모션 컨트롤의 새로운 비전, 최첨단 공기압 기술이 주도한다
모션 컨트롤의 새로운 비전
최첨단 공기압 기술이 주도한다
최근 재료기술의 발전 및 첨단 메카트로닉스 기술 등과의 결합을 통해 고속, 고정밀, 높은 신뢰성을 기반으로 한 공기압 기기 개발이 확산되면서 응용분야 및 관련 시장이 빠른 속도로 확대되고 있다. 특히 차세대 전략기술인 6T와 첨단 로봇기술의 근간 기술로서 새로운 개념의 액츄에이터인 인공근육 실린더 등 혁신적인 기술개발이 활발히 이루어지면서 공기압 기반의 모션 컨트롤 영역이 새로운 국면을 맞이할 것으로 기대되고 있다.
글/ 김동수 박사, 한국기계연구원 지능형정밀기계연구본부
자동화 시스템 분야의 차세대 핵심 전략기술 중 하나로 급부상하고 있는 공기압 기술은 IT, NT, BT, ET 등의 첨단기술과 함께 국가주도 6T 기술 중 하나로 부각되면서 빠르게 성장하고 있다.
공기압 기술은 대기 중의 공기를 압축기를 이용하여 압축시킨 뒤, 압축된 공기를 제어밸브 등으로 압축 공기의 방향, 유량, 압력 등을 제어하여 액추에이터에 공급함으로써 그 출력을 부하의 요구에 적합한 기계적 에너지로 전환하는 것을 말한다. 이러한 공기압 기술은 자동화 시스템 구현에 있어서 일익을 담당하고 있으며, 특히 고도로 발전한 FA 시스템에서 중요한 역할을 수행하고 있다.
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| 그림 1.공기압 기기의 응용분야 |
다양한 응용분야로 확대
공기압 기기는 유압기기 및 전동기에 비해 소형, 경량인데다 상대적으로 출력이 크기 때문에 최근 시스템의 소형, 경량화의 추세에 부응하며 빠르게 시장이 확대되고 있다. 특히 유압기기에 비해 환경오염을 줄일 수 있기 때문에 전자, 식품, 의료업 분야에서 청정기기로서의 비중이 점차 증가하고 있다.
최근의 공기압 기기는 씰(Seal) 및 재료기술의 발전으로 내구성이 크게 향상되었을 뿐만 아니라 메카트로닉스 기술과의 결합을 통해 소형, 경량화 및 신뢰성이 높고 제어성이 뛰어난 다양한 제품들이 시장에 출시되고 있다. 또한 다품종 소량생산을 지향하는 FA 시스템에 부응할 수 있는 공기압 기기가 급격히 증가하고 있다.
대표적인 공기압 기기들로는 필드버스(Fieldbus Pneumatic System), 마이크로 밸브(Micro Valve), 서보밸브(Servo Valve), 인공근육 실린더(Fluidic Muscle Cylinder), 씰리스 실린더(Sealless Cylinder) 등이 있다.
공기압 기기는 산업 전반에 광범위하게 사용되고 있다. 마이크로 밸브는 반도체 산업, 의료기기, 전자제품 조립라인, 첨단 시험장비 등에 주로 사용되고 있으며, 공기압 서보밸브는 자동차 부품의 가공기계 및 조립라인, 소재 삽입장치, 용접기계, 각종 시뮬레이터, 차량 시험장치 및 고가의 성능시험 장치 등에 주로 적용되고 있다.
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| 그림 2. 공기압 밸브 기술추세 |
그리고 새로운 액추에이터로 등장하고 있는 인공근육 실린더 기술은 로봇 시스템, 레저용품, 철도차량 등의 충격 흡수 장치, 의료/바이오 산업 등 다양하게 적용 되고 있으며, 공기압 씰리스 실린더는 반도체 생산라인 등의 청정 지역 및 특수 환경에서 주로 사용되고 있다.
현재 공기압 기기의 국내외 시장 규모는 지속적인 증가추세에 있으며, 향후 이러한 성장률은 당분간 지속될 것으로 예상되고 있다. 하지만 국내의 기술력이 선진국의 50~60% 수준에 머물면서 대부분 수입에 의존 하고 있는 실정이다. 따라서 국내 개발을 통한 국산화가 시급한 실정이다.
소형화, 저력 소비
고속, 정밀제어 특성 발전
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| 그림 3. 공기압 실린더 기술추세 |
솔레노이드를 이용한 액추에이터 기술은 구조가 간단하고 경제적이며, 정밀 제어가 가능한 기술이기 때문에 유공압 밸브, 자동차 연료 분사기, 자동차 브레이크 등에 직접적으로 사용될 수 있는 중요한 기반 기술이다. 최근에는 액추에이터의 고속화와 솔레노이드의 저소비 전력화 기술이 개폐형 솔레노이드 액추에이터(On/Off Solenoid Actuator) 분야에서 강력히 대두되고 있다.
지연시간(Opening Delay Time)이 짧은 고속형 솔레노이드 액추에이터는 빠른 자화 때문에 와전류와 같은 동적 효과를 고려한 시변계(Time-Varying) 유한요소 해석이 필요하다. 특히 이러한 동적 효과는 전기, 자기 및 기계 시스템이 결합된 형태로 나타나기 때문에 비정상 상태 해석에서 각 시스템간의 시험 결과에 대한 비교 분석이 이루어져야 한다.
하지만 기계공학 분야의 기존 연구에서는 대부분 전자기장의 시변계 유한요소 해석을 하지 않고 단순화하거나 실험에 의존하고 있다. 반면, 전기공학 분야에서는 솔레노이드의 유한요소 해석은 이루어지나 기계거동에서 충돌시 발생하는 금속의 강성이나 제동(Damping) 효과, 유체의 점성에 의한 마찰을 고려하지 않아 플런저의 거동해석에 한계를 보이고 있다.
포펫 메카니즘(Poppet Mechanism) 기술은 우선 에너지 절약 및 온도상승 저감을 통하여 제어능력을 향상시키기 위한 연구로 유량 특성의 해석/설계 기술이 중요하다. 밸브의 미소 개구 시에 발생하는 유체력은 교축부에서의 급격한 압력 강하에 의해 양단면의 압력분포에 차이가 생기기 때문에 발생하는 것으로 밸브 조작성에 영향을 주는 동시에 진동을 유발하여 안정성에 문제를 유발시킨다. 따라서 유체력의 특성을 해석하는 것은 매우 중요하다.
기술집약 공정분야에서
인공근육 실린더 급부상
공기압 서보밸브 기술은 고성능 및 고신뢰성, 저소비 전력, 가격경쟁력의 핵심 요소로서 이미 선진국의 경우 이를 앞세워 전세계 시장을 독식하고 있는 실정이다. 대표적인 제조업체로는 미국의 Atchley Controls, Dyval, Textron이 있고, 독일의 Kolvenbach와 Festo 등이 마켓에서 선두 위치를 점하고 있다.
국내의 경우 일반산업용 On-Off 공압 솔레노이드 밸브와 유압 서보 밸브에 대한 연구개발 경험은 가지고 있으나, 공기압 서보 밸브 개발은 미흡한 실정이다.(그림 2 참조)
인공근육 실린더 기술은 누설유량, 스틱-슬립(Stick-Slip), 마찰, 씰 등이 없는 새로운 개념의 액추에이터로서 경량화, 저가격화, 고응답, 유연성, 고출력 등의 특성 이외에도 Smooth, Damped, Compliant 등의 특징을 가지는 첨단 청정기술이다. 특히 국가주도 차세대 전략기술인 6T 및 RT(Robot Technology)의 기반기술로 주목받으면서 혁신적인 첨단 기술로 급부상하고 있다.
인공근육의 수요는 기하급수적으로 증가하고 있으나 국내 산업계에서 요구되는 인공근육 실린더 수요의 대부분을 독일, 영국, 일본 등 기술 선진국으로부터 수입에 의존하고 있어 국산화가 시급한 실정이다.
씰리스 실린더의 기술 특성 또한 고성능화, 저누설 유량화, 저마찰화, 고정밀 제어화, 고속화를 지향하면서 빠르게 발전하고 있다. 씰리스 실린더는 베어링 해석, 쿠션해석, 베어링 정밀가공기술 및 평가기술 등 고난이도의 기술적 해결과제를 안고 있는 고도의 첨단기술로 최근 반도체 산업 등 기술집약적 공정 개발 분야의 핵심기술로 자리 잡고 있다.(그림 3 참조)
혁신적 해석기술 등장
핵심기술 국산화 시급
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| 그림 4. 마이크로 밸브의 특성해석 및 실험결과 |
또한 이와 유사한 공기압 서보밸브의 핵심기술로는 솔레노이드 코일과 영구자석을 이용한 리니어 모터(Linear Force Motor)에 대한 설계 및 자장 해석기술을 들 수 있다. 서보 밸브에서 안정된 고주파 응답을 얻기 위해서는 리니어 모터의 경량화 및 강한 전자기력이 요구된다.
이외에도 공기의 방향과 유량을 결정짓는 스풀 절환 매카니즘의 유체력(Flow Force) 해석 및 스풀과 슬리브(Sleeve)의 Hydrostatic Bearing 기술, Al 하드 코팅(Hard Coating) 및 정밀 래핑(Lapping) 가공기술, 센서기술, 전용 제어기 개발기술 등이 공기압 기기를 발전시키는 첨단 핵심기술로 주목받고 있다.
인공근육 실린더의 핵심기술은 수명을 연장시키고 고파워화, 저가격화, 고성능화, 경량화 등을 실현할 수 있는 Rubber & Fiber 최적 배합 기술 및 설계 생산기술이며, 또한 액추에이터의 선형성 보장을 위한 온도변화에 둔감한 Rubber 설계기술, 신뢰성 시험기술 등도 매우 중요하다.
또한 씰리스 실린더는 저누설 유량화, 고강성화, 저마찰화, 고성능화를 위한 Hybrid Bearing 해석, 설계, 가공 및 시험평가 기술, 고속화를 위한 High Cushioning 해석, 설계 및 시험 평가 기술, 고정밀화를 위한 일정유량 및 압력 공급 시스템 설계 및 제작기술, 시험기 설계, 제작 및 시험평가 기술 등이 핵심 기술과제로 부각되고 있다.
수치해석과 최적설계로
첨단 공압기기 개발
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| 그림 5. 서보밸브의 특성해석 및 실험결과 |
또한 해석과 실험으로 설계의 타당성을 증명하여 시제품을 제작하였으며, 포펫의 스트로크 변화에 따른 마이크로 밸브 내부의 유동장 특성을 수치 해석하였다. 이러한 실험결과에 따른 마이크로 밸브 내부의 Pathline과 정압분포, 동압분포 등을 그림 4에 나타내었다. 이 실험에서는 포펫의 변위가 0.4mm 이내에서는 포펫 벽면에 작용하는 동압의 감소가 거의 없음을 확인하였으며, 해석과 실험으로 설계의 타당성을 증명하여 시제품을 제작하였다.
이와 함께 공기압 서보밸브의 핵심기술인 리니어 모터를 개발 사양에 맞춰 설계한 후, 전자장 해석 및 시스템의 과도응답을 확인하여 리니어 모터를 최적설계 하였으며, 서보밸브의 기구부 최적 설계를 위하여 스풀의 위치 변화에 대한 밸브내의 수치해석을 다양하게 수행하였다. 해석 결과를 기반으로 스풀 및 슬리브의 조합으로 이루어지는 밸브 기구부 최적설계, 제작 및 실험을 완료하였다.
스풀 및 슬리브와 밸브 바디 등의 시제품을 제작하여 100Hz급 공기압 서보밸브용 리니어 모터 전용 디지털 제어기와 위치 측정을 위한 홀 센서를 개발하였다. 기존의 공압 서보 밸브의 제어 방식을 분석하고 이를 바탕으로 응답성능을 개선할 수 있는 디지털 제어 방식을 사용하여 설계, 제작 및 특성을 시험하였다.
또한 종합성능 및 신뢰성 시험을 수행할 수 있는 시험기를 설계, 제작하였다. 국내 공기압 서보밸브의 성능시험 규격이 없기 때문에 외국의 JIS, MIL, ISO 등의 국제 규격을 기반으로 공기압 서보밸브의 종합성능 및 신뢰성 평가 항목을 결정하고, 성능시험 방법 및 세부 기술에 대해 정리하였으며, 성능시험을 위해 전용 S/W를 개발하여 시제품의 평가를 수행하였다.
새로운 각도해석 기반
획기적인 인공근육 실린더 개발
인공근육 실린더는 고무 및 섬유(Fiber)의 최적설계를 위하여 고무의 물성치 시험(내열, 내유성, 내오존성, 내한성) 등을 통하여 CR 재질의 고무를 선정하였으며, 인공근육 실린더의 기능에 가장 영향을 주는 섬유의 각도 선정을 FEM 해석을 통하여 실시함으로써 최적의 각도를 선정하여 시제품을 제작한 후 길이방향 수축률, 반경방향 팽창률, 수축력에 대한 실험을 수행하였다. 실험결과 해석결과와 유사한 결과를 얻었으며, 이를 기반으로 향후 다른 사양의 인공근육 실린더 개발 시 해석결과를 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
고성능 씰리스 실린더의 핵심기술인 Hybrid Bearing 기술개발에 맞춰 누설유량을 최소화하기 위하여 왕복 운동하는 씰리스 실린더에 대한 2차원적 레이놀즈 방정식을 유도하고, 유한차분법에 의해 그 해를 구하는 방식으로 해석을 수행하였다.
또한 정밀가공 기술을 통하여 실린더 직경 50mm, 스트로크 500mm, 작동압력 8bar의 씰리스 실린더를 제작하고 특성시험을 수행했다. 종합성능 및 신뢰성 시험을 수행할 수 있는 시험기를 설계, 제작하였으며, 향후 피스톤의 유형 및 특성 등을 분석하여 다양한 실험을 진행하는 것은 물론 발생하는 누설유량을 감소시키고 고정밀 가공을 통하여 고성능의 씰리스 실린더를 제작할 수 있는 최적의 설계 조건을 제시할 계획이다.
이러한 공기압 기기들의 핵심기술 개발을 수행함으로써 마켓 요구에 부합하는 제품의 국산화는 물론 세계 공기압 기기의 수요경쟁에 맞는 제품 설계기술 및 생산기술 정립에 기여해 나가고, 국내 독자기술 확보에 의한 기술 선진국으로 발돋움하는 교두보를 마련할 수 있을 것이다.
또한 일반 산업 분야에 응용은 물론 기계, 전기, 전자, 열 유체 기기 등의 핵심 부품 개발에 기술적용이 가능함으로써 산업 전반에 파급효과가 큰 기술로 정착할 수 있을 것이다. 이와 더불어 국내 산업체에 기술이전을 통해 고신뢰성의 국산화 제품 생산을 주도함으로써 국제경쟁력 향상에도 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 앞으로도 공기압 기기의 발전을 위해서 정부기관 및 관련업체의 지속적인 관심과 연구노력이 필요할 것이다.
참고문헌
1. 초절전형 마이크로 밸브 개발 중간보고서, 에너지 관리공단, 2005.
2. 100Hz 이하급 직동식 공압 서보밸브 개발 최종보고서, 산업자원부, 2003.
3. 산업용 Fluidic Muscle 실린더 개발 최종보고서, 산업자원부, 2005.
4. 고성능 씰리스 실린더 개발 최종보고서, 산업자원부, 2005.
