평면 3축 초정밀 이송 스테이지의 설계 및 제어에 관한 연구

Abstract

최근 초정밀 마이크로 이송 스테이지의 적용 분야가 다양해짐에 따라 스테이지에 관한 요구사항 또한 더욱 엄격, 다양해지고 있다. 이러한 다양한 분야의 요구사항을 만족시키기 위하여 많은 연구가 진행되었다. 이에 본 연구에서는 다양한 분야에 적용 가능한 평면 XYθ 3축 초정밀 이송 스테이지를 제안하고 설계 및 실험 검증 하였다. 기존 평면 3축 스테이지의 병렬 구조의 단점을 보완하고, 대칭적인 구조를 갖기 위해 병진 구동부와 회전 구동부가 분리된 구조를 제안, 설계하였다. 분리 구조 스테이지는 설계 및 제어가 용이하며, 적용 분야에 따라 분리 적용 가능한 장점을 갖는다. 제안하는 스테이지의 병진 구동부는 네 개의 심벌(cymbal) 기구가 대칭적으로 배치된 복합 심벌 기구로 구성된다. 병진 운동을 위한 압전구동기(Piezoelectric transducer, PZT)가 조립되는 각각의 심벌 기구는 변위 확대 기능을 하고, 복합 심벌 기구는 병진 운동 가이드(guide) 역할을 한다. 회전 구동부의 압전구동기 변위 확대는 스캇-루셀 링크 기구에 의해 이뤄지며, 스캇-루셀(Scott-Russell) 링크 기구를 통해 증폭 된 변위는 네 개의 판 스프링에 의해 회전 운동으로 가이드 된다. 본 연구에서는 스테이지의 강건 설계를 위해 다구치(Taguchi) 실험 계획법을 적용하였다. 이를 바탕으로 최적 설계 조건을 추출하고, 최종 설계 완료 후 240 ×240 ×25 ㎜^3 크기로 스테이지를 제작하였다. 스테이지 성능 검증을 위한 개루프(open-loop) 실험 결과, 각 모드 형상에서의 공진 주파수는 135.4 ㎐, 136.6 ㎐, 122.8 ㎐ 였으며, 병진 운동 및 회전 운동의 분해능은 ±1.5 ㎚와 ±15 μrad이었다. 그리고, 최대 구동 변위에 대한 계단 응답 결과, 최대 병진 구동 변위는 58 μm이며 회전 구동 변위는 1.05 mrad 였다. 추가로 진행된 crosstalk 과 Z-runout 특정 실험을 통해, 제안하는 스테이지가 다양한 분야에 스캐너(scanner) 장비로 활용될 수 있는 가능성을 확인하였다.