본 연구실은 공업적으로 생산되는 제품의 품질을 균일화하고 고급화하는 데 사용되는 생산장비의 세부 기술을 연구하는 ‘초정밀기계시스템연구실’입니다. 생산장비의 기계 정밀도는 일반 제품에 비해 10배 이상 요구되기 때문에 초정밀이라는 용어가 붙습니다. 이 기술은 단일 분야가 아닌 종합기술로 이루어져 있습니다.

기계공학 중에서도 구조설계, 부품설계, 동역학, 진동, 열전달, 제어, 센서, 측정 등 여러 세부 분야가 결합되고 광학, 재료과학도 결합되기 때문에 연구실 대학원생들은 해석, 시뮬레이션을 포함해서 늘 복잡한 훈련을 합니다. 저는 제조 현장에서 사용되는 생산장비의 설계와 개발을 주업으로 하는 ‘공작기계’를 전공하고 일본 유명 업체에서 기계개발 경험을 바탕으로 이 장비들이 생산하는 정밀부품 및 센서 연구를 겸해서 연구해왔습니다. 이번 로봇팔 개발에는 박상기 박사과정, 고대권 석사2년, 심재윤 석사1년이 참여했습니다.

제조 현장에서 균일한 품질을 내는 데 수작업이 가장 힘듭니다. 금형마무리 가공공정은 이전 단계에서 남긴 공구흔적을 제거한 뒤 스탬핑(판금 표면에 요철의 형상을 찍어내는 가공법)이라는 형합공정에서 암수 금형의 형상오차를 수정하는 작업으로 이뤄지는데 통상적으로 넓은 곡면에서의 치수 수정작업이 수십 차례 반복됩니다.

이 때문에 모든 자동차 제조사들은 이 공정을 가장 큰 과제로 생각하고 있고, 제게도 항상 숙제로 남아 있었습니다. 특히 4차 산업혁명 기술이 발전하면서 미래에는 금형가공 부문이 상당수 로봇으로 대체될 것으로 예상하고 있습니다. 그동안 일본과 독일에서 수행해 온 금형생산 자동화 관련 측정기술 기초연구를 지켜보면서 기존 산업용 로봇과 구조가 다른 새로운 개념의 로봇팔 개발이 매우 중요하다는 판단을 했고, 5년 전부터 대학원생과 함께 연구를 시작했습니다.

30여 년 전 제게 차체 금형의 수가공 마무리 장면을 보여준 일본회사의 임원은 30년 정도 후에는 이런 어려운 장인기술도 자동화될지 모른다는 암시를 주었습니다. 그때부터 로봇 사상공정을 항상 숙제로 생각하게 되었으니까 개인적으로는 그분께 큰 빚을 지고 있는 셈입니다.

금형면에 디지털 홀로그램 이미지 가공기술, 고속가공이 가능한 초고속주축, 고속고정밀슬라이드, 반도체공정용 고출력 나노정도 초음파 2축 슬라이드, 6자유도 나노정도 운동오차 측정, 나노와트급 발열센서, 초박형지문인식렌즈, 레이저헤드라이트용 형광체 표면모델링, 고효율 형광체개발, 레이저 다이오드 물냉각기술, 고출력 마이크로LED방열설계 및 동적 열모델링기술 등이 있습니다.

금형가공 현장에서는 인간의 작은 힘으로 미세한 힘 조절과 함께 육안 검시로 매끈한 면을 빠르게 판단한다는 점,가공작업에서는 가공력이 갑작스럽게 변동하는 일이 수시로 발생한다는 점 때문에 기술적으로는 가공 시 발생하는 진동을 억제하는 것이 가장 중요합니다.

더불어 개발하는 로봇이 현재 숙련작업자의 효율을 넘어서야만 현장 투입이 가능하기 때문에 이 두 가지를 모두 갖추는 것이 필수였습니다. 한편 현장에서 완전 자동화장비는 문제가 발생할 때 작업자들이 대처하기 어렵기 때문에 쉽게 사용할 수 있도록 유연한 시스템을 갖춰나가는 데 역점을 두고 있습니다.

현재 산업용 로봇팔은 물건을 옮기고, 간단한 패키징이나 조립하는 수준으로 인간의 섬세한 가공기술을 구현하지 못하고 있습니다. 따라서 이를 극복하기 위해 작업자의 자세를 구현하는 새로운 방식의 구조 설계와 제어 방식을 생각해야 했습니다.

뿐만 아니라 기존에 알려진 여러 기술을 한 곳으로 종합하는 과정, 일본에서 감속기부품 수입 시 납기 지연,제조업체의 사정에 의한 제작 지연, 학생들이 직접 수작업 가공을 체험하면서 시편을 만들고 센서 신호를 취득하는 일들이 힘들었습니다. 이러한 개발 장비를 전문으로 제작 가능한 업체와 인재를 장시간의 안목으로 양성하지 못한 것이 현재 우리나라 장비 분야의 약점이라고 지적하고 싶습니다.

기계장비는 다양한 학문 분야의 기술을 종합함으로써 탄생하기 때문에 신뢰성을 위협할 수 있는 예기치 못한 일들이 자주 벌어집니다. 따라서 새로운 장비 개발은 대형 연구비가 아닌 장시간을 요하는 과정 기술입니다. 이번 개발을 통해서 대학원생들이 그 점을 확실하게 인식한 것은 장차 그들의 큰 재산이 될 것입니다.

더불어 정부나 연구기관에서도 이같은 점을 같이 인식해 주셨으면 하는 것이 개인적인 바람입니다. 그래야 한·일 간의 커다란 장비 기술 격차를 해소할 수 있습니다. 현재까지는 연삭과 래핑가공력을 어느 정도 자유자재로 구사할 수 있는 로봇팔이 만들어져서 비교적 단순한 프로그램 구동으로도 정밀 곡면가공이 가능하며, 독일이나 일본의 선진 자동차 금형회사에서 공동개발을 제안하고 있습니다. 특히 우리나라에서는 열악한 환경에서 작업해야 하는 주물, 용접구조물의 외부 마감작업 등 넓은 범위에 응용이 가능할 것입니다.

지금보다 훨씬 복잡한 곡면가공, 원격조정가공, 표면검사작업, 암수금형의 형합정도 측정과 오차데이터 자동입력 작업 등이 모두 가능한 가공 시스템을 개발해서 현장에 투입되는 것을 꼭 보고 싶습니다. 특히 가공면의 진행상태 파악, 금형 오차측정과 가공량 결정에 영상처리 인공지능(AI)기술이 결합되면 이 분야에서 단연 한국이 세계를 리드할 것입니다. 이제부터는 정부기관에서도 이렇게 보이지 않는 제조 분야의 핵심 장비기술 개발에 관심을 가지고 지금까지 투자한 노력과 시간이 헛되지 않게 되기만을 바랍니다.