[논문]플렉셔 힌지 기반 6-자유도 초정밀 위치 결정 스테이지의 기구학 해석

신현표; 문준희

doi:10.7736/kspe.2016.33.7.579

플렉셔 힌지 기반 6-자유도 초정밀 위치 결정 스테이지의 기구학 해석
Kinematic Analysis of a 6-DOF Ultra-Precision Positioning Stage Based on Flexure Hinge 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.7, 2016년, pp.579 - 586

신현표 (동양미래대학교 로봇자동화공학부) , 문준희 (유한대학교 메카트로닉스과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes kinematic analysis of a 6-degrees-of-freedom (DOF) ultra-precision positioning stage based on a flexure hinge. The stage is designed for processes which require ultra-precision and high load capacities, e.g. wafer-level precision bonding/assembly. During the initial design process, inverse and forward kinematic analyses were performed to actuate the precision positioning stage and to calculate workspace. A two-step procedure was used for inverse kinematic analysis. The first step involved calculating the amount of actuation of the horizontal actuation units. The second step involved calculating the amount of actuation of the vertical actuation unit, given the the results of the first step, by including a lever hinge mechanism adopted for motion amplification. Forward kinematic analysis was performed by defining six distance relationships between hinge positions for in-plane and out-of-plane motion. Finally, the result of a circular path actuation test with respect to the x-y, y-z, and x-z planes is presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고정밀 내하중성을 동시에 갖춘 플렉셔힌지 및 병렬 기구 기반의 6-자유도 정밀 위치 결정기구에 대한 기구학 해석을 수행한다. 본 위치 결정기구는 일차원(1-D) 및 이차원(2-D) 플렉셔 힌지를 적용하여 6-자유도 운동이 가능하도록 설계되었다.
본 논문에서는 플렉셔 힌지 및 병렬 기구 기반의 6-자유도 초정밀 위치 결정 스테이지에 대한 기구학 해석을 수행하였다. 논문의 내용은 다음과 같이 요약될 수 있다.

가설 설정

#1: 수평구동유닛의 세 개의 점(A, B, C) 간의 거리는 일정하다.
#2: A 위치에서 수직구동유닛의 세 개의 점(D, E, F)까지의 거리는 일정하다.
#5: 수평구동유닛의 앞과 뒤 힌지 간의 거리는 초기 길이에 변위를 더한 것과 같다.

제안 방법

본 위치 결정기구는 일차원(1-D) 및 이차원(2-D) 플렉셔 힌지를 적용하여 6-자유도 운동이 가능하도록 설계되었다.¹⁰ 기구학 해석을 위해 플렉셔 힌지를 적용한 수평구동유닛 (Horizontal Actuation Unit)과 수직구동유닛 (Vertical Actuation Unit)에 대해 엔드 이펙터 (End-Effector)와 엑추에이터의 위치 관계를 수식화하여 해석을 수행한다. 수직구동 유닛의 경우 레버 힌지를 통해 운동의 방향을 수직으로 바꾸어주는 운동 증폭 메커니즘을 적용했으므로 이를 고려한 해석을 수행한다.
6개의 정전용량 센서를 장착하여 운동을 감지함으로써 폐루프 제어를 수행하도록 했고, x-y, y-z, x-z 평면상에서 각각 50 µm의 반경을 가지고 원운동을 하도록 테스트를 실시하였다.
둘째, 인플레인 운동과 아웃오브플레인 운동을 구현하기 위한 핵심 구성요소로 수평구동유닛과 수직구동유닛이 있으며, 수직구동유닛의 경우 운동 범위를 증폭하기 위해 레버 힌지를 사용하였다.
본 스테이지는 6-자유도 운동이 가능하면서 공간 활용도를 높이고 각 구동유닛에 하중을 균일하게 부담되도록 설계되었다. 또한 웨이퍼 성형 및 접합 공정에 적합하게 틸트 모션 범위 향상에 강조점을 두도록 설계 되었다.
본 스테이지는 6-자유도 운동이 가능하면서 공간 활용도를 높이고 각 구동유닛에 하중을 균일하게 부담되도록 설계되었다. 또한 웨이퍼 성형 및 접합 공정에 적합하게 틸트 모션 범위 향상에 강조점을 두도록 설계 되었다.
각 센서는 엔드 이펙터의 움직임을 높은 정밀도로 감지하기 위해 직각이 되도록 설계 되었고, 센서와 마주하는 면은 센싱 오차를 줄이기 위해 표면 조도가 높게 가공되었다. 본 스테이지는 총 6개의 센서를 사용하여 스테이지의 움직임을 감지함으로써 피드백 제어를 하게 된다.
본 논문에서는 고정밀 내하중성을 동시에 갖춘 플렉셔힌지 및 병렬 기구 기반의 6-자유도 정밀 위치 결정기구에 대한 기구학 해석을 수행한다. 본 위치 결정기구는 일차원(1-D) 및 이차원(2-D) 플렉셔 힌지를 적용하여 6-자유도 운동이 가능하도록 설계되었다.¹⁰ 기구학 해석을 위해 플렉셔 힌지를 적용한 수평구동유닛 (Horizontal Actuation Unit)과 수직구동유닛 (Vertical Actuation Unit)에 대해 엔드 이펙터 (End-Effector)와 엑추에이터의 위치 관계를 수식화하여 해석을 수행한다.
셋째, 이러한 구조를 지닌 정밀 위치 결정 기구에 대해 역기구학 및 정기구학 해석을 수행하기 위해 수평구동유닛과 수직구동유닛에 대해 엔드 이펙터와 엑추에이터의 변위 간의 관계를 수식화하여 해석을 수행하였다.
¹⁰ 기구학 해석을 위해 플렉셔 힌지를 적용한 수평구동유닛 (Horizontal Actuation Unit)과 수직구동유닛 (Vertical Actuation Unit)에 대해 엔드 이펙터 (End-Effector)와 엑추에이터의 위치 관계를 수식화하여 해석을 수행한다. 수직구동 유닛의 경우 레버 힌지를 통해 운동의 방향을 수직으로 바꾸어주는 운동 증폭 메커니즘을 적용했으므로 이를 고려한 해석을 수행한다. 역기구학 해석의 경우 해석적으로 해를 도출하고, 정기구학 해석의 경우 유일한 해의 해석적 결정이 어려우므로 먼저 6가지 구속조건을 수식화한 후 수치적인 방법으로 해를 도출한다.
플렉셔 힌지의 중심을 작은 원으로 표시하여 정삼각형의 꼭지점에 대응되는 운동 중심을 나타내었다. 수평 구동 유닛과 수직 구동 유닛이 각각 내부와 외부의 삼각형을 이루도록 배치함으로써 z-축 회전운동 범위와 x, y-축 회전운동의 민감도가 최대화 되도록 했으며, 동시에 웨이퍼 접합과 같은 수직 방향의 하중에 대해 안정적으로 지지할 수 있도록 하였다. 또한, 이중 삼각형 구조 중앙에 홀을 만듦으로써, 스테이지 중앙 부분에 광학 모듈을 관통하도록 장착하는 것이 가능하다.
역기구학 해석을 통해서 PZT 엑추에이터의 구동량을 계산한 후 정기구학 해석을 통해 확인한 작업영역 내에서 스테이지의 원운동 궤적 구동 테스트를 실시하였다. 전체적인 H/W 시스템의 구성은 Fig.
첫째, 본 초정밀 위치 결정 스테이지는 이중 삼각형 형태로 PZT 엑추에이터가 배치되어 있으며 각 삼각형은 인플레인과 아웃오브플레인 운동을 구현하는 역할을 한다.

대상 데이터

스테이지를 구동하기 위한 엑추에이터와 센서는 분해능 및 응답속도가 빠르고 백래쉬 (Backlash)가 없는 PZT와 서브나노급 (Sub-Nano) 분해능으로 운동을 감지할 수 있는 정전용량 갭 센서 (Capacitive Gap Sensor)를 각각 사용하였다. 3개의 센서는 스테이지 바닥면에 수평이 되도록 배치되어 인플레인 운동을 감지하고, 3개의 센서는 스테이지 바닥면을 기준으로 수직으로 배치되어 아웃오브플레인 운동을 감지한다.

이론/모형

2가지의 거리는 기구적으로 고정 되어 있으므로 상수로 볼 수 있다. 그러므로, 거리 관계에 대한 구속 조건을 활용하여 다변수 뉴톤-랩슨 법 (Multi Variable Newton-Rahpson Method)을 적용함으로써 조건을 만족하는 해를 도출할 수 있다.

성능/효과

6을 보면 명령을 나타내는 검은색 선 (Black Line: Reference Trajectory)과 실제로 스테이지가 운동하며 그린 궤적을 나타내는 빨간색 선 (Red Line: Actual Trajectory)이 서로 겹쳐져 있음을 알 수 있다. 3가지 평면상의 운동 모두에서 명령값에 가까운 원을 그리면서 스테이지가 구동되는 것을 확인할 수 있다. 각 그래프 중심에 위치한 그림은 궤적의 일부분을 확대한 그림이다.
3개의 센서는 스테이지 바닥면에 수평이 되도록 배치되어 인플레인 운동을 감지하고, 3개의 센서는 스테이지 바닥면을 기준으로 수직으로 배치되어 아웃오브플레인 운동을 감지한다. 각 센서는 엔드 이펙터의 움직임을 높은 정밀도로 감지하기 위해 직각이 되도록 설계 되었고, 센서와 마주하는 면은 센싱 오차를 줄이기 위해 표면 조도가 높게 가공되었다. 본 스테이지는 총 6개의 센서를 사용하여 스테이지의 움직임을 감지함으로써 피드백 제어를 하게 된다.
넷째, 역기구학 해석의 경우 해석적 방법으로 수식을 도출하였고, 정기구학 해석의 경우 6가지구속 조건을 정의하여 수치적 방법으로 수식을 도출하였다.
다섯째, 기구학 해석 결과를 적용한 스테이지를 원운동 구동 실험 결과, 3가지 평면상의 원운동에 대해 평균값 오차는 최대 0.48%, RMS 오차는 최대 0.13 µm로 구동됨을 확인하였다.
평균값의 오차는 최대 0.48% 로 나타났고, 최대 RMS 에러값은 y-z 및 x-z 평면 원운동 시 0.13 µm인 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초정밀 위치 결정용 스테이지는 어떤 분야에서 사용되어 왔는가?	초정밀 위치 결정용 스테이지 (Ultra-Precision Positioning Stage)는 마이크로나 나노 수준의 위치 결정을 필요로 하는 분야에 매우 다양한 형태로 사용되어 왔다. 전자 주사 현미경에서의 대물 위치 조정, 셀 조작, 마이크로 가공 및 조립, 광학 장치의 위치 및 자세 결정, 웨이퍼 정렬 등 수많은 분야에서 정밀 위치 결정 스테이지를 필요로 한다.
	위치 결정 스테이지는 어떻게 나눌 수 있는가?	위치 결정 스테이지는 스텝모터, 서보모터 등 회전자가 포함된 모터를 사용한 것과 그 외의 PZT 엑추에이터, 자기부상 엑추에이터 등을 사용한 것으로 나눌 수 있다. 4 기존의 서보모터나 볼 스크류, 강체 링크로 구성된 위치결정 스테이지는 유격, 마찰, 백래쉬 (Backlash) 등의 문제로 인해 마이크로/나노 위치결정에 있어 적용이 많이 제한되는 편이다.
	정밀 위치 결정 스테이지는 가공 공정에 투입될 경우 위치 결정뿐 아니라 하중을 가하는 용도로도 활용될 수 있는데 필요한 요구 사항은?	정밀 위치 결정 스테이지는 단순한 위치 결정의 용도로 사용되기도 하지만, 미세 조립과 같이 높은 자유도의 운동을 통해 제품 생산에 사용될 수도 있고, 가공 공정에 투입될 경우 위치 결정뿐 아니라 하중을 가하는 용도로도 활용될 수 있다. 이를 위해서는 고정밀, 넓은 운동범위, 높은 자유도의 운동, 위치 안정성, 컴팩트한 사이즈 등을 요구한다. 특히, 웨이퍼 렌즈 성형 및 접합 공정과 같이 두께 편차가 존재하는 웨이퍼를 정밀 정렬하고 높은 압력을 가하는 공정의 경우 높은 분해능과 더불어 높은 내하중성과 같이 동시에 만족시키기 어려운 요구 사항들이 양립하기도 한다.

참고문헌 (10)

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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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