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문제 정의
- 마이크로 인장 시험과 관련하여 최근 수년간 수행되어온 왕성한 연구에 관하여 검토해 보았다. 현재까지 주로 실리콘 소재의 물성 측정에 주려해 왔지만, 향후 급속히 수요가 확대될 것으로 예상되는 초미세 광 .
- 본 논문에서는 지금까지 수행된 마이크로 인장 시험기에 관한 연구들을 검토하여 분석하고 향후 독자적으로 개발하고자 하는 마이크로 인장 시험기를 위한 레이저를 이용한 광학식 위치 측정 장치와 초정밀 구동기, 제어알고리즘에 대한 연구 개발 내용을 소개하고자 한다.
제안 방법
- Interpolator는 Heidenhain사의 주파수 체배기를 사용하였으며 체배기에서 출력된 신호를 방향검출회로와 마이컴의 카운터회로에 연결해 변위를 산출하였다.
- PZT를 이용하여 측정 대상체의 반사 거울을 이동시키면서 센서의 측정값과 실제 변위량을 비교하였다. 센서의 환경요인에 의한 오차 보상은 적용하지 않은 상태에서 실험하였다.
- 각각의 렌즈들은 모듈화를 하여 조립과 광축의 정렬이 쉽도록 설계하였다. 레이저는 He-Ne 레이저를 사용하였으며 파장은 633nm이다.
- 공각' 에서의 자속 손실을 막기 위해 공극을 최소화하여 설계하였다. 다음 식(6)과 같이 본드 그래프에 대한 모델 식을 유도하였으며 Matlab에서 해석하였다.
- 판단된다. 따라서 본 연구에서는 하중 측정은 load cell을 사용하고, 변위 측정은 광학적 간섭 시스템(inter- feroinetiy system)을 사용하고자 한다.
- 마이크로 인장 시험기의 하중 최대용량은 1N, 하중 해상도는 0.1 mN을 목표로 하며, 변위 측성은 광학적 간섭 시스템을 사용하여 변위 해상도는 0.02Mm를 목표로 설계하였다. 향후 수직형과 수평형에 관한 두 가지 설계에 관한 보다 심도 있는 분석을 통하여 개발 시에 유형을 결정하고자 한다.
- 5um의 두께를갖느 다이타늄 시험편을 스퍼터링을 이용하여 제작하고 DC servo motor를 이용한 시험기로 시험하였다. 마이크로스코프와 2 대의 CCD 카메라를 이용하여 관측된 점를로부터 변형률을 측정하였다.
- gold line marking을 증착하였다. 반사된 광선은 선형 다이오드 배열 시스템(linear diode array system) 에서감지되어 간섭무늬의 이동을 측정하며측 정값에서 시험편의 강체 운동(rigid body motion)에 의한 변위를 배제하기 위해 시험편의 양쪽에 센서를 설치하였다. ISDG게관한 이론적인 부분은 뒤에서 설명하도록 하겠다.
- 센서의 환경요인에 의한 오차 보상은 적용하지 않은 상태에서 실험하였다.
- VCMe 응답속도가 빠르고 구조가 간단하며 비교적 쉽게 제작 할 수 있다. 시스템 요구사항에 적합한 VCM을 설계하기 위하여 VCM에 대한 모델링을 하고 설계 변수에 대한 위치 제어 시뮬레이션을 하였다. Fig.
- 시험편의 형상은 한쪽 끝부분은 사각형이고 다른 끝은 링 모양으로 되어 있어서 링 부분에 시험기의 프로브를 넣고 인장하는 방식을 사용하였다. 이러한 시험 편의 구조는 굽힘 하중이나 비틀림 하중과 같은 인장 하중 이외의 하중을 배제하기 위한 시도이다.
- 위치 제어 정밀도 측정 실험은 ±20nm sine운동을 하도록 입력하였으며 위치 측정은 캐패시티브 센서로 하였다. 베이스는 방진테이블에 고정하여 외부 진동에 의한 오차를 줄였다.
- 이 시험기를 이용하여 각각 나* 긴이를 갖는 시험편의 탄성계수(E)를 측정하고 강체의 탄성 변형영향을 고려하였다. 구축된 시험기의 변위 성밀노는 0.
- 정현파 입력에 대한 VCM의 위치변화에 대해 시뮬레이션을 하였다. 결과는 다음 Fig.
- 지금까지 개발되어 온 마이크로 인장 시험기에 곤]:한 연구들을 종합하여 수평형 마이크로 인장 시험기에 관한 설계를 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 4는 설계된 VCM의 CAD 모델이다. Yoke의 재질은 S15C이며 코일은 직경 0.2mm의 에나멜 선을 사용하였다. Short turne 알루미늄으로 만들었으며 emf를 방지한다.
- 쉽도록 설계하였다. 레이저는 He-Ne 레이저를 사용하였으며 파장은 633nm이다. 실험에서는 상용화된 inter -ferometer를 이용하여 검증하였다.
- 실험에서는 0.1 mm 베릴륨동 판재를 이용하였으며 FEM 해석을 하였다 Fig. 9에 FE 모델을 나타내었다. FEM 해석을 통해 설계된 스프링의 강성을 예측하였고, 그 결과를 Fig.
- 보빈의 직선운동을 위하여 모션가이도가 필요하다. 실험에서는 보빈에 축을 연결하고 축의직선 운동 가이드를 위하여 4개의 leaf spring을 사용하였다.
- 실험을 위한 VCM제어 시스템을 구성하였다. 제어 알고리즘은 PID제어기를 사용하였으며 제어기는 DSP(dSP ACE 1104) 를 사용하여 알고리즘을 구현하였다.
- 이때, 시험에 사용된 소재는 다결정 실리콘(polysiiicon) 과 니켈이었으며, 광선을 반사시키기 위하여 시험편 위에 gold line marking을 증착하였다. 반사된 광선은 선형 다이오드 배열 시스템(linear diode array system) 에서감지되어 간섭무늬의 이동을 측정하며측 정값에서 시험편의 강체 운동(rigid body motion)에 의한 변위를 배제하기 위해 시험편의 양쪽에 센서를 설치하였다.
- 제어 알고리즘은 PID제어기를 사용하였으며 제어기는 DSP(dSP ACE 1104) 를 사용하여 알고리즘을 구현하였다. 제어에서 필요한 feedback신호는 위치 측정용 캐패시티브 센서 (capacitive sensor)11 사용하였다. Fig.
- 초정밀 위치 제어장치를 위한 구동 액쥬에이터로서 VCM을 선정하였다. VCMe 응답속도가 빠르고 구조가 간단하며 비교적 쉽게 제작 할 수 있다.
데이터처리
- 레이저는 He-Ne 레이저를 사용하였으며 파장은 633nm이다. 실험에서는 상용화된 inter -ferometer를 이용하여 검증하였다. 실험 결과는 다음Table 2와 같다.
이론/모형
- Short turne 알루미늄으로 만들었으며 emf를 방지한다. 영구자석은 NdFeB 계열의 자석은 사용되었다.
- 실험을 위한 VCM제어 시스템을 구성하였다. 제어 알고리즘은 PID제어기를 사용하였으며 제어기는 DSP(dSP ACE 1104) 를 사용하여 알고리즘을 구현하였다. 제어에서 필요한 feedback신호는 위치 측정용 캐패시티브 센서 (capacitive sensor)11 사용하였다.
성능/효과
- 기존의 연구결과를 볼 때, Sharpe 등이 제안하여 Yi 등이 검증한 마이크로 인장 시험기가 가장 신뢰할 만하다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 하중 측정은 load cell을 사용하고, 변위 측정은 광학적 간섭 시스템(inter- feroinetiy system)을 사용하고자 한다.
- 접착제를 사용하는 방법은 매번 시험을 할 때마다 측정 및 시험의 정밀도를 높이기 위하이 이전 시험에서 시험기에 고착된 접착제를 깨끗이 씻어내야 하는 번거로움이 있었으나, 정전기력을 사용함으로써 이러한 문제점을 해결할 수 있었다. 러나, 정전기니은 마이크로인장 시험에서 비교적 작은 시험편의 시험에만 적용해오고 있*데, 이것은 정전기력이 감당해 낸 수 있는 파 지력의 한계 때문이다.
후속연구
- 현재까지 주로 실리콘 소재의 물성 측정에 주려해 왔지만, 향후 급속히 수요가 확대될 것으로 예상되는 초미세 광 . 열유체부품에 쓰일 폴리머, 플라스틱 등의 소재에 관한 마이크로 인장 시험에 관한 연구도 필수적일 것이라고 판단된다. 이와 같이 측정된 물성치들은 최종 제품의 온도 및 습도에 관한 내구성 및 수명을 예측하는데 크게 기여하는 근간 자료로 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.
- 열유체부품에 쓰일 폴리머, 플라스틱 등의 소재에 관한 마이크로 인장 시험에 관한 연구도 필수적일 것이라고 판단된다. 이와 같이 측정된 물성치들은 최종 제품의 온도 및 습도에 관한 내구성 및 수명을 예측하는데 크게 기여하는 근간 자료로 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.
- 02Mm를 목표로 설계하였다. 향후 수직형과 수평형에 관한 두 가지 설계에 관한 보다 심도 있는 분석을 통하여 개발 시에 유형을 결정하고자 한다.
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