공압기술의 새로운 해석, 인공 로봇의 근간기술로 급부상
http://www.motioncontrol.co.kr공압기술의 새로운 해석
인공 로봇의 근간기술로 급부상
공압기술의 진보는 다양한 응용분야에서 첨단기기의 기초기술로 활용되고 있다. 로봇 등과 같은 인공근육을 구현하는 첨단 엑추에이터를 비롯해 유비쿼터스 시대의 핵심부품인 RFID 태그를 인쇄방식으로 제작할 수 있도록 한 최첨단 전자회로 인쇄장비 및 서보 밸브, 100% 무마찰의 씰이 없는 서보 실린더, 초소형 마이크로 솔레노이드 밸브 등과 같은 첨단 공압 솔루션 개발이 활발히 진행되고 있다.
지난 10년 동안 국내 공압시장은 꾸준히 성장곡선을 유지해 오고 있다. 유공압과 관련된 국내 시장규모는 약 1조2천5백억원으로, 이 중 공압과 관련된 마켓은 약 5천5백억원에 이르고 있다. 10년 전에는 유압 분야가 전체 시장의 70%를 차지할 정도로 그 비중이 높았으나 2~3년 전부터는 50:50의 비율을 기록할 정도로 공압기술을 기반으로 한 응용분야가 지속적으로 확대되고 있다.
공기압 서보, 엑추에이터, 실린더 등 공압기술이 발전하면서 최대 출력이 크게 증가하고 압축공기에 대한 제어 정밀도가 높아지면서 무인자동화 시스템 분야에서 공압기기의 비중이 높아지고 있다. 아직까지는 1000kgf 이상을 요하는 고출력 분야에서는 유압기술이 대부분을 차지하고 있지만 1000kgf 이하의 고품질 제어가 요구되는 산업분야에서는 공압으로의 전환추세가 활발하다.
특히 기름찌꺼기 등으로 인해 클린 환경 구현이 어려운데다 위험성까지 내재하고 있는 유압기기에 비해 압축공기를 이용하는 공압기기는 청결하고 초기 설치비도 저렴하며, 가압 및 진공(흡착)이 모두 가능해 제품에 대한 손상을 전혀 주지 않기 때문에 고품질, 정밀제어에 적합하다.
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| 김동수 박사 |
한국기계연구원 프린팅 공정장비(Printed Electro Mechanical System) 팀을 이끌고 있는 김동수 박사는 “국내 공압기술은 그동안 연구기관 및 관련 업체들의 꾸준한 투자와 개발 노력으로 국산화율이 상당 수준까지 발전하면서 응용분야도 크게 확대되고 있다.”고 말하고 “부품레벨에서 100% 카피수준에 머물렀던 밸브, 실린더 등도 자체 기술력이 확보되면서 세계적 수준의 제품들이 공급되고 있으며, 불과 15년 전까지만 해도 선진국의 20~30% 수준에 머물렀던 국내 공압기술은 현재 90% 가까이 발전된 것으로 평가되고 있다.”고 설명했다.
한국기계연구원 김동수 박사는 지난 15년 이상 공압기술 개발을 선도해 온 국내 공압분야의 최고의 기술 권위자로 손꼽히는 몇 안되는 인물 중 하나다. 현재 국내에서는 최초로 공압기술을 이용한 RFID 전자회로 인쇄장비 개발을 추진하고 있으며, 서보 밸브, 씰이 없는 서보 실린더, 초소형 마이크로 솔레노이드 밸브, 인공근육 엑추에이터 등 세계적인 수준의 공압기술을 개발해 업계에 기술이전 및 상품화 등을 추진해 왔다.
첨단 공압기술 기반
세계적 수준의 제품개발
공압기술의 진보는 다양한 응용분야에서 첨단기기의 기초기술로 활용되고 있다. 유비쿼터스 시대의 핵심부품인 RFID 태그를 인쇄방식으로 제작할 수 있도록 한 최첨단 전자회로 인쇄장비 개발도 공압 기술이 그 근간을 이루고 있다. 기존의 그라비아, 옵셋, 스크린 인쇄기법을 이용해 RFID 안테나나 바코드 태그 등을 인쇄할 수 있는 이 새로운 장비는 중첩 인쇄 시 프린트 압력을 공압 서보로 정밀하게 제어함으로써 미세한 전자회로를 인쇄할 수 있도록 했다. 이미 미국, 유럽에서는 3년 전부터 전자회로 인쇄장비 개발이 활발히 진행되어 왔으나 국내에서 시도된 것은 한국기계연구원(KIMM)의 프린팅 공정팀이 처음이다.
한편 세계적 수준의 공압 솔루션 개발도 국내 연구진의 주도로 활발히 전개되고 있다. 기술적 난이도가 높아 현재 세계 4곳에서만 개발이 완료된 서보밸브의 국산화도 KIMM의 주도로 이루어졌다. 김동수 박사는 외부하중이 있는 상태에서도 0.01mm의 고정밀 제어가 가능한 공압 서보밸브 개발에 성공했으며, 현재 ASMT에서 상품화가 완료되어 출하 중이다. 이 제품은 비행기 날개제어 등과 고정밀 분야에 사용되며, 고가의 고부가가치 제품으로 주목받고 있다.
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| 씰이 없는 서보 실린더 |
KIMM의 김동수 박사는 “첨단제품 개발뿐만 아니라 압축공기를 효율적으로 사용할 수 있는 에너지 절감 기술개발에도 주력하고 있다.”며, “공압 1리터를 만드는데 약 14원에서 28원의 에너지 비용이 소모되는데 공압은 한번 사용한 후 재사용이 불가능하기 때문에 에너지 낭비를 최소화할 수 있는 최적의 시스템 설계기술이 필요하다.”고 말하고 “이를 위해 유량과 압력을 효율적으로 관리할 수 있는 압축공기 에너지 시스템을 개발했다.”고 설명했다.
로봇팔을 대체할
인공근육 엑추에이터
차세대 공압 솔루션으로 손꼽히고 있는 인공근육 엑추에이터는 공압의 힘을 이용해 휴먼로봇의 팔 근육을 구현할 수 있는 첨단 공압기술 중 하나다. 맥키본(Mckibbon) 모델을 새롭게 해석해 김동수 박사팀이 개발한 인공근육 엑추에이터는 최초로 비례적 순간 증폭이 가능한 제품으로 압력대비 출력이 매우 우수하다.
비선형 방식에서 비례적으로 힘을 증폭시키는 것은 매우 어려운 기술로 현재까지 성공사례가 없었다. 김박사는 그레이트 각도설계 시 새로운 해석과 조정작업을 통해 순간적 증폭이 가능하도록 했으며, 피스톤을 제거하고 튜브형으로 구현해 마찰이 없는 것이 장점이다.
또한 기존의 맥키본 모델에서 주로 사용해 왔던 듀퐁에서 개발한 아라마이드를 Nilon 6로 대체해 사용함으로써 가격을 10분의 1 수준으로 절감시켰다. 이 기술은 로봇팔의 인공근육과 함께 산업용 실린더로도 사용이 가능하며, 현재 ㈜평화에서 상품화가 진행되고 있다. 이 제품은 특허출원과 함께 SCI 논문에 채택되었다.
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| 휴먼로봇의 인공근육 |
김동수 박사는 “보통 비선형 방식의 경우 이론과 실험에서의 오차범위가 40% 안에만 들어도 NASA에서 조차 인정할 정도로 매우 우수한 것으로 평가되는데 이번에 개발한 인공근육 엑추에이터는 10% 오차범위 안에 들어섰다.”며, “이와 비슷한 기술로 영국의 섀도우 로봇(Shadow Robot)의 손가락 형태의 제품과 파이어스톤(FireStone)의 로봇팔이 있지만 이번에 개발한 비례적 증폭이 가능한 공압기술은 세계적으로 최초의 성공사례”라고 설명했다.
이외에도 손톱만한 사이즈의 0.1W 초소형 마이크로 솔레노이드 밸브를 비롯해 MEMS 기술로 구현한 초소형 로봇손 등도 제품화 되고 있다. 손가락 4개를 구부린 지름반경이 600미크론에 불과한 로봇손은 미국의 UCLA와 일본의 RU 대학과 공동으로 KIMM이 개발에 성공한 제품으로 의학분야의 생체로봇 집게로 사용이 가능하다.
김동수 박사는 “공압기술의 발전은 앞으로도 다양한 영역에서 빠르게 전개되어 갈 것”이라며, “단순히 연구개발 성과에 머무르는 것이 아니라 실제 상품화가 가능한 제품개발에 주력해 나갈 것”이라고 밝혔다.
