소비전력 0.1W의 기술, 초절전 마이크로 밸브로 실현
초절전형 마이크로 밸브 기술의 핵심은 일종의 개폐기 액츄에이터 기술이라고 할 수 있으며, 주어진 압력 전원의 단속에 따라 플런저를 왕복운동 시킴으로써 솔레노이드에 부착된 포펫을 개폐해 유량과 압력을 제어하는 전기-기계식 에너지 변환장치 기술이라고 할 수 있다. 현재 국내에 솔레노이드 밸브를 생산하는 업체의 수는 수십 개에 이르며, 신뢰성과 정밀성,내구성을 요구하는 특정 제품의 구성품으로 사용될 수 있는 성능을 가진 제품을 생산하는 업체는 5개 안팎이라고 할 수 있다.
글/ 김동수 박사, 한국기계연구원 지능형정밀기계연구본부
초절전형 마이크로 밸브 기술의 핵심은 일종의 개폐기 액츄에이터 기술이라고 할 수 있으며, 주어진 압력 전원의 단속에 따라 플런저를 왕복운동 시킴으로써 솔레노이드에 부착된 포펫을 개폐해 유량과 압력을 제어하는 전기-기계식 에너지 변환장치 기술이라고 할 수 있다. 이것은 구조가 간단하고 제작비용이 경제적이며, 자동차의 JIG 머신, 반도체 칩 마운트, 전자제품 생산라인, 반도체 장비 등 많은 산업분야에 응용이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
일명 전자석이라고도 불리는 솔레노이드 엑츄에이터는 손가락 끝에 놓이는 몇 그램의 소형에서 몇 백 킬로그램의 대형까지 다양한 크기가 존재하며, 수많은 장치 기구의 엑츄에이터나 전자기기의 조작용으로 매년 수억 개 이상이 사용되고 있다.
현재 국내에 솔레노이드 밸브를 생산하는 업체의 수는 수십 개에 이르며, 신뢰성과 정밀성,내구성을 요구하는 특정 제품의 구성품으로 사용될 수 있는 성능을 가진 제품을 생산하는 업체는 5개 안팎이라고 할 수 있다. 국내 제작업체가 수십 개가 넘을 만큼 많은 이유는 액츄에이터가 철심과 코일로 이루어지는 간단한 구조이며, 제작과 설계가 쉽고 수요가 많기 때문이라고 할 수 있다.
대부분의 솔레노이드 밸브 생산 회사들은 코일회사가 제공하는 단위 길이당 코일 저항값만을 참고해 코일 선경을 정한 후 요구되는 출력을 얻을 때까지 정해진 보빈에 권선을 거듭하면서 코일의 최적 선경을 결정하고 있다. 이렇게 설계되어 생산되는 제품은 온도상승, 소비전력과 같은 솔레노이드 밸브의 성능과 수명에 직접적으로 연관이 있는 설계변수가 고려되지 않아 연속사용 성능과 수명이 목표치에 못 미치거나 신뢰성과 안정성, 정확성과 내구성이 요구되는 특성 제품으로 사용될 수 없다는 단점을 가지고 있다.
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| 초철전형 마이크로 밸브 기술 |
이러한 문제점은 소수에 불과한 국내 솔레노이드 밸브 전문회사의 경우에도 마찬가지이며, 자체적으로 개발한 설계기술을 보유한 회사는 거의 전무한 실정이라고 할 수 있다. 거의 모든 회사들은 자사가 생산하고자 하는 모델에 대한 성능값에 해당되는 설계사양만을 기술선진국으로부터 제공받아 제작하는 방식으로 제품을 생산하고 있다. 따라서 국내 업체들은 대부분 설계와 관련된 어떠한 기술도 일체 이전을 받지 못하고 있으며, 설계공정에 대한 연구도 어려움을 겪고 있다.
초절전형 마이크로 밸브는 서보밸브에 비해 정확도는 떨어지지만 경제적인 가격경쟁력을 가지고 있으며, 오염이나 온도 및 습도에 대한 내환경성이 강하다는 장점이 있다. 이에 따라 이 분야의 설계와 제작관련 기술은 점차 발전하고 있는 상태이며, 수요 역시 계속해서 증가하고 있다.
최근 들어 제어성능보다 안전에 더 큰 비중을 두고 있는 자동차와 항공관련 산업분야에서는 응답특성과 내환경성, 내구성이 더욱 강화된 공압 밸브 개발의 필요성이 제기되는 있으며, 이를 해결하기 위한 근본적인 방법으로 기존의 개폐식 솔레노이드 밸브의 응답특성을 개선한 초절전형 마이크로 밸브 개발의 필요성이 대두되고 있다.
광범위한 응용 가능한
솔레노이드 액츄에이터 기술
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| 종합 성능 시험기 |
솔레노이드 액츄에이터(Solenoid Actuator) 기술은 구조가 간단하고 경제적이며, 정밀제어가 가능한 기술이기 때문에 유공압 밸브, 자동차 연료 분사기, 자동차 브레이크, 전기 릴레이, 전기 스위치 등에 직접적으로 사용될 수 있다. 이 기술은 전기, 전자, 기계 등 전산업계에 걸쳐 광범위하게 응용이 가능하며, 국가산업에 미치는 경제적, 기술적 파급효과가 지대한 매우 중요한 기반기술이라고 할 수 있다. 초절전형 마이크로 밸브는 산업 전반에서 광범위 하게 사용될 수 있으며, 특히 반도체산업, 의료기기, 전자제품 조립라인, 첨단시험장비 등에서 주로 사용되고 있다.
100% 수입되어 사용되고 있던 마이크로 밸브의 경우 1980년 말부터 국내 공압기기 생산업체인 TPC메카트로닉스, 연우기전 등에서 제품을 생산하기 시작했으며, 솔레노이드는 스위스의 Microsol 제품을 수입해 사용하기 시작했다. 1990년 중반부터 일본의 Kuroda, Taco, Taiyo, SMC 등과 기술제휴에 의한 국내업체의 제품생산이 본격화되었으며, TPC메카트로닉스, 신영전기제어 등이 국내시장을 주도했다고 할 수 있다. 이러한 국내 회사들의 현재 기술수준은 선진국에 비해 성능 면에서 40%, 신뢰성 면에서는 약 25%~30% 정도로 파악되고 있으며, 가격경쟁력 면에서도 어려운 시장경쟁을 벌이고 있다. NFPA & JFPA의 2003년 자료에 따르면 현재 국내시장의 규모는 약 1조원 수준이며, 기술력 미확보로 거의 전량을 수입에 의존하고 있는 실정이라고 할 수 있다. 상대적으로 전세계 시장 규모는 약 13조원이며, 기술 선진국 제조업체는 일본의 SMC, Koganei, 독일의 FESTO, 미국의 MAC 정도라고 볼 수 있다.
초절전형 마이크로 밸브 기술은 전반적으로 소형화 및 고정밀화를 추구하고 있으며, 작동유체인 공기의 특성상 청결성 및 비폭발성을 특징으로 가지고 있다. 이 기술은 소형 경량화로 인해 저가 형성에 성공했으며, 전기, 전자, 기계의 복합기술이라고 할 수 있다. 또한 IT, NT, BT, ET기술의 근간이 되는 기술이라 할 수도 있다.
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| 국내외 Valve 시장 규모 |
특히 이러한 동적 효과는 전기, 자기 및 기계 시스템이 결합된 형태로 나타나기 때문에 비정상 상태 해석에서 각 시스템 간의 시험 결과에 대한 비교 분석이 이루어져야 하며, 현재 기계공학 분야의 기존 연구에서는 대부분 전자기장의 시변계 유한요소 해석을 하지 않고 단순화하거나 실험에 의존하는 경우가 많다고 할 수 있다.
전기공학 분야의 경우 솔레노이드의 유한요소 해석은 이루어지지만 기계거동의 경우 충돌시 발생하는 금속의 강성이나 제동(Damping) 효과나 유체의 점성에 의한 마찰을 고려하지 않아 플런저의 거동해석에 한계를 보이고 있다.
온도상승 감소시켜
제어능력 향상 실현
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| 초절전형 마이크로 밸브 핵심 기술 |
승 저감을 통해 제어능력을 향상시키기 위한 기술이며, 유량 특성의 해석/설계 기술이 핵심이라고 할 수 있다. 밸브의 미소 개구시에 발생하는 유체력은 교축부에서의 급격한 압력 강하에 의해 양단면의 압력분포에 차이가 생기기 때문에 발생하는 것으로 밸브 조작성에 영향을 주는 동시에 진동을 유발해 안정성에 문제를 유발시킬 수 있으며, 이에 따라 유체력의 특성을 해석하는 것이 매우 중요하게 인식되고 있다.
솔레노이드 액츄에이터( Solenoid Actuator)를 설계하기 위해 설계자는 일반적인 전자기적 공식과 함께 설계하고자 하는 대상에 대한 고정된 표준조건들을 이해하고 있어야 한다. 전기 기기 설계분야에서 필요로 하는 이러한 지식들은 특정한 기기의 동작을 지배하는 물리적 법칙과 여러 가지 기기의 수많은 설계 및 제작 경험에서 추론되는 경험적 규칙들 그 자체를 의미한다고 할 수 있다. 물리적 법칙들은 거시적 관점에서의 설계를 가능하게 하며, 설계 대상에 대한 전체적인 Out-Line적 설계를 가능하게 해주고 있다.
반면 최적설계가 되기 위한 세부적 설계는 경험적 지식이 없이는 불가능하며, 경험적 규칙들은 마그네트(Magnet)와 전류 및 자속밀도에 대한 경제적 설계 요소를 결정짓는 중요한 규칙들이므로 설계하고자 하는 기술대상에 따라 이에 부합되는 충분한 경험을 보유하는 것이 무엇보다 중요하다고 할 수 있다.
개폐형 솔레노이드 액츄에이터(On/Off Solenoid Actuator) 기술을 구성하는 핵심기술은 안전율과 온도상승을 고려한 솔레노이드의 최대 흡인력 결정기술, 자속밀도 해석기술, 플런저 사이즈 및 형상 결정기술, 최적의 보빈설계기술, 자성재료 해석 및 결정기술, Space Factor 결정기술, 온도상승을 고려한 턴수 계산 기술 등이 있다.
이 가운데 자속밀도 해석기술은 플런저 형상결정 기술, Space Factor 결정기술과 함께 물리적 법칙보다는 경험적 지식을 훨씬 더 많이 필요로 하며, 물리적 법칙에 근거를 둔 기초계산과 함께 경험을 토대로 한 상수 결정기술이 확립될 때 비로소 자속밀도 해석기술을 완성할 수 있다. 특히 플런저 형상에 따라서 전자기회로에 분포하는 자속의 Path별 자속밀도가 큰 차이가 나고 이것은 흡인력, 소비전력, 코일의 발열량에 큰 영향을 미치며, Space Factor의 적절성 여부에 따라 코일의 발열량, 솔레노이드 자체의 외관 사이즈 등이 직접적으로 영향을 받을 수 있다.
등가자기회로법을 이용해
솔레노이드 엑츄에이터 설계
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| Poppet 유동해석 결과 |
최근에는 액츄에이터의 고속화와 솔레노이드의 저소비전력화 기술이 개폐형 솔레노이드 액츄에이터(On/Off Solenoid Actuator) 분야에서 강력히 대두되고 있다. 짧은 열림지연시간(Opening Delay Time)을 갖는 고속형 솔레노이드 액츄에이터는 빠른 자화 때문에 와전류와 같은 동적 효과를 고려한 시변계(Time-Varying) 유한요소 해석을 해야 한다. 특히 이러한 동적 효과는 전기, 자기 및 기계시스템이 결합된 형태로 나타나기 때문에 비정상상태 해석에서 각 시스템 간의 결과치를 서로 비교하면서 해석이 필수적이라고 할 수 있다.
국내 연구진에 의해 개발된 마이크로 밸브의 개발에 대한 연구는 등가자기회로법을 이용해 ON-OFF 솔레노이드 엑츄에이터 설계를 실현했으며, 설계된 데이터를 바탕으로 유한요소법을 이용한 자기장 해석으로 설계의 타당성을 검증했다. 포펫 하부의 수직관 끝단에서 유동은 충격파 시스템을 형성하면서 분출되며, 출구로 진행하면서 과팽창될 수 있다.
이 연구를 통해 개발자는 자기장해석과 유동장해석을 통해 최적설계를 설계사양에 적용해 ON-OFF 솔레노이드 밸브를 설계하고 개발해 성능을 평가한 결과 00059의 Cv치와 3ms의 응답특성과 누설량이 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
개발자는 Valve ON(Stroke=0.05mm)일 때 솔레노이드 엑츄에이터에 발생하는 흡인력이 약 3.9N이며, 포펫에 작용하는 전합력(Total Force)은 약 2.89N이므로 밸브를 폐쇄하기에 충분한 힘을 얻을 수 있다. 또한 Valve OFF(Stroke=0.3mm)일 때 솔레노이드 엑츄에이터에 발생하는 흡인력은 약 1.5N이며, 포펫에 작용하는 전합력(total force)은 약 1.16N이므로 밸브를 개방하기에 충분한 힘을 얻을 수도 있다. 개발한 ON-OFF 솔레노이드 밸브의 에너지 절약을 위해 0.35W에 절전회로를 부착해 소비전력을 0.1W로 낮출 수 있는 회로를 개발할 수도 있다.
