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문제 정의
- 이러한 방법들은 시스템에 입력되는 신호와 출력되는 신호를 가지고, 모델의 매개변수를 식별하거나 여러가지 규칙을 학습시키는 형태로 수행된다. 본 연구의 스핀 코터에서는 출력 신호만이 사용 가능하므로 출력 신호만을 사용하는 진단 방법을 개발하였다. 본 연구에서 단축 시스템인 CD 롬 드라이브에 대해 불평형 질량을 적용해 보니 Fig.
- 변화가 생긴다는 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 이러한 점을 이용하여 주파수 스펙트럼의 변화를 판별하는 알고리듬을 개발하였다.
- 본 과제를 통해 개발된 스핀코터 이상진단 시스템은 이상의 조짐을 감지하여 이상이 발생되기전 사전에 조치를 취하는 것을 목적으로 개발되었다.
- 본 연구에서는 스핀 코터의 진동패턴의 변화를 통해 스핀 코터의 이상을 미리 감지하여 스핀 코 터의 성능저하로 인한 수율 저하를 미리 막는 것을 목적으로 하였다.
제안 방법
- 수 없었다. 따라서, 스핀 코터에서 발생되는진동을 가속도 센서로 측정한 값만으로 이상을 진단할 수 있는 시스템을 설계하는 것을 시도하였다. 회전기계의 이상진단에는 주파수 영역 분석이 많이 사용되고 있기 때문에, 본 연구에서도 단시간 푸리에 변환을 이용한 방법을 선택하였다.
- 따라서, 스핀 코터에서 발생되는진동을 가속도 센서로 측정한 값만으로 이상을 진단할 수 있는 시스템을 설계하는 것을 시도하였다. 회전기계의 이상진단에는 주파수 영역 분석이 많이 사용되고 있기 때문에, 본 연구에서도 단시간 푸리에 변환을 이용한 방법을 선택하였다. 또한, 이상을 검출하는 알고리듬에 있어서, 정상적인 상태의 진동패턴을 측정하고 분석하여 그것을 기준값으로 설정한 후 여러가지 평가척도를 고안하여 이상의 징후를 찾도록 하였다.
- 회전기계의 이상진단에는 주파수 영역 분석이 많이 사용되고 있기 때문에, 본 연구에서도 단시간 푸리에 변환을 이용한 방법을 선택하였다. 또한, 이상을 검출하는 알고리듬에 있어서, 정상적인 상태의 진동패턴을 측정하고 분석하여 그것을 기준값으로 설정한 후 여러가지 평가척도를 고안하여 이상의 징후를 찾도록 하였다.
- 따라서, 출력신호만을 가지고 이상진단을 수행하도록 시도하였으며 모터의 전원신호는 이상진단 프로그램의 한 주기가 시작되고 끝나는 신호로 사용하였다. 이상이 있는 회전기계의 스펙트럼은 정상적인 기계의 스펙트럼과 차이가 있다는 점을 이용하여, 대상이 되는 기계의 스펙트럼을 이미 저장된 정상적인 상태의 스펙트럼과 비교함으로 이상의 여부를 판별하도록 하였다. 이와 같은 방법을 전술한 모델 기초 방법이나 지식 기초 방법과 비교할 때, 이상의 원인까지 분석하는 능력은 부족하지만 모델링이나 규칙의 학습 없이 짧은 시간 안에 이상 진단을 위한 준비를 마칠 수 있다는 큰 장점이 있다.
- 스핀 코 터 이상진단 시스템은 실시간으로 이상을 진단하여 즉각적인 대응이 가능하도록 하는데 목표를 두었으므로, 데이터를 획득과 이상진단 알고리듬이 동시에 수행되도록 하였다. 이를 위해서는 데이터 획득과 분석의 역할 분담이 프로그램 내에서 효과적으로 이루어져야 했으며, 이를 위하여 두 개의 버퍼를 이용한 순환 버퍼 연속 데이터 전송 (circular-buffered continuous data transfer)을 수행하도록 하였다(Fig.
- 스핀 코 터 이상진단 시스템은 실시간으로 이상을 진단하여 즉각적인 대응이 가능하도록 하는데 목표를 두었으므로, 데이터를 획득과 이상진단 알고리듬이 동시에 수행되도록 하였다. 이를 위해서는 데이터 획득과 분석의 역할 분담이 프로그램 내에서 효과적으로 이루어져야 했으며, 이를 위하여 두 개의 버퍼를 이용한 순환 버퍼 연속 데이터 전송 (circular-buffered continuous data transfer)을 수행하도록 하였다(Fig. 4 참조). 한 개의 버퍼를 통해 데이터를 전송하는 일반적인 DMA 방법에서는 A/D 보드가 PC 로 데이터를 전송하는 짧은 시간 동안에는 신호를 입력할 수 없게 되는데 반해, 두 개의 버퍼를 이용하는 순환 버퍼 연속 데이터 전송 방법은 A/D 보드가 한 개의 버퍼를 PC 로 전송하는 동안에도 다른 버퍼가 입력 신호를 계속 받을 수 있도록 하여서 잃어버리는 신호없이 실시간으로 신호 입력이 가능하도록 한다.
- 현재의 프레임이 안정상태라고 판별되면 이전에 저장한 정상인 상태에서의 푸리에 변환값의 크기의 평균과 표준편차를 가지고, 비교 대상 신호가 신뢰구간 안에 있는지를 검사한다. 신뢰구간을 99%로 하였을 경우를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
- 개발된 진단 시스템은 위와 같은 핵심 알고리듬 이외에 다음과 같은 기능을 포함하고 있다: 이상 진단 중 진단하고 있는 신호의 해석 결과를 저장할 수 있는 기능을 추가하였고, 정상인 상태와의 비교 데이터는, 1 일전/1 주전/임의의 시점의 데이터를 사용하는 것을 선택할 수 있도록 하였다. 안정상태의 푸리에 변환값과 그의 제곱은 합산되게 하여 스핀코터의 동작의한 사이클이 끝난 후에는 평균과 표준편차가 계산되게 하였으며, 이후의 측정값과의 비교에 사용될 수 있도록 하였다.
- 하였다. 안정상태의 푸리에 변환값과 그의 제곱은 합산되게 하여 스핀코터의 동작의한 사이클이 끝난 후에는 평균과 표준편차가 계산되게 하였으며, 이후의 측정값과의 비교에 사용될 수 있도록 하였다. 또한, 이상인지 아닌지의 결과를 PC 의 모니터를 통해서뿐 아니라 다른 하드웨어에서도 인식할 수 있도록 디지털 출력이 PCI-9118 의 터미널 블록을 통해 출력되도록 하였다.
- 안정상태의 푸리에 변환값과 그의 제곱은 합산되게 하여 스핀코터의 동작의한 사이클이 끝난 후에는 평균과 표준편차가 계산되게 하였으며, 이후의 측정값과의 비교에 사용될 수 있도록 하였다. 또한, 이상인지 아닌지의 결과를 PC 의 모니터를 통해서뿐 아니라 다른 하드웨어에서도 인식할 수 있도록 디지털 출력이 PCI-9118 의 터미널 블록을 통해 출력되도록 하였다.
- 따라서, 본 연구에서 개발된 알고리듬의 점검을 위해 함수발생기 (function generator)를 이용하여 이상 진단 여부를 실험하였고, 다음의 Fig. 7 은 함수발생기를 사용하여 모의로 스핀코터의 이상을 점검한 결과의 화면이다.
- 5V, 측정주파수는 2024Hz, 데이터 전송 주기는 1 초로 하였다. 측정주파수를 분석하는 주파수 대역의 2 배가 되게 하여서 나이 키스트-섀돈샘플링 정리를 만족하도록 하였다. 또한, 비교 대상 신호와 이전에 저장된 정상인 상태의 신호와의 비교를 위해서 사용되는 신뢰구간은 99%로 하여서 30의 편차가 있는 구간을 사용하였다.
- 어렵다. 따라서 단시간 푸리에 변환을 이용하여 정상인 상태의 시스템의 진동 패턴을 분석하고 저장하여 이를 기준으로 삼아, 이후에 기계의 작동 시의 진동 패턴과 비교를 하여, 차이가 허용치를 넘어설 경우를 이상으로 진단하도록 하였다.
대상 데이터
- 코팅되는 박막의 두께는 스핀 코터의 회전속도와 용제의 농도에 의해 결정되며 10 nm 수준의 두께의 박막을 형성하는 것이 가능하다. 본 연구에서 이상진단 시스템을 구축한 대상은 TFT-LCD 컬러 필터 제조시의 박막 필름 코팅에 이용되는 장비이다. 스핀 코터에서 발생되는 진동은 회전기계에서 발생되는 진동과 같이 불평형 질량이나 회전 기구부의 파손 등에 의해 발생된다.
- 여기서 사용된 가속도계는 미국 Dytran 사의 3063A 로서 100mV/g 의 센서 이득을 가지고 있으며 공진주파수는 25 kHz 이고, 자석에 의해 스핀 코 터의 회전부를 지지하는 베어링 하우징에 부착하였다. 또한 데이터 획득을 위한 AD 보드는 대만의 Adlink사의 PCL9118 HG 로서, 8 채널의 아날로그 비교 입력 (differential input)을 12 bit 의 분해능과 330 kHz 의 속도로 처리할 수 있으며, 입력 신호를 1 배, 10 배, 100 배, 1000 배로 증폭하는 것을소프트웨 어 적 으로 지 원한다.
- 또한 데이터 획득을 위한 AD 보드는 대만의 Adlink사의 PCL9118 HG 로서, 8 채널의 아날로그 비교 입력 (differential input)을 12 bit 의 분해능과 330 kHz 의 속도로 처리할 수 있으며, 입력 신호를 1 배, 10 배, 100 배, 1000 배로 증폭하는 것을소프트웨 어 적 으로 지 원한다.
- 본 연구의 대상인 스핀 코터의 가동시간이 27 초 가량이었고 진동의 최대 크기가 lg 정도였으며 주파수의 특성의 변화가 1 kHz 이하에서 가장 명확하였기 때문에 본 시스템에 대해서는 입력전압 범위를 ±0.5V, 측정주파수는 2024Hz, 데이터 전송 주기는 1 초로 하였다. 측정주파수를 분석하는 주파수 대역의 2 배가 되게 하여서 나이 키스트-섀돈샘플링 정리를 만족하도록 하였다.
데이터처리
- 스핀 코터가 안정상태에 도달하였는지를 판별하기 위해 비교대상신호의 이전 프레임의 값과의 차이의 평균인 평균절대오차 MAE(mean average error)를 구한다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
- 개발된 이상 검출 시스템은 불평형 질량을 이용한 실험장치와 실제 스핀코터에서의 실험을 통해 검증하였다. 실험장치에서는 정상적인 상태의 진동패턴을 식별하고 그것을 저장하고 이용하여 이상인 상태에 적용하였을 때 이상이 효과적으로 식별됨을 발견할 수 있었다.
이론/모형
- 또한, A/D 보드의 DMA (Direct Memory Access)를이용한 데이터 전송 메커니즘을 사용하였다. 스핀 코 터 이상진단 시스템은 실시간으로 이상을 진단하여 즉각적인 대응이 가능하도록 하는데 목표를 두었으므로, 데이터를 획득과 이상진단 알고리듬이 동시에 수행되도록 하였다.
- 단시간 푸리에 변환을 위한 알고리듬은 Cooley 와 Tukey 에 의해 개발된 FFT 알고리듬°에 시간 창과 Hanning 창을 적용하여 개발하였다.
성능/효과
- (1) 불평형 질량은 회전 주파수와 같은 주파수에서 큰 진동을 일으키며 진폭의 크기는 시스템의 강성에 종속된다. 주파수 스펙트럼에 나타나는 효과는 회전 주파수와 같은 주파수에서의 진폭 상승으로 알려져 있다.
- (2) 축이 정렬불량인 경우에는, 회전주파수의 두 배의 주파수의 진동이 커지게 된다. 축의 정렬 불량은 축방향으로의 이동을 야기시키기도 한다.
- (3) 베어링 캡이나 지지대에서의 헐거움은 회전진동수의 절반의 배수의 진동수를 가진 많은 스펙트럼을 발생시킨다. 전체 기계의 지지부가 헐거운 경우는 회전진동수에서만 진동이 크게 발생한다.
- 기존의 연구의 결과와 본 연구의 실험을 종합해 볼 때, 회전 시스템이 복잡해 질수록 전형적인 이상의 패턴을 규정하는 것이 곤란해지지만, 이상이 발생하였을 때에 주파수 스펙트럼의 패턴에 반드시 변화가 생긴다는 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 이러한 점을 이용하여 주파수 스펙트럼의 변화를 판별하는 알고리듬을 개발하였다.
- 본 연구의 시스템은 TFT-LCD 공정에 사용되고 있는 장비로서 사용 기업에서 장비에 대한 제한적인 정보만을 허용하였기에 장비로의 입력 신호는 대상물을 올려놓을(loading) 때 스핀코터의 모터가 켜지는 신호와 대상물을 내려놓을 때 모터의 전원이 꺼지는 신호만을 확보할 수 있었다. 따라서, 출력신호만을 가지고 이상진단을 수행하도록 시도하였으며 모터의 전원신호는 이상진단 프로그램의 한 주기가 시작되고 끝나는 신호로 사용하였다.
- (1) 스핀 코터의 이상 진단 프로그램 개발에 적합한 알고리듬을 찾기 위해 다양한 알고리듬을 자유롭게 적용할 수 있을 것
- 검증하였다. 실험장치에서는 정상적인 상태의 진동패턴을 식별하고 그것을 저장하고 이용하여 이상인 상태에 적용하였을 때 이상이 효과적으로 식별됨을 발견할 수 있었다. 또한, 스핀 코 터에서는 정상적으로 동작할 때의 진동패턴을 정확하고 안정적으로 검출하고 있음을 입증하였다.
- 실험장치에서는 정상적인 상태의 진동패턴을 식별하고 그것을 저장하고 이용하여 이상인 상태에 적용하였을 때 이상이 효과적으로 식별됨을 발견할 수 있었다. 또한, 스핀 코 터에서는 정상적으로 동작할 때의 진동패턴을 정확하고 안정적으로 검출하고 있음을 입증하였다. 개발된 이상 검출 시스템은 회전체를 가진 다른 기계에도 적용이 가능하기 때문에 향후에 다양한 용도로 발전 시켜 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
- (2) 이후에 이상진단 시스템이 완료된 후 비전문가도 시스템 운영이 가능하도록 사용자 친화적인 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 가능할 것.
- 또한, 스핀 코 터에서는 정상적으로 동작할 때의 진동패턴을 정확하고 안정적으로 검출하고 있음을 입증하였다. 개발된 이상 검출 시스템은 회전체를 가진 다른 기계에도 적용이 가능하기 때문에 향후에 다양한 용도로 발전 시켜 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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