케이블 및 전선 선택 기준

오늘날의 케이블 및 전선 설계는 단순하게 부품을 선택하는 것보다 훨씬 큰 의미를 지닙니다. 이러한 설계에서는 전반적인 시스템 차원으로 사고하는 것이 가장 중요하며, 설치 유형(정적 또는 동적), 전기적 및 기계적 응력, 비용 효율성 및 지속 가능성을 모두 고려해야 합니다. 이 접근 방식을 무시한다면 고장, 에너지 손실, 불필요한 고비용이 발생할 위험이 있습니다.

전기화, 데이터 전송의 증가, 그리고 지속 가능성에 대한 늘어나는 압박으로 인해, 케이블은 주요 부품으로 빠르게 자리잡게 되었습니다. 이제는 더 이상 규격서에 표시되어 있는 파라미터만이 고장, 성능, 사용 수명을 결정하는 것이 아닙니다. 시스템 수준에서 충분히 고려하지 않는 경우, 제조업체의 최신 기술 혁신이 충분히 활용되지 못할 수도 있습니다. LAPP, Igus, HELUKABEL, Belden 등의 유명 기업들은 최신 기술 트렌드를 고려하면서 케이블 및 전선을 전체 시스템의 필수적인 부분으로 간주하며, 그에 알맞게 비즈니스 모델을 수정해 왔습니다.

새로운 응용 분야, 새로운 요구 사항

케이블 및 전선에 영향을 미치는 주요 발전 사항은 생산 및 내부 물류에서 충전 인프라에 이르는 산업용 응용 제품의 지속적인 전기화입니다. 그 결과로, 전류 허용 용량, 내열성, 사용 수명에 대한 요구 사항이 크게 증가하고 있습니다. 그와 동시에 산업용 DC 그리드, 고전력 충전 및 드라이브 개념과 같은 직류(DC) 응용 제품의 중요성이 커지고 있습니다.

또 다른 트렌드는 기능적 고밀도화입니다. 오늘날의 케이블은 보통 여러 작업을 동시에 수행하며, 하이브리드 케이블에서는 전력과 데이터를 함께 전송합니다. 또한, 설치 간소화 및 시스템 가용성 향상에 대한 요구도 증가하고 있습니다.

동적 응용 제품에서도 요구 사항이 늘고 있습니다. 더 빠른 속도, 더 큰 가속도, 더 좁은 굽힘 반경, 더 긴 이동 거리에 대한 요구로 인해, 동적 시스템의 케이블 설계는 점점 더 까다로워지고 있습니다. 그와 동시에 데이터 집약적인 케이블의 비율도 계속 증가하고 있습니다. 산업용 이더넷 또는 PROFINET과 같은 버스 시스템은 이미 오래 전부터 케이블 캐리어 시스템에 도입되었습니다.

지속 가능성도 점점 더 중요해지고 있습니다. 더 많은 사용자와 구매자가 사용 수명이 길고, CO₂ 배출량이 투명하며, 재활용된 재료로 제작된 케이블을 적극적으로 찾고 있습니다. 따라서 케이블 및 전선은 더 이상 표준 준수 여부만으로 평가되지 않으며, 전체 시스템의 효율성과 지속 가능성에 대한 기여도를 기준으로 평가됩니다.

올바른 케이블을 선택하려면, 설치 유형(정적 또는 동적), 컨덕터 단면적, 굽힘 주기 수, 연선 컨덕터 vs 단선 컨덕터, 절연 재료, 외피 재료 등 여러 가지 기준을 고려해야만 합니다. EMC 동작, 전압 유형(AC/DC), 데이터 전송 요구 사항 또한 의사 결정 과정에서 고려해야만 합니다. 각 파라미터를 개별적으로 다루는 것이 아니라, 전체적인 시스템 수준의 관점을 갖는 것이 매우 중요합니다.

케이블 선택 시 흔히 저지르는 실수

LAPP의 전문가들에 따르면, 가장 흔한 실수 중 하나는 개발 과정에서 케이블을 너무 늦게 선택하는 것입니다. 보통 전체 수명 주기에 걸친 실제 작동 조건을 고려하지 않고. 표준에서 허용하는 최소 단면만 선택하는 경우가 많은데, 이는 심각한 결과를 초래할 수 있습니다.

처음부터 위험을 피하려면, 응용 제품 관점에서 일관되게 설계하는 것이 좋습니다. 주요 질문들은 다음과 같습니다. 실제 현재 부하는 얼마인가요? 시스템이 얼마나 오래 운영되나요? 케이블은 얼마나 유연해야 하나요? 어떤 환경 조건이 지속적으로 작용하나요? 또한 에너지 손실과 온도 상승에 대한 부분도 평가하여, 기술적으로나 경제적으로 합리적인 결정을 내려야 합니다.

이러한 맥락에서, 컨덕터 단면적이 약간 더 크면 저항 손실이 감소하고 열 발생이 줄어들어 경제적인 이점이 제공됩니다. 시스템을 사용하는 기간 전체를 생각한다면, 이러한 추가적인 투자는 결코 낭비가 아닙니다. 그와 반대로, 크기가 작은 케이블은 단기적으로는 비용을 절감할 수 있지만 장기적으로는 에너지 손실과 운영 비용을 증가시킬 수 있습니다.

또 다른 문제는 검증된 솔루션을 새로운 응용 제품에 무작정 적용하는 것입니다. 예를 들어, AC 응용 제품에서의 경험을 적절한 검증의 과정 없이 DC 시스템에 적용하는 경우가 있습니다. 응용 제품별로 미리 설계가 이루어지면 이러한 오류를 방지할 수 있습니다.

LAPP 제품의 특징은 서로 따로 사용되도록 고안되지 않았다는 점입니다. 특히 고성능 응용 제품에서는 케이블과 커넥터의 조합을 통해 보다 안정적이고 장기적인 연결을 달성할 수 있습니다. 이렇게 시스템 차원에서의 이해가 동반되는 경우 전기, 기계 및 열 요구 사항을 더 잘 통합할 수 있으므로, 매우 유연한 전력 및 데이터 케이블을 개발할 수 있습니다.

구체적인 예로, 혁신적인 설계로 누설 전류를 줄여주는 zeroCM 기술이 통합된 모터 연결 케이블 ÖLFLEX FD Servo(그림 1 - 왼쪽)를 들 수 있습니다. 또 다른 혁신은 단 하나의 연선만으로 현장 수준까지 원활한 네트워크 인프라를 구현하는 단일 쌍 이더넷 케이블 ETHERLINE T1 FD(그림 1 - 오른쪽)입니다.

그림 1: LAPP의 ÖLFLEX FD Servo(왼쪽) 및 ETHERLINE T1 FD(오른쪽) 케이블의 예(이미지 출처: LAPP)

특별한 도전 과제: 케이블 캐리어 내에서 움직이는 케이블

Igus의 전문가들의 설명에 따르면, 케이블 캐리어 시스템에 적합한 케이블을 선택하는 것은 특히 어렵습니다. 케이블 캐리어에서의 연속적인 이동을 위해 설계된 케이블에는 특정한 표준 요구 사항이 적용되지 않습니다. 광발전 시스템용 케이블과 같이 명확하게 정의되고 제한된 응용 제품에 대해서만 표준을 만들 수 있습니다. 그러나 케이블 캐리어의 경우, 단 하나의 통합된 표준을 적용하기에는 응용 제품의 종류가 너무 다양합니다. 케이블 캐리어 응용 제품들을 위한 하나의 '만능' 케이블이 존재하는 것도 아닙니다.

고객은 직접적인 비교가 어려운 다양한 소위 '체인플렉스 호환' 제품을 탐색해야 하는 어려움에 직면해 있습니다.

흔하게 발생하는 실수 중 하나는 외피 재료를 잘못 선택하는 것입니다. 일반적으로 PUR이 케이블 캐리어에 가장 적합한 외피 재료라고 잘못 생각하는 경우가 많습니다. PUR은 오일이나 윤활제가 많은 환경에서는 탁월한 선택이지만, 건조한 응용 제품에서는 연속 동작을 위해 설계된 특수 PVC 컴파운드보다 마모도가 훨씬 더 높은 경우가 많습니다.

경제적인 측면도 고려해야 합니다. 원자재로서 PUR은 고품질 PVC 제품보다 약 3배 ~ 4배 더 비쌉니다. 따라서 이 부분에서의 잘못된 판단은 기술적인 문제와 불필요한 비용을 초래할 수 있습니다. 외피 재료는 항상 특정 용도에 알맞게 선택해야 합니다. PUR은 오일이 풍부한 환경에 이상적인 반면, 오일이 적거나 아예 없는 환경에서는 PVC가 더 나으며 경제적인 옵션인 경우가 많습니다.

간과하기 쉬운 또 다른 문제는 검증 가능한 테스트 결과 없이 케이블을 선택하는 것입니다. 규격서에서는 '최대 5백만 주기'의 사용 수명을 약속할 수 있지만, 이러한 문구는 명확성이 떨어지며, 어떤 조건에서 이 테스트가 진행되었는지가 중요합니다. 케이블 캐리어와 관련된 동적 응용 제품은 매우 다양하며, 케이블이 모든 조건에서 동일한 성능을 발휘하는 것이 아닙니다. 따라서, 신뢰할 수 있고 투명한 수명 데이터가 반드시 필요합니다.

30년 이상의 지속적인 연구 개발과 케이블 설계 및 재료에 대한 광범위한 테스트를 통해, 이제 Igus는 응용 제품별로 계산되고 확인된 이동 케이블에 대한 사용 수명을 확실하게 보증할 수 있습니다.

Igus의 주요 제품 중에는 공간이 심하게 제약된 환경에서 작동하는 매우 동적인 응용 제품을 위해 설계된 CFCLEAN 케이블 계열(그림 2)이 있습니다. 이 계열은 가볍고 매우 작은 것이 큰 장점인데, 특히 기존의 외피형 케이블에 비해 30% 더 가볍고 지름이 35% 더 작습니다. 실험실 테스트를 통해 2천만 주기의 사용 수명이 입증되었습니다(제조업체에서 보증).

그림 2: Igus CFCLEAN 계열의 예(이미지 출처: Igus)

시스템 접근 방식으로 복잡성 간소화

많은 제조업체가 단순한 부품 구매로부터 즉시 사용 가능한 통합 솔루션을 찾는 쪽으로 분명한 변화가 일고 있음을 인식하고 있습니다. 특히 기계 및 플랜트 엔지니어링 분야의 고객은 보다 적은 인터페이스, 조정에 대한 노력 절감, 그리고 프로젝트 및 운영 위험의 감소를 원합니다.

HELUKABEL은 가장 먼저 응용 제품을 정적 또는 동적으로 명확하게 정의한 다음, 이동 프로파일, 굽힘 반경, 이동 거리 및 역학을 분석하고, 환경 조건을 평가하며, 전력, 신호 및 데이터 전송에 대한 전기적 요구 사항을 정의하고, 마지막으로 관련 표준 및 목표 시장을 검증하는 구조화된 접근 방식을 권장합니다. 이러한 체계적인 과정을 통해, 부품 중심의 접근 방식으로 충분한지 아니면 통합 시스템 솔루션으로 노력과 위험을 줄일 수 있는지 신속하게 파악할 수 있습니다.

설치 조건은 매우 중요합니다. 고품질 드래그 체인 케이블이라도 굽힘 반경을 초과하거나 케이블이 부적절하게 배열되거나 분리기와 스트레인 릴리프 소자가 잘못 설계된 경우 손상이 발생할 수 있습니다. 조립 과정은 종종 과소평가되는데, 차폐 연결의 결함, 부적합한 커넥터 또는 잘못된 작업으로 인해 EMC 문제와 장애가 즉시 발생할 수 있습니다.

HELUKABEL의 일관된 시스템 솔루션 중 하나는 HELUCHAIN SYSTEM입니다(그림 3). 케이블 캐리어, 이와 호환되는 고유연성 케이블, 부속품, 사전 조립되어 바로 연결할 수 있는 변형(선택 사항)을 통합 패키지로 결합하여, 개별 부품이 아닌 조화롭고 안정적인 솔루션을 제공합니다.

그림 3: HELUKABEL의 HELUCHAIN SYSTEM 조합 케이블 캐리어, 케이블 및 부속품의 예(이미지 출처: HELUKABEL)

네트워크 인프라

데이터 전송률이 높아지고 산업용 플랜트의 연결성이 증가함에 따라, 물리적 네트워크 인프라의 중요성이 커지고 있습니다. Belden은 최신 자동화 아키텍처를 위한 산업용 이더넷 솔루션(그림 4)을 통해 이러한 문제를 해결합니다. TSN 메커니즘을 지원하는 실시간 지원 스위치로, 열악한 산업 환경에서도 결정론적 통신을 실현할 수 있습니다.

그림 4: Belden의 산업용 이더넷 솔루션(이미지 출처: Belden)

새로운 Belden 산업용 액세스 포인트는 로봇 공학, 물류 및 자동화 응용 제품용으로 대기 시간이 짧은 결정론적 Wi-Fi 7을 제공합니다. 5GHz/6GHz 듀얼 밴드 설계, 빠른 로밍, 그리고 통합 진단 기능을 통해 서로 다른 시스템 간의 원활한 상호 작용을 보장합니다. 따라서 시스템 차원의 사고는 케이블 자체를 넘어 관련 인프라까지 확장됩니다.

지속 가능성

지속 가능성은 시장에서 훨씬 더 중요한 개념으로 자리잡았습니다. 케이블 제조업체는 투명성을 높이고, 재료에 대한 증거 문서 및 효율적인 생산 공정을 제공하고 있습니다.

그러나 지속 가능성에서 가장 중요한 요소는 여전히 사용 수명입니다. 시스템이 더 오랫동안 안정적으로 작동하고 교체 주기가 적을수록 전체적인 경제적 및 생태적 균형이 나아집니다. 제조업체들은 바이오 기반 또는 부분적으로 재활용 가능한 플라스틱과 같은 대체적인 재료를 개발하기 위해 노력하고 있습니다.

다시 한 번 강조하자면, 지속 가능성은 개별적인 케이블 수준에서 따로 평가해서는 안 되며, 전체 시스템 내에서 재료, 사용 수명 및 에너지 효율성 간의 균형을 통해 평가해야 합니다.