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

[투데이에너지 임자성 기자] 로봇의 관절이나 손끝처럼 협소한 공간에서도 정밀한 움직임을 감지할 수 있는 초소형 센서 기술이 세계 최초로 실현됐다. 한국기계연구원 연구팀이 별도의 리셋 회로 없이 세 방향의 자기장을 동시에 측정할 수 있는 3축 자기 센서를 선보이며 첨단 로봇 및 웨어러블 기기 센싱 기술의 지평을 넓혔다.

한국기계연구원 AI로봇연구소 바이오기계연구실 오선종 책임연구원 연구팀은 초상자성 나노입자를 잉크젯 프린팅 방식으로 평면 홀 자기저항(PHMR) 소자 위에 인쇄해 x·y·z 세 방향의 자기장을 동시에 측정할 수 있는 초소형 3축 자기 센서를 개발했다.

기존 평면형 자기 센서는 좌우와 앞뒤 방향의 자기장은 측정할 수 있으나 표면에 수직으로 들어오는 자기장을 감지하기 어렵다는 한계가 있었다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 자기장의 방향을 바꿔주는 ‘플럭스 가이드’를 센서 위에 도입했다. 초상자성 나노입자로 이루어진 플럭스 가이드가 수직 자기장을 평면 방향으로 유도하여 하나의 센서로 모든 방향의 자기장을 측정할 수 있게 만든 원리다.

기존 강자성 소재를 활용한 플럭스 가이드는 자기장이 사라진 뒤에도 자성이 남는 ‘자기 이력’ 현상 때문에 별도의 리셋 회로와 복잡한 가공 공정이 필요했다. 반면 연구팀은 외부 자기장이 사라지면 자성도 함께 소멸하는 초상자성 나노입자를 적용하고 잉크 형태로 직접 인쇄해 공정을 단순화하는 동시에 반복 측정의 안정성을 확보했다.

또한 나노입자가 굳는 과정에서 외부 자기장을 가해 수직 방향으로 정렬시키는 기술을 적용함으로써, 수직(z축) 자기장 감도를 기존 대비 약 3배 높이고 자기장 변환 효율을 최대 40%까지 끌어올렸다. 이번에 개발된 센서는 500 ㎛×500 ㎛ 크기의 초소형으로 제작됐으며, 4개의 감지 소자를 동시에 구동할 때의 소비전력도 16 mW 수준에 불과하다.

여기에 센서 위에 영구자석이 포함된 탄성체를 결합하여 누르고 미는 힘까지 감지할 수 있는 다축 촉각 센서로 확장 가능함을 입증했다. 동일한 플랫폼을 바탕으로 로봇 관절과 손의 움직임은 물론 물체 접촉 시의 하중까지 정밀하게 파악할 수 있어, 향후 소프트 로봇과 웨어러블 기기, 의료용 로봇 등 다방면에서 활용될 것으로 기대를 모으고 있다.

이번 연구는 기계연과 대구경북과학기술원(DGIST) 김철기 교수 연구팀의 협업으로 수행됐다. 과기정통부 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업 등의 지원을 받아 진행된 연구 결과는 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 2026년 6월호 표지 논문으로 게재되며 학계의 주목을 받았다.

[용어 설명]

평면 홀 자기저항(PHMR) 소자: 얇은 박막 구조를 활용해 자기장의 변화를 전기적 저항으로 감지하는 센서 소자.

플럭스 가이드(Flux Guide): 센서 주변의 자기장 흐름(유속선)을 유도하여 센서가 감지하기 쉬운 방향으로 자기장의 방향을 바꿔주는 역할을 하는 구조물.

초상자성 나노입자: 외부에서 자기장을 가할 때만 자성을 띠고, 자기장이 사라지면 잔류 자화가 남지 않고 곧바로 자성이 사라지는 특성을 가진 미세한 나노 크기의 입자.

자기 이력(Hysteresis): 외부 자기장이 제거된 후에도 물질 내부에 자기가 남아있는 현상.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)