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기계와 전자의 결합, 새로운 영역 메카트로닉스는 어떻게 구축되었을까. 또한 이것이 지향하는 바는 무엇일까

메카트로닉스(Mechatronics)라는 단어는 일본인에 의하여 만들어진 영어적인 일본어이다. 이는 최근 15년 사이에 형성된 단어로 어원은 명확하지 않다. 메카트로닉스의 영어적 구성을 보면 mechanism과 electronics의 합성으로 볼 수 있는데 일렉트로닉스라는 단어와의 대비로 볼 때 메카니즘보다도 mechanics쪽이 좋다는 의견도 있다.

메카트로닉스가 기술용어로 명확하게 정의된 것은 없다. 메카트로닉스가mechanics와 electronics의 합성이라고 하면 기계공학과 전자공학 또는 기계기술과 전자기술이 합성된 분야 즉, 기계·전자의 일체화 기술이라 할 수 있다. 또한 전자기술의 의미를 보다 한정한다면 정보공학, 정보기술이라고 할 수도 있어 메카트로닉스는 기계·정보일체화 기술이라고 하는 것도 가능하다.

따라서 이정도의 논의로도 메카트로닉스는 기계공학분야에 electronics(특히 microelectronics)를 응용하는 것에 의한 하드웨어, 소프트웨어의 양면으로부터 보다 고도화된 기계기능을 구비하는 기술이라는 개념으로 말할 수 있다. 메카트로닉스를 이해하기 위하여 기계·전자기술의 복합화로 이루어진 것들을 유형별로 정리하여 보면 (표1)과 같다.

가중효과와 조화효과

제품이라는 물건의 형태에서만 볼 때 종래의 기계에 마이크로컴퓨터를 내장시킨다면 메카트로닉스라 할 수 있는가 하는 점이다.
현대는 극단적으로 말한다면 신발명, 신발견이 없는 시대이며 기술의 복합화시대라고까지 불려지고 있다. 여기에서 기술의 복합화라는 것은 지금까지 타분야의 것으로 간주하여 공존이 이루어지지 않은 것들을 서로 합체하는 것이다. 어디로부터 어디까지가 어느 쪽의 분야이다하는 구분이 명확하지 않은 기술분야가 복합화의 전형인 셈이다.

복합화를 효과의 측면에서 보면 두가지의 관점이 있다. 기계에 마이크로컴퓨터를 내장한다면 메카트로닉스인가 하는 의문에 답이 될 수 있는 복합화는, 첫째로 내장되는 것에 의하여 상호의 특징이 보다 강화되어 새로운 기능을 탄생시켜 가중효과를 나타내는 것이다. 둘째는 메카닉스와 일렉트로닉스를 서로 조합시키지 않고서는 단독으로만 응용할 수 없었던 분야를 창조하여 조화효과를 나타내는 것이다

기술적 입장에서 보면 가중효과쪽이 용이하다. 형식적으로는 조화효과쪽이 용이하게 보일 수 있어도 광범위한 지식과 새로운분야에의 적용성을 내다보는 높은 안목이 필요하게되어 조화효과의 창출이 용이한 것은 아니다.

메카트로닉스의 개념을 좀더 구체화하기 위하여 다음과 같은 두가지의 관점을 소개하고자 한다. 첫번째는 인간이 유용한 목적을 달성하기 위하여 기계를 조합하여 만들고 이것들의 각부에 특정한 기능을 부여하여 전체로서 소정의 기능을 실현시킨 것이다. 이것은 소정의 기능을 얻기 위해, 기계부품(요소) 대신에 일렉트로닉스 부품을 추가하여 기계부품과의 유기적 결합으로 이전것보다도 탁월한 기능을 실현시킨 것이다.

여기에서 말하는 일렉트로닉스 기능부품으로서는 마이크로프로세서, 연산증폭기, AD/DA(아날로그-디지탈 또는 디지탈-아날로그) 변환기등이 있다. 두번째는 기계의 일렉트로닉스화라는 점이다. (표2)에 나타난 것처럼 기계기술의 발전에 따른 기계기능의 변화에서 볼 수 있듯이, 현재 기계기술의 발전단계의 특징은 기계의 지능화라고 일컬어지고 있으며 이를 가능하게 하는 것은 집적회로 기술을 핵으로한 일렉트로닉스 기술의 혁신이다.

메카트로닉스의 하드웨어는 (그림1)과 같이 네가지의 요소에 의하여 구성되어 있다고 생각할 수 있다.

시스템으로 이해해야

여기에서 정보처리부는 컴퓨터, 프로그램 머블콘트롤러, 수치제어장치 등에 사용되는 정보처리수단에 대한 장치의 총칭이다. 정보처리부에 있어 소프트웨어의 비중은 매우 크다. 현재 위와 같은 네요소 전부를 갖추지 않은 것에 대해서도 메카트로닉스화한것으로 불려지고 있으나 엄밀하게는 전부를 포함한 것을 메카트로닉스시스템이라고 한다.

□기계본체부
메카트로닉스로서 특징을 발휘하기 위해서는 기계본체부의 고성능화를 꾀하지 않으면 안된다. 이제까지는 금속재료를 기초재료로 한 것이 있으나 경량화를 생각하면 복합재료등의 비금속계 재료를 채택할 필요가 있다. 기계본체의 경량화는 구동계의 소형화에도 직접적인 관련이 있고, 제어면에서 보면 응답성의 개선에도 관련이 있다. 경량화하는 것은 강성의 저하가 될 수 있다는 오해가 있을 수 있으나 사실은 그렇지 않고 이는 소비에너지를 줄이는 동시에 효율의 향상에 기여하게 된다. 강성면에서는 정적,동적, 열적인 것 등 여러 측면에 대하여 고려하여야 한다.

섭동안내면의 마찰을 적게 하고 급유의 필요성을 없애는 것은 시스템의 보전성 향상의 측면에서 바람직하다. 보수성의 측면에서는 기계의 단위화를 꾀하여 기계조직을 모듈화 함으로써 보수성이 향상될 수 있다. 모듈화를 포함 표준화 규격화를 추진하는 것에 의하여 수리부품의 신속한 입수, 보수하기 쉬운 형태유지, 호환성 등이 갖추어져야 한다.

메카트로닉스는 개체라기보다는 시스템이라고 하는 면이 강하기 때문에 한군데의 고장은 전체의 고장과도 연결된다. 관리유지의 무결점화를 이상적인 것이라 해도 보수하기 쉽고 고장을 발견하기 쉬운 시스템이 훨씬 유리하다. 이러한 점은 전체적인 신뢰성 향상에 작용하는 바가 크다. 내환경성은 일반적으로 공학기술적인 규정이 명확하게 될 수 없는 대상이기는 하나 먼지부스러기 문제는 본체구조가 저항력을 갖추어야 할 것을 명확히 한다.

□센서부
센서는 용도에 따라 두가지로 나눌 수 있다. 시스템 내부의 상태를 파악하기 위한 내부영역의 센서와 작용대상환경을 파악하기 위한 외부영역의 센서이다. 이들 센서는 검출부 변환부 지시부 신호처리부 기록부 등의 방식과 기능 감도 분해능 내환경성 내잡음성 신뢰성 등의 면에서 평가되어야 한다. 또 프리프로세서(preprocessor) 인프로세서(inprocessor) 포스트프로세서(postpro-cessor)등의 시스템화에서 발생되는 문제, 아날로그계 디지탈계(하이브리드 포함)등의 적용에서 야기되는 문제 등이 있다.

센서의 채택에는 검출부만을 고려하는 협의의 센서와 검출기로부터 처리기까지를 포함하는 센서시스템이 있다. 전자는 검출하는 방법 및 성능을 문제점으로 지적할수있고 후자는 처리수단 및 수법을 중심적인 문제로 생각한다. 센서문제는 신뢰성과 고감도화의 두가지로 집약할 수 있다. 신뢰성은 내잡음성 내환경성 감도안정성으로 평가되며 모두를 만족할 수 있는 센서는 극히 소수이다. 내잡음성은 일반적으로 전기적잡음을 문제로 하므로 광전송같이 전기와는 이질적인 수단을 채택하는 것이 훨씬 우수할 수 있다.

외부영역의 검출기에 대해서는 특히 비접촉형의 검출기술개발이 요구된다. 센서의 고도화로는 센서의 복합화, 기능의 소자화, 지능화 등을 들 수 있고 여기에서 기능의 소자화란 검출부에서 처리부까지를 한개의 칩만한 소형으로 결합한 형태라고 할 수 있다. 이러한 것은 악조건에서의 적응력이 좋고 센서체계의 교환시스템을 용이하게 하여준다.

제일 중요한 것은 센서를 소자화함으로써 센서의 계층적 구조를 보다 용이하게 구축하여 처리기능을 세분화하게되면, 시스템과의 적응이 용이한 고성능 시스템을 만들기가 가능해 진다는 것이다. 센서의 지능화는 자기진단 보청기능을 갖춘 센서체계를 말한다.

□정보처리부
정보처리부에서는 I/O(입출력)기기 디스플레이 디스크 컴퓨터 프로그래머블콘트롤러 등이 대상이 되며 하드웨어의 중량처리속도 신뢰성 내잡음성 표준화 등이 문제가 된다.

마이크로 일렉트로닉스의 진보는 마이크로컴퓨터체계를 설계, 선택할 수 있는 범위의 확장을 가져왔으며 이러한 발달이 메카트로닉스 발달의 핵심적 요인이기도 하다. 그러나 신뢰성이 없거나, 내잡음성이 떨어지거나, 고속처리 기능면이 부족하거나, 조작성이 나쁘거나, 유지부담이 크거나 하는 등의 여러가지 개선점이 요구되는 것도 사실이다.

A/D변환의 신뢰성 향상, 시분할때의 I/O의 정확성 등은 중요한 문제이며 특히 다른 구성요소에서 방출하는 잡음을 포함하여 여러 하드웨어가 공존하는 정보처러부의 내잡음성은 아주 중요한 문제이다. 복잡하고 많은 정보를 온라인(on-line)으로 처리하여 즉시 하드웨어를 움직여야 하는 메카트로닉스 시스템의 특징은 정보처리부의 고속처리기능에 힘입은 바 크며, 고속연산프로세서 고속화상처리하드웨어 고속음성처리하드웨어 디스크 등을 갖춘 컴퓨터가 요망된다.

정보처리부에 자기진단기능의 부가는 신뢰성의 향상을 꾀할 수 있으며 동시에 맨-머신 인터페이스(man-machine interface)기기의 지능화도 요구된다.

□엑튜에이터부
엑튜에이터는 전기, 공기, 기름 등을 동력전달원으로 하는 여러 종류가 있다. 엑튜에이터에 대해서는 소형 경량 고출력의 세가지를 동시에 만족하는 것이 요구되고 있으며, 현재 엑튜에이터로는 전기모터가 넓게 이용되고 있다. 고속응답이 가능한 콘트롤러와 인코터를 내장한 모터, 센서와 기구변환장치를 일체로 한 집합적 시스템으로서의 엑튜에이터 사용이 필요하다.

□인터페이스부
기기본체 센서 컴퓨터 엑튜에이터 등 각 구성요소간을 연결하는 것이 인터페이스이다. 전체 구성요소간의 인터페이스가 표준규격으로 정보의 교환이 가능하도록 되어 있으면 보수유지뿐만 아니라 설계도 용이하게 된다. 이는 또한 기능면에서 다소 필요이상의 것이 포함되어 있을 수는 있으나 가격면에서 매우 유리한 입장이 된다. 고속직렬전송수법의 발달, 신호용전달선의 비접촉화, 광섬유 및 포토커플러의 대용량화, 소형화 표준화 등으로 특정지어지는 광신호 전송기술의 응용이 크게 기대되고 있다.

□소프트웨어의 통합화기술
소프트웨어와 하드웨어는 자동차의 양바퀴와 같은 관계이며 이들 간의 불균형은 매우 좋지 못한 영향을 초래한다.
따라서 소프트웨어에도 하드웨어의 발전화 양립할 수 있는 기술혁신이 필요 하다. 소프트웨어는 기계시스템에 대한 노하우가 결집되어 있는 곳이기 때문에 비밀을 유지하기 위하여 단독적인 개발에 의존하는 경우가 많다. 그러나 이러한 방법은 소프트웨어의 발달에 생산성, 개발비용, 시간 등의 측면에서 부정적인 영향을 주게된다.

소프트웨어 개발의 생산성을 높이기 위해서는 호환성을 유지하도록 만들어지는 것이 필요하다. 또한 시스템프로그램의 작성시 시간을 단축하기위하여 각 부프로그램의 표준화 부품과 및 각종 라이브러리프로그램의 롬(ROM)화 등이 이루어져야 한다.
소프트웨어와 하드웨어의 조화된 공존을 위하여 기계부품과 전자부품의 상호불균형이 개선되어야 한다. 예를들어 기계부품의 구동계, 전달계의 백래쉬 등 일렉트로닉스에 비해서 반응이 늦은 기계부품의 응답특성이 개선되지 않으면 통합화의 효율은 떨어진다.

인간을 위한 도구

기계는 인간을 위한 도구로 인간을 대신하거나 보조역할을 하는 것으로 발달을 거듭하여 홨다. 항공기 잠수함 등은 이용공간의 확대를 위한 수단이라 볼 수 있고 자동차 열차는 발의 이동기능을 확장하는 것이라고 생각할 수 있다. 손으로 사용하는 공구에 동력장치를 부착한 기계는 인간이상의 완력을 발휘한다.

기계는 이와같이, 직접적으로 사용하는 협의의 도구로부터 광의의 도구인 자동차시스템까지 무척 넓고 다양하다. 메카트로닉스화 함으로써 얻고자 하는 것은 메카트로닉스제품 자체에 대해서는 제품의 동작을 자동화하고 무인화하기 위해서이고, 메카트로닉스 제품을 사용하는 입장에서는 생산공정의 자동화 및 무인화를 행하기 위해서 라는 것으로 압축할 수 있다. 메카트로닉스화함에 따라 발현되는 기능의 특징을 설명하면 다음과 같다.

□고기능화
복합기능은 개개의 기계장치에서는 볼수없었던 메카트로닉스 시스템의 커다란 특징이다. 그것은 기억, 연산처리기능, 제어 계측의 범위와 정도 등이 크게 개선되었음을 의미한다.

□유연성의 부여
사용자의 요구가 다양화되어 있는 것이 현대사회의 커다란 경향의 하나이다. 메카트로닉스화는 모델변환의 위험도 경감, 사용자의 독창적 이용법 실현 등 다양한 요구에 대응할 수 있는 기능의 구현의 가능하게한다. 또한 기능변경, 선택기능에의 대응, 상위기능에의 확장 등을 용이하게 할 수 있는 유연성을 갖게 된다.

□단순화
부품의 소형화와 구성부품의 수량감소를 꾀할 수 있는 것도 메카트로닉스화의 특징이다. 구성부품의 감소는 시스템의 신뢰성 향상에 크게 기여하고 제품의 단순화에도 연결되어 자동조립등의 자동화생산을 용이하게 한다. 단순화는 공간절약이 될뿐만 아니라 동시에 공간이용의 재량을 확대시켜주기도 한다.

□신뢰성의 향상
일렉트로닉스 제품의 채용에 의하여 구성부품의 내구성 고장률 등이 개선되어 제품전체의 신뢰성 향상을 가져다 주었을 뿐 아니라 보수유지의 필요를 경감시켜주었고 자동감시 진단기능 등을 통하여 과부하 폭주 정전대처 소음감소 등이 이루어지게 된다.

□조작성의 개선
디지탈표시의 채택, 지시 및 디스플레이의 고도화 조작버튼과 레버 등의 감소, 사용자교육의 필요성 경감, 누구라도 사용할 수 있는 제품화는 메카트로닉스화에서 빼놓을 수 없는 효과이다.

□에너지 절약
메카트로닉스 시스템에 있어서는 유휴에너지사용의 차단이 가능하고 사용시 워밍업배제 등을 포함해 에너지 절약을 꾀할 수 있다. 특히 열원을 많이 사용하고 있는 시스템에서는 최적열량제어에 의한 에너지절감이 가능하게 된다.

통합에 의한 상승효과

결론적으로 메카트로닉스는 메카닉스의 주기능, 동력기능, 정보제어기능에 일렉트로닉스를 도입하여 메카닉스와 일렉트로닉스의 하드웨어 및 소프트웨어를 유기적으로 결합한 것을 총칭하는 것으로 요약할 수 있다. 근년 메카트로닉스는 각 분야에서 첨단기술로 주목을 받고 있으며 기술적으로 결코 새로운 것이 아닌 부분이 있을 수 있으나 첨단기술로 평가되는 것은 통합에 의해 상승효과를 보다 높인것으로 인하여 이제까지는 없던 신기술의 주입이 이루어지고 있고, 보다 고도의 기술이 창출되고 있기 때문이다.