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문제 정의
- 초음파에서 발생하는 진동을 이용하여 개발된 초음파 물체 이송시스템은 정밀하고 손상에 민감한 부품들의 이송에 적합한 좋은 특성을 가지고 있다4,5). 본 연구에서는 초음파를 이용한 광소자 이송 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템의 성능을 평가하고 각기 다른 형상의 탄성빔에서 이송하고자 하는 렌즈를 원하는 거리만큼 이송시킴과 동시에 가장 빠른 이송속도를 보이는 진행주파수를 실험을 통하여 규명하였다(6-9) 3차원 레이저 진동측정기를 사용하여 렌즈를 이송시키는 진행 주파수에서 각기 다른 탄성빔의 진동형태를 분석하고 렌즈가 이송될 때 생기는 진행파와 이송되지 않을 때 생기는 진행파가 어떠한 형상을 하고 있는가를 살펴봄으로써 이송 메커니즘을 파악하였다.
제안 방법
- 4가지 형태의 탄성빔에서 렌즈를 이송시키는 진행주파수와 렌즈를 이송시키지 않을 때의 주파수에서 진동특성을 파악하기 위하여 3차원 레이저 진동측정기를 사용하여 탄성빔의 양끝단과 가운데, 총 세부분에서 발생하는 진동 파형의 형태를 측정하였다. Fig.
- 개발된 시스템에서 광소자를 이송하기 위한 각기 다른 형태의 탄성빔을 개발하여 시스템을 구성하였다. 구성된 시스템에서 각기 다른 4종류의 비구면 광학 유리렌즈를 이송하는 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 초음파를 이용한 광소자 이송 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템의 성능을 평가하고 각기 다른 형상의 탄성빔에서 이송하고자 하는 렌즈를 원하는 거리만큼 이송시킴과 동시에 가장 빠른 이송속도를 보이는 진행주파수를 실험을 통하여 규명하였다(6-9) 3차원 레이저 진동측정기를 사용하여 렌즈를 이송시키는 진행 주파수에서 각기 다른 탄성빔의 진동형태를 분석하고 렌즈가 이송될 때 생기는 진행파와 이송되지 않을 때 생기는 진행파가 어떠한 형상을 하고 있는가를 살펴봄으로써 이송 메커니즘을 파악하였다.
- 개발된 시스템에서 광소자를 이송하기 위한 각기 다른 형태의 탄성빔을 개발하여 시스템을 구성하였다. 구성된 시스템에서 각기 다른 4종류의 비구면 광학 유리렌즈를 이송하는 실험을 수행하였다. 실험결과 서로 다른 형상의 탄성빔에서 이송하고자 하는 렌즈에 따라 진행주파수가 다름을 알 수 있었다.
- 초음파를 이용한 광소자 이송 시스템을 개발하여 각기 다른 형상의 탄성빔을 제작하였으며 이를 가지고 시스템을 구성하였다. 구성된 시스템에서 주파수에 변화를 주어 서로 다른 4가지의 광학 유리 렌즈가 탄성빔을 따라 통과할 때 가장 빠른 속도로 이송하기 위한 진행 주파수를 찾는 실험을 수행하였다. 실험을 통하여 여러 형태의 탄성빔 위에서 각 렌즈가 가장 빠른 속도로 이송될 수 있는 가장 좋은 조건을 찾을수 있었으며 그에 따른 진행파의 형태를 분석할 수 있었다.
- 렌즈를 이송하기 위한 최적의 조건을 찾기 위해서 서로 다른 형상의 탄성빔을 설계하여 진행주파수와 이송속도를 측정하였다. 길이 350mm, 두께 3mm를 갖는 탄성빔의 단면 형상에 변화를 주어 Table 1과 같이 총 4가지 형상으로 제작 하였다.
- 이를 통하여 일정한 형상의 파형이나 일정 크기 이상인 파형의 진폭은 물체의 이송 속도와 관련이 있었으며, 진폭이 클수록 이송속도가 빨라진다는 것을 알 수 있었다. 실험을 통하여 각 조건들에서 발생되는 빔의 진동형태를 파악할 수 있었고 렌즈를 진행시키기 위한 진행파의 형태를 분석할 수 있었다. 또한 진행파는 일정한 규칙적인 형태를 가지며 이와 같은 규칙성이 없는 경우 물체가 진행되지 않음을 규명하였다.
- 초음파를 이용한 광소자 이송 시스템을 개발하여 각기 다른 형상의 탄성빔을 제작하였으며 이를 가지고 시스템을 구성하였다. 구성된 시스템에서 주파수에 변화를 주어 서로 다른 4가지의 광학 유리 렌즈가 탄성빔을 따라 통과할 때 가장 빠른 속도로 이송하기 위한 진행 주파수를 찾는 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 길이 350mm, 두께 3mm를 갖는 탄성빔의 단면 형상에 변화를 주어 Table 1과 같이 총 4가지 형상으로 제작 하였다. 개발된 4가지의 탄성빔 위에서 이송되어지는 렌즈는 각각 크기와 형상 그리고 무게가 다른 4종류의 비구면 광학 유리렌즈(Aspheric Glass Lens)를 사용하였다. Table 2에 실험에 사용한 렌즈의 사양을 나타내었다.
- 렌즈를 이송하기 위한 최적의 조건을 찾기 위해서 서로 다른 형상의 탄성빔을 설계하여 진행주파수와 이송속도를 측정하였다. 길이 350mm, 두께 3mm를 갖는 탄성빔의 단면 형상에 변화를 주어 Table 1과 같이 총 4가지 형상으로 제작 하였다. 개발된 4가지의 탄성빔 위에서 이송되어지는 렌즈는 각각 크기와 형상 그리고 무게가 다른 4종류의 비구면 광학 유리렌즈(Aspheric Glass Lens)를 사용하였다.
- 탄성빔은 노드선이 아닌 부분에 초음파 발생장치와 볼트로 체결되어 있다. 초음파 발생장치와 탄성빔은 음향학적 효과가 뛰어난 두랄루민을 사용하여 제작하였다.
성능/효과
- Table 4는 각 탄성빔에서 렌즈가 가장 빠른 이송 속도를 보였을 때의 이송 주파수와 그 속도를 나타내고 있다. A형 의 탄성 빔 에서 렌즈 1, 2, 4는 주파수 26.2KHZ에서 각각 81.6mm/s, 77.5mm/s, 93.6mm/s의 최고 이송속도를 보였고 렌즈 3은 주파수 25.4KHZ에서 83.7mm/s의 최고 이송속도를 보임을 알 수 있었다. B형 탄성빔의 경우 렌즈 1, 2가 각각 41.
- 7mm/s의 최고 이송속도를 보임을 알 수 있었다. B형 탄성빔의 경우 렌즈 1, 2가 각각 41.3mm/s, 31.0mm/s의 이송속도를 보인 주파수 26.1 KHz와 렌즈 3, 4가 91.9mm/s, 93.9mm/s의 최고 이송 속도를 보인 주파수 26.9KHZ가 렌즈를 가장 빠르게 이송시키는 진행주파수임을 확인할 수 있었다. C형 탄성빔에서는 렌즈 1이 주파수 26.
- 9KHZ가 렌즈를 가장 빠르게 이송시키는 진행주파수임을 확인할 수 있었다. C형 탄성빔에서는 렌즈 1이 주파수 26.9KHZ에서 88.0mm/s, 렌즈 2가 주파수 26.0KHZ에서 66.6mm/s, 그리고 렌즈 3, 4가 주파수 26.1KHZ에서 79.4mm/s, 77.5mm/s의 최고 이송속도를 보임을 알 수 있었다. D형 탄성빔에서는 렌즈 1, 2, 4가 주파수 26.
- 6 KHz로 측정되었다. Fig. 5에서 렌즈 3을 제외한 모든 렌즈가 공통적으로 주파수 26.6KHZ에서 전체 탄성 빔을 통과하며 가장 빠른 이송속도를 보임을 확인하였다. 렌즈 3은 주파수 26.
- 개발된 시스템의 이송 메커니즘을 규명하기 위해 레이저 진동측정기를 이용하여 탄성빔의 진동형태를 측정한 결과 각각의 조건들마다 다른 진동특성을 보였다. 렌즈의 이송이 원활한 조건에서 생성된 파형은 긴 파장의 파형이 반복적으로 발생하거나 도중에 상대적으로 짧은 파장의 파형이 발생 함을 보였다.
- 9KHZ를 주었을 때 가장 좋은 이송조건을 보였다. 결국 각각의 렌즈를 이송시키기 위한 가장 좋은 조건을 찾을 수 있었으며 4가지 형태의 탄성 빔에서 실험한 4개의 렌즈가 모두 안정적으로 탄성빔 전체를 통과하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 A형 탄성빔과 D형 탄성빔이 4개의 렌즈가 이송될 때 평균적으로 안정적인 이송과 빠른 이송속도를 보임을 알 수 있었다.
- 결국 각각의 렌즈를 이송시키기 위한 가장 좋은 조건을 찾을 수 있었으며 4가지 형태의 탄성 빔에서 실험한 4개의 렌즈가 모두 안정적으로 탄성빔 전체를 통과하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 A형 탄성빔과 D형 탄성빔이 4개의 렌즈가 이송될 때 평균적으로 안정적인 이송과 빠른 이송속도를 보임을 알 수 있었다.
- 1KHz임을 알 수 있다. 그리고 C형의 탄성빔에서 가장 빠른 이송속도를 보이며 전체 탄성빔 위를 따라 이송을 보인 렌즈 1은 진행주파수 26.9KHZ에서 최고이송속도 88.0mm/s가 측정되었다. 탄성빔 B와 같은 단면 형상을 가지므로 동일 주파수에서 진행주파수가 발생하였지만, 렌즈가 이송되어 지는 탄성빔의 폭이 C형의 탄성빔처럼 좁을 경우 작은 지름과 가벼운 무게를 지닌 렌즈 1의 이송속도가 가장 빠르게 나타났다.
- 렌즈 1, 2에서 지름이 같은 경우 렌즈가 무거울수록 이송속도가 느렸으며, 렌즈 2, 3에서 무게가 유사한 경우 렌즈의 지름이 클수록 이송속도가 빠르게 측정되었다. 또한 렌즈 3과 4를 비교해보면 진행파와 관련하여 렌즈의 무게보다는 빔에서 발생된 파(Wave)를 받는 단면의 크기가 더 큰 요인으로 작용함을 알 수 있다.
- 6mmWs가 측정되었다. 렌즈 1, 2에서 지름이 같은 경우 렌즈가 무거울수록 이송속도가 느렸으며, 렌즈 2, 3에서 무게가 유사한 경우 렌즈의 지름이 클수록 이송속도가 빠르게 측정되었다. 또한 렌즈 3과 4를 비교해보면 진행파와 관련하여 렌즈의 무게보다는 빔에서 발생된 파(Wave)를 받는 단면의 크기가 더 큰 요인으로 작용함을 알 수 있다.
- 1KHZ에서 전체 탄성빔을 따라 이송되는 모습을 보였다. 렌즈 3이 C형의 탄성 빔에서 이송될 때 26.1KHZ와 26.9KHZ 두 곳에서 보인 렌즈의 이송속도가 각각 79.4mm/s와 77.5mm/s로 측정됨으로서 앞 절의 탄성빔에서 측정된 렌즈 3의 이송속도 보다는 떨어지지만 진행주파수대가 비슷한 것을 확인할 수 있다. 결국 C형의 탄성빔에서 렌즈이송을 위한 진행주파수는 렌즈 2는 26.
- 렌즈의 크기가 유사한 경우 무게가 가벼울수록 이송속도가 빠르게 나타났으며, 무게가 유사한 경우 렌즈의 지름이큰 경우 이송속도가 빠르게 나타났다. 렌즈의 크기와 무게가큰 차이를 보일 경우는 렌즈의 무게보다는 빔에서 형성된 이송파를 받는 렌즈의 면적이 큰 경우, 즉 지름이 진행파에더 많은 영향을 주는 인자임을 알 수 있었다.
- 렌즈의 크기가 유사한 경우 무게가 가벼울수록 이송속도가 빠르게 나타났으며, 무게가 유사한 경우 렌즈의 지름이큰 경우 이송속도가 빠르게 나타났다. 렌즈의 크기와 무게가큰 차이를 보일 경우는 렌즈의 무게보다는 빔에서 형성된 이송파를 받는 렌즈의 면적이 큰 경우, 즉 지름이 진행파에더 많은 영향을 주는 인자임을 알 수 있었다.
- 구성된 시스템에서 각기 다른 4종류의 비구면 광학 유리렌즈를 이송하는 실험을 수행하였다. 실험결과 서로 다른 형상의 탄성빔에서 이송하고자 하는 렌즈에 따라 진행주파수가 다름을 알 수 있었다. Table 4는 각 탄성빔에서 렌즈가 가장 빠른 이송 속도를 보였을 때의 이송 주파수와 그 속도를 나타내고 있다.
- 구성된 시스템에서 주파수에 변화를 주어 서로 다른 4가지의 광학 유리 렌즈가 탄성빔을 따라 통과할 때 가장 빠른 속도로 이송하기 위한 진행 주파수를 찾는 실험을 수행하였다. 실험을 통하여 여러 형태의 탄성빔 위에서 각 렌즈가 가장 빠른 속도로 이송될 수 있는 가장 좋은 조건을 찾을수 있었으며 그에 따른 진행파의 형태를 분석할 수 있었다. 진행파는 일정한 규칙적인 형태를 가지며 이와 같은 규칙성이 없는 경우 렌즈가 진행되지 않음을 규명하였다.
- 5mm/s의 최고 이송속도를 보임을 알 수 있었다. 이로써 각기 다른 형태의 렌즈를 이송시키기 위한 가장 좋은 조건의 탄성빔과 그 때의 진행 주파수를 찾을 수 있었다.
- 측정된 세곳의 파형은 각기 다른 크기와 형태로 발생하였으며 진폭이 감소하는 현상이 나타났다. 이를 통하여 일정한 형상의 파형이나 일정 크기 이상인 파형의 진폭은 물체의 이송 속도와 관련이 있었으며, 진폭이 클수록 이송속도가 빨라진다는 것을 알 수 있었다. 실험을 통하여 각 조건들에서 발생되는 빔의 진동형태를 파악할 수 있었고 렌즈를 진행시키기 위한 진행파의 형태를 분석할 수 있었다.
- 4KHZ보다는 작게 나타남을 알 수 있다. 일정한 크기를 가진 파형이 반복적으로 나타났으며 렌즈의 이송은 원활히 이루어졌다. 진폭이 작음에도 불구하고 렌즈의 이송속도가 렌즈 4에서 빠르게 나타난 이유는 탄성빔에서 발생하는 파형을 받을 수 있는 렌즈의 단면이 가장 넓기 때문이라 사료된다.
- 이때 생성되는 파형은 물체를진행시켰던 진행파와는 다른 형태를 띄고 있다. 측정된 세곳의 파형은 각기 다른 크기와 형태로 발생하였으며 진폭이 감소하는 현상이 나타났다. 이를 통하여 일정한 형상의 파형이나 일정 크기 이상인 파형의 진폭은 물체의 이송 속도와 관련이 있었으며, 진폭이 클수록 이송속도가 빨라진다는 것을 알 수 있었다.
- 4KHZ에서 측정된 탄성빔 A의 파형의 모습을 나타낸다. 측정된 파형은 채널 2의 초음파 발생장치와 연결된 부분을 제외한 모든 부분에서 긴 파장의 파형이 일정하게 발생함을 알 수 있었다. 렌즈 1, 2, 4를 이송시키는 주파수 26.
- 측정된 파형의 형상이 불규칙하게 나타나며 진폭은 렌즈가 이송될 때와 달리 작게 나타남을 알 수 있다. 탄성빔 B, C, D의 경우 탄성빔 A와 마찬가지로 렌즈가 잘 이송되어질 때는 파형이 고르고 규칙적인 반면 렌즈가 이송되지 않을 경우는 파형이 불규칙하거나 진폭이 매우 작게 나타남을 알 수 있었다.
- 7(b)에 나타내었다. 함수발생기와 연결된 채널 1방향에서 파형의 크기가 상대적으로 작게 나타났으며 전체적인 파형의 크기 또한 렌즈 3의 진행주파수 25.4KHZ보다는 작게 나타남을 알 수 있다. 일정한 크기를 가진 파형이 반복적으로 나타났으며 렌즈의 이송은 원활히 이루어졌다.
후속연구
- 본 연구를 통해 개발된 초음파를 이용한 광소자 이송시스템은 실제 이송공정에도 적용될 수 있으며 특히 표면손상이 쉬운 광소자와 자기의 영향을 받는 반도체 소자의 이송에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
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