연구분야 | 연구 : 한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부

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메카트로닉스공학부 연구

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1로봇 및 기계설계 로봇 및 기계설계 분야는 메카트로닉스 시스템의 하드웨어 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. 본 분야는 현대 산업과 미래 기술 발전의 기초를 이루는 중요한 기술로, 시스템을 구성하는 요소들이 정밀하게 제작되고 안정적으로 제어되도록 보장한다. 본 분야에 대한 교육과 연구 관련 지식은 메카트로닉 엔지니어들이 반도체 제조 장비, 로봇, 자동화시스템 등을 개발하는데 필요한 핵심 역량을 개발할 수 있게 한다.

2반도체장비 및 소자 반도체산업 분야는 우리나라 총수출의 20%를 차지하는 최대 수출품목이며, 2022년 고위기술산업군의 설비투자 중 77%를 차지하였다.(국회예산정책처, 2023 대한민국 경제) 반도체분야는 반도체를 제조하는 장비와 장비에 의해 제조되는 반도체소자로 나누어 볼 수 있다.

[반도체장비] 회로 선폭의 초미세화가 필요한 하이테크 반도체의 제조의 기술력과 경쟁력은 전적으로 반도체장비의 정밀도와 생산 효율성에 기반한다. 반도체 제조공정은 한 층 한 층 반복하여 여러 층을 쌓아 고층의 아파트를 건축하는 방법과 유사하며, 단계 1) 웨이퍼에 얇은 박막의 증착, 단계 2) 박막 위에 임시로 도포한 광민감성 레진에 회로패턴을 형성하는 사진묘화공정(photolithography), 단계 3) 패턴된 레진을 식각 마스크 삼아 증착된 박막을 식각하는 단계의 세 단계를 거쳐 한 층을 형성한다. 따라서 세 단계에 해당하는 증착장비, 노광장비, 및 식각장비 등이 대표적인 장비이며, 증착장비와 식각장비는 모두 진공챔버에서 반응가스의 플라즈마 형성을 기반으로 작동하는 장비이다. 메카트로닉스공학부 플라즈마연구실은 플라즈마 진공 장비 분야를 중점적으로 연구한다. ICP etcher에서 플라즈마 저항, 쉬스커패시턴스, 플라즈마전류를 측정하여 etch rate을 예측하거나, optical emission spectroscopy data를 기반으로 plasma density를 예측하는 모델을 연구하고 있다.

[반도체소자] 고전적으로는 반도체공정을 이용하여 제작되는 소자는 전자집적회로에 국한되었으나, 오늘날에는 MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)를 포함하는 센서분야까지 확대되었다. MEMS는 반도체공정을 이용하여 미세 기계구조물을 만드는 기술이다. 이는 작고 복잡한 센서, 액츄에이터, 밸브, 미러 등의 장치를 제조하는 데 사용된다. 일례로 핸드폰에 탑재된 가속도계, 각속도계, 마이크로폰, 압력센서 등이 MEMS 기술로 제작되는 소자들이다. 마이크로시스템연구실은 MEMS를 주도적으로 연구한다. 대표적으로 가속도계 및 각속도계를 포함하는 MEMS 관성센서 분야에서 정적성능 자동평가시스템 및 구적오차 저감을 위한 설계 기법 관련 연구를 수행하고 있다. SMALL연구실은 센서 분야를 연구한다. 구체적으로 소변에 잔류 중인 전립선암 치료제 약물 검출을 위한 센서, 의도적인 균열을 집어 넣어 측정 민감도를 대폭 향상시킨 압전물질 개발 및 이를 이용한 소리나는 곳의 방향을 감지할 수 있는 지향성 마이크로폰, Oleylamine functionalized boron nitride nanosheet을 첨가한 PVDF를 이용한 측정감도가 향상된 힘 센서 등을 연구하고 있다. 인터페이스연구실에서는 센서 및 생체신호 측정 ROIC(Readout Integrated Circuit)분야를 전문적으로 연구한다. 관성센서, 마이크로폰, 온도센서 등을 위한 ROIC, 체외에서의 심장전기신호(ECG: Electro Cardio Graph), 맥박신호(PPG: PhotoPlethysmogram), 혈압, 혈당 측정을 위한 초저전력 측정 집적회로, 체내에서의 신경신호 측정 및 조작 기능을 하는 전자약(Electroceuticals) 집적회로를 연구하고 있다.

3전기차 전장시스템 및 배터리 전장시스템과 고전압 배터리는 전기자동차 또는 미래 모빌리티 분야의 핵심기술이다. 메카트로닉스학부는 전장시스템과 고전압 배터리에 대한 활발한 연구를 수행하여 우수한 전문성과 고도화된 기술력을 보유하고 있다. 특히, 고전압 배터리의 설계 및 개발에 대한 경험을 보유하고 있으며, 응용연구가 활발하게 진행되고 있다. 배터리 셀 단위 뿐만 아니라, 배터리 모듈과 배터리 팩 단위까지 고전압 배터리의 모든 스케일에 대한 연구가 수행되고 있다. 배터리 셀 및 시스템의 내구성 분석, 배터리 시스템의 성능 및 안전성 향상을 위한 요소기술 개발, 교체식 배터리 시스템 개발 등의 연구들을 진행하고 있다.

4진동/제어/신호처리 진동, 제어, 신호처리는 각각 메카트로닉 시스템의 구조물 및 진동 해석, 원하는 성능을 발휘하도록 하는 자동제어기 설계, 센서를 통해 측정된 신호를 필터링 및 처리하는 분야로 대략적으로 설명 가능하다. 각기 서로 다른 분야이기는 하지만, Laplace 또는 z-변환, Fourier 변환, 주파수영역 및 상태공간 해석 등과 같이 핵심 해석기법 및 기술을 공통적으로 사용하는 측면이 있어 서로 같이 묶이기도 한다. 더 세부적으로는 다음과 같다.

[진동] 기계공학의 고급 분야 중 하나로 유연한 구조물(flexible structure)을 동적 시스템(dynamic system)으로 모델링하고, 다양한 입력에 대한 응답을 시간영역과 주파수영역에서 해석과 실험적인 방법으로 분석한다. 이를 통하여 초정밀·초고속 구동이 요구되는 첨단 기계시스템 구조설계를 수행하며, 다양한 설계 및 제어기법을 활용하여 구동 시 발생하는 진동을 억제 또는 차단함으로써, 빠르고 정교한 동특성을 가지며 사용자에게 편안한 환경을 제공하는 시스템 구축을 목표로 한다. 따라서 급격한 반도체 선폭 감소에 따른 요구 정밀도 증가, 디스플레이의 고선명화, 대면적화에 따른 정밀도와 유연성 증가, 고성능 모바일 디바이스의 높은 성능과 편안한 승차감 요구, 가전제품의 고급화 등 현대산업의 발전 추세에 따라 그 역할이 더욱 더 중요해지고 있다. 응용분야로는 첨단 반도체·디스플레이 장비 등 초정밀 기계 및 부품의 설계와 진동제어, 고성능 차량 및 열차 등 모바일 시스템의 조향 성능과 승차감 향상, 기계·건축 구조물의 내진 설계를 통한 지진 및 풍력 안정성 확보 및 피로 수명 증대, 제진 및 방진 시스템을 이용한 환경진동 및 소음 발생 저감, 진동측정과 인공지능을 이용한 기계부품의 상태진단 및 수명예측 등이 있다.

[제어] 기계 또는 메카트로닉 시스템은 보통 입·출력을 가져 그 자체로도 구동 가능하지만, 그럴 경우 안정성 및 원하는 성능을 보장하기가 어렵다. 또한, 모든 시스템은 모델 불확실성, saturation, dead-zone, hysterisis 등의 비선형성, 제어 및 예측이 불가능한 외란 등을 포함하는 관계로, 안정성 및 성능 보장은 더욱더 요원하게 된다. 그렇기 때문에 제어공학자는 제어기라는 특수한 시스템을 고안하여, 해당 기계 또는 메카트로닉 시스템이 그럼에도 불구하고 안정하면서 정확 및 정밀한 구동이 가능하도록 한다. 이 제어기는 주파수영역 또는 상태공간 해석, 복소해석학, 선형대수학, Lyapunov 안정도 등의 다양한 기법을 활용하여 설계되며, 많은 경우 마이크로프로세서에 구현되어 해당 시스템을 제어한다. 대표적인 제어기로는 PID 제어기, 앞섬-뒤짐 제어기, linear quadratic regulator(LQR), sliding mode controller, model predictive controller(MPC), backstepping controller, data-driven controller 등이 있다. 매우 다양한 응용분야를 가지고 있으나, 그 중 일부를 나열하자면 반도체장비의 강인 및 초정밀제어, 이동로봇 또는 자율주행차 등의 주행경로 자동추종제어, 드론의 제어, 모터제어, 로봇의 모션제어, 항공 및 항법 제어가 있다. 또한, 발전시스템이나 심지어 주식시장 예측, 생물학적 시스템의 해석 등에 까지도 적용 가능하다.

[신호처리] 메카트로닉 시스템을 제어하기 위해서는 보통 해당 시스템의 출력 값을 사용한다. 이러한 출력 값은 센서를 통하여 측정되며, 센서로부터 측정된 신호는 항상 측정잡음을 포함하고 있어 불확실한 정보가 된다. 이 측정잡음을 제거 또는 감소시켜 보다 정확한 신호 정보를 얻거나, 센서를 통하여 기 얻어진 신호를 우리가 원하는 형태로 조합 또는 변환해주는 모든 과정을 신호처리라 한다. 많은 경우, Fourier 변환을 통해 주파수 스펙트럼을 분석하여 불필요한 주파수 성분을 IIR 또는 FIR 필터를 이용하여 필터링하거나, Kalman 필터를 활용하여 신호를 필터링한다. 센서를 사용하는 공학적 시스템에 필수로 요구되는 분야이며, 영상처리 분야에서도 해당 기법을 응용한다.

5친환경 미래에너지 환경문제에 대한 전세계 관심도의 증가 등의 글로벌 트렌드에 맞추어, 친환경 미래에너지 관련 기술을 아래와 같이 연구하고 있다.

재생 가능 에너지 시스템의 열효율 개선

태양열, 지열, 그리고 바이오매스 에너지 시스템에서의 열 효율 개선 연구

에너지 변환 과정에서의 열 손실 최소화 및 에너지 회수 기술 개발

마찰대전 정전기 발전기 (Triboelectric Nanogenerators, TENG)

마찰대전과 정전기 유도 간의 상호 작용을 이용하여 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환 및 이를 응용하여 주변의 버려지는 에너지를 수확하는 기술

Multiscale 해석을 활용한 열처리가 필요없는 친환경 금속재료 개발

자동차 경량화를 위한 고강도, 고기능 구조 재료 개발

발전소 열효율 향상을 위한 고온용 내열 소재 개발

6AI 및 지능화 메카트로닉스 분야에서 AI 및 지능화 기술을 활용하여 기계시스템의 자율성, 자동화 및 효율성을 향상시키는 것을 목표로 한다. 자율주행차량, 로봇공학, 스마트 제조시스템, 의료기기 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며, 이를 통한 혁신적인 제품과 서비스를 개발하고 생산성을 향상시키는데 기여하고자 한다.