[떠오르는 특허 기술⑦] 덕트 청소용 로봇시스템

특허뉴스 염현철 기자 | 기사입력 2019/05/29 [16:20]

[떠오르는 특허 기술⑦] 덕트 청소용 로봇시스템

특허뉴스 염현철 기자 | 입력 : 2019/05/29 [16:20]

 

▲ Pressoac사의 덕트 청소 제품     © 특허뉴스


덕트 청소용 로봇시스템은 급기·환기 관련 에어덕트 청소는 물론 오일덕트 및 관로 청소 분야 등 다양한 영역에 활용된다. 덕트 청소용 로봇시스템 분야 특허 기술 트렌드 및 시장 동향을 분석한다. <편집자>

 

덕트 크리닝 기술동향

 

현재 환기용 공조 덕트 시스템은 지하철 역사를 비롯한 대형빌딩, 상점, 고층건물 등 대형화 및 고기밀화 적용 건축물의 자연환기가 어려운 장소에 공기조화설비와 같이 급기와 환기, ·난방 시스템으로 적용된다. 덕트내 통과하는 외부의 공기 유입 및 재순환 공기 중 포함되어 있는 분진이 덕트의 굴곡부 내면에 부착되고, 침강과 더불어 흡착이나 응집과정을 통해 서서히 축적되어 실내공기의 오염을 증가시키는 간접적 요인으로 작용한다. 이러한 덕트 내의 축적된 오염물질의 조성은 모래, , 합성섬유, 먼지 등의 섬유질, 매연 등의 탄소질이 주류를 이룬다. 특히 지하철 역사와 같이 지하 공간 내에 폐쇄적으로 운영되고 있는 환경에서는 오염도가 더욱 심각한 수준으로 나타나고 있으며 발암물질, 인체 호흡기 질환 및 알러지 유발 등 여러 위협적인 유해요소가 존재하는 것으로 조사된다.

 

이러한 오염된 덕트 내부를 청소하기 위한 덕트 크리닝 방법은 건식방법과 습식방법으로 크게 분류된다. 건식방법에는 점검구를 통해서 집진기를 가지고 덕트 내부면을 크리닝하는 방법인 접촉식 진공방법을 비롯해 압축공기 이용방법, 기계적 브러싱 방법으로 분류되며, 습식방법은 수동워싱 방법, 제트워터 분사방법, 화학제 이용방법으로 분류될 수 있다.

 

 

현재 국내·외 덕트 크리닝 기술동향을 살펴보면 일반적으로 브러쉬를 이용한 기계적인 덕트 청소방법이 주를 이루고 있으며, 압축공기를 이용한 에어워싱 방법과 접촉식 집진 크리닝 방법이 대안으로 사용되고 있다. 또한 현재 국내·외 기술개발은 주로 청소용 로봇을 이용하거나 개량한 형태이며 청소방법으로는 브러쉬 방식과 압축공기를 이용한 에어워싱 방식을 동시에 채택한 기술이 주를 이루고 있다. 더불어 해외의 경우 내부 검사를 위한 카메라 장착과 더불어 로봇 내 미생물 살균을 위한 화학제를 이용한 청소 방안을 추가적으로 적용하고 있는 것으로 조사됐다.

 

▲ 로봇 산업의 구조     © 특허뉴스

 

로봇산업 관련 정책동향

 

국내의 로봇산업 관련 정책동향을 살펴보면 2016년 관계부처 합동으로 로봇산업 발전방안을 발표했고 5대 유망품목을 선정하는 등 시장 변화 흐름에 따른 정책적 대응 방안을 제시한바 있으며 20179월 산업통상자원부에서 로봇산업기술 로드맵을 발표했다. 또한 범국가적 로봇융합 네트워크 구축하기 위해 2009년부터 로봇융합포럼 및 로봇 연구기관협의체를 구성 및 운영하고 있으며 로봇융합포럼을 수요처, 마케팅 전문가 등이 참여하는 Open 포럼 방식으로 전환해 인적 네트워크 구축을 지원하고 있다. 또한 로봇 R&D 성과 향상을 위한 수요자 중심의 기술개발 및 유망 로봇융합 제품 및 산업원천, 부품 기술 개발에 대한 적극적인 지원 체계 구축과 관련 산업 부문에 적용한 융합형 로봇 기술 제품 개발 및 지원사업의 전략적 활용을 통해 신규수요를 창출하기 위해 노력하고 있는 것으로 조사된다.

 

해외의 경우 역시 로봇 산업을 차세대 핵심 전략 산업으로 선정해 기술 개발에 집중하고 있고 EU2014년 제조·농업·헬스·교통·사회 안전 등 전방위적 산업과 로봇기술과의 융합을 통한 세계 로봇시장 선점, 강화를 목적으로 세계최대 규모 로봇프로그램(SPARC)을 운영하고 있는 것으로 조사된다. 이와 같은 정책적 환경요소에 힘입어 EU2020년까지 약 620억 유로 수준의 로봇 시장 규모를 달성할 것으로 전망하고 있으며, 전 세계 로봇시장 점유율을 42%까지 증가시키는 것을 목표로 하고 있다.

 

미국의 경우 20116월 발표한 첨단제조업 파트너십(Advanced Manufacturing Partnership)’의 일환으로 로봇산업 육성정책(National Robotics Initiative)’을 추진 중에 있으며 2013첨단제조업 파트너십발표 이후, ‘Co-Robot’ 중심의 제조공정혁신 R&D투자를 강화해, 201432백만 달러 수준이었던 지원 규모를 20155천만 달러로 1.5배 이상 확대한 것으로 조사된다.

 

신흥 강국으로 부상하고 있는 중국의 경우 20146월 시진핑 주석이 세계 최대 로봇강국으로의 도약목표를 발표했으며, 13차 경제개발 5개년 계획, 중국 로봇산업연맹을 설립해 로봇산업단지(칭다오, 광저우, 충칭시)의 운영 등을 통해 연간 5만대에 이르는 로봇생산 계획을 수립하고 있다.

 

 

이와 같이 4차 산업혁명 시대에 대응하기 위한 여러 국가의 로봇산업 관련 추진정책은 사회 인프라 분야 로봇분야는 다양한 환경에서 여러 종류의 작업을 수행 할 수 있어 향후 관련 분야 로봇시스템으로서의 적용이 확대될 전망이다.

 

국내·외 주요 특허 기술 트렌드

 

 

 덕트 크리닝을 위한 작업공정에서 일반적으로 작업자가 직접 덕트 내부에 들어가거나 덕트 청소작업용 관련 장비 등을 직접 조종해 덕트 내부에 대한 청소작업을 수행하고 있는 것으로 조사됐다. 작업자가 직접 덕트 내부로 들어가는 경우 앞서 설명한 각종분진, 미생물 및 세균에 대한 감염과 호흡기, 피부질환 등 인체에 질병을 유발시킬 수 있는 유해 요소에 직접적으로 노출되어 작업자의 안전 및 건강에 대한 문제점이 나타나날 수 있고, 또한 덕트림의 형상, 구조 및 크기에 대해 작업자가 직접 청소작업을 할 수 없는 덕트 공간이 발생하게 되며 관련 청소장비를 이용해 청소작업을 수행해도 청소상태의 점검 및 덕트 구석부분의 청결상태의 확보가 어려운 문제점이 있다.

 

 

▲ 덕트청소 로봇 관련 특허 도면     © 특허뉴스

 

이러한 문제점들을 해결하기 위해 현재 로봇시스템을 이용한 덕트 청소방법이 여러 관련업체들을 통해 개발되고 있는 추세이고 다양한 종류 및 구조를 가진 덕트에 대해 청소효율성을 높이는데 주력하고 있는 것으로 조사된다. 더불어, 최근 지속적으로 발전하고 있는 사회 안전 극한작업 로봇분야의 동향으로 미루어 볼 때 로봇시스템의 옵션 및 추가기능의 적용을 통해 개량된 형태의 청소용 로봇으로의 적용이 가능할 것으로 예상된다. 특히 작업 안전성, 효율성이 확보된 덕트 청소로봇은 기존의 인력을 이용한 덕트 청소작업과 비교시 인건비 절감, 작업시간의 단축, 작업자 안전성 확보 등의 측면에 대한 우위성이 확보되며 향후 관련분야의 수요가 대폭 증가할 것으로 예상된다.

 

최근 특허를 살펴보면, 덕트 내부에 쌓인 먼지를 포함하는 각종 이물질이 내벽면에서 굳기 전에 용이하게 청소할 수 있도록 하면서 발생하는 먼지를 흡입하여 제거할 수 있도록 하기 위하여 개발된 기술들이 많다. 바퀴를 구비하고 유선으로 제어되는 로봇전동차를 통해 덕트 내부에 고압의 공기를 분사하여 내부를 청소하도록 하는 덕트 청소용 로봇이다. 전방 및 후방에 카메라가 장착되는 로봇전동차와 콤프레셔를 구비했다.

 

또 덕트 표면에 화학적 세정액을 살포하는 세정액 살포수단과 초음파를 발생하는 초음파발생수단이 더 구비되는 기술도 있다. 화학적 세정액을 살포하는 세정액 살포수단과 초음파를 발생하는 초음파발생수단을 구비해 화학적 세정액을 포함한 습식 청소 방식을 이용해 덕트 내부의 미세먼지와 생물학적, 화학적 오염원을 효과적으로 제거 및 살균하는 장점이 있다.

 

특히 기존 청소로봇에는 장착되어 있지 않은 초음파 청소기능을 탑재해 브러쉬로 기계적 청소가 어려운 덕트 면의 모서리, 이음쇠, 요철 부분의 먼지와 오염물의 제거를 효과적으로 수행할 수 있을 뿐만 아니라 기존 브러쉬를 장착한 다양한 형태의 덕트 청소로봇에 적용이 용이하다.

 

▲ 초음파를 이용한 덕트청소 로봇 특허 도면     © 특허뉴스

 

급성장하는 전문 서비스 로봇 시장

 

일반적으로 로봇산업 구조는 소프트웨어/하드웨어 등 기반산업, 네트워크·빅 데이터 등 후방산업 및 서비스·임베디드 등 전방산업으로 구분된다. 제조업의 발전 및 다양화, 정보·지능화와 관련된 전후방 산업에 대한 파급 효과가 큰 고부가가치 산업 구조를 지니고 있다. 현재 로봇산업은 기계적 컨트롤에 집중한 제조 분야 중심으로 발전하고 있으나, IoT 기술 발전과 더불어 인지능력이 중요해지며 전/후방산업으로 확대가 클 것으로 예상된다. 로봇산업의 구조는 다음 그림과 같이 후방산업, 로봇산업, 전방산업으로 구분해 오고 있다.

 

▲ 전문서비스용 로봇 내수현황     © 특허뉴스

 

국제로봇협회(IFR)에 따르면 2020년 글로벌 산업용 로봇 판매량은 52만대를 돌파해 15년 이후 연평균 성장률이 15.5%에 달할 것으로 전망되고 있다. 더불어 로봇시장의 다른 한 축인 서비스 로봇 분야의 성장도 눈여겨볼 필요가 있다. 융합기술 발전과 고령화, 그리고 삶의 질 향상을 요구하는 사회적 수요는 물류, 의료, 재활 등 전문 서비스는 물론 가사와 엔터테인먼트 등 개인 서비스 영역까지 로봇침투를 확대시켜 왔다. 규모 면에서는 2016년 기준 73억 달러로 제조업 로봇 시장의 절반 정도 수준이지만, 인공지능 및 ICT 기술 발전에 따른 로봇 성능 향상과 가격 하락은 로봇 대중화를 이끌며 서비스 로봇 시장의 성장을 견인할 것으로 기대된다.

 

 

글로벌 로봇시장의 성장세는 제조를 넘어 서비스 부문으로도 빠르게 확장되고 있다. 2016년 기준 서비스 로봇 시장의 규모는 73억 달러로 전체 시장의 35.8%를 차지하고 있다. 맥쿼리에서는 서비스 로봇 시장이 연평균 32%씩 성장해 20251,000억 달러 규모에 이를 것이라 전망한 바 있다. 저출산/고령화, 삶의 질 향상 추구 등 사회적 요인들이 서비스 로봇에 대한 소비자들의 관심을 환기시키고 있는 가운데 인공지능 기술 발전, 초고속 통신의 보편화, 클라우드/빅데이터 보급 등 IT기술 발전(기술적 요인)에 따른 로봇 성능향상과 가격 인하는 서비스 로봇의 확산 속도를 더욱 가속화시킬 것으로 예상된다.

 

서비스 로봇시장은 의료, 물류, 재활, 군사 등을 포함하는 전문/상업용 서비스 로봇(Professional Service Robot)과 안내, 청소, 엔터테인먼트 등으로 대표되는 가정/개인용 서비스 로봇(Personal/domestic Service Robot)으로 구분할 수 있다. 출하량 측면에서는 가정/개인용 서비스 로봇이 압도적이나, 대당 단가를 감안한 시장 규모로는 전문용(47억 달러, 2016년 기준) 시장이 가정/개인용(26억 달러)의 두 배 정도에 해당한다. 전문 서비스 로봇시장을 견인하고 있는 것은 의료와 물류 분야이다. 우선, 의료로봇은 수술, 재활, 약국, 기타 로봇으로 나누어지는데, 수술로봇(72%)이 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 수술 로봇은 수술의 정확도가 높고 수출의 합병증이 낮다는 점에서 고가임에도 불구하고 도입이 확산되는 추세이다. 또한, 미래 원격 수술도 가능하게 하는 핵심기술로 주목 받고 있어 고성장세를 이어갈 것으로 기대된다. 현재 수술로봇 시장은 로봇 수술 플랫폼인 다빈치(da Vinci)’를 보유한 Intuitive Surgical이 독식하고 있다.

 

 

▲ 사진_한국철도기술연구원     © 특허뉴스

 

세밀하고 복잡한 조립 작업이 필요한 빌딩 관리 및 덕트 청소와 관련된 로봇의 수요가 증대되고 있는 점은 시장의 촉진요인이라 할 수 있다. 반면에 중국 등 후발국의 제품 경쟁력의 급부상, 고도의 기술력을 요하는 산업의 특성상 높은 신규진입장벽을 형상하고 있는 점, 높은 기술력을 보유하고 있는 일본, 독일 등 해외 선진기업 제품이 국내 유입되고 있는 점 등이 시장의 저해요인이라 할 수 있다. 따라서, 취약한 기술에 대한 인식과 유망기술에 대한 적극적인 연구개발이 필요하며, 수요처의 다양한 니즈에 부합할 대응책 마련이 필요한 것으로 파악된다.

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