발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 에어실린더의 패킹 재질: 일반적으로 사용되는 에어실린더 패킹은 우레탄이나 NBR 고무 재질입니다. 일부 제한적으로 PEEK 재질이 사용되기도 합니다.

• 고준위 방사선 환경의 문제점: 고준위 방사선 환경에서는 유기재료인 고무, 우레탄 등의 물성이 변하여 경화되거나 결합력을 잃게 됩니다. 이로 인해 본래의 형상과 탄성을 유지할 수 없어 밀폐 기능을 상실하게 됩니다.

• 기존 금속 밀폐 제품의 한계: 일부 상용 금속 밀폐 제품은 고정밀도 가공이 필요하고, 윤활유의 점성에 의존하여 밀폐하므로 큰 힘이 필요한 사양에는 적용이 제한적입니다.

기술의 필요성

• 안정적인 패킹 기능: 고준위 방사선 환경에서도 구동부 패킹 기능이 안정적으로 유지되는 금속 밀폐 에어실린더 개발이 필요합니다.

• 시스템 안정성 및 효율 향상: 방사선 환경 내 액추에이터의 성능을 안정화하여 전체 시스템의 안정성 및 운용 효율을 향상시킬 필요가 있습니다.

구현 방법

기술의 원리

본 발명은 고준위 방사선 환경에서 유기재료 패킹의 성능 저하 문제를 해결하기 위해, 패킹 부품을 금속(황동 등) 재질로 대체하여 내구성과 밀폐성을 확보하는 것을 핵심 원리로 합니다. 금속 패킹과 완충용 부재를 통해 충격과 진동을 흡수하고, 정밀한 설계를 통해 마찰력과 밀폐력을 동시에 최적화합니다.

구체적인 구현 방법

1. 기본 구조: 에어실린더는 외관을 이루는 실린더튜브, 피스톤로드, 피스톤, 헤드커버, 로드커버로 구성됩니다. 피스톤은 압축 공기에 의해 실린더튜브 내부를 왕복 운동합니다.

2. 피스톤 금속 패킹: 헤드커버와 피스톤 사이에 배치되어 패킹 기능을 수행하며, 완충용 부재(피스톤금속패킹완충스프링)를 고정합니다. 이 패킹은 황동 재질로 제작되어 방사선에 대한 내구성을 가집니다. 피스톤금속패킹고정너트로 접촉력을 조절하여 밀폐력을 조절할 수 있습니다.

3. 피스톤로드 금속 패킹: 로드커버와 피스톤로드 사이에 설치되어 실린더 타단부의 패킹 기능을 담당합니다. 이 또한 황동 재질로 제작되어 고유 물성을 유지합니다.

4. 완충용 부재: 피스톤의 양측에 접시스프링 형태의 완충용 부재를 배치하여, 피스톤이 실린더 끝에 도달할 때의 충격을 방지하고 진동을 완화합니다. 이는 단위 체적당 하중이 크고 수명이 길어 고방사선 환경에 적합합니다.

기술의 장점

• 내방사선성: 패킹 재질로 황동 등 금속을 사용하여 고준위 방사선 환경에서도 물성 변화 없이 안정적인 밀폐 기능을 유지합니다.

• 내구성 및 신뢰성: 금속 부품과 접시스프링 형태의 완충 장치를 사용하여 긴 수명과 높은 내구성을 확보하고, 시스템 전체의 신뢰도를 높입니다.

• 유지보수 용이성: 밀폐력 조절이 가능한 구조를 통해 유지보수의 편의성을 제공하며, 시스템 운용 효율 향상에 기여합니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 원자력 발전소: 핵연료 교체 장비, 유지보수 로봇, 밸브 개폐 등 고준위 방사선 구역 내 자동화 설비의 액추에이터로 활용됩니다.

• 중이온가속기 등 연구시설: 방사선 환경에 노출되는 실험 장비 및 시편 이송 장치의 정밀 구동부로 적용 가능합니다.

• 원전 해체 산업: 원격 조종 로봇 및 자동화 장비의 핵심 구동 부품으로 사용하여 작업의 안정성과 효율성을 높일 수 있습니다.

기대효과

• 안전성 증대: 방사선으로 인한 액추에이터 오작동 및 고장 가능성을 최소화하여 원자력 시설의 전반적인 안전성을 크게 향상시킵니다.

• 운용 효율 향상: 부품의 수명 연장과 신뢰성 확보를 통해 유지보수 주기를 늘리고 비가동 시간을 줄여 시스템 운용 효율을 극대화합니다.

• 기술 국산화 및 수입 대체: 해외 의존도가 높은 원전 핵심 부품의 국산화를 통해 안정적인 부품 공급망을 확보하고 경제적 효과를 창출합니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

극한 환경용 액추에이터 시장은 원자력 산업의 성장과 함께 꾸준히 확대될 전망입니다. 특히 유압 및 공압 액추에이터는 원전 유지보수, 해체, 차세대 원전(SMR) 시장에서 핵심적인 역할을 할 것으로 보입니다. 관련 시장인 글로벌 유압 액추에이터 시장은 2021년 37억 달러에서 2025년 64억 달러 규모로 연평균 15.1% 성장할 것으로 전망됩니다.(출처)

• SMR 시장 전망: 소형모듈원자로(SMR) 신규 시장은 2050년까지 최소 400조 원 이상 발생할 것으로 예상되어, 관련 부품 시장의 성장을 견인할 것입니다.(출처)

• 원전 해체 시장: 고리 1호기 해체 사업만으로도 1조 원 규모의 시장이 형성되는 등, 노후 원전 해체에 따른 로봇 및 액추에이터 수요가 급증하고 있습니다.(출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

극한 환경용 액추에이터 시장은 높은 기술 장벽으로 인해 소수의 글로벌 기업과 전문 연구 기관이 주도하고 있습니다. 주요 플레이어들은 내방사선, 내열, 내압 등 특정 환경에 특화된 기술력을 바탕으로 시장을 선도하고 있습니다.

극한 환경용 액추에이터 및 로봇 시스템 시장 주요 플레이어

산업 동인 및 기회 요인

1. 글로벌 에너지 정책 변화: 에너지 안보와 탄소중립 목표 달성을 위해 원자력 발전의 중요성이 재조명되면서, 신규 원전 건설 및 계속운전 시장이 확대되고 있습니다.(출처)

2. 극한 환경 로봇 수요 증가: 원전 해체, 심해, 우주 등 위험하고 접근이 어려운 환경에서 사람을 대체할 로봇의 필요성이 커지면서, 내구성이 뛰어난 액추에이터 수요도 함께 증가하고 있습니다.(출처)

3. 부품 국산화 필요성: 핵심 부품의 해외 의존도를 낮추고 안정적인 원전 운영을 위해 국산화 요구가 증대되고 있어, 국내 기술 기반 기업에 새로운 시장 기회를 제공합니다.(출처)