컴퓨팅
나노스트링이 진동 기반 센서의 새로운 영역을 열어 보다 넓은 활용을 위해 채택될 수 있게 하다
최첨단 마이크로칩과 정교한 센서는 초고속 통신 시대에 우리가 기하급수적인 도약을 할 수 있도록 돕는 도구입니다. 새로운 연구는 기존에 알려진 어떤 고체 물체보다도 더 오래 진동하는 새로운 종류의 나노스트링을 만드는 길을 열어주며, 이는 획기적인 발견이 될 수 있습니다. 이는 초고감도 센서를 표준 마이크로칩 기술과 통합하는 데 도움이 될 수 있으며, 진동 기반 감지의 새로운 패러다임을 만들게 됩니다.
세계에서 가장 민감한 센서: 나노기술 및 머신러닝의 한계를 뛰어넘다
TU Delft와 Brown University의 연구팀은 줄과 유사한 공명체를 개발했으며, 이는 현재까지 알려진 어떤 고체 물체보다도 실온에서 더 오래 진동할 수 있습니다. 실온에서 얻은 결과는 이전에 절대 영도 근처에서만 달성될 수 있었습니다.
과학적으로 말하면, 연구진은 길이는 센티미터 단위이면서 두께는 나노미터 수준을 유지하는 나노기계 공명체를 제시했습니다. 이 특성으로 인해 실온 환경에서 어떤 고정 물체보다도 가장 높은 기계적 품질을 가진 나노스트링이 만들어집니다. 여기서 고정 물체는 마이크로칩입니다.
연구진은 높은 수율을 실현하는 정교한 나노제조 기술을 적용했습니다.
기능적 관점에서 설명하자면, 진동 물체에서 에너지가 얼마나 잘 방출되는지에 대해 이 스트링은 진동을 효과적으로 가두어 에너지가 새어나가지 않도록 할 수 있었습니다.
머신러닝은 나노제조와 설계 최적화 사이의 시너지를 이끌었습니다. 기계적 품질이 크게 향상되어 주파수가 100억 킬로헤르츠에 근접했습니다. 이러한 기계적 주파수는 최첨단 저온 공명체와 부양 나노구의 성능과 비교될 수 있습니다.
Associate Professor Richard Norte는 연구의 의미를 설명하면서 다음과 같이 말했습니다:
“한 번 밀면 거의 100년 동안 거의 에너지를 잃지 않고 흔들리는 그네를 상상해 보세요. 우리의 나노스트링도 비슷한 원리를 가지고 있지만, 그네가 초당 한 번 진동하는 것과 달리 우리 스트링은 초당 100,000번 진동합니다. 에너지가 새어나가기 어려워 환경 소음이 들어오기 힘들어, 실온 환경에서 최고의 센서 중 하나가 됩니다.”
솔루션의 제조 공정 개발은 나노기술 분야에 근본적인 변화를 의미합니다. 연구 책임자인 Dr. Andrea Cupertino는 이 스트링이 길이 3센티미터, 두께 70나노미터이지만, ‘반 킬로미터에 걸쳐 거의 처짐 없이 매달린 유리 기타 스트링을 제조하는 것’과 동등하다고 설명했습니다.
이러한 특성은 이 솔루션을 일상적인 극한 적용에 적합하게 만들며, 지금까지 우리가 인식해 온 나노기술로는 달성하기 매우 어려웠던 분야입니다.
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솔루션의 적용 가능성
이 혁신은 실온에서 거시적 양자 현상을 연구하는 분야에 새로운 영역을 열어줍니다. 지금까지 연구는 잡음에 가려져 있었습니다. 그러나 나노스트링은 이러한 잡음을 격리시켜 수십억 개 원자로 구성된 스트링에서도 양자역학 법칙을 인식할 수 있게 합니다. 이 현상은 이전에 단일 원자에만 제한되었습니다. 단일 원자에서 원자 스트링으로의 전환은 일상 환경에서 양자 기반 감지에 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
나노스트링은 압력, 온도, 가속도 및 자기장과 같은 물리량을 측정하는 소형 장치, 즉 MEMS 감지에 특히 유용한 구조를 구축할 수 있게 합니다.
과학자들은 이번 연구가 지금까지 알려진 응용 과학의 경계를 넘어, 고감도 센서를 표준 마이크로칩 기술에 통합하는 방법을 보여주어 연구자들이 탐구할 새로운 진동 기반 감지 가능성을 열어줄 것으로 기대합니다.
범위가 확대된다면, 이 연구는 관성 항법용 가속도 측정이나 차세대 마이크용 진동 드럼헤드와 같이 다양한 핵심 파라미터를 측정할 수 있는 보다 복잡한 설계 개발로 이어질 수 있습니다.
오랫동안 연구자들은 비침투형 모니터링 기술로서 진동 센서의 잠재력을 평가하는 데 관심을 가져왔습니다. 기존 연구 검토 결과, 진동 기반 감지 기술은 인간, 인프라, 안전 및 건강 모니터링을 포함한 다양한 분야에서 유용할 수 있음이 밝혀졌습니다.
다음 섹션에서는 나노스트링 진동 연구가 혜택을 줄 수 있는 이러한 적용 분야들을 살펴보겠습니다.
진동 기반 감지 기술이 솔루션 개발에 어떻게 도움이 되는가
진동 기반 전송 기술은 진단 및 의료 분야에서 매우 유용합니다. 이유는 간단합니다. 자연스러운 생리 활동으로 인해 우리 몸을 통과하는 기계적 파동은 신체 자세, 호흡, 맥박, 보행, 이동 등 다양한 신체 사건에 대한 정보를 담은 중요한 신호입니다. 이러한 기계적 진동 신호를 포착하려면 정교한 진동 기반 감지 기술이 필요합니다.
이러한 감지 기술은 일상 생활 활동(ADL) 등 인간 행동을 모니터링하기도 합니다. 가속도계, 자이로스코프, 자기계와 같은 관성 센서와 심전도 장치, 피부 온도 센서, 힘/압력 센서와 같은 신체 건강 센서가 있습니다.
진동 기반 감지는 이러한 모든 센서에서 정확한 판별을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한 우리가 점유 정보 추론 서비스라고 부르는 분야에서도 유용한 솔루션을 제공합니다. 이 서비스에는 자산 추적, 특정 장소의 인원 수 추정, 물류, 보안 등이 포함됩니다.
이 솔루션은 대상이 제한된 공간 내에서 어느 위치에 있는지를 설명하는 데 도움을 줍니다. 또한 인간 식별에도 기여하여 허가된 사용자와 침입자를 구분하거나 낙상을 감지합니다.
진동 기반 감지의 또 다른 영역은 인프라 건강 모니터링이며, 특히 지진으로 인한 건물의 흔들림 및 손상을 감지합니다. 현재 이러한 솔루션은 폭풍, 허리케인, 폭발 상황에서도 과학적으로 검증된 인프라 건강 평가 방법을 제공하여 도움을 줍니다.
이미 여러 기술 기업이 진동 기반 감지의 장점을 활용한 인기 솔루션을 개발했습니다. 여기서 논의한 연구는 이들이 더 나아가는데 도움이 될 것입니다. 그 중 전 세계적으로 인정받는 솔루션 제공업체가 Rockwell Automation입니다.
#1. Rockwell Automation
Rockwell Automation의 상태 모니터링 센서는 극한 온도 환경 및 위험 지역에서 대부분의 적용 분야에 대해 진동 및 위치 측정을 수행하는 데 도움을 줍니다.
예를 들어, Rockwell의 Bulletin 1442 와전류 프로브 시스템은 산업 기계의 샤프트 진동, 위상/속도 기준 및 로터/추력 위치를 측정하는 데 도움을 줍니다. 시리즈의 다음 제품인 Bulletin 1443 시리즈 가속도계 센서 역시 산업 기계의 진동을 측정할 수 있습니다. 이는 0.2 Hz(12 CPM)부터 26 kHz(1560 kpm)까지의 넓은 주파수 범위를 갖는 정교한 가속도계입니다.
Rockwell Automation은 또한 예측 유지보수를 지원하고 다양한 분석 기능을 측정, 처리, 표시 및 저장할 수 있는 휴대용 데이터 수집기를 통해 주요 기계 진동 진단을 제공하는 솔루션을 보유하고 있습니다. 저주파 작업 시 이 솔루션은 0.2 Hz(12 kpm)까지 낮출 수 있으며, 고주파에서는 30 kHz(1800 kpm)까지 도달할 수 있습니다. 또한 260°C(500°F)까지의 매우 높은 온도에서도 작동할 수 있습니다.
Rockwell의 루프 전원 4-20 mA 출력 진동 센서는 다양한 회전 기계가 생성하는 전체 진동 수준을 나타내는 신호를 측정합니다. 이 제품의 내재적으로 안전한 가속도계는 위험 환경의 요구를 충족시키는 특수 기능을 갖추고 있습니다.
2023 회계연도에 Rockwell Automation은 90억 5800만 달러 이상의 매출을 기록했으며, 이는 2022년 매출인 77억 6000만 달러에 비해 상당히 증가한 수치입니다.
#2. Omron
진동 기반 감지 기술 분야에서 뛰어난 작업을 수행하고 있는 또 다른 글로벌 기업은 Omron입니다. 이 회사는 세계에서 가장 작은 클래스 크기의 고정밀 지진 센서를 구축했습니다. IoT 친화적인 진동 센서는 D7S라는 브랜드명으로 제공됩니다.
D7S는 지진으로 인한 2차 재해를 줄이는 데 도움을 주는 지진 센서입니다. 초소형 크기로 인해 모든 장치에 장착할 수 있습니다. 스펙트럼 강도 고정밀 지진 지표로서 충격 진동 잡음을 배제하고 구조물에 발생한 손상과 높은 상관성을 가집니다. IoT 친화적이라는 점은 지진 지도와 구조 지도 생성에 기여합니다.
응용 측면에서 이 센서는 반도체, 화학 공장 및 배전 패널에서 2차 손상을 방지하는 데 도움을 줍니다. 사용자는 가정의 배전 패널, 화재 예방 시스템 및 가전 제품에 이 센서를 배치할 수 있습니다. 사회 전체도 전력 계량기, 고속도로, 교량, 철도 등 다양한 분야에 이 센서를 설치함으로써 혜택을 받을 수 있습니다.
다른 여러 특징이 D7S를 경쟁 제품보다 돋보이게 합니다. 예를 들어, 3축 가속도 센서와 고유한 SI 값 계산 알고리즘은 표면 실장형 소형 모듈과 낮은 전력 소비를 가능하게 합니다. 비교적 높은 자유도는 장치에 통합하기 쉽고 배터리 전원으로 장시간 작동하도록 합니다. 무엇보다도, 차단 출력 단자(INT1)는 기존 기계식 진동 센서와 동일하게 작동하여 기계식 진동 센서와의 호환성을 보장합니다.
2023 회계연도에, Omron은 연간 매출 8900억 엔을 기록했으며, 전년 매출 8761억 엔에 비해 2% 미만 증가했습니다.
진동 기반 감지의 미래
전 세계 연구자들은 진동 기반 감지 기술 및 센서 분야에서 다양한 흥미로운 연구 프로젝트를 진행하고 있습니다. 2021년, 연구팀은 VibroTag라는 솔루션을 제안했으며, 이는 다양한 하드웨어를 갖춘 스마트폰과 함께 작동하는 견고하고 실용적인 진동 기반 감지 체계입니다.
이 솔루션은 환경 잡음 및 하드웨어 불규칙성의 영향을 피하면서 다양한 표면의 미세 진동 특성을 추출할 수 있었습니다. 연구진은 두 대의 Android 스마트폰에 VibroTag를 구현하고 여러 환경에서 평가했으며, 4명의 참가자로부터 며칠간 데이터를 수집했습니다. VibroTag는 평균 정확도 86.55%를 달성했으며, 일부 표면이 유사한 재료로 이루어졌음에도 24개의 서로 다른 위치/표면을 인식할 수 있었습니다.
볼로냐 대학의 스마트 재료 및 구조 건강 모니터링(SMASH) 부서 연구팀은 장기 및 실시간 음향 방출(AE) 및 진동(ACC) 모니터링을 위한 빠르게 배치 가능한 센서 네트워크를 제공하는 혁신적이고 저비용, 저중량의 센서 노드(SN)를 제안했습니다. 이 설정은 외부 잡음에 대한 민감도를 크게 최소화하도록 설계되었습니다. 센서 근접 모니터링 방식은 NDT 및 SHM 목적을 위해 처리 및 저장해야 할 원시 데이터 양을 크게 감소시켰습니다.
또 다른 연구는 캔틸레버 빔 구조의 트리보전기 나노발전기를 기반으로 한 저주파 진동 센서(LV‑TENG)였습니다. 이 센서는 고정밀 진동 감지를 수행하면서 효과적으로 진동 에너지를 수집할 수 있었습니다.
LV‑TENG의 효율성에 대한 실험은 매우 긍정적이었습니다. 0.1 Hz에서 5.0 Hz까지의 주파수와 2.0 mm에서 10.0 mm까지의 진폭을 가진 구조 진동을 정확히 감지할 수 있었습니다. 출력 전압도 주파수와 양의 선형 관계를 보였으며, 적합된 상관계수는 0.994에 달했습니다. 연구진은 LV‑TENG가 저주파 진동 모니터링을 위한 새로운 길을 제공하고 해양 공학에서 구조 건강 모니터링 분석에 활용될 수 있다고 확신했습니다.
인프라 건강, 인간 건강 상태 및 행동 패턴에 대한 간접 및 직접 모니터링은 인간 생활에 큰 혜택을 줄 수 있습니다. 이는 손상을 줄이고 인간과 기계 모두의 삶을 향상시킵니다. 진동 기반 감지는 이러한 모니터링을 수행하는 효과적인 방법이며, 나노기술을 이러한 감지 도구에 통합하면 솔루션이 더욱 사용하기 쉬워지고, 고도로 휴대 가능하며 착용형 또는 비착용형 장치의 부품으로 적용될 수 있습니다.
이 기술은 비용이 저렴하고 전력 소비가 적어 큰 주목을 받고 있습니다. 따라서 실내외 모니터링 요구에 모두 부합하는 솔루션이 됩니다. 연구자들이 믿듯이, 앞으로 비침투형 솔루션에 대한 연구가 더욱 활발해질 것입니다.
응용 측면에서 이는 스마트 홈 및 환경 분야의 광범위한 적용 가능성을 가지고 있습니다. 그러나 이러한 센서를 기존 감지 메커니즘을 대체하기 위해서는 신호 처리 능력과 머신러닝 기법 활용에 대한 추가 연구가 필요합니다.
