KR101833834B1 - 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 체성감각 유도 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 공기 중에 레이저를 조사하여 에어 플라즈마를 생성하고, 생성된 에어 플라즈마로부터 발생되는 충격파 및 전기장이 매질에 상태변경을 유도하는 원리를 이용하여 사용자가 촉감, 열감 등의 체성감각을 느낄 수 있게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR INDUCING TACTILE USING AIR PLASMA}

본 발명은 체성감각 유도 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 공기 중에 레이저를 조사하여 에어 플라즈마를 생성하고, 생성된 에어 플라즈마로부터 발생되는 충격파 및 전기장이 매질에 상태변경을 유도하는 원리를 이용하여 사용자가 촉감, 열감 등의 체성감각을 느낄 수 있게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

사용자가 직접 물체에 접촉하거나 열에 가까이 접근하지 않아도 촉감, 열감 등의 체성감각을 느낄 수 있도록 하는 체성감각 유도에 대한 관심이 높아지고 있다. 체성감각 유도를 위해 최근에는 매질에 레이저와 같은 에너지원을 조사하는 방식이 연구되고 있다.

그러나 이와 같은 레이저를 에너지원으로 하여 직접 사용자 피부에 조사하는 방식의 경우 매질의 손상이 동반될 수 있어 사용자는 화상 등의 피해를 입을 수 있는데 이러한 문제점을 해결하기 위하여 다양한 방안들이 논의되고 있다.

본 발명은 이와 같이 생체 조직에 손상을 발생시키지 않는 범위에서 사용자의 체성감각을 유도하기 위한 것으로, 이상에서 살핀 기술적 요구를 충족시킴은 물론, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 발명할 수 없는 추가적인 기술요소들을 제공하기 위해 발명되었다.

한국공개특허 2003-0065766 (2003.08.09.공개)

본 발명은 사용자의 피부 조직과 같은 매질에 직접 레이저를 조사하지 않아도 사용자로 하여금 체성감각을 느낄 수 있도록 하기 위한 발명이다.

특히 본 발명은 공기 중에 에어 플라즈마를 생성시키고 이로부터 방출되는 에너지를 활용하여 사용자의 피부 조직을 자극하는 것을 목적으로 한다.

또한 이 때, 본 발명은 에어 플라즈마가 방출하는 에너지의 형태 중 충격파, 전기장과 같이 상이한 태양으로 방출되는 에너지를 활용함으로써 서로 다른 메커니즘에 의해 체성감각이 유도될 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 기술적 과제가 포함될 수 있다.

위와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 시스템은 레이저 빔의 파라미터를 제어하고, 공기 중에 레이저를 조사하여 에어 플라즈마를 생성하는 레이저 조사장치; 를 포함하되, 상기 에어 플라즈마로부터 발생된 충격파 및 전기장은 상기 충격파 및 전기장의 영향이 미치는 영역 내 존재하는 매질에 상태변경을 유도하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 시스템은 상기 레이저 조사장치로부터 조사된 레이저 빔을 일점으로 모아 에어 플라즈마 생성을 유도하는 렌즈; 를 더 포함한다.

또한, 상기 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 시스템에 있어서 상기 매질은 인체 피부인 것을 특징으로 한다.

또한 이 때, 충격파는 인체 피부 내 세포를 자극하여 말초신경으로 하여금 활동전위를 발생시킴으로써 인체 피부의 상태변경을 유도하는 것을 특징으로 한다.

또한 전기장은 인체 피부의 세포 내 전위를 발생시키고, 상기 발생된 전위에 의해 자극된 말초신경으로 하여금 활동전위를 발생시킴으로써 인체 피부의 상태변경을 유도하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 시스템에 있어서, 상기 레이저 빔의 파라미터는, 에너지 세기, 펄스 폭, 펄스 주파수, 자극 시간 또는 빔 직경을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 시스템에 있어서, 상기 에어 플라즈마로부터 발생한 충격파 및 전기장은, 상기 에어 플라즈마의 생성 위치를 중심으로 한 가상 구(球) 내부의 임의 점 상에 존재하는 매질의 상태변경을 유도하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 방법은 레이저 조사 장치가 공기 중에 레이저를 조사하여 에어 플라즈마를 생성하는 단계; 를 포함하며, 상기 에어 플라즈마로부터 발생된 충격파 및 전기장은 상기 충격파 및 전기장의 영향이 미치는 영역 내 존재하는 매질에 상태변경을 유도하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 방법은 공기 중에 레이저를 에어 플라즈마를 생성하는 단계 이전, 상기 레이저 빔의 파라미터를 설정하는 단계;를 더 포함한다.

또한, 상기 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 방법 있어서, 상기 에어 플라즈마로부터 발생한 충격파 및 전기장은, 상기 에어 플라즈마의 생성 위치를 중심으로 한 가상 구(球) 내부의 임의 점 상에 존재하는 매질의 상태변경을 유도하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 방법에 있어서, 상기 레이저 빔의 파라미터를 설정하는 단계는, 상기 레이저 조사 장치가 사용자로부터 레이저 빔의 파라미터 입력을 수신하고, 상기 레이저 빔의 파라미터 입력에 따라 공기 중에 조사될 레이저 빔의 파라미터를 설정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 사용자의 피부조직에 직접 레이저를 가하지 않을 수 있으므로 피부조직에 손상 없이 체성감각을 유도할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면 에어 플라즈마에 의해 방출되는 상이한 태양의 에너지를 활용할 수 있으므로 서로 다른 메커니즘에 의해 체성감각을 유도할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면 에어 플라즈마가 생성된 점을 중심으로 근접한 영역 내 존재하는 모든 매질에 체성감각을 유도할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 체성감각 유도 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 체성감각 유도 시스템에 의해 사용자가 체성감각을 인지하는 과정을 나타낸 것이다.
도 4는 마이크로폰을 이용하여 충격파를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 가속도센서를 이용하여 충격파를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 에어 플라즈마에 근접한 영역에서 충격파를 측정하기 위한 실험환경을 나타낸 것이다.
도 7은 도 6에서의 실험환경에서 마이크로폰을 통해 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 도 6에서의 실험환경에서 가속도센서를 통해 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 도 6에서의 실험환경에서 측정된 충격파의 세기 분포를 나타낸 것이다.
도 10은 전기장을 측정하기 위한 실험환경을 나타낸 것이다.
도 11은 레이저 빔의 에너지 세기에 따라 측정된 전기장을 나타낸 것이다.
도 12 및 도 13은 레이저 빔의 파라미터를 변경하며 살펴본 전기장의 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 에어 플라즈마로부터의 거리에 따라 사용자의 체성감각 인지 여부를 확인하기 위한 실험 결과를 나타낸 것이다.

본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다.

본 명세서에서 개시되는 실시예들은 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되거나 이용되지 않아야 할 것이다. 이 분야의 통상의 기술자에게 본 명세서의 실시예를 포함한 설명은 다양한 응용을 갖는다는 것이 당연하다. 따라서, 본 발명의 상세한 설명에 기재된 임의의 실시예들은 본 발명을 보다 잘 설명하기 위한 예시적인 것이며 본 발명의 범위가 실시예들로 한정되는 것을 의도하지 않는다.

도면에 표시되고 아래에 설명되는 기능 블록들은 가능한 구현의 예들일 뿐이다. 다른 구현들에서는 상세한 설명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 기능 블록들이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 하나 이상의 기능 블록이 개별 블록들로 표시되지만, 본 발명의 기능 블록들 중 하나 이상은 동일 기능을 실행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성들의 조합일 수 있다.

또한, 어떤 구성요소들을 포함한다는 표현은 개방형의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.

나아가 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 체성감각 유도 시스템의 구성을 간략히 나타낸 것이다.

도 1에 따르면 본 발명의 체성감각 유도 시스템은 기본 구성으로 레이저 조사장치를 포함하며, 부가적으로 렌즈(200)를 더 포함할 수 있다.

먼저 레이저 조사장치에 대해 살펴보기로 한다. 레이저 조사장치는 레이저 빔의 다양한 파라미터를 제어하며, 파라미터가 제어된 상태로 레이저를 공기 중에 조사하여 에어 플라즈마를 생성하는 기능을 한다.

이와 같은 기능을 하기 위해 레이저 조사장치는 세부적으로 많은 서브구성을 포함하는데, 예를 들어 레이저 조사장치는 레이저 출력부, 주파수 컨트롤부, 에너지 컨트롤부, 직경 컨트롤부, 입력부, 디스플레이, 제어부를 포함할 수 있다. 한편, 이 때 레이저 조사장치(100)를 구현하기 위해서는 제어부 및 레이저 출력부가 필수적으로 포함되며, 여타 기능부들은 사용자의 필요에 따라 포함 또는 배제가 가능하다.

레이저 출력부는 펄스 레이저를 출력하는 구성으로서 레이저 드라이버(laser driver), 냉각 장치를 포함할 수 있다. 레이저 드라이버는 레이저 매질 (laser medium), 광 펌핑부(optical pumping), 광 공진기(optical resonator) 등의 서브장치를 포함할 수 있으며, 펄스 레이저를 구현하기 위한 광 신호를 생성한다. 또한 상기 냉각 장치는 상기 레이저 드라이버가 광 신호를 생성하는 과정에서 발생할 수 있는 열을 식히는 것으로서, 상기 레이저 드라이버의 과열로 인한 오작동을 예방하는 역할을 한다.

또한, 상기 레이저 출력부는 펄스 레이저를 생성하기 위해 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 루비 레이저, 네오디뮴: 야그 레이저, 네오디뮴: 글래스 레이저, 레이저 다이오드, 엑시머 레이저, 색소 레이저 등의 방식으로 구현될 수 있다. 참고로, 아래 후술하게 될 실험예에서는 네오디뮴: 야그 레이저를 사용하여 펄스 레이저를 생성하게 됨을 알아 둔다.

다음으로 주파수 컨트롤부는 조사되는 레이저의 단위 시간당 펄스 진동수를 제어하는 기능을 한다. 레이저의 출력이 하이(high)일 때와 로우(low)일 때가 각각 1회 진행될 때를 1싸이클이라 가정할 때, 상기 주파수 컨트롤부는 단위 시간, 예를 들어 1초에 몇 번의 펄스 싸이클을 포함시킬 것인지 설정할 수 있으며, 사용자는 이와 같은 설정 작업을 통해 펄스 레이저의 주파수를 제어할 수 있다.

한편, 본 발명에서의 펄스 레이저 주파수는 바람직하게는 1Hz부터 50Hz까지 자유롭게 제어가 가능한 것으로 이해하여야 할 것이며, 나아가 주파수가 0Hz인 경우, 즉 싸이클 반복 없이 1회의 레이저 출력만 하는 싱글샷(single shot)도 설정 가능한 것으로 이해하여야 한다.

다음으로 에너지 컨트롤부는 조사되는 레이저의 에너지 세기를 제어하는 기능을 한다. 에너지 세기는 밀리줄(mJ) 단위로 표현되는데, 본 발명에서의 에너지 세기는 바람직하게는 40mJ 이상으로 제어될 수 있다.

한편, 본 에너지 컨트롤부는, 실제로는 광필터에 의해 구현될 수 있는데, 이러한 광필터는 펄스 레이저의 세기를 감쇄시키기 위한 감쇄 장치(Attenuator)를 포함할 수 있다.

다음으로 직경 컨트롤부는 조사되는 레이저의 직경을 조절하거나 상기 레이저를 조사하고자 하는 타겟점에 정확히 포커싱하기 위한 구성이다.

직경컨트롤부는 레이저를 한 점으로 집속하기 위한 볼록렌즈 및 레이저를 확산시키기 위한 오목렌즈로 구현할 수 있으며, 상기 볼록렌즈와 오목렌즈의 거리를 선택적으로 조절함으로써 초점을 맞춤과 동시에 조사되는 레이저의 직경을 제어할 수 있다.

한편, 상기 레이저 조사장치(100)는 사용자의 조작 편의성을 돕기 위한 구성으로서 입력부 및 디스플레이를 더 포함할 수 있다.

입력부는 상기 레이저 조사장치의 구동에 필요한 설정입력을 사용자로부터 수신하는 구성이다. 본 입력부는 패드, 터치스크린, 마우스 등 다양한 종류의 입력 장치로 구현될 수 있다.

한편, 디스플레이는 상기 레이저 조사장치(100)의 동작 상태 및 동작 결과를 표시하거나 레이저의 설정 파라미터 등 각종 정보를 사용자에게 보여주기 위한 구성이다. 본 디스플레이는 각종 메뉴를 비롯하여 사용자가 입력한 정보 및 사용자에게 제공하고자 하는 정보를 표시할 수 있으며, 액정 표시 장치(LCD), OLED, 음성 출력 장치 등으로 구현될 수 있다.

마지막으로, 레이저 조사장치(100)는 앞서 설명한 레이저 출력부, 주파수 컨트롤부, 에너지 컨트롤부, 직경 컨트롤부, 입력부, 디스플레이를 제어하기 위한 제어부를 더 포함한다.

제어부는 적어도 하나의 연산 수단과 저장 수단을 포함할 수 있으며, 이 때 연산 수단은 범용의 중앙연산장치(CPU)일 수도 있고, 특정 목적에 적합하게 구현된 프로그래머블 디바이스 소자(CPLD, FPGA), 주문형 반도체 연산장치(ASIC) 또는 마이크로 컨트롤러 칩일 수도 있다. 또한, 저장 수단으로는 휘발성 메모리 소자, 비휘발성 메모리 소자 또는 비휘발성 전자기적 저장 소자가 활용될 수 있다.

레이저 조사장치 이외에 본 발명에 따른 체성감각 유도 시스템은 에어 플라즈마를 발생시키기 위한 렌즈(200)를 추가적으로 더 포함할 수 있다. 본 렌즈(200)는 상기 레이저 조사장치로부터 조사된 레이저 빔을 일점으로 모으는 기능을 하는데, 이러한 렌즈는 상기 레이저 조사장치 내부에 존재하도록 구현할 수도 있으며 또는 상기 레이저 조사장치와 독립된 형태로 구현할 수도 있다.

다시 도 1을 참조할 때, 본 발명에 따른 체성감각 유도 시스템은 공기 중에 에어 플라즈마를 생성하고, 이에 의해 방출되는 에너지를 활용하여 매질(300), 즉 사용자의 피부에 체성감각을 유도하는 것을 특징으로 한다.

플라즈마란 초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 말한다. 플라즈마를 만들기 위해서는 직류, 초고주파, 레이저 등 전기적 방법이 이용되는데, 본 발명에서는 펄스 레이저를 공기 중 일점에 집중 조사하여 플라즈마를 생성하는 것을 전제로 한다. 또한 본 발명에서는 공기 중에 플라즈마를 생성시키는 것을 특징으로 하는데, 본 상세한 설명에서는 이를 에어 플라즈마라 칭하기로 한다.

한편 이렇게 생성된 에어 플라즈마에서는 충격파, 전기장의 두 가지 태양으로 에너지가 방출된다.

충격파는 유체속으로 음속보다 빠른 속도로 전달되는 강력한 압력파를 일컫는 것으로, 급격한 압력변화에 의해 파면이 중첩되어 발생하게 되며, 충격파가 통과할 때에는 압력, 밀도, 속도 등이 증가한다. 즉, 상기 에어 플라즈마에서 방출되는 에너지는 주변 유체, 즉 공기에 빠르게 에너지를 전달하고 공기는 이에 의해 중첩 영역이 반복적으로 생김으로써 외부로의 에너지 전달이 가능해진다.

한편, 전기장은 전기를 띤 전하의 주위 공간에 생기는 장을 일컫는 것으로, 전기장 안에서 하전된 물체는 전기력을 받아 상태변경이 일어나게 된다. 에어 플라즈마 자체가 전하를 띤 기체인 이상 상기 에어 플라즈마 주변에는 전기장이 발생하며, 본 발명은 이를 활용하여 매질(300)에 상태변경을 유도하게 된다.

이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 방법을 살펴보기로 한다.

도 2는 에어 플라즈마에 의해 충격파 및 전기장이 방출되는 경우 사용자의 피부에 상기 충격파 및 전기장의 에너지 전달이 미치고, 전달된 에너지가 피부에 상태변경을 일으키면 이것이 신경을 통해 뇌까지 전달되어 결과적으로 특정 체성감각을 인지하게 되는 과정을 간략히 도시한 것이다.

도 3은 도 2의 과정을 순서에 따라 단계별로 나타낸 것이다. 도 3에 따르면 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 방법은 가장 먼저 펄스 레이저를 조사하는 단계(S301)로부터 시작된다. 펄스 레이저는 도 1에 대한 설명에서 언급한 레이저 조사장치에 의해 조사되는 것으로, 상기 S301 단계 이전에 레이저 빔의 파라미터를 설정하는 단계가 더 포함될 수 있다. 레이저 빔의 파라미터를 설정하는 단계는, 상기 레이저 조사장치가 사용자로부터 입력을 수신하고, 상기 입력에 따라 공기 중에 조사될 레이저 빔의 파라미터를 설정하는 단계를 의미한다.

S301단계 이후, 조사된 펄스 레이저는 공기 중에 에어 플라즈마를 생성하며(S302), 이렇게 생성된 에어 플라즈마에서는 충격파 및 전기장이 외부로 발생되도록 한다. (S303, S304)

발생된 충격파는 매질, 즉 사용자의 피부까지 닿아 피부를 구성하는 세포를 자극하는데, 이는 곧 세포 내 말초신경을 자극(S306)하는 것을 의미하며 이에 따라 활동전위 발생(S307) 및 신경전달 물질의 활성화(S308), 뇌의 체성감각 인지(S309)까지 단계가 이어지게 된다.

한편, 에어 플라즈마로부터 발생된 전기장은 사용자의 피부를 구성하는 세포까지 그 영향을 미치게 되며, 이 때 상기 전기장은 세포 내 전위차를 발생(S305)시켜 세포의 말초신경을 자극(S306)한다. 말초신경 자극 이후 뇌에서의 체성감각 인지 단계까지 S306-S309 단계는 앞서 설명한 충격파에서의 단계와 동일하다.

도 4는 에어 플라즈마에서 발생되는 충격파를 측정한 결과를 나타낸 것이다.

도 4의 (a)는 에어 플라즈마가 생성된 지점을 기준으로 반경 50mm 내의 임의 지점에 마이크로폰을 구비한 후 마이크로폰이 감지한 충격파를 전압신호로 바꾸어 측정한 결과를 나타낸 것이다. 이에 따르면, 0.3ms 시점에 에어 플라즈마가 생성된 후 0.5ms 시점부터 일정 크기의 전압신호가 반복적으로 감지됨을 확인할 수 있는데, 이러한 실험 결과는 에어 플라즈마에 의해 발생된 충격파가 시간 간격을 두고 연속적으로 마이크로폰에 닿고 있음을 확인해 주는 것으로 볼 수 있다. 나아가 도 4의 (a)를 살펴볼 때, 에어 플라즈마에 의해 발생된 충격파는 시간이 갈수록 그 세기가 약해짐도 확인할 수 있다.

한편, 레이저 빔의 에너지 세기가 증가함에 따라 에어 플라즈마에 의해 발생되는 충격파 역시 비례하여 크기가 증가할 수 있음을 예측할 수 있는데, 이를 확인하기 위한 실험 결과는 (b). (c)에 나타나 있다. 즉, 레이저 빔의 파라미터 중 에너지 세기를 각각 32mJ, 60mJ로 설정하여 에어 플라즈마를 생성시킨 경우, 마이크로폰에 의해 감지되는 충격파는 도 4의 (b), (c)에서 볼 수 있듯 레이저 빔의 에너지 세기가 더 높을수록 강도가 더 높아짐을 알 수 있다.

한편, 에어 플라즈마에 의해 발생된 충격파는 마이크로폰뿐 아니라 가속도센서를 이용하여서도 측정할 수 있다. 도 5는 충격파를 가속도센서 및 마이크로폰으로 측정한 결과를 비교한 것이다. 살펴볼 때 가속도센서에 의해 측정된 충격파의 전압신호 크기가 마이크로폰에 의해 측정된 것에 비해 비교적 작은 값을 가지나 각각의 결과 값은 유사한 패턴을 보임을 확인할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 체성감각 유도 방법은 에어 플라즈마에 의해 발생한 충격파 및 전기장이 상기 에어 플라즈마의 생성 위치를 중심으로 모든 방향에 영향을 미칠 수 있으므로 매질, 즉 인체 피부가 상기 에어 플라즈마의 중심과 일정 수준 이하의 거리만 유지하는 경우 방향과 관계 없이 체성감각이 유도될 수 있다. 다시 말해 상기 에어 플라즈마로부터 발생한 충격파 및 전기장은 상기 에어 플라즈마의 생성 위치를 중심으로 한 가상의 구 내부 임의 점 상에 존재하는 매질의 상태변경을 유도할 수 있다.

도 6은 이와 같은 특성을 확인하기 위한 실험환경을 도시한 것이다. 실험환경은 상기 에어 플라즈마가 생성되는 점을 중심으로 8각형의 프레임을 구비시킨 후 하단을 제외한 모든 면에 각각 마이크로폰을 설치하여 구성된다. 이 때 마이크로폰의 위치는 중심으로부터 동일한 거리만큼 떨어지게 한다.

도 7은 도 6의 실험에서 측정된 결과를 나타낸 것으로, 도 7의 각 그래프들은 모든 방향에서 각각 측정된 충격파의 세기를 전압신호의 크기로 나타낸 것이다. 그래프에서도 볼 수 있듯 모든 방향에서 충격파가 측정되었으며 특히 각 방향에서의 충격파들은 레이저 빔의 에너지 크기가 클수록 더 측정되었고, 에어 플라즈마로부터의 중심에 가까울수록 더 강한 충격파가 측정되었다.

한편, 도 8은 도 6의 실험환경에서 마이크로폰을 가속도센서로 변경한 후 측정한 충격파의 세기들로, 도 8의 그래프들을 살펴볼 때에도 모든 방향에서의 충격파는 유사한 패턴으로 가속도센서에 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.

또 다른 한편, 도 9는 각 방향에서 측정된 충격파의 거리에 따른 세기분포를 그래프로 나타낸 것이다. 도 7의 실험결과에서도 이미 확인하였듯 각 방향에서의 충격파 세기는 에어 플라즈마와의 거리에 반비례하는데, 도 9에 따를 때에도 충격파의 세기는 에어 플라즈마와의 거리가 짧을수록 더 강하게 측정됨을 알 수 있다.

도 7 내지 도 9의 실험 결과로부터 상기 에어 플라즈마에 의해 발생한 충격파는 모든 방향으로 영향을 미치며, 이에 따라 어느 임의의 점에 위치하는 매질, 즉 인체 피부에 대해서도 체성감각을 유도할 수 있음을 유추할 수 있고 나아가 에어 플라즈마의 거리에 따라 유도될 수 있는 체성감각의 정도, 즉 촉감의 세기가 달라질 수 있음을 알 수 있다.

한편 도 10은 상기 에어 플라즈마에 의해 발생되는 전기장을 측정하기 위한 실험환경을 나타낸 것이다. 실험환경은 에어 플라즈마가 생성되는 지점의 위아래로 전극판을 구비시키고, 상기 전극판을 전선으로 연결시키되 전압계와 직렬로 연결을 시킨 상태로 구성한다.

도 11은 레이저 빔의 에너지 세기가 각각 32mJ, 60mJ일 때 측정된 전기장의 전압신호를 그래프로 나타낸 것인데, 이에 따르면 32mJ 환경에서는 peak

-to-peak 전압이 약 20V, 60mJ 환경에서는 약 30V로 측정되었음을 알 수 있다. 즉, 레이저 빔의 에너지가 높은 값을 가질수록 에어 플라즈마에 의해 발생되는 전기장의 세기도 더 강함을 알 수 있다.

도 12는 도 10의 전압(DC potential)을 일정하게 유지한 채 레이저 빔의 에너지 세기, 즉 플라즈마 에너지의 크기를 변화시키면서 측정한 전기장 전압신호의 최소 peak값, peak-to-peak값, power값을 측정한 결과이다. 에너지 세기의 값이 커질수록 peak-to-peak값, power값이 비례하여 증가함을 확인할 수 있으며, 최소 peak값은 그래프 상으로는 지속적으로 감소하고 있으나 이는 궁극적으로 전위차가 증가하는 모습을 나타내는 것이므로 결국 세 그래프 모두 레이저 빔의 에너지 증가에 따라 전기장의 세기가 강해진다는 사실을 나타내는 결과라 할 수 있다.

도 13은 포텐셜의 크기가 변할 때 전기장의 전압신호를 측정한 것이다. 구체적으로, 도 13은 도 10에서 표시된 플라즈마 발생 에너지를 일정하게 유지하고, 전극판(copper plate)에 인가되는 전압(DC potential)의 변화시켰을 때 측정된 전기장의 모습을 확인한 것이다. 이는 향후 에어 플라즈마를 사람을 대상으로 이용할 경우, 즉 피부에 일정 크기의 전위를 가지도록 하고 피부 근처에서 플라즈마를 발생시킬 경우 촉감이 유발되고 플라즈마의 발생 빈도 및 크기 조절에 따라 다양한 촉감이 유발될 수 있음을 유추할 수 있는 자료이다.

살펴보면 이 역시 앞선 도 12에서의 결과와 유사하게 포텐셜, 즉 전극판 사이의 전위차가 커질수록 최소 peak값이 리니어하게 감소되는 모습, peak-to-peak값 및 power값은 증가하는 모습을 나타내었다.

도 14는 레이저 빔의 에너지 세기 값에 따라 사람이 체성감각을 느낄 수 있는 범위가 어디까지인지를 측정하기 위한 실험 결과를 나타낸 것이다.

이에 따르면 에어 플라즈마로부터 거리에 따라 복수의 피험자들이 체성감각, 즉 촉감을 느낄 수 있는지 여부를 모니터링 하여 결과 산출을 하였으며, 피험자들은 1mm 간격으로 손가락을 에어 플라즈마로부터 떨어지게 위치시킨 후 촉감이 느껴지는지 여부를 답하는 방식으로 실험이 이루어졌다.

살펴볼 때, 레이저 빔의 에너지 세기가 35mJ일 때에는 평균적으로 5mm 떨어진 지점까지, 50mJ일 때에는 약 8mm 떨어진 지점까지, 65mJ일 때에는 야가 10mm 떨어진 지점까지 촉감을 느낄 수 있음을 확인할 수 있다.

즉, 레이저의 세기가 강해질수록 충격파 및 전기장이 미치는 영향이 더 넓은 영역에까지 미칠 수 있음을 알 수 있으며, 이는 즉 레이저의 세기를 제어함으로써 매질에 영향을 미칠 수 있는 영역을 조절할 수 있음을 의미하기도 한다.

이상 도면을 참조하여 본 발명에 따른 체성감각 유도 시스템 및 이에 의해 다양한 촉감이 유도될 수 있는 환경에 대해 살펴보았다. 위에서 설명된 본 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 이들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있을 것이며, 이러한 수정 및 변경은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100: 레이저 조사장치
200: 렌즈
300: 매질

Claims (11)

1. 레이저 빔의 파라미터를 제어하고, 공기 중의 일점에 레이저를 모아 조사하여 공기 중에 에어 플라즈마를 생성하는 레이저 조사장치;
   를 포함하되,
   상기 일점의 생성 위치를 중심으로 하여 발생된 에어 플라즈마로부터 발생된 충격파 및 전기장은 상기 충격파 및 전기장의 영향이 미치는 가상의 구 내에 존재하는 매질에 상태 변경을 유도하는 것을 특징으로 하는 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 레이저 조사장치로부터 조사된 레이저 빔을 일점으로 모아 에어 플라즈마 생성을 유도하는 렌즈;
   를 더 포함하는 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 매질은 인체 피부인 것을 특징으로 하는 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   충격파는 인체 피부 내 세포를 자극하여 말초신경으로 하여금 활동전위를 발생시킴으로써 인체 피부의 상태변경을 유도하는 것을 특징으로 하는 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 시스템.
   
5. 제3항에 있어서,
   전기장은 인체 피부의 세포 내 전위를 발생시키고, 상기 발생된 전위에 의해 자극된 말초신경으로 하여금 활동전위를 발생시킴으로써 인체 피부의 상태변경을 유도하는 것을 특징으로 하는 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 시스템.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 레이저 빔의 파라미터는, 에너지 세기, 펄스 폭, 펄스 주파수, 자극 시간 또는 빔 직경을 포함하는 것을 특징으로 하는 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 시스템.
   
7. 삭제
8. 레이저 조사 장치가 공기 중의 일점에 레이저를 모아 조사하여 공기 중에 에어 플라즈마를 생성하는 단계; 를 포함하며,
   상기 일점의 생성 위치를 중심으로 하여 발생된 에어 플라즈마로부터 발생된 충격파 및 전기장은 상기 충격파 및 전기장의 영향이 미치는 가상의 구 내에 존재하는 매질에 상태 변경을 유도하는 것을 특징으로 하는 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 방법.
   
9. 제8항에 있어서,
   공기 중에 레이저를 에어 플라즈마를 생성하는 단계 이전,
   상기 레이저의 파라미터를 설정하는 단계;
   를 더 포함하는 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 방법.
   
10. 삭제
11. 제9항에 있어서,
    상기 레이저의 파라미터를 설정하는 단계는,
    상기 레이저 조사 장치가 사용자로부터 레이저 빔의 파라미터 입력을 수신하고, 상기 레이저의 파라미터 입력에 따라 공기 중에 조사될 레이저 빔의 파라미터를 설정하는 것을 특징으로 하는 에어 플라즈마를 활용한 체성감각 유도 방법.
    

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