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▲ 기계연 바이오기계연구실 오선종 책임연구원이 초소형 3축 자기 센서를 현미경으로 관찰하고 있다.

국내 연구진이 로봇 관절이나 손끝처럼 제한된 공간에서 움직임과 힘을 정밀하게 감지할 수 있는 초소형 3축 자기센서를 개발했다. 초상자성 나노입자를 활용해 기존 평면형 자기센서의 한계였던 수직 방향 자기장 측정 문제를 해결하고 별도의 리셋 회로 없이 3축 자기장을 측정할 수 있어 로봇·웨어러블·의료기기 등 정밀 센싱 분야의 활용 확대가 기대된다.

한국기계연구원(원장 류석현)은 AI로봇연구소 바이오기계연구실 오선종 책임연구원 연구팀이 초상자성 나노입자를 잉크젯 프린팅 방식으로 평면 홀 자기저항(PHMR) 소자 위에 인쇄해 x·y·z 세 방향의 자기장을 동시에 측정할 수 있는 초소형 3축 자기센서를 개발했다고 6일 밝혔다.

기존 평면형 자기센서는 좌우와 앞뒤 방향의 자기장 측정은 가능하지만 센서 표면에 수직으로 들어오는 자기장을 측정하기 어려웠다. 연구팀은 자기장의 방향을 바꿔주는 ‘플럭스 가이드’를 센서 위에 형성해 수직 방향 자기장까지 측정할 수 있도록 했다.

플럭스 가이드는 초상자성 나노입자로 제작됐다. 수직으로 들어오는 자기장을 센서가 감지할 수 있는 평면 방향으로 유도해 하나의 센서에서 세 방향의 자기장을 측정하는 방식이다. 특히 기존 플럭스 가이드에 활용되던 니켈·퍼멀로이 등 강자성 소재의 자기 이력 문제도 해결했다.

강자성 소재는 외부 자기장이 사라진 이후에도 자성이 남아 별도의 리셋 회로가 필요했지만, 초상자성 나노입자는 외부 자기장이 사라지면 자성도 함께 사라져 별도 리셋 회로 없이 반복 측정이 가능하다.

제작 공정도 단순화했다. 연구팀은 초상자성 나노입자를 잉크 형태로 만들어 센서 위에 직접 인쇄하는 방식을 적용했다. 기존 전기도금이나 정밀 가공 공정 대신 프린팅을 활용해 초소형 센서 제작에 적합한 구조를 구현했다.

연구팀은 나노입자가 굳는 과정에서 외부 자기장을 가해 입자를 수직 방향으로 정렬하는 기술도 적용했다. 이를 통해 수직 방향인 z축 자기장 감도를 기존 대비 약 3배 높였으며, 수직 자기장을 센서가 측정할 수 있는 방향으로 변환하는 자기장 변환 효율을 최대 40%까지 향상시켰다.

개발된 센서는 500㎛×500㎛ 크기로 초소형화됐으며, 4개의 감지 소자를 동시에 작동했을 때 소비전력도 16mW 수준이다. 작은 공간에 센서를 탑재하면서도 3축 자기장을 측정할 수 있어 소형·저전력 센싱이 필요한 로봇 부품 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 해당 센서 플랫폼을 자기장 측정뿐 아니라 다축 촉각 센서로 확장했다. 센서 위에 영구자석이 내장된 탄성체를 결합해 누르는 힘과 미는 힘을 측정할 수 있도록 구현했다. 이에 따라 하나의 센서 플랫폼으로 로봇 관절과 손의 움직임뿐 아니라 로봇이 물체와 접촉할 때 발생하는 힘까지 감지할 수 있다. 향후 로봇 손과 소프트 로봇, 인간-기계 인터페이스, 웨어러블 기기, 의료기기 등 정밀한 움직임과 힘 측정이 필요한 분야로 활용 범위가 확대될 전망이다.

오선종 기계연 책임연구원은 “이번 연구는 초상자성 나노입자를 활용해 기존 3축 자기 센서의 자기 이력 문제를 해결하고, 간단한 프린팅 공정으로 초소형·저전력 센서를 구현했다는 데 의미가 있다”며 “향후 로봇과 웨어러블 기기 등 작고 정밀한 센서가 필요한 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

전창엽 박사후연구원은 “하나의 센서 플랫폼으로 세 방향의 자기장을 측정할 뿐 아니라 누르거나 미는 힘까지 감지할 수 있도록 확장한 것이 이번 기술의 특징”이라며 “앞으로 로봇 손과 소프트 로봇, 인간-기계 인터페이스, 의료기기 등 정밀한 움직임과 힘을 측정해야 하는 분야로 활용 범위를 확대해 나갈 계획”이라고 전했다.

한편, 이번 연구는 기계연 AI로봇연구소 바이오기계연구실과 대구경북과학기술원(DGIST) 김철기 교수 연구팀의 협업으로 수행됐다. 과학기술정보통신부 재원으로 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업과 산업통상자원부 및 한국산업기술기획평가원의 지원을 받아 진행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 2026년 6월 게재됐다. 연구의 우수성과 파급력을 인정받아 해당 호의 표지 논문(Front Cover)으로도 선정됐다.

출처 : 신소재경제(https://www.amenews.kr/)