한국전기연구원(KERI) 연구진이 국내 최초로 기존 영구 자석 선형 전동기(리니어모터)를 대체해 정밀 위치 제어가 가능하면서 훨씬 저렴한 비용으로 제작 가능한 새로운 형태의 선형 전동기를 개발했다. 기존 선형 전동기에 사용하는 고가의 영구 자석 사용량을 최소 1/20 수준 이상 획기적으로 줄임으로써 반도체, IT, 디스플레이 분야에서 비용을 상당히 절감할 것으로 보인다. 일반 전동기가 회전형 운동력을 발생시키는 데 반해, IT · 반도체 · 디스플레이의 경우 각종 재료 운반과 이송작업 등을 위해 직선으로 움직이는 공정이 필요하다. 이때 직선으로 미는 힘(추력)을 발생시키려면 일반적으로 회전형 전동기의 회전력을 직선 운동으로 변환하는 장치, 즉 기어와 벨트 등 추가적인 기계 변환 장치가 필요하다. 반면, 전동기를 쪼개 평면으로 펼친 형태인 선형전동기는, 추가장치가 필요없어 시스템구조가 간단하며 손실이나 소음이 발생하지않기에 디스플레이산업 등에 널리 쓰인다.
우리나라 연구진이 기존 영구 자석 선형 전동기(리니어 모터)를 대체해 위치 제어를 정밀하게 하면서도 훨씬 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 새로운 형태의 선형 전동기를 개발했다. 속도 변동과 발열이 낮으면서 금속성 분진에 강한 특성으로 반도체, IT, 디스플레이 분야의 비용 절감에 크게 이바지할 것으로 보인다. 한국전기연구원 정시욱 박사팀은 최근 선도 산업군인 반도체, IT, 디스플레이 분야 제조 설비에서 마이크로미터(㎛)급 정밀 위치 제어(1㎛=0.001㎜)와 이송용 장비로 널리 쓰이는 영구 자석 선형전동기에 비해 훨씬 낮은 비용으로 생산할 수 있는 '자속 역전 선형 전동기(Flux Reversal Linear Motor)'를 개발하는 데 성공했다. 선형 전동기는 정밀 기기 산업을 비롯해 반도체 · 디스플레이 · 검사 장비 분야는 물론 다른 응용 분야로 활용 폭을 넓히는 추세다. 기존 영구 자석 선형 전동기는 고정자에 고가의 희토류 영구 자석(주로 소결 NdFeB)을 사용하기에 이송 거리만큼 영구 자석을 부착한 고정자를 사용함으로써 영구 자석 비용이 크게 증가하는 등 경제적인 한계를 안고 있었다. 영구 자석의 가격 비중은 선형 전동기의 길이와 형태에 따라 다르지만, 주요 부품의 무게당 재료비산출을 통해 가격 비중을 유추할 수 있다. kg당 전기 강판은 1,000원, 구리는 7,000원 수준인데 반해, 영구 자석은 20만∼30만 원에 달한다. 특히, 전 세계 희토류 시장의 97%를 공급하는 중국이 희토류를 전략 물자로 관리하며, 2011년부터 수출 쿼터를 감축하는 실정이기에 최근 희토류 원소의 급격한 가격 상승으로 말미암아 영구 자석 선형 전동기의 가격 경쟁력이 더욱 나빠졌다.
기존 선형 전동기 대비 영구 자석의 사용량 비교
연속 추력 500N 정도고 고정자 폭(100㎜)이 비슷한 기존 선형전동기는 고정자 길이 1m에 대해 약 3㎏의 영구 자석을 사용한다. 그러나 자속 역전 선형 전동기는 고정자 길이와 무관하게 이동자에만 영구 자석을 150g 정도 사용한다. 생산 라인에 따라 선형 전동기(고정자)의 길이를 다양하게 설치 조정한다는 점을 감안할 때, 1/20 수준에서 수백분의 1까지 큰 차이를 나타낸다. 한편, 영구 자석의 등급은 다르지만, 도요타의 하이브리드차인 프리우스의 견인용 전동기가 1kg의 영구 자석을 사용하는 것을 감안할 때, 기존 선형 전동기는 상당히 많은 양의 영구자석을 필요로 한다.
고가 영구 자석 사용량 최소 1/20 수준 이상 절감 정시욱 박사팀은 이러한 영구 자석 선형 전동기의 고가高價문제를 해결하고자 자속 역전 선형 전동기를 개발했다. 소량의 영구 자석을 이동자에 부착할 뿐, 고정자에 영구 자석이 없는 형태다. 동일한 이송거리를 기준으로, 기존보다 영구 자석의 사용량을 획기적으로 절감(최소 20분의 1에서 수백분의 1)할 수 있어 대형화 추세인 선형 전동기 응용 시스템 가격을 낮추는 데 이바지할 것으로 보인다. 아울러 자속 역전 선형 전동기는 추력(선형 전동기의 진행 방향으로 작용하는 힘 = 추진력)의 변동이 적기에 결과적으로 속도 변동이 적고, 열을 적게 발산하는 특성으로 말미암아 정밀 위치 제어용으로 적합하며, 고정자에 영구 자석이 없기에 철계 물질이 고정자에 부착하는 현상이 발생하지 않아 금속성 분진이 발생하는 곳에도 적용할 수 있다.
선형 전동기(Linear Motor)
선형 전동기는 쉽게 말해 회전형 전동기를 축 방향으로 자른 뒤, 양옆으로 평평하게 펼쳐 놓은 것으로 생각하면 된다. 기존 일반 전동기가 회전형의 운동력을 발생시키는 것과 달리, 직선 방향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르지만, 동작 원리는 근본적으로 같다. 반도체와 디스플레이 공정 등 직선 운동이 필요한 시스템에서 일반적으로 회전형 전동기의 회전력을 직선 운동으로 변환해 주는 기어와 벨트 등의 추가적인 기계 변환 장치가 요구되나, 선형 전동기는 이러한 추가 장치가 필요 없어 시스템 구조가 간단하고 손실이나 소음이 발생하지 않는다. 즉, 선형 전동기를 이용한 직선 구동 시스템은 기존 회전기를 이용한 선형 이송 장치에서 나타나는 복잡한 기계적 구조를 단순화하고, 분진과 먼지 발생으로 말미암은 잦은 유지 보수의 폐단을 해소한다. 선형 전동기는 산업 전반에 걸친 기초 기반 제품으로 쓰이며, 특히 반도체와 IT 산업의 발전에 따라 관련 장비 업체의 수요가 증가하고 있다. 직선 운동을 필요로 하는 다양한 분야에 적용하며, 공장 자동화 · 물류 시스템용 이송 장치 · 와이어 본더 등의 반도체 생산 기계, 차세대 엘리베이터, 모노레일, 계측 장비, 의료 기기, 영상 · 오락 산업의 모션 카메라, 모션 시뮬레이터 등의 분야에 폭넓게 적용한다. 특히, 기계의 직선 운동에 있어 위치 결정 정도를 가능케 해 반도체, 로봇, 자동차, 공작 기계 산업 등의 발전에 한몫을 한다. KERI는 1990년대 초반부터 횡자속 선형 전동기에 대한 연구 개발을 시작해 2006년 세계 최초로 LCD 및 반도체 물류 이송 장치에 상용화하는 데 성공하는 등 관련 기술을 축적하고 있다.
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