위치 결정 시스템의 안정성 개선을 위한 와전류 감쇠기(Eddy Current Damper) 활용

Abstract

현대 전자 기기는 고밀도/고집적화가 지속적으로 이루어지고 있으며 wearable device 등의 차세대 전자 제품 수요가 폭발적으로 늘어날 것으로 예상되고 있다. 이러한 수요를 충족하기 위해서는 제조 기술의 정밀도 향상이 필수적이다. 제조기술의 정밀도 향상을 위해서는 전자 부품의 제조 장비 등 다양한 분야에서 활용되고 있는 위치 결정 시스템의 정밀도 향상은 매우 중요하다. 생산 제조 장비에 활용되는 여러 종류의 선형 모션 매커니즘 중에서도 공기 베어링은 구동 시 마찰이 거의 없어 초고정밀 모션 제어가 가능하므로 고집적 전자 부품을 제조하는 데 널리 활용되고 있다. 다만, 마찰이 거의 없는 특성으로 인해 자체 강성이 매우 낮아 진동과 같은 외란에 취약하며 이러한 영향이 위치 정밀도에 악영향을 미치게 된다. 본 논문에서는 이러한 점을 개선하고 성능을 향상시키기 위해 와전류 감쇠기(Eddy Current Damper)를 이용한다. 와전류 감쇠기는 시스템의 추가 감쇠 힘을 부여한다. 이러한 시스템의 추가 감쇠 힘이 위치 정밀도 향상에 영향을 미친다. 와전류 감쇠 효과는 이론적으로 자성을 가진 물체와 도체 사이의 거리인 공극 ‘d’에 반비례하고 자성 물체의 자속 밀도 ‘B’의 제곱에 비례한다. 해당 이론을 기반으로 와전류 감쇠기의 감쇠 힘을 극대화하기 위한 자속 밀도를 강화한다. 자속 밀도의 강화 방안으로는 할바흐 배열(Halbach Array)이 적용된 자석을 사용한다. 다른 방안으로는 도체 판 뒤편에 철판(Back Iron)으로 덧대어 자기장 세기를 향상한다. 향상된 자기장 세기는 자기장 선속 밀도의 강화에 도움을 준다. 이와 같이 개략적으로 구성된 모델에 대한 이론 모델링을 실시하여 와전류 감쇠기에 대한 감쇠 계수 'c'를 도출할 수 있도록 한다. 이론 및 성능을 검증하기 위해 와전류 감쇠기가 적용된 선형 모션 제어 시스템을 설계/제작하고 실험을 시행한다. 실험 기구는 공기베어링 기반의 1축 기구이다. 와전류 감쇠기 구조는 먼저 이동자 측에 할바흐 배열의 자석을 부착한다. 와전류 감쇠 효과를 위해 영구 자석과 마주보는 얇은 구리판을 거리 조절이 가능하도록 설치한다. 실험은 PID 되먹임 제어를 실시하며 와전류 감쇠기 적용/미적용 시 변위 신호를 입력한다. 추가로 정지 상태에서의 진동 정도를 측정한다. 두 실험의 결과 데이터를 이용하여 위치 안정성 및 이론모델 검증을 한다.