[논문]고진공 환경용 공기베어링이 적용된 직선, 회전스테이지의 구동에 의한 압력증가 특성분석

김경호; 박천홍

고진공 환경용 공기베어링이 적용된 직선, 회전스테이지의 구동에 의한 압력증가 특성분석
Analysis on the Pressure Rise Characteristics Caused by Movement of Linear and Rotary Stages using Air Bearings in High Vacuum Environment 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.26 no.8 = no.221, 2009년, pp.112 - 118

김경호 (한국기계연구원 지능형생산시스템연구본부) , 박천홍 (한국기계연구원 지능형생산시스템연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

A pressure rise is generated while air bearing stages are moving in high vacuum environment. This study analyzed this pressure rise phenomenon theoretically and verified it experimentally using two different kinds of stages - linear and rotary air bearing stages. Results indicate that the pressure rise was caused by additional leakage resulting from stage velocity, along with adsorption and outgassing of gas molecules from the guide rail surface. Though tilting of the stage due to acceleration and deceleration reached several micrometers, it had a negligible effect on pressure rise because the tilting time was very short. Therefore, a rotary air bearing stage showed much less pressure rise than a linear stage because the rotary stage theoretically has nothing to do with the above causes. Additional leakage caused by stage velocity was inevitable if the stage had movements, but pressure rise caused by adsorption and outgassing could be suppressed by improving the surface quality to reduce real surface area, and by coating the guide rail surface with titanium nitride (TiN) which has less adhesion probability of gas molecules. The results also indicate that the pressure rise increased when the air bearing stage operated under high vacuum conditions.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 이러한 현상이 발생하지 않을 것으로 예상되는 회전 스테이지에 대한 실험을 추가로 수행하면 압력증가 현상에 대한 보다 명확한 검증을 할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 논문에서는 이전 직선 스테이지를 통해 얻은 압력증가 현상에 대한 결과를 정리하고, 회전스테이지에 대한 압력증가 실험을 추가로 수행하여 비교 분석 함으로써 , 진공환경 에서 공기베어링이 구동할 때 발생하는 압력증가현상에 대한원인을 보다 확실히 하고자 하였다.

가설 설정

둘째, 베어링의 구동에 의한 동압효과로 압력이 증가하는 것이다. 베어링 내부에서 상대적으로 고압 상태에 있던 공기가 베어링 구동시 공기 점성에 의해 이끌려 나와 추가로 유량이 증가하게 된다.

제안 방법

공기베어링 은총 3 단계의 차동배기를 이용하여 진공도를 유지하였으며, 1차 배기는 외부대기로의 자연배기, 2, 3 차는 진공펌프를 이용한 강제배기로 구성하였다.8 공기베어링 스테이지의 구동을 위하여 스테이지 하단부에 리니어모터 및 스케일을 설치하고, PMAC 제어기를 이용하여 구동하였다.
공기베어링 으로부터 의 누출량은 Knudsen number 에 의해 결정되는 유동상태에 따라 베어링 간극의 제곱이나 세제곱에 비례하여 커지기 때문에 약간의 간극 증가도 누출량에 크게 영향을 주게 된다.9,10 이를 이론적으로 분석하기 위하여 스테이지의 한쪽 끝에서 발생하는 틸트량(6)에 따른챔버의 압력증가를 이론적으로 계산하였다. Fig.
측정하였다. 가감속도는 0.1g(=0.98m/s2), 0.5g, lg 로 변화시켰으며, 이때 발생하는 틸트량은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 정전용량형 센서 (ADE 2805)를 이용하여 이송테이블에 대한 가이드 레일의 상대적 인 변위량으로써 측정하였다. Fig.
공기베어링은 다공질 재료를 이용하여 수직, 수평방향에서 각각 양면패드 방식으로 지지되고있으며, 사용된 재료는 알루미늄 7075 로 표면 경도 향상을 위해 아노다이징처 리하였다. 공기베어링 은총 3 단계의 차동배기를 이용하여 진공도를 유지하였으며, 1차 배기는 외부대기로의 자연배기, 2, 3 차는 진공펌프를 이용한 강제배기로 구성하였다.8 공기베어링 스테이지의 구동을 위하여 스테이지 하단부에 리니어모터 및 스케일을 설치하고, PMAC 제어기를 이용하여 구동하였다.
6 이에 대한 이론적인 해석은 여러가지 난해한 점들이 많아 실험을 통해서만 분석하였다. 실험적 분석을 위하여 기체흡착력이 서로 다른 재질로 구성된 레일을 준비하여 레일의 재질에 따른 압력 증가 현상을 살펴 보았다. 준비 한 레 일 중 하나는 가장 일반적인 재료중 하나인 SM45C 로 된 레일이며, 다른 하나는 기체흡착에 대해서 불활성이라고 알려진 질화티타늄(TiN)'"1 을 STD-11 레일에 증착시킨 레일이다.
실험적으로 이를 확인하기 위해서, 스테이지의 구동 시 가감속도를 변화시켜가며 이에 따른 압력변화를 측정하였다. 가감속도는 0.
2는 직선스테이지의 속도를 100mm/s 에서 300mm/s 로 증가시 발생하는 압력증가를 측정한 결과이다. 압력은 진공챔버에 설치된 풀레인지 진공게 이 지 (PFEIFFER Vacuum, TPG 261, atm. ~ 5X 10-7 Pa)에 A/D 보드(Wavebook516)를 연결하여 100 Hz 의 샘플링 속도로 측정하였다.
실험은 두 레일의 재질을 제외한 나머지 조건은 최대한 비슷한 상태가 되도록 한 후 수행하였다. 이때 진공도에 가장 큰 영향을 미치는 베어링의 간극을 동일하게 유지하기 위해두 레일의 정밀도를 최대한 맞추어 가공하고 조립하였다.
진공환경에서 공기베어링 구동시 발생하는 압력증가 현상을 분석하고 실험을 통해 검증하였다. 압력증가현상은 이송속도에 따른 동압효과 및 가이드 레일의 표면에서 발생하는 기체방출에 의한 영향이 복합적으로 작용한 결과이며, 따라서 회전 스테이지보다는 직선스테이지에서의 압력증가 현상이 훨씬 크게 나타나고 있다.

대상 데이터

실험적 분석을 위하여 기체흡착력이 서로 다른 재질로 구성된 레일을 준비하여 레일의 재질에 따른 압력 증가 현상을 살펴 보았다. 준비 한 레 일 중 하나는 가장 일반적인 재료중 하나인 SM45C 로 된 레일이며, 다른 하나는 기체흡착에 대해서 불활성이라고 알려진 질화티타늄(TiN)'"1 을 STD-11 레일에 증착시킨 레일이다. STD-11 재료를 사용한 이유는 질화 티타늄 증착시 고온에 의해 뒤틀리는 것을 방지하기 위해서이다.
10 은 레일의 표면거칠기 측정사진을 보여주고 있다. Mitutoyo 사의 휴대용 표면거칠기 측정기(SJ-201)를 사용하여 레일 표면 10 곳을 임의로 선정하여 측정하고 이를 평균화하여 Table 1에 나타내었다. 질화 티타늄 코팅레 일의 Ra(Arithmetic mean deviation) 는 0.
직선스테이지와 마찬가지로 다공질 공기베어링 및 아노다이징 표면처리한 알루미늄 7075 을 이용하였으며, 총 3 단계의 차동배기로 구성하였다. 구동을 위하여 다이렉트 드라이브 모터와 각도엔코더, PMAC 제어기를 사용하였다. 이 회전 스테이지는 Blu-ray 디스크 마스터링 장비에 사용할 목적으로 설계/제작되었으며, 이에 대한 보다 자세한 내용은 참고문헌11에 나타나 있다.
12는 실험에 사용한 회전스테이지를 보여주고 있다. 직선스테이지와 마찬가지로 다공질 공기베어링 및 아노다이징 표면처리한 알루미늄 7075 을 이용하였으며, 총 3 단계의 차동배기로 구성하였다. 구동을 위하여 다이렉트 드라이브 모터와 각도엔코더, PMAC 제어기를 사용하였다.

성능/효과

가감속도가 증가하더라도 압력증가는 거의 발생하지 않고 있는 것을 알 수 있다. Fig. 4 의 결과에 따르면 가감속도가 증가할수록 스테이지의틸트량이 크게 발생하므로 공기누출량 증가에 따른 압력증가도 크게 나타나야 하지만, 실험결과틸트량에 의한 압력증가는 거의 무시할만한 수준으로 나타났다. 이는 가감속도에 의해 스테이지의틸트량이 증가하기는 하지만 그 시간이 매우 짧기 때문에 공기의 누출량 증가에 의한 압력증가로까지는 연결되지 않은 것으로 판단된다.
셋째, 베어링이 정지시에 베어링과 마주 보고 있는 가이드 레일 표면에 흡착되어 있던 공기 분자들이 베어링이 구동하면서 갑작기 고진공 환경에 노출되어 방출됨으로써 챔버의 압력이 증가하는 것이다.6 이에 대한 이론적인 해석은 여러가지 난해한 점들이 많아 실험을 통해서만 분석하였다.
11은 기저압력(Po)에 따른 압력 증가 현상을 실험한 결과로써, 기저압력을 변화시키기 위하여 베어링 간극 및 배관 사이즈를 변화시켰다. 실험 결과, 기저압력이 낮아질수록 베어링 구동에 따른 압력증가가 크게 나타나고 있으며, 이는 고진공환경으로 갈수록 베어링 구동에 따른 압력증가 현상이 큰 문제로 작용할 수 있다는 것을 의미한다.
Mitutoyo 사의 휴대용 표면거칠기 측정기(SJ-201)를 사용하여 레일 표면 10 곳을 임의로 선정하여 측정하고 이를 평균화하여 Table 1에 나타내었다. 질화 티타늄 코팅레 일의 Ra(Arithmetic mean deviation) 는 0.39|im, SM45C 는 0.13㎛ 로, 질화티타늄을 코팅한 레일의 표면거칠기가 3 배나 크게 나타났다. 즉, 질화티타늄을 코팅한 레일이 표면에서의 기체 방출률은 작지만 증착시의 불균일성 등에 의해 실 표면적이 커져 기대만큼의 압력증가 억제 효과를 볼 수 없었던 것이다.
8 은 베어링 이송속도에 의한 압력증가를 계산한 결과로, 속도가 증가할수록 압력도 증가하는 것을 볼 수 있다. 한 예로, 베어링 간극이 5p.ni 인 경우 300mm/s 의 속도하에서 대략 4% 이상의 압력증가를 보이고 있으며, Fig. 2 에서 보여주는 실험 결과 또한 속도가 증가할수록 압력도 증가하는 것을 확인하였다.

후속연구

7 이에 따르면 직선스테이지와 같이 가이드 레일이 노출되는 스테이지는 구동 중 불가피하게 압력증가 현상이 발생하게 된다. 따라서 이러한 현상이 발생하지 않을 것으로 예상되는 회전 스테이지에 대한 실험을 추가로 수행하면 압력증가 현상에 대한 보다 명확한 검증을 할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 논문에서는 이전 직선 스테이지를 통해 얻은 압력증가 현상에 대한 결과를 정리하고, 회전스테이지에 대한 압력증가 실험을 추가로 수행하여 비교 분석 함으로써 , 진공환경 에서 공기베어링이 구동할 때 발생하는 압력증가현상에 대한원인을 보다 확실히 하고자 하였다.
만약 공기 베어링이 적용된 회전 스테이지가 사용된다면, 회전 스테이지는 로터와 스테이터가 서로 마주보고 회전하는 형태이므로 이송에 따른 동압효과와 가이드 레일 표면에서의 기체방출에 의한 압력증가 현상이 거의 발생하지 않을 것으로 생각된다. 따라서 회전 스테이지에 대해서 위와 같은 실험을 수행하여 그 결과를 분석해 보면 압력증가에 대한 원인을 보다 명확히 할 수 있을 것이다.

참고문헌 (11)

Kojima, Y., Kitahara, H., Kasono, O., Katsumura, M. and Wada, Y., "High Density Mastering Using Electron Beam," Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 37, No. 4B, pp. 2137-2143, 1998

상세보기
Furuki, M., Takeda, M., Yamamoto, M., Aki, Y., Kawase, H., Koisumi, M., Takashima, S., Miyokawa, T. and Date, N., "Electron Beam Recording with a Novel Differential Pumping Head Realizing More than 50 GB/Layer Capacity Disc," Jpn. J. Appl. Phys. Part 1, Vol. 42, No. 2B, pp. 759-763, 2003

상세보기
Kitahara, H., Ozawa, Y., Asai, M., Nishida, T. and Wada, Y., "Electron Beam Recorder with Nanometer-Scale Accuracy for 100Gbit/in2 Density Mastering," Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 43, No. 7B, pp. 5068-5073, 2004

상세보기
Miura, T., Sato, T., Miyazaki, M., Hada, K., Sato, Y. and Tokunaga, M., "Nikon EPL Tool Development Summary," Proc. SPIE, Vol. 4688, pp. 527-534, 2002
Ohtsuka, M., Furukawa, M. and Higomura, M., "The Vertical Traverse Stage in Vacuum Condition," JSME Int. J. Series III, Vol. 33, No. 1, pp. 61-64, 1990
Shinohara, S., Tsuda, T. and Hayashida, T., "Hydrostatic Gas Bearing, Hydrostatic Gas Bearing Device for use in Vacuum Environment, and Gas Recovering Method for the Hydrostatic Gas Bearing Device," US Patent, No. US 2003/0002756, 2003
Khim, G., Park, C.-H., Lee, H. and Kim, S.-W., "Analysis of Additional Leakage Resulting from the Feeding Motion of a Vacuum-Compatible Air Bearing Stage," Vacuum, Vol. 81, No. 4, pp. 466-474, 2006

상세보기
Khim, G., Park, C.-H., Lee, H. and Kim, S.-W., "Performance Analysis of a Vacuum-Compatible Air Bearing," Journal of the KSPE, Vol. 23, No. 10, pp. 103-112, 2006
Bae, S. H., In, S. R., Jung, K. H., Lee, Y. B. and Shin, Y. H., "Vacuum Engineering," The Korea Economic Daily Business Publication, pp. 61-116, 2000
Roth, A., "Vacuum Technology," North-holland, pp. 62-88, 1990
Khim, G., Song, C.-K. and Park, C.-H., "Design and Evaluation of a Rotation Table using Air Bearings for Electron Beam Mastering," Journal of the KSPE, Vol. 25, No. 12, pp. 132-138, 2008

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증