오랜 기간 유압 실린더는 공장자동화 장비를 비롯하여 다양한 곳에서 활용되어 왔다. 그러나 최근에는 전동 액츄에이터(실린더)에게 점차 자리를 내주고 있다. 유압펌프와 밸브를 사용하던 자동차의 파워 스티어링이 전기모터 기반으로 변화되는 것처럼 경량화·정확성 등에서 비교우위를 지닌 전동 액츄에이터가 유압 실린더를 대체하고 있는 것이다. 그러나 전동시스템이 이 모든 상황에 맞는 해답일까? 유압 실린더와 전동 액츄에이터의 장단점을 알아본다.

 

유압 펌프와 밸브를 사용하는 유압 장치는 종단간 위치 애플리케이션에는 적합하지만, 중간 위치 지정에서 단점이 있다. 복잡한 제어 밸브 복잡한 설계가 필요할 뿐 아니라 정확한 위치와 속도를 맞추기도 쉽지 않다. 이외에도 지속적인 운영자 개입이 요구되며, 씰의 노후화, 생산 환경에서 발생하는 유질 및 점도 변화 등에 대응한 지속적인 유지보수에 대한 요구도 높다.

기존 유압 실린더의 단점을 보완한 서보-유압(servo-hydraulic)이라는 고급 유압 시스템도 등장했다. 서보-유압은 전동 액츄에이터처럼 위치·속도·힘을 정밀하게 제어할 수 있도록 한다. 하지만 서보 유압 시스템은 서보 컨트롤러, 전자 유압 서보 밸브, 선형 변환기와 같은 추가 구성이 요구된다. 서보 드라이브가 서보 모터에 대한 전류를 제어하는 방식과 유사하게 이러한 구성 요소가 유압 실린더로의 압력과 흐름을 제어하기 위함이다.

유압으로 여러 축을 함께 조정할 수 있는 고급 컨트롤러도 등장했다. 하지만 이는 전체 시스템에 극도의 복잡성과 비용을 추가하고, 원하는 성능을 보장하기 위해 매우 민감한 유지관리가 요구되는 까다로움이 존재해 널리 확산되지는 않았다.
 
유연한 모션 제어 구현

전동 액츄에이터가 인기를 끄는 가장 큰 배경은 모션 제어 기능의 유연성에 있다. 위치 제어에 있어서도 여러 위치를 더욱 정확하게 구현할 수 있으며, 가속과 감속의 속도 제어나 출력 제어 등에서 전동 액츄에이터는 유압 방식보다 우위를 지닌다.

 

서보 제어 시스템과 결합을 통하여 전동 액츄에이터는 무한한 제어 및 뛰어난 정확성과 반복성을 제공한다. 하나 또는 여러 개의 전동 액츄에이터는 항상 정확하게 제어되는데, 이 과정에서 속도 변환을 통하여 강한 멈춤이나 충격 없이 정교한 위치 제어를 실행한다.

이는 빠르게 움직여 효율성을 높이면서 프레임 요소의 스트레스를 최소화함을 의미한다. 즉 충격 하중을 견디기 위해 구조물을 과도하게 설계해야 할 필요가 없고, 매끄러운 움직임으로 기계 진동이 허용되지 않는 미션 크리티컬 프로세스에 대응할 수 있다.

전동 액츄에이터의 중요한 특징 중 하나는 모든 동작 프로파일 변수를 프로그래밍 할 수있는 제어 기능을 제공한다는 점이다. 필요한 유일한 운전자 상호 작용은 원하는 성능 변수를 PLC 또는 다른 컨트롤러의 프로그래밍 환경에 구축하기 위한 선행 설계 뿐으로, 설정 후에는 작업이 매일, 매월, 매년 반복된다. 나아가 HMI(Human Machine Interface)를 사용하여 위치, 속도, 가속/감속 및 힘의 변수를 언제든지 쉽게 변경할 수 있어 유연성도 극대화된다.

공간
유압 시스템에 필요한 부품 수와 전체 공간은 전기 시스템보다 훨씬 크다. 유압 시스템은 실린더 외에도 밸브·필터·호스 등 추가 구성 요소가 요구된다. 작업 지점에서는 소형 풋 프린트에 불과할지라도, 유압 액츄에이터를 위하여 유량과 압력을 조절하는 유압 유닛(HPU)이 배후에 커다란 공간을 차지하는 것이다. 실린더 근처에 HPU가 배치된다면, 더 큰 시스템 풋 프린트가 요구되며, 이를 피하기 위해 먼 곳에 HPU를 원격 장착한다면 길어진 호스 길이만큼 유압 시스템의 전반적인 강성과 효율성이 감소된다.

반면 전동식 액츄에이터는 전체 설치 면적을 줄인다. 파워 스크류와 베어링 시스템을 통합하는 설계 시 유압 실린더에 추가적인 길이가 필요하지만, HPU에 비하면 이는 극히 일부에 불과하다.

 

힘
높은 작동 압력으로 인해 유압 실린더 시스템은 극히 높은 힘을 발생시키는 데 탁월하다. 유압 실린더의 힘은 압력×면적으로, 일반적으로 압력 범위는 1800~3000psi(124.1~206.8bar)를 사용하지만, 일부 고압 유압 시스템에서는 344.7bar(5000psi)까지의 압력 등급을 높여 더 많은 힘을 발휘하도록 한다.

 

전동 액츄에이터 시스템은 서보 모터로 힘 나사를 회전시켜 힘을 발생시킨다. 이러한 힘은 즉시적으로, 압력이 형성될 때까지 기다려야 하는 유압 시스템보다 이점을 지닌다. 또 서보 컨트롤러가 자동으로 전류를 조절하여 모든 조정이 자동으로 이뤄질 수 있다는 점도 또다른 이점이다.

물론 리드 스크류의 기계적 출력으로 서보 모터의 속도와 토크를 맞추는 것은 꽤나 복잡한 작업이다. 전기 기술로도 유압 장치가 생산할 수 있는 극한의 힘을 달성할 수 있지만, 전동식 액츄에이터가 더 큰 몸체 직경이 요구될 뿐 아니라 초과할 수없는 최대 속도를 지닌다는 점도 단점이다. 액츄에이터 및 서보 구성 요소 제조업체는 이러한 변수를 고려한 간편한 모션 제어 사이징 소프트웨어 패키지를 제공하여 시스템 조정의 복잡성을 해소할 수 있게 하고 있다. 
 
속도
더 높은 속도의 구현은 유압 시스템은 물론 전기 기술 모두에게 까다로운 문제다. 속도를 위해 힘과 흐름 압력을 필요로 하는 유압 시스템에서 더 높은 속도를 얻기 위해서는 더 많은 양의 오일(유량)을 실린더로 밀어 넣어야 한다. 즉 가압 시스템이 요구된다.

전동 액츄에이터 시스템의 경우, 일반적으로 서보 모터의 크기가 증가함에 따라 토크가 증가한다. 반면 RPM은 감소한다. 따라서 힘과 속도의 극단적인 적용에서 원하는 성능을 달성하기 위해서는 오버사이즈가 요구되어 높은 비용을 지불해야 한다. 
 
열

유압 시스템의 주요 문제점은 열 관리에 있다. 유압 시스템의 비 효율성은 과열을 일으키며, 180°F(82°C) 이상의 유압 작동유 온도는 대부분 오일의 분해를 가속화한다. 과열 문제를 해결하기 위해 열을 발산하는 열교환기를 사용하지만, 지속적인 주의와 유지보수는 필수적이다.

 

과열 뿐 아니라 차가운 온도 역시 유압 시스템에 문제를 일으킨다. 차가운 오일은 오일이 따뜻해질 때까지 일관성없는 작동의 원인이 되어 힘과 속도의 변수가 된다. 또 고온과 저온을 넘나드는 온도 변화는 누출 및 오염 방지를 위한 로드 실의 완전성에도 영향을 줄 수 있다. 오일 탱크 히터로 시동 온도를 관리할 수 있지만, 이러한 추가 구성은 비용으로 직결된다.

전동 액츄에이터의 경우에 과열은 일반적으로 액츄에이터를 설계보다 더 많이 작동시키기 때문에 발생한다. 물론 설계에서 고려되지 않은 주변 온도의 극단적인 변화도 과열을 유발할 수 있지만, 이는 예외적인 문제로 대부분의 공장 자동화 환경에서는 일반적으로는 발생하지 않는다. 
 

서비스 수명
유압 시스템은 긴 수명을 가질 수 있다. 하지만 이를 위해서는 충분한 주의와 지속적 유지보수라는 전제가 필요하다. 예를 들어 모션과 힘에 필요한 압력을 유지하기 위해 로드 및 피스톤의 씰 무결성을 유지해야 하며, 마모나 손상이 발생한 경우 교체해야 한다. 또 주기적으로 오일 필터와 오일의 교환도 필요하다.

 

전동 액츄에이터는 유지 보수 요소가 거의 없다. 전동 액츄에이터의 주요 동력 요소는 동력 나사 및 기타 스러스트 베어링인데, 이들은 작업량(거리에 대한 힘) 추정에 사용할 수 있는 동적 하중 정격(DLR)이 있으며, 산업 표준 L10 수명 예측(액츄에이터 수명 예측에 관한 참조 가이드)를 활용하여 90%의 신뢰성을 얻을 수 있다. 전동 액츄에이터 내부에도 물이나 먼지를 막기 위한 씰이 존재하지만, 마모나 손상되더라도 액츄에이터의 작동에 즉각적인 영향을 미치지는 않으며, 쉽게 교체할 수 있다. 
 

데이터 수집
오늘날의 제조 환경에서는 혁신을 위하여 중요 영역의 데이터 수집이 필수화되고 있다. 유압 실린더는 이러한 패러다임 변화에도 불리하다. 작업 지점에서 발생하는 위치·속도·힘을 비롯한 기타 요인을 추적하고 모니터링하기 위해 추가 센서가 있는 비싸고 복잡한 서보-유압 시스템이 요구되기 때문이다.

 

반면 전동 액츄에이터의 서보 시스템은 이러한 요소가 모두 내장돼 추가적 비용 지불이 필요치 않다. 모터 전류를 모니터링하여 힘과 반복성을 추적하고, 모터의 피드백 장치로 정확한 위치와 속도를 기록할 수 있는 것이다.
 
효율 및 설비 비용

전동 액츄에이터 시스템은 일반적으로 작업 완료 시 75~80% 효율 범위에서 작동한다. 유압 액츄에이터 시스템의 효율은 일반적으로 40~55%다. 또 전동 액츄에이터는 필요할 때만 모터에 전류를 요구하며, 정지 상태나 위치 유지를 위한 전류는 거의 요구하지 않는다.

 

이와 달리 유압 시스템은 시스템 전원을 켜는 순간부터 지속적으로 전기를 요구한다. 유압 시스템을 항상 가압 상태로 유지해야 하기 때문이다. 따라서 전기 비용의 비효율성이 발생할 가능성이 더 높다.

예를 들어 80%의 효율을 지니는 전동 액츄에이터는 40%의 효율을 지닌 유압 시스템보다 두 배의 전기 효율성을 지닌다. 나아가 유압 시스템이 제대로 유지관리되지 않아 시스템의 효율이 20%로 감소할 경우, 효율 차이는 최대 네 배에 달하게 된다. 유압 시스템의 전기 유틸리티 비용이 네 배 더 발생할 수 있는 것이다. 이는 단순한 가정이지만, 실제로 종종 볼 수 있는 사례다. 유압에 비해 전동 액츄에이터의 초기 구현 비용이 확연히 높지만, 시스템 수명 동안의 비용을 산정하면 전동 액츄에이터가 훨씬 더 적을 수 있다.

충격 하중
유압은 충격 하중 처리에 이점이 있다. 오일이 충격 부하를 흡수하기 때문으로, 피스톤과 직렬의 충격 하중은 대부분 유압 액츄에이터의 본체의 피스톤과 오일에 의해 흡수된다. 반면, 전동 액츄에이터의 리드 스크류 또는 베어링 시스템에 가해지는 충격 하중은 성능에 영향을 줄 수 있는 요소로, 충격 하중을 처리나 외부 충격 흡수 메커니즘이 요구된다.

하지만 측면 하중에는 유압 시스템이나 전동 액츄에이터 모두 취약하다. 유압의 경우, 피스톤 씰에 응력이 가해져 씰의 조기 마모나 파손을 불러일으켜 결국 실리더의 고장으로 이어질 수 있다. 전동 액츄에이터의 경우에도 측면 하중이 앞 로드 씰과 리드 스크류의 너트에 대한 응력으로 작용하여 조기 고장이나 예상 수명 감소의 원인이 된다. 그러나 유압 실린더와 달리 전동 액츄에이터는 리드 스크류 너트에 회전 방지 메커니즘을 적용하여 측면 하중을 흡수도록 하거나 액츄에이터의 정렬을 통하여 측면 하중을 충분히 완화할 수 있다.

환경적 요소

유압 시스템의 오일 누출은 안전 위험일 뿐 아니라 환적적으로도 문제를 불러일으킨다. 식품과 의약품, 혹은 의료기기 등은 유출에 따른 위험이 직접적으로 드러나는 분야다. 하지만 이들 분야 외에도 오일 유출이 일으키는 문제는 적지 않다. 오염된 제품을 회수해야 할 경우, 막대한 비용이 들 뿐 아니라 지역 사회의 문제적 관심사가 되어 기업의 브랜드 이미지를 손상시킬 수 있다.

 

반면 전동 시스템의 경우에는 유일한 환경 오염 요소는 리드 스크류의 그리스 뿐이기에 누출에 대한 위험 부담이 훨씬 적다. 이에 더해 고품질 씰을 사용하고, 수명주기를 지킨다면 잠재적 오염 물질인 그리스의 유출 위험을 제거할 수 있다. 
 
요약
유압식 액츄에이터는 높은 힘의 전달에 유리하며, 일반적으로 전기 서보 시스템보다 구입 비용 측면에서 유리하다. 하지만 최적의 시스템 성능을 위한 더 큰 공간과 정기적인 유지 보수·수동 시스템 조정 등의 단점도 함께 갖고 있다. 더불어 온도 변동에 취약하고 데이터 수집에 어려움도 존재한다. 이러한 문제를 완화하기 위해 서보 유압 장치가 등장했지만, 더 큰 공간을 차지하고 비용 역시 크게 증가한다. 즉 유압은 긴 수명을 제공하지만 전기 시스템만큼 효율적이지 못한 것은 분명하다.

전기 시스템은 유압 시스템보다 전반적인 공간 요구 사항이 적으며, 보다 정확하게 위치, 속도를 제어할 수 있다. 또한 데이터 수집도 용이하며 사실상 유지 보수도 필요 없다. 높은 수준의 정확한 성능이 요구되는 전기 서보 시스템의 단점은 초기 구입 시 유압보다 높은 비용이 요구된다는 점이다. 그러나 전기 효율성까지 고려하여 시스템 수명 기간 동안의 비용을 산정하면 총소유비용은 크게 줄어들며 유압 장치에 대한 매력적인 대안이 될 수 있다.