Design principles for a multi-channel safety monitoring platform based on contact electrification and polydiacetylene

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Safety monitoring under field operating conditions requires decision-relevant information with ensured interpretability. Monitoring systems are expected to generate information suitable for decision-making from a shared hazard stimulus while maintaining interpretive consistency at the decision stage over extended operation. Continuous signals reflect progressive coupling between environmental conditions and sensing interfaces, supporting early awareness of accumulated or advancing risk states. Declaration information indicates attainment of a critical state in an explicit manner, enabling intervention decisions without additional interpretive burden. These two forms of information differ fundamentally in functional role and interpretive demand, requiring role-specific representation and operational principles.

During extended operation, baseline variation, surface state evolution, contact instability, and reduced observability accumulate over time. These conditions degrade stability and reproducibility of continuous signals and enable uncertainty arising at the measurement stage to propagate into the decision stage. In conventional architectures deriving trend information and activation judgment through a single processing path, minor deviations in signal interpretation influence decision criteria. This coupling results in reduced warning clarity, elevated decision thresholds, and instability of judgment rules across operating conditions. This dissertation defines such failure behavior as information role overload and attributes its origin to signal representation structures lacking explicit separation of informational functions.

This dissertation proposes a design principle separating informational roles at the level of signal representation. The proposed approach incorporates material and surface design, threshold configuration, multiple hazard stimuli, distinct operating modes, and observation-dependent design implications within a unified design perspective. Physically separated parallel signal representations are constructed for a shared hazard stimulus, with single informational roles maintained per representation. Continuous representations convey trend information with physically interpretable characteristics, while declaration representations present perceivable state transitions under observation conditions ensuring sufficient interpretability. Integration of informational roles, signal representations, and observation conditions demonstrates preservation of consistent interpretability and predictable system behavior across operating conditions. The proposed design principle provides a structured basis for improving interpretive reliability and operational stability in safety monitoring systems.

국문 초록 (Abstract)

현장 운용 환경에서의 안전 모니터링은 해석 가능성이 확보된 의사결정 정보를 요구한다. 이를 위해 시스템은 단일 위험 자극으로부터 의사결정에 직접 활용 가능한 정보를 생성하는 동시에, 판단 단계에서의 해석 가능성을 지속적으로 유지해야 한다. 연속 신호는 환경 조건과 감지 인터페이스 간의 점진적인 결합 관계를 반영하여 위험의 누적 및 진행 양상을 사전에 인지할 수 있는 상황 인식을 제공한다. 반면 선언 정보는 특정 임계 상태의 도달 여부를 명확하게 제시함으로써, 복잡한 해석이나 추가적인 추론 없이 개입 판단을 가능하게 한다. 이처럼 연속 신호와 선언 정보는 의사결정 과정에서 수행하는 기능과 해석 요구가 본질적으로 다르며, 각 정보 유형에 부합하는 표현 방식과 운용 원리가 요구된다.

그러나 장기 운용 환경에서는 기준값 변동, 표면 상태 변화, 접촉 조건의 불안정성, 관측 가능성 저하와 같은 요인이 시간에 따라 누적된다. 이러한 조건은 연속 신호의 안정성과 재현성을 약화시키고, 측정 단계에서 발생한 불확실성이 의사결정 단계로 전이되는 구조를 형성한다. 특히 추세 정보와 활성 판단을 단일 처리 경로에서 동시에 도출하는 기존 구조에서는 신호 해석 과정에서의 미세한 편차가 판단 기준 자체에 반영되는 문제가 발생한다. 그 결과 경고 신호의 명확성이 점진적으로 저하되고, 판단 기준이 불필요하게 상향되거나 운용 조건에 따라 판단 규칙이 불안정하게 변하는 현상이 반복된다. 본 논문은 이러한 구조적 실패 양상을 정보 역할 과부하로 정의하고, 그 근본 원인이 신호 처리 이후가 아닌 신호 표현 단계에서 서로 다른 정보 기능이 명확히 분리되지 않은 설계 구조에 있음을 지적한다.

본 논문은 이러한 문제 인식에 기반하여 정보의 기능적 역할을 신호 표현 단계에서 명확히 분리하는 설계 원리를 제안한다. 본 연구는 재료 및 표면 설계, 임계 조건 설정에서 출발하여, 다종의 위험 자극과 상이한 운용 방식을 포괄하고, 관측 조건과 운용 상황에 따른 설계 시사점까지를 하나의 통합된 설계 관점에서 제시한다. 동일한 위험 자극에 대해 물리적으로 구분된 병렬 신호 체계를 구성함으로써, 각 신호가 단일 정보 역할을 일관되게 유지하도록 설계하고 해석 불안정의 전이를 구조적으로 억제한다. 연속 신호는 추세 정보를 담당하여 물리적 의미 해석이 가능한 변화 특성을 제공하며, 선언 정보는 관측 조건이 충분히 확보된 경우에 한해 의사결정 단계에서 직접 인지 가능한 상태 변화로 제시된다. 본 연구는 이러한 다층 설계 요소를 연계함으로써, 운용 조건 변화 하에서도 일관된 해석 가능성과 예측 가능한 시스템 동작을 확보할 수 있음을 실험적으로 검증하였으며, 실제 운용 환경을 고려한 안전 모니터링 시스템 설계에 유효한 통합 설계 원리를 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Motivation 4
• 1.2 Related Works 5
• 1.3 Scope and Objectives 7
• 2. Materials and Methods 9
• 2.1 Material Design 11
• 2.1.1 Threshold Engineering 12
• 2.1.2 Morphology Engineering 13
• 2.1.3 Functional Composite Material 14
• 2.2 Design Principle Implementation 15
• 2.2.1 Fabrication of Composite Fibers 15
• 2.2.2 Optimization of Fiber Morphology 16
• 2.2.3 Verification of Parallel Signal Generation 17
• 3. Results and Discussion 18
• 3.1 Thermal Hazard 19
• 3.1.1 Temperature-Dependent Electrical Trend 20
• 3.1.2 Optical Threshold Declaration 21
• 3.1.3 Decoupled Roles 22
• 3.2 Liquid Hazard 23
• 3.2.1 Selective Wettability Characteristics of Composite Fibers 23
• 3.2.2 Electrical Discrimination and Trend 23
• 3.2.3 Optical Confirmation 25
• 3.3 Chemical Hazard 25
• 3.3.1 Threshold-Triggered Optical Activation 26
• 3.3.2 Selective Detection of Chemicals 26
• 3.3.3 Future Extension 27
• 4. Applications 27
• 4.1 Fire Monitoring 29
• 4.2 Marine Oil Spill Detection 30
• 4.3 Design Implications and Future Directions 32
• 5. Conclusion 33
• 5.1 Summary of Principal Contributions 36
• 5.2 Challenges to Proposed Design Principle 38
• 5.3 Design Implications and Future Perspectives 39
• References 100