리니어 서보 모터와 리니어 인코더에 주목하라

디스플레이, 반도체, 전자산업 분야에서 고속, 고정밀 구동체계로 리니어 서보 모터가 적극 채용되기 시작했다. 또한 리니어 모션 피드백을 위한 리니어 인코더의 위상도 점차 그 영역을 확대하고 있는 중이다. 리니어 서보 모터와 리니어 인코더는 고가에, 고기술이 요구됨에도 고급 장비 분야에서 지속적으로 시장을 확대해 나가고 있다.

글 | 오승모 기자

현재 산업 현장에서는 생산제품의 정밀화와 소형화가 적극 추진되면서 이들 제품의 생산을 뒷받침할 정밀 제조장비에 대한 수요도 함께 증가하고 있다.
이러한 기술적인 요구를 충족시기 위한 노력의 일환으로 리니어 서보 모터가 출현했으며, 리니어 모션 피드백 장치인 로터리 인코더가 리니어 서보 모터의 성능을 뒤따르지 못하는 것에 대한 해결책으로 리니어 인코더가 개발되기에 이르렀다.

리니어 서보 모터

리니어 모터는 기존의 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼침으로써 회전운동을 직선운동으로 변환하는 별도의 장치 없이도 직접 직선 운동력을 얻을 수 있는 구동체이다. 리니어 모터는 기존 회전형 모터의 토크 대신 리니어 추력을 발생시켜 동작한다.
고정밀 자동화 산업 분야에서는 리니어 모터 중에서도 리니어 서보 모터(리니어 동기 모터)가 가장 활발하게 사용되고 있으며, SMT 관련 정밀기기 산업을 비롯한 반도체, 디스플레이 제조 및 검사장비 분야에서 활용폭이 늘고 있다.
리니어 서보 모터는 1982년 미국 아노라드에서 처음으로 상용모델을 출시한 이후 여러 업체에서 꾸준한 연구개발을 진행한 결과 지금과 같은 고정밀 제품이 출현하게 되었다. 초기의 리니어 서보 모터는 반도체 관련 초정밀 위치 결정용 연구장비에 주로 사용되었으며, 일부 초정밀 측정이나 가공, 그리고 군사장비에 사용되는 수준이었다.
제어기술에 있어서는 100% 아날로그 기반의 P 또는 PI 제어에 주로 의존하였으므로 리니어 서보 모터를 이용하는 초정밀 시스템 구축에서 기술적인 어려움과 함께 인력면에서도 한계를 가지고 있었다. 이러한 이유로 초기의 리니어 서보 모터는 제한된 응용범위에서 사용될 수 밖에 없었다. 그러나 초정밀 분야에서의 오랜 검증과정을 거치면서 다른 구동 메카니즘에 비해 확실한 활용성이 부각되면서 응용분야가 확대되기 시작했다.

반도체 기술과 리니어 서보 모터
리니어 서보 모터는 초기에 초정밀 시장에서 활용되면서 서보앰프, 고강성 베어링, 제어 알고리즘 등 관련장치의 기술개발을 촉진하였으며, 1980년대말 이후 프로세서와 PC 기술이 크게 발전하여 디지털 기술과 접목, 새로운 전기를 맞이하였다.
그 동안 아날로그 기반 제어기술로 일정 규모 이상의 기업체에서 제한적으로 사용되던 리니어 서보 모터가 DSP 기반의 소프트웨어 제어로 옮겨감에 따라 많은 사람들이 좀더 손쉽게 리니어 서보 모터가 가진 많은 장점들을 활용할 수 있게 되었고 응용 분야도 확대되었다. 반도체 산업분야의 연구개발 장비에서만 제한적으로 사용하던 상황에서 양산 라인의 가공, 분석 및 일부 검사공정으로 확대되기 시작한 시기도 이 즈음이다.
1990년대 초반에는 반도체 디바이스와 패키지의 다양화가 이루어지면서 TAB, 플립칩(Flip-Chip) BGA 등 신규 정밀 조립장비가 필요하게 되었으며, 이러한 수요에 적절한 구동 메카니즘으로 리니어 서보 모터가 채택되면서 조립장비에서의 응용도 점차 늘어나게 되었다.
또한 이 시기에 리니어 모터를 응용할 때 꼭 필요한 한가지 발전이 이루어지는데, 리니어 서보 모터에서 반드시 필요로 하는 피드백 장치의 발전이다. 이전까지 리니어 서보 모터용 위치 검출 장치(Feed Back)는 유리투과형 광학식 리니어 인코더나 He-Ne 레이저 장치 등에 의해 피드백이 이루어져 왔는데, 이러한 장치는 설치, 조립, 환경 대응에 치명적인 한계를 가지고 있었다. 그러나 독일의 하이덴하인이 금속 재질의 반사형 광학식 리니어 인코더(리니어 스케일)인 ‘Lida’를 발표하면서 리니어 서보 모터의 성장을 방해해 왔던 장애요소가 제거되었다.

고속 고정밀 시스템의 선두주자
국내 리니어 서보 모터 시장은 주로 SMT 조립 장비 산업과 함께 발전해 왔다. 이미 정밀 조립 장비 시장에 성공적으로 상륙한 리니어 서보 모터는 1990년대 중반에 들어 큰 폭의 시장규모를 가진 SMT 조립 장비, 디스펜서 등 비교적 범용장비에 응용되기 시작하였고, 반도체와 디스플레이 분야에서도 테스트, 조립장비(Prober, Bonder) 등의 보편적인 장비분야로 확산되면서 폭발적인 수요증가를 가져왔다.
이러한 조립장비 시장으로의 확대는 이전의 리니어 서보 모터가 가지고 있던 ‘정밀성’에 ‘고속성’이라는 또 하나의 장점을 추가함으로써 자동화와 장비시장의 구동메카니즘으로 확실하게 자리잡게 되었다.
특히 리니어 서보 모터는 기존 회전형 모터에 비해 고속 가속 성능이 우수하고 백래쉬가 없다는 리니어 모터의 장점과 함께 정속성과 빠른 정지시간을 주요 특징으로 한다. 정속성과 빠른 정지시간은 리니어 서보 모터만의 장점으로 정속 스캔을 절대적으로 필요로 하는 초정밀 가공기나 수요가 점차 확대되고 있는 미세 화상검사기 등에서 리니어 서보 모터를 채용하는 주된 이유가 되었다.
최근에는 국내 최대의 선도산업으로 부상하고 있는 LCD, PDP 등의 디스플레이 산업분야에서 고속의 성장을 거듭하고 있으며, 반도체 관련 기기 및 전자산업 관련 분야에서도 활용폭이 꾸준히 확대되고 있다.

리니어 인코더

인코더는 직선 및 회전변위를 디지털로 얻어내는 센서의 일종으로 자동제어를 위한 피드백에서 주로 사용된다. 인코더는 측정하는 정보의 형태에 따라 로터리 인코더와 리니어 인코더로 크게 분류되는데, 로터리 인코더는 각변위를 출력하고 리니어 인코더는 직선 변위를 출력으로 내보낸다는 것이 특징이다.
로터리 인코더는 주로 터닝센터의 인덱스 테이블 등에 적용되며, 리니어 인코더는 리니어 스테이지와 같은 직선운동 기구의 정밀 제어에 사용된다. 물체의 각 변위를 측정할 경우에는 로터리 인코더를 사용하고, 직선 변위를 측정하기 위해서는 리니어 인코더를 사용하는 것이 일반적이다.

리니어 모션 피드백
직선 운동을 구현하는 방법에는 크게 2가지가 있다. 회전형 모터와 볼스크류, 타이밍 벨트 또는 체인을 결합하여 사용하거나, 최근 응용 분야가 확대되고 있는 리니어 모터를 사용하는 것이다.
회전형 모터를 사용하여 직선 운동을 구현할 수 있다는 점은 로터리 인코더를 사용한 리니어 모션 피드백의 가능성을 열어 주었고, 아직까지는 상대적으로 낮은 가격과 간편한 설치방법, 그리고 낮은 고장률 등의 장점으로 피드백 장비 시장에서 주류를 형성하여 왔다.
그러나 볼스크류로 인해서 발생하는 오차에 대한 보상이 불가능하기 때문에 로터리 인코더 기반 시스템은 상대적으로 정밀도가 떨어질 수 밖에 없으며, 볼스크류의 마모로 인하여 시간이 지날수록 정밀도가 저하된다는 문제점을 가지고 있다.
이에 볼스크류 기반 시스템은 변화하는 시장의 고속, 고정밀화 요구에 발맞추기 어려운 시스템으로 지적되고 있어 많은 업체들이 이송기구로 리니어 모터와 리니어 인코더를 사용하고 있다. 또한 볼스크류 기반 시스템에서도 리니어 인코더를 적용하는 쪽으로 방향을 선회하는 중이다.
그럼에도 리니어 인코더는 로터리 인코더에 비해 상당히 고가이며, 구현 가능 길이에 제한이 있다는 문제점을 가지고 있다. 또한 정밀 기기이다 보니 충격이나 진동에 약하며, 완전 밀폐 구조의 구현이 어려워 상대적으로 고장률이 높다는 단점이 있다. ■

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