정책브리핑 // 청정·초정밀 자기부상 기술, 반도체·디스플레이 장비 생산성 높인다. // 과기정통부 박도영 한국기계연구원 책임연구원

[piaazhead]

청정·초정밀 자기부상 기술, 반도체·디스플레이 장비 생산성 높인다.

• 일시 및 장소 : 2018-02-26 11:20, 과기정통부
• 발    표    자 :   박도영 한국기계연구원 책임연구원
• 엠    바    고 :   '18.2.26(월) 12시 이후

안녕하십니까? 저는 한국기계연구원 자기부상연구실에 있는 박도영입니다. 

   제가 오늘 소개시켜드릴 시스템은 이름을 ‘초정밀 자기부상 물류이송장치’라고 하고요. 발표순서는 개요를 먼저 말씀드리고 그다음에 성과 중심으로 이렇게 발표해 드리겠습니다. 

   과제는 저희가 3년간 수행한 과제였고요. 2014년부터 해서 작년에 종료했습니다. 또한 최종목표로 저희가 설정한 것은 진공환경 내에서 여러 개의 캐리어를 이동시킬 수 있는 고정형, 트랙 고정형, 초정밀 자기부상 이송장치 개발이었습니다. 

   여기에 들어간 핵심 기술은 자기부상 제어기술인데 저희 기계연구원이 1989년부터 도시형 자기부상열차를 개발해 왔었습니다. 그래서 2016년 2월에 인천공항에 ‘에코비’란 도시형 자기부상열차를 6.1km 노선을 개통을 시켰고요. 그 과정에서 저희가 확립한 자기부상 제어기술을 원천기술로 해서 개발한 시스템이 되겠습니다. 

   필요성을 말씀드리면, 수년 전에 혹시 기억하실 수도 있는데 국내 굴지의 디스플레이협회에서 대형 OLED TV를 개발하려고 하고 있었습니다. 현재 OLED TV를 생산하고 있는 업체하고는 다른 업체가, 다른 기업에서 연구개발을 하고 있었는데 그때 필요한 조건이 뭐였냐 하면 유기물을 디스플레이 기판에 증착시키는 공정이 필요했었고요. 그 공정에서 굉장히 청정한 환경에서 이루어져야 되는 공정이었습니다. 

   다시 말씀드리면, 조그마한 분진이라도 발생하면 그 분진들이 기판에 달라붙기 때문에 나중에 화소가 불량이 되는 그런 사태가 발생하기 때문에 분진이 발생하지 않는 청정 환경에서 아주 정밀하게 제어되는 그런 공정 환경이 필요했었는데 그 공정 환경을 만들기 위해서 필요한 장비가 이런 장비였습니다. 

   그런데 불행하게도 그 기업에서는 대형 OLED TV를 포기하고 다른 방식으로 넘어갔습니다마는, 초대형, 대형 OLED TV를 개발하기 위해서는 이러한 장비가 필요하다는 것이, 필요성이 제기가 됐었고요. 그래서 국내의 디스플레이 업체가 지속적으로 글로벌한 어떤 리더십을 가지기 위해서는 이런 장비가 꼭 필요하다고 판단이 됐었습니다. 

   기대 효과는 분진이 발생하지 않는 환경에서 동작할 수 있는 거니까 바퀴가 있으면, 바퀴로 굴러가게 되면 바퀴가 레일에 마찰하게 되면서 아주 미세한 분진이 발생합니다. 그리고 바퀴가 굴러가기 위해서는 베어링이 필요한데 베어링에서의 마모라든지 윤활유라든지 아주 미세한 분진들이 발생하는데 그런 분진들이 발생하지 않는 환경에서, 환경을 만드는 그런 장비가 되겠습니다. 

   적용 분야는 청정 환경이 필요한 적용 분야에는 저희가 시스템을 적용할 수 있겠고요. 지금까지 성과로는 관련 기술로 저희가 두 건을 기술 이전해서 기술료를 받은 적이 있습니다. 

   저희 시스템을 간략히 설명드리면 부상 전자석이 위에 장착돼 있습니다. 부상 전자석들이 쭉 이렇게 열을 지어서 장착이 돼 있고요. 캐리어가 밑에서 있는데 전자석이 캐리어를 당겨 올립니다. 그래서 부상을 시킨 상태에서 이동을 시키게 되겠습니다. 저기서 빨간색으로 표시된 것은 전자석에서 전원이 들어온 전자석, 가동되는 전자석이고요. 파란색으로 표시된 전자석들은 전원이 들어가지 않은 전자석이 되겠습니다. 캐리어가 이동함에 따라서 전자석을 turn on, turn off를 시키는 방식이 되겠고요. 

   방식은 다시 한 번 말씀드리면 전자석들이 위에 설치돼 있고 캐리어가 밑에 있다가 전자석이 캐리어를 당겨 올려서 부상시키는 방식이 되겠습니다. 중력을 거슬러서 허공에 떠 있게 하는 거죠.

   저희가 2013년도 정도에는 이 정도 기술을 갖고 있었습니다. 보시면 캐리어가 왔다 갔다 하는데 좀 흔들흔들 할 겁니다. 아주 정밀하게 제어는 하지 못하고 그냥 공중, 밑에 있는 것을 띄어 올려서 여기 바퀴를 보시면 사이 떠있는 것을 알 수 있죠. 저게 이제 바닥에 있다가 떠오른 상태에서 왔다 갔다 하는 상태였습니다. 저게 저희가 2013년도까지의 기술이었습니다. 

   이것이 부상 전자석이고요. 끌어올리기 위해서 있는 전자석이고 옆에 측면에, 측면을 제어하기 위한 전자석이고, 그렇게 전자석이 배치되어 있습니다. 이게 몇 년, 벌써 5년 됐네요. 이것을 저희가 이제 새로 개발한 것들은, 개발한 시스템은 이렇습니다. 

   부상 전자석이 양쪽 면에 이렇게 설치되어 있습니다. 이게 캐리어고요. 무게가 800kg입니다. 안내 전자석은 측면으로 흔들리는 것을 제어하기 위한 것이고, 전동기는 이제 이동, 왕복운동에 필요한 추진력을 얻기 위한 전동기가 되겠습니다. 

   부상 제어를 하는 방식은 이것을 전자석에 전원을 넣어서 이것을 당겨 올립니다. 당겨 올리면 얼마나 당겨 올려졌는지 그것은 센서로 측정을 해서 계속 실시간으로 그것을 제어하게 됩니다. 그래서 수십㎛ 범위 내에서 흔들리도록, 눈으로 보면 거의 움직이지 않고 고정되어 있는 것처럼 그렇게 되고요. 안내는, 저희는 ‘안내’라고 하는데 측면으로 흔들리는 것을 잡아줍니다. 

   추진하는 왕복 이동하는 방식은 전동기를 사용하는 거고요. 전동기가 이제 원형이 아니고 직선형인데, 자기부상열차 같은 데는 직선형이고 공장 자동화 같은 데에서 많이 쓰이는 그런 전동기가 되겠습니다. 다 국내에서 생산하는 게 되겠고요. 

   이런 시스템을 이제 저희가 진공 챔버 안에 넣어서 진공 안에서 10-3torr 진공환경에서 가동을 시켰습니다. 

   시스템을 이제 제작한 시스템의 사진인데요. 다음 밀봉을 했기 때문에 아까 그림과는 좀 다릅니다. 부상 전자석이 여기 설치되어 있고요. 갭을 공극 얼마 떴는지 측정하기 위한 센서가 여기 설치되어 있습니다. 그리고 이게 캐리어고요. 안내 전자석이 여기 부착되어 있습니다. 

   아까 동영상과 조금 다르게 보이는 이유는 다 진공환경에 들어가기 위해서 밀봉했기 때문에 조금 다르게 보입니다. 

   크기는 프레임이 길이가 4m고요. 들어간 캐리어의 무게가 800kg, 캐리어 크기가 2.7m 곱하기 1300 그렇습니다. 사진을 보시면 캐리어 크기를, 캐리어하고 챔버하고 크기를 짐작하실 수 있을 겁니다. 

   저희가 당초 설정한 목표하고 저희가 개발한 결과 성능을 표로 보여드리는 건데요. 정지 자기부상을 보면 정지 상태에서 이동하지 않고, 캐리어가 이동하지 않고 정지 상태에서 공중에 떠 있는데 그냥 가만히 떠 있어야 되기 때문에 흔들리는 그 deviation을 ±7.65㎛ 이내로 잡았고요. 고속 자기부상, 고속은 초당 500㎜로 움직일 때 그때 ±141㎛로 저희가 잡았습니다. 

   저희가 개발한 시스템의 부분부분 동영상이 되겠습니다. 

   일단 제일 왼쪽 상단에 있는 동영상은 아까 한번 보셨지만 정지 상태에서 부상하는 게 되겠고요. 살짝 뜨는 게 보이시나요? 착지되어 있는 상태에는 공극이 2mm인데 저희가 1mm 부상시켜서 그 상태에서 ±7.65㎛ 이내로 뜨도록, 거의 눈, 육안으로는 확인이 잘 안 되는 정도로 공중에 가만히 떠 있는 상태입니다. 

   그다음에 오른쪽 상단에 있는 것은 이제 저희가 이제부터 갈 겁니다. 초속 30mm로 주행할 때입니다. 이때 이제 흔들림이 ±47㎛ 정도로 흔들려야 되기 때문에 역시 육안으로는 거의 보이지 않을 정도로 정밀하게 제어되고 있는 것을 알 수 있습니다. 그다음 왼쪽 하단에 있는 것은 초당 500mm로 조금 빠르게 이동할 때입니다. 

   그리고 오른쪽 하단에 있는 것은 초당 30mm로 이동할 때 그때 속도가 계속 어떤 흔들림이 없어야 되기 때문에 빨랐다, 느렸다, 빨랐다, 어떤 그런 cogging 같은 게 있으면 안 되기 때문에 그런 속도안정성을 저희가 확인한 겁니다. 

   마지막으로 저희 성능을 수치로 표현을 한 건데요. 정지 시 자기부상 오차가 개발목표치가 ±10㎛였는데 진공상태에서 ±7.65㎛가 됐고요. 초당 500mm로 고속 이동을 할 때 그때 ±141㎛, 이 정도로 굉장히 정밀하게 저희가 제어할 수 있는 그런 고청정 물류이송장치를 자기부상기술을 이용해서 개발했다고 말씀드릴 수 있습니다. 

   이상 발표를 마치겠습니다. 


[질문 답변]
※마이크 미사용으로 확인되지 않는 내용은 별표(***)로 처리했으니 양해 바랍니다. 

<질문> 물류이송장치를 바로 상용화시키려면 그 반도체공장에 맞는 것을 그때그때 만들어내야 되는 건가요? 그러니까 질문이, 죄송합니다. 그 장치의 크기가 이 반도체공장에서는 작은 걸 원할 수도 있고 큰 걸 원할 수도 있을 것 같은데 그때마다 그러면 물류이송장치를 따로 만들어야 되는 건지, 아니면 몇 번의 제어만으로도 이게 변경될 수 있는 건지, 세팅이. 좀 궁금합니다.

<답변> 좋은 질문을 해주셨는데요. 저희가 개발한 것은 핵심기술을 확보한 겁니다. 그래서 사용자의 환경이, 말씀하신 대로 사용자의 환경이 다 다를 겁니다. 저희들이 개발한 이것은 8세대, 8G Half 디스플레이 기판을 크기를 대상으로 캐리어를 만들었고요. 그러니까 캐리어가 2.7m 곱하기 1.3m라는 것이 8G Half 크기의 유리원판을 생각해서 한 것인데, ‘사용처가 다르다.’, ‘이송체가 다르다.’ 하면 거기에 맞게끔 다 크기를 조정해야 됩니다. 사용자 요구사항이 다 반영되어야 되겠죠, 이제.

   그래서 말씀하신 대로 저희는 핵심기술을 다 가진 것이고, 사용자 요구사항에 따라서 다 변경을 할 수 있는 정도의 수준에 와 있습니다.

   감사합니다.

<끝>