엔코더의 패러다임을 바꾸다! 정전용량식 센서 ‘Netzer Electric Encoder’
기술 고도화에 따라 로봇, 항공/우주, 방위산업 등 각종 산업 분야에 걸쳐 정밀 위치 제어의 중요성은 나날이 커지고 있다. 특히 개별 부품의 성능이 곧 구동시스템 전체 품질에 영향을 미친다는 측면에서 Netzer와 같은 신뢰성 있는 고성능 엔코더가 주목받고 있다.
모션분야 기술강국인 이스라엘에서 탄생한 Netzer 기업은 정전용량(Capacitive) 기술을 기반으로 한 독자적인 ‘Electric Encoder’ 솔루션을 통해 엔코더 시장의 새로운 흐름을 만들어 왔다. Netzer만의 차별화된 강점은 바로 전기장(Electric Field) 자체의 변화를 감지한다는 것이다. 이는 회전각을 측정하기 위해 빛 또는 자기력에 의존해야 하는 기존의 광학식· 자기식 엔코더가 지닌 구조적 한계를 근본적으로 해결한 혁신적인 기술이다.
▲Electric Encoder 응용 분야 (자료제공: NETZER)
광학식·자기식 엔코더의 한계를 넘어
산업 전반에 널리 사용되는 광학식·자기식 엔코더는 먼지·습기·온도·진동·자기간섭 등 외부 환경 변수에 민감하다는 구조적 한계를 지닌다. 일반적인 광학식 엔코더는 디스크의 투과·반사를 이용해 높은 해상도를 구현하지만, 먼지·습기·진동 등 외부 환경에 취약하며 정기적인 세척과 유지보수가 필요하다는 것이 단점으로 꼽힌다. 자기식 엔코더는 구조가 비교적 단순하지만 외부 자계(EMI/ RFI) 간섭에 영향을 받기 쉽고, 이로 인해 액추에이터 조립 과정에서 모터 마그넷에 접촉할 경우 제품이 손상되는 등의 취약점이 있다.
리졸버는 내구성이 우수하나 구조가 크고 무거워 소형화와 경량화가 어렵다는 한계가 있다. 이러한 기존 엔코더의 한계를 해결하기 위해 등장한 것이 바로 Netzer의 정전용량식 엔코더이다. 정전용량식 엔코더는 빛이나 자기장이 아닌 전기장(Electric Field) 자체를 센싱 매개체로 사용하는 방식으로, 외부 환경 변화에 강하고 구조가 단순하다. 또한 초박형 설계가 가능하다는 점에서 기존 기술과 명확히 차별화된다.
정전용량식 엔코더의 작동 원리
정전용량식 엔코더는 차폐된 공간 내부에 두 개의 플레이트 (Transmitter/Receiver)와 로터(Rotor)가 배치된 구조이다. 로터가 회전함에 따라 이들 플레이트 사이에 미세한 정전용 량(capacitance)의 변화가 발생하게 된다. 이러한 미세 정전용량의 변화를 사인(sin)·코사인(cos) 신호로 변환하면 샤프트의 회전각도를 정밀하게 계산할 수 있다. 빛나 자기력 없이도 고정밀 절대 위치 (Absolute Position) 정보를 검출할 수 있는 것이다.
정전용량 방식 엔코더는 구조적으로 접촉 부품이 없어 마모로부터 완전히 자유로우며, 먼지·습기·온도·진동 등 외부 환경에 거의 영향을 받지 않는다. 또한 엔코더 내부에 베어링이 필요 없어 초박형·경량·중공축(Hollow Shaft) 설계가 가능하고, 전력 소모는 약30mW 수준으로 매우 낮다.
종합해보면 정전용량식 엔코더는 광학식보다 견고하고, 자기식보다 정밀하며, 리졸버보다 빠른 응답성을 가졌다고 할 수 있다. 현재 정전용량식 엔코더 상용화에 성공한 기업은 이스라엘의 Netzer 뿐이며, Netzer 의 제품은 휴머노이드 및 산업용 로봇, 저궤도 위성, 유도미사일, 무인항공기 등 다양한 분야에 적용되어 높은 신뢰성을 입증하고 있다.
▲ Electric Encoder 회전 각도 검출 방식 (자료제공: NETZER)
Holistic Rotor 구조가 만든 정밀도와 내구성
Netzer 엔코더에는 홀리스틱(Holistic) 로터라는 독창 적인 설계가 적용되어 있다. 광학식 또는 자기식 엔코더가 특정 지점의 패턴(눈금) 변화만 감지하는 것과 달리, Netzer의 홀리스틱 로터는 로터 전체의 원주 면적을 통해 생성되는 전기장 신호를 통합(Averaged Outcome)하여 각도 값을 얻는다.
즉, 로터와 스테이터 사이에 형성된 ‘전기장 전체’의 변화를 감지하는 것이다. 이를 통해 기하학적 오차, 틸트(tilt), 축 편심(eccentricity) 등에 따른 국부적인 오차의 영향성을 최소화하는 한편, 자체 알고리 즘을 통해 이러한 오차를 보정함으로써 측정의 정확도와 설치 편의 성을 극대화 할 수 있다.
홀리스틱 로터 구조는 다음과 같은 실질적 이점을 제공한다.
• 설치 오차에 둔감함 : 로터-스테이터간 평행도나 동심도 등 기계적 오차에 민감하지 않음
• 베어링 불필요 : 플로팅(floating) 중공 샤프트 구조로, 기계 마모 및 백래시 최소화
• 초박형·고신뢰 구조 : 로터에 직접 결합하여 장기 열화 요인 제거
그 결과, 동일 직경의 광학식 엔코더 대비 편심에 따른 오차가 현저히 낮으며, 장시간 운용에도 안정적인 성능을 유지한다.
▲ Holistic Rotor 구조 (자료제공: NETZER)
제품 라인업과 권장 어플리케이션
산업 현장을 넘어, 새로운 표준으로
Netzer Electric Encoder 시리즈는 ‘Compact, Reliable, Capacitive’라는 철학 아래 극한 환경하의 정밀 제어를 실현 하는 차세대 모션 센싱 솔루션이다. 특히 정전용량식 엔코더 라는 신기술 분야에 있어서 Netzer는 독보적인 성능과 신뢰 성으로 이미 글로벌 표준으로 자리매김했다.
Netzer의 정전용량식 엔코더는 로봇, 반도체, 방산, 우주 산업등 다양한 분야에서 빠르게 확산되고 있다. 최근에는 국내에 서도 K방산, 저궤도위성, 휴머노이드, 피지컬AI 등 다양한 신산업분야에 적용되고 있는 실정이다.
모션솔루션 전문기업인 삼정오토메이션은 10여년 전부터 방위산업 분야에 Netzer 제품을 독점적으로 공급해 왔다.
삼정오토메이션 관계자는 “정밀 모션 센싱 기술이 소형화·경 량화·저전력화로 고도화되는 흐름 속에서 정전용량식 엔코더는 차세대 로봇과 우주항공 시스템의 핵심 센서로 빠르게 자리 잡고 있다”며 “Netzer가 매년 생산 캐파를 두 배씩 확대하고 있다는 사실 자체가 정전용량식 엔코더 기술의 우수성을 입증하는 동시에, 글로벌 시장이 Netzer의 혁신성에 응답하고 있음을 보여준다”고 강조했다.
자료제공: 삼정오토메이션(www.sjautomation.com)
