[Focus]로봇용 전기식 모터의 국산화 전망

 History 전기 구동방식 도입, 그리고 로봇용 전기식 모터의 등장
산업용 로봇은 모터가 1개에서 6개가 사용되고, 휴머노이드 로봇인 휴보의 경우는 41개의 모터가 들어가며, 로봇을 더 정교하게 만들수록 내장되는 모터의 숫자는 더 늘어나게 된다.
하지만 처음부터 로봇에 전기식 모터를 쓴 것은 아니었다. 1961년 최초의 산업용 로봇 ‘Unimate’는 유압으로 처음 움직이기 시작했다. 그러다가 1968년에 스탠포드 연구소에서 ‘Shakey’라는 모바일 로봇을 개발하면서 로봇에 전기 구동방식이 도입됐다.

이후 1970년대에 일본에 로봇이 보급됐고, 본격적으로 산업용 로봇이 개발됐는데, 이때 일본은 구동방식으로 유압, 공압이 아닌 전기를 택하게 된다. 그 당시, 일본은 공장자동화를 위한 설비에 투자를 아끼지 않았고, 이와 함께 전기식 모터 개발에 주력했는데, 동시에 자동화시스템에 산업용 로봇을 적용하면서 로봇용 모터도 함께 개발하게 된 것이다.

1980년대부터 로봇용 모터가 기술적으로 안정화시기를 거치면서 전성기를 맞이한다. 일본 자동차가 수출에 호황을 누리면서 산업용 로봇의 영역이 커지게 되고, 그때부터 로봇용 모터의 중요성이 대두되기 시작했다. 그리고 지금의 모션컨트롤러의 시대로 이어지게 된 것이다.
현재 유압, 공압 구동기기들은 전기식 모터로 인해 산업용 로봇 구동에는 한걸음 물러났다. 하지만 서비스 로봇산업의 특정 분야에서 전기식과는 또 다른 장점으로 환영을 받고 있으며, 서보밸브와 유압모터를 적용한 EHS(Electro-hydraulic Servo) 시스템 등 한층 업그레이드된 기술로 관련 분야에서 신뢰성을 높이고 있다.

EHS 시스템은 전기 신호에 의해 제어되고 유압으로부터 동력을 공급받아 구동되는데, 출력 응답이 우수하고 소형의 장치로도 큰 힘을 얻을 수 있으며 속도를 무단으로 자유롭게 변속시킬 수 있는 장점으로 주목받고 있다.
로봇의 유압, 공압 구동기기에 대한 자세한 내용은 Chapter2(p.24)에서 다루고자 한다.

 Robot Motor 로봇에 특화된 모터, 우리 것이 필요하다!
모터에는 DC(Direct Circuit)모터, 스텝핑모터(Stepping Motor), 브러쉬리스모터(Brushless Motor), 인덕션모터(Induction Motor), 리버시블모터(Reversible Motor), 세이드형모터(Shaded Pole Motor), 싱크로너스모터(Synchronous Motor), 유니버셜모터(Universal Motor), 리니어모터(Linear Motor), 초음파모터, 기어드모터(Geared Motor), 스캐너용모터 등이 있다. 이렇게 다양한 모터들이 있는데, 로봇용 모터는 왜 개발된 것일까.
로봇 전문가에 의하면 로봇에 범용 모터를 적용하기도 하지만 일반적으로 로봇에 쓰기에는 부적합한 부분들이 많다고 한다. 로봇의 무게는 링크와 모터의 무게가 많이 차지하기 때문에 로봇에 들어가는 모터는 작고 가벼워야하며 제어성도 좋아야 한다. 즉, 로봇의 움직임을 최적화할 수 있는 특성을 가져야 한다는 것이다. 이러한 로봇에 특화된 모터가 바로 서보모터로, 주로 산업용 로봇에 많이 적용되고 있다.

산업용 로봇에 적용되는 서보모터의 기술적 사양 
서보모터는 일반 모터가 정속회전만 하는 것에 비해 위치, 속도, 토크 제어가 가능한 지능형 모터이다. 서보모터는 과거에 DC서보모터를 사용해 오다가 1980년 초부터 AC서보모터를 주로 사용해 오고 있으며, 현재에는 다이렉트 드라이브 서보모터의 사용빈도도 점점 높아지는 추세에 있다.
서보모터는 갈수록 사용기능에 있어서 정밀성과 다양성, 편의성이 요구되고 있다. 최근 서보모터는 다음과 같은 기술적인 사양을 필요로 한다.

1) 소형 경량화
소형화를 위해서는 자속밀도를 높게 하는 것이 필요하고, 철심 재료로는 자기포화와 높은 투자율이 요구되며, 특히 영구자석의 고성능화나 권선 점적율 향상에 의한 고여자화가 요구되는데 외형상의 사이즈 축소와 반대로 그 출력범위는 100㎾급까지 확대되는 추세이다.

2) 고효율화
모터의 동손 저감이 중요하게 되므로 고투자율의 전자강판에 의한 철심 여자전류의 저감과 고가공성 전자강판의 사용에 의한 여자전류 저감이 필요하고 최적 설계 과정을 통한 전기강판과 영구자석의 상관관계에 대한 해석적 접근이 더욱 중요해진다.

3) 제어성
최근 고성능 모터는 제어에 의해 그 성능을 발휘한다. 모터를 인버터로 구동하는 경우와 같이 철심재료의 여자 주파수가 변화하는 경우에는 모터 정수가 주파수에 의해 변화하지 않도록 하는 것이 중요하다. 주파수 의존성이 적은 등가회로법이 소개되고 있으며 펄스 구동이나 PWM, PAM 구동에서는 고주파수 성분이 포함되므로 이에 대한 특성이 중요하게 된다.

4) 저진동, 저소음화
진동, 소음에 있어서는 일반적으로 가진원과 기계공진을 고려할 필요가 있다. 가진원으로는 여자전류, 자석의 착자분포, 자기중심 불평형, 축수 등의 영향이 크고 자성 재료의 영향은 작다. 기계공진에서는 철심의 강성이 중요하고 이 강성은 고정도의 위치 결정에 영향을 준다.

5) 냉각효율 증대 및 대형화
서보모터의 고출력화에 대한 수요가 점층적으로 증가하고 있고, 이에 따라 냉각방식의 고효율화와 더불어 수십㎾급을 넘어 100㎾ 내외의 서보모터가 소개되고 있다. 경량화를 목표로 구현되는 이러한 방식의 모터는 일반적인 자냉구조를 벗어나 강냉형 또는 수냉 구조를 적용하는 형태로 발전하는 경향을 보인다.
또한 구성 형태상의 특징으로는 일반적인 중실축 형태의 모터 구성에서 다이렉트 드라이브 구동을 위한 중공축형 방식으로 변화하고 있으며 이와 더불어 중공형태의 피드백센서의 개발이 수반되고 있다. 

서보모터의 국내외 제조사 현황
서보모터는 대부분 독일, 스위스, 일본 등에 의해 주된 흐름을 주도하고 있고, 국내에서는 산업 구조상 일본에 의한 영향을 많이 받고 있다.
서보모터 관련 연구자에 의하면 최근 일본은 전용 모션 네트워크화로 서보시스템을 패키지화하는 기술로 가고 있다. 고속응답화와 센서의 고정밀화 동향에 있어서는 일본이 절대 우위의 기술로 선점해 가고 있으며, 고출력화 동향에서도 더 큰 용량의 서보모터를 생산하여 고객에게 선택의 폭을 넓혀주고 있다. 한국은 일본에 비해 기술력이 매우 열세를 보이며 따라가고 있는 형국이다.
따라서 서보모터의 성능향상을 위해서 고효율화가 필요한데, 자속밀도가 높은 강자성체의 영구자석, 철손저감을 위해 고Si의 얇은 전자강판을 철심재료로 사용하는 것이 필요하다.

또한 소프트웨어의 개발로 제어성을 우수하게 할 필요가 있으며, 통신에 있어서 프로토콜 연구도 중요하다. 그리고 엔코더의 하드웨어의 개발도 중요하며 따라서 서보드라이브의 경쟁력을 위해서는 전력전자 분야와 정보통신 분야 그리고 임베디드 소프트웨어가 합쳐지는 기술이 요구되고 서보모터가 경쟁력을 갖추기 위해서는 전동기 분야와 센서 분야의 기술이 합쳐지는 기술도 요구된다.
국내에서는 Fanuc에 의한 AC서보모터가 널리 알려져 있고, 반도체나 자동화 설비를 중심으로는 미쓰비시와 야스카와의 약진이 두드러진 상황이다. 또한 다이렉트 드라이브형에 있어서는 지멘스, Servex 등을 필두로 한 유럽형 상품이 기술을 선도해가는 모습이다. 국내 기업으로는 LS메카피온, 하이젠모터, 코모텍, 맥시스 등이 서보모터를 생산하고 있다.

LS메카피온은 로터리인코더로 사업을 출발해서 2000년도에 서보모터를 생산·판매했다. 2003년에는 서보모터 CE인증을 받으며 현재는 국산 서보모터 기업의 선두를 달리고 있다.
LS메카피온의 서보모터는 용도 및 분야별 최적의 서비스를 제공하는 맞춤형 제품으로 전 시리즈에 알루미늄 프레임을 적용해 내진성 및 내환경성을 높였다. 고성능 영구자석을 채용하여 콤팩트한 사이즈를 실현했으며, 국산으로서는 유일하게 대용량을 생산한다.
하이젠모터는 권상기(엘리베이터용 모터)를 주력제품으로 고압용 모터, 저압용 모터, 서보모터를 생산, 판매하는 전문업체로 서보모터 CK시리즈는 최적화된 자기설계회로와 고도의 생산기술로 제작돼 콤팩트하고 높은 신뢰성을 지니고 있다.
코모텍은 직교로봇용 서보모터를 주력으로 자동차용 BLDC모터, 엘리베이터용 모터도 생산하고 있다. 코모텍은 원천 모터 설계 및 제조기술을 바탕으로 고객의 요구사양에 최적인 맞춤모터를 공급하고 있다.

로봇용 모터의 국산화 노력
현재 국내 로봇 관련 기업들은 고가의 외산 모터를 대부분 수입해서 사용하고 있다. 한 로봇 연구자는 국내 로봇산업은 시스템 위주로 개발이 시작되었고, 로봇에 들어가는 모터 등의 기반성 부품들은 그다지 고민을 하지 않았기 때문에 지금의 로봇용 모터의 산업성장은 깊숙하게 자리 잡지 못했으며 관련 기업 또한 상당히 영세한 수준이라고 지적한다. 따라서 미래의 로봇시장을 생각한다면 로봇용 모터에 대한 지속적인 투자와 제품개발이 필요할 것으로 보인다. 

스위스의 맥슨모터는 아주 작은 사이즈의 모터부터 다양한 크기, 출력을 갖는 모터를 시리즈화 하여 제품화하고 있다. 이 회사는 독자적인 권선기술 및 제조기술을 활용하여 동일한 사이즈에서도 보다 높은 출력을 낼 수 있는 외경 50㎜ 이하급을 주력으로 고출력밀도형 정밀모터를 다양하게 제품화했고, 구매자가 필요한 모터를 선택적으로 구매할 수 있도록 했다. 이러한 그들만의 전략으로 맥슨모터는 현재 전 세계 모터 분야에서 가장 높은 점유율을 차지하고 있다.

스위스의 맥슨모터는 아주 작은 사이즈의 모터부터 다양한 크기, 출력을 갖는 모터를 시리즈화 하여 제품화하고 있다

국내에서도 서보모터 외에 로봇용 모터의 시리즈화를 통한 국산화를 위해 노력하고 있다.
전자부품연구원은 ‘로봇용 스마트 액추에이터 및 핵심부품 상용화 기술개발’ 사업을 통해 총 48종의 정밀모터와 16종의 감속기 제품을 개발했다. 이 제품은 다양한 크기와 출력이 요구되는 로봇 관절과 산업용 기기 등의 구동 시스템에 직접 적용할 수 있도록 제작됐다. 이 사업은 5년 동안 진행된 사업으로서 올해 마무리되는데, 지금까지 유성감속기가 매출 20억 정도, 마그네틱 센서가 10억 정도의 매출을 창출해 국산 로봇용 모터에 대한 가능성을 심어주고 있다.
전자부품연구원 류세현 박사는 “현재 전자부품연구원에서 개발된 로봇용 모터가 많은 부분 서비스 로봇에 맞춰져 있지만 산업용에 적용할 수 있는 출력급의 모터 또한 개발이 진행되고 있다”며, “로봇시스템 산업경쟁력을 확보할 수 있는 고신뢰성의 로봇용 모터들을 개발, 제품화하도록 노력할 것”이라고 전했다.

 Different   로봇의 단순 구동이 아닌 기능성을 극대화시킨 차세대 구동기기
지금까지 언급한 전기식 모터 외에 서비스 로봇업계가 주목하고 있는 새로운 로봇 구동방식들을 소개하고자 한다.
초음파 모터, 형상기억합금 액추에이터, 전도성 고분자 액추에이터 등의 차세대 구동방식은 기존의 모터로는 충족시킬 수 없는 성능을 만족시키기 위해서 개발되고 있으며, 점점 더 소형화, 경량화, 저전력화, 저소음화 기술력을 필요로 하고 있다. 
초음파 모터는 자석이나 권선 대신 복수의 압전세라믹 소자를 이용하고 이것에 고주파 전압을 가하여 진동시켜 이 진동력에서 탄성체, 마찰판을 거쳐 일정 방향의 구동력, 즉 회전력을 얻는 것이다. 초음파 모터의 용도는 저속회전에서 큰 힘을 필요로 하는 다이렉트 드라이브용이나 자기 에너지 사용이 꺼려지는 환경에서의 구동원, 또는 초소형 사이즈의 구동원 등에 이용되고 있다.
형상기억합금(SMA; Shape Memory Alloy)은 합금 중에 열에 노출이 되면 길이가 길게 늘어나는 성질의 재료로서, Ni-Ti 형상기억합금 등이 있다. 이 액추에이터는 마이크로 유체 밸브나 자동 물 온도조절기 등에 사용될 수 있으나 매우 동작이 느린 특징이 있기 때문에 천천히 움직이는 장치에만 이용이 가능한 단점이 있다.

일본 Eamex사 연구진이 개발한 전도성 고분자 액추에이터는 구동구조가 단순하고 일정량의 이온이동으로 소비전력이 적으며, 저전압에서 구동될 수 있다는 특징이 있다. 이러한 고분자 액추에이터는 손가락 구조, 인공피부, 인공근육, 휴머노이드 로봇팔 등 생체를 대체하는 인공구조체를 위한 유망한 액추에이터로서 앞으로 더욱 활기를 띨 것으로 전망된다.
다양한 종류의 로봇이 개발되면서 거기에 적용되는 구동부품 및 기기들도 단순 구동이 아닌 기능성을 극대화시킨, 그리고 다양한 형상 및 기능구현이 가능한 액추에이터 개념으로 개발되고 있다.

 Trend   일체형 모터, 로봇 시스템에 최적화되다
로봇용 모터는 점점 로봇시스템에 최적화되고 있다. 그리고 고객들의 요구에 맞도록 다변화되고 있다.
이러한 흐름에 맞춰 고객들의 입맛에 맞는 로봇 구동제품들이 등장하기도 한다. 국내 로봇제작 솔루션 전문기업 로보티즈는 2005년에 감속기, 제어기, 구동기 및 네트워크 기능 등을 일체형으로 구성해 하나의 모듈로 만든 새로운 개념의 로봇전용 스마트 액추에이터, ‘다이나믹셀’을 개발했다. 이 제품은 작은 크기에도 불구하고 큰 토크를 낼 수 있으며 강한 외력에 견딜 수 있는 특수한 재질로 만들어져 내구성에도 좋다.
이 다이나믹셀은 소형 로봇시스템을 개발하거나 학습하는 용도로 많이 활용되고 있는데, 대중들을 타깃으로 했기 때문에 상품성이 좋다는 평가를 받고 있다. 로보티즈는 그들만의 기술력으로 이 분야에서 경쟁력을 찾은 것이다.
한 로봇기업 관계자는 서비스 로봇용 모터는 일체형 모터, 임베디드형 모터 등 사용자가 쓰기에 편한 제품이 경쟁력을 가질 것이며, 앞으로 이 분야에서는 토털솔루션 타입이 각광받을 것이라고 전망했다.

 Point   로봇시장을 선도할 수 있는 고부가가치성 로봇용 모터 기술 확보해야…
다양한 제품의 개발에도 불구하고, 앞서 언급했듯이 국내 로봇산업은 로봇용 모터의 해외 의존도가 매우 높아 기술경쟁력이 아직 미흡한 것이 사실이다. 그리고 이를 극복하기 위해서는 로봇용 모터의 국산화가 시급히 해결되어야 할 과제라는 것이 반복적으로 이야기되어 오고 있다.
한 로봇전문가는 일본 로봇용 모터 제조사는 로봇, 우주, 항공까지 모든 분야에 다양하게 적용하고 있는 반면에 한국 로봇용 모터 제조사는 일부 분야에 한정해서 적용되고 있기 때문에 전체적인 시스템에 있어서 수직적인 라인업 제품군 개발을 통한 토털영업 체제를 갖추어야 할 것이라고 언급하고 있다.

따라서 장기적인 전략을 세워야 한다는 목소리도 커지고 있다.
로봇용 모터는 일반 모터에 비해서 지능형 모터이기 때문에 다양한 용도로 사용되고 있으며, 거기에 따라서 고급 기술력을 필요로 한다. 고급 기술력을 확보하기 위해서는 고급 엔지니어 확보가 시급하며, 이를 위한 인력양성이 필요할 것으로 보인다.

또한 영향력 있는 기업이 중심이 되어 대학교와 연구소, 정부가 네트워크를 형성해 중복연구를 피하고 한 분야에 집중적으로 연구해야 하며, 정부는 국산 로봇용 모터가 활성화될 수 있도록 연구개발에 있어서 장기적인 시간과 자금, 그리고 제도적인 뒷받침을 해주어야 할 것이다.
이와 관련해 국내 로봇업계는 영향력 있는 로봇기업들이 나서서 국산 로봇용 모터의 붐을 일으켜줘야 하고, 모터 관련기업은 과거 범용적이고 획일적인 대량 생산성 제품에 치중하지 말고 로봇시장을 선도할 수 있는 고부가가치성의 모터 기술 및 제품 확보에 노력을 지속해야 할 것이라고 입을 모으고 있다.

<참고>
하이젠모터 최철 ‘산업용 서보모터의 기술동향 및 설계 요소’ 발췌
경북대학교 이종환 ‘국내 서보모터의 기술현황과 발전방안’ 발췌