■근무 환경 개선시키는 전기 팔

전동 리니어 액추에이터를 이해하려면 먼저 액추에이터가 무엇인지 알아야 한다. 액추에이터는 피스톤과 실린더를 이용해 물체를 움직이게 하는 장비를 말한다. 즉 원통 모양의 피스톤이 앞뒤로 움직이면서 연결된 물체를 이동시키는 것이다.

전동 리니어 액추에이터는 문자 그대로 '전기의 힘'으로 물체를 '직선 방향으로' 이동시키는 장치를 일컫는다. 사람의 팔을 대신하는 피스톤이 물체를 직선 방향으로 이동시킨다고 보면 된다. 이 장치는 국내에서도 환자용 전동 침대에 활용되고 있다. 거동이 불편한 환자들이 스스로 침대의 높낮이를 조절할 수 있게 만든 것이다.

기존의 수동 기어 방식의 침대는 손잡이를 돌려야 해 보호자의 도움이 필요했다. 그러나 전동 리니어 액추에이터를 이용하면 환자가 다른 사람의 도움 없이도 간단하게 버튼만 눌러 침대 높낮이를 조절할 수 있다.

현재 가장 많이 쓰이는 2 모터 침대는 상판과 하판에 액추에이터를 장착하여 상반신, 하반신의 높낮이를 조절할 수 있다. 3모터 침대는 침대 자체의 높낮이 조절이 추가로 가능하며, 4모터 침대는 침대 전체를 전·후로 경사지게 조절할 수 있는 기능이 추가됐다. 전동 침대 외에도 응급차용 들것이나 치과용 의자에도 전동 리니어 액추에이터가 도입되고 있다.

이 장치는 또 커튼이나 창문을 작동하거나, 휠체어나 유모차를 차에 올리고 내리는 데도 이용되고 있다.

그러나 장차 이 장치가 가장 광범위하게 응용될 분야로 사무용 책상이 꼽힌다.

전동 리니어 액추에이터는 필요에 따라 수시로 책상의 높이를 조절할 수 있어 요통(腰痛)을 크게 줄여준다. 이 때문에 비교적 높은 가격에도 불구하고 유럽을 비롯한 선진국 시장에서 판매가 확대되고 있다.

1975년 인체 동작을 분석한 한 연구에 따르면 앉아서 근무하는 자세, 특히 앉아서 앞으로 숙인 자세는 상체(허리)에 가장 많은 부담을 자세 중 하나로 지목됐다. 이 연구는 간간히 서서 일할 경우 요통을 많이 줄일 수 있다고 조언했다.

그런데, 서서 일하려면 책상도 높아져야 하니 책상 디자인도 손댈 필요가 있는 것이다. 특히 책상 높이를 위 아래로 쉽게 조절할 수 있다면 앉아서 일하다가도 원할 때마다 서서 일할 수 있게 돼 요통을 줄일 수 있게 된다.

이 때문에 북유럽 국가들은 국가나 노조 차원에서 이 장치의 도입에 앞장서고 있다. 사무용 책상에 전동 리니어 액추에이터를 도입할 경우 생산성 향상과 의료비 절감 등 직접 비용 외에 경력 사원의 이탈에서 생기는 간접비용까지 고려 할 때 투자 대비 4~6배까지 효과가 있다는 연구 결과도 있다.

전동 리니어 액추에이터는 이밖에 가정의 레저용 침대나 안락의자, 소파 등에도 활용이 시도되고 있다.

■산업용은 유압, 가정은 전기식

물체를 직선 방향으로 이동시킬 때 액추에이터를 사용하는 대신 간단하게 스프링을 이용할 수도 있다. 최근엔 동작이 부드럽고 소음이 나지 않는 고급 스프링이 개발돼 사무용·학생용·가정용 의자 등에 널리 보급돼 있다.

그러나 스프링은 무거운 물체를 움직이는 데 한계가 있고, 정밀한 높이 조정이 어렵다. 아직까진 액추에이터에게 위협이 되지 못하는 것이다.

한편 액추에이터는 전기에서 동력을 얻는 전동식 외에 유압식과 공압식도 있는데, 이들 장치는 주로 산업용으로 이용된다.

유압 액추에이터는 기름이 압축될 때 나오는 힘에서 동력을 얻는다. 주사기의 바늘에 고무 호스를 연결하고 물을 빠른 속도로 흘리면 주사기 대롱이 빠져나가는 것과 같은 이치다. 물의 힘으로 대롱이 직선 방향으로 움직인 것이다.

그러나 유압 액추에이터는 기름을 담는 공간이 필요해 장치가 커지고, 기름이 불에 잘 붙어 화재 위험이 있다는 단점이 있다. 이 때문에 주로 산업 현장에 활용된다.

공압 액추에이터는 유압 액추에이터와 원리는 마찬가지인데 액체 대신 공기 압력을 이용하는 것이 다르다. 간단한 구조와 저렴한 가격이 장점이지만, 역시 압축 공기를 계속 제공해주는 장치가 필요하기 때문에 이동성이 떨어진다.

결국 가정이나 사무실에서 이용할 액추에이터로는 전동식이 가장 실용적이라고 볼 수 있다.

그런데도 전동 리니어 액추에이터는 높은 가격 때문에 로봇 팔을 움직이게 하는 등 주로 산업용으로 사용돼 왔으며, 일반 사무실이나 의료기관에서는 그다지 많이 활용되지 않았다. 가격이 비싼 것은 주로 공 형태의 볼 베어링 탓이다. 모터의 힘을 피스톤에 전달할 때 발생하는 저항을 줄이기 위해 사용하는 부품이다.

볼 베어링의 역할을 이해하려면 먼저 전동식 액추에이터의 작동 과정을 살펴볼 필요가 있다. 액추에이터의 피스톤에는 안에 나사가 끼어있다. 모터가 돌면 여기에 연결된 나사가 돌고, 그에 따라 피스톤이 앞뒤로 움직인다. 즉 나사를 풀면 위로 솟아 길이가 길어지고, 조이면 길이가 짧아지는 원리를 이용한 것이다.

그런데 액추에이터의 나사 축과 모터가 바로 맞닿으면 저항이 크다. 볼 베어링은 그 사이에서 저항을 최소화해 나사 축이 잘 회전하도록 도와주는 역할을 한다. 바퀴 없는 손수레를 끌면 땅바닥에 닿아 힘이 많이 들지만, 바퀴가 있다면 쉽게 끌 수 있는 것과 같은 원리다.

최근 해외에서는 볼 베어링을 사용하지 않고 상대적으로 저렴한 엔지니어링 플라스틱 베어링을 사용한 전동 액추에이터가 등장했다. 또 피스톤이 옆으로 새지 않게 해주는 별도의 장치가 사라진 제품도 나와 저렴한 가격으로 비산업용 시장을 확대하고 있다.

■유럽 2개사가 시장 독점

산업용 리니어 액추에이터는 최근 반도체 산업에서 가장 많이 활용되고 있다. 정밀하게 부품을 이동시키는 데 전동 액추에이터가 필수적이기 대문이다. IT산업, 정밀기계산업에서도 활용도가 늘고 있다. 산업용 시장은 수조원대 규모일 것으로 추정된다.

비산업용 전동 리니어 액추에이터 시장은 덴마크의 리낙(Linak)사와 스위스의 피닉스 메카노 그룹(Phoenix Mecano Group)이 주도하고 있다. 리낙사는 2006년 15억 덴마크 크로네(약 3000억원)의 매출을 올렸으며, 피닉스 메카노 그룹은 같은 해에 1억3500만 유로(약 2000억원)의 매출을 기록했다. 시장을 양분하는 두 회사의 매출 규모로 볼 때 세계 비산업용 전동 리니어 액추에이터 관련 시장 규모는 최소 7000억 원 이상으로 추정된다.

이중에서 의료용과 가구용 전동 리니어 액추에이터 시장 규모는 5000억원 내외로 추정된다. 그러나 일본의 의료용 침대시장(2004년 500억엔)처럼 하청업체에서 생산하는 경우는 시장 규모 추정에 포함되지 않았기 때문에 실제 시장 규모는 수조원대에 이를 것으로 추정된다.

국내 높낮이 조절 사무용 책상의 경우 대부분 전동 액추에이터가 들어가는 책상 하부 전체를 독일이나 덴마크에서 수입하고 있다. 여기에 상판만 국내에서 올려 팔고 있는 형편이다. 수입의 부담 때문에 원가는 더욱 올라가게 돼 기존 책상의 3~5배에 이른다. 대중화에 가장 큰 걸림돌이다.

그러나 최근 국내 중소기업들이 액추에이터 국산화를 시도하고 있고, 가구 대기업들도 인간공학적 사무용 가구 출시에 관심이 많기 때문에 향후 사무용 책상을 중심으로 액추에이터 활용이 급증할 것으로 예상된다.

머지않아 국내 사무실에서도 북유럽의 사무실처럼 일하다 허리가 아프거나 손님이 찾아오면 의자에서 일어나 책상을 높게 조절하는 장면을 흔히 볼 수 있게 될 것이다.