이처럼 로봇이 현장의 실시간 상황을 고려할 수 있는 것은 주행 환경을 인식하는 기술 덕분입니다. 실외 이동로봇은 변화무쌍한 환경을 시시각각 인식해야 합니다. 정해진 위치에 사물들이 존재하고 길도 반듯한 실내 환경과 달리, 실외에서는 신호등 없는 횡단보도부터 보도블록의 턱, 움직이는 사람들, 눈비가 내리는 날씨까지 다양한 상황이 펼쳐지기 때문입니다. - P72
따라서 실외 이동로봇을 설계할 때는 동적인 변화를 반영할 수 있는 지도를 이용합니다. 지도에서 로봇이 주행 가능한영역과 아닌 영역을 미리 설정한 다음, 주행 가능한 구역에서 시험 운행을 반복하면서 로봇이 상황에 따라 실시간으로 대응할 수 있도록 AI 딥러닝 과정을 추가로 거칩니다. - P72
"(사람과 마찬가지로) 로봇도 태어나서 적어도 한 계절, 1년 정도는 경험을 통해 학습한다" - P72
실외 이동로봇이 물품을 파손 없이 안전하게 배송할 수 있을지도 중요한 요소입니다. 이를 위해 실외 이동로봇의 바퀴부근에는 흔들림을 줄여주는 서스펜션이 들어갑니다. 또한16개 운행안전인증 시험 항목 중에는 실외 이동로봇이 경사가 5도 이상인 길을 안정적으로 주행할 수 있는지를 평가하는 내용도 있습니다. - P72
모든 항목을 무사히 통과한 실외 이동로봇의 최종 꿈은 ‘라스트 마일‘입니다. 쉽게 말해 고객이 원하는 물품을 집 현관까지 가져다주는 것이죠. 현재 국내에서 운행하는 실외 이동로봇들은 캠핑장 등 일부 지역을 제외하곤 라스트 마일을 아직 실현하지 못했습니다. - P75
가장 큰 걸림돌 중 하나는 엘리베이터입니다. 대부분의 실외 이동로봇은 버튼을 누르지 못해 엘리베이터를 탈 수 없습니다. 그래서 로봇 회사들은 실외 이동로봇이 엘리베이터와 연동돼 로봇이 다가가면 엘리베이터가 자동으로 작동하게 하거나, 실외 이동로봇에 엘리베이터를 누를수 있는 ‘팔‘을 붙이는 방법을 고안 중입니다. - P75
서로 다른 물질이 만나는 경계이자, 만나서 화학반응을 일으키는 최전선. 바로 표면이다. 산업계에서는 물질의 가장 중요한 부위라고 할 수 있는 표면을 보호하거나 활용하기 위해 표면에 금속을 씌운다. ‘도금‘이라고도 부르는 금속 표면처리 공정이다. - P77
푸른색 액체가 찰랑이는 거대한 수조 속에 널따란 플라스틱 판이 들어있다. 기계의 버튼을 올리자 푸른색 액체에선 물이 끓는 것처럼 기포가 인다. "여기가 전해 도금을 하는 파일럿 라인입니다. 액체 속에서 구리 도금 과정이 일어나죠." - P79
MKS 아토텍은 표면처리 솔루션 전문 기업으로 도금과 표면처리에 쓰이는 약품과 장비, 기술 전반을 개발·판매하는 기업이다. - P79
"용액을 사용해 전해 도금을 하고 있었습니다. 전자제품에 쓰이는 인쇄회로기판(PCB)의 도금 처리를 할 때 쓰는 기술이죠." - P79
PCB라면 반도체와 결합해 다양한 전자 제품을 만드는 데 쓰이는 기판 아닌가. - P79
대개 도금이라 불리는 금속 표면처리는 각종 소재에 금속을 얇게 입히는 기술을 뜻한다. 부식을 방지하고 아름다움을더해주는 용도로 외관에 널리 쓰이며, 현재는 전자 제품 내부의 부품에도 필수적으로 쓰인다. 전자 제품에 쓰이는 도금의 대표적인 예가 PCB의 구리 도금이다. - P79
기판의 주재료는 절연체인 플라스틱이다. 그 위 전류가 흐르는 전선 부분에 도체인 구리를 도금한다. 구리는 전기가 통하는 성질인 전도성이 좋고 다루기 쉬워 전선 등 전기 신호를 주고받는 거의 모든 재료에 쓰인다. 기판 위 필요한 곳에만 구리 도금을 해서 부품들이 전기 신호를 주고 받게 만드는 것이다. 구멍을 뚫고 내부를 구리 도금하면 기판 위 아래에 있는 부품도 연결할 수 있다. 구리 도금을 포함해 몇 가지 도금 공정을 거친 후 PCB 위에 필요한 부품을 조립하면 우리가 사용하는 스마트폰, 컴퓨터 등의 전자 제품이 탄생한다. 홍 본부장이 "구리 도금은 전자 제품계의 인프라 스트럭쳐(기반시설)"라고 표현하는 것도 무리는 아니다. - P79
이때, PCB 제조의 첫 단계로써 필요한 부분에만 구리를 정확하게 도금하는 기술은 매우 중요하다. 도금이 덜되면 전류가 제대로 흐르지 않고, 도금이 과하면 전류가 원하지 않는 부품으로 흘러 오류를 일으킨다. 요즘 전자 제품에 들어가는 PCB의 도금 정밀도는 상상을 초월한다. 홍 본부장은 "PCB에 들어가는 도금의 정밀도는 기본적으로 나노미터(nm·1nm는 10억분의 1m) 단위"라고 설명했다. - P80
스마트폰에 들어가는 PCB에 수 만개의 구멍(홀)이 뚫려 있고, 그 홀 내부에 오차없이 정밀하게 구리를 도금해야 한다. 심지어 이런 PCB에서 발열이 발생해도, 폰을 떨어뜨리거나 던져도 도금이 벗겨지지 않고 유지돼야 한다. 그래야 스마트폰이 작동할 때 오류가 발생하지 않기 때문이다. - P80
어떻게 크고 작은 부품에 얇은 금속층을 빈틈없이 씌울 수 있는 것일까. 도금에서 주로 쓰는 방법은 전해질에 녹아있는 금속 이온을 고체 금속으로 석출하는 방법이다. 좀 더 쉽게 이해하기 위해, 구리가 녹은 전해질 용액을 생각해보자. 금속은 대개 최외각 전자를 몇 개 잃은 양이온 상태로 용액에 녹아있다. 이 금속 양이온을 다시 금속으로 만들려면 양이온에게 부족한 전자를 줘야 한다. - P80
부족한 전자를 어떻게 공급할까.
크게 두 가지 방법이 있다. 하나는 수용액에 양극과 음극을 담그고 전원을 연결해 전류를 흘리는 것이다. 전류는 전자의 흐름이므로, 음극에 모인 전자가 전해질 용액 내의 구리양이온과 결합하면 음극 표면에 구리가 금속 상태로 석출된다. 이를 전기를 사용한다는 뜻에서 ‘전해 공정‘이라 부른다.
앞서 MKS 아토텍 기술연구소 파일럿 도금 라인에서 본 전해질 용액을 이용한 도금 공정도 여기에 속한다. - P80
다른 하나는 산화환원 반응을 이용해 전자를 줄 수 있는 화학물질을 넣어 반응을 일으키는 것이다. 이를 ‘무전해 공정‘ 이라 부른다. 즉 도금의 핵심은 전자가 부족한 금속 양이온에 어떻게든 전자를 공급해 금속을 석출시키고, 이것을 원하는 소재의 표면에 얇게 도포하는 것이다. - P80
현대적 의미의 도금 연구는 19세기 초반, 영국 화학자 마이클 패러데이가 중요한 역할을 했다. 당시 유럽 화학계에서는 전기를 이용한 화학 연구가 활발하게 진행됐다. 특히 수용액에 전기를 흘리면 물질이 만들어지거나 분해되는 ‘전기 분해‘ 반응이 화학자들의 관심을 끌었다. 이 반응을 이용한 실험으로 많은 새 원소와 화합물이 발견되기도 했다. - P81
패러데이는 전기 분해로 새 원소를 발견하는 데 그치지 않고, 전기 분해의 원리를 탐구했다. 그 결과, 분해 과정에서 생성되거나 사라지는 물질의 양이 수용액에 흘려주는 전하량에 의해 결정된다는 사실을 알아냈다. 홍 본부장은 "패러데이가 발견한 법칙이야말로 도금 기술의 근본"이라 설명했다. - P81
"자동차 외관에는 크로뮴(크롬·Cr) 도금이 많이 쓰입니다. 금속 표면이 녹슬지 않게 해주고, 나아가 아름답게 꾸며주거든요." - P81
그렇다고 자동차 부품에 바로 크롬을 입히는 건 아니다. 본격적인 크롬 도금 작업 전에는 몇 가지 과정이 추가로 필요하다. 자동차 그릴은 대개 플라스틱으로 만들어진다. 플라스틱은 전도성이 없으므로, 플라스틱에 금속 원소가 달라붙게 하려면 먼저 플라스틱에 전도성을 부여하는 과정이 필요하다. 이를 위해 플라스틱 표면을 거칠게 간 다음(에칭 공정) 여기에 촉매 작용을 하는 백금족 원소인 팔라듐(Pd)을 입힌다. 팔라듐 가루가 골고루 묻으면 그제야 도금 작업을 할 ‘준비‘가 된 셈이다. - P81
전해 도금으로는 우선 구리가 먼저 입혀진다. 구리는 연성과 전성이 좋아 플라스틱 표면에 평탄하게 도금된다. 구리 도금층이 가진 장력은 다른 금속과 플라스틱 사이를 안정적으로 연결하는 역할을 한다. 반대로 구리가 없다면 도금층이 쉽게 벗겨지거나 떨어지는 사태가 일어날 수 있다. - P81
다음으로 구리 위에 니켈(Ni)도금이 삼중으로 올라간다. 니켈의 역할은 부식을 막는 것이다. 니켈은 산화하면 내부의 산화를 막는 피막을 형성하는 내식성을 가진다. 그러나 니켈은 광택이나 내구성은 떨어진다. 니켈의 단점을 보완하기 위해 마지막에 더해주는 원소가 크롬이다. 크롬은 니켈보다 내구성이 높으며, 결정적으로 색과 광택이 좋아 표면의 아름다움을 더해준다. - P83
내식성 : 금속이 부식을 견디는 성질 - P83
마치 샌드위치처럼 여러가지 금속을 겹겹이 쌓았지만, 도금 층의 전체 두께는 구리 25um(um.lum는 100만분의1m), 3중 니켈 15m, 크롬 0.3um. 총 40.3um에 불과하다.
이 얇은 층 안에서 세 종류의 금속이 서로의 장점은 살리고단점을 보완한다. "아무리 소재가 발달해도 하나의 소재만으로는 원하는 기능을 온전히 구현하기 힘듭니다. 한 소재의 단점을 보완하고 장점을 강화해서 사용자가 원하는 물성으로 만드는 것이 표면처리의 목적이죠." 김 본부장의 설명이다. - P83
도금 작업이 끝난 후 결과물이 제대로 나왔는지는 어떻게 알 수 있을까. MKS 아토텍은 공정과 결과분석을 위해 약품분석실과 재료과학분석실을 운영하고 있다. 약품 분석실에서는 약품 첨가제 농도, 금속 불순물 농도 등을 분석할 수 있다. 재료과학 분석실에서는 도금의 두께나 밀착력 등 물리적특성을 분석하고 내식성, 신뢰성을 측정한다. 이런 기술 전문성을 토대로 고객에게 기술지원을 제공한다. - P83
오늘날 도금 기술은 귀금속은 물론, 부식방지를 위한 아연(Zn) 도금부터 카드뮴(Cd)도금, 주석(Sn) 도금에까지 다양하게 사용된다. 그중에서도 가장 널리 사용되는 도금은 크롬(Cr) 도금이다. - P84
도금·금속 표면처리 기술은 산업 전 분야에서 쓰이지 않는 곳을 찾기가 어렵다. 그중에서도 최고의 도금 기술이 적용되는 분야는 자동차다. 탄탄한 프레임부터 정밀한 전자 제품까지 다양한 부품들이 들어있을 뿐만 아니라, 비바람과 흙탕물, 고·저온 등 까다로운 환경 조건에서도 도금 제품들이 버텨야 하기 때문이다. 그래서 도금 기술의 표준은 자동차를 기준으로 맞춰진다. - P85
<도금 제품, 어디에 쓰일까>
전자 제품 부품 Cu
외장재 마감 Cr Ni Cu
볼트, 너트 등 부품 Fe Ni Zn
전기차 배터리 Al Ni Cu Sn
문 손잡이 Cr Ni Cu
차체 프레임 Al Fe - P84
<크롬 도금과정>
준비
크롬(Cr) 도금은 산업계에서 가장 널리 쓰이는 도금 방식 중 하나다. 내구성은 물론 장식성을 위해서도 쓰인다. 먼저, 도금할 재료인 플라스틱 수지 (ABS)를 준비한다. - P84
에칭
플라스틱은 전기가 통하지 않는 물질이므로, 플라스틱에 촉매 역할을 할 금속입자가 잘 증착할 수 있도록 산화제를 사용해 표면을 거칠게 만든다. 이를 에칭 공정이라 한다. - P84
팔라듐 입자 증착
플라스틱 표면에 팔라듐(Pd) 입자를 증착시킨다. 팔라듐은 백금족에 속하는 귀금속으로, 도금이 잘 되도록 만드는 촉매 역할을 한다. - P85
무전해 니켈 도금, 구리 도금
화학 물질을 이용해 전해 도금의 바탕이 될 무전해 니켈(Ni) 도금을 한다. 그 위에 구리(Cu)를 전해 도금한다. 구리는 금속과 플라스틱을 안정적으로 연결한다. - P85
니켈 도금
다음으로 전해 공정을 이용해 니켈을 삼중 도금한다. 니켈은 산화되면 부식을 방지하는 피막을 생성하기 때문에, 내식성 도금에 쓰인다. - P85
크롬 도금
마지막에 크롬으로 도금한다. 크롬은 니켈보다 내구성이 강해 마찰과 긁힘을 막아주며, 광택이 아름다워 많은 제품에 마감으로 쓰인다. - P85
실제 도금 공정은 훨씬 많은 과정을 거쳐야 한다. 우선 도금공정 중에 여러 가지의 첨가제가 들어간다. 공정 중에 금속이 원하는 물체의 표면에 균일한 두께로 쌓이도록, 혹은 굴곡진 표면을 평탄하게 하도록 도금의 속도를 조절해야 하기 때문이다. 이런 기능을 수행하기 위해 다양한 첨가제가 사용된다. - P86
도금 결과물은 전처리와 후처리 공정까지 거쳐 완벽에 가까운 상태로 다가간다. "전처리는 표면을 깨끗하게 만드는 과정입니다. 스킨을 바르기 전에 세수를 하죠. 스킨 바르는 것을 도금 공정에 비유한다면, 비누를 사용하는 세안 단계가 바로 전처리 공정입니다." 서상희 MKS 아토텍 기술연구소장은 비유를 들어 설명했다. - P86
전처리는 도금 품질의 70%를 차지할 만큼 중요한 공정이다. 도금공정을 시작하기 전 소재 표면의 불순물을 제거하고, 계면활성제로 씻어내는 과정을 반드시 거쳐야 한다. 마지막으로 도금이 끝난 다음에는 결과물을 안정하게 유지하기위해 후처리 과정을 밟는다. - P86
MKS 아토텍에서는 더 완벽한 도금을 위해 전처리, 도금공정, 후처리에 필요한 약품과 장비를 만들고 판매한다. 또한약품이 적용된 결과물을 분석해 더 나은 공정을 만드는 연구도 이어가고 있다. 김 본부장은 "우리나라 유수의 자동차 대기업은 물론, 스마트폰을 만드는 다국적 기업까지 수많은 업체에서 아토텍의 제품을 활용하고 있다"고 설명했다. "사용자에게 최대한 편안한 경험을 제공하는 것이 저희 목표입니다." - P86
"표면처리 기술은, 자동차 손잡이의 경우 내구성과 마모성,
광택은 물론 잡았을 때의 질감까지도 도금을 통해 조절할 수 있을 정도로 발전했습니다." - P87
"표면처리 과정 중 전처리부터 도금, 후처리까지 많은 약품을 사용합니다. 최근에는 환경과 건강에 유해한 영향을 끼치지 않는 도금 공정을 개발하는 것이 이 분야의 주연구 방향 중 하나죠." - P87
대표적인 예가 크롬 도금에 사용되는 ‘6가 크롬(Cr VI)‘이다. 크롬 원자는 자연 환경에서 전하량이 -4에서 +6 사이인 이온 및 금속 상태로 존재한다. 도금 과정에는 이중 6개의 최외각전자를 잃어 전하량이 +6인 6가 크롬이 쓰인다. 문제는 6가크롬과 그 화합물이 국제암연구소(IARC)가 지정한 ‘1군발암물질(Group 1)‘이라는 점이다. 6가 크롬은 주로 호흡기를 통해 체내로 들어가 폐암과 부비동암을 일으킨다. - P87
크롬 도금이 사실상 산업의 거의 전 영역에서 활용되는 이상, 6가 크롬 도금을 대신할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 그대안의 대표적인 예가 3가 크롬 도금 공정이다. 6가 크롬 대신 독성이 없는 3가 크롬을 이용해 도금을 진행하는 것이다. - P87
6가크롬은 에칭과 도금 공정에 쓰인다. MKS 아토텍은 에칭 공정의 경우, 6가 크롬 대체 물질과 새로운 공정을 포함하는 Covertron® 600 기술로 유해성 문제를 해결했다. 도금 공정에서는 3가 크롬으로 6가 크롬의 물성과 색상 구현을 가능케하는 도금 공정(Trichrome® Series)을 개발했다. - P87
PCB 기판 도금 기술에서도 친환경적인 접근이 이뤄지고 있다. PCB 기판 도금에 널리 쓰이는 환원제는 포름알데하이드다. 가장 강력하고 저렴한 환원제지만, 역시나 IARC의 1군발암물질로 건강에 악영향을 미친다. MKS 아토텍은 2010년 포르말린을 쓰지 않는 도금 약품 연구를 시작해 2019년부터 양산을 시작했다. 현재 국내외 주요 전자기기 제조 기업에 공급 중이다. - P87
이렇게 새로운 기술을 개발하는 이유는 세계 여러 국가와 기업에서 친환경 정책을 시행하기 때문이다. 홍 본부장은 "EU에서는 오래전부터 6가 크롬 사용을 규제하려는 움직임을 보이고 있다"고 말했다. 6가 크롬 도금 규제가 국제사회에서 본격적으로 시행되면 도금 약품은 물론 6가 크롬으로 도금된 수많은 공산품의 수출길이 막히게 된다는 뜻이다. - P87
이미 다국적 기업에서는 이런 규제를 인식하고 일찍이 ESG 경영으로 방향을 틀었다. 해외 유명 빅테크 기업에서는이미 친환경 도금 기술을 요구하고 있다. 이런 곳과 함께 일하는 제조기업이라면 친환경 도금 기술을 써야한다. 김 본부장은 "한국도 세계적 변화에 발맞춰야 경쟁에서 뒤떨어지지 않을 수 있다"고 언급했다.
"유럽에 비해 한국의 화학약품 규제는 늦은 편입니다. 그러나 결국은 환경 친화적인 도금 기술이 세계적으로 널리 쓰이게 될 거예요. 제조업에서 경쟁력을 잃지 않으려면 이 미래를 대비해야 합니다." - P87
ESG환경·사회·지배구조(Environmental, Social, and corporate Governance)의 줄임말로 기업의 친환경경영, 사회적 책임, 투명한 지배구조 등을 의미한다. - P87
2015년 설치된 대검찰청 과학수사부는 형사사건의 감정물에서 DNA를 감정하는 일부터 디지털 범죄 수사, 사이버범죄 수사 등 다양한 과학수사 업무를 수행한다. - P89
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