지난달 19일, 우리 학교 기계공학부(학부장 황성호) 최혁렬 교수는 지능로봇 관련 학술대회 IEEE ICRA에서 새로운 소재를 이용한 센서 개발에 관한 논문으로 최우수 논문상을 받았다. 매년 미국 전기 및 전자공학회(IEEE)가 주최하고 있는 IEEE ICRA는 지능로봇 관련 최고의 권위를 자랑한다. 올해 IEEE ICRA에는 이천 사백여 편의 논문이 제출됐고, 최 교수는 그 중 HRI(Human-Robot Interaction)분야에서 최우수 논문상을 받았다. 본 학술대회에서 최우수 논문상을 받은 것은 국내에서 최 교수가 최초이다.
최 교수의 논문은 접근 및 촉각 겸용 센서의 개발에 관한 내용으로, 해당 기술은 로봇의 실용화 및 상용화에 필수적인 기술로 주목받고 있다. 현재까지 지속적인 로봇의 개발에도 불구하고 로봇과 인간 사이의 물리적, 정신적 거리는 가까워지지 못했다. 이는 인간과 로봇의 충돌 위험성과 로봇 부품의 높은 비용으로부터 비롯됐다. 그러나 이번 연구를 통해 개발된 센서는 인간과 로봇 간의 상호작용을 보다 긴밀하게 만들어 로봇과 인간의 충돌 위험성을 줄이고, 저렴한 가격과 제작의 용이성으로 로봇의 상용화에 이바지할 것이라는 예측이다.
기존에 개발된 센서들은 근접하는 물체를 감지하는 형태와 물체의 직접적인 접촉을 감지하는 형태 두 가지로 분리되어 있었다. 하지만 최 교수의 센서는 한 가지의 센서로 접근과 접촉에 대한 감지가 모두 가능한 형태로, 획기적인 기술로 평가받고 있다. 이 센서는 약 20cm 이상의 거리에서 접근하는 물체까지 감지할 수 있으며 접촉에 대한 감지는 센서에 물체가 접촉할 시 피부 센서와 같이 압력을 측정해 이루어진다. 단순히 두 가지의 기능을 합친 형태가 아니라 이 센서는 하나의 기능에서도 탁월함을 보인다. 기존에 있던 접촉 센서의 경우 견고하지 못해 충돌이 발생하면 금방 손상되어 안정성이 문제가 됐는데, 이번 연구를 통해 개발된 센서는 안정성의 면에서도 탁월하다. 이 센서는 크게 감지를 위한 *전극 층과 *유전체 층 두 파트로 구성되어 있는데, 유전체 층이 전극 층을 덮고 있어 외부 자극에 대한 내구성이 뛰어나다. 접근하는 물체를 감지할 때도 기존 센서보다 민감하게 반응한다. 또한 외부에 덮개를 씌우는 등 센서와 물체 사이에 장애물이 있어도 접근하는 물체를 똑같이 감지할 수 있다. 로봇에 장착하기 매우 간편하다는 장점도 있다. 이 센서는 탈부착이 가능한 패치 형태로 되어 있기 때문에 감지가 필요한 부위에 부착한 뒤 로봇 본체와 회로만 연결하면 원하는 형태로 이용 가능하다. 제작 공정도 매우 간단하여 1시간 이내에 제작이 가능하다. 최 교수는 “실용화와 상용화를 목적으로 만들어졌기 때문에 지금 개발된 형태로 바로 상용화가 가능하다”고 말했다.
전극 층과 유전 층으로 구분되어 있는 센서 구조.
Ⓒ최혁렬 교수 제공
이번 연구에서 개발된 센서가 기존의 센서와 다른 점을 갖는 이유는 소재에서 비롯된다. 최 교수는 센서 개발을 위해 CMC(Carbon Microcoils) 소재를 사용하였다. CMC는 전도성이 있는 탄소소재이기 때문에 전기ㆍ화학적 특성을 가지고 있다. 또한 구조적 특이성으로 인해 기계적 특성인 탄력성도 가지고 있다. 기존의 접촉 센서의 경우 대부분이 물렁물렁한 고분자 소재로 이루어져 있는데, 내구성이 약해서 금방 손상이 왔다. 반면에, 이 센서는 실리콘과 함께 CMC소재가 접촉을 직접적으로 받는 유전체 층을 이루고 있는데, 강한 탄력성을 바탕으로 보다 안정적인 작동이 가능하다. 또한, 일반적으로 물체의 접근을 감지할 때 센서 내부에 흐르는 전류의 변화를 통해 알아내는데, 보통 이는 매우 미약하여 감지가 어렵다. CMC는 전기적 특성을 바탕으로 변화를 증폭시켜 감지를 용이하게 만든다. 최 교수는 이와 같은 CMC가 갖고 있는 소재의 특이성을 이용하여 보다 민감한 접근 센서로 구현해냈다.
연구는 국내에서 최초로 CMC를 개발한 주식회사 ‘창성’의 고민과 함께 시작됐다. 창성은 개발한 CMC의 적용방향에 대해 고민을 하다가 최 교수에게 손을 내밀었고, 최 교수와 창성은 함께 전문소재 기술개발 사업과 관련된 국가과제를 수행하며 지원을 받아 3년간 연구를 진행한 끝에 센서를 개발하게 됐다. 만들어진 지 오래되지 않은 소재를 다루다 보니, 관련된 연구가 많지 않아 연구 초창기에 어려움을 겪었다. 소재의 특성을 파악하고 이를 센서에 적용하는 데 시간이 오래 걸렸다고 최 교수는 말한다. 또한 단순히 CMC를 이용한 센서를 만들어 내는 것에 그치는 것이 아니라, 상용화와 실용화가 가능한 수준까지 센서를 만들어내는 것이 목표였기에 개발까지는 더욱 오랜 시간이 걸렸다.
Ⓒ최혁렬 교수 제공
최 교수는 LG 산업체의 연구원으로 일했던 경험이 이번 연구에 많은 도움이 됐다고 말했다. 그는 “산업체의 연구원으로 일하며 결과물을 만들어 내는 데 필요한 일이 무엇인지, 상용화와 실용화를 위해 뭘 해야 할지 알 수 있게 됐다”고 말했다. 순수과학이 아닌 기계공학을 연구하는 교수로서 산업체에서 일한 경험은 최 교수가 상용화와 실용화를 밑바탕으로 한 연구를 진행하는 데 밑거름이 됐다.
최 교수는 현재 200편 이상의 학술 논문을 발표하였고, 110건 이상의 특허출원 및 등록을 보유하는 등 지능형 로봇 기술 핵심 요소 개발 및 실용화에 지속적으로 공헌해 오고 있다. 특히나 그는 국내 로봇산업에서 취약한 로봇 부품 개발에 주력하고 있다. 이에는 로봇연구에서 장벽으로 작용하는 각종 부품의 높은 비용을 낮추고자 하는 그의 가치관이 담겨있다. 최 교수는 “로봇을 만드는 사람들이 편한 환경에서 작업할 수 있도록 부품의 가격에 대한 부담감을 낮추고 싶다”며 “로봇도 이제는 쉬워져야 한다”고 향후 연구 방향에 대해 밝혔다.
기사 도우미◇전극=전류를 유입 또는 유출하는 곳으로, 회로와 연결되어 있어 감지한 정보 전달이 이루어지는 곳이다.◇유전체=전기적 유도 작용을 일으키는 물질이다. |