리니어 모션 시스템의 기술 발전 동향

현재 LM 시스템(Linear Motion System)은 각종 제조설비에 없어서는 안 될 중요한 요소로 확고하게 자리잡았다. 디스플레이, 반도체, 공작기계, 정밀기계, 자동화기계의 발전과 더불어 고객의 요구가 다양해지면서 LM 시스템도 새로운 신제품들이 빠르게 개발되고 있다. 이에 현재 국내에 소개된 신제품의 특징을 중심으로 LM 시스템의 기술동향에 대해 알아본다. <편집자 주>

볼리테이너 타입 LM 가이드
1993년 회전 베어링의 리테이너에 착안하여 고안된 제품이 볼리테이너 시리즈이며, 현재 FPD 장치와 반도체 산업을 중심으로 점차 그 적용범위를 넓혀가고 있다.
볼리테이너 타입의 특징으로는 첫째, 뛰어난 그리스 보관유지 능력으로 인해 유지보수가 아주 용이하다는 점이다. 일반적인 사용조건 하에서는 LM 가이드의 수명이 다할 때까지 유지보수가 필요없는 메인터넌스 프리(Maintenance-free)를 실현하였다.(그림 2 참조).

LM 가이드의 파손원인 중의 하나가 윤활불량임을 고려해 볼 때 이러한 특징은 커다란 장점이 되며, 특히 유니트의 소형화와 더불어 윤활공급을 할 수 있는 공간이 충분하지 않을 때나 유지보수에 대한 불안요소를 제거하고 싶을 때 큰 효과를 볼 수 있다. 이렇게 볼리테이너 타입이 메인터넌스 프리의 특성을 발휘하는 이유는 그리스 보관유지 능력이 뛰어나면서 볼과 볼 사이에 불필요한 마찰로 인한 유막단절이나 윤활의 소모가 없기 때문이다. 리테이너에 의해 그리스의 비산을 방지함과 동시에 내부의 그리스가 유지-보존되는 구조이며, LUB-COP(Supplying Lubricants Near THK Contact Point)원리로 인해 최소량의 윤활막이 볼과 전주면 사이에 형성되므로 적은 양의 그리스로도 오랜 기간 윤활막을 형성하는 것이 가능하기 때문이다.
두번째 특징으로는 고속화에 대응이 가능하다는 점이다. 총볼 타입의 LM 가이드는 볼과 볼 사이의 마찰과 볼의 내부순환구조 등으로 최고 사용속도에 제한이 있으며, 총볼 타입의 LM 가이드의 경우 최고 사용속도는 3m/s이다. 하지만 리테이너 타입의 경우에는 총볼 타입의 약 1.6배인 5m/s까지도 가능하며, 고가감속에도 뛰어난 성능을 발휘한다. 고속 액추에이터인 리니어 모터의 경우 이러한 저소음 특성과 함께 고속에서도 뛰어난 성능을 발휘하는 볼리테이너 타입이 많이 사용되고 있는 추세다.

세번째 특징으로는 저소음을 들 수 있다. LM 가이드가 운동시 볼과 볼 사이, 볼과 전주면 사이, 볼과 볼 순환부 사이에 금속적인 접촉이 일어나면서 소음을 동반하게 된다. 하지만 볼리테이너 타입의 경우 볼과 볼 사이에는 리테이너로 인해 금속접촉을 방지하며, LM 블록에 가공된 볼 순환부에도 엔지니어링 플라스틱이 조립되어 있어 금속적인 마찰이 방지되므로, 실제 운전시 금속적인 소음은 볼과 부하 전동면 사이에서만 발생한다.
아래의 실험 데이터에서 확인할 수 있듯이 약 9dB 정도 소음이 줄어든 것을 확인할 수 있으며, 소음의 주파수가 낮아 기존의 금속적인 접촉음과 다른 부드러운 소음이 발생한다.

네번째 특징으로는 저발진 특성이다. 반도체 및 디스플레이 제조장치의 경우 클린 환경에서 대부분의 작업이 이루어진다. 지금까지는 CLASS 1000 이하에서 거의 대부분의 작업이 이루어졌으나 최근에는 고집적화를 위해 회로선폭이 미세화되면서 클린도에도 엄격한 사양이 요구되고 있다. 이러한 클린사양을 만족하기 위해서는 공조도 중요하지만 설비 및 각 요소부품에서의 파티클 발생량을 억제하는 것도 중요하다. 아래의 그림에서 보듯이 볼리테이너 타입을 적용하고 저발진용 그리스를 사용한 결과 파티클 발생량이 현저하게 줄어든 것을 알 수 있다.
다섯번째 특징으로는 부드러운 움직임이다. LM 가이드에서 전동체가 구름운동을 하면서 이송이 이루어지지만 실제 구름운동시에는 볼과 볼 사이의 접촉 등으로 인해 저항치가 발생하게 된다. 이러한 저항치는 특히 볼이 무부하열에서 부하열로 들어가는 순간 커지며, 변동이 발생하게 된다. 총볼 타입의 LM 가이드의 경우 LM 블록과 엔드플레이트의 볼 순환부는 볼의 원활한 순환을 위해 볼경보다 크게 가공되어 있어 볼열이 불규칙하게 정렬되게 되며, 이송시 볼이 불규칙적으로 부하열로 이동하게 된다.
이러한 현상은 LM 가이드를 수직으로 사용하는 경우 심하며, 때로는 걸림현상으로 나타나게 된다. 리테이너 타입은 리테이너에 의해 볼열이 정렬 순환되므로 이러한 현상이 줄어들게 되며, 구름 저항치도 안정된 값을 나타낸다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 볼리테이너 타입은 LM 가이드의 발전사에 큰 획을 그었으며, 점차 그 영역이 확대될 것으로 보인다.

볼리테이너 타입 볼나사
LM 가이드와 마찬가지로 볼나사도 볼리테이너 타입의 제품이 개발되고 있다. 볼리테이너 타입의 볼나사는 볼리테이너 타입 LM 가이드와 마찬가지로 저소음, 장기간 메인터넌스 프리, 낮은 토크 변동치를 실현하였으며, 이와 더불어 고속대응이 가능하게 되었다.
볼나사의 경우, 속도를 제한하는 요소로 위험속도와 DN치가 있다. 위험속도는 축의 길이에 따른 공진현상을 방지하기 위해 제한하는 것이며, 현재도 볼나사의 길이가 긴 경우 축경에 따라 속도에 제한을 받게 된다.
그리고 DN치는 볼의 회전에너지가 너트 내부의 충격에너지로 변하면서 너트 내부에 파손이 일어나지 않도록 제한하는 요인이다. 최근 볼리테이너 타입 볼나사가 개발되면서 이러한 DN치에 의한 속도제한이 크게 향상되었다. 기존에는 일반적으로 연삭 볼나사일 경우, DN치가 70,000으로 제한되었으며, 전조일 경우에는 DN치가 50,000으로 제한되었다.
예를 들어 사용 볼나사의 축경이 Φ32인 연삭 볼나사의 경우 위험속도에 제한을 받지 않더라도 최고 회전수는 DN치로 인해 2120rpm 정도로 제한을 받게 된다. 하지만 최근 출시되는 볼나사의 경우 DN치가 13만~21만rpm까지도 사용이 가능하게 되었다. 이러한 DN치의 증가는 리턴부에서 볼이 회전운동의 접선방향으로 이송하도록 설계하여 볼이 이상적으로 순환되도록 하였으며, 볼순환부의 강도를 향상시킴으로써 가능하게 되었다.
이러한 리테이너 타입 볼나사 중에서 최근에는 전동식 사출기의 사출부 등에 사용되는 유압실린더 대체용으로 고부하용 볼나사도 등장했다. 고부하 볼나사의 경우 볼경과 홈 곡률반경, 볼의 접촉각, 부하회로수를 최적으로 설계하여 일반 볼나사에 비해 정격하중을 약 2배 정도 향상시켰다. 기존 유압실린더에 비해 전력소비가 1/3~1/5 정도로 작으며, 클린환경 실현, 기계의 제어성 향상, 유지보수 향상, 위치결정 향상 등의 장점을 제공해 고부하 하중이 작용하는 곳에 최적이다.

다양한 옵션사양 개발
기본적인 LM 시스템의 성능 향상외에도 최근 다양한 옵션사양이 개발되고 있다. 그 중의 하나가 윤활장치이다. 윤활은 LM 시스템의 성능유지를 위해 필수적인 요소이다. 그러나 대부분의 경우에는 공급된 윤활유의 아주 소량만이 실제적으로 윤활의 역할을 하게 되며, 90% 이상은 버려진다.
최근에는 환경 문제에 대한 관심이 고조되면서 윤활방식에도 전혀 다른 방법이 고안되었다. 윤활장치 QZ는 고함유 화이버 네트에 저장된 윤활유가 고밀도 화이버 네트를 통해 모세관 현상을 이용하여 LM 레일 및 볼나사의 전동면에만 지속적으로 공급해 주는 장치이다. 이러한 옵션사양과 앞에서 언급한 볼리테이너 타입 시리즈를 같이 사용한다면 그 효과는 아주 커지게 된다.
이 외에도 적층형 접촉스크레이퍼, 와이퍼 링 등 다양한 옵션사양들이 개발되고 있으며, 이러한 옵션사양을 어떻게 조합하여 사용하느냐에 따라 그 설비의 수명에 영향을 미치게 되므로 설계시에 충분한 검토가 선행되어야 한다.
결론
지금까지 살펴보았듯이 최근 LM 시스템의 기술개발은 기타 산업과 마찬가지로 빠르게 발전하고 있다. 고속, 고강성, 저소음 등에 대한 기본적인 요소부품의 사양이 높아짐과 동시에 특수환경(고온, 고내식, 진공)에 대한 고객의 요구도 증가하고 있다. 이러한 요구사양을 만족하는 설비를 제작하기 위해서는 LM 시스템의 기술발전에 대해서도 지속적인 관심과 검토가 필요하다. ■ <자료제공 : 삼익LMS(주)>

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