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※ 자료제공 : 독일 Klocke Nanotechnik / www.nanomotor.de
마이크로 생산기술을 위한 NEW 패러다임
마이크로-나노로봇의 10가지 특징
“생산 환경에서 요구되는 수많은 요인들로 인해 사이즈 감소가 이루어지고, 이에 따라 생산기술도 매크로에서 마이크로로, 마이크로에서 나노로 빠르게 변모하고 있다. 당신이 정밀하게 움직이는 나노 세계를 접하지 못한다면 성공을 보장하지 못할 것이다.”
이는 독일 일간지 한델스 브라트(Handelsblatt)에서 전한 말로 생산 공정이 빠르게 마이크로-나노로 이동하고 있다는 점과 마이크로-나노 기술을 실현하는 나노로봇이 매우 유용하다는 것을 단적으로 시사한다.
이전의 생산 라인과 비교할 수 없을 정도로 정밀도가 요구되는 생산 시스템을 구축하는 마이크로-나노기술이 발전하고 있다. - 편집자 주
마이크로-나노 생산기술에서의 요구 사항
매우 정밀한 생산에 대한 요구가 높아지면서 더욱 빠르게 발전하고 있는 마이크로-나노 기술은 국내에서는 차세대 기술로 각광받고 있다.
마이크로-나노로봇(이하 나노로봇)은 1nm(나노미터)의 정밀도를 가진 여러 개의 나노모터로 이루어져 있다. 그리고 나노모터에는 2nm의 정밀도를 가진 위치센서가 내장되어 있다. 따라서 나노로봇은 2nm의 서보제어가 가능한 매우 정밀한 로봇으로 힘에 있어서도 매크로 로봇은 자신의 무게에 못미치거나 비슷한 힘을 내는 반면, 나노로봇은 자기 무게의 6배까지 들어 올릴 수 있으며, 누르는 힘의 경우는 50G까지 가능한 코끼리가 한 발로 서 있는 힘의 몇 배에 해당한다.
현재 독일을 비롯한 유럽에서는 마이크로와 나노기술을 거의 동일시하고 있는데, 기존의 클래식한 기술과는 완전히 다른 차원으로 핸들링과 조립 시스템에 있어 새로운 한 축을 긋고 있는 마이크로-나노기술의 특징은 다음과 같다.
Task 1. 1μm보다 높은 위치 정밀도
마이크로-나노기술의 특징 첫 번째는 1μm보다 높은 위치 정밀도를 꼽을 수 있다.
현재 고정밀도를 요구하는 휴대폰 산업에 있어서 생산 라인에서는 일반적으로 20μm의 정밀도를 갖고 있고, 이 중 특별한 조립 라인은 10μm까지의 정도를 요구하기도 하는데, 이 시스템은 일정한 온도와 장소에서 사용할 때 약 5μm의 정밀도까지 발휘한다. 또한 유리 섬유 조립의 경우 순간적으로 3μm를 요구하며, 점차 1μm까지 요구하게 된 것이다.
1μm는 빛과 빛이 만나는 정도까지로 표현되었으나, 이제 마이크로-나노미터로 발전하면서 빛과 빛이 정확하게 합체하는 느낌을 받을 정도의 정밀도까지 갖게 되었다.
이처럼 시장이 마이크로-나노미터의 정밀도를 요구하는 이유를 실제 산업에서 예를 든다면, 이전에 LCD TV 화면의 고장이 발생했을 때 이전에는 TV를 그대로 뜯어서 수리를 하게 되지만 마이크로-나노기술을 이용하면 LCD 화면의 고장을 발생시키는 픽셀 하나 하나를 그 모습 그대로 수리할 수 있다는 것이다.
Task 2. 20nm보다 더 정밀한 측정
마이크로-나노기술의 특징의 두 번째는 20nm보다 더 정밀하게 측정한다는 점이다.
이러한 정밀도를 측정하기 위해서는 전자현미경(SEM)밖에 방법이 없는데, 이를 이용해 마이크로-나노 파트를 살펴볼 수 있으며 적용하는 단계로 넘어간다. 한 가지 예로서, 유리섬유 끝에서 마이크로 단위의 요소들을 조립하는 공정이 있는데, 높은 정밀함이 필요한 본드 접착과정이다. <그림 3>은 조립 부분의 SEM 영상을 보여주며, 이 a, b, c의 사이의 접착이 강하다면 파괴될 위험이 있고, 또 접착력이 너무 약하다면 자유롭게 흔들리게 되어 놓칠 수 있다는 위험이 있기에 이를 조절할 수 있는 기술이 바로 마이크로-나노기술의 핵심이 된다.
<그림 3>에서 a는 마이크로 팁(Microtip), b는 유리섬유, c는 힘 센서의 측면을 가리킨다.
Task 3. 가장 작은 공간에서의 다자유도 제어
매우 작은 공간인 나노 세계에서도 핸들링과 조립 등의 다양한 움직임이 필요하다. 이러한 나노 기술을 적용할 수 있는 나노 공간은 옆에서 소개하고 있는 전자현미경으로 확인할 수 있으며, 작은 액추에이터로 이들을 조작할 수 있다. 아무리 작은 공간이라 하더라도 그 안에서 액추에이터들을 통해 생산공정을 가능케 하는 것이다.
Task 4. 모듈 호환 시스템
이번에 소개할 마이크로-나노기술의 특징은 앞의 세 가지와는 다른 그립(Grip)하는 기술이다. 어떤 물체를 잡기 위해서는 그리퍼가 필요한데, 나노 세계에서는 대상물이 눈에 보이지도 않고, 중력보다도 가볍기 때문에 상당히 높은 기술력을 요한다.
따라서 이러한 물체를 잡기 위해서 중력보다 더 센 힘을 이용하게 되는데, 예를 들어 손가락 끝이 수면에 닿으면 물방울이 올라붙는 표면 장력과 같은 원리를 이용하는 것이다. 바로 이 기술을 나노 액추에이터에 적용하는 것이다.
하지만 나노 세계에서 그립 기술보다 더 중요한 것이 바로 놓는 기술이기 때문에 이를 더 어렵다고 느끼고 있다. 물체 한 개를 잡을 때와 놓을 때의 힘이 모두 다르기에 그리퍼와 관절 쪽에서 받는 힘이 다를 수밖에 없으며, 그 조절에 있어 상당한 어려움을 겪는다.
이를 매크로 산업용 로봇과 대비시켜 설명한다면 매크로 로봇의 경우 팔이 매우 중요하고 그리퍼는 부속적인 부분이라 할 수 있다. 그러나 나노로봇은 그렇지 않으며, 오히려 팔보다도 그리퍼가 더 중요하다. 이러한 기술을 통해 이전에는 사람이 하나 하나 옮겨왔던 광섬유들을 X, Y, Z축의 3축 로봇이 가능케 해주고 있다.
* 전자현미경 - 보통 사물을 보는데 사용했던 기존의 광학현미경은 몇 mm 정도의 오차가 허용됐지만 전자현미경 같은 경우는 센서가 있는 바닥에 물체를 놓고 현미경 끝의 깔때기 모양에서 전자를 쏨으로써 표면을 보게 된다. 즉, TV 주파수와 같이 각 지점마다 전자를 쏘아 반사되는 거리를 계산함으로써 물체의 상을 파악하게 되는 것이다.
때문에 이렇게 반사파를 이용한 거리 파악은 소프트웨어적으로 속도가 느리기는 하지만, 초당 30장 정도로 인간의 눈으로는 정지하지 않은 것처럼 보인다.
앞으로 나노기술이 발전하면서 광학현미경으로는 볼 수 없다는 취약점으로 인해 전자현미경 시장의 확대가 기대되고 있는데, 전자로 측정되는 현미경이지만 거리뿐만 아니라 반사비율로 컬러를 알아내기도 하는 데이터 판단이 가능한 현미경이다.
Task 5. 나노 세계에서의 조립을 가능케 하는 핸들링 비법
그리퍼가 물체를 옮기는 일을 할 때는 그리퍼의 조절을 위해 위치를 측정해주는 센서가 필요하다. 이것은 센서 통합으로 가능한데, 통합된 초정밀 위치센서의 허용오차는 ±2nm라고 하니 매우 정확한 편이다.
이를 위해 패턴 인식을 이용하는 방법도 있지만 이것은 고가이기 때문에 나노모터를 이용한 마이크로 그리퍼는 높은 정밀도의 핸들링을 가능케 하는 적절한 해결책이 된다.
일반적으로 매크로 로봇은 몸체 안에 모터와 센서가 내장되어 있어 서보 제어가 가능한데, 나노로봇도 위치 센서가 내장되어 있기 때문에 이러한 제어가 가능하다.
Task 6. 힘 센서가 내장된 마이크로 파트와 그리퍼
마이크로-나노기술에 사용되는 또 하나의 특징은 힘 센서가 내장되어 있다는 점이다. 따라서 어떠한 물건을 잡을 때 실제로 그것이 무엇인지를 느끼게 되는데, 머리카락만한 굴곡이 있을 때에도 촉각과 같은 센서를 사용하게 된다. 인공피부와 같은 것으로, 마이크로-나노세계에서는 이러한 특징이 매우 중요하다.
이러한 기술을 적용하여 큰 효과를 본 것이 접착기술이다. 매크로 기술에서는 접착하는 것이 그다지 어려운 일이 아니지만, 마이크로 기술에서는 불가능한 경우도 많다.
실제로 기존의 마이크로 세계에서는 접착에 있어 표면적과 함께 부피감이 있어서 그 자체가 방해 요인이 되었다.
하지만 힘 센서가 내장되어 더욱 업그레이드 된 마이크로-나노세계에서는 접착은 하되 부피감이 거의 없는 작업이 가능해졌다. 접착제 성분과 공기가 화학적인 반응을 일으켜 접착하는 방식으로, 이로 인한 부피가 거의 없기 때문에 작업에도 무리가 없다.
Task 7. 무중력 상태에서의 운반
마이크로 부품의 사이즈가 마이크로 그리퍼의 뾰족한 끝보다 더 작아질 때, 또 다른 운반방법이 있다. 바로 중력의 영향을 이용하는 것이다. 그러면 다른 힘보다 더 작게 물체를 핸들링 할 수 있다.
전자현미경이 이러한 과정을 가능케 하며 관련된 도구 역시 발전시키고 있다. 즉, 나노 매니퓰레이터는 1nm 단위까지 제어할 수 있어 마이크로-나노기술에서의 커팅, 스크랩, 그리핑 등의 여러 가지 기능이 가능하다.
Task 8. 통합된 다기능 센서
마이크로-나노기술을 가능하게 하는 또 하나의 기술은 통합된 다기능 센서이다. 초정밀 나노시스템과 같은 경우는 16축이 움직일 정도로 정밀함은 물론, 하나의 공장을 보는 듯한 모습을 가지고 있다.
특히, 통합된 다기능 힘 센서는 비전 컨트롤 시스템 옆에서 더욱 중요한 역할을 담당하는데, 2nm의 도구만으로 조이스틱과 같은 컨트롤이 가능하며 원하는 문제에 대한 해결책을 제시한다.
즉, 초정밀 나노시스템의 조작자가 수동으로 컨트롤하면 다기능 센서의 센싱으로 스테이지에서 매우 작은 마이크로-나노 로봇들을 원하는대로 컨트롤하는 것이다.
이 같은 힘 센서와 매니퓰레이터가 만드는 공간은 100nm 정도로 액추에이터가 움직이는데 충분하며, 마찰과 점착, 파손한계, 탄력 등의 환경 변화에 따라 더욱 높은 해결책을 제시할 수 있다.
또한 통합된 다기능 센서는 z축과 마이크로 그리퍼 사이의 조립을 돕기도 한다.
Task 9. 세상에 존재하는 가장 작은 공장으로서의 독립된 스테이지
지금까지 존재했던 표준형 기술이 마이크로-나노세계로 넘어오며 그다지 중요한 것이 아닌 것처럼 되어 버렸다. 굳이 표준형 기술이 없더라도 플라스틱에 직접 공장회로를 만들 수도 있게 된 것이다.
기존에는 어떤 제품의 생산을 위해서 설계를 한 후 다음 단계로 옮겨져 생산을 했었지만, 마이크로-나노세계에서는 나노시스템에서 설계를 함과 동시에 그 설계대로 제품이 바로 생산된다. 예를 들어 헬리콥터를 만든다고 가정하면, 프로펠러를 설계함과 동시에 사출성형에 들어가 제품을 만들어내는 것이다. 이 과정은 생산라인으로 가기 바로 전 단계로 반제품을 만드는 스테이지로 볼 수 있다. 실제로 이 같은 과정을 거쳐 마이크로-나노로봇으로 뼈에 삽입하는 초정밀 헤드폰을 만들기도 한다.
세상에 존재하는 가장 작은 공장으로서 독립된 스테이지들이 협력사인 IBM의 도움으로 네트워크로 연결되어 있다.
Task 10. 마이크로-나노세계에서의 접착기술
마이크로-나노기술이 어렵다고 하는 많은 이유 중 접착 기술은 나노로봇 전문가들에게 단연 손꼽히는 애로사항이다. 때문에 마이크로-나노세계에서의 접착기술을 발전시키기 위해 다양한 사이즈와 재질로 시험해 보는 등 지속적인 연구가 진행되고 있기도 하다.
바로 이러한 기술들을 바탕으로 마이크로-나노기술은 그야말로 하나의 공장으로서의 역할을 해내며 새로운 패러다임을 만들어내며, 이전의 생산라인보다 더욱 정밀함을 요구하는 생산시스템의 문제점을 해결하고 있다.
NanoRobot Company Introduction
Klocke Nanotechnik
1992년 ‘나노모터(Nanomotor)’라는 새로운 개념의 제품을 처음 개발한 Klocke 박사는 현재 독일의 나노로봇 전문기업인 Klocke Nanotechnik의 대표로서 나노로봇 기술의 발전과 시장확대에 힘쓰고 있다.
1나노미터 정도를 가진 모터를 처음으로 상용화한 Klocke 박사는 전 세계에서 가장 작고 정밀한 리니어모터인 나노모터를 개발한 후 현재 200여개가 넘는 나노로봇 컴포넌트를 기반으로 Microassembly Stages, Wafer Prober, Scanning Probe Microscopes, Profilometer와 같은 독립된 장비들을 제공하고 있다. 이 컴포넌트들은 일반적인 매크로 로봇과 마찬가지로 통합된 나노로봇 시스템을 제공할 수 있는데, 모든 생산공정이 하나의 테이블 위에서 이뤄지는 혁신을 가져왔다.
이 나노로봇은 세상에 소개된 후 짧은 기간 동안에 새로운 기술과 제품으로 혁명을 일으키며 많은 관심을 받고 있는데, 현재 연구개발에서 양산단계로 준비하는 등 본격적인 나노로봇 시대를 선도하고 있다.
www.nanomotor.de
TEL. +49-(0)2408-95099-20
