PCB 기반의 초소형 모터 : 참신한 아이디어와 중꺽마 정신

 

1.개요 소개

제가 구독하고 있는 'Carl Bugeja'의 유튜브 채널에 최근 영상이 하나 업데이트 되었기에 이 기회에 소개해 볼까 합니다. 한 엔지니어가 작은 PCB(인쇄 회로 기판) 위에 코일을 감아 모터를 만들면서 시작된 놀라운 여정과 관련된 것입니다. 

 

 

위 영상은 PCB(인쇄 회로 기판) 기반의 초소형 모터를 개발해 온 Carl의 여정을 보여줍니다. 시작은 단순한 아이디어였지만, 그는 a모터의 권선(coil) 구조 최적화, 마찰 감소, 내구성 강화와 같은 수많은 문제들을 해결하며 설계를 개선해 나갑니다. 최종적으로 이 모터는 저전력 브러시리스 모터로, 통합 드라이버 칩과 세라믹 베어링을 활용해 뛰어난 성능과 내구성을 확보할 수 있게 됩니다. 다양한 테스트 끝에 37,000RPM 속도에서도 안정적으로 동작하는 훌륭한 결과물로 말이죠. 현재 해당 기술은 학생과 엔지니어들이 사용할 수 있도록 개방된 플랫폼으로 제공되며 실제로 구매도 가능합니다.

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2.어떤 기술인지?

Carl Bugeja가 개발한 PCB 모터는 경량화, 저전력, 고효율을 갖춘 혁신적인 브러시리스 모터 기술입니다. 그가 개발한 기술을 몇 가지로 요약해 보면 다음과 같습니다. 

2.1. PCB 모터 (Printed Circuit Board Motor)

• 인쇄 회로 기판(PCB) 위에 코일을 배치하여 코어리스 브러시리스 모터를 설계했습니다.
• 컴팩트하고 경량화된 구조로 기존 모터와 비교해 공간 효율성이 뛰어납니다.

2.2. 고효율 권선 구조

• 동심형 와인딩을 사용해 높은 토크를 제공하면서도 저항과 손실을 최소화했습니다.
• 코일 두께와 길이를 최적화하여 전기 저항과 열 발생을 줄였습니다.

2.3. 통합 드라이버 칩

• 모터 구동에 필요한 IC 드라이버를 PCB에 직접 통합하여 저전력 제어와 속도 조절을 가능하게 했습니다.
• PWM 신호를 통해 속도를 제어하고 RPM 피드백을 제공할 수 있습니다.

2.4. 3D 프린팅 로터와 널링 기법

• 3D 프린팅을 활용해 로터를 경량화했으며, 널링(knurling) 기법으로 베어링과 부품을 안전하게 고정했습니다.
• 이를 통해 고속 회전에서의 내구성을 확보했습니다.

2.5. 고성능 세라믹 베어링

• 마찰을 최소화하고 내구성을 높이기 위해 세라믹 볼 베어링을 채택했습니다.
• 정확한 공차와 고품질 베어링을 사용해 회전 안정성과 효율을 개선했습니다.

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3.어떤 개발 여정을 거쳤는지?

3.1. 첫 시도와 초기 아이디어

• 6년 전인 2018년, 인쇄 회로 기판(PCB)에 코일을 올려 초소형 모터를 제작하는 아이디어를 떠올렸습니다. (첫 영상)

사진 : PCB 기반 초소형 모터

3.2. 효율과 성능 개선을 위한 연구

• 더 효율적이고 컴팩트하며 내구성 있는 모터를 설계하기 위해 연구를 시작했고, 특히 와전류와 전류 손실을 줄이기 위해 다양한 코일 구조(동심형 및 병렬형)를 연구했습니다. 알티움 디자이너(Altium Designer)를 사용해 새로운 샘플을 제작하면서 최적의 권선 구조를 찾으려고 했습니다. 

사진 : 다양한 코일 구조 테스트

 

사진 : PCB 상의 구리 회로 상에 발생하는 자기장으로 인한 영향도 예시

3.3. IC 드라이버와 설계 혁신

• 저전력 브러시리스 모터를 제어하기 위해 모든 기능이 통합된 IC를 발견했으며, 드라이버를 PCB 뒷면에 배치하여 더욱 콤팩트한 설계를 시도했고 마운팅 홀과 커넥터 배치 문제를 해결하기 위해 다양한 디자인을 테스트했습니다.

사진 : 발견한 통합 IC를 PCB 뒷면에 장착 (초기)

 

 

사진 : 최종 디자인

3.4. 베어링과 재료 문제 해결

• 베어링 마찰 문제를 해결하기 위해 스틸과 세라믹 볼 베어링을 비교했는데, 세라믹 베어링이 비금속으로 부식에 강하고 더 높은 성능을 보였습니다. 그리고 베어링의 정확한 직경과 공차를 맞추기 위해 새로운 공급업체를 찾았고, 품질을 높였습니다.

3.5. 로터 최적화

• 로터를 3D 프린팅하여 경량화에 성공했으나, 고속 회전에서 파손되는 문제를 겪었는데, 이를 널링(knurling) 기법을 사용해 부품을 안전하게 고정하는 해결책을 찾았습니다. 이후 최적의 재질과 설계로 로터를 개선해 안정적인 성능을 확보했습니다.

사진 : 파손 방지를 위해 knulling 기법을 적용

3.6. 성능 테스트 및 개선

• 동적 토크와 효율을 측정하면서 새로운 샘플을 테스트했고, 진동 에너지, 디스크 런처, 소형 로봇 구동 등 다양한 응용 분야를 실험했습니다. 최종적으로 최적화된 설계로 37,000 RPM 이상의 속도를 기록했으며, 장기 내구성 테스트에서도 16억 회전을 견디는 성과를 얻는 결과물을 만들 수 있었습니다. (기간을 더 늘렸다면 수치가 더 올라갔겠죠)

사진 : 1개월 간 밀폐 공간에서 동작 실험을 거침.

3.7. 결과와 상업화

• PCB 모터는 오픈 소스로 공개되었으며, 학생, 메이커, 엔지니어들이 기술을 직접 테스트하고 응용할 수 있도록 설계되었습니다. Carl은 이 프로젝트를 통해 새로운 가능성을 열었으며, 기술의 발전을 위해 지속적으로 개선할 계획을 가지고 있습니다. 

사진 : 최종 개발 완료된 제품

 

4.이 기술은 어디에 적용할 수 있는지?

Carl은 영상에서 이미 몇 가지 적용 사례를 소개하고 있습니다. 

 

• 소형 로봇 기술 : 초소형 로봇의 구동 모터로 사용되어, 가벼운 무게와 높은 회전 속도를 제공함으로써 정밀한 움직임을 가능하게 합니다.
• 진동 및 햅틱 피드백 기기 : 고속 회전과 비대칭 무게를 활용해 진동 에너지를 만들어내어 스마트폰, 웨어러블 기기의 햅틱 피드백 시스템에 활용할 수 있습니다.
• 초소형 드론 : 무게가 가볍고 에너지 효율이 높아, 마이크로 드론이나 나노 드론의 프로펠러 모터로 적용 가능합니다.
• 예술 및 장난감 산업 : 빠른 회전 속도를 활용해 기계적 예술 작품이나 시각적 착시를 이용한 소형 피젯 장난감 제작에 적용할 수 있습니다.
• 휴대용 팬 및 냉각 시스템 : 작은 크기에도 고속 회전이 가능하므로 노트북, 스마트폰 등의 초소형 냉각 팬이나 휴대용 선풍기에 사용될 수 있습니다.

 

5.정리

PCB 기반 초소형 모터는 처음에는 지나가는 작은 아이디어였을지도 모릅니다. 하지만, 개발자 Carl의 중꺽마 ('중요한 것은 꺾이지 않는 마음') 정신이 더해졌고 최종적으로 멋진 제품으로 만들어졌습니다. 저는 가끔 '작은 아이디어'가 어떻게 세상을 바꿀 수 있을까 생각해 볼 때가 있는데 어쩌면 그 아이디어 자체보다는 '그런 생각을 하고 그걸 실제로 구현한 사람들'이 세상을 바꾸는 것 같습니다. 아무쪼록 이번에 소개된 PCB 기반 초소형 모터 기술이 또 다른 아이디어, 제품의 출현을 위한 시발점이 되었으면 하는 생각을 해 봅니다. 

 

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6.참고자료

 

Carl Bugeja 공식 사이트

Carl Bugeja

 

아래와 같이 제품 판매도 진행하고 있습니다. 

사진 : 공식 사이트에서도 제품화해서 판매 중임

개발 제품

사진 : 공식 사이트에서 소개하고 있는 제품들

 

 

 

소스코드 (Github)

소개된 MotorCell  기술을 활용하기 위한 코드들도 Apache 2.0 라이선스 하에서 공개 되어 있습니다. 

 

GitHub - microbotsio/MotorCell: A tiny, thin, high-speed PCB motor with an onboard sensorless controller