게 되는 특성을 가지고 있으며, 이에 따라 Digital Potentiometer를 이용하여 주파수의 크기를 조 절하게 된다. 이 때 MCU는 RC 오실레이터의 ON/OFF 제어 및 digital potentiometer 의 제어 역할을 하게 되며 제어를 통하여 만 들어진 신호를 MOSFET의 게이트로 보내게 된다. MOSFET는 게이트를 통하여 들어온 신호를 boost convertor를 이용하여 만 들어진 진폭으로 변환하여 진동자를 구동시키게 된다.
압전 진동자의 동작 주파수의 범위는 공진주파수를 기준으로
±5 kHz범위 내에서 설정한 주파수에 따라 발향하는 향의 농도 가 변하게 된다.
입력 주파수의 크기가 공진주파수에 가까울수록 농도가 높아 지며 멀어질수록 농도가 낮아지게 된다. 또한 공진 주파수를 기 준으로 분사량이 거의 대칭을 이루기 때문에, 주파수를 변화하 여 분사량을 제어할 때에는 전체 주파수 범위에서 변화시키는 것이 아니라 동작 주파수 범위의 절반만을 사용하여 제어한다.
이와 같은 방법은 Digital potentiometer의 분해능에 따라 아 Fig. 5. Circuit structure for controlling amplitude of input voltage.
Fig. 7. Circuit structure for controlling input frequency.
Fig. 6. Characteristic change following duty rate region; (a) 14%
duty rate, (b) 32% duty rate, (c) 50% duty rate, (d) 85% duty
rate, (e) 95% duty rate.
주 미세한 농도 제어가 가능해진다는 장점이 있으나, 진폭 제어 방법에 비해 상대적으로 복잡한 제어방법을 가지고 있으며, 노 이즈로 인한 오차발생률이 높아 추가적으로 필터를 달아주어야 할 수도 있다는 단점이 있다.
이와 같이 농도 제어 방법에 따라 각각의 장, 단점이 존재하 며 발향장치 사용 용도에 따라 제어 방법을 선택하는 것이 가 장 바람직하다. 일반적인 용도의 발향장치가 필요 하다면 주파 수의 듀티비 조절을 이용한 진폭 제어 방법이 더 효율적이며, 보다 정밀한 농도제어를 요구한다면 입력 주파수의 크기를 제 어하는 방법이 더 좋다고 볼 수 있다.
4. 실험 결과 및 분석
본 연구에서는 마이크로 다공성 압전 진동자의 분사량 변화 요소를 파악하여 이를 입증하기 위한 실험을 진행하였다. 진동 자의 제원은 Table 2와 같으며, 이를 이용하여 농도제어가 가능 한 발향장치를 개발하였다. 분사량 변화요소에 따른 실험은 다 음과 같다.
4.1 Mesh 구멍 크기에 따른 향 분사 영향 실험
Table 3 은 Mesh구멍에 따른 진동자의 분사 정도를 나타낸 것 이다. 실험은 서로 다른 Mesh구멍을 가지고 있는 진동자마다 각각 물과 점성이 있는 향액을 분사시켜 그 모습을 관찰하였다.
그 결과 물을 분사할 시 3~5 µm인 진동자를 이용하였을 때 에는 모두 정상적으로 분사가 잘 되었으나, 9~15 µm의 Mesh 구멍 크기를 가진 진동자를 사용할 때에는 액체의 일부가 기 화가 되지 않은 채 진동자 주변에 떨어져 잇는 것을 확인 할 수 있었다. 점성이 있는 향 액을 분사할 시 Mesh구멍 크기가 3~5 µm인 진동자를 이용하였을 때에는 액이 고이게 되어 구 멍이 막혀 분사가 되지 않으며, 6~8 µm의 Mesh 구멍크기를 가진 진동자에서는 정상적으로 향 액이 분사되었다. 또한 9~15 µm의 Mesh구멍크기를 가진 진동자를 사용할 시 물을 분사하였을 때와 같은 결과가 나타난 것을 확인할 수 있다. 따 라서 점성이 있는 향 액을 이용하여 분사할 때에는 Mesh 구 멍 크기가 6~8 µm인 진동자를 사용하여 발향장치를 설계하는 것이 가장 바람직하다.
Fig. 8 은 서로 다른 mesh구멍 크기의 진동자를 이용하여 향 액을 분사시킨 모습을 보여주고 있다.
4.2 진폭 변화에 따른 분사량 실험
Fig. 9 는 진폭 변화에 따른 향 분사량의 측정값을 나타낸 것 이다. 실험은 3.3에서 설명했던 진폭 변화를 위한 회로를 적용 한 발향모듈에 물 5 ml를 주입 후, 입력전압은 40V로 맞추고 입 력 주파수를 공진주파수로 맞춘 뒤 주파수의 듀티비를 0%부터 100% 까지 조절하여 해당 액체가 전부 분사될 때까지의 시간을 측정하여 진행하였다. 측정에 사용된 진동자의 제원은 Table 2 와 같다.
Fig. 9 에서 볼 수 있듯이 인가하는 주파수의 듀티비 영역 에 따라 분사량이 달라지는 것을 확인할 수 있다. 0%부터 50% 까지의 듀티비는 진폭 변화에 따라 0 µl/s 부터 5.2 µl/s 까지 진폭의 크기와 비례하게 분사량이 변하는 것을 확인할 수 있다. 50%부터 90%까지의 µl/s듀티비는 high 상태의 지 연시간이 길어질수록 분사량이 줄어들게 되며 진폭에 의한 분사량의 변화에 비하여 변화폭이 작아 효율이 떨어지는 것 을 확인할 수 있다.
Table 3. Actuator's injection influence following mesh hole's size.
Size Water Fragrance liquid
3 µm ~ 5 µm steady No Injection
6 µm ~ 8 µm steady steady
9 µm ~ 15 µm No vaporization No vaporization
Fig. 9. Scent emission amount following amplitude of input voltage.
Table 2. Micropore piezo actuator's specification Characteristic Parameter Specification
Resonance Frequency 110 kHz
Max Input Power 4 W (Normal use 1.2W)
Diameter 16 mm
Hole’s Size 16 mm
The Number of Holes 600
Fig. 8. Image of scent emission following mesh hole's size; (a) 3 µm,
(b) 6 µm.
4.3 주파수 변화에 따른 분사량 실험
Fig. 10 는 진폭 변화에 따른 향 분사량의 측정값을 나타낸 것 이다. 실험은 3.3에서 설명했던 주파수 변화를 위한 회로를 적 용한 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 사 용된 진동자의 제원은 Table 2와 같다.
Fig. 10 에서 볼 수 있듯이, 주파수에 따라 0㎕/s 부터 5.3㎕/s 까지 분사량이 변화하며 공진 주파수에 근접할수록 분사량이 높 아지는 것을 확인할 수 있다. 또한 공진주파수를 기준으로 분사 량이 대칭을 이루는 것을 확인 할 수 있다.
4.4 향 액의 점성에 따른 분사량 실험
Fig. 11 은 향 액의 점성에 따른 분사량을 나타낸 것이다. 위 실험과 같은 조건의 회로와 진동자를 이용하여 5 ml의 물과 점 성이 있는 향 액을 주입하고, 해당 액체가 전부 분사될 때까지 의 시간을 측정하여 진행하였다. Fig. 11에서 볼 수 있듯이 향 액의 점성이 커질수록 분사량이 상대적으로 적어지는 것을 확 인할 수 있다.
그러나 향 원액 수준의 점성에서는 어떠한 진동자를 사용하 여도 분사가 되지 않기 때문에 적어도 50% 이상 희석된 향을 사용하는 것을 권장한다.
5. 결 론
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 분 사 영향을 관찰하였으며 이를 이용하여 발향장치 제작 시 농도 제어가 가능함을 확인하였다.
해당 발향장치는 기존의 콘텐츠에 향 디스플레이 기술이 적 용되기 위해서 필요한 발향장치의 설계요소를 거의 만족시키 며, 이를 응용한다면 앞으로 개발될 후각 콘텐츠의 적용에도 큰 문제가 없을 것으로 기대된다.
감사의 글
이 논문은 2016년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 정보 통신기술진흥센터의 지원을 받아 수행된 연구임. (No.R0126-16- 1050, 후각 바이오 정보 기반 감성증강 인터랙티브 콘텐츠 기술 개발)
REFERENCES
