압전 필름 센서 및 경사계는 민감한 제어 기능을 제공합니다

로봇 애플리케이션에서, 압전 필름 센서를 사용하면 로봇이 인간과 유사한 손 동작의 민첩성을 가지게 되고, 민감한 촉각 피드백은 매우 중요합니다. 로봇은 물체를 잡을 때 압력 변화를 감지하고, 그립 힘 출력을 효과적으로 제어하며, 제어 능력을 향상시키기 위해 경사계를 통합할 수 있어야 합니다. 이는 로봇 개발의 중요한 단계에 해당합니다. 압전 필름 센서는 민감한 압력 감지 기능을 제공하며 경사계와 결합할 경우 로봇의 촉각 응용 제어에 새로운 가능성을 열어줍니다. 이 글에서는 압전 필름 센서와 경사계의 기술 개발 및 응용뿐만 아니라 Murata가 제공하는 솔루션을 소개할 것입니다.

더 친환경적이고 높은 민감도를 가진 압전 필름 재료

압전 필름은 폴리락틱 애시드(Polylactic Acid, PLA)로 불리는 재료로 만들어지며, 이는 강도와 성형 가능성이 기존 석유 유래 플라스틱과 비슷한 "생분해성 고분자"의 일종입니다. PLA는 1995년경부터 주목받기 시작했으며 현재 환경 친화적인 고분자로 널리 알려져 있습니다. PLA의 젖산(lactic acid)은 식물에서 추출한 전분으로부터 젖산 박테리아의 젖산 발효를 통해 생성됩니다. 전분은 식물의 광합성을 통해 유래되며, 제조 과정에서 사용되는 에너지를 제외하고 제조, 폐기 및 분해까지의 전 과정에서 탄소 중립적인 재료가 사용되므로 대기 중 CO₂를 추가하지 않습니다.   PLA는 기타 생분해성 고분자에서는 찾아보기 힘든 높은 투명도를 가지고 있으며, 이는 아크릴의 투과율인 93% 이상의 빛 투과율을 가지고 있습니다. PLA는 슈퍼마켓에서 볼 수 있는 계란 판이나 토마토 박스 같은 일상적인 제품에 흔히 사용됩니다. 일반적으로 PLA는 저비용의 식물 기반 고분자로 환경 친화적인 목적에 사용되지만, 압전 특성으로 독특한 특징을 제공합니다.   PLA의 압전 상수(압전 d 상수)는 약 7에서 12 pC/N로, PZT와 같은 재료에 비해 상대적으로 작습니다. 하지만 PLA는 상대적으로 낮은 유전율(약 2.5)을 가지고 있어 비교적 높은 압전 출력 상수(압전 g 상수, g=d/εT) 값을 나타냅니다. 따라서 PLA는 압전 출력 측면에서 높은 민감도를 보입니다. 압전 출력 상수를 비교할 때 PLA는 압전 상수가 PLA보다 4배 큰 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)와 대략적으로 동등하다고 볼 수 있습니다.   PLA로 만든 압전 필름은 압축이나 변형으로 인해 필름 표면의 왜곡(신장, 수축)에 비례하여 분극을 생성합니다. 이 분극은 I/V 변환기를 통해 전압으로 변환되어 아날로그 신호로 출력됩니다. 이를 통해 압전 필름이 경험하는 압력 변화를 감지할 수 있습니다.

고감도 압력 감지를 위한 유연한 박형 압전 필름 센서

무라타(Murata)의 "Picoleaf"는 자사의 독자적인 압전 기술을 사용하여 개발된 유연한 얇은 센서로, 고감도 압력 감지를 위해 설계되었습니다. 기존 센서보다 작고 얇아 설치 공간을 절약하며 조립 성능과 내구성을 향상시킵니다. Picoleaf는 인간-기계 인터페이스(HMI) 감지를 필요로 하는 제품의 기능성, 조립 용이성, 내구성을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 센서로 기능하기 위해 전극이 얇고 매우 유연한 유기 압전 필름에 인쇄되거나 적층됩니다. 이 필름은 양면 테이프를 사용해 장치에 부착할 수 있어 접합 공정을 제거할 수 있습니다.   Picoleaf는 장치 슬림화에 기여하며 디스플레이와 터치 패널과 함께 결합될 때에도 공간 절약이 가능합니다. 높은 민감도로 인해 Picoleaf는 단 하나의 센서만으로도 대형 디스플레이 전체에 걸친 압력을 감지할 수 있습니다. 또한 마이크로미터 범위의 미세한 변위, 비자발적인 근육 떨림, 동작 중 손력 유지, 심박수와 같은 생리 신호를 감지하는 데도 적용될 수 있습니다.   Picoleaf는 비발열 전기적 특성을 가지므로 온도 변화에 의해 분극되지 않아 신체 온도, 햇빛, 반도체 발열 등의 요인으로 인한 감도 변화 및 간섭을 최소화합니다. 추가적으로 Picoleaf는 낮은 전력 소비를 갖췄으며, 센서 장치 자체는 전력을 소모하지 않으며 드라이빙 증폭기의 저전력 전류(약 10μA) 설계가 가능합니다. 유연한 구조로 인해 Picoleaf는 높은 디자인 요구가 있는 장치의 곡면에도 부착할 수 있습니다.   무라타의 독자적인 압전 기술을 활용하여 개발된 Picoleaf는 좁은 공간에서도 장착이 가능합니다. 기존 센서와 비교했을 때 더 얇아졌으며, 조립성과 내구성을 향상시켰습니다. Picoleaf는 감지 회로를 결합하여 압전 필름의 변위 속도에 따라 결과값을 출력합니다. 이러한 출력 특성을 활용하여 Picoleaf는 압력 감지, 그립 감지, 생체 신호 감지와 같은 다양한 센서 응용 분야에서 사용됩니다.   Picoleaf는 압력 감지 응용에서 UI 센서로 사용할 수 있으며 압력 변화를 감지해 활용됩니다. 예를 들어, Picoleaf를 스타일러스에 부착하면 사용자의 손 그립 상태를 모니터링할 수 있습니다. 이는 단순한 터치 이상으로 기능이 확장되어 손 압력을 감지하여 비의도적인 동작을 방지할 수도 있습니다.   또한 Picoleaf는 압전 필름 센서의 높은 민감도를 활용하여 생체 신호 감지 응용에서도 사용할 수 있습니다. 이는 "맥박 및 호흡"과 같은 생체 신호를 감지하는 센서로 활용될 수 있습니다. 이미 여러 학술 논문에서 생분해성 압전 센서를 사용해 인체 표면에서 심박수와 호흡수를 모니터링하는 연구가 발표되었으며, 압전 센서 기반 생체 신호 감지의 정확성이 확인되었습니다.   무라타는 Picoleaf를 다양한 제품 포맷으로 제공하며, 메인 보드에 직접 부착할 수 있는 센서 요소, 배선과 결합된 센서 요소로 센서 배치를 보드에서 분리할 수 있는 제품 등을 포함하고 있습니다. 또한, 부품 장착 배선을 결합한 센서 요소를 제공하여 센서 배치를 보드에서 더욱 분리함으로써 메인 보드에 장착 부품이 없는 디자인을 구현할 수 있습니다.   Picoleaf의 감지 회로는 I/V 변환기와 증폭 회로로 구성됩니다. 압전 필름이 휘어지면(압력 힘 또는 변형으로 인해 늘어나거나 수축) 적용된 휘어짐 정도에 비례하는 분극을 생성합니다. Picoleaf에 의해 생성된 전하는 I/V 변환기를 통해 전압으로 변환될 수 있으며, 아날로그 신호 출력으로 이어집니다. 이 출력 신호는 일반적인 ADC 또는 CPU에 의해 처리되기 위해 필요에 따라 증폭 및 조정될 수 있으며, 센서 정전용량과 기생 정전용량에 영향을 받지 않습니다. 현재는 개별 회로가 권장되지만, 무라타는 신호 처리 기능을 포함하는 Picoleaf 전용 ASIC을 개발 중이며, 2025년부터 사용 가능할 것으로 예상됩니다.

Picoleaf 센서는 뛰어난 변형 감지 능력을 보유하고 있습니다

Picoleaf 센서의 압전 특성은 "변위 방향"과 "변위 속도"를 모두 감지할 수 있도록 합니다. 변위 방향과 관련하여 "산 모양 접힘(mountain-fold)" 변형을 감지할 경우, 변위 방향은 Picoleaf 기준 전압의 양수 측으로 출력되고, "골짜기 모양 접힘(valley-fold)" 변형을 감지할 경우 변위 방향은 음수 측으로 출력됩니다. 변위 방향뿐만 아니라, 변위 속도는 변위 속도에 비례하여 증가하는 피크 전압에 기반하여 계산할 수 있습니다.   추가적으로, Picoleaf 센서의 반전 출력 기능을 활용하여 유저 인터페이스에서 스위치를 전환하는 용도로 푸시 및 해제 동작을 원활하게 적용할 수 있습니다. Picoleaf를 주기적 진동이 발생하는 물체에 장착하면, 이를 감지하여 상태 감지 센서로 활용할 수 있습니다.   Picoleaf의 두께는 단지 0.2mm 또는 그보다 작은 크기로 매우 컴팩트하며, 크기는 2x10mm에 불과합니다. 디스플레이나 터치패널과 결합해도 공간을 절약할 수 있습니다. 또한 높이가 변하는 디자인의 곡면 기기, 특별한 형태(예: 원통형 물체를 감싸는 것 등)에 부착이 가능합니다. Picoleaf는 고감도를 자랑하며, 약 1 마이크론 수준의 변위를 감지할 수 있습니다. 하나의 센서로 대형 디스플레이 전체 표면의 압력을 감지할 수 있고, 떨림, 잡기, 맥박과 같은 무의식적인 근육 움직임도 탐지할 수 있습니다.   Picoleaf는 비열전 특성을 가지고 있어 체온, 햇빛 또는 반도체와 같은 열적 요인에 의해 발생하는 드리프트가 없으므로 노이즈가 최소화됩니다. 그 결과 알고리즘을 더 쉽게 구축할 수 있으며 센서 자체는 전력 소비가 전혀 없고, 구동 증폭기 회로는 저전력으로 설계할 수 있습니다(약 10μA 수준).

Picoleaf는 다양한 압력 감지 응용 분야에 사용될 수 있습니다

Picoleaf의 투명도는 90%를 초과하며, 이를 통해 투명 디스플레이 패널 영역에 설치할 수 있습니다. 터치스크린의 UI 기능을 Picoleaf의 압력 감지 기능과 결합함으로써, 일반적인 터치스크린과는 다른, 인간 행동 원리에 더 기반을 둔 인간-기계 인터페이스(HMI)를 구현할 수 있습니다. 응용 분야에서, 압력 감지를 트리거로 하는 신뢰할 수 있는 입력 UI로 설계할 수 있으며, 변형 감지를 활용해 펜과 같은 입력 장치를 구현하거나 다양한 압력 감지 기능을 적용하여 실제 소프트웨어 키보드 경험을 창출할 수 있습니다.   새로운 웨어러블 개념 구현에 어려움을 겪고 있다면, Picoleaf의 가볍고 얇으며 짧고 유연한 구조를 사용하여 디자인 무결성을 유지하면서 새로운 기능을 추가할 수 있습니다. Picoleaf의 설치 유연성은 제한된 공간이나 곡면과 같은 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다. 좁은 공간 및 곡면에서 압력 감지를 적용해 신뢰할 수 있는 작동성을 갖춘 UI를 만들고, 높은 감도를 활용한 착용 및/또는 그립 감지 기능을 통합하면 웨어러블 장치를 통해 맥박, 호흡과 같은 생체 신호를 감지할 수 있습니다. 현재 Murata의 압전 필름 센서 Picoleaf가 장착된 피트니스 장치가 시장에 이미 출시되어 있습니다.   디자인 시, Picoleaf를 사용하여 로봇 제품에 촉각을 부여할 수도 있습니다. Picoleaf의 고감도 특성을 활용하면 촉각 정보를 활용하는 로봇 산업의 발전에 기여할 수 있습니다. Picoleaf는 로봇 손 끝에 적용되어 부드럽거나 단단한 물체와의 접촉으로 인한 변형을 감지하고, 이에 따라 그립 힘을 조정할 수 있어 로봇 손 한 개로 물체의 연성과 상관없이 다양한 물체를 잡을 수 있습니다. Picoleaf는 원격 제어 로봇에 연결되어 촉각 피드백을 수치화하여 VR 파일럿에게보다 현실적인 환경 정보를 제공합니다. 또한 Picoleaf는 작동 로봇 내부의 배선에 결합되어 배선의 열화와 같은 내부 이상을 감지할 수 있습니다.   스트레인 기반, 정전용량 기반, 가속도계 기반, 기계 소프트웨어 기반 센서와 같은 다른 제품들과 비교했을 때, Picoleaf는 표준 크기가 단 3x17 mm일 뿐만 아니라 두께가 0.25 mm(후면 접착제 0.1 mm)로 매우 얇습니다. 접착 테이프를 사용해 조립할 수 있으며 최대 1μm의 감도와 변형 속도 데이터를 감지할 수 있는 힘 감지 기능을 제공합니다. 회로 설계에서는 일반적인 부품들을 사용할 수 있으며, 4핀 ZIF 커넥터 인터페이스를 지원하고, Vdd의 일반 전압은 3.3V이며, 소비 전력은 10μA 미만이고, 응답 시간은 10ms 미만이며, 곡면 디자인을 지원하여 더 많은 이점을 제공합니다.

고성능 경사계는 열악한 환경의 요구를 충족합니다

Murata에서 선보인 SCL3300 기울기 센서는 고성능 3축 기울기 센서입니다. 크기는 단 7.6×8.6×3.3mm(폭 × 길이 × 높이)이며, 다양한 응용 프로그램 및 요구 사항에 맞춘 네 가지 측정 모드를 제공합니다. 이 센서는 매우 낮은 노이즈를 자랑하며, 최대 0.001°/√Hz의 해상도를 제공합니다. 내부 SPI 디지털 인터페이스, 뛰어난 기계적 감쇠 특성, -40~125°C의 작동 온도 범위를 갖추고 있습니다. 전압 공급이 3.0~3.6V일 때 소비 전류는 단 1.2mA에 불과합니다. 성숙한 3D-MEMS(capacitive) 기술을 활용하여 SCL3300은 뛰어난 성능을 제공하며 견고하고 내구성이 뛰어난 설계에 적합합니다.   SCL3300은 가혹한 환경에서도 높은 안정성을 요구하는 응용 제품에 이상적입니다. 이러한 응용 제품에는 수평 감지, 틸트 보정, 기계 제어, 구조적 상태 모니터링, 관성 측정 장치(IMU), 로봇 공학, 위치/내비게이션 시스템 등이 포함됩니다.   제품 개발 속도를 가속화하기 위해 Murata는 디지털 가속도계/기울기 센서 보드 SCL3300-D01-PCB를 도입했습니다. 이 보드는 ±2.4g 범위의 3축 기울기 센서를 지원하며, MEMS 디지털 기울기 센서 SCL3300 시리즈 칩 캐리어 회로 보드가 장착되어 있습니다. 칩 캐리어 회로 보드의 목적은 신속한 프로토타입 설계를 돕기 위한 것입니다. SCL3300 칩 캐리어 회로 보드에는 센서와 회로 보드 설계가 회로 보드에 납땜되어 있으며, 헤더와 수동 소자가 포함되어 있습니다.   또 다른 기울기 센서인 BCGMCU는 성능이 향상된 2세대 BCG 솔루션입니다. 이는 병원이나 가정에서 수면 중인 사람의 상태를 모니터링할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다. 이 솔루션은 수면 중인 사람의 맥박 수, 호흡 빈도, 호흡 시간을 비롯한 다양한 생체 신호를 감지하며, 사람이 침대를 떠나는 시점이나 수면 상태를 분석할 수 있습니다. BCGMCU 솔루션은 사전 프로그래밍된 마이크로컨트롤러(BCGMCU-D01)와 SCL3300-D01 기울기 센서를 포함하며, 소프트웨어 솔루션 제공업체, 서비스 제공업체, OEM 시스템 통합업체를 위한 컴포넌트 수준의 솔루션을 제공합니다.

결론

무라타의 Picoleaf 압전 필름 센서는 높은 감도와 환경 친화성으로 잘 알려져 있으며, 작은 크기, 저전력 소비, 높은 감도와 같은 우수한 특성을 자랑합니다. 이 센서는 터치 사용자 인터페이스, 웨어러블 장치, 로봇 촉각 센싱을 포함한 다양한 압전 감지 애플리케이션에 널리 사용할 수 있습니다. 고성능 SCL3300 경사계를 결합하면 로봇 애플리케이션에 뛰어난 제어 능력을 제공할 수 있어 관련 애플리케이션에 탁월한 선택이 됩니다.