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문제 정의
- 단축 이송을 통해 위치결정 정밀도를 확인하였으므로, 2 축 성능검증에서는 원호이송 정밀도를 확인하고자 하였다. 이러한 검증실험은 기존의 볼스크류 기반 이송장치에서는 동적 불일치 (mismatch), 마찰력 등으로 인한 오차가 비중 있게 다뤄져 왔다.
- 본 연구에서 수행한 나노포지셔너의 강성해석은 나노포지셔너 구조물에 압전구동기에 의한 힘이 주어질 때 구조물의 변형 정도를 확인하여 구조물의 강성을 예측하는 것이다. 이를 통해 압전구동기의 사양을 결정할 수 있으며 이후 구조물과 압전구동기의 특성을 반영하여 압전구동기를 포함한 나노포지셔너의 최대변위량을 예측하는데 사용하였다.
- 특히 얻어진 강성 정보는 설계한 나노포지셔너 이송범위의 결정에 있어서 적절한 압전구동기를 선택하는데 이용될 수 있匸+. 본 연구에서는 단극성의 100 V 를 최대전압으로 할 경우 50 |im 수준의 구동범위를 확보하고자 하여 이에 적절한 압전구동기를 선정하였으며, Fig. 4 는 나노포지셔너 구조물의 강성특성과 선정한 압전구동기의 작동 조건에 따른 힘-변형량 특성을 보여준다.
- 본 연구에서는 조립을 통하여 2 축 및 3 축 등 다양한 형태로 확장이 가능한 단축의 모듈형 나노포지셔너를 개발하였다. 개발된 나노포지셔너 모듈은 원형의 플랙셔 힌지 기반의 평행사변형 구조를 가지고 있으며, 압전구동기에 의해 구동된다.
- 본 연구의 목적은 단순한 구조를 가지면서 상대적으로 높은 강성을 가져 다양한 분야에 활용이 가능하며, 다양한 형태로 확장이 가능하도록 모듈화된 나노포지셔너를 설계 제작하고 단순한 구조 및 변위확대 메커 니즘으로 인해 발생할 수 있는 기생운동(parasitic motion)을 분석하는 것이다. 이를 위해 직사각형의 4 절링크 구조를 이용하고 순수 굽힘을 통한 회전운동을 얻기 위해 원형 플랙셔힌지 (right-circular hinge) 구조를 이용한 단축의 나노포지셔너를 설계하였다.
가설 설정
- Fig. 1 에서 보여진 평행사변형 구조의 나노포지셔너에서 기구학적 변위증폭비를 얻기 위흐& 네 개의 링크를 강체로 가정하였으며, 힌지에서는 회전만 발생하는 것으로 고려하였다. 본 연구에서 사용된 원형 플랙셔 힌지 " 는 처짐 거동 외에 축 방향의 인장 또는 압축 등의 추가변형을 가지게 되나 그 크기가 상대적으로 미소한 수준으로 기구학적 해석에서는 무시하였다J
제안 방법
- 2.2 절에서 해석한 결과를 바탕으로 단축뿐만 아니라 2 축 및 3 축 등 다양한 형태로 조립할 수 있도록 최종형상을 설계하였다. 이러한 조립 확장성은 다양한 형태의 연결부를 적용함으로써 이뤄졌다.
- 강도해석 시 부가된 힘에 따른 응력과 함께 변형 을 조사하여 설 계된 나노포지 셔너 의 강성 을 예측하였다. 특히 얻어진 강성 정보는 설계한 나노포지셔너 이송범위의 결정에 있어서 적절한 압전구동기를 선택하는데 이용될 수 있匸+.
- 나노포지셔너의 개발은 기구학적 해석과 유한요소법에 의한 응력 및 진동특성 해석을 통해 설계되었다. 개발된 나노포지셔너는 약 2技 Hz 의 공진주파수와 약 3.9 의 변위증폭비를 가지도록 하였으며, 구조적으로 약 90 gm 이상의 이송 범위를 가질 수 있도록 하였다. 와이어 방전가공을 통해 제작된나노포지셔너 모듈과 용량형 변위센서, 전압 증폭기, 제어기를 이용하여 단축 및 직교 2 축 나노포지셔너를 구성하였으며, 각각의 경우에 대해 실험을 통해 작동성능을 제시하였다.
- 0 mm의 폭을 가지도록 함으로써 빔 단면계수(section modulus of a beam)가 150배 이상 큰 구조물이 되어 힌지부에 비해 상대적으로 변형 이 매우 적도록 하였다. 결정된 나노포지셔너의 형상에 대해 유한요소해석을 수행하여 구조물 전체의 강성 및 동특성, 최 대변위량을 예측하였다. 유한요소해석을 위해 CosmosWorks 소프트웨어를 사용하였으며, 이를 이용하여 선형해석을 수행하였다.
- 특히 4 절링크에서 크랭크 링크에 압전구동기를 직접적으로 부착하여 지렛대 효과를 얻는 동시에 플랙셔 힌지의 직렬연결 수를 줄여 강성을 높일 수 있도록 하였다 N 나아가 조립을 통해 다양한 형태로 확장이 가능하도록 하는 유연성 을 확보하도록 하였다. 나노 포지 셔 너 구조물은 기 구 학적 접 근과 유한요소 해석을 통해 설계 되 었으며 , 제작된 나노포지 셔 너 모듈 및 이 를이용한 2 축 나노포지셔너에 대해 작동 성능을 확인하였다. 특히, 단순한 구조 및 변위확대 메커니즘으로 인해 발생하는 기생 운동은 시뮬레이션과 실험을 통해 분석하였다.
- 나노포지셔너의 동작을 위해 나노포지셔너 구조물, 압전구동기, 용량형 변위 센서, 전압증폭기, 제어기 등으로 구성된 실험장치를 구성하였다. 시스템의 폐루프 제어를 위해 Delta-Tau 의 UMAC 제어기를 사용하였으며, 적용된 용량형 변위 센서 (2805 & 4810, MicroSense)는 전기적 잡음을 고려 했을 때 1 nm 정도의 분해능을 가지며, ±100 Jim 측정범위, 100 Hz 의 대역폭, 0.
- 1 |irad 의 각도오차를 보여 시뮬레이션 모델이 실제의 거동을 잘 반영되는 것을 확인할 수 있었기 때문이다. 따라서 시뮬레이션 모델을 이용하여 힌지부의 변형거동을 분석하였다. Fig.
- 이를 통해 압전구동기의 사양을 결정할 수 있으며 이후 구조물과 압전구동기의 특성을 반영하여 압전구동기를 포함한 나노포지셔너의 최대변위량을 예측하는데 사용하였다. 또한 기생오차의 원인인 힌지부의 부차적인 변형특성을 분석하는데 활용되었다. Fig.
- 0 mm로 결정하였다. 마찬가지로 변형이 최소화 되어야 하는 링크의 두께는 개발하고자 한 나노포지셔너의 형상 및 크기를 고려하여 10.0 mm의 폭을 가지도록 함으로써 빔 단면계수(section modulus of a beam)가 150배 이상 큰 구조물이 되어 힌지부에 비해 상대적으로 변형 이 매우 적도록 하였다. 결정된 나노포지셔너의 형상에 대해 유한요소해석을 수행하여 구조물 전체의 강성 및 동특성, 최 대변위량을 예측하였다.
- 제작된 나노포지셔너의 재질은 스테인레스스틸인 SUS303 으로 선정하였으며 플랙셔 힌지와 같이 미세하고 정밀한 부분의 가공을 위해와 이 어 방전가공(wire-cut EDM)을 이용하여 제작되었다. 변위 측정 및 피드백 시스템 구성을 위해 용량형 변위 센서를 이용하였으며, 센서 타겟은변위 측정 시 측정 면의 거칠기 및 평탄도에 의한 오차를 최소화 하기 위해 연마처리를 하였다. Fig.
- 얻을 수 있도록 결정되었다. 변위증폭비는 압전구동기의 인장량에 대한 나노포지셔너 최종 단의 변위로 정의하였으며, 특히 본 연구에서는 압전구동기를 링크 구조의 내부에 위치시킴으로써 나노포지셔너의 형상이 간결해지도록 하였다. Fig.
- 이러한 검증실험은 기존의 볼스크류 기반 이송장치에서는 동적 불일치 (mismatch), 마찰력 등으로 인한 오차가 비중 있게 다뤄져 왔다. 본 연구에서는 반경 10呻1의 원형 경로에 대한 위치결정 실험을 수행하였으며, 이송속도는 183nm/min 로 하였다. Fig.
- 특히 압전구동기에 의해 발생되는 최대 힘에 의한 최대응력은 항복강도의 약 55 % 수준으로 적절한 안전성을 확보하고 있음을 확인하였다. 여기서 유한요소해석에 의한 변위증폭비는 약 3.9 로서 기구학적으로 설계된 4 와 유사하지만 2.8 % 정도의 차이를 가지는 것은 설계한 플랙셔 힌지의 부가적 변형에 의한 것으로 추정되고, 부가적 변형에 의한 나노포지셔너의 작동 오차는 실험 및 시뮬레이션을 통해 확인하여 3 절에서 제시하였다. 또한 실험에 이용된 최대 100 V 의 단극성 작동 모드에서는 압전구동기에서 11.
- 9 의 변위증폭비를 가지도록 하였으며, 구조적으로 약 90 gm 이상의 이송 범위를 가질 수 있도록 하였다. 와이어 방전가공을 통해 제작된나노포지셔너 모듈과 용량형 변위센서, 전압 증폭기, 제어기를 이용하여 단축 및 직교 2 축 나노포지셔너를 구성하였으며, 각각의 경우에 대해 실험을 통해 작동성능을 제시하였다. 개발된 나노포지셔너는 빠른 응답성을 가지고 있으며, 높은 위치결정 정밀도를 확보하고 있음을 보였다.
- 외부의 부하하중에 따른 이송 성능을 평가하기 위해 이송방향에 대해 하중을 부가하고 제어이송을 수행하였다. 이러한 경우 압전소자에 의해 이송되는 플랙셔 힌지 기반의 나노포지셔너는 원점옵셋(zero-point offset) 효과에 의해 하중이 없을 때의 원점을 기준으로 인장 방향에서의 최대변위감소로 나타나는 것으로 알려져 있다.
- 유한요소해석을 통해 응력해석과 함께 공진주파수를 확인하기 위해 주파수 해석을 수행하였다. 해석 결과로부터 1차 고유진동수는 약 212.
- 이를 위해 본 연구에서는 평행사변형 구조의 4절 링크구조(parallelogram four-bar linkage)'를 채용하였으며 , 압전구동기의 설치 및 조립의 유연성을 고려하여 직사각형의 형태로 결정하였다. 특히 평행사변형구조에서 기저링크(base link)와 평행한 연결링크 (coupler link)가 항상 평행하게 움직이는 특성을 고려하여 연결링크를 최종단(end effecter)으로 설정하여 최종단에서 불필요한 회전 변위가 발생하지 않도록 하였다.
- 이를 위해 직사각형의 4 절링크 구조를 이용하고 순수 굽힘을 통한 회전운동을 얻기 위해 원형 플랙셔힌지 (right-circular hinge) 구조를 이용한 단축의 나노포지셔너를 설계하였다. 특히 4 절링크에서 크랭크 링크에 압전구동기를 직접적으로 부착하여 지렛대 효과를 얻는 동시에 플랙셔 힌지의 직렬연결 수를 줄여 강성을 높일 수 있도록 하였다 N 나아가 조립을 통해 다양한 형태로 확장이 가능하도록 하는 유연성 을 확보하도록 하였다.
- 강성을 예측하는 것이다. 이를 통해 압전구동기의 사양을 결정할 수 있으며 이후 구조물과 압전구동기의 특성을 반영하여 압전구동기를 포함한 나노포지셔너의 최대변위량을 예측하는데 사용하였다. 또한 기생오차의 원인인 힌지부의 부차적인 변형특성을 분석하는데 활용되었다.
- 제작된 나노포지셔너 실험장치의 최대변위를 측정하기 위해 0 V 부터 100 V 까지의 구동 전압을 공급하여 나노포지 셔너 의 개루프 변위 를 측정 하였다. Fig.
- 직교 2 축 나노포지셔너의 성능검증 실험을 수행하였다. 단축 이송을 통해 위치결정 정밀도를 확인하였으므로, 2 축 성능검증에서는 원호이송 정밀도를 확인하고자 하였다.
- 최종 설계된 나노포지셔너를 실제 제작하여 검증하였다. 제작된 나노포지셔너의 재질은 스테인레스스틸인 SUS303 으로 선정하였으며 플랙셔 힌지와 같이 미세하고 정밀한 부분의 가공을 위해와 이 어 방전가공(wire-cut EDM)을 이용하여 제작되었다.
- 이러한 조립 확장성은 다양한 형태의 연결부를 적용함으로써 이뤄졌다. 최종 설계된 나노포지셔너에 대하여 조립구멍 등 추가된 형상에 따른 특성 변화를 확인하기 위해 응력 및 변형량 해석, 공진주파수 해석 등을 수행하였다. 확인 결과 각 해석 결과는 앞에서 수행된 해석 결과와 큰 차이가 없음을 확인하였다.
- 이를 위해 직사각형의 4 절링크 구조를 이용하고 순수 굽힘을 통한 회전운동을 얻기 위해 원형 플랙셔힌지 (right-circular hinge) 구조를 이용한 단축의 나노포지셔너를 설계하였다. 특히 4 절링크에서 크랭크 링크에 압전구동기를 직접적으로 부착하여 지렛대 효과를 얻는 동시에 플랙셔 힌지의 직렬연결 수를 줄여 강성을 높일 수 있도록 하였다 N 나아가 조립을 통해 다양한 형태로 확장이 가능하도록 하는 유연성 을 확보하도록 하였다. 나노 포지 셔 너 구조물은 기 구 학적 접 근과 유한요소 해석을 통해 설계 되 었으며 , 제작된 나노포지 셔 너 모듈 및 이 를이용한 2 축 나노포지셔너에 대해 작동 성능을 확인하였다.
- 이를 위해 본 연구에서는 평행사변형 구조의 4절 링크구조(parallelogram four-bar linkage)'를 채용하였으며 , 압전구동기의 설치 및 조립의 유연성을 고려하여 직사각형의 형태로 결정하였다. 특히 평행사변형구조에서 기저링크(base link)와 평행한 연결링크 (coupler link)가 항상 평행하게 움직이는 특성을 고려하여 연결링크를 최종단(end effecter)으로 설정하여 최종단에서 불필요한 회전 변위가 발생하지 않도록 하였다.
- 나노 포지 셔 너 구조물은 기 구 학적 접 근과 유한요소 해석을 통해 설계 되 었으며 , 제작된 나노포지 셔 너 모듈 및 이 를이용한 2 축 나노포지셔너에 대해 작동 성능을 확인하였다. 특히, 단순한 구조 및 변위확대 메커니즘으로 인해 발생하는 기생 운동은 시뮬레이션과 실험을 통해 분석하였다.
- 폐루프 제어를 위한 알고리즘은 제어기에서 제공하는 필터를 포함한 비례-적분-미분 제어기를 이용하였으며, 필터는 50 Hz 를 절단주파수를 가지는 저주파 통과필터로 설정되었다.13" Fig.
대상 데이터
- 시스템의 폐루프 제어를 위해 Delta-Tau 의 UMAC 제어기를 사용하였으며, 적용된 용량형 변위 센서 (2805 & 4810, MicroSense)는 전기적 잡음을 고려 했을 때 1 nm 정도의 분해능을 가지며, ±100 Jim 측정범위, 100 Hz 의 대역폭, 0.02% 이내의 선형성 오차를 가지고 있다.
- 최종 설계된 나노포지셔너를 실제 제작하여 검증하였다. 제작된 나노포지셔너의 재질은 스테인레스스틸인 SUS303 으로 선정하였으며 플랙셔 힌지와 같이 미세하고 정밀한 부분의 가공을 위해와 이 어 방전가공(wire-cut EDM)을 이용하여 제작되었다. 변위 측정 및 피드백 시스템 구성을 위해 용량형 변위 센서를 이용하였으며, 센서 타겟은변위 측정 시 측정 면의 거칠기 및 평탄도에 의한 오차를 최소화 하기 위해 연마처리를 하였다.
데이터처리
- 결정된 나노포지셔너의 형상에 대해 유한요소해석을 수행하여 구조물 전체의 강성 및 동특성, 최 대변위량을 예측하였다. 유한요소해석을 위해 CosmosWorks 소프트웨어를 사용하였으며, 이를 이용하여 선형해석을 수행하였다.
이론/모형
- 힌지부의 기생변형을 확인하기 위해 강성해석을 위한 시뮬레이션을 이용하였다. 이는 Fig.
성능/효과
- 이러한 경우 압전소자에 의해 이송되는 플랙셔 힌지 기반의 나노포지셔너는 원점옵셋(zero-point offset) 효과에 의해 하중이 없을 때의 원점을 기준으로 인장 방향에서의 최대변위감소로 나타나는 것으로 알려져 있다.'2 본 연구를 통해 개발된 나노포지셔너는 약 2.2 nm/N 의 단위 외 부하중에 대한 원점 옵셋을 가짐 을 확인하였다. 또한 이러한 원점 옵셋에 의한 영향으로 외부하중이 부가되기 전의 원점을 기준으로 할 때 주어진 외부하중에 비례하여 최대 변위가 주어진 외부하중에 대한 원점옵셋만큼 저하됨을 확인할 수 있었다.
- 와이어 방전가공을 통해 제작된나노포지셔너 모듈과 용량형 변위센서, 전압 증폭기, 제어기를 이용하여 단축 및 직교 2 축 나노포지셔너를 구성하였으며, 각각의 경우에 대해 실험을 통해 작동성능을 제시하였다. 개발된 나노포지셔너는 빠른 응답성을 가지고 있으며, 높은 위치결정 정밀도를 확보하고 있음을 보였다.
- time)을 가짐을 확인하였다. 그림에서 보여진 바와 같이 본 연구에서 개발된 나노포지셔너의압전구동기의 빠른 응답특성과 안정한 위치결정 특성을 잘 반영하고 있음을 보여준다.
- 4 에서는 선정된 압전구동기를 이용한 최대변위 추정을 위해 반이 극성작동 모드에서의 최대전압(150 V)이 가해졌을 때의 성능 직선과 본 연구에 사용한 단극성의 최대전압 100V 에서의 변위를 추정하기 위한 성능직선이 제시되었다. 그림에서 보여진 바와 같이 본 연구에서 개발한 나노포지셔너와 결합된 압전구동기는나노포지셔너 구조물의 강성을 고려하였을 때 최대전압 인가시 반이 극성 작동 모드에서 24.7 jxm 까지 늘어나며, 동시에 93.4 N 의 구동력을 발생시킴을 알 수 있다. 또한 이때의 구조물에서의 응력은 Fig.
- 그림으로부터 RMS 오차는 4.54 nm 임을 확인할 수 있었으며, 단축이송에 비해 오차가 증가한 이유는 하중 증가 및 스프링 계수의 변화로 인한 동특성 변화에 따른 진동 특성에 의한 것으로 확인되었다.
- 힌지의 측면에서 발생하였다. 따라서 본연구에서 개발된 나노포지셔너 구조물의 피로 파손 등을 고려하지 않을 때의 이상적인 최대변위량은 약 175.5 呻1 임을 추정할 수 있었다.
- 4 N 의 구동력을 발생시킴을 알 수 있다. 또한 이때의 구조물에서의 응력은 Fig. 3 으로부터 131.7 MPa 임을 알 수 있고, 2.1 절의 기구학적 변위증폭비를 고려하였을 때 구조물의 이송 변위는 약 98.6 이어야 하며, 해석결과 96.1 으로 약 2.6 %의 차이를 보여 기구학적 특성 이잘 반영된 것으로 평가된다. 특히 압전구동기에 의해 발생되는 최대 힘에 의한 최대응력은 항복강도의 약 55 % 수준으로 적절한 안전성을 확보하고 있음을 확인하였다.
- 2 nm/N 의 단위 외 부하중에 대한 원점 옵셋을 가짐 을 확인하였다. 또한 이러한 원점 옵셋에 의한 영향으로 외부하중이 부가되기 전의 원점을 기준으로 할 때 주어진 외부하중에 비례하여 최대 변위가 주어진 외부하중에 대한 원점옵셋만큼 저하됨을 확인할 수 있었다. Fig.
- 우선 온도 및 습도는 항온항습 환경을 통해갑작스런 온도변화가 발생하지 않도록 하였으며, 공기유동은 자체 적 인 제어 보다는 차단막을 통해 내부 유동을 제거함으로써 그 영향을 최소화하였다. 외부로부터의 진동은 방진테이블을 이용하여 차단되도록 하였다.
- 응답결과로부터 8 msec 의 상승시간(rise time)과 12 msec 의 안정화시간 (settling time)을 가짐을 확인하였다. 그림에서 보여진 바와 같이 본 연구에서 개발된 나노포지셔너의압전구동기의 빠른 응답특성과 안정한 위치결정 특성을 잘 반영하고 있음을 보여준다.
- 96 nm 임을 볼 수 있었다. 이송 방향에 대한 수직방향 응답은 이송방향 응답에 비례하면서 약 0.5 % 수준의 변위를 가짐을 확인할 수 있었으며, 면의 수직축에 대한 회전방향 기생운동은 50 nm 이송 시 최대 약 13 p.rad 의 각도오차를 가지며, 이송량에 비례하여 각도오차가 발생함을 확인할 수 있다. 이러한 점으로 미루어 플랙셔 힌지가 순수회전과 함께 그 외의 미세한 기생변형을 가짐을 알 수 있다.
- 6 %의 차이를 보여 기구학적 특성 이잘 반영된 것으로 평가된다. 특히 압전구동기에 의해 발생되는 최대 힘에 의한 최대응력은 항복강도의 약 55 % 수준으로 적절한 안전성을 확보하고 있음을 확인하였다. 여기서 유한요소해석에 의한 변위증폭비는 약 3.
- 평행사변형 구조에 있어서 압전구동기의 위치는 지렛대의 원리믈 고려하여 충분한 변위 증폭 비를 얻을 수 있도록 결정되었다. 변위증폭비는 압전구동기의 인장량에 대한 나노포지셔너 최종 단의 변위로 정의하였으며, 특히 본 연구에서는 압전구동기를 링크 구조의 내부에 위치시킴으로써 나노포지셔너의 형상이 간결해지도록 하였다.
- 수행하였다. 해석 결과로부터 1차 고유진동수는 약 212.3 Hz 이었으며, 1차 공진모드는 설계된 작동방향과 동일함을 확인하여 1차 고유진동수에 의한 동특성이 작동에 직접적으로 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. Fig.
- 해석을 통해 다양한 힘에 대해 최대응력을 조사하였으며, 이로부터 재질의 항복(yielding)을 고려하여 설계된 나노포지셔너 구조물의 작동 가능한 최대이송범위를 확인할 수 있다. Fig.
- 최종 설계된 나노포지셔너에 대하여 조립구멍 등 추가된 형상에 따른 특성 변화를 확인하기 위해 응력 및 변형량 해석, 공진주파수 해석 등을 수행하였다. 확인 결과 각 해석 결과는 앞에서 수행된 해석 결과와 큰 차이가 없음을 확인하였다.
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