인코더 발전사
인코더는 현대 산업 제어 및 자동화 시스템에서 핵심 센서로 사용되며, 그 기원은 1940년대로 거슬러 올라갑니다. 전자, 광학, 통신 및 MEMS 기술의 발전에 따라, 인코더는 초기 기계식 회전 장치에서 나노 수준의 정밀도와 스마트 통신, 자가 진단 기능을 갖춘 다기능 측정 플랫폼으로 진화해 왔습니다.
1940–1960년대: 원형 형성과 기계식 시대
- 1940년대 독일과 영국의 엔지니어들은 군사용 레이더와 항공 항법 기술 개발의 일환으로 브러시 타입 회전 변환기를 고안하여 각도 측정에 사용했습니다.
- 1947년, 미국 벨 연구소는 기계적인 각도를 전기 펄스로 변환하는 최초의 개념을 제시하였으며, 이는 인코더 디스크의 전신이라 볼 수 있습니다.
- 1950년대 초반, 기계식 인코더가 등장하여 브러시 접점을 이용한 스위치 신호 출력 방식이 사용되었습니다.
- 이 시기의 인코더는 주로 그레이 코드 (Gray Code)를 출력하며 군사 거리 측정기 및 아날로그 컴퓨터에 사용되었습니다.
특징:
- 기계적 접촉 방식으로 마모가 빠르고 신호 불안정
- 출력은 스위치 신호 또는 아날로그 전압
- 주로 국방 실험 장비에 제한적으로 사용됨
1970–1980년대: 광학 인코더와 증분형 기술의 부상
- 1971년, 미국 BEI Precision Instruments사는 최초의 상용 광학 증분형 인코더를 출시하여 산업에 큰 변화를 가져왔습니다.
- 광 디스크에 주기적 패턴을 식각하고, 이를 통과하는 빛을 포토다이오드로 감지하여 A/B 펄스를 출력하는 방식입니다.
- 1974년, 독일 Heidenhain은 인코더에 제로 펄스(Z 채널)를 도입하여 기준 위치 설정에 활용했습니다.
- 1976년, 일본 Koyo Electronics는 CNC 머신 분야를 겨냥한 산업용 증분 인코더를 출시하였습니다.
주요 성과:
- 비접촉 방식으로 수명 및 신뢰도 향상
- TTL, HTL 출력 인터페이스 표준화
- 해상도는 1000 ~ 5000 PPR에 도달
1990년대: 절대형 인코더와 디지털 제어의 도약
- 1989–1992년, Baumer, Heidenhain 등 유럽 제조사들이 싱글턴 절대형 인코더를 출시, 광 디스크와 다중 센서를 조합하여 병렬 위치 값을 생성함.
- 1993년, 독일 SICK Stegmann은 멀티턴 절대형 인코더를 개발, 기어 카운터 또는 자기 감지로 회전 수를 기록.
- 같은 시기, SSI (동기 직렬 인터페이스)가 Hubner사에 의해 표준화되며 업계에 확산.
- 프로그래머블 인코더는 사용자 설정이 가능해져 유연성이 대폭 향상됨.
기술 진보:
- 전원 차단 후에도 위치 정보 유지 가능 (절대값 저장)
- ASIC 통합으로 소형화 및 고집적 실현
- 내환경성과 안정성 향상
2000년대: 필드버스, 이더넷 및 시스템 통합
- 인코더는 산업용 버스 통신을 채택하기 시작, CANopen, Profibus, DeviceNet 등 다수의 프로토콜이 사용됨.
- EtherCAT, Profinet, EtherNet/IP 등 산업용 이더넷 프로토콜이 대두되어 고속 제어에 대응.
- 2005년, 일본 Tamagawa는 SIL2 안전 인증을 획득한 인코더를 개발, 엘리베이터, 로봇, 철도 시스템에 적용.
- 온도 보정, 디지털 필터링, 자가 진단 등 스마트 기능이 내장됨.
트렌드 특징:
- 통신 방식이 전통적인 펄스선에서 네트워크화로 이동
- 멀티턴 절대값 해상도는 30비트 이상까지 확장
- 핫스왑, 원격 설정, 펌웨어 업데이트 지원
2010년대 이후: 스마트 인코더, 마이크로 키트, 무선 통신
- 스마트 인코더는 Bluetooth, IO-Link, 산업용 Wi-Fi를 지원하며 PLC 및 클라우드와 양방향 통신 가능.
- 협동 로봇, AGV, 드론용 마그네틱 키트형 인코더가 보급, 크기 Φ12mm, 무게 <10g 수준.
- 고해상도 자기 격자형 리니어 인코더는 반도체 장비 분야에 도입, 정밀도는 나노 수준에 도달.
- 비전 센서 기반 인코더 및 IMU 통합형 센서가 등장, 6자유도 자세 정보를 제공함.
미래 전망
- 스마트화 + 엣지 컴퓨팅: 인코더 내부에 프로세서를 내장하여 데이터 전처리, 예지 정비, 엣지 AI 기능 구현.
- 다중 센서 융합: 온습도, IMU, 토크, 가속도 센서와 결합하여 복합 움직임 감지 가능.
- 소프트웨어 정의 인코더(SD-E): 원격으로 해상도, 방향, 통신 프로토콜, 진단 설정 변경 가능.
- 친환경 에코 설계: 저전력, 비금속 마찰 소재, 모듈화 설치가 주요 트렌드로 부상.
- 글로벌 공급망 최적화: 자국 기술 자립 수요에 따라 각국이 인코더 핵심 기술(광 디스크, 전용 칩, 통신 기술 등)을 자체 개발 중.
결론
인코더의 발전은 산업의 디지털화, 지능화, 개방화 흐름을 잘 보여줍니다. 군사 기술에서 시작되어 민간까지 확대된 인코더는 정밀 기계, 자동 제어, 정보 통신 등 다양한 기술과 맞물려 진화해 왔습니다. 인코더의 역사를 이해하면 현재 기술을 더 깊이 파악하고, 미래 산업 센서의 변화에도 효과적으로 대응할 수 있습니다.
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