응답속도 빠른 고성능

이동통신 부품동향 초소형 모터 개발 시급

경량화, 내구성, 저전력화 등 요구 특성 증가카메라폰, 압전 모터 각광… 소재는 수입의존 커동력발생기를 통틀어 이르는 말인 모터는 전기 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환시켜 주는 구동부품이다. 가정용부터 산업용에 이르기까지 산업 각 분야에서 다양하게 사용되고 있는 모터는 각종 응용제품의 구동부품으로 그 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히 이동통신부품으로서는 소형화, 저전력화, 긴 수명 등의 기술이 요구되고 있다.이동통신을 포함한 대부분의 전자기기에는 소형 모터가 쓰이는데 시장규모로 볼 때 가장 큰 비중을 차지하는 것은 정보저장기기 분야이다. 정보저장기기는 대표적으로 하드디스크드라이브(HDD)와 광학디스크드라이브(ODD)로 나뉘는데 이중 HDD에는 플래터를 돌려주는 스핀들 모터와 헤드를 작동시켜 주는 보이스 코일형 모터가 사용된다. HDD는 전세계적으로 연간 약 7~8억 개가 생산되는 규모와 품목당 가격을 봤을 때 압도적인 시장규모의 우위를 보이고 있는 분야이다.이에 반해 이동통신형 모터는 상대적인 가격의 차이로 인해 시장 규모면에서 HDD에 비해 크게 뒤떨어지고 있으며, 휴대전화용 진동모터의 경우 90년대부터 채용되기 시작해 현재 거의 모든 단말기에 탑재되고 있다. 또한 90년대 후반부터 연간 20%씩의 단가하락이 이어져 지금은 약 40~50센트의 가격을 형성하고 있다. 초소형 모터는 휴대전화 생산량의 증감폭에 의해 그 수요가 결정되는 만큼 IT 시장상황에 민감하게 반응하는 품목이라고 할 수 있다.이동통신 모터 단가하락 빨라대표적인 휴대용 전자기기인 휴대전화나 디지털카메라에는 최소한 한 두 개씩의 모터가 들어가 있다. 휴대전화용 초소형 모터는 착신 알림용의 진동 모터와 카메라 모듈을 구동시키기 위한 구동 모터로 나눌 수 있는데 진동을 위해서는 원통형과 평판형 모터가 사용되고 있으며 작동원리에 따라 대표적으로 코일형과 브러시형으로 나뉠 수 있다. 카메라 모듈 구동용 모터로는 스테핑 모터, 압전 모터, 보이스 코일형 모터가 사용될 수 있으나 각각의 장단점이 향후 어떻게 개선되고 적용되어지느냐에 따라 어느 한쪽의 대세로 기울어질 것으로 보인다.디지털 카메라의 경우 줌 렌즈 구동, 자동초점 기능이나 셔터의 개폐 및 렌즈커버의 구동 등 그 용도가 다양하며 주로 DC 모터나 스테핑 모터가 사용되고 있다.이렇게 각각 용도에 맞게 사용되어지는 모터들은 이동통신용 부품이라는 제한적 환경으로 인해 경량화, 소형화, 내구성, 저전력화, 저가격화 등이 요구되고 있으며 이러한 조건들은 모터생산 업체의 기술개발 방향이나 모터의 구동방식, 특성 등에 따라 적절하게 배합되거나 개별 모터의 장점을 극대화 시켜 이동통신기기에 장착된다.특히 휴대전화에 사용되는 모터는 크게 진동용과 카메라 모듈 구동용 모터로 분류될 수 있는데 먼저 착신알람이나 엔터테인먼트용에 사용되는 진동모터에는 원통형과 평판형(코인형) 모터가 있다. 원통형 모터는 코어형과 코어리스형이 있으며 효율이 높아 소형화되기 쉽다는 장점이 있으나, 가격이 다소 높다는 단점을 안고 있다. 평판형 모터는 코인형 모터로도 불리는데 동작특성상 슬림화와 경량화 구조가 가능하지만 휴대전화 디자인에 따른 세계적 추세에 비춰 아직은 원통형 모터에 비해 대중성이 떨어지는 편이다.쮂 카메라폰 수요증가로 시장성 높게 평가다음으로 카메라 모듈 구동용 모터를 살펴보자. 휴대전화의 카메라 구동용 모터는 점차 고성능화되어 가는 추세에 비춰 줌 기능과 자동초점 기능을 첨가하려는 움직임이 눈에 띄게 증가하고 있다. 여기에 해당되는 초소형 정밀모터로는 스테핑 모터와 보이스 코일형 모터, 그리고 압전 모터를 들 수 있다. 스테핑 모터는 기동토크가 크고 저렴하다는 장점이 있지만 슬림화 경향을 보이는 휴대전화에 적용되기에는 그 크기에서 부적합하다는 평가를 받고 있다. 보이스 코일형 모터는 작고 가벼우며 간단한 동작원리를 갖고 있지만 불필요한 전력소모가 발생하는 단점이 있다.마지막으로 압전 모터는 크기와 구동원리, 저전력이라는 측면에서 봤을 때 가장 현실적인 대안으로 각광을 받는 모터이다. 이들 모터들은 앞서 말한 이동통신기기에 부합하는 조건들을 갖춰야 하는 부담들을 안고 있는데 서로간의 기술경쟁 속에 이미 전세계 휴대전화 시장에서 카메라 장착비율이 50% 이상을 초과함에 따라 그 시장성은 매우 크게 평가받고 있다.실적용 사례를 보면 국내 카메라모듈 생산업체인 하이소닉은 휴대전화 카메라용 자동초점 액추에이터를 주력사업으로 하는 업체로, 지난 2005년 양산을 시작한 이래 삼성, LG , 소니-에릭슨 등의 주요 휴대전화에 자사의 제품을 적용시켜 왔다. 대표적인 적용 제품으로는 LG의 주력모델인 쵸코렛II폰과 샤인폰, 프라다폰, 그리고 삼성애니콜의 유럽수출 모델인 G-600 등이 있다고 회사 관계자는 전했다.이 제품은 휴대전화 카메라에서도 디지털카메라와 같은 자동초점 기능을 구현할 수 있도록 하는 핵심부품이다. 피사체의 거리에 따라 렌즈를 상하로 구동시켜 이미지 센서면에 정확히 상이 맺힐 수 있도록 구동부 역할을 하며, VCM(Voice coil motor) 방식을 구동원으로 하여 정밀하고도 유연한 렌즈 모션이 가능하도록 설계되었다.마그넷의 자기력과 코일을 통해 흐르는 전류입력에 따라 상측으로 구동력이 발생하고, 중심부의 렌즈를 상·하단의 판스프링으로 가이드하는 형태로 구현된다. 렌즈구동에 있어 근거리 접사 초점을 만족시키기 위한 구동거리 확보와, 자세차 극복을 위한 예압, 반복 구동시의 히스테리시스 성능이 중요한 성능평가 요소이다.이처럼 이동통신기기가 고성능화될수록 각 애플리케이션에 적용되는 초소형 모터의 중요성과 시장성은 갈수록 높아질 것이다. 그러나 문제는 각 애플리케이션의 요구조건을 수용할 수 있는 적합성을 갖췄느냐 일 것이다.대표적으로 소형화 문제는 다른 조건(저전력화나 저렴화 등)에 비해 선결과제로 남아있으며 이는 초소형 모터를 다루는 각 업체나 연구소의 개발진행 상황을 지켜봐야 할 이유가 된다.전자부품연구원 지능메카트로닉스연구센터쮂 국내 최소형 스테핑 모터 개발전자부품연구원에 속해있는 지능메카트로닉스연구센터(이하 연구센터)는 다양한 산업분야에서 요구하는 정밀 메커니즘을 기반으로, 액추에이터와 모터 등 핵심구동부품 개발을 진행하고 있는 곳이다. 특히 초소형 모터개발은 국내 모터산업의 취약한 부분을 메꿔주며 국산 기술의 상용화에 앞장서고 있다.연구센터의 정인성 박사는 현재의 모터 개발 트렌드를 좀 더 작고 수명이 길며 응답속도가 빠르고 출력량을 조절할 수 있는 고성능 모터라고 꼭 집어 말했다. 이러한 개발 트렌드를 따라가되 결국은 가격이 싸면서 소형화를 이루고 수명이 길면서 요구되는 다양한 기능을 충족할 수 있는 모터를 시장에 내놔야 경쟁력이 있다는 것이다.연구센터는 2003년도부터 카메라 모터에 주력해 왔다고 한다. 휴대전화에 많이 사용되는 진동모터는 더 이상 개발될 여지가 별로 없을뿐더러 국내 대기업들의 개발 및 양산으로 더 이상의 획기적 발전을 기대하기 어렵기 때문에 애초의 관심은 카메라 모터에 집중돼 있었다는 것이다.이와는 별개로 휴대전화의 카메라 모듈 구동 모터의 경우, 2000년도 초 많은 방식이 시도되다가 현재는 보이스 코일형 모터로 가닥이 잡힌 상태라고 한다. 그러나 자동초점용 모터와는 달리 광학줌을 구현하기 위한 모터는 휴대전화에 응용된 사례가 아직 없으며 성능은 높이고 크기는 줄이려는 노력으로 이 분야의 모터시장은 ‘춘추전국시대’라고 표현할 수 있다는 것이 정 박사의 분석이다.연구센터는 지난 수년 동안 디지털카메라의 스테핑 모터를 연구해 왔으며 앞으로 채용이 예상되는 휴대전화용 광학줌 모터 역시 비중을 두고 연구할 것이라고 한다. 그러나 휴대전화용 모터는 휴대전화의 내구기준이 상당히 엄격하기 때문에 디지털카메라용 모터와는 접근법이 다르다는 것이 정 박사의 설명이다.일례로 디지털카메라의 카메라 모듈은 크기는 둘째치고라도 휴대전화의 내구성 기준에 맞지 않기 때문에 적합하지 못하다고 한다. 충격, 방진, 방습에 관한 기준이 휴대전화 쪽이 훨씬 높기 때문에 크기의 소형화와 더불어 질적으로 다른 설계제작 능력이 필요하다는 것이다.일본 설계능력의 80% 이상 수준으로 따라잡아정 박사는 휴대전화에 있어 진동모터의 경우 DC브러시형 모터가 거의 대부분 사용된다고 말했다. 외부적 형태가 원통형 또는 코인형 두 가지로 생산되는데 특수형으로는 BLDC라는 구조를 가지면서 모양은 여러 가지로 개발되고 있다고 한다. 즉 BLDC 모터는 형상의 자유도가 높고 자동초점용 모터는 현재 보이스 코일 모터가 대부분이라고 설명했다.“광학 줌용으로 현재는 스테핑 모터가 가장 유력한 답”이라고 말한 정 박사는 “가능성으로 보면 스테핑 모터 또는 압전 액추에이터일 수도 있다. 다만 요구되는 기능과 할당돼 있는 크기, 그리고 구동원리에 따라 그 구조를 가지고 개발하게 될 것”이라고 덧붙였다. 이미 연구센터는 2년 전 성능에서 최고 수준을 자랑하는 스테핑 모터를 개발한 적이 있다. 그동안 스테핑 모터 분야의 최고 기술을 보유한 일본 제품이 22.5도의 회전으로 작업수행을 했지만 연구센터가 개발한 스테핑 모터는 18도만 움직이면서 작업을 수행할 수 있어 20% 가량의 정밀도 향상을 자랑하며 크기 또한 4㎜로 이전보다 2㎜가 작으며 렌즈를 내부에서 움직이는 이너 줌 구현도 가능한 제품이다.그는 대부분의 초소형 모터 소재를 수입하고 있는 현실에 대해서도 지적했다. 큰 산업용 모터의 경우 강판으로 만들지만 초소형 모터의 경우 특수한 철판을 구부려 사용해야 하기 때문에 성능이 좋은 철판을 일본에서 수입하고 있다. “초소형 모터에 핵심으로 들어가는 철판은 일본 수입품이고, 코일도 특수한 것은 대부분 외제이다.코일은 구리 표면에 절연코팅을 한 것인데 균일하게 코팅된 코일은 국내에서 못 만들기 때문에 저가형 모터를 제외한 정밀한 모터의 경우 수입품을 사용하는 실정”이라고 정 박사는 말했다.또한 설계, 소재, 생산기술이라는 세 가지 측면에서 봤을 때 소재는 많이 뒤떨어져 있는 상태이고, 설계능력은 일본을 기준으로 80% 이상의 기술능력을 갖춘 것으로 조사됐다. 그리고 생산기술 측면에서는 금형 분야와 자동화 장비 분야를 따져봐야 하는데 이전에 비해 많이 향상되기는 했지만 금형의 경우 국산화 자립이 80~90% 정도이고 자동화 장비는 그에 못 미치는 것으로 파악하고 있다. 참고로 품질관리 또한 모터의 성능에 중요한 영향을 미치는 요소이다.KIST 박막재료연구센터쮂 압전모터가 소형화 모듈의 해결책95년도부터 압전 모터를 개발하기 시작한 윤석진 박사(KIST 박막재료연구센터장)는 2000년도에 회전용 모터를 개발하면서 점차 초소형 모터에 관심을 기울이기 시작했다. 개발 당시 압전 모터가 고가이면서 특수용에다 정밀제어용이다 보니 수익을 낼 수 있을 만큼 상업화하기 어려웠기 때문에 가격이 저렴한 민수용의 초소형 모터를 개발하기로 선회한 것이다.처음 모터를 만들 당시 카메라 모듈에 들어가는 최소형의 스테핑 모터가 3.5mm였기 때문에 이것보다 작게 만들기 위해 3mm로 목표를 정했다는 윤 박사는 저전력 소모와 소형화라는 장점 때문에 휴대용 기기에서는 압전모터가 가장 적합한 모터라 생각했다고 한다. 그러나 문제는 스테핑 모터처럼 표준화돼있지 못한 것이 걸림돌이었고 이제 막 알려지기 시작한 단계라 구동을 위한 구동칩도 없었다고 한다.압전 모터에 사용되는 소재인 압전 세라믹은 자신이 갖고 있는 고유의 공진주파수(사람이 들을 수 없는 초음파 영역에 존재)가 주파수 영역의 특성으로 인해 아주 조용한 모터를 얻을 수 있다.순수 국산기술로 새로운 모터시장 개척“압전 모터의 경우 휴대전화의 카메라 모듈에 있어 줌인이나 자동초점 기능이 사용되기 때문에 제품 한 개당 두 개의 모터를 사용할 경우 그 시장성은 충분하다”고 그는 말했다. 이런 이유로 국내 대기업들도 압전모터 개발에 매달려 있는 상황이다. 카메라 모듈의 추세가 자동초점만 하는 경우가 있고 자동초점과 줌 기능을 함께 수행할 수 있는데 자동초점은 보이스 코일 모터로도 가능하다.그러나 줌 기능은 보이스 코일 모터로 불가능하기 때문에 결국 압전 모터가 들어가야 한다는 것이 윤 박사의 설명이다. 즉, 3배줌 5배줌의 성능을 이루려면 압전 모터가 들어갈 수 밖에 없으며, 국내에만 약 200억 시장을 예상하고 있다. 이 외에 맹인용 점자모듈과 디지털 도어록 등 새로운 적용분야도 많다.윤 박사는 향후 2~3mm이하의 공정은 MEMS 공정으로 이뤄질 것이며, 이 이하의 압전 모터가 만들어진다면 메디컬 분야에서도 강한 모습을 보일 것이라고 전망했다. 또한 구동칩만 국산화 된다면 100% 국내기술과 국산 소재로 만들어진 압전 모터가 선보일 것이라는 그는 3년 이내에 압전 모터에 대한 향방이 가름될 것이라 내다보고 있다.“압전 모터의 전체적 전망은 밝다. 전자기식 모터가 갖고 있는 결점을 보완하면 소형 모터에서는 압전 모터의 효율이 훨씬 높게 나타난다. 또한 직접 구동이 가능하다는 장점을 갖고 있다”며 압전 모터의 장래성을 밝게 전망한 윤 박사는 “진동 모터는 현행 방식을 굳이 바꿀 필요가 없다. 그러나 휴대전화 단말기의 슬라이딩 방식에도 압전모터가 사용될 수가 있을 것”이라고 말했다.(주)피에조 테크놀리지쮂 압전 모터에 숙명을 건다피에조 테크놀리지는 설립한 2000년도부터 줄곧 초음파 모터 한 가지에만 ‘올인’하고 있는 업체이다. 설립 초기 선보인 회전형 초음파 모터를 시작으로 시장의 반응을 살펴보면서 모델별 제품을 생산해 왔다는 것이 윤성일 대표이사가 말하는 회사 소개의 일부분이다. 윤 대표는 당시 일본의 초음파 모터 시장을 보고, 한국에서도 충분히 가능성이 크다고 판단했다.“국내 업계에서 초음파 모터를 취급하고 있는 곳은 아직도 피에조 밖에 없다”는 것을 연신 강조하는 윤 대표는 시장규모가 충분치 못한 상황에서 탈출구를 만들기 위해 여러 정부사업에 관심을 기울였고, 그러한 결과로 정부지원에 힘입어 어느 정도 숨통을 트일 수 있었다고 회고했다.초기 피에조는 현재의 모터와 비교했을 때 초라하기 그지없는 제품을 내놓았었다고 한다. 그러나 시장에서의 반응에 따른 대응과 초음파 모터가 가져야 할 요건들을 갖추려 3년의 시간을 더 보낸 뒤에야 결국 툴라(TULA) 시리즈를 선보일 수 있었다.툴라 시리즈는 초소형 선형 초음파 압전 모터로 압전 세라믹의 특성을 이용한 모터이다. 압전 세라믹은 압력이 가해지면 전압을 발생하고, 전기가 가해졌을 때 기계적인 변형이 일어나는 소자로 기계적인 진동 에너지를 전기 에너지로, 전기 에너지를 기계적인 진동 에너지로 상호 변환하여 모터로서 동작하게 한다.디지털 카메라에 이어 카마레폰에도 적용 가능피에조의 툴라 시리즈에서 최소형은 3φ가 있으며 양산 체제로는 3.5φ의 제품을 내놓고 있다. 초음파 모터를 만들었던 초기에는 구동칩의 부재와 크기로 인한 공간적 제약 때문에 휴대전화에 적용할 수는 없었고, 대신 디지털 카메라의 손떨림방지용으로 적용할 수 있었다고 한다. 1년 정도의 모듈화를 거쳐 삼성테크윈의 디지털 카메라 VLUU 시리즈에 툴라50-165 제품이 채용되면서 작년부터 출시되기 시작했다. 툴라 시리즈는 카메라폰의 오토포커스와 줌 및 PDA 등의 이동통신 단말기에 응용할 수 있는 초소형 모터로 소재부터 개발까지 순수 국내 기술로 만들어졌다는 자부심을 안고 있다.이러한 초음파 모터는 일반 모터에 비해 정숙성과 정밀함의 장점을 갖고 있는데 한 가지 아쉬운 점은 구동칩은 전부 외국에서 들여온 다는 점이다. 그러나 제품이 단순하고 구성이 간단해 가격 경쟁력이 있다는 것이 윤 대표의 설명이다. 또한 모터 생산 초기에는 30~50%에 불과했던 수율은 국내 대기업 향후 엔지니어들과의 공동노력으로 안정된 수율 향상을 이끌었다. 개발과정에 대한 질문에는 “획기적인 제품을 준비 중”이라며 귀띔하기도 했다.비록 당장은 디지털 카메라 외에 응용된 사례가 없지만 계속해서 진화하는 휴대전화의 경향에 비춰 휴대전화 단말기의 다기능화와 고성능화를 고려한다면 휴대전화 카메라의 셔터도 압전 모터를 사용하여 자동으로 할 수 있으며 손떨림 보정에도 적용될 것으로 전망하고 있다.압전모터 이외의 방식을 채용하고 있는 모터들은 구동방식과 구조 자체가 틀리기 때문에 압전 모터만큼 소형화되기 힘들 것이라 말하는 윤 대표는 “IT시장과 모터 시장은 같이 발전해야 한다”며 초소형 압전 모터의 시장성이 활짝 열릴 다가올 미래에 대한 기대를 숨기지 않고 있었다.<김의겸 기자>

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