공간활용도를 높이고 간섭을 최소화하기 위해 로봇 및 자동화 장비들이 점차 콤팩트해지고 있다. 이와 더불어 각종 센서 시스템의 진보도 괄목할 만한 수준에 이르렀다. 본지에서는 세계적인 동적 기술의 선두주자 키슬러 그룹의 스테판 샤페 매니저가 전하는 소형화 기술의 트렌드를 소개한다.

가장 작은 힘을 측정할 수 있는 공간절약형 소형 디자인

기술의 소형화는 오랜 세월 이어져온 트렌드이다. 디바이스와 그 부품들은 점점 더 작아지고 있는 반면에 많은 기능을 제공해야 하는 기술적 요구사항은 늘어나고 있다. 특히 전자 부문 제조사들은 기술 디바이스와 제어 구성요소를 더 작게 디자인하고 있다. 하지만 이는 생산 시점에서 상당한 난제가 된다. 제조사들은 생산된 모든 부품들이 동일한 품질임을 보장할 수 있어야 하고, 동시에 생산 분야 역시 변화에서 유발되는 새로운 요소에 맞추어 끊임없이 적응해야 한다.

스마트폰은 우리 일상의 친구이다. 높은 기능성을 제공하지만, 작고 최소화된 디자인 덕분에 아주 작은 공간만을 차지한다. 자동차의 계기판(Dashboards) 역시 마찬가지이다. 공간은 더욱 작아진 반면 다양한 기능의 디스플레이와 제어요소의 수는 점점 늘어나고 있다. 두 사례 모두 요건은 같다. 만족스러운 디바이스 작동을 위해서는, 기능과 햅틱이 함께 완벽한 시너지 효과를 내며 작동해야 한다. 이 두 가지 사례를 이용해 이와 관련된 요소에 대해 설명하고자 한다.

기능 - 모든 것을 버튼 하나로

스마트폰의 핵심 요소는 ‘홈 버튼’이다. 사용자는 홈 버튼으로 정확하게 메뉴를 검색할 수 있으며, 동시에 복수의 기능들을 수행할 수 있다. 예컨대 한 번 클릭해서 앱을 종료할 수 있고, 두 번의 클릭으로 새로운 메뉴를 열거나, 길게 누름으로 다른 기능을 열 수 있다. 마찬가지로 자동차의 전자식 파킹 브레이크(EPB)의 제어 스위치 역시, 작동시키면 비탈길에 주차해도 굴러가지 않는다는 것을 믿을 수 있어야 한다. 운전자가 항상 이를 신뢰할 수 있어야 한다. 파킹 브레이크의 오작동은 운전자의 신뢰 상실로 이어질 수 있고, 운전자의 생명은 물론 보행자와 다른 도로 이용자들의 생명을 위태롭게 할 수도 있다.

두 사례 모두 작은 스위치 한 개의 오작동만으로 제조사의 경제적 손실을 초래할 수 있다. 예를 들면 애플은 아이폰5 모델에서 결함이 발견된 후, 모든 관련 디바이스에서 ‘슬립/웨이크 버튼’ 기계장치를 자비로 교체해야 했다.

햅틱 - 중요한 것은 느낌이다

디바이스 작동과 관련한 햅틱의 기능은 사용자의 만족도에 아주 중요한 요소이다. 제품을 사용할 때의 느낌이 소비자의 기대를 만족시켜야 한다. 스마트폰의 홈 버튼이 그저 작동하는 것에 그치지 않고, 사용자에게 성공적으로 작동했다는 신호를 보내야 한다. 그 느낌은 햅틱 피드백의 결과이다(촉각, 청각, 또는 시각일 수도 있다). 이 피드백은 해당 기능이 시작되었음을 사용자에게 인식시키는 수단으로서의 역할을 하게 된다.

균일한 작동 콘셉트는 운전자에게 안전한 주행 경험과 높은 만족도를 제공한다. 자동차에는 다양한 공급업체의 부품들이 들어 있음에도 불구하고, 운전자는 모든 스위치와 기계장치가 일정하게 작동하고, 이를 활성화시키는데에 운전자가 예상한 정도의 노력만 필요할 것을 기대한다. 사실, 다양한 수준의 노력은 운전자가 스위치의 활성화를 느낄 수 있도록 도와주기도 한다. 자동차의 파킹 브레이크를 작동시키거나 비상등을 켜는 것이 자동식 창문이나 윈드실드 와이퍼 컨트롤(Windshield Wiper Control)을 작동시킬 때보다 더 많은 물리적 힘이 필요한 것이 그 예이다.

100% 테스트 완료, 100% 정밀

누구나 스위치를 작동시킬 때에는 그에 따른 결과를 기대하기 마련이다. 따라서 햅틱 및 기능 테스트는 100% 품질 보증이 보장되어야 한다. 각각의 개별 스위치에 대한 제조사의 꼼꼼한 확인만이 표준 미달의 부품이나 고장 부품을 초기에 걸러낼 수 있다. 품질 테스트 과정에서 센서가 스위치를 작동시키는데 드는 작용력을 측정하고, 그렇게 측정된 경로, 즉 힘 플롯(Path-force Plot)을 바탕으로 양호/불량을 평가한다. 확인된 ‘불량’ 부품은 바로 걸러낼 수 있다. 이를 통해 불량 부품이 실수로라도 설치될 일이 없어져, 100% 품질 보증뿐만 아니라 생산 비용 역시 줄어들게 된다.

계측 정밀성의 보장과 휨 모멘트(Bending Moments) 등으로 인한 측정 오류를 배제하려면, 센서에서의 힘 적용 면적은 물론 센서 자체도 최대한 작아져야 한다. 센서의 크기 역시 테스트 자동화에서 중요한 역할을 한다. 이러한 용도에서는, 센서 설치에 사용 가능한 공간이 아주 작은 경우가 많기 때문이다.

그렇다면, 가장 작은 힘을 어떻게 아주 정밀하게 측정할 수 있을까?

키슬러의 타입 9217A

고성능

소형화 추세는 제조사에게 도전과도 같다. 이것은 부품이 이용할 수 있는 공간뿐만 아니라, 측정 센서에 필요한 공간도 축소시킨다.

소형화에는 여러 가지 핵심 요건들이 필요하다.

? 소형 디자인 : 작은 스위치를 사용하는 컴포넌트 추세에 발 맞춰, 센서 역시 서로 인접 설치된 버튼들을 테스트할 수 있을 만큼 작아져야 한다.

? 고정밀 : 고측정(High-measurement)과 반복 정확도는 제품 품질과 사용자의 만족도를 보장하는데 중요한 역할을 한다.

? 높은 과부하 : 컴포넌트가 잘못 삽입되었을 때, 과부하를 견디지 못하여 손상되는 센서는 반드시 교체되어야 한다.

? 넓은 측정 범위 : 매일 사용되는 제품의 소소한 작용력은 일반적으로 0.1N부터 500N까지의 범위에서 측정된다.

기계 구조에 맞춘 간단한 센서 개조

한 단계 더 나아가다

작은 공간과 높은 정밀성은 센서 시스템에 상당한 부담을 주지만, 미니어처 압전형 힘 센서(Miniature Piezoelectric Force Sensor) 기술과 같은 첨단 기술 개발로 이러한 요건들을 충족시킬 수 있다.

이렇게 작아진 계기들은 가장 작은 힘 적용 면적에서도 아주 정밀한 측정이 가능하며, 스위치와 키를 테스트할 때에도 뛰어난 반복성과 높은 분해능을 발휘한다. 동시에 이 센서들은 매우 튼튼하고, 과부하에도 안전하며, 다른 센서 기술들보다 내구성도 뛰어나다.

세계에서 가장 작은 이 힘 센서는 최대 직경이 6.1㎜, 전체 높이는 23.3㎜에 불과하지만, 20~200N까지의 힘을 측정할 수 있다.

압전형 센서는 스트레인 게이지 센서(DMS)에 비해 가격/성능비가 우수하다. 후자는 어댑터를 이용해 생산 라인에 통합시켜야 하지만, 압전형 힘 센서는 외부 스레드를 통해 마운팅 플레이트 위에 직접 설치할 수 있어 복잡하고 값비싼 레코딩 요소의 설계가 필요 없다. 또한 이런 종류의 마운팅은 여러 가지 센서들을 협소한 공간 안에 배치시킬 수 있어 조밀하게 배열된 일련의 키들을 테스트하기 쉽다.

미래에는 장비들이 점점 더 소형화될 것이다. 하지만 지속적인 첨단기술들의 발전으로, 제조사들은 가장 작은 어플리케이션에 대해서도 새로운 기준을 확립할 수 있게 되었다.

(주)키슬러코리아 www.kistler.co.kr