보고서 정보
주관연구기관 |
포항공과대학교 Pohang University of Science and Technology |
연구책임자 |
문원규
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2012-07 |
과제시작연도 |
2011 |
주관부처 |
교육과학기술부 |
과제관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO201300019645 |
과제고유번호 |
1345147265 |
DB 구축일자 |
2013-09-14
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키워드 |
대변위 고분해능,위치제어 시스템,반복 정밀도,면적변화형 변위 센서,전기용량형 변위 센서,초정밀 구동기,듀얼 스테이지High dynamic range,Positioning system,Repeatability,Displacement sensor,Capacitive sensor,Ultra precision actuator,Hybrid system
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초록
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연구의 목적 및 내용
미래의 초정밀 산업의 기초가 되는 측정, 조작, 가공을 위한 시스템은 현재 나노 영역과 마이크로 영역으로 나누어 다루는 단계에서 벗어나 나노 분해능으로 매크로 스케일 영역에서 작업이 이루어질 수 있는 멀티스케일 시스템이어야 한다. 이러한 멀티스케일 작업에 꼭 필요한 기구가 본 연구의 목표 기술인 ‘나노미터 분해능과 10밀리미터 이상의 변위를 가진 대변위 초정밀 위치 제어 시스템 기반 기술’이다. 본 연구는 이러한 중요한 기반 기술을 기초부터 독자적 아이디어와 접근 방법으로 만들어 실재 적용할 수 있는 시스
연구의 목적 및 내용
미래의 초정밀 산업의 기초가 되는 측정, 조작, 가공을 위한 시스템은 현재 나노 영역과 마이크로 영역으로 나누어 다루는 단계에서 벗어나 나노 분해능으로 매크로 스케일 영역에서 작업이 이루어질 수 있는 멀티스케일 시스템이어야 한다. 이러한 멀티스케일 작업에 꼭 필요한 기구가 본 연구의 목표 기술인 ‘나노미터 분해능과 10밀리미터 이상의 변위를 가진 대변위 초정밀 위치 제어 시스템 기반 기술’이다. 본 연구는 이러한 중요한 기반 기술을 기초부터 독자적 아이디어와 접근 방법으로 만들어 실재 적용할 수 있는 시스템을 구현하는 기술까지 개발하는 것을 목표로 했으며 이를 통하여 차세대 산업의 중요 기반 기술 확보를 목적으로 제안, 수행되었다.
연구결과
본 연구 과제의 구체적 달성 목표는, ‘나노미터 분해능으로 10 mm 의 변위를 갖는 초정밀 대변위 센서와 이를 이용한 1축 스테이지의 설계/제작 기술의 개발 및 이의 확장’이다. 여기서 ‘확장’이란 자유도의 확장(2축)과 측정 범위의 확장(100 mm)을 의미한다. 이와 더불어 본 과제에서는 목표 기반 기술의 응용도 포함시켜 연구하였다.
먼저 새로운 타입의 접촉식 정전용량 센서를 고안하고 구현하였으며 그 분해능이 나노미터 이하까지 가능함을 확인하였다. 그 후 센서의 소형화, 신호 안정화, 수명 연장에 획기적 개선을 이룩하였다. 이를 위하여 진행된 연구를 나열해보면, 먼저 측정상황과 외란 등을 고려한 해석, 다채널의 신호 획득을 위한 설계 개선, 다채널 신호를 이용한 분해능 및 신호 안정화 획기적 개선, 기계적 외란에 강한 새 전극 패턴 고안, 위치제어 시스템 결합 방식 개선을 통한 신호의 획기적 안정화, 수명 연장 및 활용도 향상을 위한 가공 기술 개발 등이다. 현재 센서의 측정 최대 분해능 0.9 nm, 측정 범위는 10 mm 이다.
보유/개발한 기술들을 응용하여 1축 위치 제어 시스템을 설계/제작하고 이에 개발한 변위 센서를 장착하였으며 위치제어를 시도하였다. 이 과정에서 센서의 장착에 필요한 보조기구 설계/제작 및 장착 기술을 개발했으며 제어기술 등도 확보하였다. 개발된 위치제어기는 상용 레이저 간섭계를 사용하여 특성 분석을 하여 예상한 결과를 얻을 수 있었다.
또 이 과정에서 2축 또는 100 mm 영역 확장을 위한 추가 파라미터를 도출하였다.
응용 사례 연구로서 초미세력 측정 시스템을 연구 개발하였는데 그 원리는 원자현미경의 원리와 유사하다. 이러한 응용 연구를 통하여 개발된 대변위 초정밀 위치제어 기반 기술이 원자 현미경 등에 응용되면, 커다란 시편의 여러 부분을 나노 정밀도로 조작하는등, 현재 수행이 난감한 작업이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.
연구결과의 활용계획
개발된 대변위 초정밀 위치제어 기술은 다양한 장치에 사용되는 위치 제어 시스템의 핵심 부품의 설계 및 제작에 활용 가능하며, 본 연구를 통해 개발된 위치 제어 시스템이나 위치 제어용 스테이지 등은 원자 현미경, 반도체 공정 장비, 정밀 가공 장비 등 다양한 시스템의 핵심 부품으로 활용 가능하다. 대부분의 나노/마이크로 디바이스는 10 mm2 보다는 작은 면적을 가지므로, 현재 개발된 위치 제어 시스템의 구동 범위 안이다. 따라서 개발된 기술은 대부분의 나노/마이크로 디바이스들의 결합으로 이루어진 멀티스케일 디바이스를 조작, 가공, 측정할 수 있는 방법을 제공하게 된다.
Abstract
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Purpose&contents
Fabrication, measurements, and manipulations of micro/nano scale objects size for building macro scale structures or devices may be main functions of the equipments and machines for the future industry based on nano technology. In order to make a macro scale device by combination
Purpose&contents
Fabrication, measurements, and manipulations of micro/nano scale objects size for building macro scale structures or devices may be main functions of the equipments and machines for the future industry based on nano technology. In order to make a macro scale device by combinations of micro/nano scale components, nano resolution long-range positioning systems must be the infra-system for the equipments to do the job. In this project we have developed core technologies for long-range nanometer-resolution positioning system.
Result
The specific goal of this project is 'development and extension of 1D stage design and manufacturing using a capacitive displacement sensor with 10 mm operation range and nanometer precision. The 'extension' means to increase the number of degree of freedom from 1 to 2. Also the working was also tried to extend up to 100 mm. In addition some applications of the target technology were also studied.
First, a new capacitive displacement sensor was proposed and developed. The feasibility to achieve sub-nanometer resolution was confirmed experimentally and we continued to improve its size, signal stability, and life span. For these improvements, various works have been done such as analyses on the effects of environment, changes in design of sensor electrodes for acquisition of multi-channel signals, development of signal processing method, and fabrication techniques to secure longer life span and applicability. The resolution of the developed sensor is up to now about 0.9 nm, and the measurable range of the sensor is extended to 10mm.
We also tried to control the positioning system build with 1D hybrid stage composed of coarse and fine stages, the developed displacement sensor, and the other custom-made auxiliary components. We have developed the useful techniques to easily implement the developed sensor, to design appropriate auxiliary mechanical components, and to make a proper control strategies. The positioning system constructed for technology demonstration was calibrated by use of a commercial laser interferometer. It shows that the positioning accuracy is comparable with a system with laser interferometer. And now we are working on extension of number of degree of freedom and the working range.
We also developed a micro force measurement system based on SPM(scanning prove microscopy) as an application of the developed positioning technology.
Expected Contribution
We have developed the method to design/fabricate a new long range nano resolution capacitive displacement sensor that can be used for various kinds of positioning systems from aligners in semiconductor industry to the atomic force microscope. And a new 1-axis nano stage for precise positioning was developed to achieve less-than nanometer resolution over 10 mm working range with stable repeatability. This will improve the functions of various fabrication/measurement systems.
목차 Contents
- 도약연구사업 최종보고서 ... 1
- 목차 ... 3
- 연구계획 요약문 ... 4
- 연구결과 요약문 ... 5
- 한글요약문 ... 5
- SUMMARY ... 6
- 연구내용 및 결과 ... 7
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 10
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 14
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 23
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 71
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 73
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 83
- 8. 참고문헌 ... 84
- 9. 연구성과 ... 86
- 10. 기타사항 ... 102
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