[커버스토리] 서보 시스템, 네트워크 적용으로 생산성 향상

산업현장과 연계한 실질적 R&D 지원 절실

이 서 윤 기자

최근 글로벌 산업 생산라인은 점차 생산성 증대와 효율향상을 목표로 꾸준히 더욱 고기능성의 자동화를 요구하고 있다. 특히 공작기계 등에서는 고정밀, 빠른응답, 고속의 가변속 전동 제어 시스템 등을 요구하며 최근 업계에는 고성능 서보 모터(Servo Motor)/드라이브(Drive)가 필수사항이 되고 있다.

서보 시스템은 일박적으로 산업자동화 및 공작기계 분야에 주로 적용되며, 관련 분야에서 필수 제품군으로 인식돼 왔지만 최근에는 로봇, 국방 및 군수 등의 영역까지 진출함에 따라 그 활용영역이 광범위해지고 있다.

MarketsandMarkets에서 2013년에 발행한 ‘세계의 서보 모터 및 서보 드라이브 시장’ 보고서에 따르면, 서보 시스템은 2018년 글로벌 출하량이 1,720만대, 가격은 104억3,000만달러에 이를 전망으로 향후 개도국의 자동화시장 확대, 저가화 기술향상 등의 환경변화에 따라 지속적인 성장이 이뤄질 것으로 기대된다.

Market Trend

2013년 산업용 모터 시장규모(메이커 출하수량 기준)는 서보모터가 408만2,870대, 고효율 유도전동기가 3만3,440대, PM(Permanent Magnet) 모터가 19만220대였다.

2013년 서보모터 시장은 액정패널 제조장치와 공작기계·금속가공용 등의 모터가 전년 수준을 웃도는 성장을 나타내며 전년대비 408만2,870대(메이커 출하수량 기준)였다. 이에 따라 2014년도 일부 성장 기조가 유지됐으며 2015년 또한 출하수량이 2014년 수준 혹은 그 이상이 될 것으로 기대된다.

2012년은 중국에서의 금융긴축책 및 유럽지역의 채무 문제로 인한 금융 불안 등의 영향을 받으며 중국을 중심으로 각국에서 설비투자가 악화되면서 서보모터 시장도 전년 수준을 밑도는 출하수량을 기록했다. 2013년은 반도체 제조장치와 전자부품 실장기용이 전년 수준을 밑돌았지만, 액정패널 제조장치와 공작기계·금속 가공용 등 다른 애플리케이션용 서보모터가 전년 수준을 웃도는 성장을 나타내, 전체적으로는 전년대비 시장규모의 성장이 분석됐다.

2015년 산업용 모터 시장(메이커 출하수량 기준)은 서보모터가 469만대, 고효율 유도전동기가 14만9,700대, PM모터가 24만2,000대로 예측된다.

서보모터는 공작기계, 로봇, 반도체 제조장치, 전자부품 실장용 등을 견인차로 2014~2015년에 걸쳐 출하수량이 전년을 웃도는 추세가 이어질 것으로 예측된다.

한편, 국내 서보 모터/드라이브 업계는 지난 2012년, 2013년 대기업의 설비투자 보류를 통해 매출목표가 소폭하락하는 등의 어려움이 있었다. 주력 시장인 반도체/FPD 시장이 성과가 좋지는 못했지만 여전히 강세를 유지하고 있는 것으로 드러났다.

국내 서보시장은 일본 브랜드가 시장의 상당 부분을 확보하고 있으며, 국내 순수 브랜드는 가격적 우위를 장점으로 특수한 분야를 타깃으로 명맥을 이어가고 있다.

Servo System

서보 모터/드라이드에서 서보는 물체의 위치, 방위, 자세 등을 제어량으로 하고, 목표치의 임의 변화에 추종하도록 구성된 제어계다. 이 서보 시스템은 서보 모터와 드라이브로 구성돼 있으며, 서보 시스템에 있어서 피드백 센서인 인코더는 동일조건의 서보 모터에서 서보 시스템의 성능과 정밀도를 좌우한다. 때문에 관련업계는 인코더의 기술개발에 적극적인 투자를 진행하고 있으며, 점차 고정밀화 및 고분해화의 추세를 따르고 있다.

서보 모터는 빈번하게 변화하는 위치나 속도의 지령치에 대해서 신속하고, 정확하게 추종할 수 있도록 설계된 모터로서 최근에는 고속응답, 콤팩트한 사이즈로 제작되고 있다.

서보 드라이브는 부여된 목표입력에 대한 빠른 추종 응답특성을 갖고 넓은 속도제어의 범위를 가지며, 정밀하게 움직일 수 있도록 서보 모터에 공급하는 전력을 적합한 형태로 변환해 제어하는 시스템으로서 과부하 및 과전류 방지, 온도조절, 퓨즈용단, 외부전류 제한, 역회전 방지 등의 성능을 가지고 있다.

서보 드라이브의 경우, 서보 모터의 전기적 특성에 따라 AC 서보 드라이브와 DC 서보 드라이브로 구분되는데 통상적으로 동기모터(Synchronous Motor)를 제어하는 경우를 서보 드라이브라고 하고, 유도전동기(Induction Motor)를 제어하는 경우를 인버터로 지칭한다.

과거 서보 시스템은 모터, 드라이브, 인코더를 생산하는 업체가 각각의 특성을 살려 제품을 개발했으나, 최근에는 이들 제품군을 한데 묶어 하나의 솔루션으로 공급하고 있다. 이는 최근 업계에 진행되고 있는 치열한 가격경쟁력에서 우위를 확보하기 위한 원가절감 방안이기도 하며, 서보 분야 또한 다른 자동화 분야와 마찬가지로 ‘통합화’가 눈에 띈다.

Needs

서보 시스템 분야에서 최근 고객들의 요구사항은 타 분야와 마찬가지로 생산성 향상을 위한 네트워크의 도입이다. 최근 업계는 통신형 서보의 점유율 변화가 뚜렷하게 감지되고 있는 상황이며, ErherCAT 기반의 로터리 및 리니어 서보 개발이 업계의 트렌드이다.

기존 펄스 방식에서 네트워크로의 전환이 명확해지고 있으며 이는 곧 제어기의 구속을 받지 않는 서보 시스템의 보급으로 이어지고 있다.

네트워크가 급부상함에 따라 업계는 무선 네트워크의 적용도 고려하고 있으며, 통신의 여부에 따라 제품의 성능 평가도 달라지는 정도로 네트워크 통신의 중요성이 강조되고 있다.

이 외에도 서보 시스템 분야에서 주목해야 할 기술적 동향으로 정밀 제어, 네트워크화, 고속응답, 고출력화 등이 꼽힌다.

하이젠모터에서 발표한 ‘서보 시스템 구성요소에 따른 기술 동향’ 보고서에서 서보 모터와 드라이브 시장에서의 최신 변화를 관찰할 수 있다.

보고서에 따르면, 서보 모터의 관점에서 적용 용도에 맞춰 고속화와 대용량화가 추진되는 방향과 초저관성형 모터 등의 개발이 요구된다. 이를 위한 고급전기장판의 적용 기술과 코어리스 모터 등에 관한 요구가 보고되고 있다.

서보 드라이브의 관점에서는 저노이즈와 유해물질 적용 억제와 같은 환경에 대한 관심 및 사용자 편리성을 부각하기 위한 다양한 형태의 튜닝 기능, 유도형 모터와 영구자석형 모터의 통합 제어기능, EMI 억제, 엔코더 센서 활용에 의한 자동인식 기술의 기능 확대 등이 이슈가 되고 있다.

하이젠모터의 김선용 부사장은 “네트워크의 적용이 최근 업계의 이슈가 되고 있는데, 기본적으로 기존 펄스 방식에서 점차 ErherCAT 기반으로의 변화가 명확하며, 제품 개발에 있어서 네트워크 적용이 기본사항으로 인식되고 있다”며, “이에 따라 통신의 표준화가 업계에 이슈가 되고 있다”고 설명했다.

Network

서보 시스템 업계는 네트워크 도입을 가장 중요한 포인트로 제품을 생산해내고 있다. 이는 장비의 통합 추세에 따른 것으로 분석되며, 과거 단품 공급에서 점차 하나의 솔루션을 통해 전 생산라인을 컨트롤할 수 있는 수준의 기술을 요구함에 따라 네트워크의 중요성이 더욱 가치를 더하고 있다.

특히, 이더넷 기반의 네트워크는 상위부터 하위까지 통합 컨트롤을 가능케함에 따라 설치 용이성, 유지보수의 간편화를 실현하고 있다. 이미 국내에서도 ErherCAT, Ethernet PowerLink, SynqNet, ProfiNet 등 이더넷을 기반으로 한 개방형 네트워크가 소개되고 있으며 이 외에도 다양한 네트워크가 경쟁구도를 유지하고 있다.

모션 업체들은 이러한 각각의 특징을 가지고 있는 네트워크를 기반으로 보다 편리하고 쉬운 모션 제품군을 생산하고 있으며, 이는 고객들의 요구가 점차 고차원화 및 광범위화로 진행되고 있음을 방증한다.

Advance

국내 서보시장은 일본, 유럽 등의 외국 업체들이 시장을 주도하고 있다. 기술력 수준으로는 일정 수준 이상에 도달했다고는 하지만 전문가들은 국내 업체들의 기술력이 선진국의 수준에는 도달하지 못하고 있다고 전한다. 설령 기술력이 선진국의 수준에 이른다고 해도 추가적인 R&D 투자가 어려운 것이 현실이기도 하다.

이러한 구조적인 이유로 아직 한국에서 자국의 브랜드가 설 자리가 크지는 않는 상황이다. 원천기술을 확보하고 있는 외산 기업들의 시장 점유율은 확대되고 있고 이를 통해 기술개발 또한 진전을 이뤄내고 있는 반면, 국내 업체들은 경쟁력 확보에 어려움을 겪고 있다.

서보 시스템 관련 한 업계 관계자는 “선진국과의 기술격차를 줄이기 위해 R&D에 적극적인 투자가 진행돼야 하는데, 국내 서보 업체들은 그럴 여력이 부족한 것이 현실이다. 때문에 정부기관이 보다 적극적으로 나서주기를 기대하고 있다”고 강조했다.

하이젠모터의 김 부사장 또한 “국내 서보업계는 대기업이 중심이 되고 있으며, 적용이 활발한 제품군 또한 외산의 표준을 따르는 경우가 많아 국내 현장에 최적의 시스템을 적용하기가 어렵다”며, “국산화가 어느 때보다 시급한 상황으로 대기업들의 리드와 정부의 지원이 절실하다”고 밝혔다.

이어 김 부사장은 “한가지 개선됐으면 하는 바는, 현재 정부에서 지원하는 R&D 자금이 산업현장과 연계함으로써 실질적으로 상용화 가능한 프로젝트에 지원됐으면 한다”며, “실제 적용 가능한 애플리케이션에 지원이 될 수 있다면, 서보 업계의 발전에 크게 일조할 수 있을 것”이라고 강조했다.

FA Journal 이 서 윤 기자 (fa@infothe.com)

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