[논문]대면적 FPD 글래스 수직 이송용 클린 비접촉식 컨베이어 구동부 설계 및 해석

심재홍

대면적 FPD 글래스 수직 이송용 클린 비접촉식 컨베이어 구동부 설계 및 해석
Design and Analysis of a Clean Non-contact type Conveyor's Driving Mechanism for Vertical Transfer of FPD Glass 원문보기

반도체및디스플레이장비학회지 = Journal of the semiconductor & display equipment technology, v.8 no.4, 2009년, pp.71 - 76

Abstract ▼ AI-Helper

The clean non-contact type conveyor system for vertical transfer of large size FPD(Flat Panel Display) glasses has been installed at FPD production line just since a few years ago. The most important part of the conveyor is the 3 axis permanent magnet rollers faced orthogonally in pairs. However, the systematic design method about it has not been proposed yet. In this paper, we studied a design analysis for determining geometrical parameters of the magnetic roller by using a commercial FEM tool of the 3D Maxwell. Through a series of simulation, we obtained the relationship of several geometrical parameters affecting the torque of the conveyor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 대면적 FPD 글래스용 3축 동시구동이 가능한 수직이송형 클린 컨베이어를 국산화 개발하기 위해 컨베이어의 핵심부인 영구자석을 이용한 비접촉식 구동부에 대한 설계해석을 수행하고자 한다. 아직까지 비접촉식 구동부에 대한 이론적 설계방법이 제시 되지 않고 있기 때문에 본 연구에서는 유한요소해석 (FEM)을 이용하여 시스템 설계 최적화에 대한 방향을 제시하고자 한다[1-3].
본 논문에서는 대면적 FPD 글래스용 클린 비접촉식 수직반송 시스템 설계 최적화를 위해 상용툴인 Maxwell 3D를 이용하여 핵심부품인 영구자석과 매질로 이루어진 롤러의 형상에 대한 설계해석을 수행하였다. 해석은 생성된 자계(H)에 특정 매질을 삽입하여 자계(H)와 자속 밀도(B)를 증가 시켜 이에 의한 힘와 토오크를 확인하였다.
본 논문에서는 모델링된 두 개의 실린더 롤러를 자화시켜 이 둘 사이에서 발생하는 토오크를 확인 하였다. 3D Maxwell에서는 두 실린더가 실질적으로 돌아가는 동적 시뮬레이션은 지원하지 않으므로 정적 토오크를 확인하였다.
1과 같이 기존의 2개의 롤러로 구성된 수평형 클린 컨베이어에서는 구동축과 종동축의 단순한 구성만으로도 동력전달의 비율에 상관없이 FPD용 대형 글래스를 이송함으로 보편적인 구동 장치의 구성이 가능한 반면, 수직형 경사 컨베이어에서는 동력 발생부에서는 구동축의 방향과 연동, 종동축의 회전 방향이 동일한 방향을 형성하고 구동부를 제외한 연동, 종동축의 동력비가 항상 1:1이 되도록 설계하여 이송제품을 스크래치나 미세한 손상 등이 발생하지 않도록 보호해야 한다. 본 동기형 구동장치의 핵심은 실린더 형상으로 영구자석을 개발하여 동력전달요소로 사용하되 X, Y, Z축이 각각 수직으로 일정하고 정확하게 배열된 상태로 동기 구동을 실현하는 것이다.
본 논문에서는 대면적 FPD 글래스용 3축 동시구동이 가능한 수직이송형 클린 컨베이어를 국산화 개발하기 위해 컨베이어의 핵심부인 영구자석을 이용한 비접촉식 구동부에 대한 설계해석을 수행하고자 한다. 아직까지 비접촉식 구동부에 대한 이론적 설계방법이 제시 되지 않고 있기 때문에 본 연구에서는 유한요소해석 (FEM)을 이용하여 시스템 설계 최적화에 대한 방향을 제시하고자 한다[1-3]. 이를 위해 본문에서는 자화시킨 영구자석 사이에서 작용하는 힘과 토크를 이용하는 운송 장비 시스템의 성능을 판단하기 위하여 설계해석 툴인 3D Maxwell 를 이용, 영구자석으로 이루어진 구동부 형태에 따른 컨베이어의 성능에 대해 고찰하고자 한다.
아직까지 비접촉식 구동부에 대한 이론적 설계방법이 제시 되지 않고 있기 때문에 본 연구에서는 유한요소해석 (FEM)을 이용하여 시스템 설계 최적화에 대한 방향을 제시하고자 한다[1-3]. 이를 위해 본문에서는 자화시킨 영구자석 사이에서 작용하는 힘과 토크를 이용하는 운송 장비 시스템의 성능을 판단하기 위하여 설계해석 툴인 3D Maxwell 를 이용, 영구자석으로 이루어진 구동부 형태에 따른 컨베이어의 성능에 대해 고찰하고자 한다.

제안 방법

2장에서 언급한 자계(H)와 자속 밀도(B)의 관계를 바탕으로 시뮬레이션을 실시하고, 이론과 시뮬레이션 결과를 비교해 보았다. Fig.
Fig. 11과 같이 두 개의 실린더 롤러를 구성하고 있는 영구자석의 두께 값의 변화에 따른 토오크 발생변화를 살펴보았다.
두 영구자석의 주위의 생성된 자기장에 의해 발생하는 힘을 이용하여 비접촉식 컨베이어 장비에 적용하고자 한다. 이에 영구자석에 대한 자화 방향 설정은 필연적이다.
3D Maxwell에서는 두 실린더가 실질적으로 돌아가는 동적 시뮬레이션은 지원하지 않으므로 정적 토오크를 확인하였다. 또한 기본적인 모델링을 바탕으로 해석 조건을 영구자석의 크기, 매질의 크기, 간극에 따른 토오크의 변화를 확인하였다. 먼저 Fig.
이는 각 반지름에 따른 45^o 기울기의 직선은 모두 다르기 때문이다. 또한, 영구자석과 매질의 자화 방향 설정을 보다 용이하게 하기 위해 일체형의 실린더 모양의 영구자석, 매질을 각각 10 조각으로 나누어 자화시켰다. Fig.
또한 기본적인 모델링을 바탕으로 해석 조건을 영구자석의 크기, 매질의 크기, 간극에 따른 토오크의 변화를 확인하였다. 먼저 Fig. 9와 같이 두 개의 실린더 롤러를 구성하고 있는 영구자석간의 간극값의 변화에 따른 토오크 발생변화를 살펴보았다.
본 논문의 핵심이 되는 부분은 영구자석에 의해 생성된 자계(H)가 존재하는 정자계(Static Magnetic Field) 내에 특정 물질을 매질로 삽입함으로 이에 의해 증가하는 자기장의 세기를 확인하고 이를 이용한 실린더 형상의 영구자석 사이에 발생하는 힘과 토크이다. 따라서 자계(H)와 자속 밀도 B의 관계를 알아야 할 필요가 있다.
본 논문에서는 대면적 FPD 글래스용 클린 비접촉식 수직반송 시스템 설계 최적화를 위해 상용툴인 Maxwell 3D를 이용하여 핵심부품인 영구자석과 매질로 이루어진 롤러의 형상에 대한 설계해석을 수행하였다. 해석은 생성된 자계(H)에 특정 매질을 삽입하여 자계(H)와 자속 밀도(B)를 증가 시켜 이에 의한 힘와 토오크를 확인하였다. 또한, 변경 가능한 3가지 조건, 즉, 영구자석의 두께, 매질의 두께, 영구자석 간격에 따른 토오크 변화를 확인하였는데 시뮬레이션 결과 영구자석 간극 증가에 따라서 토오크의 감소 추이와 영구자석 두께 변화에 따라서 토오크의 방향 변화, 그리고 매질의 두께는 토오크 변화에 큰 영향을 미치 못한다는 결과를 도출 할 수 있었다.

대상 데이터

13과 같이 영구자석 내부의 매질 두께값의 변화에 따른 토오크 발생변화를 살펴보았다. 본 시뮬레이션에서는 일반적으로 매질로 많이 사용하고 있는 스틸 (SM45C)을 적용하여 해석하였다.
본 연구에서 사용된 영구자석 롤러의 영구자석과 내부 매질은 실린더 형상으로 일체형 45^o 기울기로 N극과 S극을 자화시켰다. 3D Maxwell 를 활용한 시뮬레이션을 위한 모델링 과정에서 생성하고자 하는 실린더의 반지름(20 mm)에 맞게 45^o 기울기의 직선을 먼저 생성한다.

성능/효과

해석은 생성된 자계(H)에 특정 매질을 삽입하여 자계(H)와 자속 밀도(B)를 증가 시켜 이에 의한 힘와 토오크를 확인하였다. 또한, 변경 가능한 3가지 조건, 즉, 영구자석의 두께, 매질의 두께, 영구자석 간격에 따른 토오크 변화를 확인하였는데 시뮬레이션 결과 영구자석 간극 증가에 따라서 토오크의 감소 추이와 영구자석 두께 변화에 따라서 토오크의 방향 변화, 그리고 매질의 두께는 토오크 변화에 큰 영향을 미치 못한다는 결과를 도출 할 수 있었다.
해석결과 Fig. 12와 같이 영구자석 두께 증가에 따라 발생 토오크가 감소하다 5 mm 이상 증가 하였을 경우 반대 방향으로 토오크가 증가하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

또 다른 문제점으로 본 해석에 적용한 시뮬레이션 소프트웨어의 한계인데, 두 실린더 영구자석 사이에서 발생하는 힘에 따른 동적인 회전 시뮬레이션이 지원 되지 않은 관계로 정적 상태만의 결과를 도출하여 실질적인 시스템의 운동 특성 파악이 난해하다. 따라서 향후 설계해석의 정확도를 높이기 위해서는 매질의 정확한 물성치 확보 및 동적 시뮬레이션 기법의 개발이 선결되어야 할 것으로 보여진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FPD의 품질향상과 생산성, 수율 향상을 위해서는 무엇이 중요한가?	최근 FPD(Flat Panel Display)에 있어 화면의 크기가 급속하게 대형화하고 있으며, 품질향상과 생산성, 수율 향상을 위해서는 생산환경과 설비의 청정화가 매우 중요한 문제이기 때문에 컨베이어 등의 반송설비를 고청정화, 컴팩트화하는 것이 매우 중요하다. 이는 클린 룸 내의 생산 설비와 반송 장치가 차지하는 공장 면적이 과다하여, 공장의 증설과 확장으로 운용비용과 유지비용이 상승하여 제품 생산 원가의 상승에 주원인이 되고 있어서, 차세대 공정 설비는 소형화와 집적형 구조로 전향되는 추세에 있다.
	영구자석의 특성은?	비접촉 영구자석형 클린 컨베이어는 Fig. 1과 같이 구동축과 종동축의 동력전달에 특수구조의 극성으로 자화된 영구자석을 사용하며, 영구자석의 특성인 극성간 흡인, 반발하는 원리를 이용하여 직접 접촉하지 않은 공간상태에서 동력을 전달하는 방식이다. 동력 전달을 위한 마찰이 없기 때문에 분진발생을 최소화 할 수 있으나 충분한 전달 토오크를 얻기 위해서는 자석의 특성이 매우 중요하다.
	수직 이송형 컨베이어 장비 분야에서 장비의 보안이 철저하게 유지되기 때문에 동일 성능을 낼 수 있는 대체품의 국산화 개발만이 시장 독점 양상을 해결할 수 있을 것으로 예상되는 이유는?	이러한 추세에 맞추어 일본의 IHI, JTE사 등 2~3군데 기업에서 개발하여 공급 중에 있는 수직 이송형 컨베이어 장비는 국내 디스플레이 제조장비 시장을 독점하고 있으며, 장비의 구입비용이 매우 고가이며, 장비의 구입이 디스플레이 제조회사만이 가능하기 때문에 장비 내부의 메커니즘과 구동 방식에 대한 정보 입수가 매우 힘들다. 따라서, 장비의 보안이 철저하게 유지되기 때문에 동일 성능을 낼 수 있는 대체품의 국산화 개발만이 시장 독점 양상을 해결할 수 있을 것으로 예상된다.

참고문헌 (5)

최승덕, 박언병, 양충진, “미소 퍼미언스해석법을 사용한 코일운반용 권상기 설계,” RST 연구논문, 제13권, 제3호, pp. 320-325, 1999.
김덕구, 조금배, ”플라이휠 시스템의 최적화를 위한 마그넷 베어링의 시뮬레이션,” J. of Advanced Engineering and Technology, Vol. 2, No. 3, pp. 159-163, 2009.
배준호, 김문생, 황범철, 김철, “영구자석을 이용한 복수기 집수정 내부 자성이물질 제거장치 개발,” 대한기계학회논문집 A권, 제33권, 제9호, pp.938-948, 2009.

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John R. Reitz, Frederick J. Miford and Robert W.
S. V. Marshall and G. G. Skitek, “Electromagnetic

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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