메카트로닉스 산업1. 메카트로닉스 산업의 현 위상국내 메카트로닉스 산업은 그 수요가 연평균 20% 이상의 급속한 성장이 이루어지고 있으나, 핵심기술의 자립화가 이루어지고 있지 못하여 아직 수입의존도가 높을 뿐 아니라 국제경쟁력도 열위에 있어 수출산업화가 부진한 실정이다. 이와 같은 산업용 기기뿐 아니라, 컴퓨터용 기기, 전자카메라, 전자의료기기와 같은 고성능 메카트로닉스 기기에 있어서도 레이저 프린터용 엔진에서 보는 바와 같이 그 핵심부품의 해외의존도가 아직 매우 높은 실정이다. 국내 메카트로닉스 산업은 센서, 액튜에이터, ASIC와 같은 핵심부품의 해외의존도가 높고 이것이 동 산업의 국제경쟁력 향상에 큰 지장이 되고 있다.메카트로닉스 산업은 국가 기술 경쟁력을 대변하는 주력 기간산업으로서 선진국에서도 성장단계에 있는 산업으로 미국, 일본, 독일, 영국, 이탈리아 등 주요 선진국들이 세계시장을 주도하고 있다. 메카트로닉스산업은 비교적 신기술 분야이며 성장성이 매우 높은 산업으로 기술의 발전도 매우 빠르며 기술 개발력이 산업의 경쟁력을 좌우하는 관건이 되고 있다. 메카트로닉스 산업은 기계기술, 전자기술, 정보처리기술이 융합된 기술분야이며, 최근 이러한 복합화의 경향은 「옵토 메카트로닉스」,「바이오 메카트로닉스」와 같이 타기술과의 융합화가 더욱 확대되고 있다. 장래에는 인간공학이나 심리공학의 지식까지 그 범위가 더욱 확대될 것으로 전망된다. 메카트로닉스 기술은 거의 모든 산업용, 민생용 제품에 응용되고 있으며,「제품성능의 경쟁력」을 좌우하는 핵심요소로 부각되고 있다. 메카트로닉스 기술은 산업분야에 있어서 「정보혁명」의 일환으로 추진되고 있으며, 앞으로도 다양한 형태로 진전되어 나갈 것으로 전망된다. 메카트로닉스산업은 산업의 경쟁력뿐만 아니라 고용, 노동의 질, 노동의 모럴과도 같은 사회적 영향, 나아가 가정의료분야 등의 인간복지에도 파급효과가 매우 큰 기술분야이다.한국도 선진국 대열에 진입하면서 국내산업이 기술집약적인 메카트로닉스 관련 고부가가치 산업으로 급속히 80년대를 거치면서 하드웨어적 측면에서의 발전이 주도를 이루었고, 최근에는 마이크로 프로세서의 급속한 발전에 힘입어 새로운 발전의 양상을 보이고 있다. 기술적 측면에서 구체적으로 보면, 먼저 CNC 컨트롤러의 오픈화 및 네트워크화를 통한 다양한 통신기능을 부가함으로써 단순 기계제어에서 설계, 생산, 영업 및 서비스 정보와 연계시켜 통합제어 할 수 있는 수준에 이르고 있고, 원격제어를 통한 타지역의 NC 공작기계를 제어할 수 있는 단계에 이르고 있다. 이와 같은 통신기능과 아울러 프로세스의 고속연산능력에 힘입어 이전에는 단순히 이론적인 수준에 머물렀던 고속 절삭력제어 및 정밀 열변형제어 등 다양한 제어이론들이 CPU에 탑재할 수 있게 됨에 따라 가공속도 및 가공정밀도가 급속히 향상되고 있다. 최근에는 기존의 NC공작기계와는 기본구조가 다른 신개념의 공작기계가 등장하고 있다. 이와 같은 예로 병력구조를 응용한 공작기계를 들 수 있겠다. 기존의 공작기계는 직선축 및 회전축으로 구성되어 각각의 축이 6가지의 운동을 독립적으로 제어하고 있음에 반하여, 신개념의 공작기계는 6개의 축이 동시에 움직임으로써 고강성, 고속 등에 유리하다.2) 산업용 로봇산업용 로봇의 실용화는 미국과 일본을 중심으로 전개되어 ’70년대에 들어서 센서기술을 도입하여 감지력을 가진 용접, 도장 및 물류취급용 로봇이 생산되었고,’80년대에는 대량생산 및 다품종 생산 체계의 공장 자동화라인에 각종 로봇들이 투입되었다. 1990년대에는 이동기능, 센서기능, 지적기능 등을 갖춘 지식기반의 로봇이 탄생하였다. 유엔유럽경제위원회가 세계 로봇공학연맹의 협조를 얻어 작성한 보고서에 의하면 1999년말 기준 전세계적으로 사용되고 있는 산업용로봇은 모두 74만2500대이며 2000년에는 75만7600대, 2003년에는 89만2200대로 증가할 것으로 전망했다. 산업용 로봇의 사용이 증가하는 것은 견실한 경제성장과 산업용 로봇의 상대가격이 하락하고 있다는 것이다. 산업용 로봇의 상대가격이 하락한다는 의미는 산업용 로제국은 가장 큰 시장규모를 형성하고 있으면서도 단지 세계시장의 10%정도를 공급하는 데 그치고 있다. 세계시장에의 진출은 미국의 기술적 우위와 기존의 소프트웨어와의 호환성 문제로 큰 어려움을 겪고 있다. 일본은 아시아 지역을 중심으로 세계 시장의 20% 정도를 공급하고 있다. 아시아를 포함한 태평양 연안 국가는 급속한 공업화와 더불어 CAD/CAM 시장의 성장률이 가장 빠른 지역이 되고 있다. 이 분야에 대한 미국의 기술적 우위는 확고하여 유럽이나 일본을 훨씬 앞서고 있으며 이러한 추세는 당분간 이어질 것으로 보인다. 2000년 세계 시장규모는 347억 달러에 달할 것으로 예상했다.4) PLC1997년 세계 PLC 시장규모는 하드웨어, 소프트웨어 및 관련 서비스를 포함하여 55억달러에 달했다. ’90년대 세계 PLC 시장은 연평균 5%정도씩 증가해 왔으며 이러한 추세라면 2000년에는 67억 달러에 달할 것으로 전망했다. PLC 시장의 83% 이상을 차지하는 하드웨어분야의 경우 수량 기준으로 9%이상 성장하였으나, 기술 개발에 따른 지속적인 가격 감소로 금액기준으로는 연평균 2%대의 낮은 성장률을 기록하였다. 반면, 최근 IEC1131-3으로 대변되는 표준화 경향을 반영한 소프트웨어 부문은 소프트 PLC의 등장과 사용자 인터페이스 고급화에 힘입어 매년 14%에 달하는 고성장을 기록하고 있다. PLC 시장은 산업 현장에서의 자동화 요구의 증가, 중국을 포함한 동남아 및 라틴아메리카의 급속한 산업화, 환경과 노동자 안전에 관한 엄격한 규정의 강화에 따른 제조 설비에서의 프로세스 자동화의 요구 증대 등의 요인으로 꾸준한 성장이 예상된다. 세계 PLC시장에서의 업체별 시장 점유율은 독일의 지멘스가 25%이상의 점유율로 1위이며 로크웰 오토메이션과 AEG 슈나이더 오토메이션이 각각 18%와 11%로 2, 3위를 기록하고 있다. 또한 일본 업체로는 각각 11%와 8%의 점유율을 갖는 미쓰비시와 오므론이 4, 5위에 랭크되어 있다.최근의 PLC 기술은 크게 소형화, 고신뢰계기술에 전자기술 또는 정보처리기술을 응용하는 연구분야를 지칭한다. 메카트로닉스란 어휘는 1975년경 일본에서 최초로 사용되기 시작되었으며, 기구(Mechanism) 또는 기계공학(Mechanics)과 전자공학(Electronics)이 결합되어 구성된 새로운 시스템을 지칭하는 용어로 사용된다. 최근에는 컴퓨터 기술의 발전과 더불어 정보처리기술을 포함한 광의의 의미로 확대되는 경향이 있다.1) NC 공작기계국내의 기술수준은 주요 기술분야에서 전반적으로 선진국보다 열위에 있으며 특히 고속화, 고정밀화, 지능화, 신소재/재료분야/환경대응기술분야에서 열세가 두드러진 것으로 평가된다. 고속화 분야에서 상세히 비교해 보면 주축 및 이송계의 고속화분야에서 선진국과 많은 차이를 보이고 있으나, 국내에서도 이 분야에서 많은 연구가 진행 중에 있어 조만간 격차를 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 현재 선진국은 주축속도 40,000 ~ 60,000rpm을 보편화 시켰고, 가공의 정밀도 요구치가 10㎛, 1㎛였던 것이 지금은 제품이 정밀화되어 가고 마이크로 머시닝 등의 수요가 발생하면서 정밀도 요구치가 0.1㎛ 수준으로 증가하였고, 이러한 수요를 만족시키기 위해 정밀도를 0.01㎛ 수준으로 공작기계를 만들려고 하는 경향이 나타나고 있고, 일부 선진국에서는 1㎚에 도달하고 있다고 본다. 이송계 분야에서는 선진국에서 리니어 모터를 이용함으로써 기존의 서보모터 및 볼스크류 구동시스템에서는 달성이 어려운 120m/min 이송속도를 가진 머시닝센터라 개발되었다. 환경대응화 기술로는 에너지 절약화와 환경부하저감 등의 기술이 부각되고 있다.2) CNC제어기술분야에서는 가장 중요한 것이 CNC분야인데, 특히 일본과 비교해 볼 때 5년전의 격차를 약간 줄이기는 하였으나 아직도 큰 차이를 보이고 있다. 하지만 기대되는 바는 정부지원 하에 공작기계업체들이 공동으로 보급형 KSNC를 개발하여 양산공급에 나서고 있으며 국산에 대한 기피현상 등으로 애로 사항을 겪고 있으나, 신뢰성이 확보되어 업계에서도 일부없는 한 기술의 격차는 심화될 전망이다.국내 서보모터의 제조 기술은 소형의 경우 선진기술 수준에 80%까지 근접했다고 보여지나 대용량으로 갈수록 기술 격차가 커지고 있으며, 특히 핵심 부품의 해외 의존도가 심각하여 제품의 경쟁력을 약화시키는 요인으로 작용한다.- 실제기술 및 관련기술지금까지 기술했던 각 분야별 사항중 메카트로닉스 주요 핵심요소기술을 분류하여 보면 다음과 같다.표 1. 메카트로닉스 요소기술 분류{핵심기술응용기술- 초정밀구조설계- 초정밀 기계가공장치- 반도체 장비개발- IT기반 Nano 제어용 CNC기술- 초정밀 액츄에이터 설계 및제어기술- IT기반 Nano 제어시스템 개발- Nano제어 motor & Drive시스템 개발- 초정밀 센서설계/ 신호처리기술- 나노센서 개발- 고밀도 정보저장장치 개발- 초정밀 가이드 기구 설계- 초정밀 광학소자 성형시스템- Linear motor 개발- 에러분석 및 보상기술- 반도체 검사/수리 장비 개발- 초미세 가공기술- 초정밀 방전 성형시스템 개발- 초소형 광응용 기술- 정밀 광응용 복합 기계시스템- 시스템 통합기술- 초정밀 기계가공장치메카트로닉스 기술은 거의 모든 산업용, 민생용 제품에 응용되고 있으며 제품 성능의 경쟁력을 좌우하는 핵심요소가 될 것으로 예상된다. 특히 NC공작기계, 산업용 로봇 등과 같이 생산자동화를 비약적으로 발전시켜 지금까지 없었던 신기술, 신상품을 지속적으로 창출하고 있고 최근 정보화 시대를 맞이하여 메카트로닉스 기술에 대한 수요는 갈수록 증가하고 있으며 그 응용범위도 날로 확대되어 가고 있다.메카트로닉스의 기술적 발전과정으로 지금까지는 전자기술의 발전이 주류를 이루어왔으나, 전자기술의 발전은 기계기술의 초 정밀화를 촉진시켰고, 최근에는 기계의 미세화를 추구하는 마이크로 메카니즘의 주목을 받고 있으며 이 기술이 실용화될 경우에는 메카트로닉스 기술에 많은 혁신을 가져올 것으로 기대된다.4. 파급효과메카트로닉스산업은 선진국에서도 성장단계에 있는 산업으로 미국, 일본, 독일, 영국, 이탈리아 등.
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