3D 프린팅·IoT·비전센서 등 다양한 분야 기술들 선정돼

2018년 10대 기계 기술이 선정되었다. 여기에는 3D 바이오프린팅, IoT 기반 선박 엔진 모니터링 시스템, 무인수상정, 드론용 로봇팔 등 4차 산업혁명을 선도할 기술들이 포함되었다. 

한국기계산업진흥회는 11월 14일 ‘2018 기계의 날’을 개최하고, 이 자리에서 한 해 동안 국내에서 개발된 기계분야 우수제품과 기술을 선정하는 ‘올해의 10대 기계기술’을 발표했다.

▲ 올해의 10대 기계기술

1. 한국기계연구원·(주)로킷 - (인체 피부조직 재생용) 3D 바이오프린팅 공정·장비

 

‘3D 바이오프린팅’ 기술은 3D 프린팅 기술을 바탕으로 세포와 생체재료(Bio-ink)를 이용하여 인체의 조직과 장기를 제작하는 기술이다. 이 기술은 환부의 크기와 형상을 실시간으로 측정하여 정확한 프린팅이 가능하며, 환자의 환부에 직접 바이오잉크를 프린팅하기 때문에 빠르게 치유할 수 있다.

3D 바이오프린팅 장비는 환부의 위치, 크기, 깊이 등을 파악할 수 있는 스캐너와 환부에 직접 세포와 바이오 잉크를 프린팅 할 수 있는 디스펜서가 장착돼 있다. 또 환부에 위치, 크기, 깊이 등을 파악하여 프린팅 할 영역을 자동으로 계산하는 소프트웨어가 구축돼 있다. 특히 이 공정·장비는 곡면 프린팅이 가능해 손상된 피부 표면을 그대로 프린팅 할 수 있다.

▲ 대동물 환부 직접 3D 바이오프린팅 공정

이번 장비는 3가지 종류의 세포와 FDA 승인받은 생체 재료를 동시에 프린팅할 수 있으며, 프린팅 디스펜서의 구동 정밀도 10㎛ 이하로 매우 정밀한 프린팅이 가능하다.

이번 기술을 통해 다양한 환자 맞춤형 인공장기를 제작할 수 있는 3D 바이오프린팅 원천기술이 확보되었으며, 현재 동물 실험(소동물/대동물)을 통한 전임상 실험을 수행하고 있다.

2. 현대중공업(주) - IoT 기반 선박용 엔진상태 모니터링 및 진단 시스템

 

▲ 엔진별 운전 상태, 지표, 트렌드, 가동 정보 실시간 모니터링 화면

‘사물인터넷(IoT) 기반 선박용 엔진상태 모니터링 및 진단 시스템’은 선박 엔진 온도·압력 등을 실시간으로 모니터링하고 이상 신호가 발생하면 즉각 조치함으로써 엔진 수명을 늘릴 수 있는 시스템이다.

이 시스템은 장기 저부하 운전에 따른 저온 부식 등과 같이 선박 엔진 운전의 특성을 파악하는 알고리즘이 내장돼 있다. 이 알고리즘은 20년에 이르는 엔진 수명 관리 데이터에 기반하고 있으며, 이를 통해 엔진을 최적의 상태로 관리할 수 있다. 특히 엔진 제조사의 지식 기반 상태 추론을 통한 고장 진단 및 대응 기능도 탑재돼 있다.

또 IoT에 기반하고 있기 때문에 육상에서의 통합 관제 기능을 통해 여러 선박 및 사이트의 엔진을 동시에 관제할 수 있다.

이 기술은 스마트 선박 및 자율운항 선박의 핵심적인 기술로서, 향후 자율 운항 선박 관리 분야에서의 차별적 경쟁력 확보 차원에서 중요하다. 또한 이 기술을 통해 엔진 사후 관리 등 엔진 생애 주기 관리 서비스 분야로의 진출을 기대할 수 있다. 이 기술은 향후 육상 발전용, 선박 추진용으로도 확대가 가능하다.

3. LIG 넥스원(주) - 감시정찰용 무인수상정

‘감시정찰용 무인수상정’은 원격 또는 사전에 설정된 참조점을 경유하여 목표지점까지 제한적으로 자율운항하며, 접적해역 또는 작전기지 주변 연안의 레이더 사각지역 감시정찰 임무와 레이더 미탐지 접촉물에 대한 표적정보 전송 등의 임무를 수행하는 무인수상정이다. 

 

▲ 감시정찰용 무인수상정

통제소(육상기지, 함정)에서 통신이 두절될 때에는 제한된 자율모드로 주변 장애물(어선, 선박 등)을 회피하고, 사전에 설정된 복귀지점으로 돌아올 수 있도록 설계되어 있다. 이를 통해 향후 무인수상정을 활용하여 연안 감시정찰, 해양 재해/재난 현장의 신속 대응을 할 수 있을 것으로 보인다.

 

무인수상정 기술은 플랫폼, 자율운항, 원격통제, 임무수행 및 진회수 기술로 크게 분류할 수 있다. 이 중 해양 무인 체계의 중요 기술은 ▲고내항성 선체 설계 기술, ▲복합재 기반 마스트 구조설계 기술, ▲입자법 기반의 선체거동분석 기술, ▲참조점 기반 자율운항 기술, ▲자율운항 센서를 통한 장애물 회피 기술, ▲원격제어를 이용한 선체제어 기술 등이다.

 

무인수상정의 길이는 8ｍ, 무게는 3t이며, 최대 30노트(시속 54㎞) 속력을 낼 수 있다.

4. 서울대학교 - 접을 수 있는 드론용 초경량 로봇팔

‘가제트 팔’로 불리는 드론용 초경량 로봇팔은 종이접기 기술을 활용한 늘어나는 ‘드론용 로봇팔’이다. 이 로봇팔은 평소 길이 4㎝의 크기로 접혀있다가 필요 시 70㎝까지(17.5배)까지 늘어나 목표 기능을 수행하게 된다. 기존 드론용 로봇팔의 문제였던 크기와 무게 문제를 해결한 것이다.

 

▲ 접을 수 있는 드론용 초경량 로봇팔

이 로봇팔에는 가볍고 작게 접힐 수 있으면서도 내부 구조 변화를 통하여 높은 강성을 유지할 수 있도록 하는 종이 접기 기반 가변 강성 설계 기술과 하나의 구동기로 구조의 크기와 강성 변화를 동시에 만들어 낼 수 있도록 하는 구동 메커니즘 설계 기술이 적용돼 있다. 즉, 팔 내부에 뼈대가 없고 외형 구조 자체가 강성을 유지하게 해주는 것이다.

이번 기술은 드론의 로봇팔에 대한 부담을 줄여줘 드론의 활용도를 크게 높여 주는 기술이 될 수 있을 것으로 보인다. 또한 단순히 로봇 팔 형상뿐만 아니라, 큰 변형과 강성 변화를 함께 달성할 수 있는 구조 설계 방법이라는 것에서 다양한 로봇 및 가변형 구조물에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이 기술은 2018년 3월호 ‘사이언스로보틱스’지에 게재되었다.

5. 경희대학교 - 원경조정 및 탑승형 볼 로봇

 

▲ 원격조정 및 탑승형 볼 로봇

경희대학교에서 개발한 ‘원격 조정 및 탑승형 볼 로봇’은 사람이 탑승하거나 원격 조정으로 전 방향 이동이 가능한 볼 로봇이다. 이 로봇은 볼 형태의 바퀴(타이어) 하나로 움직인다. 바닥과 닿는 면이 구 형태의 타이어 한 점에 불과하지만 차량이 균형을 유지하면서 제자리 360도 회전, 직각 주행, 지그재그 주행 등 자유자재로 이동할 수 있다.

이 볼 로봇은 드로이드 프레임의 하부에 결합되어 자유로운 회전을 가능케 해주는 볼, 드로이드 프레임의 상부에 결합되어 탑승자가 앉는 착석부, 탑승자의 등을 받치는 등받이 등으로 구성돼 있다.

이 볼 로봇은 세계 최초의 탑승형 차량이며, 매우 큰 질량과 관성 모멘트의 역진자 구조의 균형 제어 시스템을 가지고 있다. 또한 큰 외부의 충격에도 균형을 유지하면서 정해진 위치로 제어되는 주행 제어 시스템도 탑재돼 있다.

뿐만 아니라 CMG에 의한 균형 보조, 3개의 모터와 옴니휠에 의한 볼의 벡터 구동도 가능하다. 이 볼 로봇의 타이어는 한국타이어에서 개발하였고, 프랑크푸르트 모터쇼에 전시한 바 있다.

6. 한국기계연구원 - 대면적 고속 금속 3D프린팅 장비·재료·공정

 

▲ 대형 하이브리드3D DED프린팅 장비

한국기계연구원 금속3D프린팅융합연구단 이창우 단장의 ‘산업 실용화를 위한 대면적 고속 금속 3D프린팅 장비, 재료, 공정 개발’은 금속분말을 레이저와 같은 고출력 에너지원을 사용해 적층하는 방식으로 3차원 형상을 제작하는 기술이다.

금속 3D프린팅 기술은 장비에 의존적인 플라스틱과 달리 장비는 물론 재료, 공정에 따라서 프린팅 성능이 좌우되는 융합적인 기술이다. 이 연구단은 DED(Directed Energy Deposition), PBF(Powder Bed Fusion), ME(Material Extrusion) 등 세 방식의 금속 3D프린팅 장비와 재료, 공정을 개발했다. DED 방식은 가공면의 상태에 따라 위치를 추적하며 적층이 이뤄지는 오토트래킹 기술을 확보하여 함정, 무기 등 국방 분야, 해양선박 등 대형 부품 개보수 분야의 상용화 가능성을 높였다.

또 대형 PBF 프린터의 프린팅 분해능을 향상시키기 위해 레이저 스캐너를 스테이지에 부착하여 이송하는 방식의 신공정도 개발했다. 티타늄 소재의 경우 공정속도도 기존보다 5배 빨라졌다. ME는 4종의 이형소재 프린팅이 가능한 멀티 헤드형 장비이다.

7. LG전자 - 인체 체온 특성을 고려한 비전 인체감지 천장형 에어컨

 

▲ LG전자의 인체 체온 특성을 고려한 비전 인체감지 천장형 에어컨

LG전자의 ‘비전 인체감지 천장형 에어컨’은 인체 위치에 따른 기류 제어와 재실자 수, 활동량을 이용한 비전센서 쾌적 제어 기술이 들어간 인공지능형 에어컨이다.

 

이 제품에는 Bumpless 사이클 로직을 적용하여 실내 온도를 안정적으로 유지할 수 있는 주파수 제어로직 기술도 이 제품은 ‘탑뷰(Top view)’ 기반의 화상 처리 장치로부터 획득한 이미지로 배경을 추출, 영상정보를 통해 인체다리 영상좌표와 호모그래피(homography)의 수학 연산을 통해 인체의 위치를 산출한다.

또 밝기 및 해상도가 낮은 경우 히스토그램을 평활화 하여 저저주파 영역의 대비도를 개선하고, 고주파 계수를 수정하여 대비도를 향상시킨다. 인체 움직임과 거리를 통해서는 대사량을 산출하여 활동량을 제어한다.

이 에어컨은 에너지 절약 기능도 탑재돼 있는데, 부재 시 on/off 제어로직에서 냉방 37.8%, 난방 35.4%를 절감한다. 특히 학교, 강당 등 재실자 이동이 빈번한 공간에서 에너지 절감효과가 높다.

8. (주)대주기계 - 초임계 CO₂를 이용한 섬유 염색 기술

‘초임계 CO₂를 이용한 섬유 염색 기술’은 물을 전혀 사용하지 않고 초임계 상태의 CO₂를 용매로 하여 섬유를 염색하는 차세대 친환경 염색 기술이다. 이 기술은 폐수를 발생시키지 않고 염색 공정에 요구되는 에너지 소비를 대폭적으로 절감할 수 있다.

 

▲ 370L급 Pilot 설비 및 이를 이용한 염색 시험

이 염색 기술은 초임계 CO₂ 염색 외에 고압 설비 및 고정 기술, 염색 공정 기술 등이 적용돼 있다. 고압 설비 및 고정 기술은 250bar, 120℃ 조건에서 사용할 수 있는 압력 용기 및 공정제어 기술로, CO₂를 액상→초임계→기상→액상으로 상변화시켜, 염색을 진행할 수 있다.

염색 공정 기술은 염료 및 섬유의 특성에 따른 최적 공정 기술로 염색성, 균염성, 견뢰도 등의 염색 성능을 확보할 수 있다.

본 기술은 초임계 유체의 압축, 팽창, 상변화 및 열교환 등 일련의 과정에서 발생하는 복잡한 열/유체역학적 현상에 대한 기초연구를 다년간 수행한 이후에 얻어진 것으로, 향후 초임계 유체를 기반으로 하는 다양한 응용공정에 활용될 수 있을 것으로 보인다.

9. 한양대학교 - 다목적 유/무선 자기로봇 및 자기 구동시스템

혈관중재 시술에서 쓰이는 기존의 카테터 및 가이드와이어는 끝단에 정밀한 힘과 토크를 전달할 수 없어 제어 및 치료에 한계가 있었다. 또한 시술 중 막힌 혈관과 카테터를 확인하기 위해 X선 촬영을 지속적으로 사용하며, 이는 의료진이 방사능에 장시간 피폭될 수밖에 없고, 의료진의 발암률 증가를 비롯한 다양한 부작용 위험이 있다.

기존의 한계를 극복하기 위한 유/무선 자기로봇은 자기 구동시스템이 생성하는 자기장을 활용하여 방사선으로부터 안전하게 원격 구동 가능하며, 끝단에 정밀한 자기력과 자기토크를 생성할 수 있다. 또한 자기 구동시스템은 혈관중재 시술 시 요구되는 터널링, 약물 및 스텐트 전달기능 수행이 가능하다.

 

▲ 자기 구동시스템 및 유/무선 자기로봇

이번 기술에는 자기 구동시스템의 설계 및 자기장 제어기술이 적용돼 기존 자기 구동시스템 대비 약 3배의 자기장 세기 증가가 가능한 고출력 자기장 생성이 가능하다. 또 혈관 환경 내 조향 및 이동을 위한 운동 제어기술은 혈관의 직경 변화 및 맥동류 등의 외란 속에서도 안정적으로 구동하는 무선 기술이다.

10. 한국과학기술연구원·휴마스터 - 휴미컨(Humidity Conditioner): 습도 제어 기반 에어컨

 

▲ 습도 제어 기반 에어컨 ‘휴미컨’

습도 제어 기반 에어컨 ‘휴미컨’은 고분자 휴시트(HuSheet)와 이를 활용한 열회수 환기겸용 데시컨트 제습 기술이 적용된 제품으로 기존 전기제습기(에너지효율 1등급) 대비 2배의 효율을 낸다.

휴시트는 고분자 흡방습/항균/항곰팡이 소재로 실리카겔 등 기존 제습제보다 흡습성이 4~5배 좋으며, 고분자 소재로 성형 및 가공이 용이하기 때문에 sheet 형태로 제품을 생산할 수 있다.

휴미컨은 휴시트의 장점으로 탁월한 제습 기능을 발휘할 뿐만 아니라 탈취/항균/항곰팡이 성능을 발휘한다. 또한 열회수 환기 기능도 포함하고 있어 에너지 친화적이고 쾌적한 주거 환경을 제공한다. 휴미컨을 사용하게 되면 에어컨 운전 시간을 대폭 줄일 수 있다.

이 제품은 습기, 결로, 곰팡이 문제 심각한 지하 공간에 대한 해결 방안을 제공한다. 또 단열 및 기밀 보강으로 제습 부하 비율이 크게 증가한 제로에너지 하우스의 냉난방 표준 설비로 발전할 수 있다.