모션 업계의 차세대 성장동력 ‘순환엔지니어링’

3년 후에는 ‘세계일류상품’으로 이름 올릴 것!
‘나노 모션 스테이지’ 등 2품목 ‘차세대 일류상품’ 선정

급변하는 글로벌 시장에서 성장할 수 있는 잠재력과 경쟁력을 지닌 상품과 기업을 선정해 정부 차원에서 세계적인 전문전략기업으로 성장할 수 있도록 지원하는 ‘세계일류상품’ 인증사업. 지난 2001년부터 시작된 이 사업에서 선정된 상품의 세계시장 점유율은 매우 높은 수준이며, 전체 수출상품에서 세계일류상품이 차지하는 비중 또한 급격히 확대되고 있는 추세다.

세계일류상품이 되는 전 단계라 할 수 있는  ‘차세대 일류상품’은 수출 창출에 기여할 수 있을 것으로 예상되는 기업의 상품을 선정하는데, 반도체 및 FPD 장비용 정밀 모션 시스템 기업 순환엔지니어링(대표 조성동, www.soonhan.com)이 당당히 선정됐다. 1993년 리니어 모터를 사용한 모션 시스템으로 사업을 시작해 1998년 초정밀 스테이지 국산화에 성공한 디스플레이·반도체 장비용 스테이지 업체 순환엔지니어링은 나노급 정밀도를 요구하는 첨단 정밀 생산·가공·검사장비 등에서 공정 대상물(기판, 패널)의 방향위치를 결정하는 이송장치 ‘나노 모션 스테이지’와 OLED 패터닝 공정을 위한 SMS(Small mask Scanning)방식 증착 장비용 초정밀 스테이지 ‘OLED 패터닝용 mask’로 올해의 차세대 일류상품으로 선정되는 쾌거를 이뤘다.

① 수출 선진국으로의 디딤돌‘일류상품’·‘차세대 일류상품’
     산업통상자원부, 세계일류상품 639개 선정
     세계시장 점유율 1위 상품 149개로 역다 최대

수출 경쟁력, 나아가 국가 경쟁력의 키포인트로는 ‘수출품목 다양화’와 ‘핵심기술 보유’ 등을 들 수 있다. 이를 위해 산업통상자원부는 지난 2001년부터 기술 혁신 역량을 보유하고 글로벌 시장에서 성장할 수 있는 잠재력과 경쟁력 있는 기업과 제품을 선정하는 ‘세계일류상품’ 인증사업을 추진하고 있다. 선정된 세계일류상품의 세계시장 점유율은 매우 높은 수준이며, 수출 선진국으로 발돋움하는 지름길이 되고 있다는 평가다. 세계일류상품 기업의 연평균 수출 증가율(2008~2012년)은 13.6%로 우리나라 전체 수출 증가율인 5.4%를 크게 웃돌고 있다. 전체 수출상품에서 세계일류상품이 차지하는 수출액 비중은 5년 새에 28.5%에서 41.6%로 13.1%나 확대됐다.

일류상품 선정 기준…글로벌 시장 성장 잠재력

최근 산업부는 2013년 세계일류상품 생산기업으로 76개사를 선정했다. 세계일류상품 수는 2012년 634개에서 639개로 5개 증가했다. 세계시장 점유율 1위 상품은 143개에서 149개로 6개가 늘어나며 역대 최다를 기록했다. 그렇다면 세계일류상품이란 어떻게 선정되는 것일까? 산업통상자원부가 주최하고 대한무역투자진흥공사(KOTRA)가 주관하는 ‘세계일류상품’ 인증은 일류상품(점유율 5위 이내)과 차세대 일류상품(5년 이내 진입 가능)으로 나눠 품목과 생산기업을 선정한다.

‘세계일류상품’ 인증은 글로벌 시장에서의 성장 잠재력과 경쟁력을 갖춘 기업과 제품을 말하는데, 세계시장 점유율 5위 이내 또는 5% 이상(시장규모 연간 5,000만 달러 이상)이라는 조건을 갖춰야 한다. 또한 ‘차세대 세계일류상품’은 3년 이내에 현재세계일류상품의 요건을 총족할 수 있는 상품으로, 뛰어난 수출 실적을 보이거나 주요 인증, 수상 성과를 보유한 기업과 수출 창출 등에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상되는 상품을 심의위원회의 자격심사를 거쳐 선정한다.

세계일류상품은 기업이나 단체가 신청하면 업종별 추천위원회 추천과 일류상품발전심의위원회 심의를 거쳐 선정된다. 일류상품발전심의위원회는 산업통상자원부차관을 위원장으로 경제단체, 연구소, 학계, 언론계 등 20명 이내로 구성된다. 선정된 후 일정기간(현재일류상품 1년, 차세대일류상품 3년)이 경과하면 일류상품과 생산기업 심사기준 충족 여부를 재심사(자격심사)하게 된다.

KOTRA가 직접 해외 마케팅 등 지원

올해부터는 KOTRA가 선정 기업의 해외 마케팅과 홍보 등을 적극적으로 지원해준다. 세계일류상품으로 선정된 기업에게는 해외전문전시회 개별 참가 지원, ‘세계일류 한국상품전’ 참가 지원 혜택이 있다. 또한 자가브랜드 수출과 온라인 해외마케팅도 지원해준다. 이와 함께 온·오프라인을 통한 국내외 홍보활동과 일류상품 로고를 활용한 상품 홍보도 지원 대상이다. 다른 지원제도와 연계한 간접지원 혜택도 있다. 산업기술관리원, 조달청, 중기청, 기업은행, 무역보험공사, 신용보증기금, 기술보증기금, 산업통상자원부가 기술 개발, 금융·자금 조달, 인력, 판로 확보 등을 도와준다. 권평오 산업부 무역투자실장은 “중소기업은 중견기업으로, 중견기업은 글로벌 전문기업으로 성장해우리 경제의 튼튼한 버팀목이 되어주기 바란다”며 “무역 2조 달러 달성에 견인차 역할을 해달라”고 당부했다.

② 차세대 기술·원천기술 확보해 세계 모션 산업 견인차 될 것!
       매출액의 7% 이상을 연구개발 분야에 투자
      ‘나노 모션 스테이지’ 등 2개 품목이 ‘차세대일류상품’으로 선정

창조적이고 혁신적인 제품 개발을 위해 매년 18억원 이상을 연구개발비로 투자하는 기업이 있다. 국내 리니어 모터 스테이지 분야의 선도기업으로 자리매김한 ‘순환엔지니어링’은 모션 업계에서 차세대 기술과 원천기술을 확보하고 있는 기업으로도 유명하다. 치열한 경쟁 양상을 보이고 있는 국내 모션 시장의 미래를 책임지고 있는 순환의 서종규 수석연구원에게 차세대 일류상품 선정과 업계가 처한 문제점과 대응방안에 대해 들어본다. | (인터뷰이) 선행개발팀  서종규 수석연구원

우선 차세대일류상품 및 생산기업으로 선정되심을 진심으로 축하드립니다.

Q. 순환엔지니어링은 모션 업계에서 꾸준한 성장세를 보이고 있는데요, 순환이라는 이름을 알리게 한 일등공신은 무엇일까요?

순환엔지니어링은 1993년 설립 이래 국내 리니어 모터 스테이지 분야의 선도기업으로서 혁신과 세계화를 목표로 하고 있으며 끊임없는 연구를 통한 신기술 개발과 글로벌 인재 육성, 해외 지사 설립 등 세계적인 기업으로의 도약을 위해 준비하고 있습니다. 주요 생산 제품은 반도체 및 FPD 분야의 공정장비용 초정밀 모션시스템으로 국내 주요 반도체 제조사, 디스플레이 제조사, 장비 업체뿐만 아니라 미국과 일본의 주요 장비 제조사와 긴밀한 협력을 통해 반도체, 디스플레이 및 PCB 산업 성장에 중요한 역할을 하고 있습니다. 이러한 꾸준한 노력의 결과, 이제는 글로벌 무대에서 인정받는 회사로 자리매김 했습니다.

우리는 기존의 하드웨어 적인 성능의 제약을 뛰어넘어 하드웨어 기술에 소프트웨어 기술을 더해 최적화시킨 다이나믹 보상 기술을 개발함으로써 기존 기술을 극복했습니다. 바로 이런 순환 자체의 핵심기술이야말로 세계 선진 시장에서 기술경쟁력을 주도해나갈 수 있는 힘이 되지 않았나 생각합니다.

Q. R&D에도 상당한 비중을 두고 계시다고 들었는데, 전 세계적으로 어려운 상황에서도 투자를 게을리하지 않는 이유는 무엇입니까?

빠르게 변해가는 모션 시장에서 미래를 결정짓는 경쟁력은 ‘세계 유일의 핵심 기술’과 ‘속도’입니다. 우리는 고객의 니즈를 가장 먼저 파악하고 대응하기 위해 언제나 노력하고 있습니다. 창의적인 아이디어를 통한 혁신적인 제품을 생산하고, 미래를 선도하는 기술을 지속적으로 창출해 나가지 않는다면 도태될 수밖에 없기 때문입니다. 세계 시장을 선도하는 신기술과 제품을 개발하기 위해 순환에서는 매년 18억원 이상, 매출액 대비 7% 이상을 연구개발 분야에 투자하고 있습니다. 현재 16개의 국내외 특허와 7개의 실용신안, 리니어 모터 스테이지 관련 3개의 디자인등록을 마친 상태입니다. 특히 모션 업계에서의 위상을 더욱 굳건히 하고 차세대 기술과 원천기술을 확보함으로써 세계 모션 산업을 이끄는 선도기업이 되도록 최선을 다하고 있습니다.

Q. 이번에 차세대일류상품 및 생산기업으로 선정되신 것 역시 꾸준한 연구개발의 결과가 아니었나 생각됩니다.

감사합니다. 순환에서는 기존의 하드웨어적인 한계를 극복하기 위해 지속적으로 선행 투자를 해왔고, 이를 통해 다이나믹 보상 기술을 개발·확대하고 있습니다. 세계 시장에서 선진기업과 기술로 경쟁하고 업계를 선도하기 위해서는 창조적이고 혁신적인 제품이 반드시 필요하기 때문입니다. 이러한 과정이 이번 차세대 일류상품 및 생산기업 선정의 디딤돌이 되지 않았을까요? 순환은 현재에 안주하지 않고 더 많은 제품이 세계일류상품이 되고, 세계 시장에서 경쟁할 수 있도록 끊임없이 기술 개발과 혁신을 해 나갈 것입니다.

Q. 차세대 일류상품으로 선정된 ‘나노 모션 스테이지’는 어떤 제품이며, 주로 어떤 분야에 적용되나요?우리가 개발한 XYΘz나노 모션 스테이지는 나노급 정밀도를 요구하는 첨단 정밀 생산·가공·검사 장비에서 공정

대상물(wafer, panel, substrate)의 XY 방향 위치를 나노 정밀도로 결정시키는 정밀 이송 장치입니다. XY 나노 스테이지에 Θz모션이 가능한 유연 힌지 기구를 부착해 별도의 회전 스테이지 없이 XYΘz 방향의 고속, 고정밀 모션을 수행할 수 있는 스테이지로 개발됐으며, 디스플레이(LCD, OLED) 공정 중 대상 시편을 XY 대면적으로 이송하며, Θz 방향의 오차를 ‘실시간으로 보상’해 나노급 정밀도의 위치 결정 성능을 달성하기 위한 핵심 장비입니다.

회전 모터와 가이드를 별도로 설치하지 않고도 나노급의 정밀 모션을 구현할 수 있으므로 가격 경쟁력이 높다고 할 수 있겠죠. 이 제품은 향후 나노 가공·측정, 차세대 반도체·디스플레이 등 새로운 산업 분야의 핵심 기반기술로 자리매김할 것으로 기대됩니다.

Q. 현재 업계가 처한 문제는 무엇이며, 순환의 대처방안은 무엇입니까?

최근 중국이 정부 차원의 막대한 지원을 토대로 디스플레이 맹주인 한국을 빠르게 추격하고 있습니다. 일본 역시 선진기술을 이용해 중국, 대만과의 연합을 모색하는 등 점점 위기가 다가오고 있다는 의견이 지배적입니다. 이러한 상황을 극복하고 치열한 경쟁이 펼쳐지고 있는 고부가가치 시장에서 생존하기 위해서는 차별화된 혁신 기술을 끊임없이 개발해 기술 격차를 줄이는 것이 최선의 방법입니다. 순환에서는 우선 기존의 하드웨어적인 한계를 극복하기 위해 끈임 없이 노력하고 있습니다. 소프트웨어 기술에 대한 지속적인 선행 투자를 통해 다이나믹 보상 기술을 개발·확대하고, 세계 선진 시장, 장비 분야에서 기술로 경쟁하고 또 기술을 선도하기 위한 창조적이고 혁신적인 제품을 준비·개발하고 있습니다.

Q. 모션 업계를 이끌어가는 대표기업의 수석연구원으로서 업계에 한 말씀 부탁드립니다.

이전까지의 리니어 모션 시스템 시장, 특히 반도체 분야는 장비 시장에 비해 외국 기업들의 승자독식 시장이었습니다. 이러한 반도체 장비 시장과 고부가가치 시장으로의 접근은 우리가 반드시 넘어야할 산이며, 순환엔지니어링이 선도적으로 이끌고 추진해나가고자 합니다. 이를 토대로 국내 모션 업계의 세계화를 이루는 발판을 만들 것입니다. 순환엔지니어링은 리니어 모션 시스템 분야의 선도기술 개발을 위해 과감하고 지속적으로 투자할 계획이며, 경쟁사보다 앞선 기술력을 확보해 국내 시장에서의 가격경쟁이 아니라 세계 시장에서 기술 경쟁력으로 승부할 수 있도록 최선을 다할 것입니다. 올해도 환율이나 전 세계적인 경기침체 등 쉽지 않은 상황이지만, 현재의 성공을 넘어 더 큰 변화를 주도하는 ‘제2의 도약’을 위해 노력하겠습니다.

차세대 일류상품으로 선정된
③ 유연힌지 구조 XYΘz 나노 스테이지

1. 개요

나노급 정밀도를 요구하는 첨단 정밀 생산·가공·검사 장비에서 공정 대상물(wafer, panel, substrate)의 XY 방향 위치를 나노 정밀도로 결정시키는 정밀 이송 장치이다. 재질의 탄성 변형을 이용해 변위를 발생시켜 원하는 모션 이외의 방향에 대해서 강성이 높고, 탄성 한계 내에서 선형적으로 변형하는 ‘유연힌지 기구’를 정밀 모션을 위한 가이드로 이용했다. XY 나노 스테이지에 Θz모션이 가능한 유연 힌지 기구를 부착해 별도의 회전 스테이지가 없이 XYΘz 방향의 고속, 고정밀 모션을 수행 가능한 스테이지로 개발했다. 반도체, 디스플레이(LCD, OLED) 공정 중 대상 시편을 XY 대면적으로 이송하며 Θz 방향의 오차를 실시간으로 보상해 나노급 정밀도의 위치 결정 성능을 달성하기 위한 핵심 장비이다.

2. 주요 기술적 특징

(1) 고정밀 모션을 위한 스테이지 구조 설계

- 주/부 구동축, 크로스 구동축에 고 추력, 고 정밀도를 지니는 선형모터 적용
- 고정밀 모션 구현을 위해 리니어엔코더 피드백 사용
- 마찰에 의한 운동 저항이 거의 없는 비접촉식 가이드인 에어베어링을 사용하고, 공기 부상 높이에 따른 강성 변화를 최소화하기 위해 자기 예압 채택

(2) 유연 힌지를 이용한 요 운동 보상기구

- XYΘz 스테이지 기술을 보유한 국내 업체는 있으나 모두 XY 스테이지 상부에 Θz 보상을 위한 회전 스테이지를 적층시키는 기술이다. 회전 스테이지의 구동기로 사용되는 DD (Direct drive) 모터나 스텝 모터는 속도가 느리고 정밀도가 좋지 않아 전체 스테이지의 속도와 정밀도를 저하시켜 나노급 정밀 모션 구현은 불가능하다.

- 유연 힌지 기구를 이용한 XYΘz 스테이지를 이용하면 상기의 문제점을 해결할 수 있으며 나노급 공정을 요구하는 진공 환경에 적용이 가능하다. 유연 힌지 기구는 재질의 탄성 변형을 이용해 변위를 발생시키는 기구로 나노급 정밀 모션을 위한 가이드로 이용되며 적절한 설계를 통해 회전 방향의 오차를 실시간으로 보상해 스테이지의 나노급 정밀도를 확보한다.

- 8개의 판스프링을 기구부에 수직 방향으로 연결해 θz 회전 모션을 판스프링의 굽힘 변형을 이용, 회전 자유도를 구현, 주 운동 축에는 회전 자유도를 부여하고 부 운동 축에는 요 운동에 의한 크로스 축 거리 차를 해소하기 위해 크로스 롤러 가이드를 이용해 병진 방향 자유도를 구현한다.

(3) 스테이지 오차 측정/보상 기술

- 레이저 변위 계를 이용해 얻은 각 구동 성분의 위치 오차 정보와 HTM(Homogeneous transformation matrix)을 이용한 역기구학 식을 이용해 전 스테이지 영역에서의 평면 오차를 모델링하는 알고리즘을 개발하고 스테이지 모션 오차 보상에 적용, 큰 폭의 정밀도 향상 결과를 얻었다.

(4) 스테이지 진동 저감 설계 및 제어 기술

- FEM 해석을 이용, 스테이지 구조 모드 해석을 통해 고강성 구조 설계 검증

- 비교적 간단한 구조를 지니며 축간 동기화 성능이 우수한 Cross coupled 제어 알고리즘 사용, 축간 오차를 최소화한 고정밀 모션 구현

3. 제품의 성능개발 종료 시점에 기준 세계 최고 수준의 스테이지 사양을 초과 달성, 기존 국내 스테이지 기술 수준을 한 단계 끌어올릴 수 있는 성능을 실현하는데 성공했다.

4. 특허 및 수상실적

(1) 특허
- 특허명 : Stage with flexure joint for compensation of yaw error
- 특허번호 : KR 10-2012-0058273 A (publication), KR 20100119977 A (application)

(2) 수상실적
- 2011 한국 정밀산업 기능대회 국무총리상 수상

5. 주 적용 분야

- 반도체, 디스플레이 장비 산업에서 초정밀 위치 결정이 필요한 분야에 해당 제품 적용 가능
- 반도체 : 노광 장비, 검사·측정 장비
- 디스플레이(LCD, OLED) : 노광 장비, 검사·측정

6. 기술·산업 경쟁력

XYΘz 나노 스테이지는 정부가 주도하는 신성장동력 사업 중 나노급 초정밀 설비 개발의 핵심 기술로서 그 수요가 크게 증가하고 있는 추세다. XYΘz 스테이지 기술을 보유한 국내 업체는 있으나 모두 XY 스테이지 상부에 Θz 보상을 위한 회전 스테이지를 적층시키는 기술이다. 회전 스테이지를 적층시킬 경우 회전 모터와 회전 가이드를 설치해야 하므로 전체 스테이지 비용이 15~20% 가량 증가한다. 이러한 스테이지의 비용 부담은 완성 제품의 경쟁력을 저하시켜 국산화 및 외국 선진 업체의 제품 대체를 불가능하게 한다.

유연 힌지 구조 XYΘz 나노 스테이지는 회전 모터와 가이드를 별도로 설치하지 않고도 나노급의 정밀 모션을 구현할 수 있으므로 가격 경쟁력 향상, 초정밀 나노 스테이지에 대한 수요 증가에 대처할 수 있다. 따라서 유연 힌지 구조 이용 XYΘz 나노 스테이지는 나노 가공·측정, 차세대 반도체·디스플레이 등 새로운 산업 분야의 핵심 기반 기술로 자리매김할 가능성이 높다.

7. 시장성2013년 전 세계 디스플레이 관련 나노 스테이지 시장 규모는 3,300억 원 이상으로 예상된다. 따라서 해당 제품 개발을 통해 LCD, OLED 장비 시장의 경제성과 산업 원천기술을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 신기술 개발에 따른 원가 경쟁력 확보도 기대된다. 이러한 핵심 원천기술 확보를 통해 선진 기술을 보유한 미국, 유럽, 일본 업체와 경쟁을 벌인다면 독점 가능성 차단 및 시장 점유율 향상도 가능할 것으로 전망된다.

또한 초정밀 스테이지 국산화에 따른 외산 장비의 수입 대체 효과와 신공정 장비의 국산화 개발 및 해외 제조 장비의 스테이지 국산화를 통한 수출 증대에도 기여할 수 있을 것으로 예상된다.