기계연, 초상자성 나노입자로 3축 자기 센서 개발

한국기계연구원이 초상자성 나노입자를 이용해 x·y·z 세 방향의 자기장을 측정하는 평면형 센서를 개발했다. 센서 표면에 수직으로 들어오는 자기장을 평면 방향으로 유도해 감지하는 방식이다.


기계연은 AI로봇연구소 바이오기계연구실 오선종 책임연구원 연구팀이 대구경북과학기술원(DGIST) 김철기 교수 연구팀과 함께 초상자성 나노입자 기반 플럭스 가이드를 적용한 센서를 개발했다고 밝혔다. 기계연은 이 방식의 3축 평면 자기 센서 구현이 세계 최초라고 설명했다.

수직 자기장을 평면 센서에서 측정
연구팀은 평면 홀 자기저항(PHMR) 소자 위에 초상자성 나노입자로 만든 플럭스 가이드를 잉크젯 방식으로 인쇄했다. 플럭스 가이드는 센서 표면에 수직으로 들어오는 자기장을 평면 방향으로 유도한다. 이를 통해 평면 소자에서 x·y축뿐 아니라 z축 자기장도 측정할 수 있도록 했다.


기존 강자성 소재 기반 플럭스 가이드는 외부 자기장이 사라진 뒤에도 자성이 남는 자기 이력 현상 때문에 별도의 리셋 장치가 필요했다. 연구팀은 잔류 자성이 작은 초상자성 나노입자를 적용해 리셋 회로 없이 반복 측정하는 구조를 구현했다. 나노입자를 소자 위에 직접 인쇄해 플럭스 가이드 제작 공정도 단순화했다.

z축 감도 높이고 접촉력 측정으로 확장
연구팀은 나노입자가 굳는 동안 외부 자기장을 가해 입자를 수직으로 정렬했다. 논문에 따르면 정렬한 구조는 입자가 무작위로 분산된 구조보다 z축 자기장 감도가 약 3배 높았고, 자기장 방향 변환 비율은 40%에 이르렀다. 다만 입자를 정렬한 구조에서는 작은 자기 이력이 측정됐다.


논문에서는 감지 소자 4개를 동시에 구동하는 조건의 소비전력을 약 16mW로 추산했다. 연구팀은 센서 위에 영구자석을 넣은 탄성체를 결합해 누르는 힘과 옆으로 미는 힘을 구분해 측정하는 다축 촉각 센서도 구현했다. 로봇 손과 웨어러블 기기 등에 적용할 수 있는지 추가 개발이 필요한 단계다.

오선종 책임연구원은 “초상자성 나노입자를 활용해 기존 3축 자기 센서의 자기 이력 문제를 해결하고, 간단한 프린팅 공정으로 초소형·저전력 센서를 구현했다는 데 의미가 있다”고 말했다.