펄펄 나는 반도체·2차전지 시장에 하이엔드급 모션컨트롤 불티
  • 최정훈 기자
  • 승인 2021.05.12 14:00
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유저프랜들리 편의성·호환성 업계 요구에 촉각

[인더스트리뉴스 최정훈 기자] 급성장세를 타고 있는 반도체, 2차전지 등 첨단산업을 위시로 하이엔드급 모션컨트롤 솔루션이 적극 도입되고 있는 양상이다. 비단 첨단산업뿐 아니라 빠르게 변하는 시장 흐름에 발맞춰 지속적으로 번영을 구가하려는 제조기업들이 고효율의 모션컨트롤 도입을 저울질하고 있다. 더욱 세밀하고 다재다능해진 기술력을 유감없이 과시하는 모션컨트롤 솔루션이 업계의 생산성을 획기적으로 끌어올리는 역할을 톡톡히 하고 있는 것이다.

백신 보급에 속도가 붙으면서 세계 경제가 코로나 이전으로 되돌아가려는 시그널이 명확하게 나온다는 관측에 힘이 실린다. 하지만 제조현장은 이전과는 다른 풍경을 양산하기 위한 채비를 하고 있다. 공정제어와 이송 속도를 높이면서 전체적인 제조 프로세스를 확 뜯어 고치고 있는 업체들은 스마트팩토리 궤도에 진입하는데 잰걸음을 걷고 있다.  

반도체 전공정의 경우 100축이 넘는 모션을 구현해야 할 정도로 고성능이 요구된다. 이런 상황에서 미국, 유럽 메이커들이 제어기 등 대부분 솔루션을 공급하고 있다. [사진=utoimage]
반도체 전공정의 경우 100축이 넘는 모션을 구현해야 할 정도로 고성능이 요구된다. 이런 상황에서 미국, 유럽 메이커들이 제어기 등 대부분 솔루션을 공급하고 있다. [사진=utoimage]

어떤 산업군에서든 속도가 생존과 직결되는 시대에 직면했다. 기업들은 정해진 공간에서 생산속도를 높이고, 이송 시간을 단축하는 솔루션을 찾는데 주안점을 두고 있다. 아울러 빅데이터, AI/ML 등을 접목해 혁신적인 공정제어를 구현하고, 안정적이고 예측 가능한 생산으로 가는 발전의 길을 모색하고 있다.

이에 공급, 이송, 픽업, 배치 등 다양한 애플리케이션 모듈을 동시 다발적으로 작동할 수 있는 모션컨트롤 솔루션이 각광받고 있다. 모션컨트롤은 로봇, 기계, 컨베이어 등 각 솔루션들의 위치와 속도를 섬세하고 정확하게 제어하기 위한 필수 기술로 PLC 혹은 PC에서 연산을 하고 연산이 끝난 신호가 서보드라이버로, 서보드라이버에 연결된 모터가 현장에 맞는 모션을 구현하는 방식으로 구성된다. 

초기에는 구조, 기능 및 기술의 한계로 제약이 적지 않았지만 최근 속도 및 제어적인 면만 보더라도 과거와는 비견될 수 없는 괄목할 수준을 보여준다. 최근 모션제어는 원을 그리든, 직선운동을 혹은 다관절 움직임을 취하든 빠르고 정밀하게 동작을 구현하는 것은 상수가 됐다는 것이 업계의 중론이다.

우리나라 제조업은 목공에서 반도체 제조까지 다양한 제조 산업군이 혼재돼 있어 크고 무거운 제품을 이송하는 유압 제품부터 반도체, 디스플레이처럼 가볍고 크기가 작은 나노 단위의 움직임까지 제어할 수 있는 솔루션도 요구된다. 대부분 공간과 장비, 기계 성능 면에서 가용할 자원이 제한적이고 좁고 협소한 공간적 한계에서도 기민하게 모션을 발현해야 한다. 또한, 현장에서는 가루가 많이 날릴 수 있고, 물이나 기름이 튀는 경우가 대부분이어서 방수·방진 기능은 기본이며, 여타 악조건에서도 제 기능을 발휘해야 한다.

이제는 모션컨트롤 솔루션에 있어 상호 연결성도 중요한 요소로 꼽힌다. 상호 공유를 통해 현장의 자원을 스마트하게 관리하면 전체적인 택타임(Tact time)을 낮출 수 있다. 특히, 다양한 제조데이터를 끊임없이 수집하고 학습을 반복할 수 있는 혁신 기술들을 접목해 도입부터 불확실한 미래를 대응하겠다는 복안이다.

모션컨트롤은 계속해서 고정밀화, 고속화, 지능화 돼 불상사를 미연에 방지하고 예지보수를 구현하는 등 고도화 작업을 지속 수행하게 될 전망이다.

모션컨트롤은 계속해서 고정밀화, 고속화, 지능화 돼 생산라인 중단 등 불상사를 미연에 방지하고 예지보수를 구현하는 등 고도화 작업을 지속 수행하게 될 전망이다. [사진=dreamstime]
모션컨트롤은 계속해서 고정밀화, 고속화, 지능화 돼 생산라인 중단 등 불상사를 미연에 방지하고 예지보수를 구현하는 등 고도화 작업을 지속 수행하게 될 전망이다. [사진=dreamstime]

첨단산업 호재에 고효율 모션컨트롤 상종가

모션컨트롤이 필수적으로 적용되는 분야 중 하나가 반도체이다.

최근 들어 반도체 분야는 4차 산업혁명에 따른 ICT 분야의 발전, 데이터센터 증가, 비대면경제의 확산 등에 힘입어 수요가 급증하고 있다. 반도체 글로벌 패권경쟁도 심화되면서 그 열기가 설비 투자로 번지고 있는 양상을 보여주고 있다.

반도체 기술의 복잡성과 비용도 갈수록 증가하고 있다. 이에 공정 효율을 높이고, 대량 생산하는 기간을 단축하려는 업체들의 경쟁도 격화되고 있다. 기존 방식보다 빠르고 정확하게 차질 없이 반도체 칩을 개발하면서 생산과정 중에 유발되는 결함을 적시에 포착해 수율을 높이려는 업체들의 수요는 꾸준히 높아질 것으로 보인다.

반도체 산업은 설계, 프로세서(CPU, GPU), 파운드리(위탁생산) 등 분야별 강자가 명확한 지분을 가진 시장으로 이뤄졌다. 반도체 제조공정은 원재료인 웨이퍼를 개별 칩으로 분리하기 전 단계까지 웨이퍼를 가공하는 전공정, 최종 칩 형상을 만드는 조립 공정과 불량을 검출·보완하는 후공정으로 구분된다. 업계는 전공정이 70%, 후공정 30% 비중이라고 보는데 전공정에서 보다 높은 수준의 고정밀 모션제어 기술이 요구된다.

제조공정에서는 WTR(Wafer Transfer Robot) 등 로봇 및 모션제어 솔루션이 많이 활용되고 있다. 특히 전공정의 경우 100축이 넘는 모션을 구현해야 할 정도로 고성능이 요구된다. 이런 상황에서 미국, 유럽 메이커들이 제어기 등 대부분 솔루션을 공급하고 있다. 검사, 평탄화(CMP) 등으로 구성된 후공정에서는 전공정과 비교해 낮은 퍼포먼스를 구현하는 솔루션들이 적용된다. 이에 검사 공정에는 국산 모션컨트롤 솔루션도 시장을 파고들고 있다.

다만, 반도체 분야는 보수적인 분위기가 만연해 모션컨트롤 업체들이 새로운 시장을 발굴하기가 타 첨단산업과 비교해 어렵다는 것이 공급업체들의 관전평이다. 모션컨트롤 솔루션 업체 영업부서 관계자 A씨는 “국내 반도체 제조기업들은 애초에 기술력이 높아 진입장벽이 큰데다, 기존 공정체제를 고수하려는 태세여서, 새로운 업체가 비집고 들어가는 것이 어렵다”고 밝혔다.

반도체 업계는 전공정이 70%, 후공정 30% 비중이라고 보는데 전공정에서 보다 높은 수준의 고정밀 모션제어 기술이 요구된다. [사진=utoimage]
반도체 업계는 전공정이 70%, 후공정 30% 비중이라고 보는데 전공정에서 보다 높은 수준의 고정밀 모션제어 기술이 요구된다. [사진=utoimage]

이에 반해 이제 개화하기 시작한 2차전지 시장이 무서운 성장세를 보여주면서 모션컨트롤 솔루션 업체들의 시선도 여기로 쏠리고 있다. 모션컨트롤 솔루션 업체 관계자 B씨는 “이 시장을 10 정도로 내다봤는데 배터리 제조사뿐 아니라, 전기자동차 메이커들도 직접 2차전지를 제조하겠다는 자세를 취하고 있어 시장이 200 이상으로 커질 것으로 보고 있다. 이와 같은 청신호가 강하게 나오는 시장에 유수의 모션컨트롤 솔루션 기업들이 발을 넓히려고 역량을 쏟고 있다”고 밝혔다.

2차전지는 형태에 따라 원통형, 각형, 폴리머(Pouch)로 나눠져 와인딩, 스태킹 방식 등 공정이 다각화돼 있다. 2차전지는 극판공정, 조립공정, 화성공정으로 구분되는데, 극판공정에서는 원형, 각형, 폴리머형 형태를 막론하고 모두 양·음극재를 생산한다. 이후 양·음극재를 전지용기에 삽입하고 셀(Cell)로 조립하는 조립공정에서 전지 형태에 따라 공정이 상이해진다. 돌돌 말아서 혹은 잘라서 양극, 음극, 분리막을 적층해 쌓을 것인지에 따라 제작 방식이 달라지는 것이다. 조립된 셀에 충방전을 통해 전기적 특성을 부여하는 화성공정에서는 원형과 각형은 공정상 유사하나 파우치형은 가스를 제거하는 디게싱(Degassing)이 더해져야 한다.

기존에는 표준화된 사이즈로 낮은 생산원가로 고용량, 고출력을 낼 수 있는 원통형이 시장의 주연이었다가, 최근 차체 바닥에 셀을 깔다보니, 공간을 적게 활용하면서 용량과 크기를 자유롭게 구현할 수 있는 각형 및 폴리머 형태가 부상하는 형국이다.

2차전지 시장에 뛰어든 플레이어들이 많아지면서 생산성 경쟁도 치열해지고 있다. 이런 상황에서 생산량을 맞출 수 있는 컨베이어 시스템에 대한 발주처의 요구를 의식하지 않을 수 없게 됐다. 이에 기존 컨베이어 시스템과 비교해, 생산성, 효율성을 획기적으로 끌어 올릴 수 있는 리니어 이송 시스템(Linear Motion System, LMS)이 불티나게 보급되고 있는 추세이다.

LMS는 진공 내에서 캐리어 반송이 가능한 이송 시스템으로 진공, 고온 및 특수 환경에서 수많은 캐리어를 독립적으로 제어 가능하다. 2차전지 생산라인에 500~600축이 들어가는 경우가 다반사이인데 이와 비교해 LMS는 기존의 벨트, 볼 스크류, 컨베이어 등 기계적인 마찰이 덜해 유지보수 부담이 그만큼 줄고, 훨씬 빠른 고속 정밀 운전을 가능케 한다는 데서 계속해서 업계의 스포트라이트를 받을 것으로 보인다.

기존 컨베이어 시스템과 비교해, 생산성, 효율성을 획기적으로 끌어 올릴 수 있는 리니어 이송 시스템(Linear Motion System, LMS)이 불티나게 보급되고 있는 추세이다. [사진=utoimage]
기존 컨베이어 시스템과 비교해, 생산성, 효율성을 획기적으로 끌어 올릴 수 있는 리니어 이송 시스템(Linear Motion System, LMS)이 불티나게 보급되고 있는 추세이다. [사진=utoimage]

타 업종에서도 활약상 이어가는 모션컨트롤 솔루션

한편, 첨단산업의 또 다른 축인 디스플레이 분야에서도 모션컨트롤을 빼놓을 수 없다. 특히, VR, AR 등 혁신 애플리케이션에 적용될 차세대 디스플레이 시장 선점에 굴지의 기업들이 적극 나서면서 고효율을 낼 수 있는 모션제어 솔루션이 부각될 전망이다. 대표적으로 전공정 설비군의 계측, 검사, 리페어, 잉크젯 등 분야와 후공정 설비군의 커팅, 코팅, 모듈 자동화 분야에 모션제어 솔루션이 적용되고 있다.

모션컨트롤은 첨단산업들의 전유물만은 결코 아니다. 로크웰오토메이션코리아 김기훈 부장은 “자동차 제조 업계를 보면 업체들은 경쟁력을 갖추기 위해서는 민첩성, 프로세스의 정밀한 제어 및 생산 라인의 확실성이 필요하다는 데 입을 모으고 있다. 모션컨트롤 시스템을 활용하면 동일한 라인에서 여러 자동차 모델을 조립할 수 있으며, 주기 시간을 단축하고 비용을 절감하는 동시에 자동차 구매자가 원하는 맞춤형 사양을 제공할 수 있다”고 설명했다.

전통적인 컨베이어 이송 시스템을 고수하던 식음료 분야도 모션컨트롤로 생존력을 키울 수 있다. 식음료 업체는 특히, 제품이 변질되지 않도록 일관성을 확보해야 한다. 더욱이 쟁쟁한 경쟁 시장에서 보다 다양한 제품을 시장에 선보여야 하는 업체들은 LMS을 통해 생산성 유지 및 품질 보장을 도모할 수 있다.

드릴머신과 같은 가공기 분야에서는, 회전하는 주축에 드릴 등 절삭 공구를 장착하고, 이것을 회전시킴과 동시에 상하운동을 하며 구멍을 내야 할 때 고성능 모션컨트롤이 진가를 발휘한다.

시시각각 변화하는 소비자 요구에 맞춰야 하는 여타 제조업체들은 LMS을 통해 생산라인을 통과하는 모든 품목의 품질을 보다 효과적으로 추적할 수 있고 작고 가벼운 짐을 쉽게 옮기며 생산성을 높일 수 있다.

여전히 미온적인 중견중소기업으로 보폭 키워야 

이렇듯 모션컨트롤이 산업군을 막론하고 여러 난제를 해결할 솔루션으로 인식되지만, 여전히 현장에서는 귀를 닫고 있는 수요업체들이 상당하다는 것도 풀어야할 숙제이다. 자원과 역량이 풍부한 대기업이야 투자를 단행 해볼 법 하지만, 대부분의 제조업들은 여전히 모션컨트롤에 대해 회의적이어서 개선이 필요하다는 지적이다. 우리나라 제조업은 중소 수요기업이 대부분인 상황에서 1~3차 하청으로 내려갈수록 업체의 자동화 장비, 로봇 제어기, 모터 등의 이해도가 달린다는 반응을 보이고 있다.

대부분 낮은 마진으로 업계는 비용에 가장 민감해 한다. 신규 설비에 투자하려면 초기비용뿐만 아니라 운영비, 기타비용 등을 종합적으로 타진해야 하는데 도입이 합리적인 결과를 가져올지 가늠하기 어렵다는 것이 이들 업계의 전언이다. 수요업체 관계자 C씨는 “한 해에도 시장에서 중소 제조기업들에 환심을 사려는 수 천가지 모션컨트롤 솔루션들이 쏟아져 나오고 있다. 현장에 적용하려고 하면, 되레 운영비, 기타비용에 부담감이 크게 느껴진다”고 말했다. 이들의 의구심에 불을 끄고 싶다면 높은 투자수익(ROI)를 제공하는 비용 효율적인 솔루션인가를 명확하게 제시해야 하는 것이다.

모션을 구현하는 과정을 들여다보면 서보모터, 로봇 등 제품을 마련하고 조립하고 프로그래밍을 적용하며, 이후 프로그램을 다시 교체하는 등 엔지니어링 요소의 투입이 상당하다는 것을 알 수 있다. 실제로 업체들이 효율 높이는 데만 급급해 이것저것 솔루션을 도입하면 도중에 비용 부담을 호소하는 경우가 적지 않다.

모션컨트롤 솔루션을 제어하기 위해서는 각종 파라미터 설정, 모션제어 순차 프로그램 작성, 모션데이터 저장 기능 등 제어 커맨드를 익히고 수행하는 데 일부 전문가들만이 관여하고 있다. [사진=dreamstime]
모션컨트롤 솔루션을 제어하기 위해서는 각종 파라미터 설정, 모션제어 순차 프로그램 작성, 모션데이터 저장 기능 등 제어 커맨드를 익히고 수행하는 데 일부 전문가들만이 관여하고 있다. [사진=dreamstime]

이에 모션컨트롤에 무관심하다는 통념을 부수고 인식을 제고하기 위해서는 국내 시장의 현실을 통찰력과 조화를 이뤄줄 솔루션이 나와야 한다는 지적이다. 국내 실정을 반영한 유저프랜들리(User friendly)를 강화한 모션컨트롤이 제조업체들이 스마트팩토리로 입성하기 위한 디딤돌 역할을 할 수 있다.

우선 난해한 기술이 더 이상 생소해 보이지 않도록 단순하고, 직관적인 솔루션으로 수요업체에 다가가야 한다. 모션컨트롤 솔루션을 제어하기 위해서는 각종 파라미터 설정, 모션제어 순차 프로그램 작성, 모션데이터 저장 기능 등 제어 커맨드를 익히고 수행하는 데 일부 전문가들만이 관여하고 있다. 

하지만 애플리케이션의 여러 가지 변수와 조건을 분석해서 솔루션을 찾는 기존 방식으로 모션을 구현하면 전문가의 손길이 불가피한 난해한 작업들이 발생하기 일쑤이다. 유지 과정에 여전히 시간과 노력이 적지 않게 투입된다는 볼멘소리가 계속 이어질 수밖에 없는 것이다. 불만을 잠재우기 위해 간편하게 제어될 수 있는 솔루션이 나와야 업체는 엔지니어링 비용을 절감하고 동시 기계설계 공정을 가속화하는데 더욱 주력할 수 있다. 

한편, 모션컨트롤 또한 여느 자동화 솔루션과 다르지 않게 디지털화 종착역을 향해 진전돼야 한다. IT 기술을 활용한 한 발 앞선 제조 발전의 길을 제시해야 하는 것이다. 최근에는 로봇 스스로 환경을 판단해 모션을 실현하는 기능으로 작업 공정이 누락되는 과정을 놓치지 않고 짚어주는 솔루션으로 변모해 나가야 한다. 공정 변화를 실시간 학습하고 적응하는 솔루션을 위해서는 사통팔달 막힘없는 연결성이 관건이다. EtherNet/IP, Profinet 등 여러 산업용 프로토콜에 대한 연결성이 확대돼야 하고, 중단없이 가동되는 현장 대량의 데이터를 실시간으로 빠르게 개선하기 위해 엣지컴퓨팅, 클라우드 활용도 더 늘어나야 한다. 첨단산업 분야를 위시로, 계속해서 스마트해지는 모션컨트롤에 귀추가 주목된다.



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