2011년 로봇부품의 도약이 시작됐다
로봇 R&D 3대 키워드 선정된 부품산업… “이제 제대로 한번 뛰어보자”
부품에 대한 중요성은 비단 로봇산업이 아니었더라도 몇 번이고 강조됐던 부분이다. 그러나 그렇게 중요하게 여겨졌던 부품에 대한 지원은 그동안 로봇산업 육성을 위한 사업전체와 비교할 때 미미할 정도였다. 정부에서조차도 ‘로봇부품 개발’에 특별한 언급을 하지 않았을 정도로 로봇플랫폼 외에는 관심 밖의 사항이었다. 그러던 정부가, 그리고 로봇업계가 변화하기 시작했다. 부품 개발·판매 전문 기업들이 나오도록 적극 지원하기로 한 것이다. 지난 4월 2011년 로봇 R&D 3대 키워드에 ‘부품’이 당당히 한 자리를 차지했고, 좀 더 구체적으로 6대 전략부품이 발표됐다. 로봇부품의 절대강자였던 일본이 위기에 빠져있는 지금, 새로운 국면을 맞이하고 있는 한국의 로봇부품 산업의 방향과 가능성을 살펴보도록 하겠다.
일본, 대지진으로 부품·소재 수급 차질… 로봇업계엔 어떤 영향을?
지난 3월 몰려온 일본 대지진과 쓰나미는 한국의 경제에도 큰 타격을 입힐 것으로 예상되고 있다. 대일수입 부품 수입액만 연 381억 달러에 이르며, 이들은 주로 수출주력 상품에 사용되기에 현 사태가 좀 더 장기화될 경우 일본에 핵심부품과 소재를 의존하고 우리나라로서는 철강과 화학, 전기전자 산업에서 부품 수급 차질로 인한 경제 악영향이 불가피하다는 것이다. 지식경제부가 국회 지식경제위원회에 보고한 ‘일본 대지진이 실물경제에 미치는 영향평가 및 대응방향’에 따르면 주요 일본 부품·소재 기업에 생산차지로가 물류마비가 상당기간 지속 시 국내 생산과 수출차질이 빚어질 것으로 예상했다. 그렇다면 로봇산업은 어떨까? 불행 중 다행히 로봇부품을 생산하는 일본기업 중 대다수가 대지진의 직접적인 영향을 받았던 관동지방이 아닌 오사카, 나고야 쪽의 관서지방에 위치하고 있어 갑작스런 변화는 없을 것으로 보인다. 하지만 자국우선주의가 심한 일본이기에 일본 내 생산시스템을 복구하기 위해 자국에 공급이 우선시될 경우 향후 시장은 어떻게 될지 누구도 알 수 없는 상황이다. 그렇기에 국산 로봇부품에 대한 중요성과 필요성이 더욱 대두되고 있는데, 때마침 정부에서는 로봇부품에 대한 지원방안을 발표해 눈길을 끌고 있다.
로봇업계의 이목 집중된 로봇부품 “근데 로봇부품이 뭐지?”
로봇에 대한 정의와 마찬가지로 로봇부품에 대한 정의 역시 그 범위와 역할 등에 대해 정확히 알려진 바는 없지만, 국내 로봇부품 전문연구원인 전자부품연구원에서는 로봇용 부품을 ‘로봇의 움직임을 위한 구동, 정보획득을 위한 센싱, 판단 및 지령을 위한 제어에 관련되고, 로봇에 특화된 기능을 포함하며 독립화된 형태의 단위 모듈’이라고 설명하고 있다. 지난 몇 년간 주목받아 왔던 로봇산업은 부품에 대한 해외의존도가 매우 높아 완제품의 국제 경쟁력 강화를 위한 로봇용 핵심부품의 국산화는 필수적이라 하지만 그 중요성에 비해 소홀히 대접받아 왔던 것이 사실이다. 때문에 현재 대부분의 로봇용 부품은 로봇용 전용 부품의 부재로 인해 일반적인 부품을 로봇에 적용하고 있는 실정이어서 로봇시스템의 가격, 소형화, 성능향상을 저해하는 요인으로 작용하고 있다. 독일(Maxon), 일본(Honda) 중심의 구동모듈 개발과 독일(DLR), 미국(MIT) 중심의 센서모듈 개발, 미국(Parker) 중심의 네트워크 제어모듈 개발이 이루어지고 있는 것과 비교하면 큰 차이를 보이는 것이다.
로봇부품이 3대 R&D 키워드가 된 이유가 궁금해?
앞서 언급했듯이 로봇산업은 핵심부품의 해외 의존도가 매우 높아 기술경쟁력이 미흡하며, 이를 극복하기 위해서는 완제품의 국제경쟁력 강화를 위한 로봇용 핵심부품의 국산화가 시급히 해결되어야 할 과제라는 것은 반복적으로 이야기되어 왔다. 부품 및 부분품은 산업의 경쟁력을 결정하는 핵심 분야로, 이들의 국산화 개발 없이는 세계 시장경쟁에서 생존이 불투명하다는 사실도 명백하다. 이 같은 로봇용 핵심부품 시장은 세계시장에서 21.7%의 성장률을 기록했고, 국내시장에서 46.2%의 성장률을 보이고 있어 그 가능성을 확인시키고 있다. 하지만 로봇부품의 대부분을 차지하는 구동, 센서, 제어부품이 로봇완제품에서 차지하는 비중이 32%에 육박하고 있는 상황에서 로봇용 감속기, 시각센서, 전용 제어기 등의 국산화율은 20% 미만일 뿐이기에 문제는 심각하다. 최근 해외수출이 증가하고 있는 로봇분야에 있어서 로봇부품 대부분이 외산제품이라면 경제적인 면에서도, 기술적인 면에서도 세계 3대 로봇국가를 목표로 하는 한국은 자존심이 구겨질 수밖에 없는 일이 된다.
이 같은 우려 속에서 현 국내 로봇산업은 로봇부품기반 기술이 취약하고 통합기술 위주로 형성되어 있어 전체적으로 불안정한 구조를 이루고 있다. 이는 상대적으로 로봇부품의 기반기술이 확보되어 있는 해외의 경우 비해 안정적인 시장창출을 저해하고, 전체적인 시스템의 고가격 형상을 초래함으로써 대외적으로 경쟁력을 떨어뜨리는 결과를 초래한다.실제로 국내 로봇산업은 시스템 설계 및 로봇의 지능구현에 집중하고 있으며, 로봇 시스템의 주요 성능지표인 부품 분야는 약 50%를 외국산에 의존하고 있다. 다품종 소량생산 구조를 가지는 로봇시스템 개발을 위해서 로봇 핵심부품의 모듈화를 통한 개발용이성 확보와 개발기간 단축, 핵심부품의 고 신뢰성 확보 및 저가격화 구현이 필요한 상황이다. 차세대 성장동력 산업으로서 실용화, 상업화의 목표를 달성하기 위해서는 로봇의 핵심부품 기술개발을 통해 기술선도 및 코스트를 낮추는 것도 국제 경쟁력 확보 관점에서 중요한 부분이다.
최근 핵심기술 개발이 이슈화되면서 향후 로봇시장은 시스템 통합기술보다는 오히려 로봇시스템 통합의 기반이 되는 부품기술로 초점을 맞추어 발전할 것으로 전망되고 있다. 따라서 미래 서비스로봇 시장의 리더십을 확보하기 위한 고부가가치형 핵심부품의 조기 국산화 지원이 필요하다는 목소리에 힘이 더해진다. 로봇 핵심부품 중 해외 의존도가 높은 구동기(모터, 박형감속기 등), 제어기(고출력 제어기, 모션네트워크 등), 로봇센서(힘-토크, 비전 등)와 같은 핵심부품과 이종로봇에서 공통 활용 가능한 핵심모듈 SoC를 개발하여 로봇의 중추적 기능을 담당하는 로봇전략 부품 국산화를 통한 가격경쟁력 확보가 필요하다.
로봇 “딱 맞는 부품을 원해”… 기존 공용 부품의 한계를 말하다
로봇을 개발 생산하는 전문가들이 “이동성, 작업성을 가진 다양한 형태의 로봇에 적용될 수 있도록 설계, 개발된 로봇용 부품이 아닌 일반적인 환경 및 정형화된 시스템을 위한 공용부품으로는 양산 및 사업화의 한계가 있다”며 한 목소리를 내기 시작했다. 로봇부품은 적용대상인 로봇시스템의 특성에 따라 다양한 사양 및 요구조건이 필요하나, 로봇시장 규모의 성숙도가 낮고, 가경경쟁력 등으로 인한 사업화 저해요인으로 인해 기존 범용제품을 사용함으로써 로봇개발의 비효율성이 증대되기 때문이라는 것이 그 이유다. 다음 우측의 표에서 확인할 수 있듯이 일반범용부품의 로봇시스템 적용이 어렵기 때문에 로봇시스템 경쟁력확보와 세계시장과 기술을 선도하는 로봇의 개발을 위해서는 로봇 전용의 부품 및 부분품 기술개발이 필수적이다. 다양한 가반하중, 밀집된 소형 관절모듈 설계, 외부진동 및 충격 등 다양한 로봇의 요구사항을 만족할 수 있는 로봇용 부품수급의 한계가 현장에서는 더욱 절실하다.
독일 DLR의 LWR의 경우 상용의 모터, 센서, 제어기 등의 적용이 불가능하여 모터/감속기/센서/제어기 등을 모두 자체 개발했으며, 영국에서는 로봇용 손인 Shadow Hand도 햅틱센서 등을 로봇용으로 별도 개발하여 적용해 상용화했다. 국내에서도 Hubo의 개발시 고출력밀도제어기, 센서 등을 자체 개발한 결과 성공적인 휴머노이드 로봇 기술개발이 가능했다는 데서 로봇전용 부품의 필요성이 다시 한 번 이야기될 수밖에 없다.
로봇부품은 일반 범용부품에 비해 로봇시스템으로의 적용률을 높이기 위해 고기능/고사양의 특성을 지니고 있으며, 대표적인 융합기술인 로봇시스템의 특성상 고집적기술, 지능화 기술 등이 융합되어진 부품이므로, 관련 타 산업으로의 파급효과가 지대하고, 지능형부품 분야로의 시장창출이 가능하다. 예를 들면 로봇 비전기술의 일환으로 개발되던 TOF 카메라 기술 및 동작인식기술의 경우 Microsoft에 의해 게임용 인터페이스로 상용화되어 출시 4개월 만에 1천만대를 판매했다. 또, 21C 프론티어 과제에서 개발된 로봇용 햅틱센서 기술은 휴대기기용 햅틱센서로 발전하여 상품화되고 있다. KRISS(한국표준과학연구원)에서 미성포리테크로 기술이전 계약에 따른 기술료수입이 325억원에 이를 것으로 예상된다. 이동로봇에서 거리인식 및 장애물 회피용으로 개발된 초음파 거리센서 기술은 차량의 거리감지기술 등으로 파급됐으며, 고강성 병렬형 로봇기술인 Stewart플랫폼 기술은 전투기, 고성능 차량 시뮬레이터부터 체감형 게임기 등 엔터테인먼트 산업까지 다양한 산업분야에 기술이 파급되고 있다.
하지만 현실의 로봇들은 검사장비, 자동화, 가전 등 기존 산업에서 공용으로 사용되는 부품들을 이용하거나 자체개발을 통하여 부품수급을 해나가고 있는 실정이다. LG전자의 청소로봇의 장애물 감지센서의 경우, 초기에는 검사장비에 사용되는 적외선 거리센서를 사용했다. 이후 로봇에 요구되는 충돌감지 성능 및 가정의 다양한 조명에서의 신뢰성 확보의 문제로 인하여 로봇용으로 자체 개발하여 사업화에 성공했다. 대부분 중소기업이 주축인 로봇산업의 경우 자체개발을 통한 수급이 어려우며, 일부 대기업의 투자를 기반으로 한 개발부품은 기업의 기술돈점주의에 의해 산업 전반으로의 확신이 어렵다. 독일 KUKA의 경우 고가의 공용부품인 힘토크 센서 적용 및 상용화의 한계로 인해 로봇의 응용분야에 최적화된 단순화된 센싱방식의 저가형 센서를 자체 개발하기도 했다. 결국 엔코더, 모션 SoC, 3D 비전센서 등 기존 공용부품의 적용이 특히 어려운 로봇 전략부품은 적용될 로봇 TRM 및 PRM과 연계한 정책적인 투자가 절실한 때다.
로봇부품, 전체 5,522억원 중 70억원… 단 6% 지원에 불과
최근 5년간 로봇부품 및 부분품에 대하여 부품소재기술개발사업과의 관계로 인해 전체 로봇분야 대비 매우 부족한 6% 비중의 지원을 받았다. 부품소재기술개발사업에서도 전 산업분야를 고르게 지원해야 하는 사업의 특성상 로봇부품 및 부분품에 대하여 전체 5,522억원 중 70억원에 불과했다(2007~2008년 부품소재기술개발사업).
- 로봇 R&D 과제에서의 부품개발 현황
로봇부품 분야의 경우 로봇 4대 원천기술(조작, 이동, HRI, 부품) 중 기술 수준이 많이 떨어짐에도 기존 부품소재 사업의 전재 사유로 로봇 산업원천 R&D 지원에서 소극적이었다. 이렇듯 관심과 지원이 부족했던 로봇부품 분야였지만 나름의 성과를 내며 국산 부품에 대한 가능성을 확인시켰다.
- 로봇부품에 대한 체계적인 지원의 필요성 높아져
부품 및 부분품 기술개발을 위한 부품소재기술개발사업은 사업의 특성상 전 산업분야를 고르게 지원해야 하므로 현재 개발 중인 로봇시스템에 적용하기 위해 별도의 추가 개발로 인한 비용증가, 성능저하 및 기간소요 등의 한계를 갖고 있다. 기존 부품소재기술개발사업을 통한 로봇산업 핵심 부품기술개발 지원이 로봇산업 육성에 필요한 핵심부품의 확보요구에 비해 매우 미흡한 실정이다. 2007, 2008년 부품소재기술개발사업(구 부품소재산업경쟁력향상사업)에서 전체 5,522억원의 기술개발 투자비중 로봇에 지원된 금액은 70.03억원으로 1.27%에 불과해 높은 성장이 예상되는 로봇산업의 경쟁력 확보를 위해 핵심부품에 대해 로봇산업과를 통한 집중 기술개발의 필요성이 부각되기 시작했다. 그러나 로봇부품의 경우 선진국 대비 기술수준도 낮고, 대부분 수입에 의존하고 있어 국산화가 필요함에도 부품소재사업 존재 사유로 지원에 소극적이었다. 기존 부품소재 사업에서도 로봇부품 관련해서 일부 지원하고 있으나, 해당기업에서 사용할 아이템 위주로 범용 형태가 아니라는 현장의 목소리를 듣지 못했던 것이다.
로봇 부품은 별도의 사업(부품소재기술개발사업 등)을 통해 시장수요에 따라서만 개발지원이 이루어지는 것이 아니라, 제조 및 서비스로봇 산업육성전략과 연계되어 전용 부품의 체계적인 기술개발의 추진이 요구되기에 아쉬움이 클 수밖에 없다. 로봇부품 및 부분품에 대하여 기술개발 지원을 로봇산업과로 일원화하고 지능형로봇산업육성전략에 따라 체계적이고 집중적인 지원이 필요한 시점이 됐다.
로봇부품 위해 드디어 정부가 나섰다 “2011 로봇 R&D 3大 키워드 선정”
지난 4월 중순 지식경제부는 금년도 로봇 분야 7개 R&D 신규과제 최종 선정해 발표했다. 그중 로봇 부품은 3대 키워드로 선정되어 세계 최고사양의 로봇 센서와 제어기의 국산화를 목표로 한다고 전해져 관계자들의 큰 호응을 얻어냈다. 지경부 측은 “센서·제어기 등 로봇용 핵심부품은 전체 로봇산업의 근간임에도 불구, 대부분 일본, 독일 등으로부터 수입하고 있는 실정으로, 향후 국내 로봇 생산규모가 늘수록 로봇용 부품 수입도 심화될 것으로 우려된다”며 선정 배경을 설명했다. 실제로 2006년 33%를 보이던 로봇 부품 수입비중 추이가 2008년 54%까지 증가했다.
더욱이 로봇 부품은 일반 전원이 아닌 배터리 전원을 사용하여, 소형화·저전력 기술 강화가 필요하고, 다양한 외부충격도 견뎌야 하는 등 특수사양을 요구해 범용 부품으로 대체하기 어렵다는 사실도 확인시켰다. 또한 지경부는 정부의 로봇 R&D가 주로 완제품 중심으로 이루어져온 측면을 인정하며, 2011년부터 본격적으로 로봇 부품 R&D 비중을 늘릴 계획임을 확실히 했다. 따라서 올해에는 로봇 전 분야의 활용 범위, 수입 비중 등을 고려해 비전 센서, 회전각 센서, 모션제어 모듈의 3개 부품을 최종 선정해 모두 세계 최고 사양으로 개발하겠다는 뜻을 밝혔다.
- 비전 센서
사람이 인지 정보획득의 80% 이상을 시각에 의존하듯, 이동형 로봇에 있어 가장 필수적인 부품이나 대부분 수입하고 있는 현실이다. 하지만 로봇 사이즈 한계로 방대한 영상정보 처리를 위한 고성능 CPU는 탑재가 어려워, SoC(System on Chip)로 소형화가 필요하며, 진동, 조명변화 등을 실시간으로 보정하는 기술도 중요하다. 현재 美 MS社는 640x480 해상도에 3차원 거리 인식 기능을 가진 비전 센서 제품 ‘Kinect’를 출시하였으나, 이번 과제는 동 기능에 사물인식을 보완, 로봇 이동시 흔들림 보정 기술도 추가할 계획이다.
- 회전각 센서
모터 회전량을 정확하게 인식하는 기술로 대부분 로봇에 쓰이며, 현재 17bit급(360도를 약 13만등분하여 구분)이 주로 활용되나 100% 수입에 의존하고 있다. 정부는 이보다 한 단계 우위인 21bit급(360도를 약 200만등분)의 초정밀 회전각 센서를 개발하여, 보다 정교한 로봇 수술, 초정밀 반도체 제조 등이 가능해지도록 지원할 계획이다. 일본의 경우 이미 21bit 급까지 개발했으나, 현재 수출 제한 중이다.
- 모션제어 모듈
로봇 축·관절 수는 복잡한 기능 수행 능력을 평가하는 척도로 동시에 보다 많은 축을 제어하는 기술이 관건이며, 일부 반도체 생산 로봇의 경우 36개 축 이상의 제어를 요구하기도 하는 등 관심이 높은 분야다. 이러한 네트워크 기반 제어 모듈은 전 세계적으로도 아직 4개 축까지 동시 제어하는 수준에 머물러 있다. 현재 일본 Nova, NPM 社가 세계 시장을 주도하고 있으나, 아직 4축용이다. 따라서 정부는 향후 8축까지 동시 제어 가능한 모듈을 여러 다발의 케이블 묶음이 아닌 소형 칩(Chip)으로 개발하여, 로봇 기구부·제어부 등 사이즈를 획기적으로 줄일 수 있도록 지원할 계획이다.
로봇부품 경쟁력 강화를 위한 전략을 세우다
국내 내수용 로봇산업 부품 및 부분품의 수요는 2009년 기준 445억 원으로 파악되며, 이중 318억원에 해당하는 부품 및 부분품이 수입에 의존하고 있다. 국산화율이 20% 미만(수입품 비중 80% 이상)인 부품 및 부분품은 로봇용 감속기, 로봇용 시각센서 및 기타 로봇용 센서, 로봇용 전용 제어기 및 기타 제어기, 로봇용 유선통신 및 기타 통신부품, 로봇용 디바이스 드라이버와 로봇용 전지 등이 있다. 각 부품 및 부분품 중 국내 내수용 부품 및 부분품 시장에서 5% 이상을 차지하고 있는 부품은 로봇용 감속기, 로봇용 모터 및 드라이버, 기타 로봇용 구동부품, 로봇용 주행·이동장치 및 기타 로봇용 센서 등이 있다. 이중 로봇용 주행, 이동장치는 국산화율이 60%에 이르는 등 비교적 양호한 편이다. 또, 로봇용 디바이스 드라이버 등은 OPRoS 과제를 통해 기술개발이 지원 중에 있으며, 로봇용 전원장치의 경우 에너지 산업과를 통해 별도로 지원되고 있다. 로봇용 핵심 부품 중 일부는 기술개발이 추진된 바 있으나, 아직 기술개발 지원이 필요한 부품 분야가 여러 분야에 산재해 있다.
구동기 기술에서는 고정도 모터용 엔코더 기술, 감속기 기술 등이 시급히 요구되고 있으며, 인공근육 등은 미래 기술로 점진적인 기술개발이 필요한 것으로 확인된다. 센서기술에서는 관성센서나 거리센서, 영상센서 일부 등이 기술 개발되고 있거나 상용화된 바 있으나, 고부가가치의 3D 비전센서 및 힘/토크센서 등에 대한 지원이 시급한 것으로 나타났다. 제어모듈 기술에서는 개별 모터의 드라이버 수준에 대한 기술개발 지원이 진행 중이며, 구동/제어 모듈과 관련하여 통합모듈에 대한 기술개발이 필요한 상황이다. 특히, 로봇의 고속 실시간 제어를 가능하게 하기 위한 모션제어용 SoC의 국산화 개발이 시급한 것으로 나타나고 있다. 지능형 로봇에는 다양한 부품 및 부분품이 소요되지만 국내 로봇산업의 발전을 위해서 국산화율, 시스템 차지 비중 및 기술개발 중복성 등을 고려할 때, 6대 로봇전략부품의 개발지원이 시급히 요구되고 있다. 국산화율과 산업 내 비중을 고려하여 로봇용 가속기, 로봇용 모터 및 드라이버, 로봇용 시각센서 및 기타 로봇용 센서, 로봇용 전용 제어기 및 기타 제어기, 로봇용 유선통신 및 기타 통신부품 등 6대 로봇 전략부품의 기술개발 지원이 시급한 실정이다.특히, 이들 6대 로봇 전략부품은 소형·경량, 고기능, 고출력 등 로봇 특화의 성능이 요구되므로, 산업공용 부품의 적용이 어렵다. 따라서 로봇핵심 부품은 크게 구동, 센서, 제어모듈로 분류할 수 있으며, 전략적으로 추진할 필요가 있는 6대 전략부품을 중점지원하기로 했다.
전자부품연구원 ‘로봇용 부품 경쟁력 강화전략’ 2010. 10
지식경제부 보도자료.
