KERI, 정밀위치제어용 특수 전동기 저가격 국산화 성공
- 정시욱 박사팀, 고가의 영구자석 최소화 한 자속역전 선형전동기 개발
- 고가의 영구자석 사용량 최소 1/20 수준 이상 획기적 절감, 저가격화 실현
- 진동변화 및 열발산 최소화, 금속성 분진에 강한 특성
- 반도체, IT, 디스플레이 분야 비용 절감에 큰 기여 전망
자속역전 선형전동기 시제품
한국전기연구원 전기추진연구본부 정시욱 박사
제품의 정밀화, 소형화 등의 최근 시장 추세에 따른 정밀 제조장비의 수요가 증가하고 있는 각 산업현장의 요구에 발맞춰 현재까지 고속화, 고정밀화, 고추력화 및 청정성 등의 장점을 가진 선형전동기가 개발되어 발전해 왔으며, 선형전동기는 정밀기기 산업을 비롯한 반도체, 디스플레이 및 검사장비 분야는 물론 다른 응용분야로 활용폭을 지속적으로 넓혀가고 있다.
그러나 기존에 사용되는 영구자석을 이용한 선형전동기의 경우 고정자에 고가의 희토류 영구자석(주로 소결 NdFeB)을 사용하는 형태이기 때문에 이송거리 만큼 영구자석이 부착된 고정자가 사용되어 영구자석 비용이 크게 증가하는 등 경제성의 한계를 안고 있었다. 특히 전세계 희토류 시장의 97%를 공급하고 있는 중국이 희토류를 전략 물자로 관리하고 있고, 2011년부터는 수출 쿼터를 감축하고 있는 실정이기 때문에 최근의 희토류 원소의 급격한 가격 상승으로 인해 영구자석 선형전동기의 가격 경쟁력이 더욱 악화되는 상황에 직면했으며, 이에 대한 문제해결이 시급한 형편이었다.
연구팀이 이러한 영구자석 선형전동기의 고가격 문제를 해결하기 위해 개발한 자속역전 선형전동기의 경우, 소량의 영구자석이 이동자에 부착될 뿐, 고정자에는 영구자석이 없는 형태로 구성됐다. 동일한 이송거리를 기준으로 할 때, 기존 선형전동기보다 영구자석의 사용량을 획기적으로 절감(*최소 1/20 수준에서 수백분의 1수준)할 수 있어서 대형화 추세에 있는 선형전동기 응용시스템의 가격을 낮추는데 기여할 것으로 기대된다.
아울러 이번에 개발된 자속역전 선형 전동기는 추력(*선형전동기의 진행 방향으로 작용하는 힘=추진력)의 변동이 적어 결과적으로 속도의 변동이 적고 열을 적게 발산하는 특성으로 인해 정밀위치제어용으로 적합하며, 고정자에 영구자석이 없기 때문에 철계 물질이 고정자에 부착되는 현상이 발생하지 않아 금속성 분진이 발생할 수 있는 곳에도 적용할 수 있는 큰 장점이 있다.
한편, 이번 개발과 관련하여 3건의 특허가 등록했고 2건의 특허가 출원중이며, 2건의 SCI급 논문이 게재 또는 게재될 예정(2012)이다. 연구팀은 향후 관련 업계에 기술이전 등을 통한 실용화에 나설 계획이다.
※ 선형전동기에서 영구자석의 가격비중 :
선형전동기의 길이와 형태에 따라 다르지만 주요 부품의 무게당 재료비의 산출을 통해 가격 비중을 유추해 볼 수 있다. 전기강판은 kg당 1,000원, 구리는 kg당 7,000원 수준인데 반해, 영구자석은 kg당 200,000~300,000원에 달한다.
※ 기존 선형전동기 대비 영구자석의 사용량 비교 :
-영구자석 선형전동기 : 영구자석 사용량 3kg(고정자 1m당)
-자속역전 선형전동기 : 150g (고정자 길이와 무관)
* 연속 추력 500N 기준 고정자 폭(100mm)이 비슷한 선형전동기 기준
연속 추력 500N 정도이고 고정자 폭(100mm)이 비슷한 기존 형태의 선형전동기의 경우, 고정자 길이 1m에 대해 약 3kg의 영구자석이 사용된다. 그러나 이번에 개발된 자속역전 선형전동기의 경우 고정자 길이에 무관하게 이동자에만 약 150g정도의 영구자석만 사용하면 된다. 생산라인에 따라 선형전동기(고정자)의 길이가 다양하게 설치 조정된다는 점을 감안할 때 1/20 수준에서 수백분의 1 차이까지 큰 차이를 나타낼 수 있다. 한편, 영구자석의 등급(grade)은 다르지만 도요타의 하이브리드 차인 프리우스의 견인용 전동기가 1kg의 영구자석을 사용하는 것을 감안할 때, 기존 선형전동기는 상당히 많은 양의 영구자석을 필요로 하고 있다.
* 선형전동기(Linear Motor) : 선형 전동기는 쉽게 말해 회전형 전동기를 축 방향으로 자른 뒤 양 옆으로 평평하게 펼쳐 놓은 것과 같은 것이라 생각하면 된다. 기존 일반 전동기가 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 전동기의 회전력을 직선운동으로 변환해주는 기어, 벨트 등의 추가적인 기계변환장치가 요구되나 선형 전동기는 이러한 추가 장치가 필요하지 않아 시스템 구조가 간단하고 손실이나 소음이 발생하지 않는 장점을 갖고 있다. 즉, 선형 전동기를 이용한 직선구동 시스템은 기존의 회전기를 이용한 선형 이송 장치에서 나타나는 복잡한 기계적 구조를 단순화할 수 있고, 분진 및 먼지 발생으로 인한 잦은 유지 보수의 폐단을 해소할 수 있다.
선형 전동기는 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 정도를 가능케 하여 반도체산업, 로봇산업, 자동차산업, 공작기계산업 등의 발전에 크게 기여하고 있다.
KERI는 90년대 초반부터 횡자속 선형 전동기에 대한 연구개발을 시작해 지난 2006년 세계 최초로 LCD 및 반도체 물류 이송 장치에 상용화하는 데 성공하는 등 관련 기술을 축적하고 있다.
* NdFeB : NdFeB는 제3세대 영구자성 원료로서 자기에너지가 강하고 중량은 가벼우며, 자성은 매우 강한 특성을 가지고 있다. 현재까지 성능과 가격면에서 가장 우세한 자성체로서 일명 자석의 왕이라고 불린다. 전동기, 핵심자성공진, 음향설비 등을 포함해 컴퓨터 산업 등에 크게 활용될 것으로 전망된다.
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.
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