초소형 모터의 기술 동향

Technology Focus

서언모터는 전기에너지를 입력으로 받아 기계적 운동에너지로 변환하는 일종의 에너지 변환기로서, 사회 및 산업 전반에 널리 사용되고 있는 구동부품이다. 현재 사용되고 있는 모터의 대부분은 전자형 모터로서, 19세기에 기본 원리가 되는 전자계 현상이 정립되고 최초의 모터가 발명된 이후 설계기술, 재료기술, 제작기술, 구동기술 등이 점진적으로 발전해 왔다. 또한 1970년대를 전후하여 일본을 중심으로 활발하게 연구가 진행되기 시작한 압전, 전왜 소자를 이용한 초음파 모터가 90년대 이후 상용화에 성공하여 초정밀, 초소형 분야에서 일부 시장을 형성해 가고 있는 추세이다.초소형 모터는 소형 모터 중에서도 특히 출력이 작은 것을 지칭하며 보통 출력 3W 미만의 모터를 초소형 모터로 분류하는 것이 일반적이다. 또한 출력 1mW∼1W의 모터를 mW 모터, 1mW 미만의 모터를 마이크로와트(μW) 모터로 세분화하여 칭하기도 한다. 그림 1은 모터의 구조 및 구동방식에 따른 분류로서, 전자형 모터와 함께 전왜, 정전형 모터로 대변되는 전기력 모터를 함께 도시했다. 그림에서 친 항목들은 초소형 모터로 개발 또는 생산되고 있는 모터의 종류를 나타낸 것으로서 DC 모터들이 대부분을 차지하고 있으며 최근 초음파 모터 등이 일부 상용화되고 있는 추세이다.초소형 모터의 종류별 기술동향이 글에서는 구동원리에 따른 분류에 따라 Brush DC 모터, BLDC 모터, 스테핑 모터, 초음파 모터 순으로 기술동향을 살펴보고자 한다.초소형 Brush DC 모터의 기술동향Brush DC 모터(이하 DC 모터라 칭함)는 직류 전원을 입력으로 하면서 연속회전을 위하여 기계적 브러시와 정류자로서 전환을 함으로써 연속적인 회전력을 얻는 모터이다. 상대적으로 오랜 역사를 가지고 있으며 중대형에서부터 초소형 모터까지 다양한 크기로서 설계되고 있다. 초소형 DC 모터가 단일 용도로서 가장 많이 사용되고 있는 분야로 휴대전화의 진동모터를 들 수 있다. 이 밖에 다양한 산업분야의 구동기로서 널리 사용되고 있는 모터이다.진동 모터는 모터 회전부에 불평형 질량을 달아 기계적 진동을 얻는 기능의 모터로서, 1990년대 초반 이동통신기기로서는 최초로 호출기(페이져)에 채택되기 시작했다. 휴대전화에는 90년대 중후반 이후 무음 착신알림 기능의 보편화에 따라 진동 모터가 탑재되기 시작했다. 휴대전화의 생산량이 지속적으로 증가함에 따라 진동 모터의 세계적 수요도 증가하고 있다. 현재 연간 5억대 이상의 진동 모터가 생산되고 있다.진동 모터는 외형에 따라 실린더형과 편평(코인)형으로 나눌 수 있으며, 철심구조에 따라 코어형과 코어리스형으로 나눌 수 있다. 또한 브러시의 유무에 따라 브러시형과 BLDC(Brushless DC)형으로 나눌 수 있다. 편평형은 일명 코인형이라고도 하며 동전처럼 납작하게 설계되었으며 내부에 진동을 위한 편심추가 위치하여 회전시 진동력을 발생하게 된다. 폴더형 휴대전화의 국내 대중화에 힘입어 국내 업체들의 생산비중이 매우 높아진 품목이다. 현재 국내 업체가 개발 및 생산의 대부분을 점유하고 있다.진동 모터의 기술발전 방향은 크게 소형화와 고기능화의 두 가지로 표현될 수 있다. 제한된 휴대전화 공간에 탑재되기 위하여 진동 모터의 크기는 작을수록 유리하므로, 요구되는 진동력의 범위 안에서 얼마나 소형화를 이룰 것인가가 기술경쟁력의 한 가지 척도가 된다. 실린더형의 경우 과거 Φ6×L15에서 Φ4×L12, Φ4×L10, Φ4×L8까지 소형화되었으며, 현재 Φ3.2mm 크기의 모터까지 개발이 되고 있는 추세이다. 또한 편평형의 경우 Φ12×t3.4mm에서 출발하여 현재에는 Φ10×t2.7mm 수준으로 소형화가 진행됐다. 그러나 최근에는 기능성 및 수명의 향상을 위하여 브러시형 보다는 BLDC형으로의 기술개발 노력이 활발하다고 할 수 있다.초소형 BLDC 모터의 기술동향BLDC 모터는 DC 모터에 존재하는 기계적인 브러시와 정류자를 반도체 소자에 의한 구동방식으로 대체한 모터로서, 전자산업의 발전과 함께 영상, 음향기기에 채용된 이후 지속적인 기술적 발전을 이루고 있는 모터이다. 제어의 용이성 및 고효율, 고출력이라는 DC 모터의 특징을 유지하면서 장수명, 고정밀, 형상 자유도의 증가를 도모할 수 있어 적용분야의 확대 및 설계기술의 발전이 지속되고 있다.초소형 BLDC 모터가 채용되고 있는 가장 큰 분야는 정보저장기기 분야로서 HDD 및 ODD를 들 수 있다. HDD는 대표적인 정보저장기기로서 매년 꾸준한 성장을 거듭하고 있으며, 현재 연간 4억대 정도의 시장을 형성하고 있다. IT 산업의 발전에 따라 향후에도 HDD의 시장규모는 지속적으로 증가할 것으로 예상되고 있으며, 모바일 기기에서의 수요증가로 인해 2.5인치 및 1인치급의 마이크로 드라이브로의 기술 변화가 이루어지고 있다.HDD의 디스크를 일정속도로 회전시켜주는 스핀들 모터의 가장 중요한 성능인자는 NRRO(Non-Repeatable Run-Out)라는 회전정밀도로서, 이의 저감은 HDD의 Track 밀도를 작게 할 수 있어 HDD의 대용량화에 직결되는 성능인자이다. 이를 위하여 모터의 축계로서 2000년대 초반부터 유체동압 베어링(Fluid Dynamic Bearing, FDB)이 채용되기 시작하여 대부분 FDB로 대체되었으며, 이를 통해 NRRO의 수준이 수십 나노미터 이하로 정밀화됐다.또한 HDD의 고속화 및 소형화 흐름에 따라 스핀들 모터도 고속화 및 소형박형화 설계가 주요한 기술적 흐름이 됐다. 현재 일본의 기업들이 세계 시장의 대부분을 잠식하고 있는 분야로서, 국내에서도 학계 및 연구소 등에서 기술개발을 진행중에 있으나 아직까지 전량 수입에 의존하고 있는 초정밀 기술 분야라고 할 수 있다.ODD는 HDD와 함께 대중화되어 있는 기록매체 제품이며 세계적으로 연간 2.5억대 정도가 생산되어지고 있다. ODD에는 디스크를 회전시켜주는 스핀들용과 광 픽업을 이동시켜주는 픽업용의 두 개의 초소형 모터가 사용되고 있다. 이중 스핀들 모터가 회전정밀도의 확보 및 소형박형화를 위하여 BLDC형으로 채택되고 있다.과거 저배속 CD-ROM에서 고배속 CD-ROM으로 발전 시 모터의 고속화 개발이 기술의 주요 흐름이었다. 하지만 현재 DVD 및 HD-DVD 또는 Blue Ray Disk 등으로의 변화에 따라 주된 기술개발이 회전정밀도의 향상에 맞추어져 있다. 또한 노트북의 슬림화에 따라 스핀들 모터의 박형화 기술개발이 심화되어 과거 10mm 이상의 높이에서 현재 6.7mm, 4.7mm 수준으로 박형화가 이루어지고 있다.ODD 스핀들 모터의 기술추이로는 Axial Run-Out의 저감으로 대변되는 회전정밀도의 향상과 함께 자기회로 및 축계의 최적설계, 센서리스 구동기술로 대변되는 고효율(저소비전력)화, 박형화로 요약될 수 있다.과거 DC 모터가 대부분 채용되던 휴대전화용 진동 모터에 초소형 BLDC 모터의 채용율이 증가하고 있다. 이는 휴대전화가 다기능화되어 진동 모터의 기능이 단순히 착신알림을 떠나 엔터테인먼트용으로 진화함에 따라 진동 모터의 수명증대가 필수적인 요소로 대두되고 있기 때문이다. 진동 모터의 장수명화를 위해서는 BLDC화가 필수적인 기술이 되고 있으며, 수십 시간 또는 만 사이클(cycle) 미만의 브러시형 진동 모터에 비하여 BLDC형의 경우에는 수천시간 또는 수십만 사이클 이상의 수명 확대를 기대할 수 있다.그림 6은 BLDC형 진동 모터의 내부 구조도를 나타내고 있다. 최근 국내에서 외경 10mm, 두께 1.65mm의 BLDC 방식의 편평형 진동 모터 개발 사례가 보고되고 있다.BLDC 모터는 우수한 성능으로 인하여 산업의 다양한 분야에서 사용되고 있다. 앞에서 언급한 바와 같이 적용분야에 맞추어진 사양과 형태를 가지는 분야와 함께 표준적인 형상의 다양한 크기로 시리즈화 되어 판매되고 있는 분야도 있다. BLDC 모터의 초소형화를 위해서는 공간적인 제약상 슬롯이 없는 Slotless 구조가 유리하며, 이를 위해서는 지지되는 코어(core) 없이 코일만을 권선하여 코일체를 성형하는 기술이 핵심 기술이 된다.유럽에서는 이 기술과 관련하여 독일, 스위스가 최고 수준의 기술을 보유하고 있다. 세계적으로 널리 알려진 스위스의 Maxon 모터가 세계 시장을 가장 많이 점유하고 있다. 또한 독일의 Faulhaber Group의 경우에는 외경 1.9mm 크기의 BLDC 모터와 함께 결합되어 사용되는 유성 치차형 정밀 감속기를 개발하여 일부 판매중에 있다.국내 전자부품연구원에서 초소형 정밀 모터 기술 및 MEMS 기술을 결합하여 외경 2mm 급의 초소형 모터 및 감속기 개발에 성공함으로써 외국 기술과의 격차를 상당부분 줄이는 데에 기여했다. 향후 이를 양산하기 위한 초정밀 금형, 조립 기술 등의 산업 기반적 기술의 발전이 요구되고 있다.초소형 스테핑 모터의 기술동향스테핑 모터는 펄스 형태의 전원에 의해 구동되며, 인가되는 펄스당 일정한 각도를 회전하기 때문에 ODD, 디지털카메라, 캠코더 등의 다양한 디지털 기기의 위치결정용 모터로서 많이 사용되고 있다.앞서 언급했던 ODD의 경우 픽업 이송용 모터로서 과거에 브러시 부착형 초소형 DC 모터가 감속 기어 모듈과 함께 사용됐다. 현재 Lead-Skrew 부착형의 스테핑 모터로 대체돼 가고 있는 추세이다. 이를 통하여 복잡한 감속 기어 모듈을 없앨 수 있기 때문에 저가격화를 도모할 수 있으며, 브러시에 의한 전자기적인 노이즈의 감소 및 고정밀 위치결정 능력의 확보가 가능해진다. ODD용 스테핑 모터의 현재 수준은 외경 6mm 수준이며, 지속적인 기술개발을 통하여 외경 5mm급의 시제품이 전시회에 출품되는 등 보다 박형/고출력화된 기술이 제시되고 있다. ODD 픽업 이송용 모터의 기술추이는 소형화, 마이크로스텝 구동에 의한 이송 정밀도의 향상, 고토크화, 고신뢰성화로 요약할 수 있다.2000년 들어 휴대전화에 카메라 기능이 탑재되기 시작한 이후, 휴대전화용 카메라 모듈의 기능 향상에 의해 새로운 초소형 모터의 개발이 활발해지고 있다. 디지털 카메라와 같은 고기능화의 추구에 따라 휴대전화용 카메라 모듈에 요구되는 구동관련 기능으로는 자동초점(AF, Auto Focusing), 광학 줌(Optical Zoom), 기계식 셔터(Mechanical Shutter) 등이 있다. 휴대전화의 특성상 카메라 모듈의 초소형화가 관건이며, 이를 위하여 각종 구동방식의 초소형 모터들의 적용 연구가 다각도로 진행되고 있다.카메라 모듈용 구동기로서 가장 활발하게 검토되고 있는 초소형 모터로서 스테핑 모터를 들 수 있다. 꾸준한 초소형화 구조연구 및 제작기술 개발을 통하여 현재 외경 6mm급을 거쳐 외경 4mm급까지의 초소형화가 이루어지고 있는 상황이다.그림 12와 같이 일반적인 스테핑 모터는 복잡한 형상의 철심 내부에 다극 착자된 영구자석이 위치한 형태로서, 착자 원리상 영구자석의 소형 다극화에 물리적인 한계가 존재하기 때문에 소형화에 어려움이 따른다.따라서 이를 극복하면서 모터 전체를 소형화할 수 있는 새로운 구조의 개발이 핵심 기술이다. 이러한 기술개발의 결과로 일본의 경우 2000년대부터 외경 4mm 급의 초소형 스테핑 모터를 구현하고 있다. 국내에서도 소형화를 위한 연구가 꾸준히 이루어지고 있으며, 최근 전자부품연구원에서 독자적인 구조의 개발연구를 통하여 외경 4mm 급의 스테핑 모터가 보고되기도 했다.초소형 초음파 모터의 기술동향압전 소재를 이용한 초음파 모터는 중대형 모터부분에서는 전자기형 모터보다 특성이 많이 떨어진다. 하지만 초소형 구동기 분야에서는 상대적으로 높은 토크 및 출력비를 가지기 때문에 적용을 위한 시도들이 이루어지고 있다. 초음파 모터의 장점 및 단점을 정리하면 다음과 같다.●장점·저속에서 고토크를 갖는다.·출력밀도가 높고, 관성의 영향이 적어 기동 및 정지특성이 좋다.·고정자의 모양과 진동모드에 따라 다양한 형상의 Actuator 제작이 가능하다.·토크증대를 위하여 기어를 사용할 필요가 없어 직접구동이 가능하다.·전자기파를 발생하지 않으므로 전자유도장애가 없다.●단점·압전소자의 수축, 팽창하는 크기가 주위온도에 따라 민감하다.·비선형 특성을 가짐으로 인가되는 전압에 선형적으로 수축, 팽창하지 못한다.·세라믹 계열이므로 구조에 따라 내충격이 약하다.·습도에 매우 취약하다.·높은 구동주파수에 구동함으로 구동드라이브의 복잡성이 존재한다.·단가가 높다.일본은 초음파 모터에 대한 연구를 70년대부터 지속해 왔으며, 그동안 문제시 되었던 재료적인 내구성 및 수명 문제와 구동기술 관련 문제를 상당부분 해결했다. 이를 통해 큰 출력용량을 포함한 초음파 모터 시장규모가 현재 800억원대에 이를 정도로 상용화에 성공했다.현재까지 압전소재를 이용한 다양한 구조의 초음파 모터가 제안되었으며, 이러한 구조의 하나로서 그림 12와 같이 Bar 형태의 탄성체에 2상의 압전소재 가진소자를 붙여 개발한 지름 1.5mm 크기의 모터가 현재 가장 작은 크기로 구현된 수준이다. 국내의 경우 피에조테크놀리지 등의 초음파 모터 개발업체와 관련 소재 생산업체들이 연구 및 생산을 진행중이며, 일부 제품들은 일본과 경쟁할 수 있는 수준이란 평가를 받고 있다. 그러나 아직까지 이 분야의 연구개발 역사가 짧은 관계로 신뢰성 및 수명 문제 등 상용화를 위하여 해결해야 할 기술적인 사항들이 있는 것으로 분석된다.맺음말초소형 모터의 기술발전은 소형 고출력화를 기본 축으로 하여 고효율화(저소비전력화), 회전정밀도 및 위치제어의 고정밀화, 고속화 등의 방향으로 발전해 나갈 것이다. 이를 위해 전자계 에너지 변환원리를 기반으로 한 브러시레스 DC 모터 및 스테핑 모터를 비롯하여 압전소재에 기반한 초음파 모터 및 압전 액츄에이터 등의 다양한 기술적 접근이 지속적으로 시도될 전망이다. 이와 함께 고분자 엑츄에이터 등 기능성 재료를 이용한 새로운 구동원리 기반의 모터 연구가 병행돼야 할 것이다.초소형 모터의 시장은 현재 형성되고 있거나 안정화된 시장과 함께 개척이 가능한 미래 신시장을 함께 가지고 있다. 기존 시장에 대해서 성능의 개선보다 혁신 개념의 기술개발로 시장진입을 시도하고 미래시장에 대해서 창조적 아이디어를 제시하여, 이를 모터 또는 모듈로 구현함으로써 시장에 접근하는 다각적인 접근방법이 필요한 시점이라고 판단된다.

회원가입 후 이용바랍니다.

개의 댓글

회원로그인

작성자 비밀번호

댓글 내용입력

댓글 정렬

최신순 추천순 답글순

BEST댓글

BEST 댓글 답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다. 닫기

더보기

오영관 (webmaster@techworld.co.kr)

기자의 다른기사 보기

저작권자 © 테크월드뉴스 무단전재 및 재배포 금지