1. 서론
스마트 유압실린더 개요
스마트 유압실린더는 복잡하게 구성된 기존의 유압구동 시스템에 비해 구조가 간단하고 정비가 용이하며 에너지사용량을 기존시스템 대비 50%이상 대폭 감소시킬 수 있는 새로운 개념의 액츄에이터로 각광 받고 있다. 고효율 전기유압 액츄에이터(Electro-Hydrostatic Actuator) 혹은 스마트 하이브리드 액츄 에이터(Smart Hybrid Actuator)라고도 지칭한다.
스마트 유압실린더는 유압 액츄에이터의 속도, 방향, 힘을 전기모터의 속도, 방향, 힘을 통해 제어하는 시스템을 의미한다. 작동유의 흐름을 위한 ▲소형펌프와 서보 모터 ▲실린더를 채울 정도의 작은 유압탱크 ▲힘을 내는 유압 실린더 ▲피스톤의 위치를 측정하는 위치 센서 ▲피스톤의 위치를 제어하는 제어기 ▲서보모터용 드라이브 보드 ▲작동 신호를 주고받기 위한 통신 기능 등이 통합된 형태로 구성돼있다.
스마트 유압실린더의 필요성
일반적인 유압 서보 구동 시스템은 고출력의 시스템 구성이 가능하다. 하지만 배관에서의 누설 및 압력 손실이 발생되고 사용하지 않는 동력은 리졸버로 귀환되며 유압 배관 등의 설치, 보수, 관리가 어려우며주 유압 동력원의 고장 시 전체 유압시스템의 작동 불능 상태를 초래한다. 그러므로 배관을 최소화하고 컴팩트하게 설계된 고출력·고효율의 스마트 유압 실린더의 개발이 필요하다.
스마트 유압실린더는 기존의 유압 액추에이터를 대체할 미래기술로 인정받고 있다. 특히 이산화탄소의 절감 및 에너지 절감 효과가 뛰어난 녹색기술로 전기, 전자, 유압, IT 등이 융합되는 첨단 융합기술이다. 따라서 모터와 실린더의 제작을 위한 소재 산업 및 부품 생산을 위한 성형, 가공 산업 등의 후방산업 부분과 유압 액추에이터가 적용되는 모든 전방산업 분야에 큰 파급 효과를 줄 수 있는 기술개발 분야다.
2. 스마트 유압실린더의 시장 동향
1) 항공 분야
스마트 하이브리드 액츄에이터가 산업 분야에 최초로 적용되기 시작한 것은 항공기 분야다. 항공 분야에서는 스마트 유압실린더의 형태로서 ‘EHA(Electro-hydrostatic Actuator)’라는 표현이 사용된다. EHA는 유압 배관이 없기 때문에 피탄 시에도 조종성 확보 가능성이 높아 전투기에 적용할 경우에 많은 이점이 있음이 입증되고 있다. EHA를 여객기와 같은 대형 항공기에 사용하면 배관이 필요 없으므로 payload가 증가하고 보수가 용이해지는 장점이 있다 AIRBUS 사에서는 이미 1993년부터 A320, A340과 같은 기종에 적용하기 위한 EHA를 개발하여 최신 모델 A380에 광범위하게 탑재하고 있다.
2) 자동차 분야
자동차 분야에서는 유압 펌프를 엔진으로 구동하는 유압식 파워 스트링(Power Steering)의 연비를 높이기 위해 유압 펌프를 전기 모터로 구동하는 방식이 개발되고 있다. 해당 방식에서도 펌프와 전기 모터는 소형 고속화 되는 것이 바람직하며, 이로 인해 응답 속도가 충분히 빨라지면 유압식 파워 스트링도 스마트 유압실린더 방식으로 진화될 것이다.
3) 건설기계 분야
굴삭기 등 건설기계 분야에서는 엔진을 전기모터로 대체하려는 개발 추세에 따라서 스마트 유압실린더를 적용한 굴삭기의 개발이 진행되고 있다. 건설기계용 스마트 유압실린더 제품 관련 시장은 다수 품목으로 이루어져 있으며, 지난 2016년 6,389백만 달러 규모의 시장을 형성하고 있다. 이중 유압 펌프 품목의 CAGR은 약 17%이다.
3. 스마트 유압실린더의 기술개발 현황
최근 배출가스 및 온실가스 관련 규제가 강화됨에 따라 내연기관을 이용하는 유압 시스템에 적용할 수 있는 고효율 스마트 유압실린더의 필요성이 요구되고 있다. 스마트 유압실린더는 초고압용 유압실린더와 유압 부품의 개발과 유압실린더의 위치, 압력을 센싱하고 발생된 데이터의 수집, 처리 및 전송에 관련된 제반 기술의 개발이 필요하다.
1) 유럽
- 항공우주분야에서의 스마트 유압실린더의 적용을 중심으로 진행 되고 있음.
- 90년대 중반에 EU 공동연구 과제로서 CASA, Aerospatiale, Messier-Bugatti, Lucas Aerospace France, SAMM, Liebherr Aerospace, Sabca 등이 참여해 차세대 항공기를 위한 스마트 유압실린더 개발을 추진하며 원천기술 확보를 시도 함.
- AIRBUS사는 이미 1993년부터 A320, A340과 같은 기종에 적용하기 위한 스마트 유압실린더를 개발함.
2) 일본
- 건설기계의 에너지 절약 기술을 대상으로 하는 하이브리드 건설기계의 연구개발에 대해 지속적인 연구를 실시하고 있음.
- KOBELCO 건기주식회사는 2001년 6톤급 직렬형 하이브리드 굴삭기를 개발함.
- 히다치, Komatsu 등에서 굴삭기용 스마트 하이브리드 액츄에이터의 연구를 진행 중.
3) 미국
- Parker aerospace사와 Moog사가 전투기에 대해서는 처음으로 F-16의 horizontal tail, rudder, flaperon을 구동하기 위한 스마트 유압실린더를 개발함.
- Parker Hannifin社에서는 기 개발된 Electro hydraulic Actuator를 사용해 풍력발전기 내의 브레이킹 시스템 등에 적용해 사용 중.
- CMC Power사에서 엔진 Tilting System 및 선외기 엔진의 자체 방향제어에 스마트 유압실린더를 적용해 사용 중.
- Danfoss사는 유압펌프를 내장한 밸브시스템을 상품화해 해양플랜트의 원격제어밸브에 스마트 유압실린더 시스템을 적용함.
4) 한국
- 현대중공업, 두산인프라코어, 수산중공업 등이 건설기계용 스마트 유압실린더 개발사업에 참여함.
- 한국항공대학교와 (주)한화가 공동으로 전투기용 10kW급 스마트 유압실린더 시제품을 항공 우주부품기술개발 사업의 지원을 받아 독자 개발함.
4. 스마트 유압실린더의 기술표준 현황
유압실린더를 포함한 유압 부품에 대한 국제표준은 이미 제정이 완료됐으며, 산업용 센서와 모션 제어를 위한 데이터 전송 관련 국제표준도 제정돼있거나 현재 제정 중에 있다. 그러나 스마트 유압실린더에 관련한 직접적인 국제표준은 아직 존재하지 않는다. 이는 선도기업들이 개발된 기술력 확보에 대해 보안성 유지 및 독자성 유지를 통한 시장 점유율 확보에 더 큰 비중을 두고 있기 때문이며, 국제표준 제정까지는 상당 시간이 소요될 전망이다.
1) 스마트 유압실린더용 초고압 유압실린더의 개발시 참조 표준
- 스마트 유압실린더의 유압 부품인 초고압 유압실린더 개발 시 ISO TC 131(Fluid power systems, 미국의 ANSI가 사무국으로 지정) 주도하에 제정된 유압실린더의 안전 요구사항, 테스트 및 검사 방법에 관련한 표준을 참조해야 함.
2) 스마트 유압실린더용 센싱 및 데이터 기술 개발시 참조 표준
- 스마트 유압실린더의 전기 부품인 스마트 센서와 액튜에이터 간의 데이터 처리 기술 개발 시 ISO TC 184(Automation systems and integration, 프랑스의 AFNOR이 사무국으로 지정)와 ISO/IEC JTC1(Information technology, 미국의 ANSI가 사무국으로 지정) 주도하에 제정된 자동화 및 제어 시스템, 통합 기술, 데이터의 관리와 전송에 관련된 표준을 참조해야 함.
