할바흐 배열 자기 스프링을 이용한 공기 스프링 제진기의 수평 방향 성능 향상 - 민상화 (The Graduate School, Ajou University, 2023)
제진 시스템은 초정밀 가공을 요구하는 반도체 및 디스플레이 산업에 필수적으로 적용된다. 특히, 반도체 산업에서 나노 공정에서 발생하는 물리적 한계를 극복하기 위해 도입한 3D 적층 공정 과정에서 균열, 분진, 오염과 같은 불량이 발생하기 쉬우므로 이를 검사하기 위한 검사 장비가 필요하다. 이중 비파괴 검사 방식은 실시간 검사가 가능하며 완성품을 파괴하지 않는다는 점에서 비용 및 시간을 절감할 수 있으므로 검사 솔루션 개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 대표적인 비파괴 검사 방식인 라인 및 면적 스캔 방식은 검사 모듈이 수평 방향으로 이송하며 대상물에 대해 검사를 수행한다. 그러나 비파괴 검사 방식은 장비에서 전달되는 진동에 매우 취약하다는 문제점이 존재한다. 따라서 장비 경쟁력 및 생산 수율 향상을 위해서는 수평 방향에 대한 고속, 고 정확도의 검사 공정을 뒷받침할 수 있는 제진 시스템이 적용되어야 한다. 기존 산업에서 가장 대중적으로 사용되고 있는 공기 스프링 제진기는 중, 고주파 대역에서 우수한 제진 성능을 갖는다. 그러나 고유주파수 이하 저주파 대역에서는 제진 성능이 떨어지는 한계가 있으며 이는 수직 대비 수평에서 더욱 뚜렷하게 확인된다. 또한, 공기 스프링 제진기의 경우 복잡한 내부 구조 및 고무 부품으로 인해 설계 단계에서 제진 시스템 강성을 추정하는 데 어려움이 존재한다. 이에 따라 제진 시스템의 설계 강성과 실제 강성 간의 오차가 발생하는 문제가 있다. 본 연구에서는 이와 문제들을 해결하기 위해 음 강성을 갖는 할바흐 배열의 자기 스프링을 적용하여 수평 방향 제진 성능 확보하고자 한다. 제진 영역을 결정하는 기존 공기 스프링 제진기의 수평 방향 고유주파수를 낮추고자 음 강성 메커니즘을 적용한다. 이때, 음 강성 구현을 위해 할바흐 자석 배열의 자기 스프링을 사용하였다. 할바흐 자석 배열이란. 자화 방향이 각기 다른 자석을 강제로 결합한 배열을 뜻한다. 할바흐 자석 배용 사용 시, 기존 자석 배열 대비 자력 증폭에 용이하며 자석 설계 변수에 따라 구동 범위에 대해 음 강성 설계가 가능하다. 또한, 자기 스프링에서 고정 자석부 사이 간격인 Magnet gap과 고정 자석부와 이동 자석부 사이 간격인 Air gap을 조절할 수 있게 설계하였다. 이를 통해 공기 스프링 제진기가 가진 주파수 및 동적 변위에 대한 의존적 특성을 보완할 수 있다. 자기 스프링에 대해 표면 전류 모델을 이용하여 구동 범위에 따른 강성 값을 예측하였다. 그 결과, 본 자기 스프링이 Magnet/ Air gap에 따라 최소 –2.76N/mm, 최대 –9.45N/mm 범위의 음 강성을 갖는 것을 확인하였다. 이에 대해 전자기장 해석 툴인 Ansys Maxwell을 사용하여 예측 강성 값에 대해 검증하였다. 기존 공기 스프링으로 구성된 제진 시스템의 동특성 분석을 위해 각기 다른 질량을 가진 상부 플레이트에 대해 충격 실험을 진행하였다. 임팩트 해머와 속도계를 사용하여 입력 힘과 출력 속도에 대해 획득하였으며 이에 대해 주파수 응답 곡선으로 나타내었다. 수평 방향의 경우, 상부 질량이 증가할수록 고유주파수는 감소하는 경향성을 확인했으며 최소 17.09N/mm, 최대 40.40N/mm의 강성을 가진다. 자기 스프링의 음 강성 계수와 측정한 공기 스프링 제진기의 강성 및 감쇠 계수를 기반으로 선형 2차 미분 방정식을 구성하였다. 이에 대해 MATLAB을 이용하여 통합 제진 시스템의 변위 전달률을 확인하였다. 각기 다른 Magnet/ Air gap에 대한 통합 제진 시스템의 고유주파수 변화를 확인하였다. 최종적으로 실측 공기 스프링 제진기의 동특성 계수 값을 기반으로 수정 자기 스프링에 대해 제시한다. 향후 연구로 자기 스프링을 제작하여 제안한 통합 제진 시스템에 대한 동특성 검증에 관한 연구가 필요하다. 이때, 오차의 원인이 될 수 있는 자석 가공 오차, 할바흐 자석 배열 위치 정밀도, 무게 중심 치우침, 부정확한 충격 실험에 대한 고려가 필요하다. 최종적으로 본 통합 제진 시스템에 대해 검사 장비에 적용 가능성을 검토해야 한다.
학위논문(석사)--기계공학과,2023. 2
Keywords: Horizontal isolator; Isolation; Magnetic spring