산업전망 - 산업자원부, 한국과학기술정보연구원 Ⅰ. 서론 정밀기계 및 움직임이 발생하는 각종 기기에는 모터와 그 모터의 움직임을 측정하는 계측기가 필요하게 된다. 엔코더는 움직임이 발생하는 각종 기기에서 회전량 등의 변위를 정확히 측정하기 위한 계측기이다. 엔코더는 일반적으로 회전량을 측정하는 구조로 되어 있으나 선형 움직임을 측정하는 방식도 존재한다. 아무리 정밀한 모터가 있더라도 모터에서 발생하는 움직임을 정확히 측정할 수 있는 기기가 없으면 모터의 제어가 불가능하고 효용이 없게 된다. 최근에는 로봇의 발전에 따라 기존 산업용에서 많이 사용되던 기술들을 실생활 주변에서도 많이 접할 수 있게 되었다. 따라서 엔코더 산업의 발전이 기대되는 바, 본 내용에서는 최근의 엔코더 기술을 분석하고 그 시장동향을 알아보고자 한다. 엔코더 기술동향은 논문 등으로 발표되는 기술연구 동향과 특허출원 동향으로 나누어 분석해 보았다. 기술연구 동향은 향후 엔코더 기술의 발전 방향을 예측할 수 있고, 특허 동향은 현재 산업의 방향을 알 수 있을 것으로 보인다. 특허동향 분석은 한국, 일본, 미국, 유럽을 중심으로 조사 분석하였다. 한편, 엔코더가 대개 장치에 들어가는 부품이라는 점에서 국내/외 시장동향은 엔코더가 주로 사용되는 장치 및 기계들의 시장동향과 연관하여 조사하였고, 주로 일본과 미국의 산업을 분석하였다. Ⅱ. 기술동향분석 1. 기술의 개요 및 특성 엔코더는 움직임이나 위치를 감지할 수 있는 장치이다. 엔코더는 크게 로터리 엔코더(Rotary Encoder)와 리니어 엔코더(Linear Encoder)로 나눌 수 있다. 일반적인 엔코더는 광센서를 이용하는데, <그림 1>은 로터리 엔코더의 개념도이다. 그림에서 엔코더는 매우 얇은 디스크와 광원(LED), 광 검출기로 구성되어 있다. 얇은 디스크에 새겨진 패턴을 통과한 빛이 광 검출기에 도달하면, 검출기에서 디스크의 패턴신호를 출력 하게 된다. 디스크는 모터의 회전축이나 기타 회전량 검출이 필요한 부분에 연결되어 측정이 필요한 부분과 같이 회전하게 된다. 그림과 같은 구조에서 검출기는 구형파를 출력하게 된다. 이 그림은 로터리 엔코더에서 발생하는 구형파의 예를 보여주는 것이고, 초기모델에 사용되었다. 이러한 형태의 엔코더는 디스크에 만들어진 패턴의 크기에 의해서 정밀도가 결정되고 디스크에 더 많은 패턴을 만들수록 디스크가 약해져서 산업상 이용이 어렵게 된다.
가. Incremental Rotary Encoder 하나의 구형파 펄스를 출력하는 엔코더는 회전방향을 알 수 없기 때문에 실제적으로 많이 사용되지 않는다. 대부분의 인크리멘털 로터리 엔코더는 <그림 2>와 같이 3개의 발광소자와 3개의 수광소자, 그리고 디스크와 슬릿으로 구성된다. 출력으로 2개의 구형파와 하나의 펄스 신호가 발생하게 되는데, 2개의 구형파는 위상이 서로 다르다. 2개의 파형 간에 발생하는 위상 차이에 의해서 엔코더의 회전방향을 알 수 있게 된다. 첫 번째 구형파를 A상이라 하고, 두 번째 펄스가 B상이라 하면, 세 번째 신호는 한회전당 한 번의 펄스가 발생하도록 되어있고, 이를 Z상(제로신호)라 한다. 이때 펄스의 형태는 <그림 3>과 같이 된다. Z상에 의해 엔코더의 회전수를 측정할 수 있게 되고, 회전방향은 A, B상 간의 위상차를 이용하여 알 수 있다. 또한 A, B상의 신호에 회로를 추가하여 2배, 4배의 신호를 발생시켜 분해능을 높일 수 있는 특징이 있다. 초기의 엔코더 디스크는 금속으로 만들었으나, 금속은 패턴을 뚫어서 형성하는 구조이기 때문에 높은 분해능을 요구하는 제품에 사용할 수 없었다. 따라서 유리판을 사용하게 되었고, 패턴에 해당하는 부분을 불투명하게 에칭하여 측정광원이 투과하지 못하도록 하여 사용한다. 일반적인 엔코더는 약 100에서 6,000개의 패턴이 형성되어 있다. 이것은 회전각으로 3.6°부터 0.06°의 분해능에 해당한다. 이정도의 패턴을 금속판에 형성하는 것은 거의 불가능하기 때문에 실질적인 엔코더들은 모두 에칭된 유리판을 디스크로 사용한다. 나. Absolute Rotary Encoder 인크리멘털 엔코더의 단점은 신호의 개수를 외부 카운터나 버퍼에 저장해야 된다는 점이다. 만일 전원이 꺼지게 되면 현재까지의 카운트 값을 잃어버리게 된다. 따라서 유지보수 및 기타 이유로 전원이 꺼질 경우 전원이 꺼지기 직전의 위치를 알 수 없게 된다. 반면에 앱솔루트 엔코더는 항상 자신의 위치를 알 수 있도록 설계되어 있다. <그림 4>에서 보듯이 기본적인 앱솔루트 엔코더는 동심원으로 된 다수의 패턴그룹이 존재하고, 각각의 패턴은 동심원 바깥쪽(혹은 안쪽)으로 2배의 크기로 형성된다. 만일 제일 안쪽에 180도 마다 바뀌는 두개의 패턴이 있고, 패턴그룹이 10개로 형성되어 있다면 가장 바깥에는 512개의 패턴이 형성된다. 이러한 구조의 경우 10개의 발광소자와 10개의 수광소자가 필요하며, 수광소자에서 읽어지는 값은 이진 코드가 되어 현재 엔코더의 위치를 알 수 있게 된다. 즉, 회전각도를 2의 n승 코드에서 절대수치로 표현하여 병렬로 출력하는 구조이다. 따라서 출력코드 비트 수만큼의 출력수를 가지고, 분해능이 커지게 되면 출력수가 증가한다. 엔코더가 일단 기계에 조립되면, 항상 제로위치를 좌표 원점으로 한 회전각도가 디지털로 출력된다. 노이즈 등에 의한 데이터의 이상발생이 없으며 기동시의 원점복귀도 불필요하다. 게다가 고속회전으로 부호를 읽을 수 없게 되어도, 회전속도를 떨어뜨리면 바르게 데이터를 읽으며 정전 등으로 전원이 끊어져서 다시 전원을 넣은 경우도 바르게 데이터를 읽을 수 있다. 앱솔루트 로터리 엔코더의 출력파형은 <그림 5>와 같이 병렬의 각 수광소자에서 이전 소자 파형의 2배에 해당하는 출력파형이 나오게 되고 이 파형의 수가 분해능을 결정하게 된다. 그림의 출력파형이 나오려면, 4개의 엔코더 패턴그룹이 있어야 한다. 다. Multi-turn Absolute Rotary Encoder 1회전의 앱솔루트 데이터는 보통의 앱솔루트형과 같은 특징을 갖고 있다. 회전량 데이터도 앱솔루트 데이터로 출력되며, 회전량 데이터의 검출방식에 따라 전원 단락시의 배터리 백업이 필요한 타입과 불필요한 타입이 있다. 검출부는 기본적으로 앱솔루트형과 같은 구성으로 되어 있다. 1회전의 앱솔루트 신호의 일부를 사용해서, 내부에 설정된 카운터에 의해 1회전에 1회 회전량을 계수해서 앱솔루트 코드로 다회전 데이터를 출력한다. 라. Linear Encoder 산업현장에서 생산제품의 정밀화와 소형화가 추진되면서 정밀도가 높은 리니어 모터가 출현 했으며, 리니어 모션의 피드백 장치인 로터리 엔코더가 서보모터의 성능을 따라가지 못하게 되자 리니어 엔코더가 개발되었다. 로터리 엔코더는 볼스크루 등에서 발생하는 오차 때문에 정밀한 리니어 모션 제어에는 적합하지 않았다. 이전까지 리니어 서보모터용 위치 검출장치는 유리 투과형 광학식 리니어 엔코더나 He-Ne 레이저 장치 등에 의해 피드백이 이루어져 왔는데, 이러한 장치는 설치, 조립, 환경대응에 한계를 가지고 있었다. 그러나 금속재질의 반사형 광학식 리니어 엔코더가 개발되면서 리니어 엔코더가 산업상 이용되기 시작했다. 리니어 엔코더는 상대적으로 고가이며, 구현가능 길이에 제한이 있는 문제점도 있다. 또한 정밀기기여서 충격과 진동에 약하고 완전 밀폐구조의 구현이 어려워 상대적으로 고장률이 높다는 단점이 있다. 마. Magnetic & Laser Encoder 로터리 엔코더의 일종이면서 검출방식을 자기 및 레이저를 이용한 엔코더이다. 자기 엔코더의 경우 <그림 7>과 같이 마그네틱 드럼에 기록된 자화패턴을 자기센서를 이용하여 검출하여 회전량을 검출하는 구조이고, 광학식 엔코더와 달리 발광소자에서 소비하는 전력이 없다. <그림 8>은 레이저 엔코더의 구조이다. 레이저광원에서 나온 빛이 슬릿을 통과하면 회절하게 되는데, 이 회절 패턴을 검출하여 회전량을 알 수 있다. 회전 디스크와 검출 슬릿의 거리가 멀어도 되기 때문에 프리즘, 미러, 렌즈 등을 사용하지 않아도 되고, 상대적으로 충격이나 외부영향에 강한 구조를 만들 수 있다. 자기 엔코더 및 레이저 엔코더의 출력은 회전 디스크의 패턴에 의해 결정되며, 따라서 일반적인 로터리 엔코더와 동일하다. 인크리멘털 엔코더와 앱솔루트 엔코더 등 기존 광학식 엔코더와 동일한 구조를 만들 수 있다. 2. 연구개발 동향 가. 해외 로터리 엔코더의 해외 연구동향으로 각 년도별 연구발표 결과를 조사하였다. 논문은 국제 전기전자 분야의 IEEE 및 IEE 관련 학회지 또는 관련 학회발표 논문을 대상으로 하였다. 최근 해외 연구동향에서 볼 수 있는 특징은 최근 들어 마그네틱 엔코더의 연구가 많아지고 있다는 점이다. 지금까지 주로 광학식 및 광학식의 변형인 레이저 방식의 엔코더가 많이 연구되어온 점에 비하면 향후 마그네틱 방식 엔코더의 연구 및 특허가 증가할 것으로 보인다. 고정밀 로터리 엔코더는 자기매체에 읽고 쓰는 원리에 기초한 자기 로터리 엔코더와 광학 로터리 엔코더의 2가지 부류로 나눌 수 있다. 광학 엔코더는 일반적으로 소형이고 경량이며 높은 반응 주파수와 높은 해상도를 가지는 특성을 지닌다. 그러나 광학 엔코더는 제품생산량에 상관없이 코드 디스크의 원형(Original)을 제작해야 하므로 소량생산에는 적합하지 않다. 한편, 자기 로터리 엔코더는 코드디스크에 반복적으로 기록되고 지워질 수 있기 때문에 가능한 오차교정 방법을 이용한 전달기록(Transfer Recording)에 의해 고정밀도의 로터리 엔코더를 실현할 수 있어 환경에 대한 강인성을 갖는 것을 특징으로 하고 있다. 코드 디스크에 용이하게 기록할 수 있다는 것은 자기 로터리 엔코더가 소량 생산에 적당함을 의미한다. 그러나 자기 로터리 엔코더의 한 가지 단점은 반응 주파수가 자기헤드의 반송주파수(Carrier Frequency)를 초과할 수 없다는 것이다. 이 문제를 해결하기 위해 자기저항 센서를 이용하는 자기 로터리 엔코더가 개발되고 있다. 그러나 자기저항 헤드는 단지 읽기에서만 사용될 수 있고 기록에는 다른 헤드가 사용되어야 하므로, 이 방법은 자기엔코더가 갖고 있는 재기록 능력을 무력화 시킨다. 본 연구에서도 고해상도, 고정밀도, 높은 반응성과 콤팩트함을 만족시키기 위해 자기-광학(Magneto-optical) 저장에 기초한 새로운 로터리 엔코더가 제안됐다. 나. 국내 로터리 엔코더의 국내 연구동향으로 국내의 기계학회, 정밀공학회, 제어자동화시스템공학회등 센서 및 기계관련 학회에 발표된 논문들을 조사하였는데, 국내에서는 아직 엔코더 관련 연구분야가 활발하지 않음을 알 수 있다. 특별히 연구 동향에 대한 방향성도 보이지 않고 있으며, 각 관련 연구단체에서 필요에 따라 응용 연구를 주로 하는 것으로 보인다. 다. 분석 및 전망 해외 연구동향에서 언급하였듯이 마그네틱 엔코더의 연구가 많이 눈에 띄고 있다. 그러나 전반적으로 다음에서 분석할 특허자료에 비해 연구의 양과 질이 떨어지는 것을 알 수 있다. 특히 국내 연구가 매우 미진한 편이다. 이는 엔코더가 산업상 필요한 주요부품이기는 하나, 메이저 제조사들이 특허 이외의 기술연구에는 아직 많은 노력을 기울이지 않고 있음을 알 수 있다.