압전액추에이터를 이용한 차세대 유공압 밸브 기술
Hydraulic & P neumatic Va lve Technology using P iezoelectric A ctuator for Next G eneration
윤소남
•함영복
•오우치 히데토시 S. N. Yun, Y. B. Ham and H. Ohuchi
1. 서 론
압전 및 역압전 특성을 갖는 재료들은 청정에너지 및 에너지 절약과 관련되어 많은 분야에서 응용 연 구들이 이루어지고 있으며, 산업발전에 크게 이바지 하고 있는 것이 사실이다. 최근에는 나노
•바이오 분 야에도 핵심적인 기술로 대두되고 있으며, 유체 분야 에서도 차세대 액추에이터로서 자리매김을 하는 추 세이다. 압전액추에이터가 유체제어 분야에 사용되는 것은 역압전 효과를 이용하는 것이며, 일본, 독일 및 미국을 중심으로 경쟁적으로 연구되고 있으며, 최근 에는 유럽 국가 및 중국 등에서도 많은 연구 논문 및 자료가 발표되고 있다. 현재 유공압 분야 전자기 액 추에이터의 대표주자는 여전히 솔레노이드이며, 앞으 로도 계속적으로 재료, 구조 및 제어기의 발전을 통 하여 시장을 석권할 것으로 사료되지만, 솔레노이드 영역이 대응하지 못하는 분야에서는 역압전 효과를 갖는 액추에이터가 상당 부분 핵심 역할을 할 것으 로 기대한다.
현재 유공압 분야에서 연구되고 있는 재료 중에서 는 역압전효과 특성을 갖는 것들이 많고, 또한 이와 관련된 연구 자료가 방대하기 때문에 일목요연하게 정리하기가 쉬운 일은 아니다. 따라서 본 해설에서는 Piezoelectric actuator(혹은 PZT actuator)에 한하여 서술하는 것으로 한다. 연구자들의 조사에 의하면, 압전밸브 동향은 일본의 유공압학회저널(Journal of the JAPAN Fluid Power System Society)과 독일 브레멘에서 2년마다 열리는 액추에이터학회 (International conference on new actuators/International exhibition on smart actuators and drive systems) 논문집에서 제공하는 자료가 비교적 방대하면서도 상세하게 시장 및 기술 동향을 제공하고 있는 것으로 사료된다. 따라서, 본 해설에서는 위에서 서술한 2개의 학회 자료만을 통 하여 압전밸브의 기술 동향을 분석하는 것으로 한다.
2. 액추에이터 학회 자료 요약
2.1 2000년 자료
Actuator 2000에서는 압전액추에이터의 전문가로 불리는 미국 펜실베니아주립대학 우치노교수가 압전 재료 개발, 액추에이터 설계 및 압전구동 기술에 대 하여 전반적으로 서술하고 있으며, 독일 Festo사에서 는 MEMS 베이스의 압전밸브를 시작하여 혈압측정 시스템에 적용하는 예(Fig. 1)를 보여주고 있다. 또
Fig. 1 Schematic diagram of microvalves with piezoelectric actuator(Festo)
a) Principal design of a piezoelectric valve
b) Piezoelectric valve(Joucomatic)
Fig. 2 Pneumatic valve with piezoelectric
actuator(PI)
한, 압전액추에이터의 세계 1위 기술 보유회사인 독 일의 PI사에서는 압전 액추에이터의 응용 분야와 동 향을 소개하면서 압전밸브를 언급하고 있다. Fig. 2 는 PI사에서 조사한 압전밸브를 소개하는 것으로, a) 와 같은 원리를 이용하여, b)와 같이 상품화된 밸브 를 보이는 것으로, 사용전압이 24V이고 소비전류가 0.3mA이며, 소비전력이 7mW 정도이기 때문에 필드 버스 시스템이나 위험한 주위환경을 갖는 분야에서 매우 유용하다고 서술하고 있다.
Fig. 3은 디젤차량 커먼레일용으로 사용될 압전식 인젝션밸브를 보이는 것으로, 이미 2000년 이전부터 연구가 되어 온 주제로서 자동차 관련 회사의 핵심 과제중의 하나라고 소개하고 있다.
Fig. 3 Diesel fuel injector with piezoelectric actuator technology(Siemens)
2.2 2002년 자료
Fig. 4는 PI사와 경쟁하는 프랑스의 Cedrat사에서 제공하는 연료분사용 고압밸브에 적용되는 적층형 압전액추에이터(30)의 구조를 보이는 것으로, 밸브로 드(22)의 변위를 확장하는 기구(32)를 사용하여 가솔 린 인젝터에 적용하는 기술이며, 이 기술은 압전액추 에이터 변위확장기술의 고전으로 불리 정도로 매우 가치가 있는 것으로 평가되고 있다.
Fig. 4 Gasoline injector based on an amplified piezo actuator(Cedrat)
Fig. 5는 공기압 분야 세계적 선도 기업인 Festo에 서 제공한 자료로서, 미래 공기압 마이크로밸브 분야 에서는 10bar 이상의 고압, mW 범위의 저소비전력, 수밀리초의 고응답성, 2 lpm 이상의 고유출능력, 수 백만회 이상의 작동특성, -10℃∼80℃ 범위 내에서 안정적 온도 작동성, 24V의 표준 공급 전압과 저가 격의 인자가 산업계 요구가 될 것이며, 압전액추에이 터가 상당 부분을 담당할 것이라는 예견을 하고 있다.
Fig. 5 Area of interest for the development of future miniaturized pneumatic valves(Festo)
2.3 2004년 자료
Fig. 6은 Festo와 Siemens가 공동으로 개발한 제 어기 내장형 압전 마이크로밸브의 구조도를 보이는 것으로 적층형 벤더 압전액추에이터에 스트레인방식 센서 2조를 삽입하여 1조는 액추에이터의 변위를, 다 른 1조는 액추에이터의 힘을 측정하여 제어하는 방 식으로 밸브 내부에 고집적으로 설계된 제어기를 내 장하는 기술까지 선보인 매우 획기적인 모델이라 할 수 있다. 또한, 이 방식은 모든 유공압 분야에서 미 래에 적용할 것이라는 것을 시사하는 것이라고도 볼 수 있다.
Fig. 6 Components of the piezoelectric microvalve(Festo)
Fig. 7은 영국의 Servocell사에서 제공하는 가정용
가스렌지에 사용되는 압전식 가스밸브의 구조 및 장
착 사진을 보이는 것이다. 구조가 간단하면서도 매우
Fig. 9 Piezo valve and some properties 컴팩트한 구성이 장점이나, 최소 입력전압이 200V이
며, 최대유량은 입력전압 400V일 때 9lpm 정도로 개 선의 여지가 많은 시작품으로 여겨진다.
a) Model of piezo gas valve
b) Complete actuator and appliance
Fig. 7 Piezo valve for gas flow control (Servocell)
2.4 2006년 자료
Fig. 8과 Fig. 9는 Festo에서 제공하는 자료에서 발췌한 것으로, Fig. 8에서 스택형 압전액추에이터인 경우는 변위보다는 힘을 요하는 곳에, 벤더형 압전액
추에이터인 경우는 큰 변위를 요하는 곳에 쉽게 적 용이 가능하다고 서술하고 있으며, Fig. 9에서는 압 전 관련 회사에서 생산 판매하고 있는 공압밸브들을 정리하여 보여주고 있는데, 이미 2006년도에 전 세계 적으로 많은 압전밸브들이 출시되어 여러 분야에 사 용되고 있음을 알 수 있다.
Fig. 8 Stroke-force behavior of typical piezo actuators(Festo)
Fig. 10은 최근 전 세계적으로 붐을 일으키고 있는
디젤차량용 고압연료분사장치의 핵심 구성품인 압전
식 인젝터 구조를 보이는 것으로, 2000bar에서도 작
동이 가능하고 인젝터를 디젤차량에 장착하게 되면
가변밸브 제어가 쉽고, 컴팩트한 구성이 가능하며,
저소음 및 저연료 소비, 완전연소가 가능하고 결국에
는 엔진 파워가 기존에 비해 7%의 상승효과가 있음
을 발표하고 있다.
Fig. 10 Construction of the piezo inline injector (Bosch)
2.5 2008년 자료
Fig. 11은 Festo에서 제공한 자료에서 발췌한 것으 로 압전마이크로 밸브를 응용한 서보 그리퍼의 예를 보이는 것이다. 제어기가 내장되어 있으며, 6개의 디 지털 밸브를 각각 입력축 3개 출력축 3개로 나누어 그리퍼의 동작을 매우 정교하게 조작하여 로봇 등에 응용되는 기술이다.
a) pneumatic circuit with pzt microvalves
b) Inner view
Fig. 11 Integrated servopneumatic gripper(Festo)
Fig. 12는 한국기계연구원에서 제공하는 자료로, a)는 솔레노이드방식 전-공레귤레이터를 대신하여 압전식 마이크로 밸브를 사용하여 공기의 압력을 제
어하는 회로를 보이는 것이고, b)는 전-공레귤레이터 에 사용된 압전 마이크로밸브를 보이는 것이다. 두개 의 압전식 파일럿 밸브를 제작하여, 전공레귤레이터 를 구성하여 실험을 수행하였으며, 연구 결과 압력제 어특성은 기존의 솔레노이드 방식과 대등하고, 낮은 소비전력 특성을 갖고 있으며, 적절한 제어기를 통하 여 우수한 레귤레이터 설계가 가능함을 서술하고 있다.
a) Control flow
b) PZT microvalve for pilot control
Fig. 12 Control concept of electro-pneumatic regulator
3. J FP S 학회 자료 요약
Fig. 13 Digital servo valve using PZT element
일본에서는 1986년에 이미 PMN 소자 및 PZT 소
자를 이용하여 각각 주파수 특성이 1kHz 이상을 내
는 서보밸브 시작 실적을 가지고 있으며, 21세기의
유공압용 차세대 액추에이터로 압전 액추에이터를 예견하고 있다. Fig. 13은 동경공대에서 시작한 스풀 형 2단 디지털 서보밸브이다. 그림에서 좌우에 설치 되어 있는 포펫형 밸브는 스풀밸브의 파일럿 제어용 이며, 포펫밸브 좌우에 적층형 PZT 액추에이터를 구 비하여 초고속, 초정밀 제어가 가능하도록 구성한 실 적을 보여주고 있다.
1996년도에는 특별 주제로 ‘ 일본내에 있는 유공압 관련 대학의 연구실에서는 어떠한 연구들을 하는가
?’ 가 서술되었으며, 특별호에 일본에서도 압전밸브 관련 권위가 있는 야마나시 대학의 Ohuchi 교수 연 구 주제가 소개되었다. Fig. 14는 Ohuchi 교수의 연 구 내용 중에 일부를 보이는 것으로 적층형 PZT 액 추에이터 앞에 질량과 포펫형 밸브를 설치하여 적층 형 액추에이터의 온-오프 동작에 따라 공기 방향을 조절하는 예이다.
Fig. 14 On-off valve using PZT element
1999년도 Vol. 30, No. 7에서는 특집으로 “ 기능성 재료” 주제를 정하고, 압전액추에이터 관련하여 무려 40쪽에 이루는 방대한 자료를 제공하고 있으며, 이 중에서 2개를 소개하면 다음과 같다.
Fig. 15 Servo valve using PMN element
Fig. 15는 적층형 압전액추에이터가 밸브에 사용되 는 경우 변위가 작다는 단점을 보완하기 위하여, 변
위 확대기구를 이용하여 초고속 서보밸브를 시작한 예를 보이고 있다. Fig. 16은 바이모프형 벤더 액추 에이터를 플래퍼로 사용하여 온-오프 밸브를 구성한 예를 보인 것으로, 이 기술은 현재에 발달되어 있는 압전 액추에이터 제작기술과 코팅 기술을 접목시키 면, 쉽게 상품화가 가능한 모델로 사료된다.
Fig. 16 Schematic diagram of nozzle/flapper valve using PZT bimorph actuator
2000년도에 들어서는 ER, MR, ECF 등과 관련 있 는 기능성 유체액추에이터에 대하여 많은 연구 결과 들을 보이나, 압전액추에이터인 경우는 PZT, PNN, PMN, PNZST, PLZT에 대한 재료 특성 및 액추에이 터의 정특성 및 동특성들이 소개되는 실정이다. 일부 에서는 기능성 재료를 이용한 센서 제작 및 개발 실 적들을 보이고 있다. 최근의 주제들은 모두 IT, BT, ET 관련 동향 자료들이며, 신뢰성 분야도 중요하게 다루는 주제중의 하나인 것으로 사료된다. 때문에 최 근 5년간은 압전밸브를 직접적으로 다루는 해설을 접할 수가 없었다.
가장 최근인 2009년도 1권에서는 2008년도 일본 토야마에서 열렸던 제7회 JFPS International symposium on fluid power에 발표된 논문들 중에서 PZT 액추에이터 관련 자료를 소개하고 있는데, Yun(KIMM)의 연구한 적층 PZT 액추에이터를 2개 를 파일럿밸브로 사용한 전기-공압 레귤레이터가 서 술되어 있다.
8. 결 론
지금까지 기능성 액추에이터의 대표 주자인 압전
액추에이터에 대해서, 유공압 밸브 분야 적용기술 및
개발 동향을 살펴보았다. 최근에는 하이브리드 형태
인 광+PZT, EAP+PZT와 같은 액추에이터들이 개발
Fig. 17 Hydraulic & pneumatic valve development path using PZT actuator
되고 있으며, 이를 응용한 밸브들이 출시될 것으로 사료된다. Fig. 17은 독일, 일본, 미국 등의 자료들을 분석한 결과를 정리한 것으로, 유니모프나 바이모프 형태의 액추에이터 혹은 적층형 액추에이터의 형태 로 밸브화하여 유공압 분야에 적용될 것으로 예상하 고 있다.
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[저자 소개]
윤소남
E-mail : [email protected] Tel : 042-868-7155
1963년 7월 29일생
1990년 부경대학교 기계공학부 석사, 1994년 동 대학원 박사과정 졸업, 2005년 어번대 마이크로나노시스템/재료연구실 객원연구원, 1994년～현재 한국기계연구원 책임연구원, 스마 트 액추에이터, 유공압밸브 및 에너지 수확기 개발 연구에 종사, 유공압시스템학회, 대한기계학회, 동력기계공학회, 한국 정밀공학회, 일본유공압시스템학회 등 회원, 공학박사
[저자 소개]
함영복
E-mail : [email protected] Tel : 042-868-7157
1965년 10월 23일생
1987년 금오공과대학교 기계공학과 학사, 1990년 동 대학원 석사, 2003년 동 대학원 박사, 2004년 동경공업대학 정밀공학연구 소, 1990년～현재 한국기계연구원 책임연구원, 관심 연구분야 는 유압 피스톤 펌프 및 모터, 수압 피스톤 펌프, 압전소자 응용 펌프 및 노즐. 대한기계학회, 한국정밀공학회, 유공압시 스템학회 회원, 공학박사
[저자 소개]
Hidetoshi Ohuchi
E-mail : [email protected] Tel : +81-55-220-8449
1949년 5월 12일생
1978년 Tokyo Institute of Technology 대 학원 박사과정 수료, 1979년 Tokyo Institute of Technology 정밀공학연구소 조교, 1984년 야마나시대학 공학부 조교수, 2004년∼현재 동 대학원 의학공학종합연구부 교수, 유압 및 공압 제어, 압전액 추에이터 응용 연구에 종사, 일본유공압시스템학회, 일본기계 학회 등 회원, 공학박사
