·원단촉각센서 02·최신나노기술동향(1)

- 나노테크 2014 - 08

·링정방시스템에서초전도기술을이용한

혁신적인꼬임메카니즘(2) 16·팬시얀의구조와형태(3) 20·라이크라-비스코스MJS 코어방적사의

탄성회복특성 25

CONTENTS _ 목차

·효소가공의현황과전망(1)

- 섬유가공·세정을중심으로 - 27·캐티온염료가염폴리에스터의용제염색 31·면및폴리에스터/면혼방직물의흡진염색기

발전사(3) 36

·최근미국텍스타일산업동향 41·나노기술을이용한고기능성섬유제조 45

·후각과냄새물질, 냄새의활용사례(2) 51·불소계발수·발유제와환경문제 57

제 44권제 1호247호(계간)

March 2015 Textile Review

신섬유소재

염색가공

섬유일반

품질관리

방적

2

1. 서 언

촉각( )은 물체의 역학적 특성이나 표면의

형태를인식하는감각으로감촉의인식, 물체의파

지나 조작시 중요한 역할을 한다. 이러한 촉각을

인공적으로실현하기위해촉각센서에관한연구

개발이지속적으로이루어지고있다. 이중MEMS

(Microelectromechanical systems, 미세전자기

계시스템) 기술을이용하여제작한소형센서소자

를배치하는방법, 필름상에인쇄한도전성잉크로

계측하는방법등다양한방법이제안되고있으며,

일부는상품화되고있다.

기본적으로 촉각 센서는 압력 분포나 매끄러움

을측정하는용도로접촉면에붙여사용할수있어

야한다. 특히로봇에사용되는경우, 로봇의다양

한부위및관절부분에부착할수있어야한다. 현

재까지는미리정해진부착면이나평평한면을굽

혀얻어지는부분에한정되어있었다. 즉, 구면이

나 자유곡면에부착이힘들어관절부위에적용하

는것은불가능하였다. 그 이유는센서부분이신

축성이없기때문이다. 센서부분이신축성을가진

다면, 임의의형태인로봇몸체에부착하거나, 관

절부위에덮어붙이는것이가능해촉각센서의이

용범위가확대될것으로기대된다. 따라서신축가

능한촉각센서를실현하기위한방법으로원단을

이용하는것이검토되고있다.

본고에서는촉각센서로사용할수있는원단에

대해알아보고자한다. 이 원단촉각센서는압력

감지도전사를파일구조로편성하여제조되었다.

촉각 센싱의원리에대해서는매끄러움과텍스처

(texture)의식별을통해알아보고자한다.

2. 원단 센서의구성

본연구에서사용된원단센서는오카모토(주)에

서개발한것으로, <그림 1>에원단센서의구조를

나타내었다. 이원단센서는압력감지도전사로구

성되어있으며, 실의신축변형에따라저항값이변

하기때문에저항측정을통해실의신축변형을알

수있다. 원단센서는 <그림 1>의 (a)와 같이압력

감지 도전사를이용한파일편성물로센서부분이

이루어져 있다. 파일 구조에 따라 물체를 문지르

면, <그림1>의 (b)에표시된센서의출력전압이변

한다. 이렇게발생된출력전압은신호처리를통해

표면의매끄러운정도를감별하거나텍스처의식

별에사용된다.

신섬유

소재 원단촉각센서

<그림 2>는 도전사의 구조와 거동을 나타낸 것

으로, (a)에 표시된 것처럼 도전사는 도전성 섬유

와비도전성섬유로구성되어있다. <그림2>의(b)

에나타낸것과같이도전사는신장되면, 단면적이

감소하여단면적에서의도전성섬유의밀도가증

가하게되고, 결과적으로도전사의저항이감소된

다. 즉, 도전사의저항측정을통해도전사의길이

를구하는것이가능하다. 본연구에서는폴리에스

터섬유에스테인리스섬유가30 % 혼방된도전사

를사용하였다.

앞에서 서술한 내용을 확인해보기 위해 압력감

지도전사의저항특성을측정해보았다. <그림 3>

은초기길이 100 ㎜의압력감지도전사에하중을

가하여신장하였을때의신장길이와저항값을나

타낸 것이다. <그림 3>의 (a)에서 보는 바와 같이

하중 40 g까지는저항이선형으로변화하였으며,

하중40 g은 (b)에서보는바와같이신장변형1 %

에해당한다. 따라서압력감지도전사자체에서저

항을측정할수있는범위는신장변형 1 % 이내로

작다는것을알수있다.

그래서이러한문제점을해결하기위해이중커

버링사 구조를 채용하였다. 이중 커버링사는 <그

림 4>의 (a)에 나타낸것과같이폴리우레탄심사

에 2개의도전사를서로반대반향으로감아서만

들었으며, 도전사의 신장률은 심사의 신장률보다

작다. 따라서심사방향의큰신장변형은도전사의

작은신장변형을통해검출할수있다. <그림4>의

(b)는커버링사의저항특성을나타낸것으로, 신장

변형20 % 정도까지측정이가능하다.

Textile Review Vol. 44 No. 1 2015 3

원단 촉각 센서

<그림 1> 원단센서

(a)원단 센서의 구조

(b)원단 센서의 출력

파일

파일높이

센서출력센서팁의문지름운동

시간[초]

센서출력[V]

<그림 2> 도전사의구조

(a)도전사 구조

(b)도전섬유의 밀도 변화

도전섬유

인장력

<그림 3> 도전사의저항특성

하중(g)하중(g)

(a)하중과 저항의 관계

선형

저

항

[Ω]

신

장

변

형

(%)

(b)하중과 신장변형의 관계

<그림 4> 커버링사

신장변형(%)

(b)하중과 신장변형과의 관계(a)구조

폴리우레탄사

도전사

저

항

[Ω]

이러한특성을확인한후, 커버링사를파일구조

로편성하여, 원단센서의센서부분을제조하였다.

파일의높이는1 ㎜로하였으며, 파일구조를위에

서팁(tip)으로누르면, 파일이변형되어파일을구

성하는커버링사의저항값이변하게된다. 이때저

항값측정을통해눌려지는정도의측정이가능하

다. 또한파일원단위를팁으로문지르면파일과

팁과의접촉이없어짐과동시에다른파일과의새

로운접촉이발생하며, 이로인해커버링사의저항

값이동적으로변하게된다.

이러한저항값측정을위해<그림5>와같은회로

를사용하였다. 먼저휘트스톤브리지(Wheatstone

bridge, 미지의저항을측정하는장치) 회로를사

용하여, 원단의저항을전압으로변환한다. 하중이

가해지지 않을 때의 출력전압이‘0’이 되도록 가

변저항을 조정하였으며, 출력전압은 증폭기와 로

우패스 필터(low-pass filter, LPF, 이미지 센서

앞에부착되어센서를먼지및충격에서보호하는

광학필터)를통해 A/D 변환기(analog to digital

converter)로 전압 값을 PC에 입력하였다. 이 실

험에서는 차단 주파수(cutoff frequency)를 1

kHz, 샘플링주파수를100 Hz로하였다.

3. 이산 웨이블릿변환(discrete

wavelet transform, DWT)을 이용한

표면평활성측정

본절에서는 이산 웨이블릿 변환을 이용하여 표

면의평활성을측정하는방법에대해알아보고자

한다. 팁으로원단센서의파일을누르면, 파일을

구성하는압력감지도전사의저항이변하게되며,

또한원단센서위를팁으로문지를경우에도저항

의변화가발생한다. 따라서저항값은회로의출력

전압으로부터누르는경우와평활할때를분리하

여, 평활한경우를추출해야한다. <그림 6>의 (a)

에서와같이팁으로원단센서를눌렀을때와문질

렀을때의출력전압이표시되며, 각각의경우에있

어전압의변화가발생된다.

팁으로 눌렀을 때의 전압변화와 문질렀을 때의

전압변화를비교해보면, 팁으로눌렀을때의변화

보다 팁을 문질렀을 때의 변화가 크게 나타났다.

즉, 팁으로눌렀을때는주파수의낮은성분이, 팁

으로문질렀을때에는주파수의높은성분이커지

는것으로생각된다. 주파수의성분을계산하는방

법으로퓨리에변환이많이사용되고있다. 단, 퓨

리에변환에서는어느시점에서높거나또는낮은

주파수의성분이큰것인지를알수는없다. 그래

서각시점에관한주파수의성분을계산하는것이

가능한웨이블릿변환(wavelet transform)을사용

하고있다.

<그림6>의 (a)에표시한출력전압값은이산웨

이블릿변환을통해근사계수와상세계수를계산

하는데사용되었다. <그림6>의 (b)는변환을통해

계산된상세계수를나타낸것으로, 이중에서특히

높은 주파수의성분으로표시되고있는상세계수

4

<그림 5> 원단센서의저항을검출하는전기회로

휘트스톤 브리지 증폭기 로우패스 필터 샘플링

를주목해야한다. 이 상세계수는각시점에서고

주파성분의크기를나타낸것이다. 그림에표시된

값을통해팁으로문질렀을때상세계수의절대값

이큰것을알수있다. 따라서적절한역치(생물체

가자극에대한반응을일으키는데필요한최소한

의자극세기를나타내는수치)를마련해, 상세계수

절대값과의비교를통해팁이원단센서를누르고

있는지또는원단센서위를문지르고있는지식별

이가능하다.

4. 텍스처(texture) 식별

본절에서는원단센서를이용한물체표면의텍

스처식별방법에대해알아보고자한다. 앞서설

명한것과같이원단센서의출력전압은저주파성

분과고주파성분이포함되어있으며, 이산웨이블

릿변환을통해저주파성분과고주파성분을분리

할수있다. 저주파성분은주로표면의형상에기

인하고, 고주파 성분은 표면의 요철에 기인한다.

따라서고주파성분의분석을통해다양한표면텍

스처식별이가능할것으로생각된다.

다양한표면을안정적으로스캔하기위해<그림

7>의 (a)에 표시한반구형의팁을원단센서에장

착하였으며, <그림 7>의 (b)는원단센서를장착한

팁을나타낸것이다. 구면은평평하게할수없어,

신축성이없는필름센서를구면위에붙이는것이

불가능하다. 그러나원단센서는신축성이있어구

면상에 붙이는 것이 가능해, 이러한 원단 센서를

장착한 팁을 2축의 리니어 스테이지에 장착하였

다. 리니어스테이지의제1축은팁을강하게누르

는운동을, 제2축은팁을문지르는운동을담당하

게된다.

<그림 8>은텍스처를식별하는알고리즘개요를

나타낸것으로, 팁을표면위에서문지를때의출력

전압을얻은후, 이산웨이블릿변환을적용하고있

다. 그리고이산웨이블릿변환으로부터결과값을

계산한다. 결과값으로는평균, 분산, 편차, 엔트로

피및에너지가있다. 사전에각텍스처에대응한

결과값을구한후, 값을입력하여, 텍스처의번호를

알려주는인공뉴럴네트워크(neural network, 신

경회로망)를구성해놓는다. 그리고텍스처를식별

할때에는결과값을계산하고, 계산한결과를입력

하여 인공 뉴럴 네트워크로 보내, 나온 출력값이

식별결과가된다.

Textile Review Vol. 44 No. 1 2015 5

원단 촉각 센서

<그림 6> 누름동작과문지름동작에대한웨이블릿변환

출

력

[V]

시간(초)

(a)출력전압

시간(초)

(b)상세계수

누름

역치

문지름

상세계수[V]

<그림 7> 반구형팁에장착된원단센서

반구형 팀(tip)

원단 센서

(a)반구형 팁(tip) (b)센서 장착

본고에서는 이를 이용한 텍스터 식별 실험에

<그림 9>에 표시한 8 종류의 텍스처를 사용하였

다. (1)번타일, (3)번사진용지, (6)번알루미늄및

(7)번구리는매끄러우며, (2)번샌드페이퍼, (5)번

데님은거칠거칠하다. 그리고 (4)번회로기판, (8)

번 아크릴 패턴은 규칙적인 표면을 가지고 있다.

<그림 10>은데님과사진용지에대한원단센서의

출력을나타낸것으로그림에나타낸것과같이텍

스처에따른출력의파형은다르게나타난다. <그

림 11>은측정된출력에이산웨이블릿변환을적

용하여, 상세계수를계산한결과를나타낸것이며,

그림에나타낸것과같이텍스처에의해상세계수

의경향은다르게나타나결과적으로다른결과값

을보이고있다.

<표 1>은 8 종류의 텍스처 식별 결과를 나타낸

것으로각텍스처를추정한후, 그 결과를백분율

로표시하였다. 표의대각선부분의회색표시부분

이정확하게식별된비율을나타낸것으로, 그 비

율은전체텍스처중평균86.5 %였다.

6

<그림 8> 텍스처인식알고리즘

텍스처(texture)

센서 특징 추출 인공 뉴럴네트워크

평균분산편차엔트로피에너지

이산 웨이블릿변환

<그림 9> 실험용텍스처

<그림 10> 데님원단과사진용지에대한원단센서의출력전압

(1)타일 (2)샌드페이퍼 (3)사진용지 (4)회로기판

(5)데님 (6)알루미늄

시간[초](a)데님

출력전압[V]

출력전압[V]

시간[초](b)사진용지

(7)구리 (8)아크릴패턴

<그림 11> 데님원단과사진용지에대한상세계수

시간[초](a)데님

시간[초](b)사진용지

출력전압[V]

출력전압[V]

1 2 3 4 5 6 7 8

1 90 0 0 0 0 0 0 0

식별

결과

2 0 77 5 0 0 0 0 0

3 10 11 85 8 0 0 6 0

4 0 0 0 73 0 0 0 0

5 0 12 5 19 100 0 0 0

6 0 0 0 0 0 80 5 0

7 0 9 5 0 0 20 89 0

8 0 0 0 0 0 0 0 100

실제 텍스처 86.5

<표 1> 텍스처식별결과

5. 복수의센서소자에의한문지름방향

식별

앞에서서술했던원단센서는문지름현상이발

생했는지인식이가능하였다. 그러나문지르는방

향을식별하는것은불가능하였다. 그래서이러한

방향을 인식할수있도록복수의센서소자로이

루어진센서를만들었으며, 제조방식은<그림 12>

의 (a)와 같이원단의안쪽에복수의전극을부착

하는방식을사용하였다. 전극은도전성페이스트

로제작되었으며, <그림 12>의 (b)에 표시한것과

같이원단센서를곡면으로처리하는것이가능하

였다. <그림 12>에나타낸원단센서위에팁을소

자 3에서 소자 1 방향으로 문지르고, 그때 3곳의

접촉부분에서 출력전압을 측정한 결과를 <그림

13>에나타내었다. 그림에나타낸것과같이센서

의 출력 비교를 통해 문지르는 방향을 인식할 수

있다. 특히, 팁이소자 3에서소자 2로이동한시

각(3.5초경) 그리고 소자 2에서 소자 1로 이동 시

각(5.0초경)에 상세계수값의크기가바뀌는것을

알수있다. 즉, 이산웨이블릿변환의상세계수크

기비교를통해문지르는방향을식별할수있다.

6. 결 언

본고에서는 원단 센서의 구성방법과 함께 원단

센서를이용한문지름에대한식별과텍스처의식

별원리에대해알아보았다. 원단으로센서를만들

면신축성부여가가능해, 자유곡면이나관절부위

에부착할수있는센서의제조가가능하다. 아직

까지센싱의민감도나정확성은떨어지나, 신호처

리연구를통해다양한검출이나인식이가능할것

으로생각된다. 또한원단센서는저항을계측하여,

하중이나 재료표면의매끄러운특성을검출하는

것이가능하며, 또한 캐퍼시턴스(capacitance) 계

측을통해근접센서로도사용이가능하다. 이러한

원단 센서는 로봇분야 뿐만 아니라 간호 및 간병

등의분야에서의응용도기대되고있으며, 압력감

지도전사나원단의다양한구성을통해폭넓은용

도전개가예상된다.

♠섬유기계학회지(Vol. 67, No. 9, 2014)

Textile Review Vol. 44 No. 1 2015 7

원단 촉각 센서

<그림 13> 문지르는방향의검출

<그림 12> 복수의센서소자로만든원단센서

시간[초]

소자1소자2소자3

시간[초] 시간[초]

출력[V]

상세계수[V]

상세계수[V]

상세계수[V]

소자1 소자2 소자3