“AI·실시간 모니터링 기술 활용, 고부가 유압시장 개척해야”

고전적 일반 유압시장 포화, 中 저가 제품에 출혈 경쟁 진행

AI로 문제인식·개선가능, 실시간 모니터링 등 고부가 기술 연구

■ 한국 유압 산업의 조망

유압은 고전적 기술이라고 할 수도 있으나, 기술의 난이도가 높아 필자가 유압을 시작한 1990년에는 일본에 완전히 의지하고 고급 제품은 독일, 그리고 미국이나 덴마크 등과 같은 선진국이 독점한 상황이었다.

예를 들면 일본의 특정 회사 대리가 한국의 굴착기 생산량을 정해주는 것이 슬픈 현실이었다. 필자가 유압을 시작하게 된 것도 이런 상황을 타개하려는 회사의 전략에 부응한 것으로, 팀장의 개념 설계를 기초로 해 완전히 새로운 30톤 굴착기용 주행 모터를 개발했다.

종래의 제품과 다른 설계를 했으며 원래 유압 전공자가 아니었지만, 석사 과정에서 배운 윤활 지식을 통해 설계를 완성했다. 이를 통해 한국에서 복제가 아닌 독자적으로 설계하고 양산에 도입된 최초의 굴착기용 유압기기가 됐다.

이후 외국 도면과 기술을 바탕으로 한 여러 제품들이 다양하게 개발됐으나 유압 제품의 설계와 제조 기술이 중국에 알려졌고, 이제는 유압 기술이 더 이상 고부가가치가 아니게 됐다. 이때문에 출혈 경쟁이 진행됐고, 경기침체로 물량이 많이 감소한 상황에서 유압 기기 산업의 미래를 걱정하게 됐다.

이와 반면에 고급 제어용 밸브와 펌프 등 고부가 가치가 있으면서 수준 높은 기술이 필요한 제품들은 한국에서 거의 성장하지 못했다. 오히려 중국에서 전략적으로 투자해 성능 면에서는 뒤쳐지나 가격을 앞세워 시장에 나오고 있다. 이런 제품들은 고가의 장비나 장치에 적용이 되기에, 시장 검증이 안 된 제품을 쉽게 적용하기도 어렵다.

또한 서비스 시장의 수요가 주를 이루다 보니 기존 선진사 제품을 교체하는 것이 빈번하고, 신규 수요가 있는 경우에도 새로운 회사가 고가 제품의 공신력을 올리기 위해 선진사 제품을 쓰는 것이 일반화 돼있다.

그러나 미국뿐만 아니라 독일의 유수 기업들이 사라져가는 것은 먼 미래가 아니기에, 한국이라는 산업 거점이 어떻게 변할지 지켜볼 필요가 있다. 유럽의 쇠퇴와 미·중 간의 극한 대결은 제3의 방안으로 고급 생산 거점을 한국으로 선택할 수 있다.

■ AI 시대 유압의 방향

AI시대에 유압산업의 방향은 수년 전 독일 아헨대학에서 개최된 국제 유압 학회 학술대회(IFK)에서 토픽으로 다룬 바가 있었지만, 추이가 궁금해 학회 대표이신 드레스덴 대학교 웨버(Prof. Weber) 교수를 초청해 유공압 건설기계학회 임원들이 간담회를 개최했다.

▲ 유공압 건설기계학회 임원들은 국제 유압 학회 대표 웨버(Prof. Weber) 교수를 초청해 AI시대 유압산업의 방향성에 대한 간담회를 진행했다.

이에 대해서는 독일 역시 진단 수준의 적용이 이루어지고 있으며 패턴 인식이나 성능 개선 등에 적용을 시도하고 있다고 판단된다. 앞으로는 AI가 AGI(Artificial General Intelligence)로 가는 추세이며, ‘1인 1로봇’ 시대를 열어가는 시장 환경에서 유압의 분야에서도 과제를 수행하기보다는 과제를 만들어 가는 식으로 전개될 것으로 보인다.

드레스덴 대학에서는 기존의 유압이나 공작기계, 로봇, 자동화 같은 개별 연구 체계에서 통합적인 연구소 조직으로 변경해 융합을 통해 고객에게 솔루션을 제공하려고 한다. 여기에 로봇뿐만 아니라 시스템 전체에서 AI가 이제까지 한계를 느꼈던 기술들을 풀어갈 것으로 보인다.

■ 센서가 필요 없는 실시간 모니터링

‘실시간 관측(Condition monitoring)은’ 진동이나 온도 또는 마모 물질 등의 차이 분석을 통해 주요한 변화를 감지, 핵심 부품의 고장을 사전에 예방하고 관리를 행함으로써 초기 증세로 유발되는 결정적인 손상을 회피하려는 것이다.

유압시스템의 지능화에 필수적인 것이 ‘전자비례밸브’와 ‘솔레노이드 단속 밸브’인데 이 부품의 고장이나 성능 저하는 무인화가 된 시스템에서 대형 사고를 일으킬 수 있다. 또한 기존의 실시간 또는 주기적인 모니터링에는 많은 센서가 들어가며, 이에 따라 가격이 큰 부담이 될 뿐만 아니라 센서 자체의 고장에 대한 리스크가 여전히 존재하고 있다.

이를 혁신적으로 해결할 수 있는 것이 별도의 센서가 없는 ‘실시간 모니터링 시스템’이다. 전자석의 비선형성과 히스테리시스, 그리고 와전류(Eddy current) 등을 센서로 활용하는 획기적인 기술이다. 실시간 모니터링 시스템은 독일 E. Kallenbach 교수에 의해 개발된 것으로 액추에이터의 단점인 비선형성과 히스테리시스 B(H) 그리고 와전류(Eddy current) 등과 같은 특성을 센서로 이용해 솔레노이드에 가해지는 전류와 전압 그리고 저항값 등을 활용해 계산해 내는 방법이다.

▲ 불량밸브 상태 예시(Magnetic Flux Linkage)(자료: 대성나찌유압공업 제공, Ilmenauer Mechatronik GmbH)

예를 들면 오염에 의해 행정 거리가 달라지는 경우, <그림 1>과 같이 검은색으로 표시된 정상적인 특성도와 달리 붉은색과 같은 특성을 보여줌으로 문제를 식별할 수 있다. 뿐만 아니라 마모에 의한 차이와 피복이 손상돼 코일이 중간에 붙은 경우 등을 곧바로 식별할 수 있다.

이 기술을 활용해 장비에 달린 수십 내지 수백 개의 코일이 적용된 부품의 상태를 실시간 내지 주기적으로 모니터링을 할 수 있다. 그뿐만 아니라 여기에 AI 기술을 적용해 작업자가 특별한 지식 없이도 고장의 종류를 인지하게 하고 서비스본부에 보고해 손쉽게 수리가 가능하게 한다.

▲ 센서리스 고장진단 시스템 알고리즘(자료: 드라이브·컨트롤, 유압 솔레노이드 밸브의 센서리스 고장진단 시스템 개발(장달식, 유승진, 박종우)(2021.03))

이 실시간 모니터링 시스템은 독일 기술을 기반으로 대성나찌유압공업-한국기계연구원과의 협업으로 기술개발 됐으며, 실차 적용을 위한 과제를 준비하고 있다.

유압시장의 전망은 일반적인 유압제품은 미래가 불확실하나, 고급제품 시장 등 품질이 검증된 시장은 기회가 올 수 있을 것으로 보인다. 또한 AI는 더 이상 미래 기술이 아니며, 이를 활용할 경우 유압 분야에서도 문제를 푸는 것과 정의하는 것에서 주요한 역할을 할 것으로 판단된다.