차세대 정밀 모션의 핵심 리니어 모터 기술이 진화한다
차세대 정밀 모션의 핵심
리니어 모터 기술이 진화한다
리니어 모터는 지속적인 기술개발과 함께 1990년대부터는 Anorad와 Indoramat 양사 주도로 시장이 활성화되기 시작하였다. 지금은 미국이 전 세계 시장을 장악하고 있는 가운데 일본과 독일에서 리니어 모터와 관련된 기술개발이 활발하게 진행되고 있다. 한편 국내업체의 경우 져스텍㈜이 1996년 국내 최초로 리니어 모터를 개발한 이래 세우산전, 미래산업, 삼성 테크윈 등이 리니어 모터를 개발하여 LCD 장비, 반도체 장비, 계측기기, 각종 자동화 장비 및 게임 시뮬레이션 등에 다양한 어플리케이션을 적용시키고 있다.
자료제공/ ㈜나노모션테크놀러지
직선구동력을 직접 얻을 수 있는 리니어모터는 고속화, 고정밀화, 고추력화 및 청정성의 장점 등으로 인해 꾸준히 응용분야가 확대될 것으로 전망되고 있다. 그러나 국내 업체들의 경우 고정밀 리니어 모터 드라이버 설계기술 개발, 설계 및 이와 관련한 부문의 신뢰성 문제가 선진국에 비해 다소 열약한 상태이며, 시장점유율 확대와 기술적으로 앞선 일본 및 유럽, 미국과의 지속적 경쟁을 위해 고부가가치의 리니어모터 응용제품 개발이 요구되고 있다.
이 같은 요구로 인해 국내에서도 고효율을 가지는 제품의 최적 설계를 위한 전자장 및 방열해석기술, 공작기계에 적합한 유닛 구조 설계 및 제작기술, 고출력용 리니어 모터를 위한 전용드라이버 제작기술, 리니어모터 특성해석을 위한 객관적 성능평가기술, 고속·고강성·고정도의 안정된 운전 특성을 위한 제어기술 등의 주제로 지속적인 기술 개발이 진행되고 있다.
이러한 리니어 모터의 경우 지속적인 기술개발로 1990년대부터는 Anorad와 Indoramat 양사 주도로 시장이 활성화되기 시작하였다. 지금은 미국이 전 세계 시장을 장악하고 있는 가운데 일본과 독일에서 리니어 모터와 관련된 기술개발이 활발하게 진행되고 있다. 전 세계의 리니어 모터시장을 이끌고 있는 업체로서는 Anorad, NorMag, Dover, Northern Magnetics, Trilogy Systems, Danaher Motion, Parker Hannifin, Serotech 등이 있으며, 일본 업체로서 NSK, Yaskawa, FANUC 등이 있다.
그림 1은 응용분야에 따른 리니어모터의 개발이며, 현재의 비교적 단순한 직선 구동 및 낮은 정밀도의 적용에서 보다 고정밀, 고속의 기기 적용에 많은 기술개발이 이루어 질 것으로 전망되고 있다.
가격과 납기가 문제
국내 리니어모터 현황 분석
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| 리니어모터 시스템의 구성요소 |
리니어 모터를 이용한 정밀위치제어 시스템을 생산하고 있는 업체들은 전 세계적으로 일본 및 유럽, 미국을 선두로 하여 진행되고 있다. 특히 일본은 야스가와전기, FANUC, 신코전기, 소닉, NSK, 요코가와, THK 등의 대기업 제조회사를 비롯하여 관련 제조회사까지 포함하면 130사 내외에 이른다. 일본은 리니어모터 기술수준으로는 세계 최고를 자랑하고 있지만, 그에 따른 활용에 관해서는 해외에 뒤쳐져 있다.
한편 유럽의 경우 리니어모터 이용이 활발해지고 있다. 전시회 등에서도 30% 정도가 리니어모터를 탑재 제품이 출시되고 있으며, 공작기계의 리니어모터 탑재율도 일본보다 높아 수퍼센트(%)의 수준에 이르고 있다.
국내업체의 경우 져스텍㈜이 1996년 국내 최초로 리니어 모터를 개발한 이래 LCD 장비, 반도체 장비, 계측기기, 각종 자동화 장비 및 게임 시뮬레이션 등에 다양한 리니어 모터를 적용시켰다. 세우산전은 2000년 산업자원부 부품소재 기술개발 사업자로 선정되어 리니어 모터 개발을 완료하여 디스플레이 장비를 위한 산업용 로봇 및 다양한 자동화 장비 시장을 적극 공략하고 있다.
대우종합기계는 2002년 일본 국제공작기계전(JIMTOF)에서 처음으로 리니어 모터를 적용한 초고속 머시닝 센터를 발표하였으며, 공작기계 분야에서 리니어 모터 적용을 확산시키고 있다. 삼성테크윈과 미래산업은 정밀기기인 칩마운터 등 표면실장장비(Surface Mount Technology) 장비에 리니어 모터를 자체 개발하여 장착하고 있다. 그러나 국내 업체의 경우 국내 시장에서의 점유율은 미미한 편이며, 대부분의 시장을 일본과 미국 업체가 점유를 하고 있다.
한편 리니어모터 시스템 기술은 고부가가치 시장을 형성하고 있는 반도체 장비시장에 있어 청정성과 생산성을 만족시킬 수 있는 중요 핵심기술이다. 국내의 리니어모터를 개발, 생산하는 업체의 현황을 살펴보면 KIST 출신의 연구원으로 구성된 져스텍의 경우 직접 구동식 리니어 모션 시스템, 리니어 모터, 서보드라이버, 모션제어기 등을 개발. 최근 반도체 검사장비에 응용가능한 직접구동식 4축모션 시스템을 개발하여 양산 중이다. LG산전 연구원 출신이 중심이 되어 산업용 로봇에 사용되는 리니어 모터를 개발한 세우산전의 경우도 반도체 장비용 모터를 양산하고 있다.
미래산업의 경우는 리니어모터를 채택한 고속 칩마운터 MPS.1010, 1020의 판매호조에 따라 리니어모터의 생산을 증대하고 있으며, 칩마운터 외에 테스트 핸들러 장비에도 리니어모터를 탑재 개발하였다. 그 외에 삼성테크윈도 자사의 칩마운터 CP. 60L에 리니어모터를 적용하기로 하고 리니어모터를 개발, 양산체제를 갖추었다.
이와 같은 개발시스템은 구동부로서 고정자와 이동자가 비접촉으로 이동되거나 이동 지지를 위해 리니어 가이드를 사용하는 것이 일반적이다. 하지만 일부 업체의 경우 리니어 가이드를 제거하여 보다 청정성을 향상시키기 위해 공기베어링을 이용한 시스템을 개발하여 적용하는 곳도 있다.
리니어모터 기술 확대로
공작기계부터 반도체까지 수요 창출
리니어모터의 어플리케이션 응용 분야를 살펴보면 FPD(Flat Panel Display), 반도체 시장에 적용되는 것 이외에 공작기계의 이송장치로 기술이 개발되어 머시닝센터나 연삭기에도 적용되고 있다. 유도식 리니어모터가 1994년 이후로 동기식 리니어모터로 기술전환이 이루어진 후 고속, 대추력의 리니어모터를 장착한 공작기계의 출시가 증가하고 있는 것이 이와 같은 추세의 반영이라고 할 수 있다.
또한 지난 10년 동안 고속, 고추력, 고효율의 리니어모터 자체의 성능향상을 위한 연구개발과 더불어 공작기계에 적용을 위한 설계기술, NC-Controller, 측정 장치, 냉각장치, 칩 방지 기구와 같이 리니어모터를 위한 주변기기의 기술개발도 활발히 이루어지고 있다.
더욱이 리니어 모터를 위한 큰 시장으로서의 반도체 장비시장의 확대를 위한 청정성의 확보를 위한 비접촉 시스템의 개발도 중요한 기술개발 시장으로 부각되고 있어 현재의 공기베어링을 비롯하여 자기베어링 형태을 활용한 기술개발도 지속적으로 이뤄 질 것으로 예측되고 있다. 이와 같은 리니어모터 시스템은 FPD, 반도체 장비 등의 구동장치로서 생산제품의 발전과 더불어 지속적으로 적용이 증대될 것으로 예측되고 있다.
예를들어 LCD, PDP 등 FPD의 대형화, 고정밀화됨에 따라 제조, 검사장치의 이송기구인 대형테이블에 대한 고성능화 요구가 엄격해지고 있어 가동코일 리니어모터와 리니어가이드를 조합시켜 XY스트로크 1,000mm전역에서 속도 1m/s이상, 위치결정정밀도 5μm 등 볼스크류로서는 곤란한 긴 스트로크, 고속, 고정밀도의 구동이 리니어 모터를 통해 실현되고 있다.
한편 반도체 노광장치의 스테이지에서 요구되는 위치결정 정밀도는 최소선폭이 매우 중요하여 sub-μ이하의 고정밀도의 위치결정에 있어서 위치센서로서 레이저 간섭계가 주로 사용되고 있다. 기존에는 회로 전체를 정지하고 있는 웨이퍼를 한 번에 노광하는 일괄노광형 장치가 주류를 이루었다. 이 경우 웨이퍼스테이지는 PTP 제어가 된다. 그러나 최근의 고집적화와 칩 사이즈 확대의 요구로 인해 일괄노광형에서는 투영렌즈를 대형화시킬 수 밖에 없어 제조상의 어려움과 가격상승이 한계로 작용하게 되었다.
이에 따라 엔지니어는 스캔형에서 슬리트상의 조면광을 Lattice에 입사하고 Lattice 스테이지와 웨이퍼 스테이지를 반대방향으로 축소배율의 속도비로 동기이동 시켜 노광을 하고 있다. 따라서 양 스테이지는 CP로 제어되어 높은 동기속도가 요구되며, 스테이지 이동 중에 노광이 이루어지기 때문에 이동 중의 진동과 스테이지 이동속도, 정속성의 개선 요구가 문제로 부각되고 있다. 이에 따라 반도체 노광장의 스테이지에서는 기계적 진동(진동에는 제어적인 진동과 기계적인 진동이 고려된다)을 없애기 위해 리니어모터와 에어가이드가 사용되고 있다.
지속적인 성장을 전망한다
리니어 모터의 주요 시장 분석
리니어 모터는 정밀기기(반도체장비 등)의 차세대 핵심 주요 부품으로 디스플레이 및 반도체 산업과 전자 관련 삼성전자와 LG필립스의 6,7세대 LCD 장비에 소요되는 리니어 모터가 주요 수요처라고 할 수 있다. 대형 LCD 패널을 가공하기 위한 고속, 고정밀의 시스템에 리니어 모터가 채용되고 있으며, X선, 전자선 리소그래피 장비, 집적 회로와 웨이퍼 생산 및 검사 장비, 스테퍼(Stepper) 장비 등 반도체 장비에 리니어모터가 채용되고 있다.
300mm 웨이퍼 제조 장비는 ±0.13μm의 디자인 룰에 대응하기 위해 보다 정밀하여야 하며, 대구경 웨이퍼에 대해 높은 생산성을 올리기 위해서 보다 고속화되어야 한다. 대부분의 반도체 장비에 있어 고속과 초정밀화의 달성 여부는 웨이퍼나 칩을 움직여주는 스테이지의 초정밀 위치결정성능에 달려 있기 때문에, 이에 대응하기 위해 리니어모터를 응용한 초정밀 위치결정기술과 관련한 기술개발이 업계를 중심으로 개발되고 있으며, 향후 국내 반도체 장비업체에 의해 채택될 것으로 전망되고 있다.
현재 반도체관련 설비 수요처는 삼성전자, 현대전자, 아남전자 등으로 리니어모터 시스템의 실수요측은 이들 회사에 설비를 공급하고 있는 한미, 미래산업, 아남 등이 있으며, 전자 관련 수요처는 삼성항공, LG전자 등으로 장비 및 설비 관련업체들로 시장을 형성하고 있다. 기계관련 수요처는 공작기계를 생산하는 대우종합기계 등의 업체가 있다
특히 세계 선두를 위해 국내외 업체들은 FPD 등 신규 Fab에 투자와 기존라인의 증설을 확대 적용하는 추세에 있다. LCD(Liquid Crystal Display)의 시장선도에 이어 OLED (Organic Light Emitting Diodes) 및 PDP(Plasma display panel)산업의 시장 확대가 가까운 시기에 나타날 것으로 예상되기 때문에 자동반송을 위한 위치결정 시스템의 수요는 이에 따라 지속적인 성장세를 유지할 것으로 전망되고 있다.
표4는 리니어모터의 시장동향을 나타내고 있다. 모터 단품시장으로 2004년 기준으로 세계시장은 620억원, 국내시장은 72억원으로 예상되고 있다. 그러나 이는 2001년의 예측치로서 최근의 급격한 성장을 충분히 고려하지 못하였다. 특히 리니어 모터의 경우 표5에 나타난 평판형 디스플레이 세계시장 예측과 같이 디스플레이 부분의 시장 확대 및 성능 향상과 더불어 추가되는 장비산업의 증가를 통해 급격히 증가를 할 것으로 전망되고 있다.
표6은 자동반송장치의 국내외 시장전망으로 표에서 나타난 바와 같이 전체 자동화시스템의 증대는 구동시스템인 모터시장의 증대를 촉발하여 2006년부터는 OLED/FPD부분 포함하여 매년 30%의 성장률을 지속하고, PDP부분의 경우 2005년 이후 70%이상 성장될 것으로 예상하고 있다. 자동반송장치에서의 리니어모터의 점유율 또한 2005년 기준 30%내외에서 50%이상으로 증가될 것으로 예측하고 있다. 하지만 2005년도에 산출한 자료이기 때문에 최근 LG 필립스의 8세대 투자 지연 이후 국내 시장 상황은 정확히 예측하기 힘들다.
