- 기계연 신뢰성평가연구실 소·부·장 신뢰성 강화 온·오프라인 인프라 구축 - - 제조장비 전략품목 신뢰성평가장비 & 미래형 수송기 부품제조 가상 공학플랫폼 구축 -  과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 국내 소재·부품·장비 산업의 신뢰성강화를 위한 온·오프라인 인프라를 구축하고, 시너지 발휘에 나선다. 기계연 신뢰성평가연구실 박종원 실장 연구팀은 제조부품장비 전략품목 신뢰성평가를 위한 테스트베드를 오프라인에 구축하고, 온라인에 미래형 수송기 부품 제조를 위한 가상 공학 플랫폼을 마련하는 등 소·부·장 관련 온·오프라인 인프라를 구축했다. 먼저, 제조부품장비 전략품목 신뢰성평가를 위한 테스트베드는 우리 기업이 제품의 신뢰성을 바탕으로 경쟁력을 확보하고 제조부품장비산업 핵심 전략 품목의 공급을 안정화하기 위해 구축됐다. ▲한국기계연구원 신뢰성평가연구실이 구축한 제조부품장비 전략품목 신뢰성평가 테스트베드 1) 로봇구동용 서보모터 핵심 성능 검증 장비 2) 산업용 단축 공작기계용 제어기 신뢰성평가 메커니즘 3) 로봇구동용 정밀감속기 신뢰성평가장비 이 장비를 활용하면 제조부품 장비의 전략 품목으로 꼽히는 로봇용 감속기와 서보모터, CNC(제어기, LM가이드), 고경도 절삭공구, 능동형마그네틱베어링, 볼·롤러 베어링, 터보식 펌프 등의 신뢰성을 평가할 수 있다. 앞으로 국내 기업들은 기계연 내에 구축된 인프라를 활용해 원하는 전략부품의 신뢰성 평가를 받을 수 있게 됐다. 지금까지 전략품목의 신뢰성평가를 받으려면 해외 기업의 인증을 받아야 해 시간도 오래 걸리고 비용도 많이 드는 어려움을 해소하여 빠르고 안정적인 전략품목 공급에 도움이 될 전망이다. 온라인에 구축된 미래형 수송기기 부품·제조 가상 공학 플랫폼은 ‘KIMM Cyber Lab’을 통해 부품의 성능을 검증하고 공정과 생산성을 예측, 시스템을 최적화할 수 있도록 돕는 오픈소스 기반의 무료 S/W이다. ▲한국기계연구원 신뢰성평가연구실이 가상공학플랫폼 구축사업을 통해 개발한 ‘KIMM Cyber Lab S/W’ 1) KIMM-Structure V3.0 2) KIMM-Car 3) KIMM-Flow V 3.0 중소·중견기업이 비대면으로 기술을 지원받을 수 있을 뿐만 아니라, 스스로 제품을 가상 시험·제조할 수 있는 역량을 키우는 데에도 기여할 것으로 기대를 모은다. 전략품목 신뢰성평가 테스트베드 활용을 희망하는 기업은 기계연 시험검사 및 연구장비 공동활용 시스템 누리집(http://kimmtest.kimm.re.kr)에서 회원가입 후 시험검사지원을 신청하면 된다. 가상공학 플랫폼 관련 기술지원을 희망하는 기업은 기계연 기계시스템안전연구본부 신뢰성평가연구실 누리집 (http://www.kimmcyberlab.com)에서 기술지원을 신청하면 된다. 박종원 실장은 “코로나19 팬데믹 시대를 맞아 소·부·장 기계기술 분야도 언택트와 디지털 전환이라는 시대의 화두가 접목되고 있다”며 “온·오프라인 인프라를 활용한 소·부·장 산업분야 신뢰성강화 노력으로 국산화가 시급한 제품의 신뢰성 기반 품질경쟁력을 확보하고 글로벌 명품화에 기여하도록 노력하겠다”고 말했다.  

우리 조선업 순풍에 돛 달아줄 새 용접기술 개발 - 기계연・대우조선해양 고망간(Mn)강 소재 하이브리드 레이저-아크 용접 개발 - - 산・연 손잡고 조선 현장 실증 후속 연구 착수 - 국내 조선업계의 수주 증가로 조선업 부활 기대감이 커지는 가운데 우리 조선업의 경쟁력을 한층 높여줄 새로운 용접 기술이 개발됐다. 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)은 대우조선해양㈜(대표이사 이성근)과 협력하여 친환경 액화천연가스(LNG) 선박의 고망간강(High Mn Steel) 연료탱크 제작을 위한 하이브리드 레이저-아크 용접 기술 개발에 성공했다. 기계연 부산기계기술연구센터 이광현・서정 박사 연구팀은 관련 선급에서 요구하는 30㎜ 두께의 LNG 고망간강 연료탱크 제작을 위한 용접부 성능 조건을 모두 만족하는 하이브리드 레이저-아크 용접 기술을 개발했다 고망간강은 기존 LNG 탱크에 쓰이는 스테인리스강과 유사한 극저온 강도(剛度, Strength)와 인성(靭性,Toughness)을 가지면서도, 가격 경쟁력이 뛰어난 소재로 주목받고 있다. 때문에 고망간강을 소재로 사용하는 대형 선박의 LNG 탱크 상용화를 위한 최적의 용접 기술 개발 연구가 이뤄져왔다. 연구팀은 레이저 용접 기술을 적용해 기존의 아크 용접보다 더욱 견고할 뿐 아니라 제작 시간을 10배 이상 단축할 수 있는 경제적인 고망간강 LNG 탱크 제작 기술을 확보했다. ▲ 한국기계연구원이 개발한 하이브리드 레이저-아크 용접시스템과 시험 현장 레이저 용접 기술로 조선용 주판을 용접하면, 용접부가 매우 빠르게 용융 했다가 굳으므로 접합면이 간결하면서도 빠른 용접이 가능한 것이 특징이다. 이를 이용해 고망간강 소재를 용접하면 아크 용접과 달리 용접부 조직 내에 망간 석출이 발생하지 않아, 극저온 충격성능이 안정적이어서 LNG 연료탱크 제작에 유리하다. 기존 아크 용접의 경우 용접부의 용융 깊이가 얇고 넓게 형성될 뿐 아니라, 다량의 흄*이 발생해 다수의 숙련된 용접사가 장시간 용접을 수행해야 하는 어려움이 있었다. *용접 흄(Welding Fume): 용접 작업 시 발생하는 금속의 증기가 응축되거나, 산화되는 등의 화학반응에 의해 형성된 고체상 미립자 연구팀은 대우조선해양㈜과 함께 산업통상자원부의 지원으로 수행된 ‘창의산업거점기관지원사업(사업책임자: 서정)’으로 구축된 20㎾ 하이브리드 레이저-아크 용접시스템을 이용하여, 레이저 용접 기술 분야의 역량을 축적해왔다. 한편 한국기계연구원과 대우조선해양㈜는 7월 22일(목) 향후 3년간 산업통상자원부의 ‘2021년 조선해양산업핵심기술개발과제(IMO Type C 고망간강 연료탱크의 제작비 절감을 위한 용접 및 검사 자동화 기술 개발)’를 수행하기 위한 업무 협약도 체결했다. 두 기관은 앞으로 고망간강 연료탱크 실증 제작을 위한 후속 연구를 추진할 계획이다. ▲한국기계연구원(원장 박상진)과 대우조선해양㈜(대표이사 이성근)은 7월 22일(목) 기계연 부산기계기술연구센터에서 고망간강 하이브리드 레이저-아크 용접기술 상용화를 위한 MoU를 체결했다. ▲ 한국기계연구원과 대우조선해양이 개발한 고망간강 하이브리드 레이저-아크 용접부의 단면. 두께 30㎜ 주판이 상부, 하부 두 번의 용접으로 무결함의 얇고 깨끗한 용접부가 형성됐음을 알 수 있다. 이광현 박사는 “이번 하이브리드 레이저-아크 용접 기술 개발로 고출력 레이저 가공 기술 분야에 있어 기계연의 이름을 높이게 됐다”며 “세계 최초의 상업용 하이브리드 레이저-아크 용접기술 개발의 첫발을 뗀 만큼 앞으로 우리 친환경 선박 기술의 경쟁력을 높이는데 크게 기여할 것”이라고 말했다.

AI 안전진단 기술, 국방부터 산업, 공공분야까지 팔방미인 맹활약 - 기계연, 기계장비 고장 찾는 AI 기술 다양한 현장 속 안전지킴이 역할 든든 - #1. 우리 군의 신속한 전투 태세 지원 대한민국 해군 함정이 정비를 위해 부대 정비창 건선거(乾船渠)에 도착하고 육상 정비를 위해 건선거 내 바닷물을 배수한다. 이때 배수펌프에 평소와 다른 진동이 감지되자 AI(인공지능) 기반 예측진단 기술이 센서로 이를 감지하고 조기에 경보를 발동한다. 고장으로 발생할 수 있는 정비 지연 상황을 예방하고 신속한 전투 태세를 갖출 수 있도록 효율적으로 관리할 수 있게 해준다. 한국기계연구원(원장 박상진, 기계연)은 지난 4월 대한민국 해군 군수사령부의 정비창에 운용 중인 700㎾ 배수펌프 4기에 상태감시와 진단을 위한 S/W를 공급했다. #2. 안정적인 수돗물 공급 환경 정수 및 하수처리장의 핵심 설비인 송수 펌프는 물을 순환하고 공급하기 위한 기계장치다. AI 기반 예측진단 기술은 송수 펌프에서 발생하는 이상 진동을 고장의 징후로 판단하고 조기에 이를 감지한다. 공급 차질 등의 사고를 사전에 예방하여 안정적인 물 공급과 하수처리를 가능하게 한다. 기계연은 지난 6월 설비진단 전문기업 ㈜에이티지에 ‘인공지능 기반 상태감시 및 예측진단 기술’을 이전하고 정수· 하수처리장 및 다양한 산업현장에 해당 기술 적용을 지원하기로 했다. 국내 수도 설비 스마트화를 위해 AI 기반 예측진단 기술이 적용된다면 더욱 효율적인 물관리가 이뤄질 것으로 기대된다. ▲ 한국기계연구원 시스템다이나믹스연구실 선경호 박사 연구팀이 개발한 AI 기반 예측진단 기술이 대전 도시철도 대전역, 시청역, 갑천역 공조실의 전동기 상태진단에 활용되고 있다. (왼쪽) 대전 도시철도 역사 내 공조실의 전동기에 AI 기반 예측진단 장비가 부착되어있다. (오른쪽) 대전 도시철도 판암역 역사 내 관제센터에서 AI 기반 예측진단 장비로 수집한 데이터를 활용하여 역사 내 공조시설의 안전을 모니터링하고 있다. #3. 깨끗한 지하철 역사 공기 질 확보 공조 설비는 지하철 역사 내 공기의 순환과 정화를 담당하는 기계장치로, 지하철 역사 설비의 핵심으로 꼽힌다. 공조기를 구동하는 전동기에 고장이 발생하면 역사 내 공기 질이 나빠져 시민의 건강을 위협할 수 있다. 기계연은 전동기에 진동과 전류를 측정하는 IoT 센서를 설치하고 확보한 빅데이터를 AI로 학습해 자율 진단할 수 있는 기술을 개발하고, 지난 2월 대전시 및 대전도시철도공사와 협력해 인공지능 기반 진단 기술을 대전 지하철 대전역과 시청역, 갑천역에 적용했다. 안전한 사회를 위해 점차 다양하고 복잡해지는 설비, 시설물의 안전 확보가 사회적 관심사로 떠오르고 있다. 기계연이 개발한 건전성 관리 및 예측 기술(PHM, Prognostics and Health Management)은 IoT(사물인터넷), 빅데이터 및 AI를 기반으로 설비와 구조물의 상태를 감시하고 고장을 사전에 진단하여 예방하는 기술이다. AI 기반 고장 예측기술 상용화를 위해 다양한 노력이 펼쳐지고 있지만 실제 복잡한 기계 산업 현장에 적용하기는 만만치 않은 상황이다. 이를 위해서는 개발 단계부터 데이터 전문가가 아닌 설비 전문가를 중심으로, 현장에서 발생되는 이상 데이터의 확보와 기계 신호 분석, AI 알고리즘 개발이 이루어져야 한다. 이번 성과는 다양한 기계설비 전문가를 중심으로 초기 연구 단계부터 연구실이 아닌 현장 속에서 답을 찾은 끝에 현장 적용에 성공해 더욱 의미를 갖는다. 기계연 시스템다이나믹스연구실 선경호 책임연구원은 AI를 활용한 PHM 기술을 개발하고, 이를 국방부터 산업, 공공안전 분야까지 폭넓게 적용해 우리 삶을 안전하게 만들기 위해 사업화에 앞장 서 왔다. AI를 활용한 PHM 기술은 대표적인 다소비 설비인 펌프 및 전동기 시스템에서 발생하는 진동 신호를 분석하고 학습하여, 설비의 고장을 사전에 감지하고 예방할 수 있는 기술이다. 기계가 동작할 때 발생하는 진동 신호를 분석하면 설비의 고장 징후를 빠르게 확인할 수 있다. 뿐만 아니라, AI 및 딥러닝 기술과 접목하면 복잡한 기계의 고장 부위를 정확하고 신속하게 찾아낼 수 있다. 연구팀은 2018년 AI 기반 예측진단 기술을 처음 발표한 후 현장 적용을 위해 후속 연구개발에 착수했다. 2021년 2월 정부의 디지털 뉴딜 사업 ‘AI 학습용 데이터 구축사업’의 하나로 대전시 및 대전도시철도공사와 협력해 대전 판암역사 공조시설에 적용, 4월 해군 군수사령부 정비창 배수 펌프 적용, 6월 설비진단 전문기업 기술이전 등 다양한 분야에서 기술 상용화 성과를 거두고 있다. 기계연 선경호 책임연구원은 “수많은 기계설비의 빅데이터와 AI 기술이 만나 더욱 빠르고 정확하며 효과적인 안전 진단이 가능할 것으로 기대한다”며 “하루빨리 실제 현장을 중심으로 이러한 기술이 확산되어 최근 잇따르고 있는 건축물과 플랜트의 사고 소식이 없는 안전한 우리 삶을 만들기 위해 노력하겠다”고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받은 연구원 기본사업 ‘인공지능 기반 기계시스템 예측진단 및 사고대응 기술’의 일환으로 수행됐다.

- 친환경 냉매로 에너지 효율과 정밀도 높이고, 환경도 살리고 - - 초저온 원천기술로 바이오부터 반도체까지 신산업 문 연다 - ▲ 한국기계연구원 에너지기계연구본부 박성제 본부장이 개발한 초저온 냉동고용 스터링 냉동기  ▲ 한국기계연구원 에너지기계연구본부 박성제 본부장이 개발한 초저온 냉동고용 스터링 냉동기 상단부가 초저온 영역까지 냉각된 모습 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 초저온 콜드체인의 핵심 기술인 스터링 냉동기를 개발했다. 스터링 사이클(Stirling Cycle)을 이용한 초저온 냉동기술은 기존 증기-압축 냉동 기술보다 에너지 효율은 2배 이상 높으면서, 더욱 정밀한 온도 조절이 가능하고 장치의 부피도 절반 이하로 줄일 수 있다. 또한, 냉매로 헬륨(He)을 이용하는 친환경 기술이라는 점도 큰 장점이다.   기계연 에너지기계연구본부 박성제 본부장 연구팀은 스터링 사이클을 이용한 초저온 냉동고용 스터링 냉동기 개발에 성공했다. 스터링 냉동기는 두 개의 피스톤이 움직이며 압축, 팽창 과정을 반복하면서 열을 펌핑하는 원리로 작동한다. 이 기술을 이용하면 최근 코로나19 바이러스 예방 백신 운송을 위한 기술로 주목받고 있는 초저온 콜드체인을 더욱 효율적으로 구축할 수 있다. 또한, 반도체 및 디스플레이 산업의 고도화로 인해 앞으로 수요가 발생할 초저온 냉각 기술로도 관심을 모으고 있다. 기존의 증기-압축 방식 냉동기와 비교하면 압축기와 열교환기, 팽창기, 오일분리기 등 여러 부품이 배관으로 연결된 방식인 것과 달리 스터링 냉동기는 하나의 유닛으로 소형화할 수 있고, 연속운전 제어가 가능하며 온도 제어의 범위도 훨씬 넓다. 또한, 지구온난화에 악영향을 미치는 냉매가스가 아닌 헬륨(He)을 냉매로 사용한다. 헬륨은 GWP가 0인 가스로 현재 냉동기 분야에서 적극적으로 적용이 검토되고 있는 Low GWP 냉매를 뛰어넘는 절대적인 친환경 냉매이다. 기계연 에너지기계연구본부는 지난 20여 년간 스터링 냉동기술을 연구하며 국내에서 독보적인 연구역량을 축적하고 있다. 스터링 냉동기술을 적용한 적외선 센서용 소형 스터링 극저온 냉동기, 가정용 열병합 발전용 스터링 엔진, 액체질소 냉각용 대형 스터링 극저온 냉동기 등을 개발한 바 있다. 이번에 연구성과는 스터링 냉각 기술 적용분야를 극저온에서 초저온 분야까지 확대하여 바이오산업과 반도체 산업 등 새로운 산업 창출을 모색할 수 있게 됐다는 점에서 더욱 의미를 갖는다. 기계연 박성제 에너지기계연구본부장은 “초저온 스터링 냉동기는 스터링 냉동기의 적용 영역을 넓혀 새로운 분야의 산업 창출을 모색할 수 있는 바탕이 될 것”이라며 “바이오산업은 물론 반도체 생산 공정용 초저온 칠러 등을 위해 냉각 용량 대형화 등 추가 연구개발에 최선을 다하겠다”고 말했다. 이번 연구는 산업통상자원부 산업기술혁신사업 에너지기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 연구원 출신 외국인 연구자 6인을 KIMM 앰배서더(Ambassador)로 선정하고, 코로나19 팬데믹으로 발이 묶인 글로벌 연구협력에 활기를 불어넣는다. 기계연은 6월 21일(월) KIMM 앰배서더 위촉식 및 Kick-off 미팅을 온라인으로 개최하고 정부의 신북방 및 신남방 정책을 반영하여 현지의 공동연구 수요를 발굴하고, 맞춤형 협력 연구 네트워크 발굴에 나선다. KIMM 앰배서더는 기계연에서 연구 경험을 쌓고 본국으로 돌아간 외국인 연구자 가운데 각국 연구기관과 네트워크의 가교가 되어 줄 인물로 베트남 3인, 인도 1인, 중국 1인, 방글라데시 1인 등 총 6명을 선정했다. KIMM 앰배서더는 향후 기계연의 연구 성과를 각국 현지에 알리는 것뿐만 아니라 국내 중소기업의 현지 적재적소 진출을 모색하는 데에도 협력할 전망이다. 이를 위해 현지 연구기관의 수요 기술을 파악하여 분야별로 온라인 기계기술 세미나를 개최할 계획이다. 아울러 KIMM 앰배서더를 활용해 구축한 협력 네트워크를 기반으로 현지 수요를 반영한 국제 협력과제 발굴부터 ODA(Official Development Assistance) 지원 사업 추진까지 다각적인 협력을 추진한다. 이번에 KIMM 앰배서더로 임명된 부이 바 친(Dr. Bui Ba Chinh) 박사는 “기계연에서 연구하면서 연구 성과가 실험실을 넘어 새로운 과제로, 또 산업현장까지 적용되는 폭넓은 과정을 배우고, 많은 경험을 쌓을 수 있었다”며 “기계연 연구진과 베트남 중소기업 사이의 연결고리가 되어 기계연 연구 성과의 산업화와 베트남 중소기업 발전까지 도움을 줄 수 있도록 열심히 활동하겠다”고 말했다. 부이 바 친(Dr. Bui Ba Chinh) 박사는 2008년부터 2015년까지 UST 학생으로 기계연 초정밀장비연구실에서 박사 학위 취득 및 박사 후 연구생 과정을 마쳤으며, 베트남으로 귀국해 지금은 베트남 국립바코드센터(National Numbering and Barcodes Center) 센터장을 맡고 있다. 기계연 박상진 원장은 “KIMM 앰배서더는 기계연 출신 외국인 연구자들이 상호 간의 높은 이해도를 바탕으로 꼭 필요한 맞춤형 협력을 추진할 새로운 기회가 될 것”이라며 “코로나19 바이러스 이후 잠시 속도를 늦추었던 글로벌 연구협력이 KIMM 앰배서더 위촉을 계기로 다시 원활히 이뤄질 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 사람과 로봇이 공존하는 미래를 위한 따뜻한 로봇 기술 개발에 앞장선다. 기계연은 6월 15일(화) 로봇 의족과 의수, 의복형 웨어러블 로봇, 인간형 핸드 및 만능 그리퍼, 자율 주행 무인 트랙터 등 최신 연구 성과와 함께 차세대 로봇기술 개발을 위한 혁신로봇센터 설립을 발표했다. 기계연은 로봇 기술 연구개발에 있어 장애인을 위한 로봇기술, 감염병 대응을 위한 로봇기술, 고령자나 고강도 노동자를 위한 로봇기술 등 사회적 가치를 실현할 수 있는 기술에 역점을 두고 있다. 2017년 발목형 스마트 로봇 의족 개발에 처음으로 성공한 후, 이를 발전시켜 2021년에는 무릎 상단이 절단된 장애인을 위한 무릎형 로봇 의족 프로토 타입을 개발하는데 성공했다. 이뿐만 아니라 사용자의 의도를 인식해 움직이는 로봇 의수,  경사로와 계단까지 자유롭게 오를 수 있는 로봇 휠체어 개발에 이르기까지 사회적 약자를 위한 기술 개발로 사회적 가치를 실현하기 위한 노력에 매진하고 있다. 무릎형 로봇의족은 발목형 로봇의족 기술을 바탕으로 단순히 체중을 버티는 것이 아니라 다양한 보행환경을 인식하여 상황에 최적화된 움직임과 힘을 능동적으로 구현해준다. 이를 통해 보다 자연스러운 보행이 가능하고 다른 관절에의 과부하를 줄일 수 있다. 연구진은 보훈처 산하 중앙보훈병원, 충남대병원과 협력하여 무릎형 스마트 로봇의족의 실사용 환경 개선 테스트를 진행하고 있다. 특히 이번 무릎형 의족은 지난 2017년 발목형 로봇의족 개발 성공 이후 국민적 관심 속에 쏟아진 후속 연구개발 요청을 반영한, 국민이 원하는 연구개발이라는 점에서 더욱 의미를 갖는다. 연구진은 2020년 보훈처와 협력하여 국가유공자를 대상으로 6대의 발목형 스마트 로봇의족을 공급한 바 있으며, 올해 안에 10대를 추가 공급할 예정이다. 또한 개발 중인 무릎형 로봇의족도 국가를 위해 희생하신 국가유공자께 먼저 공급할 계획이다. 또한, 국내 최초의 로봇 의수 개발도 추진한다. 사람 손과 유사한 로봇의수 시작품 개발도 마쳤다. 로봇의수는 국내에서 개발한 의수 중 가장 가벼우면서 물체의 형상에 맞추어 손가락의 형태가 변화하는 장점을 가진다. 또한 근육에서 발생하는 전기신호를 분석하여 절단환자가 원하는 손동작으로 로봇의수를 제어할 수 있는 특징이 있다. 연구팀은 경북대 의대와 임상시험 협력을 통해 손목 기능을 추가 개발하고, 2025년까지 상용화할 예정이다. 이와 함께 비대면 검체 채취 로봇 기술의 상용화를 위한 후속 연구개발에도 착수했다. 지난해 코로나19 바이러스 확산 속에 의료진의 감염위험을 크게 줄일 수 있는 기술로 크게 주목받은 검체 채취 로봇 기술은 현재 국내 기업에 기술이전됐다. 연구진은 국내 기업과 함께 전자동 검체 채취 및 진단이 가능한 시스템으로 발전시킬 예정이다. 연구진은 인공지능 기술을 접목하여 검체 채취를 자동화함으로써 의료진의 로봇 조작 편의성을 증대시키기고, 또한 면봉 삽입될 때의 저항감을 조작자가 직접 느낄 수 있도록 해서 검체 채취의 안전성을 개선하는 후속 연구에 착수 했다. 뿐만 아니라 고령화 시대에 증가하고 있는 노약자 및 고강도 노동자를 위한 웨어러블 로봇 ‘근육 옷감’도 개발했다. 실처럼 가는 형상기억합금을 옷감처럼 직조해 만든 신개념 웨어러블 로봇 기술로 노인, 장애인과 같은 신체약자뿐만 아니라 택배 노동자나 돌봄 노동자와 같은 고강도 신체 노동자들을 위해 스파이더맨의 슈트처럼 착용하면 힘을 낼 수 있는 근력 보조 기술이다. 연구진은 국내·외 방직기업, 헬스케어 기업과 함께 기술이전 협의를 진행하고 있으며, 근육옷감의 성능을 고도화하는 한편 대중에게 저렴하게 보급될 수 있는 근력보조 웨어러블 로봇, 재활기기, 헬스케어기기 제품을 개발하기 위한 후속 연구를 준비하고 있다. 아울러 비대면, 언택트 문화의 확산에 따라 사람 사이의 접촉 없이도 다양한 서비스를 제공할 수 있는 로봇 기술을 실현하기 위한 연구개발도 추진한다. 기계연의 만능 그리퍼와 인간형 로봇핸드 기술은 비대면 사회의 맞춤 서비스를 제공할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 만능 그리퍼는 커피잔부터 생닭에 이르기까지 다양한 형상과 크기의 물체를 대상에 구애받지 않고 다룰 수 있다. 인간형 로봇핸드는 분무기로 물 뿌리기, 가위질, 피아노 연주 등 역시 기존의 로봇 손으로는 어려움이 있었던 정교함과 힘을 동시에 갖춘 기술로 꼽힌다. 만능그리퍼는 어떤 물체를 파지하더라도 해당 물체의 형태와 완벽히 일치하도록 변형되고, 파지 후에는 다시 단단하게 강성이 변화되어, 마치 새로운 물체를 잡을 때 마다 그 물체의 파지를 위해서 특수 제작된 그리퍼처럼 동작한다. 이를 통해 생활 속의 어떤 물체라도 파지할 수 있을 뿐만 아니라 파지작업에서 로봇과 비전시스템의 역할이 크지 않으므로 제어 안정성과 작업 구현의 편의성에서 큰 장점을 지닌다. 이 기술을 적용하면 작업마다 다른 로봇을 사용하지 않고 한 대의 로봇으로 다양한 작업(삼계탕 만들기, 칵테일 만들기, 포도 집기 등)을 구현할 수 있어, 비대면 서비스를 위한 로봇핵심기술이 확보되었다는데 큰 의미가 있다. 연구진은 좀 더 작은 크기로 이러한 만능 그리퍼를 구현할 수 있고, 온도가 높거나 극단적으로 울퉁불퉁한 형상에 대해서도 강한 파지력을 유지하면서 작업할 수 있도록 후속연구를 진행하고 있다. 또한 실용성을 더욱 강화하여 공정의 특성상 불특정형상의 제품들을 핸들링 해야 하는 제조기업과 함께 기술이전 협의를 진행하고 있다. 다양한 형상의 물체를 파지하는 기능과 더불어, 일상생활도구를 다룰 수 있는 기능은 비대면 서비스를 구현하는데 있어 매우 중요한 요소이다. 이를 위하여 15개의 모터를 손바닥 내에 내장하고 이들의 동력을 병렬링크구조를 통해 손가락으로 전달할 수 있는 관절구조를 개발하여 계란을 잡거나 가위질을 하는 등 일상생활의 다양한 물체와 도구를 조작할 수 있는 로봇핸드를 개발하였다. 특히 작은 크기, 정교함, 강한 파지력을 동시에 구현하면서도 모듈화가 달성되어 어떠한 로봇 팔에도 결합이 가능하여 비대면 서비스 구현을 위한 로봇기술에 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 연구진은 관절 구조와 구동부의 기구 구조 최적화를 통해 마찰력을 최소화하고 구동효율을 향상시키기 위한 후속연구를 진행 중이다. 이를 통해 손가락 끝단의 힘 출력을 34N까지 확보할 수 있도록 성능을 향상시켰으며, 기존 제어부의 크기를 극단적으로 축소하여 소형화와 모듈화의 장점을 극대화 하였다. 개발된 손가락 관절 메커니즘을 산업용 그리퍼 개발에 적용하기 위하여 국내 로봇기업과 함께 기술이전 협의도 진행하고 있다. 비대면 서비스를 필요로 하는 많은 사업장에서는 모바일 로봇이 수행해야 할 작업의 종류가 매우 다양하여 이에 대응할 수 있는 많은 종류의 모바일 로봇이 필요하다. 기계연은 이러한 다양한 모바일 로봇의 수요에 대응하여 이동 모듈, 센서 및 제어 모듈, 작업 모듈 등을 원하는 용도에 따라 레고 블럭처럼 자유롭게 쌓아서 사용자가 원하는 기능의 모바일 로봇을 구성할 수 있는 모듈형 모바일 로봇 기술도 개발했다.   이송, 감시, 조작 등 다양한 목적에 최적화된 모바일 로봇이 구성 가능하므로 다양한 업종의 중소 제조업 현장에서 효과적으로 활용될 수 있다. 연구진은 실제로 반도체나 자동차 생산라인의 자동화 공정에 본 기술을 일부 적용 하였으며, 최근에는 무인 카페에서 비대면으로 음식을 배달하거나 방역 작업을 수행 할 수 있는 서빙 로봇에 적용하고 있다. 실내용 모바일로봇 기술뿐 만 아니라, 농업 인구의 감소와 고령화, 생산성 저하 문제를 해결하기 위해 농업용 자율주행 트랙터 기술도 개발되었다. 트랙터의 특성을 반영한 경로 추정 알고리즘 개발을 통해 노면 상태 예측이 힘든 토양에서 직진주행 평균오차를 10cm 이내로 달성하였다. 특히 GPS와 비전 센서 만으로 기존 센서와 유사한 성능을 얻을 수 있는 센서 융합 정밀 위치추정 알고리즘을 개발하여 자율주행트랙터 구현에 필수적인 관성항법 솔루션을 기존에 비해 약 1/5 가격에 달성할 수 있게 되었다는 것이 큰 성과이다. 연구진은 다양한 농작업 환경 하에서 자율주행 트랙터의 성능을 테스트할 수 있는 VR기반 무인작업기계 가상시험 및 관제기술을 개발하여 한국 CDE 학회에서 주최하는 2021년 디지털트랜스포메이션 경진대회에서 과학기술정보통신부 장관상(대상)을 수상한바 있다. 해당 기술을 이전받은 LS엠트론은 향후 자율주행 중대형 트랙터 개발 및 스마트팜 서비스화 기술개발 등에 이를 활용할 계획이다. 기계연은 이 같이 확보된 단위 원천 기술의 유기적 융합을 통해 미래로봇 사회에 반드시 필요한 국가적 차원의 원천기술 확보를 위한 연구플랫폼 마련과 함께 실용화 기반 확대에도 박차를 가하고 있다.   이를 위해 기계연은 지난 4월 혁신로봇센터(센터장 박찬훈)를 설치했다. 혁신로봇센터는 로봇부품부터 협동로봇, 로봇지능, 물류로봇, 장애인용 로봇, 의료로봇, 필드로봇까지 다양한 분야를 아우르는 수준 높은 연구진과 연구 성과를 하나의 싱크탱크에 담아 개발된 기술들이 유기적으로 융합될 수 있는 기반을 마련했다. 이를 통해 사회적 약자를 위한 로봇 기술을 비롯하여 비대면 사회와 고령화사회를 위한 로봇기술, 리쇼어링을 위한 로봇기술 등 국가적 차원에서 필요한 미래 로봇 원천기술 확보를 위하여 연구개발 역량을 결집하고 체계적인 기술 개발 전략과 기술 로드맵을 수립하는 역할을 하게 된다. 박찬훈 혁신로봇센터장은 “사람과 로봇이 공존하는 미래를 현실로 만들기 위해 연구개발 기획 단계부터 개별 요소 기술을 유기적으로 융합하고 성과를 만들어 갈 수 있는 체계를 만들 것”이라며 “연구 협력의 폭을 넓히고 실용화 기반을 다지며 미래 로봇 사회 구현에 앞장 설 것”이라고 말했다. 이와 함께 로봇 기술 실용화 기반을 확대하기 위해 국내외 다양한 연구기관과 연구협력을 추진하고, 연구소기업을 설립하는 등 기술이전 활성화를 위해 팔을 걷었다. 연구소기업 ‘휴고다이나믹스’는 발목형 로봇의족 상용화를 추진하고 있으며, 비대면 검체 채취 로봇 기술은 국내 기업 ‘바이오트코리아’가 이전 받아 기술사업화에 나섰다. 웨어러블 옷감 근육과 인간형 로봇 핸드도 국내 다수 기업과 공동 연구 및 기술이전 논의를 진행하고 있다. 기계연 박상진 원장은 “기계연의 로봇기술 개발 방향은 사람과 로봇이 공존하는 미래를 위한 따뜻한 로봇 기술 개발이라는데 큰 차별성이 있다”며 “이러한 연구 방향성을 더욱 강화하여 출연연구기관으로서 사회적 가치실현과 노령화, 비대면과 같은 미래사회에 필요한 로봇기술 개발에 앞장설 것”이라고 말했다.  

- 기계연, 초음파 영상 진단 장비에 머신러닝 더하기 - - 진단 속도와 정확도 향상 두 마리 토끼 잡는다 - 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 영상 의료 진단 장비에 기계장비의 머신러닝 기술을 접목해 질병 진단 속도와 정확도를 모두 향상시키는 기술을 개발했다. 기계연 신뢰성평가연구실 박종원 실장 연구팀은 초음파 영상 진단 장비에 기계류 부품과 장비의 신뢰성 진단을 위해 활용해 온 빅데이터 딥러닝 기술을 적용하여, ‘머신러닝을 활용한 영상 진단 기술’을 개발하고, GPU(그래픽처리장치)를 이용하여 정확도 80% 수준의 진단에 성공했다. 연구팀은 기계 부품과 설비 신뢰성 검사를 위한 머신러닝 기법을 발전시키기 위해 풍부한 영상 데이터를 보유하고 있는 의료분야 연구진과 협력을 모색해왔다. 최근 의학 분야에서도 심장 및 뇌질환 관련 질병을 조기에 진단하기 위해 초음파 영상과 컴퓨터 단층촬영, 자기공명영상 등과 같은 진단영상 기반 머신러닝 기술을 활발하게 적용하고 있다. 연구팀은 의료 영상 진단 기술 발전에 관심을 갖고 있는 대전성모병원 심장내과 연구진과 함께 뇌경색 환자의 대동맥 동맥경화 진단을 위한 영상 분석에 착수했다.머신러닝을 의료분야에 활용하기 위한 시도는 다양하게 있었지만, 대동맥 플라크* 상태에 따라 분류하고, 플라크의 두께 측정에 적용할 수 있는 딥러닝 모델 개발은 새로운 시도다. * 플라크(Plaque): 혈관에 생기는 플라크는 혈관 내부에 이물질들이 들러붙으면서 만들어지는 것으로 플라크가 형성되면 칼슘 등 다른 물질과 결합되면서 단단한 껍질까지 형성해 혈관을 점점 좁아지게 해 동맥경화가 유발된다. ▲오토엔코더 모델 적용 연구팀은 머신러닝의 다양한 기법 중 오토엔코더(Autoencoder)와 유넷(U-net)모델을 대동맥벽의 초음파 영상 판별에 적용했다. 대동맥벽을 초음파 영상으로 판별하면 뇌졸중의 원인으로 떠오르고 있는 대동맥 동맥경화성 플라크의 상태를 확인할 수 있다. ▲유넷모델을 이용한 플라크 영역 예측 사례 기계연 박종원 신뢰성평가연구실장은 “지금까지는 기계류 부품과 장비의 고장, 수명을 판단하기 위해서 사용자가 복잡한 데이터 해석 능력을 갖춰야 했지만 이제는 다양한 오픈 소스를 활용해 쉽게 접근할 수 있게 됐다”며 “머신러닝을 활용한 영상진단 기술은 향후 다양한 질병의 판독과 부품, 장비의 수명 예측 모델을 개발하는 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 연구팀은 대동맥 플라크의 분석의 정확도를 향상시키기 위해 딥러닝 모델을 개선할 계획이다. 또한 의학 분야 뿐만 아니라, 향후 미래형 수송기기 부품 제조 가상공학 플랫폼 구축 및 소재부품융합얼라이언스(기계자동차분야) 사업에서 부품에 대한 고장현상에 대한 이미지 데이터를 이용하여 고장 진단 등에 활용할 수 있는 기술로 확대할 계획이다. 이번 연구는 산업통상자원부 소재부품기술기반혁신사업의 지원을 받아 수행됐다.

- 기계연, 레이저 가공기용 오토 포커스 장비 국산화 성공 - -  디스플레이와 반도체의 단차를, 정밀하고 빠르게 측정! - 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 전량 외산 수입에 의존하던 레이저 가공기용 오토 포커스(Auto-focus) 장비의 국산화에 성공했다. 기계연 광응용장비연구실 노지환 책임연구원은 디스플레이 생산 시 불량 검사에 필요한 머신 비전의 성능을 향상 시킬 수 있는 레이저 가공기용 오토 포커스 장비를 국산화했다. 오토 포커스 기능은 카메라로 사진을 찍을 때 원하는 피사체가 또렷하게 보이도록 초점을 맞추는 것처럼 관찰 대상에 초점을 맞추도록 조절하는 기능이다. 빠르고 선명하게 이미지를 확보하기 위해서는 대상물의 변화에 따라 빠르게 초점을 맞추는 오토 포커스 기술이 관건이다. 연구팀은 대면적 디스플레이의 불량을 검사할 때 쓰이는 현미경에 반달 모양 마스크를 적용하여 디스플레이의 이동에 따라 발생하는 단차를 빠르고 정밀하게 측정할 수 있는 레이저 반달 마스킹 변위 측정 기술을 개발했다. 레이저 빔을 조사할 때 반달 모양의 마스크를 적용하면 대상물체의 위치 변화에 따라 초점이 맞을 때는 또렷한 레이저 빔을, 맞지 않을 때는 반달 모양의 볼록한 부분이 좌우로 바뀌는 레이저 빔을 확인할 수 있다. 초점이 정확히 맞는 위치로부터 대상체가 위·아래로 얼마나 멀어져 있는지 확인할 수 있어 빠르게 초점을 재조절할 수 있는 원리이다. 기계연 노지환 책임연구원은 “현미경과 레이저 가공기를 위한 오토 포커스 장비는 국내 대기업의 주력 분야인 디스플레이 산업에 두루 사용되고 있는 기술로 현재 전량 수입 기술에 의존해왔다”며　“국산 디스플레이와 반도체 장비 공정에 우리 기술을 적용하여 국내 기업의 경쟁력을 높이는 데 큰 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다. 한편 이번 연구는 한국산업기술평가관리원 지원 ‘초박형 웨이퍼 절단을 위한 레이저 기술 및 장비 실증’ 과제(과제 책임자: 안상훈 책임연구원)의 지원을 받아 수행됐다. 

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)과 UNIST(총장 이용훈) 연구진이 유해물질이나 생체분자 검출 공정을 획기적으로 개선할 수 있는 메타물질을 개발하고, 연구 성과를 ‘스몰 메소드’지(small methods)에 발표했다. 기계연 나노공정장비연구실 정주연 책임연구원과 UNIST 전기전자공학과 이종원 교수 공동 연구팀은 검사 대상에 적외선을 조사해 성분을 분석하는 적외선 분광분석 검출 신호를 100배 이상 키우는 메타물질을 개발했다. 메타물질은 표면에 빛 파장보다 길이가 짧은 초미세구조가 배열된 특수 기능성 물질이다. 적외선 분광분석 검출은 검사 대상 물질의 분자가 적외선을 특정 주파수를 흡수하는 특성을 활용하여 반사된 빛의 패턴으로 성분을 확인하는 기법이다. 이때 검출하려는 물질이 극미량만 포함된 경우 검출 신호인 빛의 세기 차이가 거의 없어 읽어내기 힘들다. 하지만 이번에 개발한 메타물질을 활용하면 메타물질 표면의 미세한 구조가 빛 에너지를 모았다가 한 번에 분자에 조사함으로서 분자가 흡수하는 빛의 세기를 늘려준다. 그만큼 검출 신호가 증폭되어 작은 양으로도 뚜렷한 결과를 얻을 수 있다. ▲메타물질의 전자현미경 사진과 초미세구조체 ➊한국기계연구원과 UNIST가 개발한 메타물질의 전자현미경 사진 이미지. 상부에서 보았을 때 십자 모형인 메타물질 미세구조체가 배열되어 있다. ➋한국기계연구원과 UNIST가 개발한 메타물질 미세구조체를 측면에서 바라본 모형도➌한국기계연구원과 UNIST가 개발한 메타물질 구조를 나타낸 그림. 10㎚ 수준의 나노 갭(gap)이 형성된 것을 볼 수 있다. 메타물질은 금속과 절연체, 금속을 순서대로 쌓아 십자 모양으로 만들어졌다. 가운데 절연체 부분은 두께를 10 나노미터 수준으로 얇게 만들고 수평 방향으로 깎아 수직 갭을 형성하여 분자가 근접장에 최대한 노출 되도록 하여 분자의 빛 흡수가 늘어나도록 설계했다. UNIST 전자공학과 황인용 연구원은 “이번에 개발한 메타물질은 2.8 나노미터 두께의 단일 분자층 검출 실험에서 36%의 반사차이라는 기록적인 검출 신호를 얻었다”며 “단일 분자층 검출 실험에서 최고 기록을 실험적으로 입증했다”고 말했다. ▲적외선 분광분석법 측정 결과 ➊한국기계연구원과 UNIST가 개발한 메타물질 흡수체의 반사 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 위부터 아래 순서대로 수직 나노갭을 각각 30, 15, 10 나노미터로 만들어 측정한 결과다. 검은색 선은 메타물질 흡수체의 반사율을, 붉은색 선은 검출분자(ODT)가 포함되었을 때의 반사율을 나타낸다. 검출분자(ODT)가 포함된 붉은색 선은 증폭이 일어나지 않을 경우 푸른색 점선과 같은 곡선을  보여야하지만 특정 구간(3.4-3.5)에서 솟아오르며 신호가 증폭되는 것을 볼 수 있다. 두 값의 차이는 약 36%이다. ➋한국기계연구원과 UNIST가 개발한 메타물질을 활용하여 분자검출 신호를 측정한 스펙트럼 특히 이번에 개발한 메타물질은 대량으로 제조하기 쉽고 제조 공정도 경제적이다. 기존에는 메타물질 표면에 미세구조를 만들기 위해 고가의 고해상도 빔 리소그래피 공정이 필요했지만, 이번에 개발한 메타물질은 나노 임프린트 공법과 건식 식각 공정만으로 쉽게 제조할 수 있다. 기계연 정주연 책임연구원은 “나노 임프린트 공법을 활용하면 금속-절연체-금속 순으로 얇게 적층한 후 금속과 절연체를 원하는 모양으로 가공할 수 있다”며 “건식 식각 공정을 더하여 미세구조로 배열된 메타물질을 대량으로 만들 수 있다”고 말했다. UNIST 이종원 교수는 “수직 방향의 갭 구조를 통해 근접장 세기 강화와 근접장 노출 문제를 동시에 해결한 최초의 연구”라며 “적외선으로 생체분자, 유해물질, 가스 등을 검출하는 센서 기술에 광범위하게 응용될 것”이라고 기대했다. 이번 연구결과는 와일리(Wiley)에서 출판하는 세계적 나노과학 분야 전문 학술지인 스몰 메소드(small methods)에 5월 13일 자로 발표됐다. 연구는 과학기술정보통신부 지원 글로벌프론티어 파동에너지극한제어연구단, 한국연구재단 나노소재기술개발 및 민군겸용기술개발 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 첨단 나노기술 연구 성과를 바탕으로 연구소기업 설립부터 상용화에 이르는 기술사업화를 성공적으로 이끌어 눈길을 끈다. 기계연은 나노 마이크로 DNA(deoxyribonucleic acid) 니들  패치(needle patch) 기술을 사업화하기 위해 연구소기업 에이디엠바이오사이언스㈜를 설립하고, 해당 기술을 적용한 기능성 화장품의 사업화에 성공했다. 기계연은 지난 2018년 에이디엠바이오사이언스㈜에 원천특허기술을 출자해 연구소기업 설립을 승인 받았다. 이 기술은 2019년 「국가 우수 연구개발성과 100선」, 2020년 「올해의 10대 기계기술」, 2020년 「기계연 최우수연구상」에 선정된 바 있다. 나노 마이크로 DNA 니들 패치 제조기술은 수 나노미터 직경 나노섬유인 DNA를 사용한 나노패터닝 기술로 미세한 DNA 니들을 일정한 크기와 강도로 생산할 수 있는 기술이다. 피부를 뚫고 유용한 성분을 내부에 전달할 수 있을 만큼 단단하면서 피부에 삽입 시 바늘이 녹아 사라지는 뛰어난 용해력으로 유효물질을 통증 없이 안전하고 효과적으로 전달할 수 있다. 또한 제조는 화학적 처리 없이 기계적 공정으로만 이루어져 대량 생산에도 적합하다. 기계연 연구소기업인 에이디엠바이오사이언스㈜의 기능성 화장품 전문 브랜드 ‘DANACellin(다나셀린)’은 피부 개선에 도움을 주는 유효성분이 첨가된 니들 패치와 앰플로 구성된 제품을 출시한다. 니들 패치는 피부 재생을 돕는 연어 DNA 성분이 포함된 300 ㎛(마이크로미터) 미만 크기의 미세한 바늘 형태 구조로 이뤄진다. 앰플은 연어 DNA와 금 등의 유효성분이 혼합되어 있다. 앰플을 피부에 바르고 니들 패치를 붙이면 연어 DNA와 유효성분이 효과적으로 피부에 전달된다. 연어 DNA는 연어의 정소에서 추출하여 정제한 소재로 최근 피부개선 화장품 및 조직재생 촉진 의약품의 소재로 주목받고 있다. ▲한국기계연구원 연구소기업 에이디엠바이오사이언스(주) DANACellin 제품 기계연 정준호 전략조정본부장은 “나노 마이크로 DNA 니들 기술은 2020년 세계경제포럼(WEF)에서 ‘2020년 10대 유망기술’로 꼽힐 만큼 주목받고 있는 기술로 최근에는 약물전달부터 질병 모니터링까지 활용분야가 확대되고 있다”며 “성공적인 사업화 경험을 바탕으로 다양한 첨단 기술이 우리 삶에 더욱 도움이 될 수 있는 기술 실용화를 촉진하기 위해 노력 하겠다”고 말했다.