03.스마트 하이브리드 액츄에이터 연구회-RIST(최진태).hwp

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1 제 출 문 한국산업기술진흥원장 귀 하 본 보고서를 스마트 하이브리드 액츄에이터 연구회 (지원기간: ~ ) 과제의 최종보고서로 제출합니다 연구회명 : 스마트 하이브리드 액츄에이터 연구회 (총괄책임자) 최진태 (인) 총괄책임자ː최진태 참여연구위원ː홍예선 참여연구위원ː안경관 참여연구위원ː김 인 참여연구위원ː이영진 참여연구위원ː김진섭 참여연구위원ː김도영 참여연구위원ː노수훈 참여연구위원ː한귀석 참여연구위원ː박중호 참여연구위원ː유기성

2 요 약 문 Ⅰ. 제 목 스마트 하이브리드 액츄에이터 연구 Ⅱ. 연구의 목적 및 필요성 스마트 하이브리드 액츄에이터(SHA)는 기존의 복잡하게 구성된 유압구동 시스템에 비해 시스템이 간 단하고 정비가 용이하며 에너지사용량을 기존시스템 대비 50%이상 대폭 감소 시킬 수 있는 새로운 개념의 액츄에이터이다. 본 혁신연구회는 기존의 유압구동시스템보다 쉬운 정비, 에너지 절약, 고정도 제어 등 이점을 가지고 있어 선진국을 위주로 개발이 되고 있고, 점차 그 사용이 확대되고 있는 스마트 하이브리드 액츄에이터의 연구개발에 대한 정 책적 지원의 당위성을 부여하는 것을 목적으로 한다. 유압 구동시스템과 전기모터로 구동되는 시스템은 산업 현장에서 대단히 광범위하 게 사용되고 있다. 특히 유압 구동 시스템은 산업기계, 건설기계, 농기계, 산업설비, 로 봇, 조선, 자동차 및 항공기에 이르기까지 다양한 분야에 사용되고 있다. 스마트하이브 리드 액츄에이터는 기존의 유압 구동 시스템과 전기모터 구동 시스템을 대체하여 새로 운 스마트 하이브리드 액츄에이터 제품 시장을 형성하고 있다. [그림] 스마트하이브리드 액츄에이터가 사용 가능한 분야 - I -

3 스마트 하이브리드 액츄에이터 기술은 미국, 유럽 등 선진국에서 전투용으로 개발 을 시작하여 현재는 건설기계 조선 자동차 산업설비 등으로 적용의 범위를 넓혀가고 있다. 이는 스마트 하이브리드 액츄에이터가 기존의 유압시스템에 비하여 에너지 절감 효과가 뛰어나고 정비하기 쉽고 빠른 응답이 가능한 장점이 있기 때문이다. 또한 스마 트 하이브리드 액츄에이터는 또 power-by-wire가 가능한 액츄에이터이므로 안전성이 뛰어나다. 현재 신 성장 동력 사업으로 추진 중인 군용 견마용 로봇 그리고 exoskeleton 등의 지능형 로봇을 구동하는 핵심 액츄에이터로 활용되어 또 다른 새로 운 제품 시장을 형성 하는 등 국가 산업 전반에 걸쳐 광범위한 파급효과를 발휘할 것 으로 예상된다. 일본과 미국을 비롯한 해외의 유압 메이커들은 수년 전부터 연구를 진행해 왔으며 일부 몇몇 회사에서 용량별로 제품을 출시하였다. 국내에 출원 등록되어 있는 스마트 하이브리드 액츄에이터 관련 특허는 대부분 일본을 비롯한 해외 메이커들이 출원한 것 으로서 이 분야에 대한 기술 종속 현상이 진행되고 있다. 따라서 국내 기술의 자립화 는 물론이고 스마트 하이브리드 액츄에이터 시장을 확보하기 위하여 스마트 하이브리 드 액츄에이터에 대한 연구가 절실히 요구된다. 일본의 공경 공업대 등에서는 수년전부터 에너지 절감 및 CO2 절감을 위한 국가 연구과제로 스마트 하이브리드 액츄에이터의 기초 기술 개발을 수행해 오고 있는 등 녹색 성장과 관련하여 연구를 활발히 수행하고 있으나 우리나라에서는 아직도 기술개 발 수준이 미미하다. 스마트 하이브리드 액츄에이터는 에너지 절감효과가 뛰어난 녹색기술로 분류되며, 또 전기, 전자, 유압, IT 등이 융합되는 첨단 융합기술로 분류될 수 있다. 스마트 하이 브리드 액츄에이터의 국내 시장은 일본에 의해 장악되어 있는데, 앞으로 스마트 하이 브리드 액츄에이터는 산업기계, 건설기계, 공작기계(프레스 등), 사출성형기, 육상 플랜 트, 로봇, 조선, 자동차 및 항공기에 이르기까지 다양한 분야에 사용되고 있으므로 국 산화 개발에 따른 수입대체 효과가 아주 크다. 그러므로 급격히 성장하는 스마트 하이브리드 액츄에이터시장에 대비하기 위해 선 진국의 기술개발 동향을 파악하고 국산화 가능성을 타진하고 국내 수요기업의 상황과 개발기업의 상황에 맞는 기술 개발 전략을 세울 필요가 있다. - II -

4 Ⅲ. 연구내용 및 범위 1. 연구내용 본 연구회는 스마트 하이브리드 액츄에이터시장에 대비하기 위해 다음과 같은 조 사 및 연구를 진행하였다. 1) 기존 유압시스템, 전기구동 시스템에 관한 소비자 니즈 파악 2) 국내외 산업환경 변화 등 산업계의 동향 분석 및 미래시장 예측 3) 기존 유압시스템의 벨류체인을 조사 4) 스마트 하이브리드 액츄에이터의 개발방향 제시 5) 수요기업이 희망하는 스마트하이브리드액츄에이터 제품사양의 성능지표 발굴 6) 국산화 가능한 시기 및 소요예산을 예측 7) 핵심 특허 논문 분석 8) 국산화를 위하여 연구해야할 목표 및 연도별 연구내용을 제시 2. 연구범위 가. 시장조사의 범위 1) 유압시스템이 부품으로 사용되는 건설기계, 산업기계, 농기계, 조선분야, 자동차 및 항공기 분야의 시장조사 2) 국내외 유압메이커들의 시장규모 및 예측 3) 해당 산업분야의 밸류체인 조사 나. 시장의 조사 분석 수준 항목 분석 수준 유압시스템이 부품으로 사용되는 산업조사 정량적인 데이터 확보 국내외 유압메이커들의 판매실적 조사 정량적 데이터 확보 벨류체인 생산거래 등 산업시스템 조사 Macro Supply Chain Map을 그림 다. 기술조사의 범위 1) 해외 선도기업의 개발방향 조사 2) 전자식 유압 액츄에터 관련 특허 논문 분석 3) 중요기술, 중요부품의 작동원리 파악 라. 기술의 조사 분석 수준 항목 해외 선도기업의 개발방향 조사 전자식 유압 액츄에터 관련 특허 논문 분석 분석 수준 Key Technology 파악 핵심특허 조사 분석 - III -

5 Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의 1. 스마트 하이브리드 액츄에이터의 필요성 일반적인 유압서보 구동 시스템은 고출력의 시스템 구성이 가능하지만 다음과 같 은 단점을 가지고 있다. l 배관에서의 누설 및 압력 손실 발생 l 사용하지 않는 동력은 리졸버로 귀환 l 유압 배관 등의 설치, 보수, 관리가 어려우며 주 유압동력원의 고장시 전체 시스 템이 작동불능 그러므로 배관을 최소화하고, 컴팩트하게 설계된 고출력의 구동 패키지인 스마트 하이브리드 액츄에이터(Smart Hybrid Actuator)의 개발이 필요하다. [그림] 스마트 하이브리드 액츄에이터 개발의 필요성 2. 스마트 하이브리드 액츄에이터의 핵심 기술 스마트 하이브리드 액츄에이터는 유압액츄에이터, 유압펌프, 전기모터를 직접화하여 유압라인과 위험요소를 획기적으로 줄이거나 제거한 Power-by-wire가 가능한 액츄에이 터를 의미한다. 그러므로 스마트 하이브리드 액츄에이터(SHA)의 개발의 핵심기술에는 SHA용 유압펌프, 전기모터 드라이브, 및 통합시스템 정밀 제어기술이 핵심기술로 분류 된다. - IV -

6 SH [그림] 스마트 하이브리드 액츄에이터 구성 3. 기술적 중요도 스마트하이브리드는 타 산업분야로의 파급효과가 크고, 국산화가 필요한 기술이며, 정부의 녹색성장의 기조에 부합하는 기술이다. [그림] SHA의 기술개발 중요도 4. 기술개발의 시급성 가. 선진국에서는 항공분야의 경우 이미 15여 년 전부터 개발이 이루어져 왔으며, 최근에는 실용화까지 이르렀으나 건설기계, 공작기계, 자동차, 선박 등의 분야에서는 원가 상승, 기술 인프라 부족으로 인해 도입 단계에 머무르고 있다. 그러나 탄소가스 배출 규제가 본격화되어 에너지 소비 효율의 충족도가 상품 가치를 좌우하는 단계가 되면 SHA의 도입이 활성화될 것이다. 나. SHA를 적극적으로 적용해야 하는 항공, 건설기계, 자동차, 공작기계 등의 산업 분야는 생산성, 신뢰성 및 경제성까지 완벽히 검증한 후 비로서 제품화되기 때문에 선 행 개발 기간이 짧게는 3년, 길게는 10년까지 소요된다. 따라서 관련 제품이 이미 관련 시장에 출시된 후에 개발을 착수하게 되면, 산업재산권의 기득권 장벽으로 인해 후발 업체들은 시장 진입이 어려워질 것이다. 일본과 미국을 비롯한 해외의 유압 메이커들 - V -

7 은 수년 전부터 SHA 개발 연구를 진행해 왔으며 일부 몇몇 회사에서 용량별로 제품을 출시하였다. 국내에 출원 등록되어 있는 스마트하이브리드 액츄체이터(SHA) 관련 특허 는 대부분 일본을 비롯한 해외 메이커들이 출원한 것으로서 이 분야에 대한 기술 종속 현상이 진행되고 있다. 다. 특히, 기술 경쟁이 치열한 굴삭기의 경우에 지금이라도 국내 기술역량을 집중하 여 SHA의 개발에 착수해야만 기술 자립을 통한 세계 시장 진입 및 선진국과의 기술 경쟁이 가능할 것으로 예상된다. 5. 기술 성숙정도 및 TRL 가. 건설기계, 물류기계 분야에서 SHA 기술은 미국, 일본 역시 기술도입기에 있다. 나. SHA기술은 미국이나 유럽이 항공 분야의 선도를 통해 월등하게 앞서 있기 때 문에 단기적으로는 제품 적용을 위한 시스템 응용 연구를 추진하면서 장기적으로는 요 소별 원천 기술을 도출하여 기술 자립에 필요한 기반을 구축하는 것이 필요하 다. 다. 특히, SHA기술을 건설기계, 물류기계에 적용함에 있어서 조작성, 연비 개선, 정 비성, 신뢰성을 확보하는 기술 개발 연구는 산학연 협력 체계를 통해 반드시 선 행되어야 한다. 라. 국내 SHA기술 성숙도는 TRL에서 3단계에 해당하는 연구실규모의 기본성능 검 증이 완료된 상태이다. [그림] 기술성숙정도 및 TRL 6. SHA의 시장 규모 및 성장률 예측 항공, 조선, 건설기계에 사용되는 SHA의 시장을 종합하면, 2012년 SHA의 시장은 4,391억원의 시장규모를 가지고 있을 것으로 예상되며, 2018년에는 36,608억원의 규모 로 증가할 것으로 예상된다. - VI -

8 7. 시장 경쟁력 분석 가. 사업화 소요기간 및 경제적 수명 예측 1) 특허기술의 인용주기와 특허 출원 수 등의 기술성을 제외한 스마트하이브리드 엑츄에이터 시장성 측면에서 기술의 수명주기는 30년으로 예측함. 2) 일본, 미국, 한국 및 아시아 시장에서 스마트하이브리드 엑츄에이터는 초기 개발 단계임 3) 기술개발이 완료되는 2013년을 사업화 초기년도로 예상하여 5년 동안의 시장 규 모를 산출하였으며 사업화가 진행되면서 대량생산에 의한 가격하락이 이루어질 경우, 시장수요가 커질 것으로 예상. 나. 예상시장 점유율 및 총매출액 예측 국내 해외 구분 시장규모(억원) 890 1,512 3,170 7,839 예상매출액 시장규모(억원) 4,391 8,874 18,041 36,608 예상매출액 ,000 3,500 - 세계시장에서 일본, 미주, 유럽업체와의 경쟁이 치열할 것으로 예상하여 10~20% 가정 - 환율 1$:1,200원 가정 8. 지재권 확보 가능성 독창적, 기본/표준특허 확보가능 Cross License 가능특허 확보가능 해외특허 확보가능 개량특허 확보가능 - 관련 기술 분야에 대한 해외특허 및 Cross License 가능특허에 대한 확보를 위하 - VII -

9 여 관련 기술에 대한 보다 구체적이고 특정화시킬 수 있는 활발한 연구 활동을 필요로 함. 9. 기술개발 및 사업화 성공가능성 o 전 세계적으로 SHA는 항공기, 조선, 건설기계, 자동차용 등으로 개발이 되고 있 으나, 국내에서는 심도 있는 개발이나 현장 적용사례가 보고된바 없다. o 국내의 경우 현대중공업, 볼보건설기계, 두산인프라코어, 수산중공업 등 건설기계 가 세계적인 경쟁력을 보유하고 있으므로, SHA개발은 건설기계용 SHA로부터 시 작하는 것이 대한민국의 상황에 가장 맞는 접근방식이다. o SHA의 개발은 항공기분야에서 시작한 해외 선진 기술과의 격차가 있으나 국산 화가 꼭 필요한 기술이고, 건설기계용 SHA의 개발의 경우 시제품 제작 및 현장평 가를 통한 지속적인 문제점 개선, 제품 및 기능의 표준화 진행 등을 통해 극복이 가능할 것으로 판단된다. o 건설기계용 SHA를 개발하여 생산현장에 적용할 경우, 에너지 절감효과 및 이산 화탄소 배출량이 없으므로 장기적으로 기업의 비용지출 감축 및 생산이익 극대화 를 추구할 수 있다. 이는 주변 협력사 및 계열사로의 자연스러운 보급효과를 촉발 하여, 동종 업계 간의 보급만 확대되더라도 막대한 경제적 이익을 창출할 수 있다. o 시스템의 특성상 약간의 개조를 거쳐, 항공, 조선, 발전사업 등으로 확대 적용할 수 있으므로 산업 및 비산업 분야 전반을 아우르는 광범위한 파생 상품 및 관련 경제 효과를 기대할 수 있으므로, 사업화의 성공가능성이 매우 높은 분야이다. 10. 정부지원 필요성 가. 국가중점육성 기술군으로써 해당기술의 활용도를 우선 화하고 단기간 집중적인 생산기반 R&D를 통해 폭발적인 액츄에이터 시장을 주도할 수 있는 전략품목으로 써의 가치가 충분함 나. 현대중공업, 수산중공업, 볼보건설기계, 포스코플랜텍 등 국내 양산기반 생산 공 장을 주목표로 한 시장지향형 기술개발을 목표로 함 - 관련 기술의 성숙도가 비교적 높아서 단기간 내에 상품화가 가능함 - 각 산업분야에서 요구하는 성능을 만족하는 스마트하이브리드 엑츄에이터개발을 기본으로 하며 이에 대한 정책적 지원이 요구됨 - 초기 건설기계를 위한 스마트하이브리드 액츄에이터로 시범사업 후 산업기계, 조선, 자동차 및 항공기에 이르기까지 다양한 분야에 사용가능 - VIII -

10 11. 스마트 하이브리드 액츄에이터 국산화 가능시기 및 소요예산 [그림] SHA 국산화 가능시기 및 소요예산 12. 연구개발결과 활용에 대한 건의 본 연구회는 SHA에 관하여 소비자들의 니즈를 파악함과 동시에 국내외 산업 환 경 변화 등 산업계의 동향을 분석하고 미래시장을 예측하였다. SHA의 시장은 2012 년에 4391억, 2018년에는 3조 6680억의 시장규모를 가지는 것으로 추산 된다. 미국 과 유럽은 항공산업을 중심으로 SHA 시장에 접근을 시도하였으며, 특히 최근에는 일본을 중심으로 SHA가 가진 장점을 하이브리드 굴삭기에 적용하려는 움직임이 활발히 일어나고 있다. SHA를 건설기계의 구동기로 적용하면, 기존 내연기관으로 구동되는 유압 시스 템에 비해 연료 절감 효과가 크고, 도심에서의 소음 문제 해결 및 배기가스와 CO2 방출이 없으므로 친환경 굴삭기에 SHA의 적용이 적극 검토되고 있다. 우리나라의 현대중공업, 두산인프라코어, 볼보건설기계 그리고 수산중공업 등의 건설기계 메이 커는 전 세계 건설기계시장의 30% 정도를 점유하고 있으므로 지속적인 시장 점유 는 물론이고 친환경 굴삭기 분야에서 점유율 향상을 이루기 위해서는 SHA를 건설 기계에 적용하는 연구가 범 국가적인 요소 기술 개발 측면에서 이루어져야 한다. SHA기술은 정부의 녹색융합기술개발의 연구방향과 일치하고, 항공, 조선, 일반 플랜트 기계 등의 타 분야로의 파급효과가 큰 핵심 요소 부품 기술이다. 또한 SHA 기술은 군사장비에도 적용성이 높으므로 선진국으로부터의 기술이전이 쉽지 않은 기술 이다. 따라서 다양한 산업 분야에 광범위한 적용이 예상되는 SHA의 기술종속 현상을 회 피하고 국산화를 도모하기 위해 SHA 국산화 가능한 시기와 소요예산을 예측함과 동시 에 경제적 타당성을 분석하고 연구개발의 당위성을 제시하였다. - IX -

11 SHA의 핵심 요소 기술은 SHA용 저관성 고속 유압펌프, 유압계와 일체화된 고속 서 보모터 및 드라이브 및 통합시스템의 제어기술로 구성되어 있으며, 현재의 국내 기술 수 준에 비추어 볼 때 약 3~4 년간의 연구 수행을 거치면 국산화가 이루어 질 것으로 사료 된다. 향후 정부연구 전담부문에서 포럼을 개최하여 스마트 하이브리드 액츄에이터 개발의 필요성을 홍보하고 스마트 하이브리드 액츄에이터 연구과제 기획위원회를 발족하여 연구개발 과제로 수행할 것을 적극 추천한다. 13. 연구회 추진일정 및 산출물 [그림] 연구회 추진일정 및 산출물 - X -

12 < 목 차 > 제 1 장 서 론 1 제 1 절 연구회 활동의 필요성 1 제 2 절 연구회 활동의 목표 4 제 3 절 연구회 활동의 추진체계 및 추진방향 6 제 2 장 본 론 9 제 1 절 스마트 하이브리드 액츄에이터 분석 9 1. 기술성 분석 9 2. 시장성 분석 독창성 분석 정부지원 필요성 45 제 2 절 스마트하이브리드 액츄에이터 국산화를 위한 연구방향 스마트 하이브리드 액츄에이터 연구목표 국산화를 위한 연구기간 및 소요예산 예측 53 제 3 절 연구결과의 활용방안 및 기대효과 연구개발결과의 활용방안 기대효과 55 제 3 장 결 론 57 부 록 58 회의(OFF-LINE 모임) 개최 일지

13 제 1 장 서 론 제 1 절 연구회 활동의 필요성 1. 스마트 하이브리드 액츄에이터의 개요 일반적인 유압서보 구동 시스템은 유압 탱크, 유압 파워팩, 배관, 서보밸브, 유압 실 린더 등으로 구성되어 있는데, 장치가 크고 복잡하며, 정비가 빈번히 요구되는 단점을 가지고 있다. 또 정밀한 구동이 불가능하고 유압실린더를 이송하지 않을 때에도 유압펌 프를 계속 켜두어야 하므로 에너지를 많이 소모하는 단점을 가지고 있다. 이러한 유압 구동계의 단점을 극복하기 위하여 최근에 일본을 비롯한 선진국에서 복잡한 유압 구동 계를 통합 일체화 하여 하나의 액츄에이터 형태로 개발 판매를 시작하고 있다. 스마트 하이브리드 액츄에이터는 작동유를 보내기 위한 소형펌프와 서보 모터, 실린더를 채울 정도의 작은 유압탱크, 힘을 내는 유압 실린더, 피스톤의 위치를 측정하는 위치센 서, 그리고 피스톤의 위치를 제어하는 제어기, 서보모터용 드라이브 보드 그리고 작동 신호를 주고받기 위한 통신 기능 등이 일체화된 형태로 이루어져 있다. [그림] 스마트 하이브리드 액츄에이터의 개념도 - 1 -

14 a) Conventional Hydraulic System b) Electro-hydraulic System [그림] 에너지 소모량의 비교 스마트 하이브리드 액츄에이터는 배관을 내장화 하므로 정비가 쉽고, 정밀 구동이 가능 하고 사용하기 편리하고, 무엇보다 실린더 로드의 작동 시에만 모터를 구동하므로 에너 지사용량을 기존시스템의 50%이상 감소할 수 있다. 또 전기모터를 이용하여 유압펌프를 구동하므로 기존의 유압구동시스템에 비해 소음이 적고 편리하고 깨끗한 구동이 가능한 장점이 있다. 2. 스마트 하이브리드 액츄에이터의 사용분야 유압 구동시스템과 전기모터로 구동되는 시스템은 산업 현장에서 대단히 광범위 하게 사용되고 있다. 특히 유압 구동 시스템은 산업기계, 건설기계, 농기계, 산업설비, 로봇, 조선, 자동차 및 항공기에 이르기까지 다양한 분야에 사용되고 있다. 스마트 하이브리드 액츄에이터는 기존의 유압 구동 시스템과 전기모터 구동 시스템을 대 체하여 새로운 스마트 하이브리드 액츄에이터 제품 시장을 형성하고 있다. 일체형으로 통합된 스마트 하이브리드 액츄에이터는 크기가 작고 가볍고 정비 업무 가 대폭 감소되어 주로 항공기와 자동차 그리고 군용장비에 사용되기 시작했으며 앞으 로 점차 그 사용 영역을 확대해 나갈 것으로 예상된다. 최근의 자동차와 항공기에 점차 적용 되어 가고 있는 power-by-wire 개념을 만족하 는 액츄에이터로서 기존의 유압 구동 시스템과 전기 구동 시스템의 장점을 수용하는 분 야에 광범위하게 사용될 것으로 사료된다

15 [그림] 스마트하이브리드 액츄에이터가 사용 가능한 분야 현재 신 성장 동력 사업으로 추진 중인 군용 견마용 로봇 그리고 exoskeleton 등의 지능형 로봇을 구동하는 핵심 액츄에이터로 활용되어 또 다른 새로운 제품 시장을 형성 하는 등 국가 산업 전반에 걸쳐 광범위한 파급효과를 발휘할 것으로 예상된다. 3. 스마트 하이브리드 액츄에이터의 국내외 시장 규모 및 무역 규모 가. 국내로 사용되고 있는 유압기기 중에서 정밀도를 요하는 고급 사양의 유압기기는 대부분 수입에 의존하고 있으므로 약 900억원/년 정도의 국내 수입이 이루어지고 있다. 나. 국내의 유압 구동계와 서보모터 구동계가 중첩 되는 영역의 시장이 존재하지만 스마트 하이브리드 액츄에이터 시장규모는 약 1,500억원/년으로 추산된다. 다. 해외의 스마트 하이브리드 액츄에이터 시장규모는 약 9,000억원/년이다. 4. 선진국 동향 및 국내 수준 일본과 미국을 비롯한 해외의 유압 메이커들은 수년 전부터 연구를 진행해 왔으며 일부 몇몇 회사에서 용량별로 제품을 출시하였다. 국내에 출원 등록되어 있는 스마트 하 이브리드 액츄에이터 관련 특허는 대부분 일본을 비롯한 해외 메이커들이 출원한 것으 로서 이 분야에 대한 기술 종속 현상이 진행되고 있다. 따라서 국내 기술의 자립화는 물 론이고 스마트 하이브리드 액츄에이터 시장을 확보하기 위하여 스마트 하이브리드 액츄 에이터에 대한 연구가 절실히 요구된다

16 일본의 공경 공업대 등에서는 수년전부터 에너지 절감 및 CO2 절감을 위한 국 가 연구과제로 스마트 하이브리드 액츄에이터의 기초 기술 개발을 수행해 오고 있 는 등 녹색 성장과 관련하여 연구를 활발히 수행하고 있으나 우리나라에서는 아직 도 기술개발 수준이 미미하다. 5. 국가 산업발전 패러다임과의 연계성 스마트 하이브리드 액츄에이터는 에너지 절감효과가 뛰어난 녹색기술로 분류되 며, 또 전기, 전자, 유압, IT 등이 융합되는 첨단 융합기술로 분류될 수 있다. 스마 트 하이브리드 액츄에이터의 국내 시장은 일본에 의해 장악되어 있는데, 앞으로 스 마트 하이브리드 액츄에이터는 산업기계, 건설기계, 공작기계(프레스 등), 사출성형 기, 육상 플랜트, 로봇, 조선, 자동차 및 항공기에 이르기까지 다양한 분야에 사용되 고 있으므로 국산화 개발에 따른 수입대체 효과가 아주 크다. 제 2 절 연구회 활동의 목표 1. 연구목표 기존의 유압구동시스템보다 쉬운 정비, 에너지 절약, 고정도 제어 등 이점을 가지고 있어 선진국을 위주로 개발이 되고 있고, 점차 그 사용이 확대되고 있는 스마트 하이 브리드 액츄에이터의 연구개발에 대한 당위성을 부여하는 것을 본 혁신연구회의 연구 목표로 한다. 본 혁신연구회의 구체적 목표는 다음과 같다. 가. 기존 유압시스템, 전기구동 시스템에 관한 소비자들의 니즈를 파악하고, 국내외 산업환경 변화 등 산업계의 동향을 분석하고, 미래시장을 예측한다. 나. 기존 유압시스템의 벨류체인을 조사하고, 스마트 하이브리드 액츄에이터의 개발 방향을 제시한다. 다. 스마트 하이브리드 액츄에이터 관련 해외 선도기업에 대한 집중적 분석 자료를 제시한다. 라. 수요기업이 희망하는 스마트 하이브리드 액츄에이터 제품사양의 성능지표를 발굴한다. 마. 국산화 가능한 시기 및 소요예산을 예측한다. 바. 핵심 특허 논문 분석을 통하여 선행기술연구를 수행한다. 사. 스마트하이브리드 액츄에이터 국산화를 위하여 연구해야할 목표 및 연도별 연구 내용을 제시한다

17 2. 연구범위 가. 시장조사의 범위 1) 유압시스템이 부품으로 사용되는 건설기계, 산업기계, 농기계, 조선분야, 자동차 및 항공기 분야의 시장조사. 2) 국내외 유압메이커들의 시장규모 및 예측. 3) 해당 산업분야의 밸류체인 조사. 나. 시장의 조사 분석 수준 항목 분석 수준 유압시스템이 부품으로 사용되는 산업조사 정량적인 데이터 확보 국내외 유압메이커들의 판매실적 조사 정량적 데이터 확보 벨류체인 생산거래 등 산업시스템 조사 Macro Supply Chain Map을 그림 다. 기술조사의 범위 1) 해외 선도기업의 개발방향 조사. 2) 전자식 유압 액츄에터 관련 특허 논문 분석. 3) 중요기술, 중요부품의 작동원리 파악. 라. 기술의 조사 분석 수준 항목 해외 선도기업의 개발방향 조사 전자식 유압 액츄에터 관련 특허 논문 분석 분석 수준 Key Technology 파악 핵심특허 조사 분석 - 5 -

18 제 3 절 연구회 활동의 추진체계 및 추진 방향 1. 추진체계 스마트하이브리드 액츄에이터 선진기술 동향 및 제품 분석 (연구회) 논문 조사 분석 (한국항공대, 울산대) 특허 조사 분석 (포항산업과학 연구원, 한국기계연구원) 기초자료확립 선진핵심기술조사 (제일유압, 오토파워) 시장수요 조사 분석 (볼보건설기계, 현대중공업, 수산중공업, 포스코플랜텍) 미래시장 예측 국산화 가능시기 예측 소요예산 예측 성능지표 도출 경쟁력 제고방안 도출 (연구회) 2. 추진방향 포항산업과학연구원과 기계연구원은 스마트 하이브리드 액츄에이터에 관한 특허를 조사하였다. 울산대학교, 한국 항공대에서는 스마트 하이브리드 액츄에이터에 관한 논 문을 조사하고, 전기 유압 액츄에이터의 핵심기술을 분석하였다. 제일유압은 스마트하 이브리드 액츄에이터의 중요한 부품인 유압실린더에 관하여, 오토파워는 또 다른 중요 한 부품인 서보모터에 관하여 각각 선진기술을 조사하고 스마트 하이브리드 액츄에이 터의 부품으로의 국산화 가능성을 분석하였다. 또 전기 유압 액츄에이터의 국내 주요 수요처인 볼보건설기계, 수산중공업, 현대 중공업, 포스코 플랜텍 등은 스마트 하이브리드 액츄에이터가 대체할 수 있는 기존의 유압구동 시스템에 대한 자료를 제출하고, 시장을 분석하였다

19 상술한 산 학 연에서 기 보유한 자료들에 기반하여 본 혁신 연구회에서 심도 토론 을 수행하였다. 산업체에서는 시장현황분석과 시장예측에 집중하고 학계에서는 기술적 구현가능성을 분석하고 연구소에서는 국산화 가능성과 국산화 가능한 시기를 예측하여 의견 수렴 과정을 거쳐 결론을 도출하였다. 또한 기술지식을 상호교류하고 학습하여 공동 연구테마를 탐색하고 선정하였다. 월별 추진계획 주요 연구활동 국내 논문 특허 조사 국내 기술 조사 국내 시장 조사 국제 논문 특허 조사 해외 선도기업 기술 조사 국제 시장/정책 조사 논문 특허 분석 시장분석 및 정책 분석 벨류체인 조사 분석 산업계동향 분석 미래시장 예측 국산화 가능한 시기 예측 개발방향 및 성능지표 발굴 연구회 보고서 작성 추진일정(월) 기간(주) 4주 9주 10주 12주 3. 구체적 연구방법 1) 정확한 시장조사를 위하여, 대기업 수요회사를 중심으로 수요량과 전기 유압 구 동시스템이 사용될 관련제품을 분석하였다. 2) 전기 유압 구동시스템에서 통상적으로 중요한 Bandwidth, 효율, 제어정밀도 등 을 포함하는 평가항목을 세계 최고수준의 기술을 보유한 선진국가와 선진기업의 성능 수준과 비교하여 국내수준의 정도를 평가 분석하였다. 국제 선진수준 대비 국내수준의 정량적 평가 후 연구개발 목표치를 도출하였다. 3) 해외의 유압 메이커들의 연구사업과, 해외 선진국 정부의 연구과제 지원현황을 조사함으로써 스마트 하이브리드 구동시스템에 관한 부품의 기술 종속 현상을 회피하 기 위해 우리나라의 정책지원의 필요성과 시급성을 도출하였다

20 4) 전기 유압 구동시스템의 에너지 절감효과 및 CO2 절감효과는 저탄소 녹색성장 의 현 정부의 기조와 일치하므로 에너지 절감효과에 및 CO2절감효과에 대한 정량적인 데이터 제시를 통하여 정부의 정책적 지원의 당위성을 도출하였다. 5) 스마트 하이브리드 액츄에이터는 전기, 전자, 유압, IT 등이 융합되는 융합기술 로 분류될 수 있으므로 미래형 융합 기술에 대한 정책적 함의를 도출하였다. 4. 기관별 담당 연구내용 및 주요 산출물 [그림] 기관별 담당내용 및 산출물 - 8 -

21 제 2 장 본 론 제 1 절 스마트 하이브리드 액츄에이터 분석 1. 기술성 분석 가. 스마트하이브리드 액츄에이터의 개요 및 핵심기술 1) 스마트 하이브리드 액츄에이터(Smart Hybrid Actuator, SHA)의 개요 일반적인 유압서보 구동 시스템은 유압 탱크, 유압 파워팩, 배관, 서보밸브, 유압 실 린더 등으로 구성되어 있는데, 장치가 크고 복잡하며, 정비가 빈번히 요구되는 단점을 가지고 있다. 또 정밀한 구동이 불가능하고 유압실린더를 이송하지 않을 때에도 유압펌 프를 계속 켜두어야 하므로 에너지를 많이 소모하는 단점을 가지고 있다. 이러한 유압 구동계의 단점을 극복하기 위하여 최근에 일본을 비롯한 선진국에서 복잡한 유압 구동 계를 통합 일체화 하여 하나의 액츄에이터 형태로 개발 판매를 시작하고 있다. 스마트 하이브리드 액츄에이터는 작동유를 보내기 위한 소형펌프와 서보 모터, 실린더 를 채울 정도의 작은 유압탱크, 힘을 내는 유압 실린더, 피스톤의 위치를 측정하는 위치 센서, 그리고 피스톤의 위치를 제어하는 제어기, 서보모터용 드라이브 보드 그리고 작동 신호를 주고받기 위한 통신 기능 등이 일체화된 형태로 이루어져 있다. 스마트 하이브리드 액츄에이터는 배관을 내장화 하므로 정비가 쉽고, 정밀 구동이 가능 하고 사용하기 편리하고, 무엇보다 실린더 로드의 작동 시에만 모터를 구동하므로 에너 지사용량을 기존시스템의 50%이상 감소할 수 있다. 또 전기모터를 이용하여 유압펌프를 구동하므로 기존의 유압구동시스템에 비해 소음이 적고 편리하고 깨끗한 구동이 가능한 장점이 있다. [그림] 스마트 하이브리드 액츄에이터의 개념도 - 9 -

22 a) Conventional Hydraulic System b) Electro-hydraulic System [그림] 에너지 소모량의 비교 2) 스마트 하이브리드 액츄에이터의 필요성 일반적인 유압서보 구동 시스템은 고출력의 시스템 구성이 가능하지만 다음과 같은 단점을 가지고 있다. l 배관에서의 누설 및 압력 손실 발생 l 사용하지 않는 동력은 리졸버로 귀환 l 유압 배관 등의 설치, 보수, 관리가 어려우며 주 유압동력원의 고장 시 전체 시스템이 작동불 능 그러므로 배관을 최소화하고, 컴팩트하게 설계된 고출력의 구동 패키지인 스마트 하 이브리드 액츄에이터(Smart Hybrid Actuator)의 개발이 필요하다. [그림] 스마트 하이브리드 액츄에이터 개발의 필요성

23 3) 스마트 하이브리드 액츄에이터의 핵심 기술 가) 스마트 하이브리드 액츄에이터의 구성 스마트 하이브리드 액츄에이터는 유압액츄에이터, 유압펌프, 전기모터를 직접화하여 유압라인과 위험요소를 획기적으로 줄이거나 제거한 Power-by-wire가 가능한 액츄에이터를 의미한다. 그러므로 스 마트 하이브리드 액츄에이터(SHA)의 개발의 핵심기술에는 SHA용 유압펌프, 전기모터 드라이브, 및 통 합시스템 정밀 제어기술이 핵심기술로 분류된다. SHA [그림] 스마트 하이브리드 액츄에이터 구성 나) 스마트 하이브리드 액츄에이터용 유압 펌프 개발 항공 분야는 전투기와 같이 SHA의 빠른 응답성과 더불어 소형화 경량화가 요구 되는 경우에는 펌프와 전기 구동 모터의 소형 고속화, 경량화가 주된 핵심기술이다. 아래 그림은 그 최첨단의 사례로서 Messier-Bugatti가 개발한 SHA용 마이크로 펌프 를 보여 준다. 체적 용량이 1~2 cc/rev인 소형 사축식 피스톤 펌프로 추정이 되고 회전속도는 10,000 rpm 이상인 것으로 알려져 있다. SHA용 펌프의 회전 관성을 줄여 가속 저항을 줄이면서 동시에 실린더를 빠르게 구동할 수 있으려면 소형화, 고속화(정격회전속도 15,000rpm이상)외에도 고압화(정격 압력 340bar)가 요구된다. 반면에, 유압 실린더를 저속으로 구동하려면 슬루잉이 가 능해야 하기 때문에 경계 윤활 영역에서의 마찰력과 마모를 줄이는 특수한 표면처리 가 요구된다. SHA용 펌프의 제조기술은 Parker, Messier-Bugatti, MOOG, Liebherr 등의 기업체들이 보유하고 있는 것으로 파악된다

24 [그림] Messier-Bugatti 사의 고속회전 소형 피스톤 펌프 유압 액츄에이터의 빠른 응답성이 요구되지 않는 응용 분야에서도 펌프와 전기 구동 모터가 소형 고속화, 경량화가 될수록 장치의 크기와 무게를 줄이는 측면에서 매우 유리하다. 그러나 현존하는 기술의 수준으로는 경제성과 수명 측면에서 불리하 기 때문에 이를 보완할 수 있는 설계기술, 생산기술, 소재가 개발되어야 한다. 다) 스마트 하이브리드 액츄에이터용 고속 서보모터 및 모터 드라이버 개발 SHA의 유압 펌프를 높은 부하압력에서 고속 회전, 정지, 반전, 저속 슬루잉 등 을 할 수 있어야 하는 서보모터와 드라이버의 요구 사양을 일반 산업용 제품으로 충 족시키려면 경제성이 맞지 않는다. 특히 10kW 이상의 출력을 내는 SHA에 모터 드 라이버가 포함되도록 하는 경우에는 모터 드라이버의 소형화가 필수적이다. 펌프와 모터를 집적시켜 크기와 무게를 줄이면서, 모터의 냉각 효과를 얻기 위한 시도로 모터의 로터가 펌프의 로터 역할을 겸하도록 연구한 사례가 있다. 장기적으 로 SHA용 펌프와 모터는 일체형으로 진화되리라 전망된다. 국내 관련 업계가 10kW 이상의 SHA용 서보모터와 드라이버를 설계, 제조할 수 있는 기술을 개발하려면 인프라 확보와 선행 개발을 위한 정부 지원이 반드시 필요 한 실정이다. 라) 스마트하이브리드 액츄에이터 제어 기술 고정 용량형 유압 펌프를 사용하는 SHA의 경우에는 제어특성이 주로 펌프 및 모 터의 관성 모멘트, 모터의 순간 토크, 모터 드라이버의 불감대역(dead band) 등에 의해 영향을 받는 위치 제어계를 형성하기 때문에 제어기의 설계를 통해 제어 성능 을 높이는 데에는 한계가 있다. 그러나 가변 용량형 유압 펌프를 사용하는 경우에는 펌프의 체적용적을 제어함 으로써 이런 문제를 극복할 수 있으며 제어기의 설계가 제어성능에 큰 영향을 발휘 할 수 있다. 이런 분야에 대한 연구는 정유압 변속기의 제어 분야와 유사하나, SHA

25 는 속도제어계가 아닌 위치제어계에서 동작한다는 측면에서 차이가 있다. [그림] 가변용량 펌프를 사용한 SHA 회로 SHA의 제어 기술은 응용 대상에 따라서 달라질 수밖에 없다. 특히 응답속도와 제어 정밀도와 같은 전통적인 제어 성능 목표 외에도 소비동력 절감 효과를 극대화 하는 것이 SHA를 기존에 밸브로 제어하는 유압 시스템과 차별된 상품성을 확보하 게 될 것이기 때문이다. 나. 스마트하이브리드 액츄에이터 기술성 분석 1) 기술적 중요도 스마트하이브리드는 타 산업분야로의 파급효과가 크고, 국산화가 필요한 기술이며, 정부 의 녹색성장의 기조에 부합하는 기술이다. [그림] SHA의 기술개발 중요도 가) 스마트하이브리드 액츄에이터는 적용하기 쉽고 정밀하고 간편하고 효율적인 부품기술 이므로 타 분야로의 파급효과가 큰 핵심부품 기술이다. 스마트하이브리드 액츄에이터 (SHA)는 향후 10년 이내에 항공기, 선박, 건설기계, 자동차, 공작기계 등의 중공업 분 야에 광범위하게 보급될 것으로 예상되며, 이들 분야는 우리나라의 주력 산업 분야와 일치하므로 산업 경쟁력을 지속적으로 유지하려면 SHA에 대한 기술 확보와 산업체 육

26 성 등이 선행되어야 한다. [그림] SHA의 파급효과 나) 스마트하이브리드 액츄에이터 기술은 선진국들이 방산기술에 준하는 보호 장벽 을 구축하였으므로 선진국들로부터 기술이전을 받기 어려운 기술이고, 독자적인 개발 로 국산화가 필요한 기술이다. [그림] SHA의 방산기술에 적용사례 SHA의 핵심 기술인 고속 회전 유압 펌프와 고출력 밀도 서보모터의 설계 및 제조 기술은 국내에 아직 정착되지 않은 기술이며, 항공분야에서 적용을 시작한 선진국에 는 이미 15년 이상 뒤져 있는 상태에서, 방산기술에 준하는 보호 장벽이 있기 때문에 기술이전을 받는 것은 거의 불가능하다고 볼 수 있다. 따라서 SHA의 핵심 기술을 독

27 자적으로 확보하지 못할 경우 관련 산업의 성장 동력 유지는 물론, 부품 산업의 높은 대외 의존도 극복에 어려움을 겪게 될 수 있다. 다) 스마트하이브리드 액츄에이터(SHA)의 개발은 현 정부에서 추진하는 녹색성장 정 책의 기조에 부합된다. 스마트 하이브리드 액츄에이터 기술은 전기, 전자, 유압, IT 등 이 융합되는 미래형 융합기술이다. 스마트 하이브리드 액츄에이터를 사용하면 실린더 로드의 작동 시에만 모터를 구동하므로 에너지사용량을 기존시스템의 50%이상 감소할 수 있다. 또 디젤기관이나 가솔린엔진을 사용하지 않고 전기모터를 사용하여 유압펌프를 구동 하므로 탄소가스 배출이 없다. 그러므로 SHA는 기존의 유압구동시스템에 비해 소음이 적 고 편리하고 깨끗한 구동이 가능한 장점이 있다. 세계적인 탄소 가스 배출 규제 노력에 부응하여 밸브에 의해 제어되는 유압 시스템의 에너지 소비를 줄일 수 있는 방안은 유 압 동력 손실의 주된 원인인 제어 밸브와 배관을 배제한 electro-hydrostatic drive 방식 을 도입하는 것이다. SHA는 electro-hydrostatic drive 기술에 기초한 것이다. 2) 기술적 시급성 가) 선진국에서는 항공분야의 경우 이미 15여 년 전부터 개발이 이루어져 왔으며, 최 근에는 실용화까지 이르렀으나 건설기계, 공작기계, 자동차, 선박 등의 분야에서는 원가 상승, 기술 인프라 부족으로 인해 도입 단계에 머무르고 있다. 그러나 탄소가스 배출 규제가 본격화되어 에너지 소비 효율의 충족도가 상품 가치를 좌우하는 단계가 되면 SHA의 도입이 활성화될 것이다. 나) SHA를 적극적으로 적용해야 하는 항공, 건설기계, 자동차, 공작기계 등의 산업 분야는 생산성, 신뢰성 및 경제성까지 완벽히 검증한 후 비로서 제품화되기 때문에 선행 개발 기간이 짧게는 3년, 길게는 10년까지 소요된다. 따라서 관련 제품이 이미 관련 시장에 출시된 후에 개발을 착수하게 되면, 산업재산권의 기득권 장벽으로 인 해 후발업체들은 시장 진입이 어려워질 것이다. 일본과 미국을 비롯한 해외의 유압 메이커들은 수년 전부터 SHA 개발 연구를 진행해 왔으며 일부 몇몇 회사에서 용량 별로 제품을 출시하였다. 국내에 출원 등록되어 있는 스마트하이브리드 액츄체이터 (SHA) 관련 특허는 대부분 일본을 비롯한 해외 메이커들이 출원한 것으로서 이 분 야에 대한 기술 종속 현상이 진행되고 있다. 다) 일본의 KOBELCO 건기주식회사는 스마트 하이브리드 엑츄에이터 시스템을 적 용하여 6톤급 직렬형 하이브리드 굴삭기를 개발하였다. 이 장비는 25% 이상의 에너 지 절감을 얻을 수 있음을 확인하였고 양산체제를 구축하기 위한 준비 중에 있다

28 라) 특히, 기술 경쟁이 치열한 굴삭기의 경우에 지금이라도 국내 기술역량을 집중하 여 SHA의 개발에 착수해야만 기술 자립을 통한 세계 시장 진입 및 선진국과의 기 술 경쟁이 가능할 것으로 예상된다. 3) 기술적 파급효과 가) 항공분야: 대형 여객기, 전투기 등의 flap, rudder, aileron을 조작하는 액츄에이터로서 적용율 이 높아져 무게 절감, 정비성 개선, 연비 개선 등에 기여 할 수있다. 국내에서도 차 세대 전투기와 중형 항공기의 독자 개발에 착수하게 되면 고속 펌프와 서보모터의 제조 기술에 대한 수요가 발생할 것으로 전망된다. 나) 건설기계 분야: 굴삭기, 로더 등의 작업장치 구동에 적용되어 기존 밸브에서의 압력손실을 저감함 으로써 연비 개선에 기여할 수 있다. 다) 물류기계 분야: 크레인, 지게차 등의 작업장치 구동에 적용되어 기존 밸브에서의 압력손실을 저감 함으로써 연비 개선에 기여할 수 있다. 마) 자동차 분야: 조향장치에 적용되어 엔진으로 구동되는 펌프를 대체하여 조향 각속도와 차속에 따라 펌프 회전속도를 제어함으로써 연비 개선에 기여. 특히 고속도로 주행 시에 연 비 개선 효과가 클 것으로 기대된다. [그림] 산업용 SHA의 자동차분야의 적용 사례 스마트하이브리드 액츄에이터는 자동차 Roof, Spoiler, Door 작동 등과 철도차량의 Tilting, Slide Gate작동 등에 사용되고 있고, Disk Brake, 특장차량의 Wing body, Power Gate의 작동, 자동변속기 기어박스의 작동 등에 적용 가능하다

29 바) 산업기계 분야: 사출기의 램 구동에 적용되어 밸브에서의 동력 소비를 절감하는데 기여할 수있다. 사) 조선 분야: 조타장치를 비롯한 각종 작업 기계에 적용하여 고압 작동유의 중앙공 급으로 인한 불필요한 배관 및 동력 소비 절감할 수 있다. 4) 기술 성숙정도 및 TRL o 건설기계, 물류기계 분야에서 SHA 기술은 미국, 일본 역시 기술 도입기에 있다. o SHA기술은 미국이나 유럽이 항공 분야의 선도를 통해 월등하게 앞서 있기 때문에 단기적 으로는 제품 적용을 위한 시스템 응용 연구를 추진하면서 장기적으로는 요소별 원천 기술 을 도출하여 기술 자립에 필요한 기반을 구축하는 것이 필요하다. o 특히, SHA기술을 건설기계, 물류기계에 적용함에 있어서 조작성, 연비 개선, 정비 성, 신뢰성을 확보하는 기술 개발 연구는 산학연 협력 체계를 통해 반드시 선행되 어야 한다. o 국내 SHA기술 성숙도는 TRL에서 3단계에 해당하는 연구실규모의 기본성능 검증 이 완료된 상태이다. [그림] 기술성숙정도 및 TRL <기술성 분석에 따른 판단> 기술적 중요도 낮음 보통 높음 매우 높음 상위기술이 적절한 기능을 수행하게 하는데 있어 이 기술의 중요한 정도 기술적 파급효과 낮음 보통 높음 매우 높음

30 이 기술이 다수의 타 요소기술의 개발에 미치는 영향력 기술성숙도 도입기 성장기 성숙기 쇠퇴기 주요 기술개발의 성숙정도 TRL 단계 3단계 4단계 5단계 6단계 7단계 TRL 단계 <기술수준 분석에 따른 판단> 상대수준 90%이상 80~90%이상 70~80% 70%이하 최상위 기술을 100%라고 했을 때 상대적인 기술수준 기술격차 0~1년 1~2년 2~4년 4년 이상 현 수준의 국내 기술 잠재역량을 고려할 때 최상위 기술 수준에 도달하는 데 걸릴 것으로 예상되는 기간

31 2. 시장성 분석 가. 스마트하이브리드 엑츄에이터 시장 동향 1) 스마트 하이브리드 액츄에이터의 응용분야 가) 항공기분야 [그림] 항공우주분야에서의 SHA의 적용 스마트 하이브리드 액츄에이터가 산업 분야에 최초로 적용되기 시작한 것은 항공 기 분야이다. 항공 분야에서는 스마트 하이브리드 액츄에이터의 형태로서 EHA(Electro-hydrostatic Actuator)라는 표현이 사용된다. 유럽에서는 90년대 중반에 EU 공동연구 과제로서 CASA, Aerospatiale, Messier-Bugatti, Lucas Aerospace France, SAMM, Liebherr Aerospace, Sabca 등이 참여하여 차세대 항공기를 위한 EHA개발을 추진하여 원천기술 확보룰 시도한 바 있다. EHA는 유압 배관이 없기 때문에 피탄 시에도 조종성 확보 가능성이 높으므로 특히, 전투기에 적용할 경우에 많은 이점이 있음이 입증되고 있다. Parker aerospace 사는 전투기에 대해서는 처음으로 F-16의 horizontal tail, rudder, flaperon을 구동하 기 위한 EHA를 개발한 바 있다. 이 EHA들은 두개의 펌프를 사용하는 dual tandem 방식인 것이 특징이다. 그림 2는 Parker aerospace사의 EHA를 보여준다. [그림] Parker Aerospace의 EHA

32 유압 분야의 또 다른 유명 메이커인 Moog사도 F-35에 적용할 목적으로 horizontal tail, rudder, flaperon을 구동하기 위한 EHA를 개발한 바가 있다. 그리고 NASA는 자체연구로서 F-18 전투기용 EHA를 개발한 사례가 있다. EHA를 여객기와 같은 대형 항공기에 사용하면 배관이 필요 없으므로 payload가 증가하고 보수가 용이해지는 장점이 있다 AIRBUS 사에서는 이미 1993년부터 A320, A340과 같은 기종에 적용하기 위한 EHA를 개발하여 최신 모델 A380에 광범위하게 탑재하고 있다. 대형 항공기용 EHA는 그 크기에 대한 제약이 전투기보다는 작은 대 신 무게당 출력비가 중요시 된다. 국내에서는 한국항공대학교와 (주)한화가 공동으로 전투기용 10kW급 EHA 시제 (그림 3)를 항공우주부품기술개발 사업의 지원을 받아 2003년에 독자적으로 개발한 사례가 있다. [그림] 국산 EHA 시제(KAU, 한화) 항공 분야에서는 Airbus의 최신 A350, A380 제트 여객기, F-35와 같은 최신 전투 기에 SHA를 적용하는 개발이 추진되어 온 것과 같이 기존의 Fly-by-Wire 방식에서 유 압배관 없이 전기 배선을 통해 모든 조종면 액츄에이터를 제어하는 Power-by-Wire 방 식으로 전환해 갈것으로 예상되며, 부분적으로 기존 항공기의 업그레이드도 추진될 것 이다. 이에 따라서 Fly-by-Wire 방식의 항공기용 유압 액츄에이터를 제조하여 납품하는 국내 업계도 5년 내에 해외 수출 및 내수 공급을 위한 Power-by-Wire 시스템용 유압 액츄에이터의 설계 및 제조 능력을 갖춰야 할 것이다

33 [그림] 항공 산업에서의 SHA의 적용 (F22 전투기) [그림] 항공 산업에서의 SHA의 적용 (F18 전투기) [그림] 항공 산업에서의 SHA의 적용

34 나) 자동차 분야 자동차 분야에서는 유압 펌프를 엔진으로 구동하는 유압식 power steering의 연 비를 높이기 위해 유압 펌프를 전기 모터로 구동하는 방식이 개발되고 있다. 이런 방식에서도 펌프와 전기 모터는 소형 고속화 되는 것이 바람직하며, 이로 인해 응답 속도가 충분히 빨라지면 유압식 power steering도 스마트 하이브리드 액츄에이터 방 식으로 진화되어 갈 것이다. 다) 건설기계 분야 굴삭기 등 건설기계 분야에서는 엔진을 전기모터로 대체하려는 개발 추세에 따라 서 스마트 하이브리드 액츄에이터의 개발이 시도되고 있다. [그림] 일본 선진기업의 SHA를 이용한 사례 (HITACHI, KOBELCO, Komatsu) 일본은 신 에너지 산업기술 종합개발 기구(NEDO)에서, 21세기 경제사회의 지속적인 발전을 실현하는 것을 목적으로, 새로운 리사이클 관련 기술 분야 및 지구온난화 방 지에 도움이 되는 기술분야의 개발을 추진하는 신규 환경산업 창출형 기술연구 개 발제도 를 1999년부터 5년 계획으로 실시 하였다. 이중에서 건설기계의 에너지 절약 기술 을 대상으로 하는 하이브리드 건설기계의 연구개발 에 대해 계속적인 연구를 실시하였고 KOBELCO 건기주식회사는 2001년 6톤급 직렬형 하이브리드 굴 삭기를 개발하였다. 스마트 하이브리드 엑츄에이터 시스템을 적용한 이 장비는 25% 이상의 에너지 절감을 얻을 수 있음을 확인하였다

35 [그림] 일본 선진기업의 SHA를 이용한 하이브리드 굴삭기 개발업체 현황 [그림] SHA를 적용 가능한 건설기계 [그림] SHA를 적용 가능한 기계장치

36 라) 발전설비 분야 미국의 Parker Hannifin 社 에서는 기 개발된 Electro hydraulic Actuator를 사용하여 풍력발전기 내의 브레이킹 시스템 등에 적용하여 사용하고 있다. EHA system Braking system Rotor rock system Hybrid Excavator (KOBELCO 社, Japan) SHA and Applications (Parker Hannifin 社, USA) 마) 조선분야 미국의 CMC Power사에서 엔진 Tilting System 및 선외기 엔진의 자체 방향제어 에 Electro Hydraulic Actuator를 적용하여 사용하고 있다. 모터 선외기 엔진 Tilting시스템 모터선외기 조타 시스템 원격제어 밸브시스템은 대형송수관 또는 송유관과 같이 직경 수십mm부터 수천 mm까지의 다양한 파이프(관)의 개폐를 원격으로 제어하는 장치이다. 이는 해양의 경우 대형 특수선이나 해양플랜트 그리고 육상의 경우 플랜트에 필수적인 장치이며 공정제어시스템을 구성함에 있어서 매우 중요한 시스템이다. 현재 Danfoss사는 유압 펌프를 내장한 밸브시스템을 상품화하여 해양플랜트의 원격제어밸브에 SHA시스템 을 적용하고 있다

37 나. SHA의 시장 규모 및 성장률 예측 1) 항공기분야 제트 여객기는 2020년도까지 약 30,000대의 신규수요가 예측된다(일본항공기개발협 회 자료). 전투기의 생산 규모는 이에 비해 미미하기 때문에 고려하지 않더라도 Power-by-Wire 시스템용 유압 액츄에이터의 대당 가격이 1억원~2억원 수준이며, 보수 적으로 연간 1,000개의 수요를 가정하면 1,000억~2,000억원의 시장이 형성될 것으로 보 인다. 2) 조선분야 세계 조선시장은 2007년말 수주잔량(CGT) 기준으로 한국(35.5%), 중국(29.8%), 일본(16.8%)이 세계시장의 82.1%를 차지하고 있으며, 건조 척수로 61.4%(1,641)를 차지하여 한중일 아시아 3국이 세계상선 신조 시장을 장악하고 하면서 수주잔량 을 안정적으로 증가시켜 왔다. 2007년말 기준, 세계 수주잔량은 1억 8,260만 CGT를 기록하였고, 이는 전년 동 기 대비 36.7% 증가를 기록하였다. 국가별로 일본이 전년 대비 6% 감소, 유럽이 5% 증가하여 다소 정체 중인 반면, 한국과 중국은 각각 47%, 84% 증가하여 괄목 할 만한 성장세에 있다. <국내외 조선해양시장 규모> (단위 : 물량-만 CGT, 금액-억원 ) 구분 CAGR 국내시장 국외시장 물량 % 금액 2,458 2,723 3,072 3,402 3, % 물량 1,702 2,082 2,399 2,672 3, % 금액 11,007 13,465 15,515 17,280 19, % 출처 또는 인용 : Lloyd's World Shipbuilding Statistics (한국조선협회 2007) Clarkson, World Shipyard Monitor, 상기 조선시장의 예측을 기준으로 국내 및 전세계 연간 건조선박수를 각각 150 척 및 400척로 예상하고, 선박 1척당 원격제어밸브시스템의 가격을 평균 4억으로 계산하면 국내 시장은 600억, 전세계 시장은 1600억의 시장규모로 볼 수 있다

38 3) 건설기계분야 지구온난화 방지를 위해 에너지 절약 기술 및 배기가스 배출 저감을 위한 기술 개발 필요성이 증가하고 있으며, 이에 따라 각 국은 녹색기술을 미래 성장동력원 으로 삼고 기술 개발에 노력을 경주하고 있다. 이러한 시대 환경적 요구로 인하여 각국의 자동차 생산 업체에서는 하이브리드 및 전기자동차를 연구 혹은 생산 하고 있는 실정이며, 건설기계산업 분야에서도 하이브리드와 전기식 건설기계 개발을 가속화 하고 있는 실정이다. 현재 하이브리드 동력시스템의 시스템 제어기술, 전기 기기 및 저장장치 기술은 엔진이 연료전지로 대체되는 향후 연구 추세와 부합하 며, 스마트 하이브리드 엑츄에이터 또한 향후 연구과제에 반드시 필요한 시스템으 로 그 필요성 및 수요는 급증 할 것으로 예상된다. 향후 10년간 하이브리드 굴삭기 시장은 굴삭기 세계시장의 약 34%로 성장 할 것으로 예측 되며, 2020년 국내 생산규모는 약 64억 달러로 세계 하이브리드 굴삭 기 시장의 29% 정도를 점유할 것으로 예상된다. 그러나 스마트 하이브리드 엑츄에 이터를 사용한 스마트 하이브리드 굴삭기는 기술 개발 중에 있기 때문에, 점진적 인 시장 점유율 성장이 있을 것으로 예상되며, 2020년에는 모든 굴삭기가 하이브 리드 엑츄에이터 시스템을 사용한 굴삭기로 변경될 것으로 예측된다. 스마트 하이브리드 굴삭기 시장의 규모는 2012년 1,791억원으로 예측되며, 2016 년에는 14,541억원의 규모로 예측된다. 스마트 하이브리드 굴삭기 스마트 하이브리드 액츄에이터 구분 하이브리드 한국생산규모 (Million $) 하이브리드 한국생산규모 x 스마트 하이브리드 성장률% 스마트 하이브리드 굴삭기 국내생산규모 (Million $) 하이브리드 세계생산규모 (Million $) 하이브리드 세계생산규모 x 스마트 하이브리드 성장률% 스마트 하이브리드 굴삭기 세계생산규모 (Million $) ,517 6,442 0*0% 150*20% 384*40% 983*60% 2,517*80% 6,442*100% ,013 6,442 1,821 2,986 4,895 8,078 13,421 22,298 0*0% 2,986*20% 4,895*40% 8,078*60% 13,421*80% 22,298*100% ,958 4,847 10,736 22,298 SHA 세계 시장규모 (억원) 0 1,791 5,874 14,541 32,208 66,894 SHA국내 시장규모 (억원) ,770 6,039 19,326 자료출처 : 현대중공업 전기굴삭기 시장현황 및 전망, 산출근거 o 스마트 하이브리드 굴삭기의 시장점유율 성장률이 년 10% 정도로 가정하고 계산. o 20톤 굴삭기 한 대당 유압시스템이 차지하는 부분은 25%차지한다고 가정하고 계산. o 환율은 1$달 1,200으로 계산. o 2010을 기점으로 스마트 하이브리드 굴삭기의 시장점유율이 년 10%정도 성장한다면, 2020년에는 모든 하이브리드 굴삭기는 스마트 하이브리드 굴삭기로 대체될 것으로 예측함

39 4) SHA 시장규모 상술한 항공, 조선, 건설기계에 사용되는 SHA의 시장을 종합하면, 2012년 SHA의 시장은 4,391억원의 시장규모를 가지고 있을 것으로 예상되며, 2018년에는 36,608억원 의 규모로 증가할 것으로 예상된다. [그림] SHA 시장 전망

40 다. 시장구조 및 경쟁현황 1. 스마트 하이브리드 액츄에이터의 Macro-Supply Chain [그림] Macro-Supply Chain 2. 경쟁현황 유럽의 경우, 항공우주분야에서의 SHA의 적용을 중심으로 진행 되고 있다. 유럽 에서는 90년대 중반에 EU 공동연구 과제로서 CASA, Aerospatiale, Messier-Bugatti, Lucas Aerospace France, SAMM, Liebherr Aerospace, Sabca 등 이 참여하여 차세대 항공기를 위한 EHA개발을 추진하여 원천기술 확보룰 시도한 바 있다. AIRBUS 사에서는 이미 1993년부터 A320, A340과 같은 기종에 적용하기 위한 SHA를 개발한바 있다. 일본의 경우 건설기계의 에너지 절약 기술 을 대상으로 하는 하이브리드 건 설기계의 연구개발 에 대해 계속적인 연구를 실시하였고 KOBELCO 건기주식회 사는 2001년 6톤급 직렬형 하이브리드 굴삭기를 개발하였다. 스마트 하이브리드 엑츄에이터 시스템을 적용한 이 장비는 25% 이상의 에너지 절감을 얻을 수 있음 을 확인하였다. KOBELCO외에도 히다치, Komatsu 등에서 굴삭기용 스마트 하이

41 브리드 액츄에이터의 연구를 진행하고 있다. 미국의 경우 Parker aerospace사와 Moog사가 전투기에 대해서는 처음으로 F-16의 horizontal tail, rudder, flaperon을 구동하기 위한 SHA를 개발한 바 있다. 미국의 Parker Hannifin 社 에서는 기 개발된 Electro hydraulic Actuator를 사용하 여 풍력발전기 내의 브레이킹 시스템 등에 적용하여 사용하고 있다. 미국의 CMC Power사에서 엔진 Tilting System 및 선외기 엔진의 자체 방향제어에 Electro Hydraulic Actuator를 적용하여 사용하고 있다. 조선분야에서는 현재 Danfoss사는 유압펌프를 내장한 밸브시스템을 상품화하여 해양플랜트의 원격제어밸브에 EHA 시스템을 적용하고 있다. 국내 대기업인 현대중공업, 두산인프라코어, 수산중공업, 등이 건설기계용 스마 트하이브리드 액츄에이터의 개발사업에 참여하여 시장을 선도할 것으로 예상된다. 향후 스마트하이브리드 액츄에이터 시장의 경쟁은 일본 업체와 시장선점을 위 해 세계시장에서 경쟁이 치열할 것으로 예상된다

42 라. 스마트 하이브리드 액츄에이터 시장 성숙 정도 1) 항공 분야는 그 특성 상 선행 개발이 최소 10년을 앞서 가는 것을 고려할 때 이미 A380과 같은 제트 여객기에 SHA가 사용되고 있다는 것은 이에 대한 시장성에 대한 분석과 기반 기술 확보, 현장 평가가 이미 완료된 것을 의미한다. 2) 건설기계 분야에서 스마트 하이브리드 엑츄에이터 활용도가 높을 것으로 예상되는 분야는 굴삭기, 휠로더 등 기존 유압 엑츄에이터를 사용하고 있는 분야에서 활용도가 높 아질 것으로 예상된다. - 연비개선 및 배기가스 배출 저감을 위한 기술로 활용도가 높아질 것으로 예상 - 스마트 하이브리드 엑츄에이터를 사용함으로써 장비의 제어성능 향상 및 고객 맞춤의 제어 알고리즘을 개발할 수 있기 때문에 고객 창출의 기회가 증가 할 것 으로 예상 3) 조선 해양분야에서는 컨테이너선 등의 선박의 발라스트를 제어하기 위하여 기존 의 중앙에 설치된 유압공급원을 대신하여 본 스마트 하이브리드 액추에이터의 활 용도가 높을 것으로 예상된다. 또한 소형의 모터보트 등의 조타시스템 및 소형선 박 엔진 Tilting 시스템 등에도 스마트 하이브리드 엑츄에이터의 활용도가 확장되 리라 예상된다. <세계 시장동향 분석에 따른 판단> 세계10억$미만 또는 국내500억 미만 세계10억$이상 또는 국내500억 이상 시장규모 세계50억$이상 또는 국내2,000억 이상 세계100억$이상 또는 국내5,000억 이상 제품관련 연간 예측 시장규모(매출발생 후 3년 평균, 현재시장이 없는 경우 잠재시장규모 추정) 시장성장률(CAGR) 10% 이하 10% 이상 20% 이상 30% 이상 2010년 2014년간 시장의 연평균 성장률(CAGR) 시장경쟁 경쟁미약 보통 치열 매우치열 향후 3년 후 목표시장 내 경쟁자수 및 시장진입의 용이성 시장 성숙 단계 도입기 성장기 성숙기 쇠퇴기 향후 3년 후 목표시장의 시장 성숙단계

43 마. 시장 경쟁력 분석 1) 사업화 소요기간 및 경제적 수명 예측 o 특허기술의 인용주기와 특허 출원 수 등의 기술성을 제외한 스마트하이브리드 엑 츄에이터 시장성 측면에서 기술의 수명주기는 30년으로 예측함. - 일본, 미국, 한국 및 아시아 시장에서 스마트하이브리드 엑츄에이터는 초기 개발 단계임 - 기술개발이 완료되는 2013년을 사업화 초기년도로 예상하여 5년 동안의 시장 규 모를 산출하였으며 사업화가 진행되면서 대량생산에 의한 가격하락이 이루어질 경우, 시장수요가 커질 것으로 예상. 2) 예상시장 점유율 및 총매출액 예측 o 예상시장 점유율 국내 세계 구분 시장규모(억원) 890 1,512 3,170 7,839 예상매출액 시장규모(억원) 4,391 8,874 18,041 36,608 예상매출액 ,000 3,500 - 세계시장에서 일본, 미주, 유럽업체와의 경쟁이 치열할 것으로 예상하여 10~20% 가정 - 환율 1$:1,200원 가정 기술의 경제적 수명 30 년 ᅳ 개발기술로 적용된 제품에 있어서 초과이익이 발생할 수 있는 기간 세계 1%미만 또는 국내10%미만 세계 1%이상 또는 국내10%이상 예상 시장 점유율 세계 3%이상 또는 국내20%이상 세계 5%이상 또는 국내30%이상 제품의 연간 예상 시장점유율(매출발생 후 3년간 평균, 유사 제품군 생산 1,2,3위 기업 평균 또는 업종평균 기준) 예상 총매출액 1,300억원이하 1,300억원이상 6,500억원이상 130,000억원이상 시장규모에서 개발기술이 적용된 최소제품 등의 시장점유율을 곱하여 환산(국내 총생산액과 유사)

44 Project 투자비용 대비 총매출액율 10 미만 10 이상 50 이상 100 이상 (경제적 수명동안 총매출액의 합) / (투입연구비의 합) 총매출액, 투입연구비 등은 연구개발 시작년도(1차년도)부터 할인율(10%)적용하여 산출 및 계산 예상 총매출액 1,300억원이하 1,300억원이상 6,500억원이상 130,000억원이상 시장규모에서 개발기술이 적용된 최소제품 등의 시장점유율을 곱하여 환산(국내 총생산액과 유사) Project 투자비용 대비 총매출액율 10 미만 10 이상 50 이상 100 이상 (경제적 수명동안 총매출액의 합) / (투입연구비의 합) 총매출액, 투입연구비 등은 연구개발 시작년도(1차년도)부터 할인율(10%)적용하여 산출 및 계산

45 3. 독창성 분석 가. 국내외 특허 동향 분석 건설 중장비용 스마트하이브리드 액츄에이터 기술개발 분야 특허의 연도별 국가별 특허동향 년부터 2009년 08월까지 공개된 한국특허, 일본특허, 유럽특허, 미국공개특허 를 분석대상으로 하였으며, 국가 별로 특허점유율과 특허 출원추이를 분석함 - 특허점유율을 살펴보면, 그림 3-1과 같이 일본공개특허가 38%로 가장 높고, 그 다음으로 미국등록특허 30%, 한국공개특허 11%, 유럽공개특허 21%로 각각 나타 남 [그림] 국가별 특허 점유율 - 출원동향을 살펴보면, 일본공개특허는 1998년 초반부터 꾸준한 상승추세를 보이 고 2000년까지 상당수의 등록수를 보이고 있으며, 2001년 기점으로 등록수가 하 강추세를 보이다가 다시 2005년을 기점으로 상승추세를 보이고 있음

46 [그림] 일본특허의 연도별 추이 - 미국등록특허는 2000년 초반부터 꾸준한 상승추세를 보이고 2002년까지 상당수 의 등록수를 보이고 있으며, 2004년 기점으로 등록수가 하강추세를 보이다가 다 시 2005년을 기점으로 상승추세를 보이고 있음 [그림] 미국특허의 연도별 추이 - 한국공개특허는 일본에 뒤이어 2004년 이전에는 산발적이고 미약한 출원수를 보 이다가 2004년 이후 출원수의 소폭 증가추세를 보이다가 2006년을 기점으로 급 작스런 증가추세를 보이고 있음

47 [그림] 국내특허의 연도별 추이 - 출원 동향을 통합적으로 살펴보면, 미국과 일본의 기술진입시점이 다른 나라에 비하여 많이 앞선 것으로 추정되고, 미국의 경우는 기술진입시점에서 활발한 연 구 활동이 이루어졌으나, 2000년을 지나면서부터 일본이 미국에 비하여 보다 더 활발한 연구 활동이 이루어지고 있는 것으로 추정됨 - 또한, 뒤이어 한국과 유럽에서 뒤이어 많은 연구 활동의 필요성을 느끼고 있는 것으로 추정되며, 특히 한국의 경우 2006년을 기준으로 해외에서는 볼 수 없는 급작스런 출원현황의 증가추세로부터 활발한 연구 활동이 이루어지고 있는 것으 로 추정됨

48 나. 핵심 특허 조사 분석 특허명 전기 유압 일체형 유압 액츄에이터 출원인 (주)세일세레스 특허번호 발명자 종래의 문제점 윤태협, 장용석, 이승희, 김해수, 임경상, 최문호 유압 배관의 복잡함과 원격지로 갈수록 유체의 압력강하로 인하여 대량의 유압 액추에이터를 같이 설치할 경우 유압 발생장치의 용량도 함께 증가하는 단점이 있었다. 이러한 문제는 궁극적으로 모 든 유압 기기의 고압화 및 고용량화와 함께 증가하는 문제가 있었으며 유압 배관의 길이 및 곡선 부분의 공기 제거에도 문제가 있게 되었다. 또한 배관의 길이가 늘어남에 따라 배관의 위치에 따른 온도 상승 및 저하로서 온도별 압축 및 팽창으로 유체의 압력이 변동하는 문제점을 가지고 있다. 발명의 목적 및 특허 point 특허 청구범위 본 고안은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 고안한 것으로 유압 발생 장치를 소형화하 여 유압 액츄에이터와 일체화한 것으로 배관의 불필요로서 발생 유압의 압력저하가 없고 유체의 배 관 내 잔류가 없으므로 유체의 보관이 적으며 가까운 거리에서 유압을 발생시키는 관계로 유압의 누 설 위험이 적어지게 할 수 있는 전기 유압 일체형 유압 액츄에이터이다. 유압발생장치와 밸브를 Open/Close시킬 수 있도록 구성되어진 유압회로장치가 일체화 되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 유압 일체형 유압 액츄에이터. 유압발생장치는 전동기와 유압펌프, 케이스로 구성되어 있으며 전동기의 회전으로 발생하는 발열 을 방산하기 위해 냉각핀으로 열이 발산되도록 제작되어진 케이스에 220V의 전압으로 구동되어지 는 전동기가 내장되어 있고 유체내의 이물질 제거용 스트레이너, 릴리프 밸브가 장착된 유압펌프가 내장되어 있다. 이 두 요소는 유압펌프의 축에 전달되어지고 유압펌프는 유압을 발생시키며 이 유 압을 발생시키는 장치가 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 유압 일체형 유압 액츄에이터 <발명> 특허 참고도면

49 특허명 전기-유압 일체제어형 하이브리드 액추에이터 시스템 출원인 주식회사 삼주기계 특허번호 발명자 김동우, 배상진 종래의 문제점 발명의 목적 및 특허 point 제어 밸브 형태의 압력 또는 유량 보상 기작을 채용함으로써 반응이 늦을 뿐만 아니라 정밀도가 떨어지거나, 유압펌프의 토출 압력 또는 유량, 심지어는 유압펌프 자체의 회전수를 측정하여 압력이 나 유량을 보상하는 방법을 사용함으로써, 실제 액추에이터에서의 제어 결과가 원하는 만큼 정밀하 게 얻어질 수 있는지에 대해 의문시되거나 하는 등의 단점을 하나 이상씩 가지고 있었다. 이에 대해 여러 가지 선행기술이 제시되었고, 압력손실을 최소화하여 액추에이터 제어 상의 오차 을 줄일 수 있었으나 완전히 방지할 수는 없었다. 구동모터와 유압펌프를 일체형으로 구성함으로써 불필요한 배관이나 호스를 배제함으로써 압력손 실 및 누유의 발생 가능성 자체를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 모터의 회전수나 유압펌프의 회 전수, 유압 또는 유량이 아닌 액추에이터의 작동 자체가 즉시 유압 발생부의 작동에 Feedback 반영 되어 원하는 보상 제어 작동이 즉시, 정밀하게 수행될 수 있는, 유압 액추에이터 시스템을 제공하고 자 하는 것이다. 또한, 액추에이터 작동의 필요한 경우에만 에너지를 사용함으로써 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 액추에이터의 중간 정지가 가능하도록 구성되는, 유압 액추에이터 시스템을 제공하고자 하는 것이다. 특허 청구범위 펌프에 구동력을 부여하는 것으로서, 그 축(11)이 유압펌프(20)의 축(21)과 연결되어 일체형으로 구 성되고, 제어시스템(80)의 제어에 의해 정지/회전, 회전속도 및 회전방향이 제어되는 서보모터(10); 서보모터(10)로부터 전달된 구동력을 유압으로 전환하는 것으로서, 그 축(21)이 서보모터(10)의 축 (11)과 연결되어 일체형으로 구성되며, 작동유의 토출구(22)와 유입구(23)가 구비되는 양방향 유압펌 프(20); 액추에이터(60)양 유압실(63)(64)의 유압과 실린더(61) 내 피스톤(62)의 위치 및 외부 부하작업시 액추에이터가 발생시키는 힘을 측정하여 서보모터(10)의 회전방향과 속도를 제어하는 제어시스템 (80)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는, 전기-유압 일체제어형 하이브리드 액추에이터 시스템 <발명> 특허 참고도면

50 특허명 ELECTRO-HYDROSTATIC ACTUATOR 출원인 Young & Franklin Inc. 특허번호 10/316,664 발명자 Gabriel Silva 발명의 배경 발명의 목적 및 특허 point 특허 청구범위 Current demands on power generation systems and valve controls require that the actuators be electrically controlled and include fail safe features. In many countries, linear actuator of the type herein disclosed also require certification when employed in an environment where an explosion might make place as for example in controlling valves utilized in gas or oil pipelines or in certain processing plants where volatile chemicals are used in the process. In order to gain certification, many of the actuators are housed in rather bulky complex structures, external power supply and controls that are costly to construct and difficult to service and maintain in the field. Typically, the electronic control of the actuator is designed to be located in separete remote housing having a non-hazardous controlled environment. The cabling between the actuator and the controller can be relatively long which can lead to signal transmission loses and other related difficulties. Electrical and mechamical components of an electro-hydrostatic actuator in a single non-hazardous housing. Fluid cooling to both the mechanical and electrical components of an electro-hydrostatic actuator. More compact, non-hazardous valve actuator. An electro-hydrostatic linear actuator that include: a hydraulic cylinder located outside of said housing that contains a piston attached to a piston rod that passes out of said cylinder, said piston dividing the cylinder in a first chamber and a second chamber; <발명> 특허 참고도면

51 특허명 사판식 가변용량형 유압펌프 출원인 油 硏 工 業 株 式 會 社 특허번호 발명자 新 宮, 과제 컴팩트로 설치, 공간 효율이 좋고, 부품 개수가 적으며 구조가 간소로 조립성이 양호하게 하는 것 과 동시에 접점부의 마모 등에 의한 검출 정밀도의 저하와 열도 발생하지 않는 사판식 가변 용량형 유압펌프를 제공한다. 발명의 목적 및 특허 point 회전축을 중심으로 구동 회전 되는 실린더 배럴(6)과, 상기 실린더 배럴의 둘레 방향에 동일 간격 에서 천공 설치되는 복수의 축방향 실린더(60)과, 상기 각 축방향 실린더에 왕복 이송 가능하게 삽 입되는 피스톤(61)과, 상기 각 피스톤의 단부에 접점하고 상기 각 피스톤에 축방향 변위를 주는 경 사판(7)과, 상기 경사판의 경전각을 제어하는 제어기(3)과, 이를 구비한 사판식 가변용량형 유압펌프 (1)에 있어서, 상기 제어기가, 상기 경사판에 연결되는 제어 피스톤(41)을 거지는 제어 실린더(4)와, 상기 제어 피스톤의 변위량을 직접 검출하는 비접촉 리니어 변위 센서(5)와, 이를 포함하고, 상기 리니어 변위센서에 검출되는 변위량을 피드백하고 상기 제어 실린더에의 압유공급을 제어하도록 구 성 되어 있다. 특허 청구범위 회전축을 중심으로 구동 회전 되는 실린더 배럴과, 상기 실린더 배럴의 둘레 방향에 동일 간격에 서 천공설치되는 복수의 축방향 실린더와, 상기 각 축방향 실린더에 왕복 이송 가능하게 삽입되는 피스톤과, 상기 각 피스톤의 단부에 접점하고 상기 각 피스톤에 축방향 변위를 주는 경사판과, 상기 경사판의 경전각을 제어하는 제어기와, 상기 제어기가, 상기 경사판에 연결되는 제어 피스톤을 가지 는 제어 실린더와, 상기 제어 피스톤의 변위량을 직접 검출하는 비접촉 리니어 변위 센서를 포함하 고, 상기 리니어 변위 센서에 검출되는 변위량을 피드백하고 상기 제어 실린더에의 압유 공금을 제 어하도록 구성 되어 있는, 사판식 가변 용량 형 유압 펌프 <발명> 특허 참고도면

52 특허명 일체형 유압 실린더 출원인 특허번호 발명자, 종래의 문제점 축방향과 연직방향의 일체형 유압실린더는 연직 방향에 누적되는 구조로 각각의 구별체를 누적하 는것 뿐이고, 장치 전체로서 컴팩트가 부족하다. 또, 누적하는 것에 의해, 장치 전체의 중심의 위치 가, 유압 실린더의 축으로부터 떨어진 위치가 되고 말기 때문에, 장치의 설치 방법에 따라서 힘의 능률이 변한다. 축방향과 동일방향의 종래의 일체형 유압실린더는, 탱크가 유압실린더의 외주부에 배치 되어 있기 때문에, 유압 실린더의 구조가 복잡해 버린다. 발명의 목적 및 특허 point 위와 같은 문제를 해결하기 위해 장치전체를 콤팩트하고, 또한 부품 공수를 적게 한 일체형 유압 실린더를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 의하면, 유압 펌프의 외주부에 탱크를 설치했기 때문에, 각각별 몸으로서 설치하기 보다 는, 장치 전체로서 컴팩트하게 된다. 또, 탱크는, 유압 펌프의 외주부에 박스를 설치하기 때문에, 기 존의 유압 실린더를 사용할 수 있고, 유압실런더의 구조를 복잡하게 할 필요도 없다. 또한, 유압 펌 프의 주위를 탱크로 덮기 때문에, 유압 펌프에서 생기는 진동이나 소리를 감소할 수 있다. 특허 청구범위 전동기에 직접 접속되고 구동하는 유압 펌프와, 유압펌프로부터의 토출압에 의하여 신축하는 유압 실린더와, 유압실린더의 실린더헤드 카바에 설치한 제어밸브를 가지고, 유압 펌프의 외주부에 탱크 를 설치하는 것을 특징으로 하는 일체형 유압 실린더. <발명> 특허 참고도면

53 다. 스마트하이브리드 액츄에이터 지재권 확보 가능성 특허(등록 공개)번호 출원일자 출원인(출원인국적) 권리상태 권리존속기간 (주)세일세레스(KR) 공개 발명의 명칭 전기 유압 일체형 유압 액츄에이터 유압 배관의 복잡함과 원격지로 갈수록 유체의 압력강하로 인하여 대량 의 유압 액추에이터를 같이 설치할 경우 유압 발생장치의 용량도 함께 증 가하는 단점이 있었다. 이러한 문제는 궁극적으로 모든 유압 기기의 고압화 및 고용량화와 함께 증가하는 문제가 있었으며 유압 배관의 길이 및 곡선 부분의 공기 제거에도 문제가 있게 되었다. 또한 배관의 길이가 늘어남에 발명의 목적 및 특허 따라 배관의 위치에 따른 온도 상승 및 저하로서 온도별 압축 및 팽창으로 Point 유체의 압력이 변동하는 문제점을 가지고 있다. 본 고안은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 고안한 것으로 유압 발생 장치를 소형화하여 유압 액츄에이터와 일체화한 것으로 배관의 불필요로 서 발생 유압의 압력저하가 없고 유체의 배관 내 잔류가 없으므로 유체의 보 관이 적으며 가까운 거리에서 유압을 발생시키는 관계로 유압의 누설 위험이 적어지게 할 수 있는 전기 유압 일체형 유압 액츄에이터이다. 특허(등록 공개)번호 출원일자 출원인(출원인국적) 권리상태 권리존속기간 주식회사 삼주기계(KR) 공개 발명의 명칭 전기-유압 일체제어형 하이브리드 액추에이터 시스템 구동모터와 유압펌프를 일체형으로 구성함으로써 불필요한 배관이나 호스를 배제함으로써 압력손실 및 누유의 발생 가능성 자체를 감소시킬 수 있을 뿐 만 아니라, 모터의 회전수나 유압펌프의 회전수, 유압 또는 유량이 아닌 액추 에이터의 작동 자체가 즉시 유압 발생부의 작동에 Feedback 반영되어 원하 발명의 목적 및 특허 는 보상 제어 작동이 즉시, 정밀하게 수행될 수 있는, 유압 액추에이터 시스 Point 템을 제공하고자 하는 것이다. 또한, 액추에이터 작동의 필요한 경우에만 에 너지를 사용함으로써 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 액추에이터의 중 간 정지가 가능하도록 구성되는, 유압 액추에이터 시스템을 제공하고자 하는 것이다. 특허(등록 공개)번호 출원일자 출원인(출원인국적) 권리상태 권리존속기간 10/316, Young & Franklin Inc.(US) 공개 발명의 명칭 ELECTRO-HYDROSTATIC ACTUATOR 발명의 목적 및 특허 Point Electrical and mechamical components of an electro-hydrostatic actuator in a single non-hazardous housing. Fluid cooling to both the mechanical and electrical components of an electro-hydrostatic actuator. More compact, non-hazardous valve actuator

54 특허(등록 공개)번호 출원일자 출원인(출원인국적) 권리상태 권리존속기간 P 油 硏 工 業 株 式 會 社 (JP) 공개 발명의 명칭 발명의 목적 및 특허 Point 사판식 가변용량형 유압펌프 회전축을 중심으로 구동 회전 되는 실린더 배럴과, 상기 실린더 배럴의 둘 레 방향에 동일 간격에서 천공 설치되는 복수의 축방향 실린더과, 상기 각 축방향 실린더에 왕복 이송 가능하게 삽입되는 피스톤과, 상기 각 피스톤의 단부에 접점하고 상기 각 피스톤에 축방향 변위를 주는 경사판과, 상기 경사 판의 경전각을 제어하는 제어기과, 이를 구비한 사판식 가변용량형 유압펌프 에 있어서, 상기 제어기가, 상기 경사판에 연결되는 제어 피스톤을 거지는 제 어 실린더와, 상기 제어 피스톤의 변위량을 직접 검출하는 비접촉 리니어 변 위 센서와, 이를 포함하고, 상기 리니어 변위센서에 검출되는 변위량을 피드 백하고 상기 제어 실린더에의 압유공급을 제어하도록 구성 되어 있다. 특허(등록 공개)번호 출원일자 출원인(출원인국적) 권리상태 권리존속기간 P (JP) 공개 발명의 명칭 발명의 목적 및 특허 Point 검토의견 (종합유사도) 일체형 유압 실린더 축방향과 연직방향의 일체형 유압실린더는 연직 방향에 누적되는 구조로 각각의 구별체를 누적하는것 뿐이고, 장치 전체로서 컴팩트가 부족하다. 또, 누적하는 것에 의해, 장치 전체의 중심의 위치가, 유압 실린더의 축으로 부터 떨어진 위치가 되고 말기 때문에, 장치의 설치 방법에 따라서 힘의 능 률이 변한다. 축방향과 동일방향의 종래의 일체형 유압실린더는, 탱크가 유압실린더의 외주부에 배치 되어 있기 때문에, 유압 실린더의 구조가 복잡해 버린다. 위와 같은 문제를 해결하기 위해 장치전체를 콤팩트하고, 또한 부품 공수를 적게 한 일체형 유압실린더를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 의하면, 유압 펌프의 외주부에 탱크를 설치했기 때문에, 각각별 몸으로서 설치하기 보다는, 장치 전체로서 컴팩트하게 된다. 또, 탱크는, 유압 펌프의 외주부에 박스를 설치하기 때문에, 기존의 유압 실린더를 사용할 수 있고, 유압실런더의 구조를 복잡하게 할 필요도 없다. 또한, 유압 펌프의 주 위를 탱크로 덮기 때문에, 유압 펌프에서 생기는 진동이나 소리를 감소할 수 있다. 본 핵심기술과 일부 유사한 특허가 조사되었지만 본 과제에서 기획방향과 일치되는 선행특허가 조사되지 않음 지재권확보가능성 (대처방안) 본 핵심기술 스마트 하이브리드 액츄에이터 기술"과 일부 유사한 선행특허 가 조사되었고, 본 기술과 일치하는 선행특허가 조사되지 않았으며 관련기 술의 선행특허들이 소수 출원되어 있으므로, 미개발 기술 분야의 지재권(핵심 특허)을 확보한 후 크로스 라이선스 등의 방법을 통해 수익창출이 가능한 것 으로 판단됨

55 라. 대응전략 독창적, 기본/표준특허 확보가능 Cross License 가능특허 확보가능 해외특허 확보가능 개량특허 확보가능 - 관련 기술 분야에 대한 해외특허 및 Cross License 가능특허에 대한 확보를 위하 여 관련 기술에 대한 보다 구체적이고 특정화시킬 수 있는 활발한 연구 활동을 필요로 함. <독창성 분석에 따른 판단> 지재권 확보 가능성 개량특허 확보가능 해외 특허 확보 가능 Cross License 가능특허 확보가능 세계적으로 독창적, 기본/표준특허 확보 가능 지재권 확보 가능한 지재권의 수준 마. 국내외 논문 동향분석 1) 국내논문 동향 분석 - 국내 논문의 경우 항공대, 울산대와 부산대를 중심으로 스마트 하이브리드 액츄 에이터의 기본적인 모델링, 위치 및 힘 제어기 설계를 중심으로 연구가 진행되어 왔다. - 울산대는 조선해양의 원격제어밸브, 건설중장비의 전기유압 하이브리드 굴삭기, 산업기계인 프레스장치에 본 EHA를 적용하는 연구를 수행하였다. - 항공대의 경우 항공기의 제어에 EHA기술을 적용하면서, 기초적인 연구로 EHA 에 들어가는 사축식 유압 피스톤 펌프의 밸브 플레이트 형상이 토크 맥동에 주 는 영향에 대하여 검토하였으며, 저속에서의 EHA의 특성에 대해서도 실험적으 로 분석을 하였다

56 - 부산대의 경우 항공기의 비행조종면제어를 위하여 Power By Wire개념으로 EHA기술을 적용하였다. 2) 해외논문 동향 분석 - 해외의 경우 1986년 보잉사에서 비행기 조정면의 제어를 위하여 EHA에 대한 연 구를 진행하였으며 특허 출원 현황을 보이고 있다. - 중국의 베이징대학에서는 2009년 동력제어가 가능한 새로운 구조의 EHA시스템 을 제안하여 항공기의 비행조정면제어에 적용하였다. - Bosch Rexroth사는 교량의 진동감쇄 및 절연을 위하여 EHA를 적용한 논문을 발 표하였다. - 본 EHA관련 기술은 주로 일본 업체위주로 기술이 개발되어져 왔기 때문에 본 연구에 부합되는 핵심특허들의 수는 그다지 많지 않다. 바. 기술개발 및 사업화 성공가능성 o 전 세계적으로 SHA는 항공기, 조선, 건설기계, 자동차용 등으로 개발이 되고 있 으나, 국내에서는 심도 있는 개발이나 현장 적용사례가 보고된바 없다. o 국내의 경우 현대중공업, 볼보건설기계, 두산인프라코어, 수산중공업 등 건설기계 가 세계적인 경쟁력을 보유하고 있으므로, SHA개발은 건설기계용 SHA로부터 시 작하는 것이 대한민국의 상황에 가장 맞는 접근방식이다. o SHA의 개발은 항공기분야에서 시작한 해외 선진 기술과의 격차가 있으나 국산 화가 꼭 필요한 기술이고, 건설기계용 SHA의 개발의 경우 시제품 제작 및 현장평 가를 통한 지속적인 문제점 개선, 제품 및 기능의 표준화 진행 등을 통해 극복이 가능할 것으로 판단된다. o 건설기계용 SHA를 개발하여 생산현장에 적용할 경우, 에너지 절감효과 및 이산 화탄소 배출량이 없으므로 장기적으로 기업의 비용지출 감축 및 생산이익 극대화 를 추구할 수 있다. 이는 주변 협력사 및 계열사로의 자연스러운 보급효과를 촉발 하여, 동종 업계 간의 보급만 확대되더라도 막대한 경제적 이익을 창출할 수 있다. o 시스템의 특성상 약간의 개조를 거쳐, 항공, 조선, 발전사업 등으로 확대 적용할 수 있으므로 산업 및 비산업 분야 전반을 아우르는 광범위한 파생 상품 및 관련 경제 효과를 기대할 수 있으므로, 사업화의 성공가능성이 매우 높은 분야이다. <기술개발 및 사업화 성공가능성에 따른 판단> 기술개발 성공가능성 매우높음 높음 보통 낮음 기술개발의 성공가능성 수준

57 사업화 성공가능성 매우높음 높음 보통 낮음 사업화의 성공가능성 수준 4. 정부지원 필요성 가. 국가중점육성 기술군으로써 해당기술의 활용도를 우선 화하고 단기간 집중적인 생산기반 R&D를 통해 폭발적인 액츄에이터 시장을 주도할 수 있는 전략품목으로 써의 가치가 충분함 나. 현대중공업, 수산중공업, 볼보건설기계, 포스코플랜텍 등 국내 양산기반 생산 공장 을 주목표로 한 시장지향형 기술개발을 목표로 함 - 관련 기술의 성숙도가 비교적 높아서 단기간 내에 상품화가 가능함 - 각 산업분야에서 요구하는 성능을 만족하는 스마트하이브리드 엑츄에이터개발을 기본으로 하며 이에 대한 정책적 지원이 요구됨 - 초기 건설기계를 위한 스마트하이브리드 액츄에이터로 시범사업 후 산업기계, 조선, 자동차 및 항공기에 이르기까지 다양한 분야에 사용가능 <전략과의 연계에 따른 국가 지원 필요성> 낮음 보통 높음 매우 높음

58 제 2 절 국산화를 위한 스마트 하이브리드 액츄에이터 연구방향 1. 스마트하이브리드 연구목표 가. 스마트 하이브리드 액츄에이터 개발전략 1) SHA의 개발전략 개요 스마트 하이브리드 액츄에이터 개발 시 하이브리드화를 통한 에너지 절감 및 경 쟁성확보가 시급한 국내 건설기계 분야에로의 적용을 1차 목표로 하고 향후 항공, 조 선, 발전설비 등으로 확대하려고 한다. 산업설비 [그림] SHA의 개발 전략 2) 건설기계용 SHA개발이 시급함 세계 최대 굴삭기 시장인 중국시장은 연 17%이상의 성장률을 기록하고 있으며, 2010년에는 연 10만대 판매 시대가 열릴 전망이다. [그림] 중국 굴삭기 시장 연간 추이 및 전망 굴삭기 판매시장은 한국의 대표 기업(두산인프라코어, 현대중공업, 볼보건설기계)들 이 29.2%를 점유하고 있으며 일본의 대표기업들(코마츠 히다치, 코벨코)이 38.2%를

59 점유하고 있으며 기타 나라가 28.2%를 점유하고 있다. 일본의 대표기업들이 하이브 리드 굴삭기와 전기굴삭기를 개발하여 건설기계산업의 세계 1위를 지키려고 하는 가 운데, 우리나라의 추격이 시급한 실정이다. 자료: 중국공정기계공업협회 [그림] 굴삭기 판매 업체별 점유율 (2009년 총 누계) 우리나라 건설기계분야의 대표기업인 현대중공업, 두산인프라코어 등은 굴삭기의 에너지 효율을 높이기 위해 하이브리드 굴삭기의 컨샙카를 출시한 바가 있고, 향후 전기 굴삭기에 적용하기 위해 개발을 위한 청사진을 구축하였다. 그러므로 건설기계용 스마트 하이브리드 액츄에이터(SHA) 개발 및 적용 국내 건 설기계산업의 경쟁력확보를 위하여 시급하고 적절하다. 건설기계용 개발에서 축적한 SHA기술은 향후 항공산업, 조선산업, 발전설비 등으로 확대 적용 가능할 것이다. [그림] 하이브리드 굴삭기 발전 방향

60 [그림] 하이브리드 굴삭기 시장규모 자료출처 : 현대중공업 전기굴삭기 시장현황 및 전망, [그림] 선진국의 고효율 친환경 크레인 개발 상황 3) 미래 친환경 에너지 기반 기술로의 가치가 있고 시장성이 있음. 하이브리드 동력시스템의 시스템 제어기술, 전기기기 및 저장장치 기술은 엔진이 연료전지로 대체되는 향후 연구 추세와 부합하며, 그 중간 단계로서 반드시 확보 되어야 하는 기술이다. 2020년 하이브리드 굴삭기는 세계시장의 약 34%를 차지할 것으로 전망된다. 그중 국내 생산규모는 약 64억 달러로 세계 하이브리드 굴삭기 시장의 28.9%를 점유할 것으로 예상된다. SHA시장이 굴삭기시장의 20%로 가정하 면 약 12.8억 달러의 시장으로 추산 된다

61 나. 최종 목표 전동모터 및 양방향 유압펌프 등의 기기를 실린더와 일체화한 스마트 하이브리드 액츄에이터를 개발하여 1차적으로 건설중장비의 5톤 굴삭기 및 5톤 크레인에 적용하 는 것을 목표로 한다. 이 목표는 세계 건설기계산업에서 강점을 가지고 있는 한국의 상황과 부합되고 하이브리드 굴삭기의 향후 발전 방향과도 부합된다. 1) 스마트 하이브리드 액추에이터의 핵심부품인 AC서보모터 및 드라이버, 양방향 피스톤펌프, 유압밸브블록 및 저마찰형 실린더 개발 2) 상기 전기유압식 스마트 하이브리드 액추에이터가 자기 진단 및 통신기능을 가 지도록 하드웨어개발 3) 기존의 5톤 유압굴삭기 및 5톤 유압 크레인에 상기 개발한 스마트 하이브리드 액추에이터를 적용하여 5톤 전기유압 굴삭기 및 5톤 전기유압 크레인 개발 EHA->SHA [그림] 전기 굴삭기의 실시예 [그림] 전기 굴삭기의 유압회로 안

62 [그림] 스마트 하이브리드 액추에이터를 이용한 카고크레인 유압회로도 안 다. 구체적 성능지표 <개발 목표사양> 본 연구에서는 5톤 전기 굴삭기 및 5톤 전기 크레인의 핵심부품에 해당하는 다음의 스 마트 하이브리드 액추에이터를 개발하고자 함. 본 개발사양 및 성능평가 항목은 전기 굴삭기 및 전기식 카고 크레인에 공용으로 사용되어질 수 있는 표준사양으로 시장 요 구에 따라 부분적 변경이 가능함. 개발 항목 목표 사양 1. 전동모터 AC서보모터 25kW 2. 시스템 압력 210kgf/cm 2 3. 펌프 용적 45cc/rev 4. 실린더 속도 250mm/s 이상 <성능평가항목> 평가항목 (주요성능 Spec 1) ) 단위 전체항목 에서 차지하는 비중 2) (%) 세계최고수준 보유국/ 보유기업 ( / ) 연구개발 전 국내수준 성능수준 성능수준 1차 년도 개발 목표치 2차 년도 1.Bandwidth Hz 25 6(일본/Tokimec) EHAS 효율 % 25 80(일본/Tokimec) 시정수 sec (일본/Tokimec) 차 년도 4.위치제어정도 mm (일본/Tokimec)

63 <스마트하이브리드 액츄에이터 용 서보모터 및 드라이브 개발목표 사양>.. 효율 : 모터 90% 이상, 드라이브 85% 이상 (수치는 추후 상향 조정 가능).. 통신방법 : CAN, EtherCAT.. 보호기능 : 탑재.. 고장진단기능 : 탑재 라. 확보해야할 기술 내용 1) 자체개발 기술 가) 유압부 기술내용 고효율/저마찰/고응답 특성을 가지는 양방향 피스톤 펌프 제작기술 고효율 달성을 위한 양방향 피스톤 펌프의 설계 기술 기동 토크를 최소화할 수 있는 저마찰 펌프 구동 메커니즘 설계 Deadband 구간을 최소화할 수 있는 고응답 펌프 설계 펌프 성능을 사전에 계산할 수 있는 시뮬레이션 기술 양방향 펌프의 Valve Plate의 Notch설계 기술 밸브 블록의 집적화 기술 파이롯트 체크 밸브, 릴리이프 밸브 및 보충유 공급회로의 집적화기술 액추에이터의 작동조건에 따라 추가 밸브 설계 기술 각종 액세서리밸브의 최적 배치를 위한 3차원 설계기술 스마트 하이브리드 액추에이터 통합 설계 기술 전동기, 유압펌프 및 유압액추에이터 사양의 최적화 기술 스마트 하이브리드 액추에이터 성능 예측 시뮬레이션 기술 스마트 하이브리드 액추에이터의 Compact 설계 기술 나) 전기부. 스마트 드라이브 기반의 SHA 시스템 SHA용 서보모터 추력, 반응성 및 정밀성을 만족하기 위한 서보구동시스템 사양 선정/설계 유압모듈과의 효율적 결합을 위한 코어, 하우징 및 브라켓 설계 저속구간에서 속도제어 성능향상을 위한 코깅토크 최소화 모터 설계 에너지 절감을 위한 고효율 모터 설계. SHA용 제어기 저속구간의 출력dead band를 극복하기 위한 인터페이스 및 알고리즘 개발 에너지 절감을 위한 고효율 드라이브 개발

64 다) 제어부 자가진단 및 통신기능 모듈 보호기능 및 고장진단기능 구현 드라이브 일체형 통신 및 스마트 드라이브 기능 구현 스마트 하이브리드 액추에이터 제어 및 시험기술 고정도 위치/속도/압력/토-크제어를 위한 강건제어 알고리즘 개발 스마트 하이브리드 액추에이터 제어성능 평가를 위한 테스트벤치 설계기술 스마트 하이브리드 액추에이터 시험평가항목 설정 및 시험 기술

65 2. 스마트 하이브리드 액츄에이터 국산화 가능시기 및 소요예산 국산화 가능시기 및 소요 예산 [그림] SHA 국산화 가능시기 및 소요예산 연구기간 : 2010년~2012년(3년간) 연구비 (단위: 억원) 구분 2010년 2011년 2012년 총액 정부 민간 계

66 제 3 절 연구결과의 활용방안 및 기대효과 1. 연구개발 결과의 활용방안 가) 스마트 하이브리드 엑츄에이터 산업 분야 - 건설기계, 항공, 조선, 자동차, 발전 등 산업의 부품으로 이용 가능 고유가에 따른 유지비 절감 목적 엔진 구동방식 대신 전기모터 구동방식 이용 고철 적재 하역 등의 Material Handler용으로 주로 사용 - 예상 수요 발생 지역 경유 가격 대비 산업용 전력의 가격이 저렴한 지역 전력 인입 작업이 용이한 지역 연간 운영비용 절감액과 개조 비용 회수기간 (3년 미만) 을 고려할 때 - 국내시장 및 프랑스, 독일, 노르웨이, 영국, 터키, 미국 등의 지역에서 수요 예상됨. 나) 건설산업 분야 활용방안 - 에너지 절감효과 및 CO2 절감효과를 가지고 있는 스마트 하이브리드 엑츄에이터는 녹생성장의 시대적 요구사항과 일치하는 바, 건설기계 산업에 있어 그 수요가 계속적으로 증가할 것으로 예상됨. - 굴삭기, 휠로더, 크레인 등 기존의 건설기계 장비에 사용되고 있는 기존 유압 엑츄에이터 시스템을 대체 할 것으로 예상됨. - 스마트 하이브리드 엑츄에이터를 사용함으로써 고객 맞춤형 제어 알고리즘을 개 발 할 수 있고, 이로 인해 신규 고객 창출을 이끌어 낼 수 있음. - 현재 연구 개발 중인 직,병렬형 하이브리드 장비와 연계 할 시 에너지 절감효과 및 CO2 절감효과는 배가되고, 이에 따라 스마트 하이브리드 엑츄에이터는 차세대 건설기계 시스템의 필수적인 구성 요소로 자리 잡을 것으로 예상됨. 다) 조선산업 분야 활용방안 - 컨테이너선 및 벌크선의 원격제어 밸브에 바로 적용할 수 있는 기술로서 에너지 절감 및 배관의 최소화, 선박의 건조기간의 단축 등의 효과를 얻을 수 있을 것으 로 예상됨. - 상기 원격제어밸브는 상기 선박이외에 대형 특수선이나 해양플랜트 그리고 육상 의 플랜트에 필수적인 장치이며 공정제어시스템을 구성함에 핵심적인 역할을 담 당하게 됨 - 선박의 조타장치에도 EHA기술이 적용가능하며, 이로 인하여 구동장치의 간소화 및 경량화가 가능함. - 모터보트의 선외기 엔진의 틸팅장치로도 활용가능함

67 2. 기대효과 가) 기술적 기대효과 - 스마트 하이브리드 엑츄에이터는 건설기계, 항공, 조선, 자동차, 발전산업에 필요한 핵심 부품이므로, 제반 관련 산업을 활성화하고 응용 기술을 발전시키는 등의 기술적 파급 효과가 큼 - 선진국에서도 기술개발 초기단계이고 우리나라는 IT 및 소프트웨어 분야에 발전 된 기술을 확보하고 있어 세계시장에서의 대등한 경쟁이 가능함 - 기술선도국인 일본의 100%, 80%, 60%기술 수준으로 기술 격차를 줄임 <기술격차 축소> 주요 기술 분야 전기부 기술 유압부 기술 통합제어부 기술 기술 선도국 및 기업/연구소 일본/Tokimec 일본/Tokimec 일본/Tokimec 구분 기술격차(년) 상대적 수준(%) 현재 2 80% 종료연도 없음 100% 현재 4년 30% 종료연도 2년 80% 현재 4년 20% 종료연도 2년 60% - 스마트 하이브리드 엑츄에이터는 군사, 건설, 재난구조 등 다양한 분야에 적용이 가능함 나) 경제적 기대효과 <스마트 하이브리드 엑츄에이터 산업 분야의 경제적 기대효과> 구분 사용처 예상수요금액 장비 판매를 통한 수익성 건설기계 항공산업 조선산업 시장규모 1,770 억원 800 억원 1,100 억원 3,670억원

68 다. 기타 기대효과( 사회 문화적 측면 등 기대효과 및 연관/파급효과) 1) 스마트하이브리드 액츄에이터는 적용하기 쉽고 정밀하고 간편하고 효율적인 부품기 술이므로 타 분야로의 파급효과가 큰 핵심부품 기술이다. 스마트하이브리드 액츄에이터 (SHA)는 향후 10년 이내에 항공기, 선박, 건설기계, 자동차, 공작기계 등의 중공업 분 야에 광범위하게 보급될 것으로 예상되며, 이들 분야는 우리나라의 주력 산업 분야와 일치하므로 산업 경쟁력을 지속적으로 유지할 수 있다. [그림] SHA 시장점유 효과 및 타분야로의 파급효과 2) 스마트하이브리드 액츄에이터(SHA)의 개발은 녹생성장의 기조에 부합된다. 스 마트 하이브리드 액츄에이터를 사용하면 실린더 로드의 작동 시에만 모터를 구동하므로 에너지사용량을 기존시스템의 50%이상 감소할 수 있다. 또 디젤기관이나 가솔린엔진을 사용 하지 않고 전기모터를 사용하여 유압펌프를 구동하므로 탄소가스 배출이 없다. 그러므로 SHA는 기존의 유압구동시스템에 비해 소음이 적고 편리하고 깨끗한 구동이 가능한 장점이 있다. 이는 세계적인 탄소 가스 배출 규제 노력에 부응하여 유압 시스템의 에너지 소비 를 줄일 수 있는 유력한 대안이다

69 제 3 장 결 론 스마트 하이브리드 액츄에이터(SHA)는 기존의 복잡하게 구성된 유압구동 시스템에 비해 시스템 이 간단하고 정비가 용이하며 에너지사용량을 기존시스템 대비 50%이상 대폭 감소 시킬 수 있는 새로운 개념의 액츄에이터이다. 본 연구회는 SHA에 관하여 소비자들의 니즈를 파악함과 동시에 국내외 산업 환 경 변화 등 산업계의 동향을 분석하고 미래시장을 예측하였다. SHA의 시장은 2012 년에 4391억, 2018년에는 3조 6680억의 시장규모를 가지는 것으로 추산 된다. 미국 과 유럽은 항공산업을 중심으로 SHA 시장에 접근을 시도하였으며, 특히 최근에는 SHA가 가진 장점을 하이브리드 굴삭기에 적용하려는 움직임이 활발히 일어 나고 있다. SHA를 건설기계의 구동기로 적용하면, 기존 내연기관으로 구동되는 유압 시 스템에 비해 연료 절감 효과가 크고, 도심에서의 소음 문제 해결 및 배기가스와 CO2 방출이 없으므로 친환경 굴삭기에 SHA의 적용이 적극 검토되고 있다. 우리나 라의 현대중공업, 두산인프라코어, 볼보건설기계 그리고 수산중공업 등의 건설기계 메이커는 전 세계 건설기계시장의 30% 정도를 점유하고 있으므로 지속적인 시장 점유는 물론이고 친환경 굴삭기 분야에서 점유율 향상을 이루기 위해서는 SHA를 건설기계에 적용하는 연구가 범 국가적인 요소 기술 개발 측면에서 이루어져야 한 다. SHA기술은 정부의 녹색융합기술개발의 연구방향과 일치하고, 항공, 조선, 일반 플랜트 기계 등의 타 분야로의 파급효과가 큰 핵심 요소 부품 기술이다. 또한 SHA 기술은 군사장비에도 적용성이 높으므로 선진국으로부터의 기술이전이 쉽지 않은 기술 이다. 따라서 본 연구회에서는 다양한 산업 분야에 광범위한 적용이 예상되는 SHA의 기 술종속 현상을 회피하고 국산화를 도모하기 위해 SHA 국산화 가능한 시기와 소요예산 을 예측함과 동시에 경제적 타당성을 분석하고 연구개발의 당위성을 제시하였다. SHA의 핵심 요소 기술은 SHA용 저관성 고속 유압펌프, 유압계와 일체화된 고속 서 보모터 및 드라이브 및 통합시스템의 제어기술로 구성되어 있으며, 현재의 국내 기술 수 준에 비추어 볼 때 약 4 년간의 연구 수행을 거치면 국산화가 이루어 질 것으로 사료된 다. 향후 포럼을 개최하여 정부연구 전담부문에 스마트 하이브리드 액츄에이터 개 발의 필요성을 홍보하고 개발에 필요한 정부의 정책지원을 이끌어 내고 연구개발 과제 수행을 적극 추진 하고자 한다

70 부 록 회의(OFF-LINE 모임) 개최 일지 [그림] 연구회 추진일정 및 산출물

71 참 석 자 소 속 성 명 소 속 성 명 포항산업과학연구원 최진태 (주) 오토파워 이영진 포항산업과학연구원 유기성 (주) 포철기연 한귀석 (주) 제일유압 김 인 울산대학교 안경관 (주) 현대중공업 김도영 기계연구소 박중호 (주) 수산중공업 노수훈 장 일 포항산업과학연구원 Rm 년 9월 8일 (16:00 ~ 18:30) 소 시 목 적 (안 건) 스마트 하이브리드 연구회 Kick-off meeting (1) 스마트 하이브리드 연구회 전체적인 진행계획 1. 스마트 하이브리드 액츄에이터 개요 및 시장동향 A. 스마트 하이브리드 액츄에이터 정의 SHA 는 체적 대비 큰 힘을 갖는 유압 실린더의 장점, 고정도 위치 제어 성능을 갖 는 서보모터의 장점 및 통합제어기를 결합한 액츄에이터 B. 스마트 하이브리드 액츄에이터의 필요성 Ⅰ. 배관의 내장화 - 단순화 및 정비 업무 감소 II. 구동과 제어의 일체화 - plug & play 기능 - 소형 경량 대출력 액츄에이터 III. 에너지 절감 - 에네지 사용량기존의 50% (2) 논의사항 1. 기업에서 기대하는 스마트 하이브리드 액츄에이터의 장점 I. 수산중공업(노수훈) - 중장비는 중간에 정지기간이 있는데 유압식은 정지기간에도 계속 동력을 유지해야만 한 다. 스마트 하이브리드 액츄에이터를 사용할 경우 연료절감에 효율적일 것이다. - 유압식은 엔진을 사용하기 때문에 매연과 소음이 많이 발생하기 때문에 그런면에서 효율적 이라 예상된다. II. 현대중공업(김도영) - 필요하지 않을때 정지가 가능하여 에너지 절감에 효율적이며 빈번한 부하 변화 시 에너지 절감에 효율적이다. 유압 Tank를 사용하지 않기 때문에 공간적인 면에도 효율적이다

72 참 석 자 장 소 소 속 성 명 소 속 성 명 포항산업과학연구원 최진태 (주) 오토파워 이영진 포항산업과학연구원 유기성 (주) 포철기연 한귀석 (주) 제일유압 김 인 울산대학교 안경관 (주) 현대중공업 김도영 기계연구소 박중호 (주) 수산중공업 노수훈 (주)볼보그룹코리아 일 시 2009 년 9월 29일 (16:00 ~ 18:30) 목 적 (안 건) 스마트 하이브리드 액츄에이터 적용분야 및 시장성 논의 (1) Electro Hydraulic Actuator의 신기술 및 적용분야(울산대학교 안경관 교수) 1) 유압시스템의 특징 - 유압 시스템의 장점 : 고출력의 시스템 구성이 가능하다. - 유압 시스템의 단점 : 유압 배관이 필요하다. 기름 누설, 메인터넌스(A/S)문제 -> 메인터넌스 문제에는 서보밸브의 오 용과 필터링 문제가 있다. - 해결방법 : 고성능 전기모터를 이용한 EH(Electro Hydraulic)화 2) EHA(Electro Hydraulic Actuator) 액츄에이터, 유압펌프, 전기모터를 직접화하여 유압라인과 위험요소를 획기적으로 줄이거 나 제거한 Power-by-wire 액츄에이터를 의미한다. - EHA의 장점 1> 배관이 최소화된 구조이다. 2> Space 적으로 유리하다. 3> 유압시스템은 항시 구동해서 일정 압력을 제어 Pack 앞에서 대기 하고 있으나, EHAS는 필요시 에 서보밸브를 작동시켜 위치, 속도제어를 할 수 있어 에너지 소모를 최소화 할 수 있다. 3)적용사례 상시 작동하는 시스템이 아닌 일정 기간에 작동하는 시스템에 유리하다. - 기존 유압시스템 l 배관에서의 누설 및 압력 손실 발생 l 사용하지 않는 동력은 Resevoir로 귀환 l 단점 : 유압 배관등의 설치, 보수, 관리가 어려우며 주 유압동력원의 고장 시 전체 시스템 이 마비

73 - EHA 시스템 l 액츄에이터, 유압펌프, 전기모터 집적화 l 배관이 불필요 l 구동장치의 설치, 보수, 관리가 용이 (2) 스마트 하이브리드 액츄에이터 적용가능분야 논의 l 기존 유압시스템에 비해 Size가 얼마나 Compact 한지에 따라 사용분야는 무공무진하다. l 유압시스템과 모터를 일체형으로 하면 충분히 Compact하게 만들 수 있다. l Mobile 로 진행을 한다면 굴삭기 보다는 크레인 쪽이 적용하기 좋을 것 이다. l 기존 시스템은 Power Density 때문에 유압식을 사용한다. Power를 만족시킨다면 충분히 사용 가능하다. l 시스템을 구성 시에 신뢰성이나 환경성의 기준이 필요하다. l 실용화가 되면 제철소 측면에서도 활용분야가 많을 것이다. l 파워슈트나 다른 분야에도 사용하면 효율적이긴 하지만 참여기업에서 생산하는 굴삭기 와 같은 건설장비에 포커스를 맞춰 논의를 해야 할 것 같다. l 전동 굴삭기나 지게차등의 건설 장비에 적합할 것이다. l 우선적으로 Battery가 없는 Type의 전동 건설 장비를 목표로 진행하는 것이 좋을 것 같 다. l EHA가 개별적으로 제어를 하기 때문에 단독동작에서는 좋지만 다 동작을 하는 시스템 에서는 원가적인 측면에서 불리하다