리니어 모터, 희토류 사용을 줄여라

한국전기연구원, 고정밀 위치제어용 리니어모터 기술 개발

전세계 희토류의 97%를 공급하고 있는 중국이 이를 전쟁물자로 분류하고 2011년부터는 수출 쿼터를 감축하고 있다. 이에 정밀 모터에 필수적인 희토류의 가격상승이 지속되고 있고, 정밀산업기기의 가격경쟁력에 큰 충격을 주고 있다. 이에 업계에서는 희토류를 대체하거나 그 사용을 최소화 한 고정밀 리니어 모터 개발에 집중하고 있는 중이다.

희토류 최고의 생산 수출국인 중국의 모습이 달라지고 있다. 희토류 수출통제를 통해 이를 무기화하려는 움직임을 공공연히 밝히고 있는 중이다. 희토류는 산업 및 가정, 사무실, 군사 등 모든 산업분야의 기기에 필수적으로 소요되는 영구자석 모터에 필수적으로 들어가야만 하는 원료이다.

날이 갈수록 희토류의 가격이 상승하고 있는 가운데 고정밀 산업기기에 사용되고 있는 영구자석 리니어 모터의 가격에서 희토류가 차지하는 비중이 날로 높아져, 전 세계적으로 가격 경쟁력에 비상이 걸리고 있는 중이다.

이러한 가운데 국내 연구진이 기존 영구자석 선형전동기(리니어 모터)를 대체해 정밀위치제어가 가능하면서도 훨씬 저렴한 비용으로 제작 가능한 새로운 형태의 선형전동기를 최초로 개발하는데 성공했다.

한국전기연구원(원장 김호용, www.keri.re.kr) 정시욱 박사팀은 최근 국내 선도 산업군인 반도체, IT, 디스플레이 분야 제조 설비에서 마이크로미터(㎛)급 정밀위치제어(1㎛=0.001㎜) 및 이송용 장비로 광범위하게 사용되고 있는 영구자석 리니어모터(Linear Motor)에 비해 훨씬 낮은 비용으로 생산이 가능한 ‘희토류 영구자석 저감형 고정밀 위치제어용 전동기 기술(이중돌극형 영구자석 선형전동기)’을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

최근 고속화, 고정밀화 및 청정화에 따른 추세로 기존 기계적인 방식을 이용한 직선 이송 시스템을 리니어 모터로 대체하는 노력들이 다양한 산업분야에서 진행되고 있다. 특히 반도체 디스플레이와 같이 세계 시장을 선도하고 있는 분야에서 기존 시스템의 한계를 극복하기 위해 리니어 모터의 적용이 증대되고 있으며, 장거리 이송시스템으로의 확산이 진행되고 있다.

그러나 희토류계 영구자석 재료의 가격 상승으로 인해 기존 영구자석 리니어모터와 동등 수준의 성능을 구현하면서도 희토류 영구자석 사용량을 줄이는 기술의 수요가 늘고 있다.

이 기술은 기존 영구자석 리니어 모터와 동등 수준의 성능을 구현하면서도 고정자에 영구자석을 N-S-N-S…형태로 배치하지 않고, 영구자석을 N-철심-N-철심…형태로 배치하므로 영구자석의 전체 갯수는 절반으로 줄어들게 된다.

다만, 영구자석 1개의 부피는 조금 더 커진다. 따라서 리니어 모터 가격에 절대적인 비중을 차지하는 영구자석의 총 사용량은 40%가량 줄어들게 되며, 이를 통해 선형전동기의 가격을 대폭 줄일 수 있게 된다.

리니어 모터의 가격은 영구자석이 부착된 고정자가 차지하는 비중이 절대적이고 그 중에서 영구자석 가격이 가장 큰 부분을 차지하므로 영구자석의 양을 40% 정도 줄이면, 산술적으로 사용하는 영구자석 비용을 40% 정도 줄일 수 있을 것으로 예상된다.

또한 기존 영구자석 리니어 모터는 단부효과로 인해 추력의 맥동이 크지만, 개발된 기술은 단부효과를 효과적으로 줄여 추력과 수직력의 맥동을 최소화하고 소음과 진동을 줄이면서 정밀한 위치 제어가 가능하다.

단부효과는 영구자석 선형전동기에서 추력 맥동을 발생시키는 가장 큰 요소이며, 영구자석의 배치 간격과 동일한 맥동의 주기를 가지게 된다. 대부분의 영구자석 선형전동기 제조사들은 이 단부효과를 줄이기 위한 독자적인 특허를 가지고 있는 실정이다.

개발된 형태는 전세계적으로 시도된 적이 없는 새로운 형태로 KERI가 국내외 독자기술 특허를 보유하고 있다. 회전형 전동기(Rotational Motor)로 구현할 경우 다극의 전동기로 구현이 용이하여 저속 직접 구동이 가능하다.

연구팀은 지난해 고정자에 영구자석을 아예 사용하지 않는 자속역전 리니어 모터도 개발한 바 있다. 자속역전 리니어모터는 고정자에 영구자석이 없다는 장점이 있으나, 큰 추력이 요구되는 가속/감속 운전의 경우 상대적으로 기존의 영구자석 리니어모터보다 불리한 형편이다. 이번 이러한 단점을 보완하면서도 영구자석 사용량을 절감할 수 있는 형태가 이번에 개발된 이중돌극 영구자석 리니어 모터이다.

정시욱 박사는 “이번에 개발된 리니어모터 기술은 정밀위치제어응용 시스템, 직접구동 장거리 반송시스템, 자동화장비, 반도체 및 디스플레이 제조 장비의 이송용 구동기, 공작기계, 검사장비의 이송계, 로봇 등 다방면에 걸쳐 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

[TECH TIP]
리니어 모터(선형전동기; Linear Motor)란

리니어 모터는 쉽게 말해 회전형 전동기를 축 방향으로 자른 뒤 양 옆으로 평평하게 펼쳐 놓은 것과 같은 것이라 생각하면 된다. 기존 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것과 달리, 직선방향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르지만, 동작원리는 근본적으로 같다.

반도체 및 디스플레이 공정 등 직선운동이 필요한 시스템에서는 일반적으로 회전형 모터의 회전력을 직선운동으로 변환해주는 기어, 벨트 등의 추가적인 기계변환장치가 요구되나 리니어 모터는 이러한 추가 장치가 필요하지 않아 시스템 구조가 간단하고 손실이나 소음이 발생하지 않는 장점을 갖고 있다.

따라서 리니어 모터를 이용한 직선구동 시스템은 기존의 회전기를 이용한 선형(리니어) 이송 장치에서 나타나는 복잡한 기계적 구조를 단순화할 수 있고, 분진 및 먼지 발생으로 인한 잦은 유지 보수의 폐단을 해소할 수 있다.

리니어 모터는 산업전반에 걸친 기초 기반 제품으로 활용되고 있으며 특히 반도체 산업 및 IT 산업의 발전에 따라 관련 장비업체의 수요가 증가하고 있다. 직선운동을 필요로 하는 다양한 분야에 적용되며, 공장자동화, 물류시스템용 이송장치와 와이어본더 등의 반도체 생산기계, 차세대 엘리베이터, 모노레일, 계측장비, 의료기기, 영상 및 오락산업의 모션카메라, 모션 시뮬레이터 등의 분야에 폭넓게 적용되고 있다.

특히 기계의 직선운동에 있어 위치결정 정도가 가능해 반도체산업, 로봇산업, 자동차산업, 공작기계산업 등의 발전에 크게 기여하고 있다.

KERI는 90년대 초반부터 횡자속 리니어 모터에 대한 연구개발을 시작해 지난 2006년 세계 최초로 LCD 및 반도체 물류 이송 장치에 상용화하는데 성공하는 등 관련 기술을 축적하고 있다.

아이씨엔 매거진 2012년 05월호