다아라 매거진 _ 2018.03

매거진뉴스

[FAⅠ]전기자동차 생산량 증가, 토크센서 수요 동반 상승

자동차·로봇·친환경에너지·항공우주 등 다양한 산업에 적용되는 토크센서

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토크센서(Torque Sensor)는 오래전부터 사용돼 왔지만 최근 들어 완제품의 품질을 높여 안전성을 확보하고 최적화시키기 위한 요구가 높아지면서 자동차, 로봇, 친환경에너지, 항공우주, 국방, 의료 보철 등 다양한 산업으로 적용이 확산되고 있다. 시장조사 기업 글로벌인포메이션에 따르면, 세계 토크센서 시장은 2016년∼2020년까지 연평균 9.86%의 성장률(CAGR)을 나타낼 전망이다. 국내 토크센서 시장도 전기자동차, 협동로봇, 친환경에너지 등의 시장 수요가 높아지면서 활기를 띠고 있다.


토크센서, 협동로봇의 안전성 책임진다
최혁렬 한국로봇학회 학회장겸 성균관대학교 교수는 안전펜스 없이 작업자들과 함께 일하는 협동로봇(Collaborative Robots)에 대한 요구가 높아지면서 협동로봇에 내장되는 토크센서시장도 동반 성장할 것으로 내다봤다.

협동로봇용 센서를 개발해 온 최혁렬 학회장은, “협동로봇의 가장 중요한 요소는 안전성으로, 이를 확보하기 위한 핵심 부품 중 하나가 토크센서이다. 이 센서는 사람 또는 사물과 부딪쳤을 때 부딪침을 인지 할 수 있도록 해준다. 이외에도 로봇의 안전성을 높이기 위해서는 근접센서와 힘/토크센서(Force/Torque Sensor)가 기본적으로 탑재돼야 한다”고 말했다.

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최혁렬 한국로봇학회 학회장겸 성균관대학교 교수

현재 해외 선진 로봇 제조 기업들을 비롯해 국내 협동로봇 제조기업에서 토크센서를 내장한 제품들을 내놓고 있다. 대표적인 제품이 글로벌 로봇 제조사인 K사의 협동로봇인데 모든 조인트에 토크센서를 장착해서 외부에서 들어오는 힘을 감지할 수 있도록 설계했다. 이러한 정밀한 토크센싱 능력 덕분에 로봇과 함께 일하는 작업자는 물론 로봇 주변에서 일하는 작업자들도 안전펜스로 분리하지 않은 공간에서도 안전하게 작업을 수행할 수 있도록 도움을 준다.

HBM 코리아 이상래 팀장도 협동로봇 제조사들이 미세 토크에 의한 컨트롤 및 안전성 확보를 위한 요구가 높다고 말한다. “HBM의 토크센서는 정밀도가 높아 특히 고정밀 연구개발(R&D) 분야에서 사용되는 경우가 많은데 최근 국내 연구소에서 개발한 협동로봇의 토크를 측정하기 위해 채용되기도 했다. 이 연구소에서는 토크 측정시 발생하는 자기장 노이즈를 제거한 데이터를 출력하길 원하는 등 높은 정밀성과 신뢰성을 원했는데 이러한 요구가 최근 협동로봇의 연구개발단계에서부터 많아지고 있다”고 전했다.

HBM 코리아는 독일에 본사를 두고 있는 센서 및 측정 전문 기업으로 유럽, 미주, 아시아에 24개 자회사 및 영업점을 두고 있다. 현재 이 회사의 토크센서 사업부는 기존에 주력해왔던 자동차 분야에서 협동로봇 및 서비스로봇 등 로봇산업 분야와 조력·풍력·가스터빈 발전 등의 친환경에너지 시장, 선박용 토크센서 분야의 솔루션과 제품을 출시하며 관련 시장을 공략하고 있다.

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HBM코리아 강태석 지사장(오른쪽)과 이상래 팀장(왼쪽)


토크센서의 협동로봇 채용…가격 ↓ 과제로 남아
안전성을 높일 수 있는 강점을 가진 토크센서지만 로봇 제작 기업들이 고정밀성을 갖춘 토크센서를 채용하는 데는 부담감이 크다. 가격이 만만치 않기 때문이다. 특히 협동로봇은 다양한 산업군에 적용할 수 있도록 제작된 제품이라서 주문에 따른 소량 생산일 경우에는 센서 가격의 부담이 더 커질 수 있다.

HBM코리아 이상래 팀장은, “토크센서는 움직이는 상황 속에서 발생하는 온도나 다른 외부적인 환경의 변화에도 정확한 측정신뢰성을 가져야 하기 때문에 높은 정밀성을 갖춘 센서는 가격면에서도 높은 상황이어서 연구개발이나 시제품 제작에는 사용할 수 있지만 범용으로 사용하길 원하는 협동로봇에서는 가격적인 부분이 풀어야 할 과제 중 하나이다”고 덧붙였다.

최혁렬 한국로봇학회 학회장겸 성균관대학교 교수도 가격의 합리화가 협동로봇시장의 성숙을 결정하는 키가 될 것이라고 전망한다.

“협동로봇의 팔 안에 내장해야 하는 토크센서는 크기도 작고 성능과 신뢰성을 갖추고 있으면서 가격도 합리적이어야 한다. 안전성과 품질을 높이기 위해서는 국내 기술로 토크센서, 근접센서, 힘/토크센서의 양산화가 시급한 실정이다. 핵심부품이 해외 제품이면 그만큼 제조기업의 수익이 많지 않고 이는 장기적인 관점에서 국내 로봇 제조산업의 발전을 가로막을 것이다”고 지적했다. 이어 “다행인 것은 국내 연구진들이 토크센서와 힘/토크센서의 원천기술을 확보한 상태로 이미 몇몇 로봇 제조기업들에게 기술 이전을 통해 제품을 출시했다. 근접센서도 곧 상용화된 제품을 출시할 것으로 보인다”고 최혁렬 학회장은 말했다.

자동차 전기모터·EPAS…에너지효율·품질 위한 토크센서 수요 증가
기존 석유 연료와 엔진을 사용하던 자동차와 달리 전기자동차는 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는데 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시킨다. 이 때 구동되는 전기모터의 안전성과 효율성을 높이기 위한 테스트 용도로 토크센서의 수요가 증가하고 있다. 또한 자동차의 에너지효율을 높이기 위한 EPAS(Electric Power Assist Steering) 시스템의 채용 증가도 토크센서 수요 증가에 한 몫을 하고 있다.

HBM코리아 강태석 지사장은 “자동차시장의 가장 커다란 이슈는 에너지의 변화이다. 차세대 자동차시장은 기존의 가솔린, 디젤 등의 연료를 사용하는 내연기관 파워트레인에서 전기모터를 사용한 효율 좋은 전기차 개발에 박차를 가하고 있다. 이들 전기차에 사용되는 전기모터 개발을 위해 고속 회전(High RPM)을 측정할 수 있는 토크센서를 요구하고 있다”고 말했다.

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키슬러코리아 김동근 과장


키슬러코리아 김동근 과장도 전기차 시장의 성장에 따른 토크센서 시장의 확대에 같은 의견을 나타냈다. 김동근 과장은 “전기차 및 자율주행차에 모터가 사용되는데 토크센서를 통해 모터의 성능테스트나 조립시 테스트를 거치는 방향으로 가고 있다. 모터의 토크값에 따라서 안전성과 품질 등의 성능을 좌우하는 경우가 많은데 이 테스트가 점점 더 까다로워지고 있고 이는 결국 더욱 정밀한 측정이 가능한 토크센서를 필요로 하고 있다”고 피력했다.

이어 “기존에는 토크센서를 주로 모터의 성능 및 내구성 테스트에 적용해 측정했다면 앞으로는 엑추에이터나 감속기 등 다양한 부품에도 품질 확보를 위해 토크센서가 적용될 것으로 보인다”고 덧붙였다.

키슬러그룹은 1959년도에 설립된 기업으로 스위스에 본사를 두고 있으며 동적 측정·계측기술 분야의 제품과 솔루션을 갖추고 있다. 전세계에 56개의 지사를 두고 있으며 자동차 제조회사, 정부기관 연구소, 대학교 및 일반 제조회사 등에 제품을 공급하고 있으며, 경량화, 차량 안전, 배출 가스 저감 및 4차 산업혁명에 대응한 제품과 솔루션을 제공하고 있다.

센서, 여러 기능을 하나에…적용 범위 넓어져
정밀하고 정확한 토크 측정을 위한 기술도 발전을 거듭하고 있다. 최근에는 두 가지 이상의 센서를 올인원(All-in-one)해 패키징하거나 최종 제품 안에 임베디드할 때 설계의 간편성을 위해 박막·초소형 토크센서 개발도 가속화되고 있다. 산업에 따라서는 고정밀·고신뢰성에 더해 고용량을 원하는 수요자들의 요구를 반영한 토크센서도 출시되고 있다.

HBM코리아 강태석 지사장은 “최근 사용자들은 기능을 그대로 살리면서 크기를 작게 만들어 통합화하길 원하고 있다. 또한 토크의 측정범위를 넓혀서 하나의 토크센서를 선택해 여러 곳에 적용하기를 기대하는 추세다. 이러한 요구를 반영해 HBM은 다축센서, 힘(Force)과 토크를 겸하는 멀티센서 솔루션을 출시해 로봇시장에 제공하고 있으며이러한경향을반영한제품들을앞으로도 출시할 계획이다”고 말했다.

또한 “풍력에너지 등의 친환경에너지 시장이나 선박엔진에 사용되는 토크센서의 경우에는 고용량 토크센서를 요구하고 있다. 기술적으로 고용량 토크영역에서 정밀도를 보장하는 기술을 확보하는 것이 쉽지 않기 때문에 시장의 도전 과제라고 하겠다. 또 다른 과제는 선박의 경우 엔진에서 발생하는 높은 온도 조건을 보상하는 기술이다. 토크센서는 온도센서가 아니기 때문에 높은 온도 조건에서도 정확하고 정밀한 토크를 측정하는 기술을 확보하는 것이 상당히 어렵다”고 지적하며 “이러한 부분의 문제점은 지속적으로 기술을 확보하고 있으며 HBM 본사에서는 보다 고용량, 고온에서 정밀도를 보장할 수 있는 센서를 곧 시장에 출시할 계획이다”고 언급했다.

키슬러코리아에서는 듀얼 레인지 센서를 출시했는데 레인지 전환을 자유롭게 변환할 수 있는 장점을 통해 피크 및 동작 토크를 측정할 수 있다. 키슬러코리아 김동근 과장은, “키슬러의 듀얼 레인지 센서는 기본적으로 더 작은 범위에서 과부하를 보호해 정확성을 높이고 하나의 센서에 두 가지 측정범위가 교정(calibration)돼 적용된다. 속도/각도 측정 센서를 내장하고 있으며 자유롭게 변환이 가능해 사용자들의 편리성을 높인 제품이라고 할 수 있다”고 설명했다.

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센서, 똑똑해져…오류 원인 ‘쪽집게’처럼 찾아내
센서의 스마트화는 거스를 수 없는 조류다. 토크센서 역시 사용자들의 편리성과 작업효율 향상을 위해 발전하고 있다. 센서 안에 블랙박스처럼 측정기록이나 이력을 저장해 오류가 발생하면 쉽게 오류 수정이 가능하도록 설계하고 있다.

최혁렬 한국로봇학회 학회장겸 성균관대학교 교수 연구팀이 연구 개발에 성공한 토크센서의 경우 사용한 이력들이 센서 안에 남아있도록 설계가 돼 있다. 최혁렬 교수는, “토크센서 안에 기록된 측정이력을 통해 오류의 원인이 사용자의 잘못인지 센서 제작에서 문제가 있었는지 알 수 있다. 뿐만 아니라 로봇 사용자가 네트워크를 열어주면 원격으로 이러한 문제들을 해결할 수 있는 기술력을 확보하고 있다”고 말했다.

HBM코리아 이상래 팀장은 “최신 출시된 HBM의 T12HP의 경우 정밀도 0.01%의 오차을 지원하고 있으며, 토크센서가 사용되는 조건에 대한 정보가 블랙박스와 같이 데이터로 저장하는 기능을 가지고 있어 추후에 계측의 오류가 발생할 경우에는 원인에 대한 분석에 활용할 수 있다 이 가능하다”고 설명했다.

토크센서 자체 성능의 향상과 함께 토크센서 기업이 센서 데이터를 보다 원활히 활용하기 위해 기업 인수를 통해 소프트웨어(S/W) 포트폴리오를 추가해 센서를 기반으로 한 솔루션기업으로 확장하려는 모습도 보인다.

키슬러는 지난해 아헨(Aachen) 소재의 MES(Management Execution System) 소프트웨어 및 하드웨어 시스템 공급 업체인 IOS GmbH를 인수한 바 있다.

키슬러코리아 김동근 과장은, “토크센서 자체만 본다면 사물인터넷(IoT)과 관련이 있다고 보기 힘들지만 키슬러에서는 4차 산업혁명에 맞는 개발을 진행중이다. 센서에서 MES까지 데이터를 원활히 활용하기 위해 지난해 키슬러에서 기업 인수를 추진했다. 향후에는 센서 분야에서 힘, 가속도, 압력, 토크, 서보프레스 등을 통합해서 데이터를 활용할 수 있도록 할 계획을 가지고 있다”고 밝혔다.

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