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피드백 기능 내장형 초절전 모듈레이터 한국기계연구원 스마트디바이스응용팀장_윤소남 책임연구원 (042)868-7155 / ysn688@Kimm.re.kr 최근 하루가 다르게 치솟고 있는 유가상승, 환경에 대한 인식과 함께 에너지 절약을 위한 에너지 효율향상 기술개발의 요구가 뜨겁다. 이에 월간전기는 에너지 효율향상 기술을 소개하고자 한다. -편집자주 1. 개요 일반 산업계뿐만 아니라 선박 및 항공용에 이르기까지 공기압 분야는 제어의 질 향상을 위하여 많은 연구개발을 진행한다. 공기압 시스템에 있어서, 기존 압력제어 기구는 수동식 혹은 솔레노이드방식에 의하여 이루어진다. 수동식(스프링 방식)으로 공기압력을 제어하는 경우, 스프링에 의하여 정해진 압력밖에 제어할 수 없으며, 응답이 늦은데다 정밀도가 낮아 자동화기기 및 제어성을 요구하는 시스템에는 부적절하다는 단점이 있다. 솔레노이드를 사용하는 방식에는 솔레노이드가 온도 변화에 민감하게 반응하여 흡인력이 저하되는 특성이 있다. 또한 전기적 작동 시 스파크가 발생하고 전자기적인 영향으로 인하여 통신이 어렵기 때문에 위험가스 취급지역인 원거리 통신 시스템에는 부적합하다. 최근 자원부족으로 인해, 에너지 절약에 대한 요구가 높아지면서 지구온난화와 관련된 클린·그린에너지 관련 기기 개발에 대한 관심도 매우 높아졌다. 일반적으로 압전 액추에이터는 기존 솔레노이드에 비하여 응답이 빠르거나 동급이면서 에너지 절약 특성과 안전성이 매우 우수하기 때문에 미국, 독일, 일본을 비롯한 세계 선진국에서는 이미 오래전부터 상용화하여 산업계의 여러 분야에 응용하고 있는 기술이다. 이번에 개발된 기술은 압전 액추에이터(PZT)를 이용하여 마이크로 밸브를 제작하고, 제작된 압전 마이크로 밸브 2개를 이용하여 최종적으로 대유량에 적합한 압력제어를 펄스폭 제어방식에 의하여 비례적으로 하는 것이다. 이로 인해 기존 솔레노이드 방식에 비해 4배 이상의 에너지 절약 효과를 얻을 수 있다. 이 개발로 얻은 기술은 기존 고소비전력 솔레노이드 방식의 모듈레이터 시장에 저소비전력의 기술적 우위를 가지는 획기적인 것으로 판단된다. 또한 압전밸브를 디지털화하여 최종적으로 압력을 비례적으로 제어하는 기술은 경쟁력을 갖춘 미래지향적인 기술로 평가받고 있다. 2. 원리 및 구조 개발된 제품의 외관 구조 및 제어 흐름도를 <그림 1>로 나타냈다.
 이 제품은 피드백 기능이 내장되고 전기·전자·기계 기술이 융합된 압력제어 밸브로, 크게 밸브 하우징, 출력밸브(포펫방식), 입·출구 파이로트 밸브, 컨트롤러 및 디스플레이 장치, 압력센서로 이루어져 있다. 포펫방식 출력밸브는 입·출구 파이로트 밸브 동작에 의한 설정압력에 반응하여 최종적으로 대유량 압력을 제어하는 것이다. 파이로트 압력을 피드백하기 위하여 다이어프램 장치를 내장하고 있다. 입·출구 파이로트 밸브는 압전 액추에이터로 구성된 마이크로 밸브로, 동작은 컨트롤러에서 발생하는 펄스폭 신호에 의해서 교번하는 방식으로 이루어진다. 컨트롤러에는 마이크로프로세서가 내장되어 있어, 입력신호와 압력센서로부터의 신호를 실시간으로 계산하여 차이값을 각각 입구 및 출구의 압전 마이크로 밸브에 전달하여 동작을 유도시킨다. 디스플레이 장치는 압력센서로부터 받은 전압값을 압력값으로 환산하여 사용자가 쉽게 시스템 제어 압력값을 볼 수 있도록 되어 있다. 압력센서는 출력밸브 출력부에 설치되어 있어, 최종적으로 제어되는 압력값을 센싱하여 컨트롤러 쪽에 압력값 정보를 전송하는 역할을 한다. 3. 개발 사례
   <그림 2>, <그림 3>, <그림 4>, <그림 5>는 각각 개발된 압전 액추에이터의 구조, 해석 특성, 시작품 및 마이크로 밸브를 나타낸 것이다. <그림 2>는 파이로트 밸브용으로 사용하기 위하여 설계된 압전 액추에이터의 외관 및 내부 구조를 나타낸 것이다. <그림 3>은 아틸라(Atila) 소프트웨어를 이용하여 계산한 변위 결과이며, <그림 4>는 제작된 압전 액추에이터 사진이다. 이 연구에서 제작된 압전 액추에이터는 20층 구조로 되어 있다. 크기는 27.0㎜×9.0㎜×0.8㎜이고, 압전상수는 220e-12m/V이다. <그림 5>는 설계·제작된 압전 액추에이터를 이용한 마이크로 밸브의 내부 및 조립 후 상태를 나타낸 것이다. 전술한 바와 같이 2개의 마이크로 밸브는 <그림 1>의 입구·출구 파이로트 밸브로 사용된다.
 <그림 6>은 설계된 모듈레이터의 투영도와 제작된 부품들의 사진을 나타낸 것이다. 압력센서와 마이크로프로세서를 제외하고는 순수 국내의 기술로 이루어졌으며, 금형설계·제작을 통하여 양산 준비 단계까지 성과를 이루어 놓은 상태이다.
 4. 성능시험 결과 <그림 7>은 설계·제작된 적층 벤더형 압전 액추에이터의 변위특성 실험 결과를 나타낸 것으로, 80V에서 150㎛ 이상의 변위가 발생하고 있음을 알 수 있다. 또한 힘 특성에 있어서는 상용압력에서 무난히 사용할 수 있음이 확인되었다.
 <그림 8>에는 개발된 모듈레이터 성능을 평가하기 위하여 제작된 실험 장치를 나타내었다. 개발된 모듈레이터는 기존 솔레노이드 방식과 상대 평가되었으며, 모듈레이터 자체의 성능향상을 위한 제어기법이 연구되었다. 실험은 단순 ON/OFF 제어만을 사용한 경우와 PID-PWM제어 및 PID-PWM-포화함수 제어를 사용한 경우에 대해 실행되었다. 실험은 사용압력 0.4[㎫](=4[bar]), 샘플링 시간 0.001[s], PWM 삼각반송파 시간 0.05[s], 스텝 신호1[s](ON)~8[s](OFF), 히스테리시스 신호 0~4~0[V]의 1회 삼각파, PID 게인이 , 인 조건하에서 이루어졌 다. 실험 데이터 측정을 위한 DAQ(Data AcQuisition)장비로는 NI사의 NI-6062E를 사용하였으며 소프트웨어로는 매틀랩(Matlab)사의 시뮬링크(Simulink) R14를 사용하였다.
 <그림 9>는 단순 ON/OFF제어, PID-PWM제어, PID-PWM-포화함수 제어 실험을 위한 시뮬링크 블록선도를 나타낸다. 여기에서 (a)는 출력신호를 받아 입력값과 비교하여 오차에 해당하는 만큼의 제어 신호를 단순한 ON/OFF형식으로 압전 파이로트 밸브를 개폐한다. (b)는 (a)와 동일한 형식으로 오차값을 계산하지만, 제어신호를 낼 때는 PID 제어신호를 PWM 신호로 변환시켜 최종 제어신호를 만들어 내는 블록이다. (c)는 (b)와 제어방식은 동일하나, 임의의 제어 기울기 제한값을 주는 형식으로 제어하여 시스템을 부드럽게 구동시키는 역할을 한다. <그림 10>은 PID-PWM 제어 기법을 솔레노이드 방식 및 압전 방식에 적용시켜 제어했을 때의 실험 결과이다. PID 게인이 최적화되어 있지 않고, 두 개 모듈레이터의 경우 동일한 게인을 사용한 결과이나, PZT 방식도 솔레노이드 방식과 동일한 결과를 내고 있음을 알 수 있다. <그림 11>은 PZT 방식 레귤레이터의 히스테리시스 특성 향상을 위하여 기존 PWM 제어 방식에 포화함수를 적용한 결과다. <그림 11>에서 인 경우 직선성은 좋으나 히스테리시스 성능이 떨어진 반면, 인 경우에는 직선성 및 히스테리시스 성능이 개선되었음을 알 수 있다. 개발품 제어기는 시스템 성능에 맞게 를 조절할 수 있도록 하였다. 개발된 모듈레이터의 에너지 소비량을 측정하기 위해 파워미터를 이용하여 측정한 결과, 소비전력 특성은 동일사양의 솔레노이드 방식 모듈레이터인 경우가 2.2W, 개발된 압전식 모듈레이터가 0.5W인 것으로 측정되었다. 이것으로 압전식일 때 4배 정도의 에너지 절약 효과가 있는 것이 확인되었다. 5. 향후 과제 개발된 모듈레이터는 반도체용(칩 조립 라인, 세정 라인), 자동차용(부품운송 라인, 로봇조작 라인, 버스 및 차량 브레이크 라인), 자동화(식품생산 라인, 포장기구 라인, 초정밀 기계조립 라인, 담배제조 라인, 신발제조 라인), 필드버스용(빌딩·사무실, 공기조화·청정 라인, 위험지역, 화재지역), 항공용(기내공기 조화 및 자동화기기 라인), 천연가스 제어용 태양열 에너지 시스템 등 산업 전 분야에 걸쳐 사용되고 있으며, 기본적으로 1대의 유체 제어시스템(공기압, 가스)에는 1대의 모듈레이터가 사용되고 있다. 또한 공업 분야의 기기들이 전 세계적으로 연 3% 이상의 신장율을 보이고 있어 매우 전망이 밝은 부품이다. 에너지 절약 면에 있어서도 수 배에서 수백 배에 이르는 특성을 가지고 있기 때문에, 많은 수요가 예상되며 에너지 절약에 기여할 것으로 기대된다. 그러나 압전식 모듈레이터를 상용화하고 국제 경쟁력 있는 모델로 발전시키기 위해서는 해결해야 할 몇 가지 과제가 있다. 첫째, 압전 액추에이터의 안정화이다. 저전압 구동, 대변위 및 고구동력을 위해서는 수 ㎛의 박막 PZT 및 수십 층의 적층 공정이 필요하다. 이 때 적층, 분극 및 커팅 기술은 매우 중요하므로 압전 액추에이터를 안정화하기 위해서는 반드시 해결해야 할 기술이다. 둘째, 압전 액추에이터는 기존 솔레노이드보다 높은 전압에서 구동되고 콘덴서 특성이 있기 때문에, 응답특성 향상을 위해서는 방전기술이 필요하다. 이로 인하여 제어기가 복잡해지거나 커지는 문제가 발생할 수 있기 때문에 최적의 제어 회로 기술이 필요하다. 셋째, 내구성 및 신뢰성이다. 압전 액추에이터의 최고 약점인 취성을 줄이고 수천만 회 작동에서도 문제가 발생하지 않으며, 신뢰성 범위에서는 성능을 보장하는 특성 등을 갖추어야 한다. 이러한 문제들이 해결되면 솔레노이드를 대체하는 신기능·신원리 액추에이터를 이용한 모듈레이터 기술 발전을 기대할 수 있을 것으로 사료된다.
<Energy News>
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