[커버스토리] 모션컨트롤 기술 확보, 제조업 생산성 향상을 위한 첫 관문 – 인더스트리얼 커뮤니케이션 네트워크
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반도체 및 디스플레이 등 첨단기기 제조를 위한 부품, 소재로 부터 시작된 일본 아베정부의 한국에 대한 수출규제라는 정치적 시장 보복이 제조업 장비로까지 확산될 전망이다. 일본이 글로벌 기술 우위를 가지고 있는 다른 제조업용 핵심부품 및 장비들로까지 범위가 확대될 것으로 우려된다.
일본 경제산업성은 7월 4일부터 TV·스마트폰 디스플레이에 쓰이는 1)플루오린 폴리이미드와 반도체 제조 과정에 필수적인 화학물질인 2)포토레지스트(PR), 3)불화수소(에칭가스) 등 3개 품목의 한국 수출을 포괄수출허가에서 개별수출허가로 변경했다고 밝혔다. 이는 매 수출계약마다 허가와 심사 절차를 개별적으로 거쳐야 하며, 이는 필요 시기에 이들 제품에 대한 공급이 어렵게 하겠다는 의도가 다분하다.
이들 3개 품목 외에도 CNC 컨트롤러, 공작기계 등의 제조장비들도 일본 아베정부의 수출규제 품목에 포함될 수 있다는 전망이 나오고 있다. 더욱이 정밀한 운전제어가 이뤄지는 반도체, 디스플레이 장비들을 만드는 기술이 필수적인 모션컨트롤 관련 부품과 장비들에 대한 공급과 소재들에 대한 공급 확보 방안도 시급히 마련해야 할 때다.
보쉬렉스로스 모션 드라이브 시스템 (이미지. 보쉬렉스로스)
모션컨트롤 기술은 공작기계를 비롯한 산업용 로봇 및 일반 산업기계의 위치와 속도 제어를 위해 필수적인 기술이다. 특히 반도체 및 디스플레이 제조장비 및 검사장비에서 가장 기본적으로 요구되는 제어 기술이면서도, 국내에서는 아직 핵심적인 모션컨트롤 기술의 많은 부분을 일본, 미국, 유럽 등 해외시장에 의존하고 있다. 특히 일본 시장에 대한 의존도가 높다.
모션컨트롤(Motion Control) 기술이란
디스플레이, 반도체는 물론 자동차, 전자, 식품, 음료, 섬유, 인쇄에 이르기까지 제품 생산을 위한 정확한 가공위치의 설정 및 속도의 제어는 전체 생산 설비에서 가장 핵심이 되는 기본기술이라 할 수 있으며, 이것이 곧 모션컨트롤 기술인 것이다.
최근에는 우주항공, 의료기기, 엔터테인먼트 및 환경분야에 이르는 우리의 일상 생활속에서도 쉽게 모션컨트롤 기술을 접할 수 있다.
예를들면 필립스는 모션컨트롤 기술을 접목한 면도기를 출시하였으며, LG전자는 모션컨트롤 기술의 핵심인 리니어모터를 응용한 드럼 세탁기를 출시하여 세계적인 히트상품으로 등록시켰다. 실내 운동기구의 대명사격인 런닝머신에도 모션컨트롤 기술이 접목되었으며, 영화 촬영장에서도 이제는 모션컨트롤 카메라를 쉽게 만나볼 수 있다.
또한 스마트폰에서도 다축센서들이 내장되면서, 유튜브 방송 진행이 유행하는 가운데 이동중에도 안정적인 영상 및 사진 촬영이 가능한 스마트폰 짐벌도 대표적인 모션컨트롤 장비이다.
모션컨트롤 기술을 주요 분야별로 나누면 다음과 같이 크게 4가지로 분류할 수 있다.
1) 액추에이션 시스템
액추에이터는 기기 및 설비의 작동시스템으로 하중을 움직이는 물리적 구성 요소들이다. 화학적 또는 전기적 에너지를 기계적 힘으로 변환시킨다. 엔진, 전기 및 유압 모터, 펌프, 유압 및 공압 실린더, 공기 압축기 등이 해당된다.
센서는 시스템 동작을 확인하고 모니터링하는데 필수적이다. 이들은 시스템 내의 주요 작동 변수를 정확하고 시기적절하게 측정해야 한다. 압력, 힘 및 스트레인 게이지와 같은 게이지는 모두 일반적인 센서 유형의 예이다.
3) 드라이브
드라이브는 컨트롤러의 저전력 기준 신호를 모터가 요구하는 고전력 신호로 변환하는 특수 인터페이스 또는 브리지라고 할 수 있다. 간단해 보이지만, 최근들어서는 시스템 피드백, 인코딩 및 센서 기능을 광범위하게 통합하고 있다.
4) 제어 장치
사용시 제어 장치는 아날로그 및 디지털 회로 또는 그 조합으로 구성될 수 있다. 모션 제어의 공통 제어 루프 구조 내에서 작동하려면 제어 시스템이 차이 또는 합계를 형성하고, 증폭하고, 통합하고 차별화 할수 있어야한다.
제조라인에서의 모션컨트롤 시스템 구성 사례 (이미지. ABB)
NC 공작기계에서 IT 제조 장비로
생산현장에서의 모션컨트롤 기술은 공작기계의 가공위치 및 절삭속도 제어로부터 출발점을 찾을 수 있다. 작업자의 손과 눈을 대신하여 보다 정확한 가공 정밀도를 확보하고자 하는 노력속에서 초보적인 위치제어기를 탑재한 범용 선반 및 밀링머신이 등장하였으며, 지금은 고속 고정도 가공이 가능한 고기능 CNC 기반의 복합형 공작기계가 일반화되었다.
80년대부터 시작된 공장자동화 요구의 증대는 산업용 로봇 분야에 모션컨트롤 기술의 접목을 한층 강화시켰다. 산업용 로봇의 최대 수요처인 자동차 공장의 경우에는 현재 자동차의 조립 및 용접라인을 중심으로 6축 수직 다관절 로봇이 일반화되어 있으며, 다축 로봇의 고정밀 위치 및 속도 제어를 위한 연구개발의 끊임없는 노력으로 로봇에서의 모션컨트롤 기술은 획기적인 발전을 거듭하고 있다.
반도체 산업의 활황이 이어지던 80년대말부터는 반도체 생산을 위한 완전 자동화된 생산장비를 필요로 하게 되었으며, 고기능 자동화 생산장비의 핵심으로 고정밀 스테이지 및 반도체 이송 로봇 등 반도체 생산장비에 모션컨트롤 기술이 적극 활용되기 시작했다. 2000년대 들어서는 LCD, PDP 등의 디스플레이 산업 및 IT 분야에서 제품의 고기능, 고집적, 초소형화에 따른 생산기술의 자동화가 적극적으로 모색되면서 모션컨트롤 기술이 전면적으로 부각되기에 이르렀다.
또한 디스플레이, 반도체 등 IT산업 분야에서 고기능 산업용 로봇에 대한 수요가 점차 증가하면서 고속 고정밀 위치제어를 위한 모션컨트롤 기술의 개발이 적극 추진되고 있다. 디스플레이는 특히 제품 크기의 대형화 추세에 따라 세대가 바뀔 때마다 제조라인도 더욱 고기능화되고 대형화된 장비로 교체되어야 하는 필연성으로 인하여 대형화되는 고강성 로봇에 대한 요구를 충족시키기 위해 정밀 모션컨트롤 기술의 발전을 적극 강요하고 있다.
세계적으로는 우주항공, 자동차, 반도체/전자, 식음료, 공작기계, 섬유, 목재, 의료, 인쇄장비의 순으로 모션컨트롤 시장이 형성되고 있으며, 국내에서는 디스플레이/반도체, 자동차/조선, 공작기계, 정밀기계, 산업용 로봇, 포장 및 식품가공, 섬유/제지의 순으로 적용분야를 형성하고 있다. 국내에서는 또한 의료장비, 물류반송장비를 비롯하여 엘리베이터 및 공조 제어 등의 빌딩자동화 분야에서 모션컨트롤 기술을 확인할 수 있다.
반도체, 디스플레이 및 스마트폰과 같은 IT 전자분야에서의 모션컨트롤 기술의 적극적인 발전은 고기능 공작기계, 산업용 로봇, SMT 장비 및 정밀기기 산업을 중심으로 모션 컨트롤에 대한 기술확산을 적극 유도하고 있다.
이러한 IT 산업의 발전과 함께 빠르게 변화하고 진보하는 모션컨트롤 기술은 이제 단순한 공장자동화(Factory Automation)의 개념과는 다른 스마트공장(Smart Factory)이라는 새로운 시장분야를 형성하기 시작한 것이다. 제조하고자 하는 제품의 특성과 요구를 정확히 파악하고 이를 적극 수용하여 제조장비를 구축하고자 하는 노력은 기존의 공장자동화라는 개념에서 스마트공장이라는 – 더 나아가 스마트 제조라는 방향으로 나가고 있다.
모션컨트롤 기술이 적용된 반도체 장비 (이미지. 세메스)
IT와 모션컨트롤의 진보
국내에서는 특히 IMF 기간을 지나면서 인력 구조조정과 생산합리화를 적극 추진하고 원자재 및 부품 공급라인에 대한 합리화 정책을 통해서 산업 경쟁력을 확보하게 되었다. 지금은 모든 산업분야에서 인력과 원자재 공급라인에서의 최저가 구축이 마무리된 상황으로 더 이상의 생산성 향상 방안이 쉽지 않은 실정이다.
이런 현실에서 모션컨트롤 기술은 새로운 생산성 향상을 위해 취할 수 있는 최후의 방안으로 부각되고 있다. 고정밀 고속화를 통해서 제품 생산에서의 경쟁력을 확보함은 물론 제품의 라이프 사이클이 짧아지고 다양한 소비자의 욕구를 충족시키기 위한 소량 다품종 생산의 과제는 단순한 자동화 설비투자의 개념이 아닌 새로운 모션컨트롤의 관점에서 접근할 필요성이 있는 것이다.
다양해지는 사용자들의 요구를 충족하기 위해 제조장비 공급자들은 기존의 개념을 초월하는 기능을 탑재한 고성능 제품을 개발하기 위해 많은 투자를 지속하고 있다. 반도체 기술의 발전으로 고성능 DSP(Digital Signal Processor) 및 고속 대용량 메모리의 저가격화가 가능해짐에 따라 종래에 전용 컨트롤러, 예를 들면 고급 CNC 장치들에서만 구현 가능했던 기능들이 일부 범용 모션 제어장치(General Motion Control Device)에서도 쉽게 구현될 수 있게 된 것이다.
이러한 경향은 컨트롤러 공급업체에 가격 및 기능을 의존하기만 했던 사용자들에게 많은 권한을 부여하였다. 주변장치를 비롯한 시스템 구성부품의 선정에도 예전에는 가능하지 않았던 많은 선택권의 활용이 가능해졌으며, 최종 제품 생산업체는 모션컨트롤 기술에 대한 정보습득과 함께 자신의 생산장비에 이를 적용하기 위한 다양한 응용방안을 적극 모색하게 되었다.
최적의 생산장비 구축과 가동시간 감소, 그리고 제품 생산에 대한 고속 고정도 기술을 실현함으로써 다른 경쟁자들보다 신제품 출시를 앞당기고 고품질의 제품을 더욱 빨리 생산해내는 월등한 위치를 차지할 수 있게 된 것이다.
과거에는 제품생산을 위한 제조장비를 완성하기 위해서 자신이 생산할 제품의 특성에 따라서 시스템에 맞는 적당한 제어장치를 사용하여 전용 컨트롤러를 오랜 시간 동안 개발해야만 했다.
이러한 비효율적인 요소를 제거한 것이 곧 범용 모션컨트롤 기술의 도입이다. 모션 컨트롤러라는 동일한 개방형 제어장치(하드웨어)로 모든 어플리케이션에 대응 가능하게 함으로써 여러 가지 비효율적인 문제점을 해결할 수 있게 된 것이다. 특히 최근의 풍부한 소프트웨어 인력 및 편리한 프로그래밍 툴들의 발전은 모션컨트롤 시스템의 기술발전을 한층 가속화하는데 충분한 역할을 하고 있다.
모션 시스템 구축을 위한 기본기기인 모터의 기술발전에 있어서는 고기능 서보모터의 활용이 전 산업분야에서 적극 이루어지고 있으며, 보다 우수한 모션컨트롤을 수행하기 위한 리니어 모터에 대한 연구개발과 현장 적용도 활발하게 진행되고 있다.
동시에 64축까지 정밀 제어가 가능한 모션 컨트롤러 솔루션 (이미지. 소프트모션앤로보틱스)
범용 모션컨트롤러 현황
진정한 의미에서 범용 다축 모션 컨트롤러는 일반적으로 대다수 어플리케이션이 필요로 하는 모든 기능을 완벽히 수행하기 위한 고급 멀티태스팅 구조를 가지고 있다. 모션컨트롤은 PLC 기반 제어 시스템, CNC 제어 시스템과 범용 모션컨트롤 시스템으로 구분할 수 있다.
최근들어 오히려 범용 모션컨트롤에 대한 도입과 시장 확산이 광범위하게 이뤄지고 있다. 이는 PC 기반의 제어기술과 IT 기반의 제어기술들이 광범위하게 확산되면서 이에대한 기술적 대응이 가능한 범용 모션컨트롤 기술이 주목받게 된 것이다.
범용 모션컨트롤 기술은 산업용 PC 및 범용 CPU를 이용한 고도의 연산능력과 최신기술의 다양한 산업용 통신기술을 융합하는 과정에서 확대되고 있는 중이다. 특히 첨단 IT 산업 자동화 장비가 요구하는 범용성, 개방성, 실시간성, 대용량 데이터 처리에 대한 요구는 범용 모션컨트롤 기술의 발전으로 이어졌다. 이에 소량 다품종, 고속/고정밀 마이크로, 나노크기의 IT 제품을 제조/검사하는 최첨단 산업자동화 장비에서 광범위하게 사용되기에 이르렀다.
I/O 제어, 유저 인터페이스, 모터 통신, 서보 루프, 모션 프로그래밍등을 포함한 모든 모션제어에 필요한 기술을 일반적인 프로그래밍 기법을 이용하여 구현 가능하도록 한개의 하드웨어 플랫폼에 구현된 것을 범용 다축 컨트롤러의 범주로 간주할 수 있다.
이러한 제어기는 완벽히 독립적으로 논리 연산, 조건문 및 서브루틴의 처리뿐만 아니라 인터럽트 기능을 가지고 앞에서 언급한 모든 기계제어 루틴들을 수행하고 여러 호스트 시스템과 독립적으로 통신할 수 있기 때문에 모션 컴퓨터라 불리기도 한다.
대부분의 범용 모션 제어기들은 다양한 버스 구조상에서 동작될 수 있도록 ISA, VME, STD, PCI 뿐만 아니라 몇 년 전부터는 다양한 필드버스(Fieldbus) 및 이더넷 인터페이스 프로토콜을 지원한다. 최근에는 OPC UA를 통한 이더넷 통합 네트워크를 통해 수직통합시스템이 구축되고 있으며, 모션 컨트롤에서의 동기화를 이더넷으로 가능하도록 하는 TSN (Time Sensitive Networking) 기술 지원이 국제적인 공개 표준 기술로 추진중이다.
일부에서는 산업용 이더넷 기술에서의 안정성이 확보되고, 5G 통신망에서의 사물인터넷(IoT) 기술 적용 활성화와 네트워크 슬라이싱 기술을 통해 서울의 통합관제센터에서 중국의 공장에 설치된 산업용 로봇을 실시간으로 정확하게 모션 컨트롤 기술로 운전하는 것도 가능해질 전망이다.
일반적인 모션 컨트롤러들은 보통 최대 4∼8개의 축을 제어할 수 있지만, 일부 선두 업체들은 한 개의 단일 CPU 보드로 16∼32축의 동기모션이 가능한 제품들을 공급하고 있다. 100∼300MHz 이상의 DSP의 출현으로 이러한 다축 제어와 복잡한 모션 프로파일에 대한 빠른 실행이 가능해져 복잡화된 시스템의 개발에 많은 도움을 주고 있다.
더구나 스마트공장 및 스마트제조에 대한 개념으로 공장자동화 추진의 성격이 스마트하게 변화하면서, 제조 장비에서의 네트워크 및 모션컨트롤 정보 통합이 활발하게 추진될 전망이다. 이제 모션컨트롤은 제어 자체에서 벗어나 제조공장 단위 전체의 스마트 서버와 같은 역할을 수행하게 될 것이다. 이는 산업용사물인터넷(IIoT; Industrial IoT) 기반의 제조 혁신을 위한 스마트 공장을 구현하는 핵심인 것이다.
[국내 모션컨트롤 전문개발 업체, 파스텍의 모션 서보시스템 대모 영상]
글로벌 모션컨트롤 시장, 2022년 228억 달러 전망
리서치앤드마켓 리포트에 따르면, 글로벌 모션컨트롤 시장은 오는 2022년까지 높은 성장세를 보일 전망이다. 리포트는 2022년에 228억 달러까지 시장이 성장할 것이라고 밝혔다.
모션컨트롤 시장에 고려된 분야로는 AC모터, 모터, 모션컨트롤러, AC드라이브, 전자드라이브와 같은 부품 분야를 포함한다. 애플리케이션 분야로는 포장, 재료 핸들링, 금속 제조, 변환, 포지셔닝 등이 포함된다.
글로벌 모션컨트롤 시장은 오는 2022년에 228억 4천만 달러로 성장할 것이며, 이는 2016년부터 2022년까지 연평균 5.5%의 안정적인 성장세를 지속한다는 전망이다.
지온마켓리서치(Zion Market Research)도 오는 2017년부터 연평균 5.7%의 성장세를 지속해 오는 2022년이면 글로벌 모션컨트롤 시장이 228억 달러까지 성장한다고 전망했다.
주요 모션컨트롤 공급업체로는 다음과 같다.
로크웰 오토메이션,
보쉬 렉스로스,
파커 하니핀,
무그(Moog),
도버 모션(Dover Motion),
B&R 산업자동화,
벡호프,
앨트라 모션(Altra Industrial Motion),
야스카와전기(일본),
미쓰비시전기 오토메이션(일본),
산요전기(일본),
오므론(일본),
화낙(일본),
SMC(일본).
모션컨트롤 시장의 성장을 좌우하는 주요 요인은 첨단 제조 장비를 위한 고급 자동화 공정, 산업의 안전성을 확보한 생산성, 제조 공정 산업용 로봇에 대한 수요 증가, 모션 제어 시스템 내에서의 부품 통합과 사용자 편의성 등이다.
모션컨트롤 시장에 대한 진입장벽도 높다. 장비 및 시스템에 대한 교체 및 유지보수 비용이 높고, 정밀 제어 기술이 요구되는 분야이기 때문이다.
모터는 2022년까지 시장의 주요 부분을 차지할 것으로 예상된다. 전기 모터와 자동화의 사용 증가는 에너지 효율적인 전기 모터에 대한 수요를 크게 확장 시켰다. 모터는 항공기, 항공기 터빈, 압축기 및 펌프, 유도 미사일, 공장 및 산업 자동화, 기타 모션 제어 작업에 폭넓게 응용된다.
포장 어플리케이션은 2016년에 모션 컨트롤의 가장 큰 시장을 유지했다. 포장은 씰링, 라벨링, 케이스 포장, 번들링, 래퍼 수축 및 제품 색인 테이블과 같은 많은 응용 프로그램을 포함한다. 라벨링 과정에서 포장은 모션 컨트롤러 및 드라이브와 같은 모션 제어 기술이 필요한 정확한 장력 및 위치 제어가 필요하다.
반도체 및 전자 산업은 2016년에서 2022년 사이 가장 빠른 속도로 성장하는 분야이다. 반도체 및 전자 제품은 고출력과 함께 높은 정확도와 정밀도를 필요로한다. 반도체 및 전자 장비 제조의 복잡성이 증가함에 따라 하이테크 모터, 드라이브 및 모션 컨트롤러가 필요해진 것이다.
모션 컨트롤 시장에서 아시아태평양 지역이 가장 주목받고 있다. 아태 지역의 모션 컨트롤 시장은 2016년에서 2022년 사이 가장 빠른 속도로 성장하고 있는 것으로 분석됐다.
모션 제어 시스템에 대한 수요는 산업에서의 자동화 활동 증가로 인해 아태지역에서 매우 높다. 공작기계 생산량의 증가와 전자 어셈블리, 반도체 장비 및 다양한 어플리케이션을 위한 커스터마이징된 로봇에서 모션컨트롤에 대한 수요가 늘고 있다. 또한 스마트폰 및 자동차 생산과 관련된 분야에서의 모션컨트롤 기술에 대한 의존도가 확산되고 있는 중이다.
도입선 다변화를 위한 모션컨트롤 개발 지원 필요
이렇듯 모션컨트롤 기술은 국내에서 반도체, 디스플레이 장비 시장을 중심으로 활발한 시장을 보유하고 있다. 그럼에도 제어기기 및 통합 소프트웨어, 네트워크 기술 등에서 해외 의존도가 높다. 더욱이 반도체 및 디스플레이 장비, 스마트폰 생산 라인에서는 일본 업체에 대한 의존도가 다른 시장보다 높은 편이다. 또한 기술적인 안정성을 보장하기가 쉽지 않기 때문에, 여러 시스템을 혼합해 사용하는 도입선 다변화도 쉽지 않은 실정이다.
무엇보다 모션컨트롤러 및 드라이브 시스템, 네트워크 시스템 등 모션컨트롤 기초기술들 부터 차근차근 국내 기업들이 확보해 나갈 수 있도록 하는 방안이 마련되야 할 때다. 이는 삼성전자, LG 하이닉스 같은 수요기업들이 적극적으로 추진하고 도입해야 마땅하다. 이들 기술에 대한 수혜자이기 때문이다.
일본의 수출 제한에 대응하기 위해서라도, 모션 컨트롤 기초 기술 및 장비들을 개발하는데 적극 나서야 한다. 그리고 모션컨트롤 시스템 장비들의 안정적인 구축과 운영 기술 확보에도 적극 노력해 나가야 할 때다.
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