한국전기연구원, SFA와 자기부상 비접촉 이송장치 공동 개발
자기부상기술을 이용한 바닥형 중량물 이송용 반송 시스템
천정형 경량물 이송용 반송 시스템
한국전기연구원(원장 유태환 www.keri.re.kr)은 지난해 자기부상 방식으로 화물을 수직 이송할 수 있는 수직형 자기부상 엘리베이터(자기부상 클린 리프트)를 개발하여 상용화를 앞두고 있는 가운데, 최근 화물을 천정과 바닥에서 직선 및 곡선 선로를 따라 수평으로 이송할 수 있는‘자기부상 방식 선형 이송 시스템’을 개발하는데 성공했다.
한국전기연구원(KERI) 전동력연구센터(과제책임자 : 구대현 센터장)와 공장자동화 설비기업 (주)SFA (공동연구책임자 : 이경남 반송설비그룹장)가 공동 개발한 자기부상 방식 비접촉 이송 시스템은 비교적 가벼운 화물을 천정에 위치한 선로를 통해 운반하는 천정형과 무거운 화물을 바닥에서 운반하는 바닥형 2가지 형태로 개발됐다. 별도의 동력변환장치 없이 직선으로 움직이게 해주는 선형추진 시스템(선형유도전동기) 및 자기부상기술을 이용하여 반도체·디스플레이 제조 공정에서 화물을 조용하고 신속하게 운반하게 해 주는 시스템으로, 반도체 공정 등에서 수직형 자기부상 엘리베이터와 함께 사용할 경우 자기부상 방식으로 반도체 웨이퍼 등의 물류를 상하좌우로 운반할 수 있게 된다.
자기부상 기술은 접촉면 없이 선로 위를 미세한 간격(4mm 내외)을 두고 떠서 움직이기 때문에 청정실과 같이 소음이나 분진을 최소화해야 하는 환경에 가장 적합한 기술로 최근 주목을 받고 있지만 아직 상용화가 부족한 상황이다.
연구팀은 기존 선형 이송시스템의 접촉식 기계적 베어링을 없애고, 전자기적으로 부상시켜 이동체와 고정체가 접촉하지 않은 상태에서 지지와 이동이 가능하도록 했다. 이를 통해 이송 시스템이 직선 레일 뿐 만 아니라 곡선 형태의 레일 위를 떠서 달릴 수 있어 LCD, PDP 등의 원판 이송에 바로 적용이 가능하다. 특히 추진체로 선형유도전동기(LIM)를 이용하여 선로 규모와 분진, 소음 등을 대폭 줄였다.
특히 바닥형 중량물 이송 반송설비는 참여기업 ㈜SFA의 요구로 추가 개발하게 된 것으로 우리나라의 주요 수출 제품인 LCD, PDP, OLED 등의 유리 원판 이송 시스템에 바로 적용할 수 있는 시스템이다.
연구팀은 선형 추력 100N급 선형유도전동기 추진 시스템의 비접촉 서보 제어(위치 제어)를 통해 1mm이내의 정지 정밀도를 달성했으며, 250kg급 비접촉 자기부상 서스펜션을 적용, 평균 부상 공극 4mm에서 ±0.5mm의 제어 정밀도를 달성하는데 성공했다.
이번 시스템은 LCD, 반도체 공정 등의 청정실(클린룸)에서 클린 스토커 시스템(Clean Stocker System), 클린 컨베이어시스템(Clean Conveyor System) 등의 수평 물류이송 시스템으로 사용할 수 있다. 아울러 LCD 원판, PDP 원판 이송 로봇 시스템에 사용하거나 고청정 반송 자동화 설비 등에 활용할 수 있으며, 특히 놀이동산용 탑승 놀이기구나 가상현실 구현 놀이기구 등에도 적용이 가능하다.
㈜SFA의 이경남 반송설비 그룹장은“이번 시스템은 향후 차세대 반도체 제조공정 및 디스플레이(LCD, PDP 등) 제조 공정에 청정 물류 이송 시스템으로 활용이 가능할 것”이라며 큰 기대를 나타냈다.
KERI 전동력연구센터 구대현 센터장은 “기존 반도체, 디스플레이 시장의 경우 고가의 생산 및 공정 설비는 대부분 외국 업체가 만들고, 제품만을 국내에서 생산하는 등 선진국이 반도체, 디스플레이 제조 공정 시장을 선점한 상황에서 국내 기술로 고청정 비접촉 자기부상 기술로서 극복하여 시장을 탈환할 수 있는 계기를 만들었다는 것에 그 의미가 크다”고 평가하고 “KERI가 축적해 온 자기부상 기술은 우리나라가 전 세계 산업을 선도하고 있는 반도체 및 LCD 등 분야의 관련 산업 발전에 기여할 수 있을 것”이라고 강조했다.
이번에 개발된 시스템은 지난 9월 인천에서 개최된 선형추진 국제학술대회(LDIA, The International Symposium on Linear Drives for Industry Applications)에서도 소개돼 큰 관심을 모으기도 했다.
한편, 자기부상 기술은 독일, 미국 및 일본 등의 선진국에서 주로 초고속 자기부상열차, 자기 베어링, 리프트 등에 관한 연구를 진행하고 있는 상황이다. KERI는 1990년 국내최초의 자기부상열차인 ‘KOMAG-01’을 성공적으로 개발한 이후 수직형 자기부상 리프트와 초고속 회전기용 자기베어링 등 자기부상 기술을 지속 연구하며 자기부상 관련 기반기술 특허를 비롯해 자기부상 리프트 등 청정 이송 분야, 초고속 회전기 분야, 나노급 정밀 스테이지 등 고출력 및 고청정 전동력 응용시스템 분야에서 세계적 기술력을 확보하고 있다. 특히 LCD, 반도체 등 첨단 IT산업에 적용 가능한 자기부상 방식의 청정 이송장치 기술은 언제든 상용화가 가능한 상태이다. KERI는 앞으로도 자기부상방식을 이용한 공장자동화 관련 기술의 추가 개발을 통해 국내 첨단 전기전자 제조공정상의 혁신을 촉진한다는 계획이다.
※ 보충설명
1. 선형 이송시스템
회전 운동을 하는 원형 전동기와는 달리, 원형 전동기를 잘라서 펼친 형태, 즉 선형(Linear) 형태로 만든 전동기를 핵심 구동장치로 사용하여 직선 운동을 할 수 있도록 만든 시스템이다.
선형 전동기는 회전형 전동기에서 발생되는 회전운동을 직선운동으로 바꾸는데 필요한 기계적인 동력전달 장치(랙피니언: Rack & Pinion) 등이 필요 없이 이동자와 고정자 등의 간단한 구조로 직선운동을 할 수 있으며, 횡자속 선형전동기는 기존 종자속 선형전동기에 비해 설치비용을 대폭 절감할 수 있다.
2. 자기부상 기술
일반인에게는 자기부상열차로 잘 알려진 자기부상 기술은 자력을 이용해 선로에서 수㎜가량 뜬 상태에서 움직이는, 비접촉성을 가지고 있다. 이 비접촉성을 이용하면 시속 500km이상의 초고속 철도, 초고속 회전기의 베어링, 반도체 및 LCD 공정에서 초청정 이송 장치 및 나노급 초정밀제어 장치 등의 구현이 가능하다. 전동기 등 고속회전기에 적용될 경우 분당 회전수가 10만~20만에 도달할 수 있을 정도로 속도와 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 장점을 갖고 있다.
또한 동체가 선로와 접촉하지 않은 상태에서 움직일 수 있으니 기존 접촉식에 비해 진동이나 소음 등이 적다. 지금까지 반도체 및 LCD 공정에서 주로 사용되던 접촉식 이송장비의 경우 소음과 진동，분진 등의 문제와 함께 속도를 개선하는데 한계가 있었지만 자기부상 기술을 이용하면 클린룸(청정실) 환경을 구현하면서 생산효율을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 유지보수도 간단해진다는 여러 장점들이 있다.
한국전기연구원은 최근 들어 이 같은 특성을 필요로 하는 산업공정에 이러한 자기부상 기술의 적용 영역을 개척, 확대하고 있다. 전기연구원은 자기부상 리프트 등 청정 이송 분야, 초고속 회전기 분야, 나노급 정밀 스테이지 분야 등에서는 세계적 수준의 자기부상 기술을 보유하고 있다. 특히 현재 자기부상과 관련하여 개별 기술을 부분적으로 개발하고 있는 곳은 있지만 자기부상에 관한 총체적인 기술을 종합 연구하고 축적해 온 곳은 전 세계적으로도 전기연구원이 유일하다.
한국전기연구원 개요
한국전기연구원(KERI)은 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 1976년 국가공인시험기관으로서 첫 출발한 이후 2017년 기관평가에서 우수 등급을 획득하는 등 최고 수준의 전기전문연구기관이자 과학기술계 대표 정부출연연구기관으로 성장했다. 현재 경남 창원에 소재한 본원 외에 2개의 분원(안산, 의왕)이 있으며, 전체 직원수는 620여명에 달한다. KERI는 실현 가능하면서도 대규모 파급효과가 기대되는 연구과제를 집중 선정하여 국가사회에 기여하는 대형 성과창출을 위해 연구개발에 매진하고 있다. 주요 업무분야는 차세대전력망 및 신재생에너지, 초고압직류송전(HVDC), 전기추진 및 산업응용 기술, 나노신소재 및 배터리, 전기기술 기반 융합형 의료기기, 중전기기 시험인증 등이 있다.
웹사이트: http://www.keri.re.kr
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한국전기연구원 산업전기연구본부 전동력연구센터
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