바투잼, 세계 최초 3차원 6자유도 측정하는 ‘다축 광엔코더’ 개발

김재완 대표 “MAPS, 토크 변형 실시간 측정·안정적 장비 운용 실현”

㈜바투잼은 광센서를 전문으로 개발하는 벤처기업이다. 김재완 대표가 한국표준과학연구원에서 원천기술을 개발했고 이를 바탕으로 2018년에 설립했다.
회사명 ‘바투잼’은 빠르고 정확하다는 뜻의 우리말 ‘바투’와 재다의 명사형 ‘잼’을 결합한 것이다. 이름처럼 바투잼은 빠르고 정확한 센서를 개발하는데 주력했고 그 결과 세계 최초로 물체의 6자유도를 나노미터 분해능으로 측정하는 ‘다축 광엔코더’ MAPS를 개발했다.

다축 광엔코더는 MAPS는 어떤 제품인가

MAPS는 다축 절대좌표/자세 센서(MAPS, Multi-axis Absolute Position-posture Sensor)이다. 이는 3차원 공간에서 물체의 6자유도 정보를 나노미터의 분해능으로 측정할 수 있는 세계 최초의 다축 광엔코더이다. 정밀한 다축 스테이지 제어에 적용하면 더욱 정확하고 쉽게 장비를 제어할 수 있다. 부가적으로 장비 유지가 편리해지는 자동 교정, 실시간 오차 검출, 실시간 변형 검출과 같은 스마트 기능을 제공한다.

센서 시장의 이슈와 다축 광엔코더를 개발하게 된 배경은 무엇인가

부품과 모듈 개발자의 관점에서 스마트 팩토리가 추구하는 발전 방향을 한 줄로 정리한다면 ‘자체 판단 능력을 보유한 부품과 모듈’을 만드는 것이다. 이전 세대의 공장자동화 장비에서, 부품과 모듈은 중앙처리장치가 요구한 내용을 수행하면 됐다. 수행 결과가 명령대로 되었는지의 판단은 중앙처리 장치가 하는 것이지 부품(모듈)이 하지는 않았다.

스마트 장비에서는 명령에 따른 행동뿐만 아니라 행동 결과가 명령에 부합하는지를 판단하고, 부족하다면 다시 수행해서라도 명령을 완수하는 부품 모듈을 원한다. 이런 모듈이라면 레고블럭을 쌓듯이 쉽게 장비를 만들고 기능을 변형할 수 있기 때문이다. 그래서 통신기능과 Edge computing 기능이 포함된 부품과 모듈을 개발하고 있다.

광엔코더가 포함된 스테이지 모듈이 판단 능력을 보유하기 위해서는 이동물체를 3차원 공간에서 원하는 위치와 자세(6자유도)로 정확하게 옮겼는지를 광엔코더가 측정할 수 있어야 한다. 이 점에서 기존 광엔코더는 1자유도 측정이라는 본질적인 한계가 있다. 기존의 광엔코더는 아무리 좋은 제품을 사용해도 어느 수준 이상의 정밀도에서는 이동 결과를 자체적으로 담보할 수 없기 때문에 다른 외부 센서의 도움을 받아야 한다. 즉 스테이지 모듈의 자체 판단 능력은 다축 광엔코더가 있어야 한다.
바투잼은 6자유도를 한꺼번에 측정할 수 있는 광엔코더가 꼭 필요하다는 판단에서 MAPS를 개발했다.

MAPS의 기술적인 특징을 소개해달라

MAPS는 3차원 공간에서 이동하는 물체가 어느 위치에 어떤 각도로 놓여 있는지 측정하는 센서이다.
투수가 던진 공을 던지는 상황을 예로 들어보겠다. 타자의 입장에서는 공의 중심 궤적(x,y,z)이 스트라이크 존으로 들어오는지 관심을 가질 것이다. 투수의 입장에서는 공에 어떤 방향으로 회전(θx,θy,θz)을 줘야지 중심궤적이 커브로 되는지(x,y,z) 관심을 가질 것이다. 즉, 3차원 공간에서 공의 운동을 완전히 설명하기 위해서는 위치뿐만 아니라 자세와 각도까지 필요하다. 위치와 자세 정보를 장비 산업에서 필요한 정도로 정확하게 측정할 수 있는 최초의 센서가 MAPS이다.

다축 스테이지는 구조상, 모터를 포함한 구동체가 움직인 거리와 물체가 실제 도착한 거리가 항상 다를 수밖에 없다. 기존의 광엔코더는 구동체의 이동량을 측정하고 이를 가지고 물체의 위치를 추정하게 된다. 물체의 실제 위치와 기존 광엔코더 측정값은 언제나 차이가 있고 이를 구동오차라고 한다. 구동오차를 줄이기 위해서는 스테이지의 구성부품을 보다 정밀하게 가공하거나 고가의 정밀 부품을 사용하게 된다. 구동오차를 측정하기 위해서는 별도의 장치가 필요하다.

만약 직접 물체의 위치를 측정한다면 구동체의 이동량과 현재 물체의 위치를 모두 알 수 있으므로 구동 오차까지도 알 수 있다. MAPS는 이동물체에 스케일을 부착하고 이를 직접 측정하므로 현재 위치와 구동오차를 동시에 알 수 있다.

MAPS가 필요한 장비와 애플리케이션은

MAPS는 반도체 디스플레이 장비 중에서 정렬(Alinger) 기능이 있는 모든 장비에 사용된다. 마스크 정렬 장비가 대표적이다.
크기가 1 m 이상의 대형 UVW 스테이지를 제어하는 경우에는 각도 오차에 기인하는 Abbe 에러와 열변형이 커서 정밀제어가 힘들다. MAPS를 2개 사용하면 각도 정밀도를 획기적으로 높이면서 열변형을 측정할 수 있어서 고객의 정밀도 요구 조건을 충족할 수 있었다.

한국표준과학연구원에서 운용중인 대용량 토크 표준기가 토크를 측정할 때 장비 자체의 변형량과 토크에 의한 변형이 합해지는 문제가 있었다. MAPS로 토크 표준기의 변형을 실시간으로 측정하여 보상함으로써 보다 안정적으로 장비를 운용할 수 있었다.

앞으로의 개발 계획과 하고 싶은 말씀은

MAPS-Q시리즈는 반도체 디스플레이처럼 평면작업 장비를 목표로 개발한 센서이다. 현재 수직방향의 측정영역을 확장한 MAPS-R 시리즈의 개발을 진행하고 있다. 향후 물류자동화시장을 겨냥한 MAPS-S 시리즈를 선보일 계획이다.

국내의 센서시장은 외국 기업이 지배하고 있고 장비시장은 안정성을 추구하기 때문에 바투잼과 같은 신생기업이 살아남기 어려운 환경이다. 광엔코더는 거의 모든 정밀장비에 들어가는 핵심요소 부품이므로 바투잼과 같이 새로운 아이디어로 도전하는 기업이 많으며 이들이 성공해야 국내 장비산업의 경쟁력도 강해진다. 장비 업계가 선진 기술에 도전하는 우리나라 기업들에게 기회를 준다면 결국 서로 윈윈하는 결과를 얻을 것이다.