2006년 9월 정보통신부의 발표자료에 따르면 우리나라 소비자들은 와이브로 및 DMB 등 여러 IT 품목 중 지능형로봇을 가장 사용해보고 싶은 것으로 조사되었다고 한다(지능형로봇 17.5%, 와이브로 14.5%, DMB/DTV 10.6%).
이처럼 현재 네트워크 기반의 지능형로봇은 기존 산업용 로봇에서 지능형 서비스로봇으로 통칭되는 비산업용 로봇에 대한 산업화 및 대중화를 모색하는 단계를 지나 시장초기 단계에 와 있다고 볼 수 있다. 본 내용에서는 그 중심에 있는 지능형로봇의 모터기술과 시장에 대해 살펴보도록 하겠다.
라. 초음파 모터
초음파 모터는 초음파 영역의 기계적 진동을 구동원으로 하는 액추에이터로 인간의 귀가 감지할 수 있는 주파수는 50Hz에서 20kHz인데 20kHz 이상의 주파수를 갖는 음파나 기계적 진동을 초음파라 한다.
초음파의 주파수를 사용하는 이유는 진동원으로 압전 세라믹을 사용하는 것과 깊은 관계가 있다.
Stator가 초음파로 인해서 움직이게 되면 이에 따라서 Rotor가 도는 구조를 지니며 압전 세라믹은 전압의 인가에 의하여 세라믹 또는 함께 쓰이는 금속에 변위를 발생시키기 위해서 사용된다.
최대의 효율로 기계적 변위를 일으키기 위해서는 초음파 영역에서 압전 세라믹에 공진을 일으키는 것이 바람직한다.
초음파 모터는 교류적인 신축 운동을 기계적인 정류에 의하여 한방향의 운동을 만들어내는 장치이며, 한 사이클의 움직임이 마이크로 정도로 작지만 초당 회수가 수만회가 되면 의외로 빠른 속도로 얻을 수 있다.
초음파 모터의 장단점을 살펴보면 다음과 같이 요약될 수 있다.
① 장점
- 소음이 적다.
- 무게가 가볍게 서례할 수 있다.
- 소형의 개발이 용이하다.
- 자계의 영향이 없다.
② 단점
- 압전 세라믹의 특성상 구동주파수의 대역이 매우 좁기 때문에 열에 의한 팽창이나 수축이 적고 탄성률이 우수한 재료를 사용한다.
- 압전 세라믹의 손실로 인해서 공진주파수가 변하게 됨으로 이를 유지보수할 수 있는 외부회로가 필요함
이 분야는 연구는 일본에서는 기업중심으로 추진되고 있으며 미국에서는 주로 군사관련 연구소 중심으로 추진되고 있다.
이 연구를 추진하고 있는 일본 내의 기업으로는 NEC, Matsushita Electric, Tokin, Toshiba, Fuji Electric, Hitachi, Cannon, Malcon Electric, Sinsei Kogyo 외에도 몇 개의 기업이 더 있다.
특히, Sinsei Kogyo 회사는 초음파 전동기에 관한 선도적인 회사로 제품은 Propagation-wave Type으로 이는 시간과 공간적으로 90° 위상이 다른 두 개의 Standing Wave를 결합한 것으로 정역전이 용이한 구조를 가지고 있다.
국내에서는 90년대 후반 이후 초음파 모터에 대한 관심이 높아지기 시작했으며, 1999년도에는 전자부품연구원에서 카드리더기용 초음파 모터를 개발한 사례가 있다.
또한 피에조 테크놀로지는 2000년 초음파 모터를 개발한 이래 꾸준히 기술을 발전시켜 나가고 있다.
3. 모터시장 전망
소형모터 시장은 연평균 5% 이상의 증가율을 보이며 급성장하고 있다. 이러한 이유는 자동차 및 가전제품 소비의 증가에 따른 것으로 분석된다.
또한 소음발생이 적고 성능이 개선된 소형 모터가 출시되어 기존 소형모터를 교체하고 있는 것도 소형 모터의 수요 증가를 부추기고 있다.
전체 모터시장의 1/3을 차지하고 있는 자동차산업과 컴퓨터 등 전자제품의 지속적인 수요 증가로 인해 향후 소형모터의 수요도 꾸준한 증가세를 유지할 것으로 전망되며, 제품 향상으로 기존 모터교체 수요 발생, 소음, 전자파 및 에너지 효율성을 규제하는 새로운 모터 관련 법률제정으로 인한 새로운 사양 및 기능의 모터 수요증가, 중국 등에서 저가의 모터 유입증가로 인한 상대적으로 수요 증가도 시장성장을 이끄는 중요한 요소로 작용하고 있다.
미국의 소형모터 유통업체에 따르면, 전체 소형모터 소비의 70%를 DC 모터, 37.5와트 이하 모터, AC 단상 전동기, 유니버설 AC/DC 겸용 전동기 등 4개 품목이 차지하고 있다.
2003년도 소형모터 중 가장 수요가 많은 제품은 AC 단상 전동기로 전체 수용의 24.32%, 이어 DC모터가 23.82%, 37.5와트 이하 전동기 20.58%, 유니버설 AC/DC 겸용 모터 4.14% 순이다.
최근의 소형 모터의 시장동향은 크게 고효율성과 OEM 증가로 설명할 수 있다.
가. 고효율성 제품개발 및 출시
전세계 에너지의 60% 정도가 전동기 구동에 사용되고 있어, 에너지 효율성 제품의 중요성이 대두되고 있다.
전동기 기술축적으로 에너지 효율성이 강조된 제품과 내구성이 강조된 제품이 지속적으로 개발되고 있으며, 시장에서 소비되고 있다.
에너지 효율성을 극대화한 제품으로 PMDC(Energy Efficient Permanent Magnet DC Motor)는 영구자석을 이용하여 기존에 사용했던 에너지양을 상당부분 절감하였으며, 또한 소음이 기존 모터보다 향상되었고 제조단가 역시 낮아 현재 널리 사용되고 있다.
내구성이 강화된 제품으로는 BLDC(Brushed DC Motor)가 현재 시장에서 판매되고 있다. BLDC 제품은 내구성을 최대한 향상시켜 반영구적으로 사용될 수 있을 뿐 아니라, 에너지 효율성 및 유지비가 적게 드는 장점도 가지고 있다. 현재 BLDC는 AC 모터의 대체 상품으로 모터 제조업체들이 보다 우수한 제품개발에 주력하고 있다.
PMDC와 BLDC는 차세대 소형 전동기를 이끌어나갈 제품으로 향후 소형 전동기 시장에 가장 큰 부분을 차지할 것으로 예상된다.
나. OEM 증가
소형 전동기의 1/3를 소비하고 있는 자동차 메이커들의 가격하락 압력으로 고가 전동기의 수요가 확연히 감소되고 있는 추세이다.
OEM 증가는 가격하락 압력으로 발생된 것으로, 해외 전동기 제조업체들의 기술 향상으로 동일한 품질의 제품을 저가로 공급 받을 수 있어, 해외 OEM 수입이 증가되고 있는 추세이다.
정밀 전동기 주요 OEM 국가로는 고도 정밀기술이 발달한 일본, 독일, 캐나다, 스위스, 프랑스 등이 있다. 일반적으로 정밀 전동기는 정밀 기계부품으로 사용된다.
한국의 소형모터는 일본, 독일 등 선진기업 대비 기술경쟁력이 향상되고 있고, 중국 등 저임금 국가제품과 가격대비 품질이 매우 우수해 소형모터 시장에서 상당한 경쟁력을 가지고 있은 것으로 평가되고 있다.
한국 제품을 기업의 환경분석인 SWOT(Strength, Weakness, Opportunity, Threat)로 분석을 하면 다음과 같다.
<표 2>는 미국의 유통업체가 평가한 자료로서 한국의 소형모터의 경쟁력을 보여주고 있다. 소형모터 시장은 향후 지속적으로 증가세를 보일 것으로 예상되나 경쟁은 더욱 치열해질 전망이다.
이러한 치열한 경쟁 환경에서 살아남기 위해서는 우리 기업들은 제품품질 개발 및 제조단가 절감뿐 아니라 해외영업력 향상에도 각별한 노력을 기울여야 할 것으로 판단된다.
한 예로 최근 국내기업인 파스텍은 지능형로봇의 핵심 부품인 고성능 서보시스템인 모터 제어기를 국산화하여 국내외 시장에 진출할 계획을 세우는 등 활발한 제품개발이 이루어지고 있다.
파스텍의 Ezi-SERVO 제품은 32비트 DSP에 의한 Closed Loop 제어방식으로 모터에 장착된 고정도 엔코더에 의해 탈조가 발생하지 않는 서보 시스템이다.
4. 각 모터기술의 전망
각각 모터의 전망을 살펴보면, PMDC 모터는 기존의 응용분야인 자동차 산업 분야와 더불어 카메라, AV 기기 등의 영상광학 분야에 계속 적용되기에 적합하도록 소형화, 경량화의 제작기술과 모터의 특성으로는 토크의 증가, 코깅 토크의 감소, 철손저감, 고밀도전력, 영구자석을 사용하기 때문에 중요한 사항인 감자방지 구조, 제어 등에 대한 기술개발이 예상된다.
또한 PMDC 모터에서는 정류작용이 중요하기 때문에 브러시나 정류자의 재료의 발전에 따른 전기적 특성이 우수한 재료를 사용하여 고효율과 소형 경박화의 PMDC 모터의 연구가 활발히 이루어질 것으로 예상된다.
소형모터로서 마이크로 모터에 대한 구조와 제작 등에 관한 기술개발이 예상되며, 제어기법으로는 모터 동작 시 영구자석의 감자에 따른 보상법 등 토크 특성향상에 대한 제어기법 등에 관한 연구가 예상된다.
PMDC 모터의 자체 구조보다는 특정한 응용분야에 적용되는 기술, 예컨대 휴대폰용 진동모터의 저가격화를 위한 새로운 구조, 제어 등에 대한 연구개발이 이루어질 것으로 보인다.
BLDC 모터의 구조면에서는 자계의 형성하는 마그네트의 위치에 따라 자로의 구성방법, 권선의 배치방법이 다르게 되어 고효율화, 소형화 및 경량화를 이루기 위한 구조, 제작에 대한 연구가 활발해질 것으로 보인다.
전기적 특성으로는 토크리플의 감소, 소비전력감소, 회전자 위치정보의 정밀도 향상, 저소음, 효율향상, 진동감소 등을 위한 기술개발이 예상된다.
또, 회전자 위치검출을 위한 센서의 간소화, 저가격화, 조립의 용이성 등 센서의 기술과 제작에 대한 개선기술 및 가격, 크기 등의 저감기술에 대한 연구가 예상된다.
BLDC 제어기술면에서는 고효율 운전을 위한 제어장치, 4상한 영역에서의 토크제어의 선형성, 토크리플의 저감제어, 전자기적 소음과 기계적 소음의 감소방법, 최대 토크를 출력하기 위한 운전제어, 기동시 제어회로에 사용되는 전력용 반도체의 열의 열의 효율적인 방열기술 등에 관한 연구가 예상되고, 센서없이 구동하는 기술에 관해서는 기동법, 회전자의 위치를 검출하는 방법, 센서리스 속도제어기술 등에 관한 개발이 예상된다.
제어회로의 구성면에서는 PWM 인버터를 포함한 제어회로의 IC화 기술의 개선, 제어신호 발생법 등 집적화와 소형화를 하기 위한 제작기술 등에 대한 연구가 활발히 이루어질 것으로 보인다.
BLDC 모터는 유도전동기 및 브러시형 직류전동기에 비하여 효율이 좋으므로 현재 1kW급 이하의 소형 전동기 시장에서 유도전동기와 직류전동기가 응용되고 있는 분야의 브러시리스화가 급속히 이루어지고 있어 이 분야의 시장은 매년 급격한 성장을 이룰 것으로 보인다.
그러나, 이러한 시장에서의 국내의 전동기업체가 경쟁력을 얻기 위해서는 전동기의 설계뿐만 아니라 생산과 관련된 기술적인 권리를 얻어내는 것이 중요하다.
스테핑 모터는 활용범위와 응용분야가 더욱 많을 것으로 예상되며, 제작에 있어서는 하우징과 어셈블리의 기술, 특성향상으로는 위치제어의 미세조정, 높은 토크특성, 스텝동작 안정화 기술, 코깅 토크 저감, 회전자의 회전 오차감소, 회전자의 위치결정 정밀도, 소형 경량화 회전속도의 정속성 진동감소, 소음감소, 출력 증가 등에 대한 기술개발이 예상된다.
이중 소음은 실제 가정용 로봇을 구현하는데 큰 걸림돌이 되기 때문에 소음감소 기술개발 여부가 지능로봇 시자이 진입 여부를 결정할 것이다.
제어분야에서도 전류파형의 형태를 제어하여 진동감소, 같은 모터도 토크를 증가시키는 제어기술, 스위칭의 펄스폭을 변화시켜 고효율 운전하는 제어기법, 부하특성 개선 등 최적의 운전을 하는 제어기법, 구동회로의 구성을 간소화시키는 방법, 제어회로의 저가격화를 이루는 방법, 위치제어 성능을 개선하는 기술, PWM 구동회로 방식, 고효율제어 시스템, 진동감소 및 소음감소를 위한 제어방법, 펄스 형태 또는 제어기법으로 토크리플을 감소시키는 기술의 연구가 예상된다.
특히, 스테핑 모터의 성능향상을 위한 마이크로 스테핑 제어기술 및 제어회로의 단순화 및 저가격화가 스테핑 모터의 응용범위를 확대시키기 위한 중요한 기술이다.
초음파 모터의 경우 모터의 수명을 길게 하여 신뢰성이 보장되는 구조와 재료에 관한 특허기술, 또한 모터의 소형 박형화 분야, 고정밀 제어를 위한 초음파 모터의 구조, 제어 알고리즘, 제어회로, 제어 및 구동시스템의 간소화에 관한 기술개발이 예상된다.
초음파 모터는 아직까지 응용분야가 작고 특정기업에서 특정한 응용을 위하여 제한적으로 생산을 하고 있는 실정이다. 그러나 초음파 모터의 경우 자계를 사용하는 다른 모터와 비교하여 몇 가지 면에서 다른 특성을 나타내므로 응용 범위의 확대가 예상되고 또한 초음파 모터의 생산가격을 낮출 수 있는 기술이 개발된다면, 이러한 응용범위의 확대는 단시간에 이루어질 수도 있을 것이다.
지능로봇 시장에서는 정밀한 제어와 고효율성을 필요로 하므로 BLDC와 PMDC의 수요가 꾸준히 증가할 것으로 전망된다.
또한 저가의 로봇을 위해서 단가를 낮출 수 있는 스테핑 모터와 저전력, 소형의 로봇을 위해서 초음파 모터시장이 생성될 것이다.
