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문제 정의
- 마그네틱베어링 또한 진공에서 사용할 수 있는 하나의 후보이긴 하지만 회전정밀도를 포함한 모든 성능이 센서의 피드백에 의한 제어성능에 달려있으며 전자기장 차폐 문제와 열발생의 가능성이 있으므로, 이와 같은 문제가 발생하지 않고 기계적인 정밀도를 보장해 주는 공기베어링을 사용하게 되었다. 공기베어링을 사용할 때 가장 문제가 되는 공기의 누출에 의한 챔버 진공도 저하 문제는 차동배기를 도입하여 해결하고자 하였다. 이는 공기베어링 주위에 라비린스 시일 (labyrinth seal)을 설치하고 각 시일 사이의 배기홈마다 진공펌프로 배기하여 압력을 순차적으로 낮추는 방식이다.
- 본 논문에서는 전자빔을 이용한 Blu-ray 마스터링 장비와 같이 10-3Pa 이상의 고진공 환경에서 사용할 수 있는 회전테이블을 설계하였다. 회전 테이블은 공기 베어 링을 사용하였으며, 차동배기 시스템을 최적설계하여 공기베어링으로부터의 누줄량을최소로 하고 고진공이 유지되도록 하였다.
- 배관의 컨덕턴스를 고려하여 최적의 배기속도와 펌프의 종류를 결정해야만 한다. 이런 관점에서 최적설계가 수행되었으며, 이에 대한 자세한 방법은 저자의 논문 材 에서이미 소개되었으므로 여기서는 설계결과만을 제시하였다.
제안 방법
- 7xl(p4pa 에서 공기베어링 작동 직후 Slxioba 로거의 압력증가를 보이지 않고 있다. 1시간 후 3차 배기 라인에 연결된 터보분자펌프(TMP)가 작동하기에 충분한 압력임을 확인하고 터보분자펌프를 가동시켰다. 시간이 지남에 따라 챔버압력은 계속 낮아져 공기베어링을 작동시킨지 5 시간 후에는 4.
- 3xl(y5pa 로 전자빔을 사용하기에 충분한 압력이며, 시일길이 및 배관직경도 제한 조건인 67mm 내에서 배분된 것을 알 수 있다. 2 차와 3 차 배기에 사용된 진공펌프의 종류는 펌프 입구부 압력(4)을 예측하여 1.5Pa 이상이면 로터리펌프(RP) 를, 이하이면 터보분자펌프 (TMP) 를사용하도록 하였다. 1차 배기라인의 직경(4, )은 이 최적화에서는 제한조건에 들어가지 않으므로 큰 의미는 없으나, 19.
- 9 는 공기베어링 작동 전후의 챔버 진공도의 변화를 살펴본 것이다. 공기베 어링을 가동하지 않은 상태로 진공챔버를 29 시간동안 배기한 후, 공기베어 링을 가동하기 위한 사전준비로써 2, 3 차진 공 펌프 (RP) 를 1 시간동안 작동시켰다. 이후 0.
- 공기베어링이 작동한 후 궁극적으로 달성 가능한 챔버의 진공도를 이론적으로 평가하기 위해 차 동배기 스템의 시 일간극을 측정하였다. 시 일간극은 Fig.
- 6 과 같이 배관 끝단에 피드쓰루우(fbedthrough) 및 밸브를 설치하여 1차 배기통로를 대기와 차단할 수 있도록 하였다. 따라서 진공챔버를 충분히 고진공으로 배기시킨 후, 공기베어링을 사용할 경우에만 1차 배기 통로를 대기에 노출시켜 배기시간을 단축시킬수 있도록 하였다. Fig.
- 진공챔버는 고진공 환경을 위해 터보분자펌프로 배기하고, 터보분자펌프의 고속회전에 의한 진동을 줄이기 위해 챔버에 직결하지 않고 벨로즈를 이용한 완충영역을 설정하였다. 또한 진공챔버는 방진테이블 위에 설치하여 외부진동을 차단하였다.
- 마그네틱베어링 또한 진공에서 사용할 수 있는 하나의 후보이긴 하지만 회전정밀도를 포함한 모든 성능이 센서의 피드백에 의한 제어성능에 달려있으며 전자기장 차폐 문제와 열발생의 가능성이 있으므로, 이와 같은 문제가 발생하지 않고 기계적인 정밀도를 보장해 주는 공기베어링을 사용하게 되었다. 공기베어링을 사용할 때 가장 문제가 되는 공기의 누출에 의한 챔버 진공도 저하 문제는 차동배기를 도입하여 해결하고자 하였다.
- 스템의 시 일간극을 측정하였다. 시 일간극은 Fig. 11에서 보는 바와 같이 회전축의 외경을 마이크로미터로 측정하고, 진공시일 부분의 내경을 이미 측정된 회전축 외경에 대해 실린더 게이지를 이용하여 상대적으로 측정하는 방법을 이용하였다. 이렇게 측정된 값은 초기 설계간극인 10μm 에 비해 다소 커진 17μm 로 나타났다.
- 전자빔 마스터링에 필요한 회전테이블은 미세한 패턴 형성을 위해 매우 높은 수준의 회전정밀도(랜덤 오차 기준 수 nm-rms)와 속도 안정성(표준편차 기준 ~10-5%)을 요구하므로 1 다공질 공기베어링을 이용하여 비접촉으로 구동하는 방식을 채택하였다. 마그네틱베어링 또한 진공에서 사용할 수 있는 하나의 후보이긴 하지만 회전정밀도를 포함한 모든 성능이 센서의 피드백에 의한 제어성능에 달려있으며 전자기장 차폐 문제와 열발생의 가능성이 있으므로, 이와 같은 문제가 발생하지 않고 기계적인 정밀도를 보장해 주는 공기베어링을 사용하게 되었다.
- 전자빔을 이용한 Blu-ray 디스크 마스터링 장비와 같이 고진공 환경에서 사용할 수 있는 회전 테이블을 설계하여 평가하였다. 회전테이블은 회전정밀도 및 속도안정성을 위해 공기베어링을 적용하였으며, 진공챔버로의 누출량을 최소로 하여 고진공 환경이 유지될 수 있도록 차 동 배기 시스템을 도입하고 이를 최적화하였다.
- 회전 테이블은 공기 베어 링을 사용하였으며, 차동배기 시스템을 최적설계하여 공기베어링으로부터의 누줄량을최소로 하고 고진공이 유지되도록 하였다. 제작된 회전 테이블의 전자빔 마스터링 장비에의 사용 가능성을 진공특성 측면에서 평가하였다.
- 진공챔버는 추후 Blu-ray 디스크 마스터링 장비에 활용할 수 있도록 설계되었으며, 우선 회전테이블만을 설치하여 그 성능을 평가하였다. 진공챔버는 고진공 환경을 위해 터보분자펌프로 배기하고, 터보분자펌프의 고속회전에 의한 진동을 줄이기 위해 챔버에 직결하지 않고 벨로즈를 이용한 완충영역을 설정하였다. 또한 진공챔버는 방진테이블 위에 설치하여 외부진동을 차단하였다.
- 5 와 같다. 진공챔버는 추후 Blu-ray 디스크 마스터링 장비에 활용할 수 있도록 설계되었으며, 우선 회전테이블만을 설치하여 그 성능을 평가하였다. 진공챔버는 고진공 환경을 위해 터보분자펌프로 배기하고, 터보분자펌프의 고속회전에 의한 진동을 줄이기 위해 챔버에 직결하지 않고 벨로즈를 이용한 완충영역을 설정하였다.
- 회전 테이블은 공기 베어 링을 사용하였으며, 차동배기 시스템을 최적설계하여 공기베어링으로부터의 누줄량을최소로 하고 고진공이 유지되도록 하였다. 제작된 회전 테이블의 전자빔 마스터링 장비에의 사용 가능성을 진공특성 측면에서 평가하였다.
- 회전테이블은 표면 강도를 향상시키기 위해 알루미늄 7075 를 아노다이징처리하여 제작하였다. 회전테이블은 Aerotech 사의 슬롯 리스 다이렉트 드라이브 (S130-39) 모터를 선정하여 코깅에 의해 발생하는 회전정밀도 저하 현상과 속도변동을 최대한 억제할 수 있도록 하였다. 또한 Delta Tau 사의 Turbo PMAC2 보드와 Sony 사의 각도엔코더 (BH-20), Varedan 사의 LA400 리니어 앰프를 사용하였다.
- 설계하여 평가하였다. 회전테이블은 회전정밀도 및 속도안정성을 위해 공기베어링을 적용하였으며, 진공챔버로의 누출량을 최소로 하여 고진공 환경이 유지될 수 있도록 차 동 배기 시스템을 도입하고 이를 최적화하였다. 진공챔버 내에서의 실험 결과, 공기베어링이 작동한 후 챔버의 진공도는 10』Pa 대로, 전자빔 마스터링 공정에 충분히 사용할 수 있음을 확인하였다.
- 직선테이블은 기본적으로 직선베어 링과 리니어모터 및 고분해능의 리니어스케일에 의해 피드백되며, 스케일과 시편 가공면의 높이 차이에서 오는 아베오차를 제거하기 위해 시편과 동일한 높이에서 레이저 피드백을 받을 수 있도록 하였다. 회전테이블의 틸트 오차 등에서 기인한 전자빔의 포커스 오차는 별도의 높이센서(height sensor)를 설치하여 보상이 가능하도록 하였다. 전자빔 경통은 고에너지 전자빔이 마그네틱 렌즈에 의해 편향되어 시편에 도달하며, 경통 하단부의빔블랭커(beam blanker)# 통해 고속으로 전자빔을 차단하여 임의의 패턴을 가공할 수 있다.
대상 데이터
- 회전테이블은 Aerotech 사의 슬롯 리스 다이렉트 드라이브 (S130-39) 모터를 선정하여 코깅에 의해 발생하는 회전정밀도 저하 현상과 속도변동을 최대한 억제할 수 있도록 하였다. 또한 Delta Tau 사의 Turbo PMAC2 보드와 Sony 사의 각도엔코더 (BH-20), Varedan 사의 LA400 리니어 앰프를 사용하였다. lOOOrpm 이상의 고속구동을 위하여 제어기는 엔코더 신호를 사인파로 입력받아 내부에서 체배를 수행하며, 현재 최고분해능은 0.
- 조건과 다른 것이 몇 개 있다. 배관은 실제 시스템을 구축하면서 배기성능을 최대한 달성하기 위해, 회전테이블 외부에서는 가능한 한 큰 직경을 가진 배관을 사용하였다. 물론 최적설계를 통해 결정된 배관직경은 회전테이블 내부의 진공 시 일부에서는 그대로 사용되었다.
- 4 에서 보여주고 있다. 회전테이블은 표면 강도를 향상시키기 위해 알루미늄 7075 를 아노다이징처리하여 제작하였다. 회전테이블은 Aerotech 사의 슬롯 리스 다이렉트 드라이브 (S130-39) 모터를 선정하여 코깅에 의해 발생하는 회전정밀도 저하 현상과 속도변동을 최대한 억제할 수 있도록 하였다.
성능/효과
- 10 은 2 차와 3 차 배기라인의 중간 위치에서의 압력을 측정한 것으로, 공기베어링 작동 전후의 압력 변화를 명 확히 알 수 있다. 특히 공기베어링 작동 후 2 차, 3 차 그리고 챔버의 압력(32 시간 기준)은 각각 325, 6.7x10-2, 4.8xl0"Pa 로 차 동배기가 잘 이루어짐을 확인할 수 있다.
- m% 로 측정되어, 현재 시스템에서 진공도를 지배하는 것은 챔버 내부에서의 기체방출량임을 알 수 있다. 따라서 이보다 고진공 환경이 필요하다면, 공기베어링의 재설계를 통한 누출량 감소보다는 챔버 내부에서의 기체 방출량을 줄이는 것이 훨씬 효과적이며, 이 같은 기체 방출량이 전혀 없다면 챔버 진공도는 궁극적으로 3.7xio-6Pa 를 달성할 수 있는 것으로 예측되었다.
- 1시간 후 3차 배기 라인에 연결된 터보분자펌프(TMP)가 작동하기에 충분한 압력임을 확인하고 터보분자펌프를 가동시켰다. 시간이 지남에 따라 챔버압력은 계속 낮아져 공기베어링을 작동시킨지 5 시간 후에는 4.3xlO-4Pa 의 진공도를 달성하여 전자빔을 사용하기에 충분히 낮은 압력임을 확인하였다. 또한 공기베어링 을 작동시 킨 후에도 이 전과 다름없이 시간에 따라 압력이 낮아지는 기울기는 변하지 않고 있는데, 이것은 공기베어링에서 누출되는 유량이 104Pa 대의 진공도에는 전혀 문제가 되지 않음을 의미하는 것이다.
- 회전테이블은 회전정밀도 및 속도안정성을 위해 공기베어링을 적용하였으며, 진공챔버로의 누출량을 최소로 하여 고진공 환경이 유지될 수 있도록 차 동 배기 시스템을 도입하고 이를 최적화하였다. 진공챔버 내에서의 실험 결과, 공기베어링이 작동한 후 챔버의 진공도는 10』Pa 대로, 전자빔 마스터링 공정에 충분히 사용할 수 있음을 확인하였다. 향후 회전 테이블의 정밀도 및 구동특성, 직선테이블과의 동기제어 특성을 평가하고, 마스터링 장비를 구축하여 미세패턴을 가공할 예정이다.
- 값을 보여주고 있다. 최적화를 통해 결정된 챔버의 압력은 2.3xl(y5pa 로 전자빔을 사용하기에 충분한 압력이며, 시일길이 및 배관직경도 제한 조건인 67mm 내에서 배분된 것을 알 수 있다. 2 차와 3 차 배기에 사용된 진공펌프의 종류는 펌프 입구부 압력(4)을 예측하여 1.
- 12는 측정된 시일 간극과 Table 3의 값을 이용하여 챔버의 진공도를 이론적으로 예측한 결과로, 공기베어링 으로 들어 가는 유량(0>)은 유량계로 직접 측정한 값을 이용하였다. 해석결과, 매우 오랜 시간 배기를 한다면 챔버는 궁극적으로 5.3xi0'5Pa 의 진공도를 달성할 수 있으며, 공기베어링 으로터 챔 버 내부로 누출되는 양(0eak)은 7.7x10'7Pa-m3/s 인데 반해, 3.2 장에서 챔버 내부에서의 기체방출량은 l.blKpa.m% 로 측정되어, 현재 시스템에서 진공도를 지배하는 것은 챔버 내부에서의 기체방출량임을 알 수 있다. 따라서 이보다 고진공 환경이 필요하다면, 공기베어링의 재설계를 통한 누출량 감소보다는 챔버 내부에서의 기체 방출량을 줄이는 것이 훨씬 효과적이며, 이 같은 기체 방출량이 전혀 없다면 챔버 진공도는 궁극적으로 3.
후속연구
- 진공챔버 내에서의 실험 결과, 공기베어링이 작동한 후 챔버의 진공도는 10』Pa 대로, 전자빔 마스터링 공정에 충분히 사용할 수 있음을 확인하였다. 향후 회전 테이블의 정밀도 및 구동특성, 직선테이블과의 동기제어 특성을 평가하고, 마스터링 장비를 구축하여 미세패턴을 가공할 예정이다.
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