제1장 서론
자동화산업은 고도의 지식 및 기술집약적 산업으로 산업의 경쟁력 강화 및 기술개발 등에 직간접적으로 영향이 큰 산업이다.
최근 정보화의 진전에 따라 제품의 라이프사이클이 단축되고 있어, 자동화 산업은 다품종 소량 생산추세에 적합하며 고용, 노동의 질 등에도 파급효과가 크다.
또한 에너지절약 및 고부가가치산업으로 부존자원이 부족한 우리나라에 적합한 산업인데, 기계기술과 전자, 정보기술을 바탕으로 하여 지금까지 없었던 신기술, 신상품을 창출하고 있으며, 생산자동화의 비약적 발전으로 제품생산 경쟁력과 제품성능 경쟁력을 좌우하는 핵심요소 산업으로 대두되고 있다.
이러한 자동화 산업의 발전을 밑받침 해 주는 가장 큰 요소로써 센서는 그 의미가 크다고 할 수 있다.
센서는 일반적으로 대상물을 감지 또는 측정하여 그 양을 전기적인 신호로 변환하는 도구로서, 물리량이나 화학량의 절대치나 변화를 감지하여 유용한 신호로 변환하는 소자 또는 장치로 정의된다. 이러한 센서는 최근 일반 FA(Factory Automation)시장에서뿐만 아니라 사무실, 가정에 이르는 폭넓은 곳에서 사용되고 있으며, 그 종류 또한 무척이나 다양하다. 그리고 이런 추세는 더욱 확대될 것으로 예측되고 있다.
발전의 속도가 어느 제품과도 비교되지 않을 정도로 빠른 센서는 인간의 오감을 대신하여 만들어졌으나 최근에는 인간의 오감보다 더 정밀한 센서들이 출현하면서 생산 공정의 정밀한 제어나 인간을 닮은 로봇의 출현을 가능하게 하고 있다. 이러한 상황이 센서가 고정밀, 고정확도 등 신뢰성을 생명으로 하는 고부가가치형 첨단기술 산업으로 분류되는 이유이기도 하다.
현재 센서의 수요는 생산 공정자동화, 환경검사, 자동차, 우주, 항공, 군수 등은 물론이고 우리 일상생활에까지 파고들고 있기 때문에 그 요구에 따라 관련 기술이 급격히 발전되고 있다. 일례로 압력 센서는 산업 전반에 걸쳐 응용분야가 넓으며, 자동차, 자동제어, 반도체 제조분야에서 지속적으로 시장이 확대되고 있다.
본 보고서에서는 자동화 관련 센서에 관한 전반적인 기술적 사항을 살펴보고 이를 토대로 자동화 관련 센서의 기술개발 현황과 산업, 시장 동향을 분석하였다.
제2장 기술동향 및 전망
1. 기술의 개요
가. 자동화
1) 자동화의 정의
■ 자동화의 개념
자동화란 스스로 작동하는 것(Acting of Itself)에 어원을 두고 있으며, 이것은 여러 가지 신호를 처리하기 위한 시스템 제어에 있어 그 판단이나 조작을 기계가 작업의 일부나 전부를 수행한다는 의미로도 사용되고 있다.
현재의 자동화 시스템은 기계, 전자기술의 복합기술 등을 응용하여 생산성과 유연성을 동시에 달성할 수 있도록 전 생산공정을 시스템화하는 것이다.
생산자동화 범위는 광의로는 공장 자동화(FA), 사무자동화(OA) 및 경영, 정보관리의 자동화를 모두 포함하고 있으나, 대체로 생산자동화라면 수치제어(NC) 공작기계, 산업용 ROBOT, CAD/CAM SYSTEM, PLC, 자동창고, 무인 반송차(AGV), FMS 등의 자동화기기 및 설비를 사용한 FA에 중점을 두고 있다.
■ 자동화의 역사
자동화는 오랜 옛날부터 인간에 의해서 연구, 제작되어 왔으나 그 기원은 1946년 미국의 포드사가 대량생산을 위해서 자동화란 말을 처음 쓰기 시작한 이래 사용되었다.
1962년부터 본격적인 산업용 로봇이 에이엠사에 의하여 개발되었으나, 1967년경에 일본에 도입되어 로봇 왕국으로 불리면서 일본은 전세계의 자동화 생산의 약 60%를 차지하고 있다.
로봇 원년으로 인식되는 1980년대 초기에는 획기적인 기술의 진전으로 자동화 기술은 폭발적으로 발전하여, 기계가공 공정의 무인화로부터 조립, 검수 등 모든 분야에서 시스템이 일원화되기 시작하였다.
■ 기계적 자동화
기계적 자동화(Mechanical Automation)는 자동차, 전기제품 등 일반적으로 기계가공, 조립가공을 하는 공장에서 채용하는 연속 자동 생산 시스템이다.
- 트랜스퍼 머신(Transfer Machine) : 기계적 자동화에서 단일 제품의 연속 생산을 목적으로 하고 가공순서에 따라 연속적으로 배치하여 자동 운반장치에 의해 유기적으로 결합한 방식으로, 공장 전체의 완전자동화를 의미한다.
- 머시닝 센터(Machining Center) : 단일 제품의 양산 목적으로 설계된 자동 생산시스템으로 다품종 소량생산을 한다. 이 시스템은 수치제어(Numerical Control)의 공작기계, 자동공구 교환장치, 가공품의 자동부착, 제거장치, 적응제어(Adaptive Control)장치 등을 유기적 관계를 갖는 하나의 시스템으로 결합시킨 것이다.
- 프로세스 자동화(Process Automation) : 석유공업, 화학공업, 시멘트공업 등의 장치 공업에서 활용하는 것으로 주로 액체, 기체, 분체와 같은 유체 또는 이와 비슷한 것을 화학적, 물리적으로 처리한다.
2) 자동화 도입절차
■ 자동화 대상 선정시 고려사항
- 자동화 목적의 명확화 : 자동화 대상 선정에 있어 먼저 자동화의 목적을 분명히 할 필요가 있다.
- 제품의 수명 및 경향 파악 : 부분적인 단위 공정의 자동화는 별도로 하더라도 일반적인 생산라인의 자동화에는 계획을 세워 추진할 필요가 있다. 생산이 본궤도에 오를 때까지는 약 1년 이상의 기간이 소요된다는 것과 생산자동화 설비가 가동되고 나서 3년 정도는 가동해야 투자효과를 얻을 수 있다는 점을 고려해서 자동화 대상을 선정할 때는 수년에서 10년 정도의 제품 동향을 예측해야 한다.
- 노동력에 대한 인식 : 요즘은 고학력으로 인해 단순작업의 육체노동에 종사할 젊은 노동력의 부족뿐만 아니라, 고령화, 인건비 상승 등이 계속적으로 진행되어 피할 수 없는 사회현상이 되고 있다. 따라서 자동화 대상의 선정시에는 이러한 사회적 현상을 충분히 반영해야 한다.
- 자체 기술력 배양 : 생산자동화를 자체 기술력으로 추진하고자 할 때는 사내의 생산 기술력과 자동화 생산설비의 개발력 수준에 따라 자동화 대상을 선정해야 할 필요가 있다.
- 생산자동화 투자의 채산성 : 생산자동화의 목적이 반드시 원가절감 등 수익률 개선에 있지 않는 경우도 있다는 점을 자동화 대상 선정시에는 고려해야 한다.
■ 다양한 측면에서 본 생산자동화 대상 선정
- 제품적인 측면에서 본 생산자동화 대상 : 제품의 종류가 다양한 기업에서는 어떤 제품부터 자동화를 추진할 것인지에 대한 우선순위를 결정할 필요가 있다.
- 작업적인 측면에서 본 생산자동화 대상 선정 : 작업자가 많이 소요되는 작업 등은 자동화를 통해 얻는 득과 실, 현 상태의 생산자동화 기술에 대한 충분한 가능성 및 위험성 검토 등 경영상의 유리 또는 불리에 대한 사항을 감안하여 생산자동화의 대상과 범위를 설정해야 한다.
- 기술적 측면에서 본 생산자동화 대상 선정 : 단계적으로 자동화를 추진하는 데 있어 현재 기술수준으로 가능한 작업을 우선 대상으로 하고 이를 바탕으로 순차적으로 비슷한 종류의 작업을 자동화하는 것이 위험요소를 줄일 수 있는 방법이다.
3) 자동화 시스템
■ 자동화 시스템의 개요
자동화 시스템은 사전적으로는 입력부와 제어부, 출력부로 구성되어 있으며 외부로부터 에너지를 공급받아 공간상으로 제한된 운동을 함으로써 인간의 노동을 대신하는 구조물로 표현된다.
이를 바탕으로 자동화 기계의 주요 구성을 나눠 본다면, 외부의 에너지를 공급받아 일하는 액추에이터(actuator, 작동요소)와 액추에이터의 작업완료여부 및 상태를 감지하여 제어부(controller)에 공급해 주는 센서(sensor) 및 센서로부터 입력되는 제어정보를 분석하고 처리하여 필요한 제어명령을 하는 제어신호처리장치(signal processor)의 3부분으로 크게 나눌 수 있다.
<그림1>에서 센서와 액추에이터는 서로 고정되어야 하지만, 제어신호처리장치는 제어정보(control signal)를 주고받는 선으로만 연결되어도 충분하다. 이 그림의 자동화 장치는 하드웨어(hardware)만을 의미하므로 사실상 자동화 장치의 구성에는 소프트웨어(software)와 네트워크(network), 인터페이스(interface) 등이 동반된다.
자동화의 개념은 자동화(automation)=기계(mechanics)+지능(intelligence)으로 이해할 수 있다. 즉, 자동화란 기계의 축적된 노하우(know-how) 및 시스템 전체에 대한 총체적인 이해가 포함된 기계 구실에 각 기능의 상호 연계 및 필요한 기능을 추가하는 지능이 합쳐진 것이다.
4) 자동화의 목표
자동화는 생산성 향상, 원가 절감 및 인건비 축소로 인한 이익극대화, 품질의 균일화 및 고급화를 목표로 이루어진다.
하지만 자동화를 시행하는 경우 초기 비용 투자, 유지보수 등을 위한 강화된 관리 활동, 생산의 탄력성 저하라는 단점이 발생하기도 한다.
나. 센서
센서는 자동화와 계측 기술의 가장 중추적인 역할을 담당하는 부분으로, 센서 기술이 갖는 고부가가치성과 다른 기술 분야에 대한 파급효과가 크기 때문에 이 기술에 대한 기업체 및 연구기관의 관심도 고조되고 있다.
모든 센서는 기본적으로 감도, 선택도, 안정도, 복귀도 및 신뢰도의 기본요건을 갖추어야 하며, 높은 기능성, 적용성, 규격성, 생산성 및 보존성 등 다양한 부대요건을 갖추어야 한다.
센서는 다양한 방법으로 그 종류가 구분되지만 본 절에서는 물리센서와 화학센서로 대분하여 그 개요를 살펴보고 최근 국내외에서 개발 활용되고 있는 주요 센서에 관해서 정리 분석 하였다.
1) 물리센서
■ 구조
빛의 강도, 온도, 변위 등의 물리량은 쉽게 에너지로 변환되어 최종적으로 전기신호로 바꿀 수 있다. 따라서 물리센서는 아래와 같이 변환기능을 가진 물질 또는 소자의 단독 혹은 복수의 조합으로 구성된다.
2) 대표적 물리 센서
■ 광센서
빛을 이용하여 대상을 검출하는 소자이며, 인간의 감각기관 중에서 시각에 해당되는 것이 광센서이다. 그래서 시각 센서라고도 한다.
광센서는 빛의 양, 물체의 모양이나 상태, 움직임 등을 감지하는데, 눈의 구실을 하는 것이 렌즈이다. 예전에는 자연의 빛을 감지하는 것이었으나, 최근에는 인공적으로 큰 빛을 발하여, 그 빛이 물체에 부딪혀 반사되어 오는 것을 받아들여, 그 물체의 움직임이나 빠르기 따위를 알아내는 형태도 많아지고 있다.
광센서를 사용하면 로봇 등을 자동적으로 이동시킬 수도 있는데, 초음파나 적외선을 로봇의 전방에서 발사하여, 센서가 물체로부터 되돌아오는 빛의 강약으로 제 위치를 인식하는 방법을 이용하는 것이다. 장애물로부터 멀어져 있으면 받는 빛은 약해지고, 가까워지면 강해진다. 그러므로 어느 일정한 빛의 세기에서 멈추어 서도록 로봇에 입력해 놓으면 앞쪽에 물체가 있을 때 판단해서 서게 된다.
광센서는 현재 센서 중에서 주류를 이루고 있으며, 특히 컴퓨터에 의한 이미지(화상․도형․문자․물체 등)의 직접 인식 분야에 있어서, 높은 정밀도의 이미지 센서 수요가 늘어날 전망이다.
■ 자기센서
자기장 또는 자력선의 크기, 방향을 측정하는 센서로 전자기유도현상에 의하여 전선에 발생하는 전류인 자기에너지를 검출, 측정한다. 약한 전도에서 취급하는 미약한 것에서부터 초전도에서 취급하는 강력한 것까지 대상으로 한다. 넓게는 자기헤드까지 포함하지만 좁은 뜻으로는 자기장의 영향으로 여러 가지 물성량이 변화하는 효과를 이용하는 것을 말한다.
또한 자기센서는 반도체에 흐르는 전류에 대해 수직으로 자기장을 걸면 전압이 발생하는 홀효과(Hall effect)나, 자기장의 영향으로 전기저항이 증대하는 자기저항효과 등을 이용하기도 한다. 인듐안티몬 같은 금속간의 화합물은 이런 효과가 크기 때문에, 최근에는 조지프슨소자를 사용하여 고감도로 자기장을 측정하는 연구가 행해지고 있다.
■ 온도(열) 센서
열을 감지하여 전기신호를 내는 센서로 일반적으로 접촉식과 비접촉식으로 나뉘어진다.
접촉식은 측정대상이 되는 물체에 온도센서를 직접 접촉시키는 방식으로 온도측정의 기본이 된다.
비접촉식은 물체로부터 방사되는 열선을 측정하는 방법을 이용하므로 물리적 접촉으로 인해 발생하는 문제는 없다. 또한 멀리 떨어진 물체를 계측할 수 있으므로, 접촉식으로는 측정할 수 없는 경우에도 측정이 가능하다. 그러나 방사에너지를 모으기 위한 렌즈 등의 각종 광학계나 기타 보조 재료를 필요로 하므로 일반적으로 고가이다.
