리니어 모터 : 고속 고정밀 모션 컨트롤 시스템을 위한 핵심기기로 성장
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최근 들어 리니어 모션 애플리케이션에 대한 요구 수준이 크게 늘어나고 있다. 제조 현장으로부터 높은 위치 정밀도를 가지면서 유지관리가 쉽고, 전체 시스템에서 기존보다 적은 수의 부품을 사용해야 한다는 요구가 끊임없이 제기되고 있는 것이다.
이러한 제조 현장에서의 요구에 적극 대처하기 위해 모션 컨트롤 전문업체들은 지속적인 기술발전을 무엇보다도 앞서서 자신의 제품에 수용하고 시스템에 적용해 나가고 있다.
10년 전 까지만 해도 안정적인 로드 성능을 가지고 5ms의 직선운동이 가능한 상용화된 리니어 베어링을 찾기란 쉬운 일이 아니었다. 그러나 오늘날에는 이러한 성능과 저가격화를 실현한 많은 리니어 베어링을 쉽게 접할 수 있게 되었다.
리니어 인코더의 기술 발전 또한 제조 현장에서의 고속 운전을 가능하게 하는 중요한 요인이 되었다. 리니어 인코더는 제조 현장의 자동화 생산 시스템에서의 저소음 실현과 함께 시스템 구축에서의 비용 절감을 동시에 가능하게 하였다.
이러한 리니어 모션 분야에서의 기술발전은 기계적인 드라이브 기술에서도 변화를 가져와 고속의 볼스크류는 물론 5ms이상의 속도와 고도의 위치 반복성을 가진 타이밍 벨트를 낳았다. 볼스크류와 타이밍 벨트는 모션 컨트롤 애플리케이션 분야에서 반드시 해결해야만 하는 과제로 요구받아 왔으며, 앞으로도 지속적인 기술 발전을 추구할 분야이기도 하다.
그럼에도 오늘날의 모션 애플리케이션에서 요구되는 속도와 정밀도를 동시에 해결하기란 쉽지 않다. 시간이 지나면 지날수록 더욱 향상된 고정밀과 고속을 요구하는 제조 현장에서의 애플리케이션 요구와 부딪혀야 하기 때문이다.
이러한 문제의 해결은 구동장치 분야에서의 속도 향상과 부품수의 감소 그리고 고분해능을 동시에 추구해야 한다. 이러한 요구를 가능하게 하는 솔루션으로 제시되는 핵심기기가 리니어 모터이다.
리니어 모터의 개요
리니어 모터는 직선으로 직접 구동되는 모터로써 회전형 모터를 잘라 펼쳐놓은 것과 같은 구조이다. 리니어 모터는 일렬로 배열된 자석사이에 위치한 코일에 전류를 흐르게 함으로써 힘을 얻도록 하는 구동장치이다.
회전 운동력을 발생시켰던 기존의 일반 회전형 모터와 비교하여 리니어 모터는 직선방향으로 미는 추력을 발생시키는 점이 다르기는 하지만, 구동원리는 동일하다고 볼 수 있다.
회전형 모터는 회전방향으로 무한 연속운전을 하지만 리니어 모터는 구조적으로 길이에 제한을 받을 수 밖에 없다. 입구단(Entry End)과 출구단(Exit End)이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜형 및 손실을 유발하는 단부효과(End Effect) 를 가진다.
또한 공극이 크기 때문에 공극의 자속분포, 추력특성 등에 있어서 영향을 크게 받아 자화전류의 증가, 역률 및 효율의 악화를 필연적으로 동반한다. 그러나 리니어 모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특유의 장점이 있으므로 직선 구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 성능이 절대적으로 우세하다.
즉 리니어 모션 시스템에서 회전형 모터에 의해 직선 구동력을 얻고자 할 경우에는 볼스크류, 체인/벨트, 랙피니언 등의 기계적인 변환장치들이 반드시 있어야 하며, 이때 각각의 부품사이에서 발생하는 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생이 필연적이므로 시스템의 정밀제어 보장이 어렵다.
리니어 모터를 응용하는 경우는 직접 구동식이므로 기존 회전형 모터 응용 시스템에 비하여 구조가 매우 간단하고 차지하는 공간이 적으며, 비접촉식이므로 소음 및 마모가 없어 반영구적으로 사용할 수 있다.
일반적으로 리니어 모터는 회전형 모터에 비해서 성능면에서는 최소 2배 이상의 빠른 이송속도, 10배 이상의 강한 추력, 5배 이상의 정밀한 위치제어가 가능하다. 따라서 직선 운동이 필요한 모든 산업분야에 리니어 모터의 채택이 빠르게 진행되고 있는 것이다.
고속 고정밀 위치제어
기계의 직선운동에 있어 고위치 결정 정도를 가능하게 하는 리니어 모터는 1980년대초 국내산업에 적용하기 시작한 이래로 국내 경제를 주도하고 있는 LCD, PDP 등의 디스플레이 산업, 반도체 산업, 자동차 산업, 로봇, 공작기계, SMT 장비를 이용한 정밀기기 산업 등을 주력으로 하여 우주항공분야, 고속전철, 자동차, 가전제품 등에 이르기까지 폭 넓은 적용분야를 가지고 있다.
기계의 고정도화, 기계부품 조립의 편리성, 에너지 절감, 간편한 유지보수 등의 경제성과 기술 향상성을 갖추고 국내 산업의 자동화 및 산업 고도화에 리니어 모터가 지대한 공헌을 하고 있는 것이다.
현재 정밀모터 등 범용성이 큰 핵심부품 부문에서는 잠재력 있는 기업을 발굴하여 초일류 부품 기업으로 육성하는 것을 목표로 산업자원부에서 추진중에 있는 부품 소재 산업 육성 대상품목에 포함되어 있어 향후 이 분야에서의 국내기술이 선진국 수준으로 도약하는데 기여할 것으로 기대된다.
특히 LCD, PDP 등 디스플레이 산업을 주축으로 하여 반도체 산업 등 IT 산업의 발전에 따라 관련 장비 업체가 대폭 증가하고 있어 LM가이드, 볼스크류, 서보모터, 감속기, 리니어 모터 등의 단품 보다는 이들을 통합적으로 사용하는 시스템 수요가 크게 증가하고 있다.
고속 고정도 위치 결정용 리니어 모터 시스템은 디스플레이, 반도체로부터 공작기계, 자동차, 정밀기기 등의 산업계 전반의 고속 고정도화 요구를 배경으로 급속도로 보급이 확산되고 있다.
리니어 모터를 이용한 시스템은 얼마나 정밀도 높은 제품을 얼마나 저렴하게 생산하여 공급하느냐가 관건이며, 또한 납기가 중요한 경쟁 요소가 되고 있다.
시스템 응용기술 요구돼
리니어 모터의 연구개발에 필요한 핵심기술로는 고효율을 가지는 제품의 최적 설계를 위한 전자장 및 방열해석 기술, 공작기계에 적합한 리니어 모터를 위한 전용 드라이브 제작기술, 리니어 모터 특성 해석을 위한 객관적 성능평가 기술, 고속 고강성 고정도의 안정된 운전 특성을 위한 제어기술 등을 들 수 있다.
그러나 국내 업체들의 경우 고정밀 리니어 모터 드라이브 설계 기술 개발 등 설계 및 이와 관련한 분야에서의 신뢰성 문제에 있어서 미국, 유럽, 일본 등의 선진국에 비해 다소 열악한 상태에 있다.
특히 리니어 모터는 회전운동을 하는 일반 모터와 달리 직선상에서 직접 움직이기 때문에 빠른 동작속도와 정밀한 위치제어가 가능하기 때문에 차세대 모션 컨트롤의 핵심부품으로 각광받고 있으나, 시스템 운용에 고도의 노하우가 요구되고 가격이 상대적으로 높아 국산 개발 제품들의 급속한 시장확대까지는 다소 시간이 소요될 것으로 보인다.
그럼에도 세계 최대의 디스플레이 산업 시장으로 떠오른 국내 시장의 변화속에서 리니어 모터 업체들은 디스플레이 제조 장비용 모션 컨트롤 기술을 위한 리니어 모터의 어플리케이션 노하우 확보에 큰 기대를 걸고 있다. 또한 초고속 공작기계 및 정밀기기 산업용 SMT 장비에서의 응용도 지속적인 성장이 기대되면서 이분야 리니어 모터 응용기술 확보에 박차를 가하고 있다.
국내 리니어 모터 개발업체로는 세우산전, DCT, 앤디텍, 져스텍, 대우종합기계, 삼성테크윈, 미래산업 등이 있다.■
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