공기베어링 스테이지를 위한 전자석 와전류 감쇠기의 최적설계

Abstract

최근 고집적화를 특징으로 하는 반도체와 같은 전자부품의 생산을 위하여 고정밀도 제조 장비를 요구하고 있다. 공기베어링(Air bearing)은 가이드하는 표면과 접촉하기 않는다는 특징을 가지고 있어 다른 가이드들에 비하여 매우 적은 마찰을 가진다. 이 때문에 공기베어링은 정밀 위치 제어 시스템의 가이드로서 널리 사용된다. 하지만 공기베어링은 비접촉 상태에서 운용되는 특징 때문에 낮은 감쇠 계수를 가지고 있어 잔류진동과 외란에 취약하며 이는 위치안정도 성능에 악영향을 끼친다. 따라서 공기베어링 스테이지의 위치안정성 향상을 위해 감쇠 성능을 보완할 필요가 있다. 공기베어링 스테이지에 발생하는 진동을 억제하기 위해 비접촉 상태를 유지한 채 감쇠성능을 보완하는 와전류 감쇠기에 대한 연구가 과거 일부 진행되었으나 이는 감쇠 계수를 조절하는 것에 일부 어려움이 있다.

본 논문에서는 공기베어링 스테이지에 적용할 수 있는 전자석을 이용한 와전류 감쇠기(EM-ECD)의 최적설계에 대해서 다룬다. 전자석을 사용하면 감쇠비율을 쉽게 조절하여 가속 구간에서는 전류를 차단하여 가속 성능을 유지하고 정지 구간에서는 전류를 가하여 위치안정도를 향상하는 형식의 제어가 가능하다. EM-ECD의 감쇠 효과를 최대화할 수 있도록 공기층을 최소로 하는 구조를 모델링하였다. 전자석의 이론적 모델을 구하고 이후 Optimization Tools과 SQP 알고리즘을 통한 EM-ECD의 최적 설계를 진행하였다. 이후, 최적설계를 통해 제작된 EM-ECD를 기존의 공기베어링 스테이지에 부착하고 감쇠 계수 검증, 위치 안정성 확인, Step 입력에 대한 반응 실험을 진행하여 EM-ECD를 부착한 스테이지의 성능지표와 한계에 대해 확인한다.