KR20160087261A

KR20160087261A - 펄스 레이저를 이용한 체성감각 유도장치

Info

Publication number: KR20160087261A
Application number: KR1020150006371A
Authority: KR
Inventors: 정순철; 전재훈; 김지선; 김형식
Original assignee: 건국대학교 글로컬산학협력단
Priority date: 2015-01-13
Filing date: 2015-01-13
Publication date: 2016-07-21
Also published as: KR101648854B1

Abstract

본 발명은 체성감각 유도장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 809nm의 파장을 가지는 펄스 레이저를 이용하여 안전기준 내에서 사용자 피부에 체성감각을 유도하는 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은, 조사되는 레이저의 메인주파수, 서브주파수, 세기, 듀티비, 직경 등을 제어함으로써 사용자에게 체성감각을 유도하게 할 수 있는 체성감각 유도장치에 관한 것이다.

Description

펄스 레이저를 이용한 체성감각 유도장치{APPARATUS FOR INDUCING TACTILE SENSE USING PULSE LASER}

레이저 장치란 방사의 유도 방출에 의한 광증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)을 이용하여 빛을 방출하는 장치를 의미한다.

이러한 레이저 장치는 방향, 위상, 파장이 고른 인공의 빛을 방출하는데, 위와 같이 속성을 제어할 수 있음에 기하여 상기 레이저 장치는 통신, 의료, 나노기술, 정밀 공작 기계 영역 등 다양한 산업 분야에서 많이 활용되고 있다.

한편, 레이저는 크게 매질에의 손상을 동반하는 기전과 매질에의 손상을 동반하지 않는 기전 등 두 가지 기전으로 구현될 수 있다.

매질에의 손상을 동반하는 기전은 광학 절연파괴(Laser induced optical breakdown)나 레이저 제거(Laser ablation)에 의해 나타나는 것으로, 이러한 기전은 생체 자극 및 의료 수술 분야 등에서 활용된다.

이에 반해 매질에의 손상을 동반하지 않는 기전은 열탄성 효과(Laser induced thermo-elastic effect)라 불리는 것으로 매질의 손상 없이도 스트레스 파(wave)를 발생시키는 기전을 일컬으며, 이러한 열탄성 효과는 비파괴 검사(non-destructive inspection), 의료영상(imaging) 등에 활용될 수 있다.

최근에는 이렇게 생체 손상이 없는 레이저 장치에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 특히 생체 손상을 발생시키지 않는 레이저의 속성 범위를 찾는 연구가 구체적으로 진행되고 있다.

이 건 발명은 위와 같은 기술적 배경을 바탕으로 발명되었으며, 이상에서 살핀 기술적 요구를 충족시킴은 물론, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 발명할 수 없는 추가적인 기술요소들을 제공하기 위해 발명되었다.

2012-0004709 (2012.01.13)

본 발명은 레이저 조사시 매질에 손상이 없는, 즉 사용자 피부에의 손상을 동반하지 않는 기전을 구현하기 위한 것이다.

본 발명은 이러한 기전을 구현하기 위해 레이저를 조사하되 레이저의 다양한 속성, 예를 들어 조사되는 레이저의 서브주파수, 메인주파수, 세기 또는 직경 등을 조절하여 사용자 피부에 손상을 입히지 않는 범위에서 체성감각을 유도할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로 본 발명은 서브주파수와 세기를 조절하여 사용자 피부에 손상 없이 체성감각을 유도할 수 있는 범위, 서브주파수가 특정 값으로 설정되어 있을 때 메인주파수 및 메인주기 대비 엔벨롭 폭의 비율을 조절하여 사용자 피부에 손상 없이 체성감각을 유도할 수 있는 범위, 레이저의 직경, 세기 및 서브주파수를 조절하여 사용자 피부에 손상 없이 체성감각을 유도할 수 있는 범위를 제공하고, 체성감각 유도장치로 하여금 레이저의 각 속성을 위 범위 내에서 제어함으로써 결과적으로 사용자로 하여금 안전하게 체성감각을 느낄 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.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 수단으로 체성감각 유도장치를 제공한다. 다만, 이러한 발명의 카테고리들은 단어 그 자체에 의해 한정되지 않으며, 이하에서 살펴볼 기술 사상을 포함하는 범위 내에서 다양하게 확장 해석될 수 있다.

본 발명에 따른 체성감각 유도장치는 서브주파수를 제어하는 서브주파수 컨트롤부; 기설정된 서브주파수에 따른 레이저를 생성하는 레이저 생성부; 및 상기 서브주파수 컨트롤부 및 레이저 생성부를 제어하는 제어부;를 포함한다.

또한, 상기 체성감각 유도장치에 있어서 상기 서브주파수 컨트롤부는, 서브주파수를 3khz 이상 4.5khz 이하의 값 중 어느 하나로 설정하는 것을 특징으로 한다.

한편 이 때 상기 체성감각 유도장치는 레이저의 세기를 제어하는 파워 컨트롤부;

를 더 포함할 수 있으며, 이 때 파워 컨트롤부는, 상기 레이저의 세기를 23W 이상 36W 이하의 값 중 어느 하나로 설정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 체성감각 유도장치는 레이저의 직경(beam diameter)을 제어하는 직경 컨트롤부;를 더 포함할 수도 있으며, 이 때 상기 직경 컨트롤부는, 상기 레이저의 직경을 0.45mm 이상 7.0mm 이하의 값 중 어느 하나로 설정하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 체성감각 유도장치는 메인주파수를 제어하는 메인주파수 컨트롤부;를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 체성감각 유도장치에 있어서 상기 메인주파수 컨트롤부는, 레이저 메인주기 대비 엔벨롭 폭의 비율을 특정 값이 되도록 제어할 수 있으며, 특히 상기 레이저 메인주기 대비 엔벨롭 폭의 비율(duty ratio)은 25% 이상 75% 이하의 값 중 어느 하나가 되도록 제어할 수 있다.

또한 이 때 상기 메인주파수 컨트롤부는, 메인주파수를 0.5Hz 이상 1khz 이하의 값 중 어느 하나로 설정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 사용자로 하여금 피부 손상 없이 체성감각을 유도시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면, 레이저의 다양한 속성, 즉 펄스 레이저 자체의 주파수(서브주파수) 및 세기, 엔벨롭의 주파수(메인주파수) 및 메인주기 대비 엔벨롭 폭의 비율(듀티비), 레이저 자체의 직경 등 레이저 조사시 조절이 가능한 속성들 및 이들의 조합을 제안함으로써 사용자에게 피부 손상 없이 체성감각을 유발시킬 수 있는 다양한 방법론을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면, 사용자 피부에 손상이 가지 않는 각 속성 또는 속성의 조합별 수치범위를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 체성감각 유도장치를 이용하여 사용자에게 체성감각을 유도시키는 모습을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 체성감각 유도장치의 세부구성을 블록도로 나타낸 것이다.
도 3은 조사되는 레이저의 각 속성을 설명하기 위한 펄스 레이저 및 펄스 레이저가 형성하는 엔벨롭의 모습을 나타낸 것이다.
도 4는 사용자 피부에 손상이 가지 않는 범위의 서브주파수 및 레이저 세기 범위에 대한 실험결과를 나타낸 것이다.
도 5는 사용자 피부에 손상이 가지 않는 범위의 메인주파수 및 메인주기 대비 엔벨롭 폭의 비율(엔벨롭 듀티 비율)에 대한 실험결과를 나타낸 것이다.
도 6은 사용자 피부에 손상이 가지 않는 범위의 레이저 직경, 서브주파수 및 레이저 세기의 범위에 대한 실험결과를 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.

본 발명에 대한 설명을 하기에 앞서, 먼저 본 설명에서 사용되는 용어들에 대한정의를 살펴보기로 한다.

도 1은 레이저 빔의 작동주기 및 레이저의 세기를 나타내는 도면으로, 도 3에는 서브주기, 메인주기, 펄스폭, 엔벨롭폭, 레이저의 세기 등이 표시되어 있다.

먼저 서브주기란, 조사되는 레이저 펄스의 상승 및 하강이 1회 이루어지는 구간, 즉 주기를 말하는 것으로 도 1에서는 t1으로 표시되어 있다. 따라서 서브주기는 레이저 펄스가 하이(high)상태인 구간, 로우(low)상태인 구간을 포함하며, 이 중에서도 상승상태인 구간은 별도로 t2로 표시하고, 펄스폭이라 칭하기로 한다.

한편 메인주기란, 조사되는 레이저 엔벨롭의 형성 및 소멸이 1회 이루어지는 구간, 즉 주기를 말하는 것으로 도 1에서는 T1으로 표시되어 있다. 이 때 엔벨롭이란, 짧은 주기의 레이저 펄스가 다수 개 연속으로 발생하여 형성한 그룹, 즉 일련의 레이저 펄스 그룹을 일컫는 것으로, 도 1에서 보는 것과 같이 다수 개의 레이저 펄스가 매우 짧은 주기로 연속적으로 존재하는 경우, 거시적으로는 마치 하나의 상승(high)구간처럼 보이게 되는데, 이렇게 레이저 펄스가 그룹을 이루어 형성한 것을 엔벨롭이라 칭하기로 한다.

결국 메인주기는 엔벨롭이 하이(high)상태인 구간, 로우(low)상태인 구간을 포함하며, 이 중에서도 특히 상승상태인 구간은 별도로 T2로 표시하고, 엔벨롭폭이라 칭하기로 한다.

한편, 레이저의 세기란 조사되는 레이저가 내포하는 에너지의 크기를 의미하는 것으로, 레이저 세기는 공급되는 전력의 크기를 통해 조절이 가능하다.

또한, 후술하게 될 파라미터들은 본 발명에서 사용하는 레이저의 파장이 809nm임을 전제로 한다. 809nm 파장의 레이저는 다이오드 펄스 레이저 형태로 펄스 폭 및 펄스의 반복주기(Repetition rate)를 비교적 쉽게 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한, 809nm의 경우 일반적으로 가시광선 파장에 비해 침투깊이가 높아 본 발명과 같이 인체의 피부 내 세포를 자극하기에 적합한 파장의 레이저라 할 수 있다.

이하 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 체성감각 유도장치(100)의 작동원리 및 위 장치의 세부구성에 대해 살펴보기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 체성감각 유도장치(100)를 이용하여 사용자에게 체성감각을 유도시키는 과정을 설명하기 위한 것으로서, 이에 따르면 체성감각 유도장치(100)는 펄스 레이저를 지속적으로 생성하고, 생성된 펄스 레이저를 상기 체성감각 유도장치(100)와 연결된 광섬유(200)를 통해 전달한다.

한편, 체성감각 유도장치(100)에 의해 생성된 레이저는 광섬유(200)를 통해 사용자에게 전달이 되는데, 이 때 광섬유(200)란 레이저를 전달하는 가느다란 섬유를 통칭하는 것으로서, 일반적으로는 유리 또는 플라스틱의 재질을 가진다. 광섬유(200)는 코어와 클래딩으로 구성될 수 있으며, 일반적으로는 둥근 코어를 클래딩으로 균일하게 감싼 형태를 가진다. 광섬유(200)를 통해 레이저를 비롯한 빛 신호가 전달되는 방식은 이미 널리 알려진 것이므로, 본 발명에 다른 체성감각 유도장치(100)가 생성한 펄스 레이저가 광섬유(200)를 통해 전달되는 과정에 대해서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.

다른 한편, 체성감각 유도장치(100)와 연결된 부분을 광섬유(200)의 일단이라 정의할 때, 이와 반대되는 타단에는 매질에 직접 펄스 레이저를 조사하는 부속장치가 연결된다. 위 부속장치로서는 바람직하게는 렌즈를 활용할 수 있으며, 렌즈는 광섬유(200)를 통해 전달된 레이저를 한 점으로 집속시키는 역할을 한다.

또한, 도 2에서는 사용자의 손가락의 일점에만 펄스 레이저가 조사되는 것처럼 묘사가 되어 있으나, 펄스 레이저는 제작자의 설계변경에 따라 복수 개의 점으로 조사될 수도 있으며, 나아가 각각의 펄스 레이저들은 생성 간격, 전달 간격 등을 제어함으로써 일련의 패턴에 따라 사용자의 특정 신체부위에 조사되도록 구현할 수도 있다.

체성감각 유도장치(100)는 기본적으로 매질을 자극하여 기계적 반응, 화학적 반응을 발생시키는 레이저를 생성하는 장치이며, 후술하겠지만 위 체성감각 유도장치(100)는 레이저의 다양한 속성을 제어함으로써 다양한 형태의 레이저를 생성해 낼 수 있다.

한편, 체성감각 유도장치(100)에 의한 레이저 빔은 기본적으로 에너지 소스의 역할을 하고, 사용자의 피부 조직 내로 전달되어 열에너지로 변환되며, 이와 같이 변환된 열에너지는 사용자의 피부 조직 내 온도를 상승시켜 주변 조직으로 열을 전달하는 과정을 거쳐 사용자가 체성감각을 느낄 수 있게 한다. 더 구체적으로는, 매우 짧은 펄스폭을 가지는 레이저가 매질, 즉 사용자의 피부 조직에 조사되는 경우 순간적인 레이저 흡수에 의해 매질이 국소적으로 가열이 되고 이러한 순간적인 가열에 의해 매질의 국소부가 열팽창을 하게 되는데, 매질의 열팽창은 다시 주변으로 압력을 전달, 즉 압력이 스트레스파의 형태로 탄성을 가지는 매질 내부로 전달되어 피부 조직 내 촉감세포를 자극한다. 즉, 본 발명에 따른 체성감각 유도장치(100)는 레이저를 조사함으로써 온도를 증가시키고, 이에 따라 발생하는 일련의 열팽창, 압력증가, 스트레스파 생성 및 전달 과정을 통해 사용자로 하여금 촉감을 느낄 수 있도록 한다.

이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 체성감각 유도장치(100)의 세부구성을 살펴보기로 한다.

도 3에 따르면, 체성감각 유도장치(100)는 서브주파수 컨트롤부(110), 파워 컨트롤부(120), 메인주파수 컨트롤부(130), 레이저 생성부(140), 제어부(160)를 포함한다.

먼저 서브주파수 컨트롤부(110)는 본 체성감각 유도장치(100)에서 생성되는 펄스 레이저의 주파수를 제어한다.

서브주파수란 앞서 도 1에서 설명한 서브주기의 역수에 해당하는 값으로서, 단위 시간당 레이저 펄스의 싸이클이 몇 회인지를 가리키는 지표를 의미한다. 본 발명에서의 서브주파수 컨트롤부(110)는 1kHz 내지 100kHz의 범위에서 서브주파수를 제어하도록 구현하는 것이 바람직하다.

한편, 서브주파수 컨트롤부(110)는 레이저 펄스의 폭도 조절이 가능하며, 바람직하게는 레이저 펄스의 폭을 1㎲ 내지 1000㎲까지 조절 가능하도록 구현할 수 있다.

체성감각 유도장치(100) 내 파워 컨트롤부(120)는 레이저의 세기를 제어한다. 레이저의 세기란 레이저가 포함하는 에너지의 크기와 비례하는 것으로서, 일반적으로 레이저의 세기는 레이저 발생에 필요한 전력의 크기에 따라 결정된다. 즉, 본 파워 컨트롤부(120)는 후술하게 될 레이저 생성부(140)가 실제 레이저를 생성함에 있어서 외부 전력원으로부터 전력을 수급할 때에, 상기 전력의 크기를 제어함으로써 조사되는 레이저의 세기를 제어하게 된다.

한편, 본 발명에서의 바람직한 실시예에 따를 때, 파워 컨트롤부(120)는 레이저의 세기를 1W 내지 1000W의 범위 내에서 제어할 수 있도록 구현한다.

체성감각 유도장치(100) 내 메인주파수 컨트롤부(130)는 앞서 도 1에서 정의한 엔벨롭의 주파수, 즉 메인주파수를 제어한다.

메인주파수란 앞서 도 1에서 설명한 메인주기의 역수에 해당하는 값으로서, 단위 시간당 엔벨롭의 싸이클이 몇 회 반복되는지를 가리키는 지표이다. 본 발명에서의 메인주파수 컨트롤부(130)는 0.1Hz 내지 1000Hz의 범위에서 메인주파수를 제어하도록 구현하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 메인주파수 컨트롤부(130)는 단순히 메인주파수의 크기만을 제어할 수 있는 것이 아니라, 엔벨롭 폭의 길이도 제어할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 메인주파수 컨트롤부(130)는 전체 메인주기 중 엔벨롭이 하이(high)인 부분, 즉 엔벨롭 폭의 길이를 제어함으로써, 궁극적으로는 후술하게 될 메인주기 대비 엔벨롭 폭의 비율, 즉 듀티비를 제어할 수도 있다.

다음으로, 체성감각 유도장치(100) 내 레이저 생성부(140)는 기 설정된 서브주파수, 세기 또는 메인주파수에 따라 실제 조사되는 레이저를 생성한다.

더 구체적으로, 본 레이저 생성부(140)는 펄스 레이저 빔을 출력하는 구성으로서, 레이저 드라이버, 냉각 장치를 포함한다.

이 때, 레이저 드라이버는 다시 레이저 매질(Laser medium), 광 펌핑부(Optical pumping), 광 공진기(Optical resonator) 등을 포함할 수 있다.

또한, 냉각 장치는 상기 레이저 드라이버가 광 신호를 생성하는 과정에서 발생하는 열을 식히는 구성으로서, 레이저 드라이버 장치를 보호한다.

한편, 본 레이저 생성부(140)는 다양한 구현예에 의해 레이저 빔을 생성할 수 있다. 예를 들어 상기 레이저 생성부(140)는 루비 레이저, 네오디뮴:야그 레이저, 네오디뮴:글라스 레이저, 레이저 다이오드, 엑시머 레이저, 색소 레이저 등 다양한 방식으로 생성될 수 있다.

한편, 체성감각 유도장치(100)는 레이저의 직경을 제어하는 직경 컨트롤부(150)를 더 포함할 수 있다.

조사되는 레이저의 직경은 사용자의 피부조직에 전달되는 에너지 밀도와 관련된 것으로서, 일반적으로는 레이저 직경이 증가할수록 에너지 밀도가 감소한다.

본 발명에서의 직경 컨트롤부(150)는, 바람직하게는 0.01mm 내지 10.0mm의 범위 내에서 설정이 가능하도록 구현한다.

마지막으로, 체성감각 유도장치(100)는 앞서 설명한 서브주파수 컨트롤부(110), 파워 컨트롤부(120), 메인주파수 컨트롤부(130) 및 레이저 생성부(140)를 제어하기 위한 제어부(160)를 더 포함한다.

제어부(160)는 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.

이하에서는 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 체성감각 유도장치(100)를 이용해 실제 사용자들을 대상으로 실시한 예를 살펴보기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 체성감각 유도장치(100)를 이용하되, 그 중에서도 서브주파수와 레이저의 세기 제어를 통해 사용자의 체성감각을 유도한 결과를 나타낸 것이다.

참고로, 도 4 실시예는 전체 실험에 참가한 자들 중 50% 이상의 피험자가 체성감각(온감, 촉감)을 느꼈다고 응답한 구간에 음영 표시를 한 것으로서, 도 4(a)는 체성감각이 존재했었는지 여부에 대한 응답, 도 4(b)는 유도되는 체성감각의 강도가 너무 세어 통증으로까지 느껴지는지 여부에 대한 응답, 도 4(c)는 체성감각을 단순촉감, 온감, 통증의 구체화 된 단계로 나누어 조사한 것에 대한 응답을 표시한 것이다.

우선 도 4(a)는, 체성감각 유도장치(100)에 의해 조사된 레이저가 서브주파수가 1kHz, 2kHz, 3kHz, 3.5kHz, 4kHz, 4.5kHz로 제어될 때, 레이저의 세기가 20.16W 내지 35.03W의 범위에서 사용자가 체성감각을 느끼는지 여부를 확인하는 방식으로 이루어진 실험예의 결과를 표로 나타낸 것이다.

이에 따르면, 레이저의 세기가 23.2W 이상인 범위에서부터 사용자는 체성감각을 느끼기 시작하는 것으로 확인되었으며, 이 때의 서브주파수는 4.5kHz로 다소 높은 값의 주파수에서 체성감각이 유발됨을 알 수 있다.

한편, 레이저의 세기가 23.2W 이상인 범위에서, 사용자는 서브주파수가 3kHz일 때부터 체성감각을 느끼기 시작하였다.

도 4(a)의 응답 경향성을 살펴볼 때에, 조사되는 레이저의 세기가 특정 수치 이상이고, 레이저 펄스의 주파수, 즉 서브주파수가 특정 값 이상인 경우 사용자들은 자신의 피부에 체성감각이 유도되었다고 느낀다는 사실을 확인할 수 있다. 또한, 이 때 레이저의 세기 또는 서브주파수의 크기는 그 값이 커질수록 사용자에게 더 뚜렷한 체성감각을 제공한다는 경향성을 알 수 있다.

한편, 도 4(b)는 도 4(a)의 응답결과에서 더 나아가, 피험자들이 체성감각을 느꼈을 때에 그 체성감각의 강도가 얼마나 강했는지를 정리한 것으로, 체성감각이 단순히 무언가 감각이 존재한다는 것을 느낄 수 있는 정도의 촉감인지, 아니면 그 강도가 다소 세어 통증이 느껴지는 정도였는지를 정리한 표이다.

도 4(b)에 따르면, 레이저의 세기가 23.2W 내지 29.39W의 범위일 때, 그리고 서브주파수의 크기가 3kHz 내지 4.5kHz의 범위일 때 사용자들은 단순 촉감이 있었다고 인지하며, 레이저의 세기가 30.55W 이상이고 서브주파수의 크기가 4kHz 이상인 경우부터는 경우에 따라 단순 촉감으로 느낀 피험자도 있었으나 대체적으로 촉감의 강도가 다소 강한 나머지 통증으로 느낀다는 피험자가 다수를 이루었다.

한편, 도 4(c)는 피험자들이 느낀 체성감각을 더 세분화하여, 레이저에 의해 느낀 체성감각이 촉감이었는지, 온감이었는지 또는 통증이었는지를 정리한 표이다.

이에 따르면, 레이저의 세기 및 서브주파수가 어떤 범위에 있을 때 각 사용자들에게 촉감, 온감, 통증을 유발하는지 정확한 경계를 알 수 없으나, 레이저의 세기가 29.39W이상이면서 서브주파수의 크기가 3.5kHz이상인 경우 피험자들은 온감을 넘어 촉감, 즉 기계적인 압감을 느끼기 시작하였으며, 또한 레이저의 세기가 30.55W 이상인 경우에는 서브주파수의 크기가 3kHz로서 다소 수치가 작은 경우에도 압감을 제공함을 확인할 수 있다.

이상 도 4(a) 내지 도 4(c)를 통해서는, 조사되는 레이저의 두 가지 속성, 즉 레이저의 세기 및 서브주파수를 제어함으로써 사용자들로 하여금 다양한 체성감각을 유도케 할 수 있음을 알 수 있으며, 또한 어느 범위의 레이저 세기, 서브주파수 크기에서 온감, 촉감, 통증이 대체적으로 유도되는지를 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 체성감각 유도장치(100)를 이용하되, 그 중에서도 메인주파수, 그리고 레이저의 메인주기 대비 엔벨롭 폭의 비율(이하 듀티비(duty ratio)) 제어를 통해 사용자의 체성감각을 유도한 결과를 나타낸 것이다. (도 5의 표에서 가로축은 메인주파수, 세로축은 듀티비 임을 참조)

참고로, 도 5의 실시예 역시 도 4와 마찬가지로 전체 실험에 참가한 자들 중 50% 이상의 피험자가 체성감각을 느꼈다고 응답한 구간에 음영 표시를 한 것을 단계에 따라 정리한 것이다.

도 5(a)에 따르면 메인주파수 및 듀티비가 어떤 값으로 설정되었을 때 피험자들이 체성감각을 느꼈는지 여부를 나타내고 있는데, 특히 피험자들은 메인주파수가 0.5Hz일 때, 그리고 동시에 듀티비가 25%, 50%, 75%인 모든 경우에 있어서 체성감각을 느낀 것으로 응답하였다.

다른 한편, 조사되는 레이저의 듀티비가 75%, 즉 엔벨롭의 폭이 주기 내에서 차지하는 비율이 일정 비율 이상인 경우에는 레이저의 메인주파수가 0.5Hz 내지 1kHz 중 어느 값으로 설정되더라도 대부분의 피험자들이 체성감각을 느낀 것으로 응답하였다.

한편 도 5(a)의 특이사항으로, 메인주파수의 크기가 5Hz 내지 500Hz인 범위, 그리고 듀티비가 25% 내지 50%인 범위에서는 체성감각이 유도되지 못하고 있음을 확인할 수 있었다.

도 5(b)는 앞서 도 5(a)의 응답결과에서 더 나아가 피험자들이 체성감각을 느꼈을 때에 그 체성감각이 온감이었는지, 기계적인 압감이었는지 또는 통증이었는지를 정리한 것이다.

이에 따르면, 레이저의 메인주파수가 0.5Hz일 때, 그리고 듀티비가 25% 내지 75%일 때 피험자들은 대부분 레이저가 조사된 부위에 온감이 느껴졌다고 응답하였다. 또한 레이저의 듀티비가 75%일 때에는 메인주파수가 0.5Hz 내지 500Hz인 범위에서 피험자들이 온감을 느꼈다고 응답하였다.

한편, 레이저의 메인주파수가 1kHz로 설정된 경우, 듀티비가 50% 내지 75%인 범위에서는 사용자가 온감을 넘어 기계적인 압감을 느낀 것으로 나타났다.

이상 도 5(a) 내지 도 5(b)를 통해서는, 레이저의 메인주파수 및 듀티비를 제어함으로써 사용자들로 하여금 다양한 체성감각을 유도케 할 수 있으며, 특히 전체 메인주기에서 레이저 펄스가 차지하는 비율이 높아질 수록, 즉 듀티비가 증가할수록 사용자는 더 높은 확률로 촉감을 느낄 수 있음을 알 수 있다. 또한, 더 구체적으로는 어느 범위의 메인주파수, 듀티비에서 사용자에게 온감, 촉감이 유도되는지를 확인하였다.

도 6은 앞서 살펴 본 도 4의 시뮬레이션에서 더 나아가 레이저의 직경이라는 변수를 더 고려한 시뮬레이션 결과를 정리한 것이다. 즉, 도 6은 도 4와 마찬가지로 서브주파수와 레이저의 세기를 제어하여 피험자들이 체성감각을 느꼈는지를 조사하되, 세 가지 다른 값의 레이저의 직경에 따라 각각 실시함으로써, 레이저의 직경에 따라 피험자들에게 유도되는 체성감각이 어떻게 달라지는지를 알아본 결과이다.

도 6(a)는 조사되는 레이저의 직경이 0.46mm일 때, 도 6(b)는 1.86mm일 때, 도 6(c)는 6.8mm일 때의 실험 결과를 나타낸 것이다.

도 6(a) 내지 도 6(c)의 실험결과를 살펴보면, 조사되는 레이저의 직경이 증가할 수록 (레이저 직경을 제외한) 여타의 조건이 같은 상태에서의 피험자들은, 대체로 더 낮은 비율로 온감 또는 기계적 압감을 느꼈다고 응답하였다.

또한, 유도되는 체성감각의 강도와 관련하여서도, 레이저 직경이 증가할수록 피험자들은 유도되는 감각의 강도가 낮아진 것으로 인지하였다.

이상 도 6(a) 내지 도 6(c)를 통해서는, 조사되는 레이저의 직경을 제어함으로써 사용자들로 하여금 다양한 강도의 체성감각을 유도케 할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 레이저에 의해 사용자의 피부조직으로 전달되는 에너지 밀도가 증가할 수록 사용자는 더 높은 확률로 촉감을 느낄 수 있게 됨을 확인할 수 있다.

이상 도면을 참조하여 본 발명에 따른 체성감각 유도장치(100) 및 체성감각 유도장치(100)가 제어할 수 있는 다양한 요소들에 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 : 체성감각 유도장치
110: 서브주파수 컨트롤부
120: 파워 컨트롤부
130: 메인주파수 컨트롤부
140: 레이저 생성부
150: 직경 컨트롤부
160: 제어부
200 : 광섬유

Claims

서브주파수를 제어하는 서브주파수 컨트롤부;
기설정된 서브주파수에 따른 레이저를 생성하는 레이저 생성부; 및
상기 서브주파수 컨트롤부 및 레이저 생성부를 제어하는 제어부;
를 포함하는 체성감각 유도장치.
제1항에 있어서,
상기 서브주파수 컨트롤부는,
서브주파수를 3khz 이상 4.5khz 이하의 값 중 어느 하나로 설정하는 것을 특징으로 하는 체성감각 유도장치.
제2항에 있어서,
레이저의 세기를 제어하는 파워 컨트롤부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 체성감각 유도장치.
제3항에 있어서,
상기 파워 컨트롤부는,
상기 레이저의 세기를 23W 이상 36W 이하의 값 중 어느 하나로 설정하는 것을 특징으로 하는 체성감각 유도장치.
제4항에 있어서,
레이저의 직경(beam diameter)을 제어하는 직경 컨트롤부;
를 더 포함하는 체성감각 유도장치.
제5항에 있어서,
상기 직경 컨트롤부는,
상기 레이저의 직경을 0.45mm 이상 7.0mm 이하의 값 중 어느 하나로 설정하는 것을 특징으로 하는 체성감각 유도장치.
제1항에 있어서,
메인주파수를 제어하는 메인주파수 컨트롤부;
를 더 포함하는 체성감각 유도장치.
제7항에 있어서,
상기 메인주파수 컨트롤부는,
레이저 메인주기 대비 엔벨롭 폭의 비율을 특정 값이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 체성감각 유도장치.
제7항에 있어서,
상기 레이저 메인주기 대비 엔벨롭 폭의 비율(duty ratio)은 25% 이상 75% 이하의 값 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 체성감각 유도장치.
제9항에 있어서,
상기 메인주파수 컨트롤부는,
메인주파수를 0.5Hz 이상 1khz 이하의 값 중 어느 하나로 설정하는 것을 특징으로 하는 체성감각 유도장치.