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다양한 스트레인 센서로 알아보는 스트레인 측정 방법

일반적인 스트레인 게이지의 모양 (출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Strain_gauge)

스트레인이란 물체에 외력이 작용했을 때 물체가 변형하는 정도를 뜻한다. 이를 통해 물체가 얼마나 변화했는지를 측정할 수 있다. 스트레인 게이지, 압저항 센서, 압전 센서, 광섬유 센서 등 다양한 스트레인 센서를 통해 스트레인을 감지하는 여러 방법을 알아보자.

스트레인 게이지는 유연한 판과 그 위에 특정 패턴으로 배열된 금속 호일이나 와이어로 구성된다. 해당 센서가 부착된 물체가 변형되면 금속 호일 혹은 와이어가 같이 변형되고, 이에 따른 전기 저항의 변화가 일어난다. 이 변형량을 계산하여 스트레인을 측정한다.

압저항 센서는 외부 압력에 의해 물체가 변형되면 물체 내부에서 바뀌는 저항을 인지하는 ‘압저항 효과’를 이용한다. 금속 또는 반도체 같은 전도성 재료에 힘이 가해지고, 이에 의한 저항의 변화를 측정해 물체의 변형량을 측정한다.

압전 센서는 압전소자의 특성을 이용한 센서다. 이 센서는 압력을 받으면 전하를 생성하는 특수한 재료로 만들어졌기 때문에, 외부에서 압력을 가하면 센서 전체에 전하분포가 발생된다. 이후 전압 측정기 등을 이용해 힘 또는 압력의 양을 계산한다.

광섬유 센서는 광섬유 내부에 격자를 새긴 뒤 빛을 통과시켜, 격자가 변화한 형태를 통해 스트레인 정도를 측정한다. 섬유가 늘어나거나 꺾이면 격자의 형태가 달라지고 빛의 굴절률도 변하는 현상을 이용한 것이다.

스트레인 센서, 변화를 감지해 안전을 지키다.

스트레인 센서는 교량의 미세한 균열을 측정하기 위해 사용된다

이러한 스트레인 센서는 물리적인 변화를 측정하는 것이 매우 중요한 건축, 항공·우주 산업, 의료 산업 등에 사용된다.

건물·교량·댐과 같은 구조물은 바람이나 하중 등에 의해 변형될 수 있고, 이것으로 큰 사고가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 스트레인 센서를 설치해 구조물의 외형적 변화를 실시간으로 측정함으로써 그 상태를 점검한다. 건물 외벽 등에 균열이 발생하는 것을 미리 측정하기 위해 스트레인 센서를 설치하기도 한다.

이와 비슷하게 구성 요소의 작은 변형 때문에 큰 사고가 발생할 수 있는 항공·우주 산업에도 널리 쓰인다. 작은 균열을 방지하는 기술을 개발하기 위해, 기체 등을 이루는 재료에 압축·굽힘·비틀림 등의 하중을 가하고, 스트레인 센서를 이용해 재료 및 기계 구조들이 다양한 조건에서 어떻게 반응하는지 등을 점검한다. 이를 통해 개발된 기술로 더 안전하고 효율적인 항공기를 설계한다.

안전을 위해 늘리고 붙이는 기술, 스킨트로닉스

스킨트로닉스 기술은 로봇 등에 적용될 인공 피부에 활용될 수 있다

이렇게 스트레인을 측정하는 스트레인 센서는 일명 ‘스킨트로닉스(Skintronics)’의 핵심 기술이다. 스킨트로닉스는 전자기기, 인간 피부 어디에나 부착되어 감각을 입출력하고 모사하는 기술이다.

스킨트로닉스는 의료·재활분야에 활발하게 이용될 전망이다. 해당 기술이 적용된 센서를 통해 인체 표면이나 내부의 근육과 뼈조직의 움직임, 장기의 변형 등을 추적한다. 스킨트로닉스 기술로 운동 중 근육의 변형을 모니터링하고 피부 표면에 가해지는 압력 변화를 감지하기 때문에, 이를 통해 얻은 정보를 기반으로 재활치료를 더욱 발전시킬 수 있다.

스킨트로닉스를 인공 전자 피부 기술에 적용해, 인체와 비슷한 팔·다리·손·발 등도 제작할 수 있다. 또한 외력에 의한 로봇의 변형을 측정하여 로봇 동작의 정확성과 안전성도 향상시킬 수 있어 인간형 스마트 로봇 등에 활용 가능하다.

ETRI 스트레인 센서를 피부에 부착한 모습

이렇게 다양한 공공기술로의 응용이 가능한 스킨트로닉스는 ETRI가 개발한 ‘피부 부착 스트레인 센서’ 기술 덕에 한 단계 발전될 전망이다.

ETRI의 스트레인 센서는 세계 최초로 늘어나는 크기와 방향을 동시에 잴 수 있는 기술이다. 센서가 스트레인 값을 출력하는 과정에 AI 알고리즘이 적용되어, 측정 정밀도가 98 %에 달한다. 저렴하지만 인체에 무해한 소재 위에 회로를 인쇄해 간단하게 제작할 수 있다는 장점도 있다. 이를 통해 착용형 재활 기기 등의 가격을 낮추면서 성능은 높일 수 있을 것으로 예상된다.

우리 생활 많은 부분의 안전을 담당하고 있는 스트레인 센서와 스킨트로닉스. 이 기술에 ETRI가 보유하고 있던 기술과 이번에 새로 탄생한 기술을 더해 더 안전한 세상, 보다 쉽게 건강해질 수 있는 미래를 하루빨리 맞이할 수 있기를 바라 본다.