모션컨트롤 기술, 생산성 향상을 위한 최후의 성배(聖杯)

모션컨트롤 기술은 공작기계를 비롯한 산업용 로봇 및 일반 산업기계의 위치와 속도 제어를 위해 필수적인 기술이다.

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. 또한 실내 운동기구의 대명사격인 런닝머신에도 모션컨트롤 기술이 접목되었으며, 영화 촬영장에서도 이제는 모션컨트롤 카메라를 쉽게 만나볼 수 있다.

글_ 오승모 기자 

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.

모션컨트롤과 공장자동화

국내 모션컨트롤 시스템 시장은 반도체 디스플레이 장비 분야에 집중되어 있으며, 이 분야가 전체 모션 컨트롤 시스템 시장의 80% 이상을 점하고 있다고 업계는 분석하고 있다. 특히 국내 산업발전의 견인차 역할을 담당하고 있는 LCD, PDP 등의 디스플레이 산업분야가 모션컨트롤 시스템의 최대 수요처로 확고하게 자리잡고 있다. 국내 디스플레이 기술은 현재 세계 최고수준에 있으며, 지속적인 생산라인의 확장이 추진되고 있다. 삼성전자가 추진하고 있는 탕정단지나 LG필립스가 중심이 된 파주단지는 세계 최대의 LCD 생산단지로서의 명성을 유지하면서 7세대 대형 LCD 제조를 위한 설비구축에 박차를 가하고 있다.

이에 모션컨트롤 시스템 장비업계에서는 기존 5~6세대 LCD 장비에서의 연구개발 및 구축실적을 바탕으로 7세대 생산장비를 위한 시스템 개발에 적극 나서고 있다. 이러한 IT 분야에서의 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 새로운 시장분야를 형성하기 시작한 것이다. 제조하고자 하는 제품의 특성과 요구를 정확히 파악하고 이를 적극 수용하여 제조장비를 구축하고자 하는 노력은 기존의 공장자동화라는 개념을 무너뜨리고 있는 것이다.

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.

IT와 모션컨트롤의 진보

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.

진정한 의미에서 범용 다축 모션 컨트롤러는 일반적으로 대다수 어플리케이션이 필요로 하는 모든 기능을 완벽히 수행하기 위한 고급 멀티태스팅 구조를 가지고 있다.

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) 인터페이스 프로토콜을 지원한다.

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.

일반적으로 모션 프로그램 관점에서 본다면, 이들 제어기들은 궤적 프로그래밍을 편리하게 하기 위하여 빌트인 된 몇 개의 보간 기능들을 가지고 있다. 직선보간, 원호보간 뿐만 아니라 일부 고기능 제어기들은 스플라인(Spline) 이송 이외에도 항공기 엔진 터빈날개와 같은 복잡한 임의 궤적의 프로그래밍도 가능한 PVT 이송 모드를 지원한다.

특히 고속 광통신의 발달로 125Mbps 이상의 성능을 가지며 최대 256개의 노드(각 노드당 3km 거리 가능)를 가지는 서보 제어 프로토콜의 개발은 대형 자동화 라인 또는 노이즈가 심한 현장 적용에 좋은 솔루션이 되고 있다. 미국과 유럽을 중심으로 개발되고 있는 이러한 광 프로토콜을 내장한 서보 앰프는 일반 전선의 사용을 완전히 생산라인에서 제거할 수 있는 기술로 여러 업체에서 개발을 서두르고 있다.

지속 성장에 나선 모션 컨트롤러 시장

범용 모션 컨트롤러의 세계 시장은 매우 빠르고 견실하게 증가하고 있으며 앞으로도 이러한 증가는 계속될 것이다. 소비시장에서 증가하고 있는 제품의 다양화 및 짧은 라이프 사이클에 대한 요구는 컨트롤러 업체로 하여금 보다 편리하고 구축이 용이한 시스템의 개발을 요구한다.  이러한 요구에 따른 대표적인 움직임은 컨트롤러 공급자들이 원가적인 측면과 개방화에 대한 요구에 대응하기 위해 IT 플랫폼을 채택하는 전략을 추구하고 있으며, 치열해지는 경쟁과 원가에 대한 압력으로 컨트롤러 시장은 점점 국제화 되어가고 있다. 2003년 세계 범용 모션 컨트롤러 시장은 약 40억달러(약 4조 8천억원)의 시장 규모를 형성한 것으로 나타났으며 향후 2008년에는 60억달러에 육박할 것이라는 전망이다.

규모가 큰 장비제조업체들은 모션 컨트롤러 공급자들에게 신뢰성 높은 제품의 공급을 요구한다.  공급가격 측면에서 이들 장비업체들은 고객들이 장비의 제조가격보다는 제품의 신뢰성을 보다 우선시하고 있기 때문에 가격경쟁은 아무런 문제가 되지 않는다.

개발의 용이성은 컨트롤러 선정에 있어서 신뢰성 다음으로 중요한 요소이다. 일반적으로 장비업체들은 제한된 엔지니어링 자원(인적 및 시간측면에서)을 가지고 있기 때문에 증가하고 있는 시스템의 복잡성 - 다양한 네크워킹의 구성, 보다 복잡하고 정교한 제어 방법 및 진보된 진단기술에 필요한 - 에 대응하기 위해 보다 편리하고 표준화된 프로그래밍 기능을 필요로 한다.

이러한 요구는 자동화 분야에서의 PC 기반 시스템의 도입을 더욱 활성화 하고 있으며, 복잡한 주변 배선 및 타 기능의 자동화 장치들( PLC 또는 모니터링 디바이스)과 효율적인 통신을 위해 다양하고 표준화된 필드버스의 채택을 적극 추진하고 있다. 이미 대부분의 선도적인 컨트롤러 메이커들은 이들 필드버스와의 통신기능이 구현된 제품을 출시중이다. 특히 서보 드라이브를 인터페이스하는 기술에 -기존 ±10V 지령방식이 가지는 한계를 극복하기 위해- 필드버스의 사용은 곧 일반화 될 전망이다. SERCOS(SErial Real Time Communication System)는 오래 전부터 제일 폭 넓은 사용자를 확보한 모션컨트롤을 위한 서보 제어에 사용되어 오던 네트워크이지만 속도 등의 문제로 인해 고성능 시스템에 제약이 있었다. 따라서  125Mbps 이상의 고속 통신 서보제어 프로토콜인 Delta Tau Data Systems의 MACRO(Motion and Control Ring, Optical)을 비롯하여 Etherent, USB, FireWire 등을 이용한 서보 시스템의 개발이 활발히 진행되고 있다.

최근 들어서는 SERCOS가 이더넷을 기본 플랫폼으로 채택하여 완전 개방형의 실시간 모션 네트워크가 가능해 졌으며, 현장적용을 위한 연구가 본격적으로 진행중에 있다. 2005년에는 완전 개방형의 실시간 모션 네트워크 구축이 가시화될 전망이다.

국내에서도 이더넷 하드웨어를 기반으로 하는 SERCOS III 모션 네트워크 프로토콜에 대한 연구가 적극 추진되고 있다. 삼성전자는 SERCOS III 프로토콜을 통한 완전 개방형의 실시간 모션 컨트롤러에 대한 개발을 적극 추진하여 현재 완성단계 있으며, 내년초에는 삼성전자의 LCD 라인에 구축될 전망이다.

오픈네트워크와 모션컨트롤

대부분의 범용 모션 컨트롤러들은 기본적으로 PC/Windows 환경에서 동작하거나 이들과 통신할 수 있는 기능을 가지고 있다. 기존의 폐쇄된 PLC 기반의 컨트롤러들은 점차 고급 어플리케이션 현장에서 사라지고 있으며, 단지 이들의 기본 골격을 유지하고 강화된 프로그래밍 환경과 범용 통신 기능을 추가한 제품들은 계속 개발되고 있다.

아직도 PC 환경에서 고가의 장비를 운용하는데 불안감을 갖는 사용자들도 있지만 지난 몇 년간 놀라운 속도로 PC 기반 제품들이 산업 현장에서 사용되고 있다. 미국 자동화 분야 전문지의 최근 조사에 의하면 PC 기반 시스템의 도입을 염려하던 엔지니어들의 비율이 10년전에 90%, 5년전에 50%에서 지금은 20%에 불과하다는 결과가 이를 뒷받침하고 있다.

특히 디스플레이 반도체 제조장비, 포장기계 및 의료용 기계와 같이 매우 빠르게 변화하는 시장에서 PC 기반 모션 컨트롤러가 활발하게 사용되고 있다. 저가격의 간단한 데이터 핸들링과 고급 프로그래밍 환경은 종래의 전용 컨트롤러가 자랑하던 신뢰성과 안정성의 한계를 넘는데 충분했던 것이다. 급속히 발달하고 있는 소프트웨어 기술 또한 대부분의 산업현장에서 요구하는 신뢰성과 안정성면에서 종래의 폐쇄된 컨트롤러에 뒤지지 않을 정도의 품질을 보증하고 있다.

산업용 공작기계 분야에서도 높은 생산성 및 편리한 데이터 처리 등을 포함한 다양해지는 사용자 요구로 PC 기반 시스템이 시장을 확장하고 있다. 특히 최근의 고기능 보드 레벨 모션 제어기들은 독자의 CPU를 가지고 호스트(PC/Windows)에 독립적으로 동작하기 때문에 Windows 환경에서의 처리 속도는 거의 문제가 되지 않는다.

새로운 산업구조를 위하여

모션컨트롤 기술은 불과 2∼3년 전에 비해 비약적인 발전을 거듭하고 있다. 고속 DSP 및 대용량 메모리의 저가격화에 의해서 기존에는 불가능했던 복잡한 기능들을 사용하기 쉽게 탑재함으로써 종래의 폐쇄된 전용 제어장치만이 가능했던 어플리케이션을 보다 강력하고 사용하기 용이하며 저가격으로 구현 할 수 있게 된 것이다. 확실한 것은 기존에는 사용자들의 니즈를 충족시키기에 부족했던 많은 부분들이 이제는 풍부한 기능의 확보로 인해서 오히려 제품 개발자가 빠르게 진보하는 기술을 소화하는데 어려움을 느낄 정도이다.

특히 다양한 인터페이스 네트워크의 채용으로 과거에는 많은 시간과 비용이 요구되었던 다른 기종과의 통신이 쉽게 가능해졌으며, 이는 공장의 배선은 물론 주변기기 및 컨트롤러의 절감을 제공하였다.

LCD 디스플레이 산업 성장의 중심축에 있는 국내 산업시장은 특히 모션컨트롤 기술을 통해서 세계 최고의 기술력을 확보해 나갈 수 있는 절호의 기회를 맞이하고 있으며, 이러한 기회를 적절히 활용함으로써 국내에서의 새로운 산업구조도 형성될 수 있으리라 생각된다. 새로운 산업 구조를 위한 성장 동력산업의 핵심기술로서 모션컨트롤 기술을 맞이해야 할 것이다.

2004년 기사 작성