자성 분말 기반 소프트 자성 액츄에이터 및 센서 연구 동향
Recent Advances in Soft Magnetic Actuators and Sensors using Magnetic Particles
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Abstract
Smart materials capable of changing their characteristics in response to stimuli such as light, heat, pH, and electric and magnetic fields are promising for application to flexible electronics, soft robotics, and biomedicine. Compared with conventional rigid materials, these materials are typically composed of soft materials that improve the biocompatibility and allow for large and dynamic deformations in response to external environmental stimuli. Among them, smart magnetic materials are attracting immense attention owing to their fast response, remote actuation, and wide penetration range under various conditions. In this review, we report the material design and fabrication of smart magnetic materials. Furthermore, we focus on recent advances in their typical applications, namely, soft magnetic actuators, sensors for self-assembly, object manipulation, shape transformation, multimodal robot actuation, and tactile sensing.
1. 서 론
스마트 소재(Smart Materials)란 빛, 온도, 압력, pH, 전· 자기장 등 외부 환경 자극을 감지하여 스스로 형상 및 물 성이 변하거나 움직임을 만들어내는 소재를 의미한다. 스 마트 소재는 실제 생명체와 유사하게 비정형 환경에서 외 부 자극에 반응하며 적응 할 수 있다는 점에서 로봇 및 웨 어러블 디바이스에 대한 새로운 접근법을 제공하였다. 또 한 이들은 소프트 액츄에이터 및 센서부터 로봇, 의료기기 까지 다양한 분야에 활용되며 전 세계적으로 각광 받고 있다[1-5]. 그 중에서도 스마트 자성 소재(Smart Magnetic Materials)는 외부 자기장에 반응하여 스스로 형상 및 물성 이 변하거나 움직임을 만들어내는 소재로, 무선 제어가 가 능하고, 반응 속도가 빠르며, 반응이 가역적이라는 장점을 바탕으로 많은 연구가 이루어지고 있다[6, 7].
스마트 자성 소재는 몸체를 이루는 소재와 자기 반응성 을 부여하는 자성 분말의 혼합물로 제작된다(Table 1). 스 마트 자성 소재의 몸체로 활용 가능한 소재로는 폴리우레 탄(Polyurethane)과 같은 고분자 소재부터[8, 9] 미세 조류 (Microalgae)와 같은 미생물[10]에 이르기까지 큰 제약이 없으나, 하이드로겔이나[11] 실리콘 기반의 엘라스토머 [12-15] 등의 유연한 고분자 소재가 주로 이용되고 있다 (Fig. 1(a)). 여기에 사용되는 유연한 고분자 소재들은 중합 전에 유동성을 갖는 액상으로 존재하기 때문에, 자성 분말 을 혼합하여 혼합물을 만들고 이를 중합 시키는 방식으로 스마트 자성 소재를 제작하는 것이다. 이 때 고분자와 자 성 분말 혼합물 중합은 열을 이용하는 열경화 방식과[14- 16] 빛을 이용하는 광경화 방식을[9, 11, 17] 통해 이루어 지는데, 이는 사용하는 고분자 소재에 따라 결정된다(Fig. 1(b)). 이러한 몸체에 자기 반응성을 부여하기 위하여 이용 되는 자성 분말로는 산화철(Fe3O4), 니켈(Ni), 세라믹계 자 성체(Ba-Fe, Sr-Fe) 및 희토류 자성체(SmCo, NdFeB) 등 다양한 종류가 있으나, 산화철과 NdFeB가 주로 사용된다 [18]. 자성 분말의 제조에는 자성체의 종류와 크기, 그리고 형상에 따라 화학 합성(chemical synthesis), 전기 도금 (electrodeposition), 방전 가공(spark erosion), 용융 방사(melt spinning), 고에너지 볼밀링(high energy ball milling) 등의 다양한 방식이 이용된다. 이 중 나노미터 수준의 크기를 가지는 자성 분말의 제작에는 주로 화학 합성 방식을 이 용하며, 마이크로미터 수준의 크기를 갖는 자성 분말의 제 작에는 주로 제트 캐스팅(jet casting) 및 아토마이저 (atomizer)를 포함하는 용융 방사 방식을 사용한다[19-21].
Composition of Smart Magnetic Material
스마트 자성 소재의 기능성은 이를 구성하는 몸체 소재 와 자성 분말의 재료적인 특성 외에도, 제조 방법에도 영 향을 받는다. 스마트 자성 소재 제조방법으로는 마스크 (Mask)나 몰드(Mold)에 자성 분말 혼합물을 캐스팅(Casting) 하여 제작하는 몰딩(Molding) 방식과[14, 18, 20] 자성분 말 혼합물에 자외선이나 레이저 등의 빛을 조사하여 해당 부분을 경화시키는 포토리소그라피(Photolithography) 방 식이[8, 9, 10] 주를 이룬다. 그러나 이러한 방식은 복잡한 구조나 자화 패턴을 가지는 스마트 자성 소재 제작에는 한계가 있기 때문에, 최근에는 3D 프린팅 기술을 접목한 연구들도 보고되고 있다(Fig. 1(c))[17, 24, 25].
이렇게 제작한 스마트 자성 소재는 다양한 분야에서 활 용되고 있지만[6, 7], 본 리뷰 논문에서는 그 중에서도 가 장 대표적인 활용 분야인 소프트 자성 액츄에이터 및 소 프트 자성 센서의 연구 동향에 대해 상세히 기술하고자 한다.
2. 자성 분말 기반 소프트 자성 액츄에이터의 연구 동향
웨어러블 기술, 소프트 로봇 및 인간-로봇(Human-Robot Interaction, HRI) 에 대한 관심이 증가하면서 소프트 시스 템에 내장할 수 있는 구성 부품에 대한 관심이 높아졌다. 이에 따라 디바이스 및 로봇의 움직임을 생성하는 기본적 이고 중요한 기술 요소 중 하나인 액츄에이터도 소프트 시스템에 탑재하기 적합하도록 소프트 액츄에이터의 형태 로 제작할 수 있는 여러 방법들이 제안되어 왔다[2]. 그 중 에서도 소프트 자성 액츄에이터는 마이크로미터 수준부터 센티미터 수준까지 다양한 크기로 제작이 가능하고, 유연 한 몸체를 기반으로 한 형상 변화와 정밀하고 빠른 무선 제어 등을 포함하는 다양한 장점을 바탕으로 여러 방면에 서 활용되고 있다[17]. 본 리뷰에서는 그 중 몇 가지 예시 로써, 자기 조립 및 군집 로봇[26, 27], 그리퍼를 포함한 사물 정밀 제어로봇[8, 13, 16, 23], 3차원 형상 변화 로봇 [15, 17, 24, 25], 그리고 복합 이동이 가능한 로봇으로[11, 14, 28, 29] 활용되는 소프트 자성 액츄에이터들을 소개하 고자 한다.
2.1. 자기조립 및 군집 로봇으로의 활용
자기조립 및 군집 로봇으로 활용되는 소프트 자성 액츄 에이터들은 대체로 수 마이크로미터부터 1~2 밀리미터 이 내의 작은 사이즈로 제작된다. 이렇게 제작된 소프트 자성 액츄에이터들은 그 모양과 외부자기장의 작용 양상에 따 라서 서로 다른 움직임과 배열을 보이게 되는데, 이러한 현상을 이용하여 자기조립 및 군집 작용의 제어를 할 수 있다. Q. He 연구팀은 소프트 자성 액츄에이터 군집을 이 용하여 좁은 통로를 통과하거나 크기가 다른 물체를 움직 이는 것과 같은 다양한 임무를 수행 가능하다는 것을 보 였다(Fig. 2(a-i)). 그들은 땅콩 형상의 소프트 자성 액츄에 이터에 각속도 뿐만 아니라 형태 및 회전축이 다른 여러 가지 자기장을 인가하였다. 소프트 자성 액츄에이터의 땅 콩과 같은 비등방성 형상으로 인하여 각각의 소프트 자성 액츄에이터는 가해진 자기장에 따라 진동(Oscillating), 회 전(Spinning), 구름(Rolling), 그리고 텀블링(Tumbling)의 서로 다른 4가지 움직임을 보였다. 이러한 소프트 자성 액 츄에이터들은 상황에 따라 움직임의 종류를 바꿈으로써 군집 내에서 서로 간의 상호작용을 달리 하였고, 이를 통 해 액상형(Liquid), 와동형(Vortex), 체인형(Chain), 끈형 (Ribbon) 등 4가지로 군집의 형태를 전환해가며 다양한 임 무를 수행할 수 있었다[17]. G. M. Whitesides 연구팀은 소 프트 자성 액츄에이터에 회전하는 자기장을 인가하여, 자 기장의 각속도에 따라 소프트 자성 액츄에이터들이 서로 다른 자기조립 형상을 만들어낼 수 있음을 보였다(Fig. 2(a-ii)). 연구팀은 용액과 대기의 계면에 위치한 디스크 (Disk) 형상의 소프트 자성 액츄에이터에 가하는 외부 자 기장의 각속도를 조절하여, 소프트 자성 액츄에이터의 회 전 속도가 달라지게 되면 소프트 자성 액츄에이터가 형성 하는 유체 반발력(Hydrodynamic Repulsion) 또한 달라지 는 것을 이용하여 서로 다른 자기조립 형상을 만들어 내 었다[26].
2.2. 그리퍼를 포함한 사물 정밀 제어 로봇으로의 활용
소프트 자성 액츄에이터는 작은 크기 뿐만 아니라 무선 제어가 가능하다는 장점을 이용하여 객체를 원하는 위치 내지는 방향으로 배열할 수 있는 사물 제어 로봇의 형태 로도 활용 되고 있다. 이러한 사물 제어 로봇형 소프트 자 성 액츄에이터는 객체를 밀어서 옮기는 방식부터[8] 물체 를 감싸거나[13] 집어서 옮기는 방식까지 다양한 방식을 이용한다. 이들은 옮기고자 하는 대상에 따라 다양한 크기 와 형태로 제작이 가능하며, 수 마이크로미터 및 1도 이하 의 정밀한 제어가 가능함도 보고되고 있다[16]. U. Demirci 연구팀은 유연 고분자 소재나 세포가 포함된 하이드로겔 로 만들어진 다양한 모양의 블럭들을 소프트 자성 액츄에 이터를 이용하여 여러 패턴으로 이동 및 배열시키는 활용 법을 보였다(Fig. 2(b-i)). 연구팀은 단일한 모양 뿐만 아니 라 원이나 사각형부터 테트리스 형태까지 다양한 모양의 블록들을 배치한 뒤, 자기장으로 소프트 자성 액츄에이터 를 조종하여 해당 블록들을 재배치 함으로써 여러 형태로 배열을 만들어냈다, 또한, 별도로 주어진 경사로와 같은 기능형 블럭을 이용하여 다른 블럭들을 2층으로 쌓기도 하였다[8]. G.-Z. Yang 연구팀은 얇은 필름 형태의 플로팅 그리퍼(Floating Gripper)를 이용하여 2차원 소자의 위치를 제어, 얇은 섬유에 부착함으로써 기능성 섬유를 제작하는 정밀 습식 전사법(Wet Transfer)을 제시하였다. 이들은 물 과 대기의 계면에 떠있는 소프트 자성 액츄에이터를 그리 퍼로 활용하여 박막 형태의 전자회로 패턴의 위치와 각도 를 조절함으로써 원하는 형상으로 얇은 섬유에 전사하는 방식으로 섬유에 기능성을 부여하였다(Fig. 2(b-ii)). 양단 에 위치한 두 개의 플로팅 그리퍼는 영구자석의 이동이나 회전에 맞추어 위치를 이동하고 회전할 수 있으며, 동시에 영구자석과의 거리에 따라 서로 간의 간격이 좁혀졌다 멀 어졌다 하며 집고 놓는 모션이 가능하다. 연구팀은 이러한 방식을 이용하여 수백 마이크로미터 수준의 직경을 갖는 섬유 위에도 전자회로 패턴을 정밀하게 습식 전사 가능함 을 보였다[16]. M. Sitti 연구팀은 소프트 자성 액츄에이터 를 이용하여 가해주는 자기장에 따라 물체를 집거나 놓을 수 있는 집개 형상의 그리퍼(Gripper)를 제작하였다(Fig. 2(b-iii)). 이들은 그리퍼 양쪽의 집는 부분에 같은 종류의 자성 분말를 넣은 그리퍼와 서로 다른 자성 분말를 넣은 그리퍼를 이용하여, 서로 다른 방식으로 작동하는 그리퍼 의 제작이 가능함을 보여주었다. 단일 종류의 자성 분말를 이용한 그리퍼의 경우 서로 반대 방향으로 배열된 자성 분말에 수직된 방향으로 자기장을 걸어줌으로써 자성 분 말이 자기장에 반응하여 그리퍼가 변형되는 모양을 이용 하여 집고 놓는 모션을 제어하는 방식으로 작동한다. 반면 에, 서로 다른 보자력을 가진 두 가지 입자를 각각 이용하 여 그리퍼의 집는 부분을 다르게 제작한 경우에는, 두 자 성 분말의 보자력 중간 범위의 세기를 가지는 자기장을 걸어주었을 때 보자력이 약한 자성 분말의 자화 방향만 바뀌는 것을 이용하여 집고 놓는 모션을 제어하는 방식으 로 작동한다[22].
2.3. 3차원 형상 변화 로봇으로의 활용
앞서 제시된 예시들과 같이 다수의 소프트 자성 액츄에 이터들은 얇은 틀을 이용한 캐스팅 기반의 몰딩이나 빛의 조사를 이용한 포토리소그라피와 같은 제작공정의 특성으 로 인하여 그 형태가 점이나 끈, 필름, 또는 판과 같이 몇 가지로 제한적이었다. 이 뿐만 아니라 기존의 제작 방식으 로는 복잡한 형태의 자성 분말 배열을 갖는 소프트 자성 액츄에이터의 제작이 어렵기 때문에, 이들의 구조 변형 또 한 굽힘 위주의 변형에 국한되어 복잡한 형상 변화를 구 현하기가 어려웠다. 이러한 소프트 자성 액츄에이터의 한 계를 극복하기 위하여 자성 분말 배열을 재프로그래밍 할 수 있는 형태로 제작하거나[15] 3D프린팅 기술을 도입하 여 종이접기(Origami)나 텐세그리티(Tensegrity)와 같은 메 타물질(Metamaterial) 구조를 활용하는 등의 방식이[24, 25] 고안되고 있다. J. Kim 연구팀은 유연 고분자 소재에 자성 분말과 온도 반응성 상변화 고분자를 이용하여 제작 한 자성 분말 혼합물 형태로 섞어줌으로써, 60도 내외의 낮은 온도에서 자성 분말의 배열의 재프로그래밍이 가능 한 소프트 자성 액츄에이터를 제작하였다. 이렇게 만들어 진 소프트 자성 액츄에이터는 국소적인 부분에 열을 가해 주어 해당 부분의 자성 분말 배열만을 변화시킬 수 있기 때문에, 복잡한 형태의 자성 분말 배열을 가지는 소프트 자성 액츄에이터의 제작이 가능할 뿐 아니라 몇 번이고 원하는 형태로 자성 분말의 재배열이 가능하다. 연구팀은 이와 같은 재프로그래밍 가능한 소프트 자성 액츄에이터 를 이용하여 하나의 액츄에이터로도 다양하고 복잡한 형 태의 형상 변화가 가능함을 보였다(Fig. 2(c-i)). E. Diller 연구팀은 DLP(Digital Light Processing) 방식의 3D 프린 팅 기법을 응용하여 서로 다른 방향의 자성 분말 패턴을 갖는 2차원 기반의 소프트 자성 액츄에이터를 제작하였다. 이들은 자성 분말이 섞인 광경화성 유연 고분자 소재에 영구 자석을 이용하여 자기장을 인가함으로써 특정 위치 의 자성 분말 배열을 바꾸어 줌과 동시에 해당 위치에 자 외선을 조사하여 자성 분말 배열을 고정시키는 방식을 반 복하였다. 이러한 방식으로 제작된 다양한 형태의 소프트 자성 액츄에이터는 각 부분별로 서로 다른 자성 분말 배 열을 가지고 있어 동일한 자기장 내에서 서로 다른 구조 변형을 보여주게 되는데, 이를 이용하여 다양한 3차원 형 상 변화를 만들어 내었다. X. Zhao 연구팀은 소프트 자성 액츄에이터의 제작에 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린팅 기술을 접목시킴으로써 2차원 뿐만 아 니라 3차원 형태의 소프트 자성 액츄에이터들을 제작하였 다. 이들은 3D 프린터의 사출부(Nozzle)에 자석을 장착하 여 프린팅과 동시에 자성 배열의 프로그래밍이 가능하게 함으로써, 다양한 자성 분말 배열을 가지는 소프트 자성 액츄에이터의 제작을 가능하게 하였다. 이러한 3D 프린팅 을 이용한 소프트 자성 액츄에이터 제작 방식은 환형 구 조부터 종이접기 구조까지 2차원 기반의 평면 구조들 뿐 만 아니라, 연결된 육각기둥과 같이 3차원 기반의 입체 구 조까지 제작 가능한 구조의 범주를 확장시켰으며, 더욱 복 잡한 형태의 3차원 형상 변화를 가능하게 하였다(Fig. 2(cii)). J. Kim 연구팀은 3D 프린팅 기술과 희생틀 기술을 융 합하여 텐세그리티(Tensegrity) 구조의 소프트 자성 액츄 에이터를 제작하였다[25]. 이들은 3D 프린터에 사용 가능 한 수용성 PVA(Poly-vinyl Alcohol) 필라멘트를 이용하여 텐세그리티 구조가 내장된 희생틀(Sacrificial Mold)을 제 작한 뒤, 여기에 유연 소재-자성 분말 혼합물을 주입 후 희생틀을 제거하는 방식으로 텐세그리티 구조의 소프트 자성 액츄에이터를 제작하였다. 이렇게 제작된 소프트 자 성 액츄에이터는 다양한 크기 및 구조로 제작이 가능할 뿐만 아니라, 각각을 모듈로 이용하여 더욱 크고 복잡한 구조의 제작이 가능하다는 장점이 있다. 연구팀은 더 나아 가, 텐세그리티 구조의 구조 인자를 조절함에 따라 액츄에 이터의 구조적 특징이 달라짐을 이용하여 더욱 복잡한 구 조 변화가 가능한 소프트 자성 액츄에이터의 제작이 가능 함을 보여주었다.
2.4. 복합 이동 방식의 로봇으로의 활용
소프트 자성 액츄에이터는 구조 변형을 응용하여 다양 한 이동 방식을 이용할 수 있다. 이러한 복합 이동 방식을 보여주는 소프트 자성 액츄에이터들은 대게 특정한 움직 임을 만들어낼 수 있는 구조로 변형되도록 자성 분말를 계획적으로 배열하거나, 자기장을 정밀하게 조작하는 방 식으로 제어된다. B. J. Nelson 연구팀은 미생물의 섬모운 동을 모사한 소프트 자성 액츄에이터를 개발하였다. 이들 은 자기장 하에서 나선 구조로 변형되는 소프트 자성 액 츄에이터를 원통형의 몸체에 부착하여 미생물의 섬모와 같이 이용하였다(Fig. 2(d-i)). 이러한 형상의 소프트 자성 액츄에이터는 회전하는 자기장이 가해졌을 때 자기장의 회전축 방향으로 마치 섬모운동을 하듯 헤엄쳐 움직이게 된다[11]. X. Zhao 연구팀은 긴 연속체 형상의 소프트 자 성 액츄에이터를 이용하여 관 속을 관찰하는 내시경과 같 은 움직임을 모사하였다. 이들은 실처럼 길게 뽑은 연속체 형상의 소프트 자성 액츄에이터에 하이드로겔을 코팅하여 미끄러운 표면을 만들어 주었다. 이렇게 제작된 소프트 자 성 액츄에이터는 선두 부분에 자기장을 인가하게 되면 자 기장의 방향에 따라 변형되어 가리키는 방향을 제어할 수 있다. 연구진은 이를 이용하여 혈관처럼 복잡한 형태로 꼬 인 관 내부에서 원하는 방향으로 이동 경로를 바꾸어 가 며 길을 찾아가는 소프트 자성 액츄에이터의 활용을 보였 다[24]. R. Zhao 연구팀은 특정 단위 공간인 복셀(Voxel) 형식으로 DIW(Direct Ink Writing) 방식의 3D 프린팅 기 술을 응용하여 각 복셀마다 서로 다른 자성 분말 배열을 가지는 소프트 자성 액츄에이터를 제작하였다. 이렇게 제 작된 소프트 자성 액츄에이터는 행과 층으로 구획을 나누 어 각 복셀을 구분할 수 있는데, 같은 행에 위치하는 층들 에 동일한 자성 분말 배열을 갖는 복셀이 얼마나 존재하 는지에 따라서 그 행의 자화도가 달라지게 된다. 연구팀은 이러한 특징을 이용하여 각 행들이 서로 다른 자화도를 갖게 하여 자기장에 의한 반응 정도가 달라지도록 소프트 자성 액츄에이터를 프로그래밍 하였다. 이와 같은 방식으 로 자화도의 조절이 가능한 소프트 자성 액츄에이터는 양 끝단의 마찰력이 다르게 작용할 수 있도록 프로그래밍 되 어 애벌레가 기어가는 모습 등 다양한 이동 방식을 보였 다[29]. M. Sitti 연구팀은 수 mm 크기의 직사각 판형 소 프트 자성 액츄에이터를 제작하였다. 이 액츄에이터는 자 성 분말들이 중심을 기준으로 회전하는 형태로 배열되도 록 프로그래밍 되었으며, 이에 따라 외부 자기장의 방향 및 세기에 따라 서로 다른 구조 변형 양상을 보였다. 연구 팀은 액츄에이터에 가해지는 자기장의 방향과 세기를 세밀 하게 조절하여 단일 액츄에이터를 이용하여 여러가지 이동 방식을 만들어 냈다(Fig. 2(d-ii)). 이들은 헤엄(Swimming), 메니스커스 등반(Meniscus Climbing), 착지(Landing), 입수 (Immersion), 구르기(Rolling), 걷기(Walking), 기기(Crawling), 그리고 점프(Jump)까지 소프트 자성 액츄에이터가 만들어 낼 수 있는 다양한 이동 방식을 상황에 맞게 이용하여 다 양한 환경으로 이루어진 지형지물을 헤쳐 나가도록 조종 했다. 더 나아가 소프트 자성 액츄에이터의 여러 움직임들 과 작고 가벼운 구조를 이용하면 신체 장기 내부를 이동하 고 물체를 옮기는 등의 임무를 수행할 수 있음을 보였다.
3. 자성 분말 기반 소프트 자성 센서의 연구 동향
앞에서 언급한 바와 같이 웨어러블 기술, 소프트 로봇 및 인간-로봇(Human-Robot Interaction,HRI) 에 대한 관심 이 증가하면서 소프트 시스템에 내장할 수 있는 구성 부 품에 대한 관심이 높아졌다. 이에 따라 소프트 시스템에 탑재할 수 있는 센서에 대한 연구도 다양하게 진행되어 보고되고 있다. 자기장의 크기와 방향, 또는 특정 지점에 서의 자기장 변화를 측정하여 이를 전기 신호로 변환하는 자기 센서(Magnetic Sensor)도 예외는 아니었기에, 자기 센서의 신축성과 유연성을 향상시키고자 하는 많은 연구 들이 진행되었다. 그 결과 스마트 자성 소재를 제작하듯이 고분자 몸체가 되는 유연한 고분자 소재와 자기 반응성을 갖는 자성 분말를 혼합하여 제작한 소프트 자성 센서(Soft Magnetic Sensor) 연구들이 보고되고 있다[30-38]. 이러한 소프트 자성 센서는 기존 자기 센서의 목적인 자기장 변 화를 감지하고 측정하여 전기 신호로 변환하는 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라 소재 특성상 유연성이 높아 형태 변 형이 일어나기 유리하기 때문에 웨어러블 디바이스에 활 용이 용이하다는 장점을 보였다. 본 리뷰 논문에서는 외부 압력을 인가했을 때 센서의 형태가 변형되고 그로 인해 발생되는 자기 선속 변화를 이용한 촉각 센서(Tactile Sensor)로써의 소프트 자성 센서 활용 예시를 몇 가지 소 개하고자 한다.
페러데이의 전자기 유도 법칙(Faraday’s Electromagnetic Induction)은 자기 선속의 변화가 기전력을 발생시킨다는 법칙으로 자기 센서의 대표적인 센싱 원리 중 하나이며, 소프트 자성 센서 제작에도 널리 활용되고 있다. C.P. Wong 연구팀은 유연 고분자 소재와 자성 분말 혼합물을 활용하여 자화 미세 바늘(Magnetized Microneedle-array, MA)기반의 유연한 마찰전기-전자기 하이브리드 발전기 (Triboelectric-electromagnetic Hybrid Generator, TENG) 개 발을 통해 인간의 움직임을 감지 할 수 있는 소프트 자성 센서를 제작하였다(Fig. 3(a)). 이렇게 제작한 소프트 자성 센서에 외부 압력이 인가되면, 자화 미세 바늘이 점차 구 부러지면서 마찰 접촉이 증가되어 정전 효과에 영향을 주 었으며, 자기장 회전이 발생하여 자기 선속 변화가 생겼기 때문에 전자기 유도 효과에 영향을 주었다(Fig. 3(a-i)). 해 당 센서는 단단하고 무거운 몸체와 영구 자석 대신에 유 연 고분자 소재와 자성 입자로 이루어져 있기 때문에 가 볍고 유연하여 사람의 신체에 부착하기 용이하였다. 이에 연구팀은 가볍고 유연하며 센싱 원리가 간단하다는 장점 을 바탕으로 해당 센서를 사람의 신체에 부착하여 걷거나 뛰는 움직임 및 팔의 회전 등을 감지하고 모니터링 하는 활용 예시를 보여주며, 웨어러블 디바이스로 사용될 수 있 는 가능성을 보였다(Fig. 3(a-ii))[30]. B. Su 연구팀은 전도 성 코일(Conductive Wire)을 고정해둔 3D 프린터로 출력 해둔 몰드에 유연 고분자 소재와 자성 분말을 혼합한 혼 합물을 주입하여 열경화 시킨 뒤, 수직 방향으로 자화시켜 소프트 자성 센서를 제작하였다(Fig. 3(b)). 이렇게 만들어 진 자성 소프트 센서는 외부 압력을 인가하면 센서 내 코 일에서 자기 선속이 변하기 때문에 전자기 유도 원리에 의해 유도기전력이 생성되고, 이를 측정하여 외부 압력을 감지하는 것이다(Fig. 3(b-i)). 해당 연구팀은 나선의 감은 횟수, 고분자 소재 대비 자성 분말의 농도, 센서에 가하는 외부 압력의 수직 및 수평 방향 등 다양한 변수에 따라 변 하는 센서의 출력값을 비교하며 센서의 성능에 영향을 미 칠 수 있는 요소들에 대하여 분석하였다. 나아가, 연구팀 은 현재 주차 시스템이 주차 공간을 찾는데 낭비되는 시 간이 있다는 점을 지적하며, 해당 센서를 활용한 스마트 주차 시스템을 제안하며 센서의 활용 가능성을 보였다 (Fig. 3(b-ii))[31].
Applications of soft magnetic sensors. (a) Microneedle-array based triboelectric-electromagnetic hybrid sensor [30]. (b) Magnetoelectric soft self-powered 3D tactile sensor [31]. (c) Skin-inspired high sensitivity soft magnetic sensor [32]. (d) Soft magnetic skin tactile sensor with hall sensor [33].
R.-W. Li 연구팀은 유연 고분자 소재와 자성 분말 혼합 물을 활용한 고감도 소프트 자성 센서를 제작하였다(Fig. 3(c)). 해당 센서는 고분자 소재와 자성 분말을 활용한다는 점에서 앞서 소개한 센서들과 공통점이 있지만, 외부 압력 의 센싱 원리가 거대 자기임피던스(Giant Magneto Impedance, GMI) 효과라는 점에서 차이가 있다. GMI 효과란 외부 자기장에 따라 임피던스가 변하는 자기 임피던스 (Magneto-Impedance,MI) 효과 중 그 변화값이 50% 이상 일 때를 의미한다. 해당 센서는 유연 고분자 소재와 자성 분말을 혼합하여 제작한 자성막이 최상층에 독립적으로 위치해있고, 중간층에는 공극이, 최하층에는 최하층에는 자기 선속 변화를 감지할 수 있는 센싱 요소(sensing element)가 위치해있다. 고감도 소프트 자성 센서에 압력 이 가해지면, 최상층의 자성막이 압축되면서 최하층의 센 싱 요소를 투과하는 자기 선속이 증가하게 된다. 최하층의 센싱 요소는 전도성 코일과 GMI 물질로 이루어져 있기 때문에 자기 선속 변화에 따라 GMI 물질의 임피던스 값 이 변하고, 이 변화값을 측정하여 센서에 가해진 외부 압 력을 감지하는 것이다(Fig. 3(c-i)). 촉각 센서의 민감도는 상대적 임피던스 변화량에 비례하는데, 고감도 소프트 자 성 센서는 자기 임피던스 변화량이 큰 GMI 물질을 사용 하기 때문에 민감도가 상당히 높고, 중간층의 공극으로 인 해 고분자 자성막의 변형이 수월해져 0 .3 P a의 압력도 감 지할 수 있는 낮은 검출 한계점을 가지고 있다(Table 2., Fig. 3(c-ii)). 해당 센서는 높은 민감도와 낮은 검출 한계 점을 가지고 있다는 점을 기반으로 센서를 인공 사지에 활용하여 인간의 사지를 대신할 수 있는 가능성을 보였다 (Fig. 3(c-iii))[32].
Composition and summarized sensing performances of soft magnetic sensors
나아가, 외부 압력 인가에 따른 자기 선속 변화를 홀 센 서 등 추가 센서로 감지하는 소프트 자성 센서 연구도 보 고되고 있다[33, 34]. Y. Shen 연구팀이 제안한 자성 분말, 유연 고분자 소재와 홀 센서를 활용해 인간 피부의 다층 구조를 모방한 촉각 센서가 대표적인 예시이다. 해당 센서 는 외부 압력의 크기를 감지할 수 있을 뿐만 아니라, 압축 력(normal force)과 전단력(shear force) 등 방향을 구분하 여 측정할 수 있는 힘의 자가 분리(force self-decoupling) 를 가능하게 하였다는 점에서 의의를 가졌다(Table 2). 연 구팀은 자성 분말과 유연 고분자 소재를 혼합하여 제작한 자성 필름의 최상층, 더 낮은 탄성 계수를 갖는 유연 고분 자 소재 필름의 중간층, 홀 센서가 탑재된 PCB 보드가 있 는 최하층으로 구성된 소프트 자성 센서를 제작하였다 (Fig. 3(d)). 이 때, 최상층은 자성 분말과 유연 고분자 소 재 혼합하여 제작한 뒤, 강한 회전 자기장을 인가하여 사 인파(Sine Wave) 형태의 자화 패턴을 가진 자성 필름으로 제작하였다. 이렇게 제작된 소프트 자성 센서에 외부 압력 을 인가하면, 센서의 형태가 변형될 때 자기장 회전 각도 와 자성 필름과 홀 센서 사이의 거리가 변형되는데, 이를 홀 센서가 감지하는 것이다. 사인파 형태의 패턴으로 형성 된 자기장은 센서에 압축력이 가해지면 자기장의 회전 각 도가 변하고, 전단력이 가해질 때에는 자성 필름과 홀 센 서 사이의 거리가 변한다는 점을 통해 전단력과 압축력을 구분 및 측정이 가능하다(Fig. 3(d-i)).연구팀은 여기서 멈 추지 않고 기계 학습을 사용하여 기존 촉각 센서에 비해 센싱 해상도를 향상시켰으며, 가해지는 외부 힘의 종류 및 크기를 감지할 수 있다는 점을 활용하여 그리퍼에 해당 센서를 부착하여 계란을 잡거나, 물병의 무게 변화를 감지 하고 즉각적인 피드백을 보여주는 등 다양한 활용 예시를 보였다(Fig. 3(d-ii))[33].
4. 맺음말
앞서 언급한 바와 같이 웨어러블 디바이스, 소프트 로봇 및 인간-로봇(Human-Robot Interaction, HRI)에 대한 관심 이 증가하면서 소프트 시스템에 탑재할 수 있는 구성 부 품 제작 방법이 주목 받고 있다. 본 리뷰 논문에서는 이러 한 관심 속에서 현재 각광받고 있는 스마트 자성 소재들 을 소개하였으며, 이를 활용한 소프트 액츄에이터 및 센서 를 소개하고 이들의 최신 연구동향에 대해 알아보았다. 여 전히 소프트 자성 액츄에이터가 보일 수 있는 구조 변화 및 모션에는 제약이 있으며, 소프트 자성 센서의 센싱 해 상도에도 한계가 있다. 하지만, 현재 사용하고 있는 물질 및 제작 방법에서만 국한되지 않고 새로운 자기 특성을 가지는 자성 분말 개발 및 액츄에이터 및 센서 제작 방법 향상을 위한 노력이 거듭된다면 웨어러블 디바이스, 소프 트 로봇, 체내 삽입형 의료 기기 등 다양한 분야로의 응용 이 가능할 것으로 기대된다.
5. 감사의 글
본 연구는 한국분말야금학회 고성능 고부가가치 미래자 성소재연구회 사업, 한국재료연구원 일반사업(PNK7630), 울산과학기술원의 미래선도형 특성화사업(1.210035.01), 그리고 정부의 재원으로 한국연구재단의 기초연구실지원 사업(2021R1A4A3033149), 중견연구자지원사업(2020R1 A2C2102842), 해외우수연구기관유치사업(2017K1A4A301 5437), 기초연구사업(2021R1A6A3A13040034)의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.
