모션 컨트롤을 위한 리니어 모터의 특성과 국내 시장 현황

LCD 디스플레이용 리니어 모션 시스템 수요가 해마다 급격한 증가세를 보이면서, 국내 리니어 모터 시장이 큰 활황기를 맞이했다. 국내 리니어 모터 시장은 매년 40% 이상의 급성장세를 보이면서 2006년에는 단순 모터 공급량만을 기준으로 1천억원대를 돌파할 것으로 분석되고 있다. 이에 국내외 리니어 모터 및 응용장비 전문업체들의 행보가 무척 빨라졌다.

 리니어 모터는 볼스크류와 같은 직선 구동을 위한 보조 기구부 없이 선형 운동을 하는 전자기적 모터이다. 영구자석형 리니어 모터의 경우 회전형 모터와 같이 스테이터와 로터를 갖고 있으며, 이는 마치 회전형 모터를 방사 방향면으로 자른 후, 펼쳐 놓은 구조와 같다.

리니어 모터를 시스템에 적용함으로써 얻을 수 있는 잇점으로는 고속성, 비접촉성, 직접구동, 정숙성, 구조의 단순성, 유지보수의 간편성 등이 있다. 또한 이제까지 리니어 모터 최대의 약점으로 부각되었던 높은 가격 부담도 FPD(평판디스플레이) 산업을 중심으로 한 고정밀 모션 시스템에서의 수요증가에 따른 대량생산과 고부가가치화에 의해 첨차 경쟁력을 갖춰 나가고 있다.

이에 따라 기존의 전기모터가 사용되던 각종 기기에 리니어 모터를 채용하는 사례가 점차 늘어나고 있으며, 향후에는 대다수의 자동화긱에 모션 시스템 기술이 광범위하게 접목됨과 함께 리니어 모터의 적용과 활용도 일반화될 것으로 분석된다.

리니어 모터의 작동원리

리니어 모터는 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라 펼쳐놓은 형태로 기존의 일반 모터가 회전방향의 힘을 발생시키는데 비해 리니어 모터는 직선방향으로 힘을 발생시키는 모터라 정의할 수 있다.

리니어 모터의 개념도

회전형 모터는 회전방향으로 무한 연속운동을  하지만 리니어 모터는 구조적으로 길이가 유한하여 단부가 존재하므로 End Effect가 있게 되며, 또한 공극이 커서 공극의 자속분포, 추력특성 등에 있어서 영향을 크게 받아 단기로는 효율이 좋지 못하다는 단점이 있다. 그러나 리니어 모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키기 특유의 장점이 있어서 직선 구동력이 필요한 시스템에서 회전형 모터에 비해 절대적으로 우세한 장점을 가진다.

일반적으로 회전형 모터를 이용하는 직선 운동 시스템은 대부분의 경우, 벨트 시스템이나 볼 스크류 시스템과 같은 기계적인 동력 변환 장치를 통해 회전 운동을 직선 운동으로 변환시켜 사용된다. 하지만 이러한 동력 변환 장치를 이용한 직선 운동 시스템들은 동력 전달 장치가 모터의 동력 전달 계통에 추가적으로 부가된 시스템이기에 전체 직선 운동 시스템의 에너지 효율을 저하시키고, 마찰이나 진동과 같은 2차적인 문제들을 야기하는 단점을 가진다.

때문에 최근 들어 리니어 모터를 이용한 직선 운동 시스템이 고정밀도 및 고속을 요하는 장비들의 직선 운동 시스템으로서 각광받게 되었다. 리니어 모터는 전기적 입력에 대해 직접적으로 적선력을 얻을 수 있기 때문에 회전 운동을 직선 운동으로 변환시키기 위한 별도의 기계적인 동력 변환 장비를 필요로 하지 않고, 비접촉식 운동 방식으로 직선 구동을 하기 때문에 고속 운전 및 정속 운전을 할 수 있다. 또한 전체 시스템의 소형화를 구현할 수 있다는 장점이 있다.

리니어 모터의 개념 및 작동원리는 회전형 모터와 기본적으로 동일하다고 볼 수 있다. 전통적인 회전형 모터를 축 방향으로 잘라서 펼쳐 놓은 형태에서 출발한다. 이때 스테이터가 이동자가 되고 로터가 고정자 또는 마그네트 레일이 된다. 스테이터는 에폭시 또는 강으로 구리 코일을 감싼 형태로서 구리 코일에는 전류(I)가 흐른다. 고정자는 희토류 자석이 N극과 S극이 교차되면서 철판에 부착되는데 이것이 자기장(B)을 형성한다. 전류와 자기장이 교차되면 로렌츠 힘(F)이 발생하여 모터가 움직이게 되는 것이다. 즉 기존의 회전형 모터가 회전 운동력을 발생시키는 것에 비해 리니어 모터는 직선방향으로 미는 추력을 발생시킨다는 점이 다를 뿐, 기본적인 구동원리는 동일하다.

 

리니어 모터의 특징

리니어 모터의 대표적인 특징으로는 고속 고정밀성, 비접촉성, 직접구동, 정숙성, 구조의 단순성, 유지보수의 간편성 등을 들 수 있다. 특히 구동 대상에 비접촉으로 추력을 부여하기 때문에 모터와 구동 대상간에 힘의 전달 기구를 필요로 하지 않아 기구 구성이 간단해지고, 또한 수송 및 반송 시스템에서는 점착이나 전달의 성능에 의존하지 않는 높은 가감속력이 가능하므로 급한 경사도 오르내릴 수 있다. 유지보수 및 신뢰성에서도 우수한 특성을 갖는다. 또 고정자측과 가동자측이 직선적으로 전개되어 있기 때문에 형상이나 배치가 자유롭다는 장점도 가진다.

고속성

리니어 모터의 최대속도는 컨트롤 전자기기의 속도와 가이드에 제공되는 버스 전압에 의해서만 제한을 받는다. 일반적인 리니어 모터는 1미크론 분해능에서 3ms의 속도를 가지며, 200ips의 분해능에서는 5ms의 고속 운동이 가능해 졌다.

때문에 리니어 모터는 매우 느린 속도에서 매우 빠른 속도까지 넓은 속도 범위에서 매우 높은 정밀도를 유지하는 운전이 가능하다. 정밀 이송이 가능한 리니어 모터의 속도 범위는 1ms에서 10ms이다. 볼 스크류나 리드 스크류는 임계속도가 정해져 있으며, 벨트는 견고하지 못하고, 랙과 피니언 방식은 백래쉬의 문제와 저속 운전 성능이 좋지 못하다는 단점이 있다.

고정밀성

리니어 모터 운전 디바이스의 정밀도와 분해능 및 반복성은 피드백 디바이스에 의해 컨트롤된다. 다시 말해 리니어 모터는 위치 정밀도와 반복 정밀도를 유일하게 제한하는 것이 모터 자체가 아니라 위치 검출용 센서와 리니어 운동을 유도하는 리니어 가이드에 있을 뿐이다. 로터리 모터를 쓰는 경우에는 이러한 요소 외에 백래쉬, 히스테리시스, 로스트 모션 그리고 지터링 등의 요소가 원하는 수준의 정밀도의 달성을 어렵게 한다.

리니어 모터에서는 리니어 피드백 디바이스의 대역폭이 다양화되고 분해능과 정밀도가 향상되면서 기술적인 제한보다는 컨트롤 시스템의 대역폭과 금전적인 투자예산이 일차적인 제한요소가 되었다.

특히 리니어 모터의 가격적인 부담은 가장 먼저 해결해야 할 과제로 남아 있다. 대부분의 리니어 모터는 레일 전체를 마그네트로 덮어야 하기 때문에 마그네트 및 LM 가이드에 대한 가격 부담이 높아질 수 밖에 없다. 때문에 무한 회전력을 얻을 수 있는 회전형 모터와 달리 큰 폭의 길이를 가지는 리니어 모터에 있어서는 마그네트 가이드의 크기에 의해서 추력이 결정되기에 가격이 기하급수적으로 늘어나게 된다.

그럼에도 리니어 모터의 수요는 점차 일반화될 전망이다. 리니어 모터 시장 자체의 규모가 커지게 되면 가격은 그 만큼 하락하게 될 것이기 때문이다. 그 만큼 대규모 양산을 위한 시장이 충분해 질 것이기 때문이다.

리니어 피드백 디바이스의 가격적인 비중도 점차 하락하고 있는 중이다. 리니어 인코더의 제조 기술이 지속적으로 발전하고 있으며, 시장의 증가와 함께 지속적인 가격하락을 유도하고 있기 때문이다. 리니어 모터의 시장이 커지면서 리니어 인코더와 로터리 인코더의 가격 격차도 점차 좁아질 전망이다.

이송거리의 무제한성 

리니어 모터는 이송거리에 제한이 없다. 영구자석의 배열로 이루어진 여러 개의 고정자 블록만 연결시키면 모터의 이송거리를 필요한 만큼 연장하는데 전혀 지장이 없다. 이동하는 코일어셈블리는 동일한 것이 사용되므로 이송거리의 연장이 성능의 저하를 가져오지는 않는다. 

이와 달리 스크류로 직선운동을 구현하는 시스템은 이송거리의 연장이 자유롭지 못하다. 왜냐하면 스크류가 길어짐에 따라 스크류의 회전관성이 증가하여 최대 이송속도를 제한할 뿐만 아니라 길어진 스크류를 기계적으로 쳐짐없이 지지하기가 어렵기 때문이다.

그러나 리니어 모터는 기계적 이점을 제공하는 트랜스미션을 가지는 로터리 모터와 비교하여 이동자 제너레이터가 커질 수 밖에 없다. 그래서 리니어 모터의 이송거리를 아직까지는 무제한 설정할 수 없다. 예를 들면, 65N(15lb)의 추력을 위해서 리니어 모터는 약 500mm * 40mm의 크로스 섹션을 필요로 한다. 그러나 볼 스크류에서는 10mm의 크로스 섹션만으로도 100lb의 출력을 얻을 수 있다. 이것이 바로 리니어 모터에서의 가장 큰 한계 기술이기도 하다.

 

가속도

리니어 모터는 모터의 추력과 관성의 비가 약 30：1로서 매우 높다. 따라서 모터출력의 대부분이 부하를 이송하는데 효과적으로 이용된다. 그러나 스크류 타입은 모터 토크의 많은 부분이 모터, 스크류, 커플링 등의 회전관성을 극복하는데 낭비된다. 

또한 리니어 모터에서의 응답률은 운전 디바이스를 기계적인 트랜스미션보다 100배 이상 빠르게 만들었다. 이는 제조 현장에서의 전체 시스템 구축에 따르는 세팅시간은 물론 시스템 운전에서의 신속성을 의미한다.

 유지보수의 간편성과 장수명

리니어 모터는 고정자와 이동자간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래쉬 및 마모가 거의 없다. 따라서 정비가 거의 필요 없고 수명이 길다. 비접촉 설계에 의하여 윤활이 필요없고 마모에 의하여 주기적으로 부품을 교체하거나 조립된 상태를 보정할 필요가 없다.

또한 리니어 모터는 어떠한 기계적인 도구도 사용하지 않기 때문에 안정성을 강화시킬 수 있다. 리니어 모터 드라이브 시스템의 탄력성은 볼 스크류 드라이브 디바이스에 비해서 휠씬 우수하다. 그럼에도 모터의 최대 추력과 전류 및 피드백의 분해능에 의해서 리니어 모터 시스템의 안정성이 제한 받을 수 있음을 고려할 필요가 있다.

 

단일트랙에 다중슬라이드 장착

리니어 모터의 경우 하나의 고정자 레일에 여러 개의 이동자 코일을 올려놓고 운전할 수 있다. 이러한 점을 이용하여 부가적인 비용을 많이 들이지 않고서도 높은 생산성을 올릴 수 있다. 이러한 구성은 로터리 모터를 이용하는 시스템에서는 매우 구현하기 어려운 것이다.

리니어 모터 애플리케이션에서의 추력은 고정자 역할을 하는 로드와의 접촉에 의해서 발생된다. 때문에 로터리 모터에 비해서 열발생이 아주 심하다는 단점을 가진다. 만약 열에 민감한 애플리케이션에서 리니어 모터를 적용하고자 한다면 열관리 기술을 먼저 확보해야 할 필요가 있다. 리니어 모터에서는 공기나 액체에 의한 냉각방식을 옵션으로 사용하는 것이 일반적이며, 지금까지 가장 많이 사용되고 있다.

 

리니어 모터의 종류

 리니어 모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이므로 그 분류는 회전형과 거의 유사하게 구분할 수 있다. 세부적으로 분류하면, 대추력의 특성을 갖는 리니어 유도 모터(LIM : Linear Induction Motor), 고속운송이 가능한 리니어 동기 모터(LSM : Linear Synchronous Motor), 개루프 위치 서보용 리니어 펄스 모터(LPM : Linear Pulse Motor), 그리고 고정밀도 위치 결정 특성의 리니어 직류 모터(LDM : Linear Direct-current Motor) 등이 있다.

이중에서 대변위, 대추력을 필요로 하는 수송용으로는 비교적 대형화의 실현이 용이한 리니어 유도 모터나 리니어 동기 모터가 적합하고, 서보 시스템을 이용하여 속도 및 위치를 정밀 제어해야 하는 직교 좌표 로봇 등에는 리니어 펄스 모터가 효과적이며, 고응답성이나 위치 결정 기능이 필요한 OA 기기 관련 애플리케이션에는 리니어 직류 모터가 활용되고 있다.

또한 리니어 모터는 형태에 따라서 평판형, 원통형, 아치형으로 구분하기도 하며, 계자부분의 배치방법에 의해서 편측식과 양측식으로 나누기도 한다. 편측식은 구성이 간단하여 갭 길이의 유지가 쉽지만 이동방향에 대해서 수직인 방향으로 추력을 발생시키는 문제점을 갖는다. 양측식은 고정부와 이동부가 완전한 대칭으로 이러한 힘이 발생하지 않는 반면 철심간의 갭 길이를 작게 유지하고 양측의 갭 길이를 정밀하게 조절해야 할 필요가 있으므로 비교적 소형장치에 적합하다. 대형 산업기기에서는 구성의 자유로움이 우선적으로 고려되어 편측식이 널리 이용되고 있다.

리니어모터의 특성비교

리니어 유도 모터(LIM)

리니어 유도 모터의 원리는 일반 회전형 유도 전동기와 같이 1차측에 의하여 시간적, 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 공극을 가로질러 2차측에 도착하게 되면, 변압기기 전력과 운동기전력이 발생하여 도체판에 와전류(Eddy Current)를 발생하여 분포한다. 이때 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘 방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 1차측과 2차측 간에 서로 미는 힘인 추력을 발생하게 된다.

이러한 리니어 유도 모터는 평판구조가 가능하고 2차측이 간단하여 피 구동체의 일부를 응용 가능할 뿐만 아니라 교류기와 같은 제어가 가능하여 대 출력, 대 기동력 발생이 용이하고 유지보수가 간편하다는 장점을 가진다. 그러나 서보성이 양호하지 못하고, 위치 결정도가 떨어지며 위치의 궤환이 필요하고 위치결정시 발열이 있다는 단점을 가진다.

따라서 고속 대추력 제어에 필요한 자기부상열차나 자동 반송장치 등의 구동모터로 적합하며, 고정밀도의 위치 정밀도가 필요한 분야보다는 비교적 고속이면서 기계적 접근이 용이한 이송장치 및 컨베어 시스템 등에 적합하다.

 

리니어 동기 모터(LSM)

리니어 동기 모터는 회전형 동기 모터를 축방향으로 잘라 펼친 형태이므로 회전형 동기 모터의 구동원리가 동일하다. 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성 방법에 따라 종류가 달라진다. 특히 리니어 동기 모터는 리니어 유도 모터에 비해 개루프 제어 성능이 떨어지고 제조 단가가 높다는 단점에도 불구하고 계자원으로 영구자석을 사용하기 때문에 상대적으로 효율이 높고 추력대 중량비가 높아 고추력화 및 고속화가 가능하다는 이점이 있다. 서보 시스템에 적합한 구조와 특성을 가지고 있어 리니어 서보 모터라고도 한다.

최근 들어 고에너지 밀도를 가지는 고성능 영구자석의 개발 및 제조 원가의 하락, 전력 전자 기술과 디지털 제어 기술의 발전에 의해 리니어 동기 모터의 단점이 많이 큰 힘이 요구되는 공작기계의 리프트 장치 및 반도체 크린룸내에서의 웨이퍼 전송장치 등의 고속, 고추력 직선 구동이 필요한 각종 기기에 적합한 모터이다. 또한 FPD 제조 검사 장비 분야의 스테이지 구동 장치로써 적극 활용되고 있는 중이다.

 

리니어 펄스 모터(LPM)

리니어 펄스 모터는 회전형 스테핑 모터의 경우와 마찬가지로 디지털 제어기에 의해 공급되는 매 입력 전류 펄스 신호에 대해 1스텝씩 직선 운동을 하는 모터이므로 리니어 스테핑 모터라고도 한다. 특히 입력 전류 펄스 신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치(Tooth)와 홈이 있어야 한다. 즉 가동자와 고정자의 치의 중심선이 서로 엇갈린 경우는 치가 서로 자화되어 추력이 발생하는데 변위됨에 따라 계속적으로 변하며, 두 치의 중심선이 일치하는 경우까지 이동하게 된다. 따라서 리니어 펄스 모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법, 기하학적 형상, 여자 방식을 적절히 해야하며 그 방식도 다양하다.

일반적으로 리니어 펄스 모터는 스스로의 위치 결정 능력이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속도 및 가속도의 정확한 검지가 가능하여 제어가 쉽다는 장점이 있다. 위치 결정 정도는 미니 스텝 구동과 다상 구동 방식에 의해 영향을 받는다. 그러나 자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다는 단점을 가진다.

특히 입력 전류 펄스 신호에 의해서 변위되기 때문에 초저속으로 마이크로 스텝에 따라 부드러운 구동이 가능하지만 고정도를 위해서는 제어적인 하드웨어 및 소프트웨어적인 접근이 우선적으로 필요하며, 기구적으로도 스텝을 정밀하게 하기 위한 높은 정밀도의 기계가공이 요구된다. 이러한 제어가 복잡하다는 단점으로 인하여 단축 구동인 경우에 회전형 스테핑 모터와 같이 저속 고강성의 단순 구동 분야에 적용되고 있으나, 향후에는 평면상에서 2축 제어를 위한 응용분야로의 적용을 위한 고정밀화 개발이 지속적으로 추진중이다.

 

리니어 직류 모터(LDM)

리니어 직류 모터는 기본적으로 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다. 즉 평판형의 영구자석이 같은 N극(또는 S극)이 서로 향하는 구조로 된 계자 사이에 있는 전기자 코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일 변에는 같은 방향으로의 힘이 발생한다. 이때 계자가 양쪽에 있으면 양측식, 한쪽에만 있으면 편측식으로 구별된다.

리니어 직류 모터의 장점은 구조가 간단하고 추력대 질량비가 크고, 고속 동작이 가능하며 상대적으로 저렴하면서도 서보성이 우수하다. 그러나 모터 자체적으로 위치 결정 능력이 없어 반드시 위치 결정 센서, 속도 센서를 사용하여 응용해야 하며, 고위치 정밀도를 위한 고급의 리니어 가이드가 요구된다. 이를 통해 리니어 직류 모터는 높은 정도의 위치 결정 및 속도 제어를 실현할 수 있다.

따라서 리니어 직류 모터는 추력 특성뿐 아니라 제어 시스템의 고려가 매우 중요하며, 이러한 특성을 바탕으로 FDD, CD 등의 OA기기에 광범위하게 적용되고 있다. 최근 들어서는 제어의 용이성과 고속 응답성의 장점을 살려 저추력이나 고속, 고위치 결정 정도의 제어용으로 적합하여 IT 산업용 제조 장비, 레이저 가공기, 방전 가공기 및 고정밀 위치 결정용 시스템으로 점차 적용 분야를 확대하고 있다.

 

국내 리니어 모터 시장 성장률, 40%

 최근 들어 리니어 모터 애플리케이션이 대한 요구가 점차 늘고 있다. 제조 현장으로부터 고속이면서도 높은 위치 정밀도를 가지면서 유지관리가 쉽고, 전체 시스템에서 기존보다 적은 수의 부품을 사용하여 시스템의 소형화와 최적화를 이루어야 한다는 요구가 끊임없이 이어지고 있는 것이다.

이러한 제조 현장으로부터의 요구에 적극 대처하기 위해 모션 컨트롤 장비 전문업체들은 지속적인 기술 발전을 누구보다도 앞서서 자신의 제품에 수용하고 시스템에 적용하고자 애쓰고 있다. 점진적인 리니어 모터에 대한 수요가 늘어나면서 고정밀 리니어 모터 개발에 대한 요구도 점차 증가하고 있다. 이에 기존의 모터 및 모션 컨트롤러 전문업체를 비롯하여 로봇 전문업체들의 리니어 모터 개발 열기가 그 어느때보다 활기차다.

특히 국내 리니어 모터 시장은 FPD의 대표 산업인 LCD 분야에서의 고정밀 스테이지 및 이송 로봇에 대한 수요가 급격히 증가하면서 최근 수년 사이에 세계적인 기술력을 가진 전문업체를 육성하고 있는 중이다. 

현재 국내에서 수요되고 있는 리니어 모터는 LCD 장비를 중심으로 큰 성장세를 보이고 있다. 지난해 2004년도 국내 리니어 모터 시장 규모는 500억원 정도로 추산되고 있으며, 올해에는 700억원까지 성장할 전망이다. 또한 2006년에는 1천억원을 넘어설 예정이다. 이 수치는 국내에서 공급된 리니어 모터 자체만의 단순 수치이며, 리니어 모터를 통한 응용 장비 시장을 포함할 경우에는 엄청난 시장이 된다. 또한 최근 들어서는 대만, 중국을 비롯하여 일본으로의 리니어 모터 및 장비 수출이 가시적인 모습을 보이고 있으며, 이러한 성과를 바탕으로 우리나라가 향후 리니어 모터 강국으로 부상할 것으로 전망된다.

국내 리니어 모터는 한국야스가와전기, 순환엔지니어링, 파카코리아 등이 적극적인 시장 공략을 추진하고 있는 가운데, 국산 개발 업체들의 행보도 무척 빨라지고 있다. 국내 리니어 모터 개발업체로는 져스텍, 세우산전, DCT, 앤디텍 등이 있으며, 삼성전자 및 LG 필립스 LCD에서의 대량 수요 시장을 기반으로 점차적인 시장 및 기술 확보를 가속화하고 있는 중이다.

로봇 전문 개발업체인 다사테크도 리니어 모터 및 스테이지에 대한 본격적인 진출에 착수한 것을 비롯하여, 리니어 모션 가이드 전문업체인 삼익LMS도 고추력 철심형 리니어 모터 개발에 적극적으로 나서고 있다. 또한 현대 엘리베이터를 국내 최대의 엘리베이터 강자로 키워내는데 기반이 된 엘리베이터용 서보 모터를 개발했던 코모텍도 리니어 모터 개발에 큰 관심을 보이고 있다.

한편 져스텍, 세우산전을 중심으로 올해부터 일본으로의 리니어 모터 및 리니어 모션 시스템에 대한 수출이 본격적으로 진행되고 있으며, 대만 및 중국 시장으로의 진출도 조만간 가시적인 성과를 보일 전망이다.

2005년 기사 작성