할바흐 자석 배열을 적용한 선형 공진 액추에이터의 진동 성능 향상에 관한 연구

Abstract

인간과 기기가 촉각을 기반으로 정보를 주고받는 햅틱(Haptic) 기술은 소형 모바일 기기, 자동차, 의료기기 등에 널리 사용되고 있다. 사용자는 촉각 정보를 통해 현장감과 몰입감을 더 느낄 수 있게 된다. 이러한 촉각 정보를 전달하는 장치가 햅틱 액추에이터(Haptic actuator)이다. 단순히 진동을 발생시키는 기능 이상으로, 촉각 정보를 사용자에게 전달하기 위해서는 큰 진동 가속도, 빠른 반응 속도, 넓은 진동 주파수 대역 등의 성능이 요구된다. 스마트폰에 흔히 사용되는 햅틱 액추에이터는 보이스 코일 모터(Voice coil motor, VCM)와 기계적 스프링을 이용하여 공진을 발생시키는 선형 공진 액추에이터이다. 크기가 작고 생산 비용이 저렴하며 내구성이 우수하지만, 가속도나 반응 속도, 주파수 대역 측면에서 햅틱 액추에이터로서의 요구 성능에 미치지 못한다는 단점이 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 압전소자를 이용한 액추에이터나 충격에 의한 임펄스를 이용한 액추에이터가 연구된 바 있다. 이러한 새로운 형태와 작동 원리를 적용한 액추에이터는 진동 특성 측면에서 기존의 선형 공진 액추에이터보다 더 나은 성능을 나타내었다. 그러나 크기와 생산 비용, 내구성이 기존의 액추에이터에 비해 떨어진다. 또한, Stroke sensing이 필요하거나 소음이 발생하는 등의 문제로 인해 휴대용 모바일 기기에 사용하기에 부적합하다. 본 연구에서는 압전소자나 다른 작동 원리를 적용하는 대신, 기존의 선형 공진 액추에이터에 할바흐 자석 배열(Halbach magnet array)을 적용하여 성능을 개선하고자 한다. 할바흐 자석 배열은 특정 방향으로 자화된 자석을 적층한 것으로, 한 면으로 향하는 자기장의 세기를 강하게 하는 특성을 갖는다. 이 자석 배열을 선형 공진 액추에이터에 적용하면, 구동력이 영구자석과 자성체 사이 공극의 자속 밀도에 비례하므로 액추에이터의 구동력을 강하게 할 수 있고 진동자와 고정자 사이에 작용하는 자기력의 세기를 증가시켜 시스템의 강성을 높일 수 있다. 결과적으로 더 강한 구동력으로부터 더 빠른 진동 가속도와 반응 속도를 얻을 수 있으며, 더 큰 강성으로부터 더 높은 고유진동수와 넓은 주파수 대역폭을 얻을 수 있다. 선형 공진 액추에이터의 구성요소인 자석부와 코일부, 솔레노이드 코어, 판스프링을 설계하였다. 자석부에 할바흐 자석 배열을 적용하였으며, 일반적인 자석 배열을 사용한 설계를 대조군으로 하였다. 자기장 유한요소 해석을 수행한 결과 영구자석과 솔레노이드 코어 사이 공극의 자속 밀도가 대조군보다 증가하였음을 확인하였다. 그 결과, 자기 스프링의 강성과 구동력의 세기 또한 증가하였음을 확인하였다. 유한요소 해석 결과를 바탕으로 질량-스프링-댐퍼 시스템을 모델링 하였다. 운동방정식을 2차 비선형 미분방정식으로 유도하고, 수치해석을 통해 진동 특성을 분석하였다. 향후 연구로, 액추에이터의 시제품을 제작하여 이론적으로 측정한 성능과 실제 성능을 비교하는 연구가 필요하다. 비교 결과로부터 이론적 분석의 타당성을 검증하고 각 산업 분야에의 적용 가능성을 검토해야 한다.