로봇 손끝 움직임·힘까지 감지…초소형 3축 자기 센서 개발[과학을읽다]

기계연, 500㎛ 크기로 x·y·z 세 방향 자기장 측정
별도 리셋 회로 없애고 수직 감도 3배↑…촉각 센서로도 확장

로봇의 관절이나 손끝처럼 좁은 공간에서 움직임과 위치를 정밀하게 측정할 수 있는 초소형 3축 자기 센서가 개발됐다. 가로·세로 500㎛(마이크로미터) 크기의 센서 하나로 세 방향의 자기장을 측정하고, 누르거나 미는 힘까지 감지하는 촉각 센서로 확장할 수 있는 기술이다.

한국기계연구원은 오선종 AI로봇연구소 바이오기계연구실 책임연구원 연구팀이 초상자성 나노입자를 이용해 x·y·z 세 방향의 자기장을 동시에 측정하는 초소형 3축 자기 센서를 개발했다고 6일 밝혔다. 연구팀에 따르면 초상자성 나노입자 기반 플럭스 가이드를 적용한 평면형 3축 자기 센서를 구현한 것은 세계 최초다.

기계연 연구팀이 개발한 초상자성 나노입자 기반 플럭스 가이드를 적용한 초소형 3축 자기 센서. 연구팀 제공

기존 평면형 자기 센서는 좌우와 앞뒤 방향의 자기장은 측정할 수 있지만 센서 표면에 수직으로 들어오는 자기장을 측정하기 어렵다. 연구팀은 자기장의 방향을 바꿔주는 '플럭스 가이드'를 센서 위에 만들어 이 문제를 해결했다.

초상자성 나노입자로 만든 플럭스 가이드가 수직으로 들어오는 자기장을 센서가 감지할 수 있는 평면 방향으로 유도하는 방식이다. 이를 통해 하나의 센서에서 세 방향의 자기장을 모두 측정할 수 있다.

리셋 회로 없애고 수직 방향 감도 3배 높여

기존 플럭스 가이드에는 니켈이나 퍼멀로이 같은 강자성 소재가 주로 사용됐다. 하지만 자기장이 사라진 뒤에도 자성이 남는 '자기 이력' 때문에 센서를 다시 초기화하는 별도의 리셋 회로가 필요했다. 전기도금이나 정밀 가공 등 복잡한 제작 공정도 거쳐야 했다.

연구팀은 외부 자기장이 사라지면 자성도 함께 사라지는 초상자성 나노입자를 적용했다. 별도의 리셋 회로 없이 반복적으로 자기장을 측정할 수 있고, 나노입자를 잉크 형태로 만들어 센서 위에 직접 인쇄해 제작 과정도 단순화했다.

초상자성 나노입자 기반 3축 자기 센서 연구성과 게재 전면 표지 논문. 기계연 제공

나노입자가 굳는 과정에서 외부 자기장을 가해 입자를 수직 방향으로 정렬하는 기술도 적용했다. 그 결과 수직 방향인 z축 자기장 감도를 기존 대비 약 3배 높였다. 수직 자기장을 센서가 측정할 수 있는 방향으로 바꾸는 변환 효율은 최대 40%를 기록했다.

센서 크기는 500㎛×500㎛이며 4개의 감지 소자를 동시에 작동할 때 소비전력은 16mW 수준이다.

움직임 넘어 누르고 미는 힘까지 감지

연구팀은 자기장을 측정하는 데서 한발 더 나아가 이 기술을 로봇의 촉각 감지에도 적용했다. 센서 위에 영구자석을 넣은 탄성체를 결합해 물체를 누르거나 미는 힘을 측정하는 다축 촉각 센서로 구현했다.

하나의 센서 플랫폼으로 로봇 관절이나 손의 움직임과 위치뿐 아니라 물체와 접촉할 때 발생하는 힘까지 측정할 수 있는 셈이다. 연구팀은 로봇 손과 소프트 로봇, 웨어러블 기기, 인간-기계 인터페이스, 의료기기 등에 활용할 수 있을 것으로 보고 있다.

기계연 바이오기계연구실 오선종 책임연구원 연구팀(사진 왼쪽부터 김미진 박사후연구원, 오선종 책임연구원, 전창엽 박사후연구원). 기계연 제공.

오 책임연구원은 "초상자성 나노입자를 활용해 기존 3축 자기 센서의 자기 이력 문제를 해결하고 간단한 프린팅 공정으로 초소형·저전력 센서를 구현했다"며 "로봇과 웨어러블 기기 등 작고 정밀한 센서가 필요한 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 기계연과 김철기 대구경북과학기술원(DGIST) 교수 연구팀이 공동으로 수행했다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)' 6월호에 게재됐으며 해당 호 표지 논문으로 선정됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr