전기연구원, 희토류 영구자석 저감형 선형전동기 개발 한국전기연구원 희토류 영구자석 저감형 선형전동기 개발 영구자석 줄여 가격경쟁력↑ 정밀위치제어↑ 소음·진동↓
지난달 2일 한국전기연구원(원장 김호용, 이하 전기연구원)은 기존 영구자석 선형전동기를 대체해 정밀위치제어가 가능하면서도 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 새로운 형태의 선형전동기 개발에 성공했다고 밝혔다. 전기연구원 전동력연구센터 정시욱 박사팀은 국내 선도 산업군인 반도체, IT, 디스플레이 분야 제조설비에서 마이크로미터(㎛)급 정밀위치제어(1㎛=0.001㎜) 및 이송용 장비로 광범위하게 사용되는 영구자석 선형전동기(Linear Motor)에 비해 훨씬 낮은 비용으로 생산 가능한 ‘희토류 영구자석 저감형 고정밀 위치제어용 전동기 기술(이중돌극형 영구자석선형전동기)’을 개발했다. 최근 고속화·고정밀화 및 청정화 추세로 기존 기계적인 방식을 이용한 직선 이송 시스템을 선형전동기로 대체하는 노력들이 다양한 산업분야에서 진행되고 있는데, 특히 반도체·디스플레이 등 세계시장을 선도하는 분야에서 기존 시스템 한계 극복을 위해 선형전동기 적용을 늘리고 있으며 장거리 이송시스템 확산이 진행되고 있어 이번 선형전동기 개발은 이 같은 트렌드를 반영한 쾌거다. 선형 전동기는 회전형 전동기를 축 방향으로 자른 뒤 양 옆으로 평평하게 펼쳐 놓은 모양으로, 직선방향으로 미는 힘인 추력을 발생시키며, 반도체 및 디스플레이 공정 등 직선운동이 필요한 시스템에서 회전형 전동기의 회전력을 직선운동으로 변환하는 기어 및 벨트 등 추가적인 기계변환장치가 필요하지 않으므로 시스템 구조가 간단하고 손실 및 소음이 발생하지 않은 장점이 있다. 선형 전동기를 이용한 직선구동 시스템은 기존의 회전기를 이용한 선형 이송 장치에서 나타나는 복잡한 기계적 구조를 단순화할 수 있고 분진 및 먼지 발생으로 인한 잦은 유지보수의 폐단을 해소할 수 있어 차세대 엘리베이터, 모노레일을 비롯해 계측장비, 의료기기 등 분야에 폭넓게 적용되고 있다. 이번에 개발한 선형전동기 기술은 기존 영구자석 선형전동기와 동등 수준의 성능을 구현하면서도 고정자에 영구자석을 N-S-N-S 형태로 배치하지 않고 N-철심-N-철심 형태로 배치해 영구자석 전체 개수를 절반으로 줄여 제품 가격을 대폭 낮췄다. 정시욱 박사는 “영구자석 1개의 부피는 조금 더 커지지만 선형전동기 가격의 절대적인 비중을 차지하는 영구자석이 부착된 고정자의 총 사용량을 40% 가량 줄여 효율성과 가격경쟁력을 높였다”고 설명했다. 특히 최근 희토류계 영구자석 재료 가격 상승으로 인해 희토류 영구자석 사용량을 줄이는 기술 수요가 늘고 있는데 이번 개발제품은 희토류 사용을 줄이는데 안성맞춤이다. 희토류는 원자번호 57부터 71까지 란탄 계열 15개 원소에 스칸듐, 이트륨을 합친 17개 원소를 통틀어 일컫는다. 화학적 성질이 비슷해 분리하기 어렵고 천연적으로 섞여 산출량이 매우 적은 편이다. 국내에서도 희토류를 대체할 만한 자원 발굴에 힘쓰고 있지만 녹록치 않은 상황이다. 그러나 희토류는 고온 초전도체, 하이브리드 자동차, 풍력발전 터빈, 휴대전화, PDP, 항공기 부품, 광학렌즈, 컴퓨터 디스크, 특수 자석, 석유화학 촉매제 등 21세기 첨단산업에 꼭 필요한 핵심원료로 ‘첨단산업의 비타민’과 ‘녹색산업의 필수품’이라 불리며 미래산업의 성패를 좌우할 전략자원으로 주목받고 있다. 중국의 희토류 매장량은 전 세계의 57.7%에 달하며, 공급량의 63%, 생산량의 97%를 차지하고 있다. 정시욱 박사는 “중국이 지난해부터 희토류에 대한 수출쿼터를 감축하고 있어 영구자석 선형전동기 가격경쟁력이 악화되고 있는 상황이다”며 “보통 선형전동기 영구자석은 kg당 20만원~30만원에 달하는데 이번 개발품은 영구자석량을 40% 줄여 산술적으로 사용하는 영구자석 비용 또한 40% 줄였다”고 설명했다. 이번에 개발한 선형전동기의 또다른 강점은 기존 영구자석 선형전동기의 단부효과로 인한 추력의 맥동이 큰 부분을 줄여 추력과 수직력의 맥동을 최소화하고 소음과 진동을 줄이면서 정밀한 위치 제어가 가능하다는 점이다. 정시욱 박사는 “이번에 개발한 형태는 전세계적으로 시도된 적이 없는 새로운 모델로 전기연구원이 국내외 독자기술 특허를 보유하고 있다”면서 “회전형 전동기(Rotational Motor)로 구현할 경우 다극의 전동기로 구현이 용이해 저속 직접 구동이 가능하다”고 말했다. . 연구팀은 해당 기술이 정밀위치제어응용 시스템, 직접구동 장거리 반송시스템, 자동화장비, 반도체·디스플레이 제조장비의 이송용 구동기, 공작기계, 검사장비의 이송계, 로봇 등 다방면에 걸쳐 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 승강기 업계도 상용화 및 실용화 단계에 이르기까지 시간이 소요된다는 점을 제외하고는 호의적인 반응을 보이고 있다. 현재 연구팀은 국내특허 2건을 등록하고, 해외특허 3건을 출원한 상태다.
Home Intro
전기연구원, 희토류 영구자석 저감형 선형전동기 개발
