초정밀 스테이지의 해석과 반력 보상 장치의 설계를 통한 진동저감장치에 대한 연구_출력용

Abstract

나날이 높아져 가는 초정밀 제품의 수요에 따라 높은 정밀도를 갖는 생산시스템의 개선이 필요하다. 특히 수십 마이크로급부터 수십 나노급의 정밀도를 요구하는 전자산업에 있어 초정밀 생산 시스템은 기업의 생존을 결정지을 수 있는 중요한 요소이다. 그러나, 국내 전자 제조업에서 외국산 장비의 사용률이 높아 이에 대한 국내 제조업의 경쟁력에 걸림돌로 작용하고 있다. 이러한 상황을 타개하고자 외국산 장비에 비해 저렴하면서도 빠른 안정화 시간과 진폭을 갖도록 생산시스템의 초정밀 스테이지를 개선하고자 한다. 본 논문에서 다루는 초정밀 스테이지는 레이저 직접 묘화방식으로 FPCB를 인쇄하는 장비이며 ±5μm의 위치정밀도를 갖는 것을 목표로 한다. 본 논문의 핵심 목표는 초정밀 스테이지를 위한 능동적인 진동 저감 장치를 개발하고자 해석 및 설계를 실시하고 검증하는 것이다. 일반적으로 초정밀 스테이지에는 지면 및 외부로부터 발생하는 외란을 저감시키기 위해 공기 제진기(Air Isolator)를 사용한다. 그러나, Air Isolator는 Z축 방향의 진동 저감에만 효과적이며, 반응속도가 느려서 능동적인 제어에는 적당하지 않다. 따라서, 본 논문에서는 능동적인 진동 저감을 위해 반력보상장치를 설계하고 검증한다. 반력보상장치의 개발의 목표는 안정화 시간은 짧게 하고 안정화 진폭을 작계하는 것이다. 안정화 시간의 목표치는 0.3s이고, 안정화 진폭의 목표치는 ±5μm이다. 수치적인 목표치 외에도 반력보상장치의 개발에는 다양한 제한 조건이 있다. 반력보상장치의 제한 조건은 초정밀 스테이지의 하부에 장착되어야 하며, 스테이지에 원할히 반력을 제공할 수 있어야 한다. 연구 목표와 제한조건을 고려했을 때, 반력의 발생장치의 구동기는 Voice Coil Motor(VCM)을 이용한다. 본 연구에서 이용된 VCM은 스테이지의 진동을 능동적으로 보상할 수 있는 427N의 반력을 제공할 수 있으며, 그 크기가 스테이지의 제한된 하부 공간에 설치할 수 있다. 대상 시스템의 진동문제를 확인하기 위하여 Laser Doppler Velocimeter(LDV)로 진동을 측정하고 분석하였다. 이러한 데이터를 기반으로 진동을 적절히 저감하는 장치를 설계하기 위하여 스테이지의 진동 해석(정적해석, 모달해석, 과도응답해석)을 수행하였다. 이를 바탕으로 적절한 반력보상장치 모듈을 설계하고 반력보상장치의 효과를 입증하였다. 본 연구를 통해 능동적인 진동의 저감 기술을 습득하였고, 필요에 따라 복잡한 생산시스템을 위한 다축의 진동을 저감시킬 수 있는 장치의 개발도 가능하다. 이러한 기술은 초정밀 시스템뿐만 아니라 다양한 엔지니어링 분야에도 활용이 가능할 것이다.