이문구 민상화 2023-02 32703 https://aurora.ajou.ac.kr/handle/2018.oak/24431 학위논문(석사)--기계공학과,2023. 2 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. 제1장 서론 1 제1절 연구 배경 1 제2절 수평 방향 제진기의 선행 연구 현황 4 제3절 연구 목적 및 범위 8 제2장 통합 제진 시스템 10 제1절 기존 공기 스프링 제진기의 원리와 구성 10 제2절 제안하는 수평 방향 제진기의 구성과 기대효과 12 제1항 제안하는 수평 방향 제진기의 구성 12 제2항 제안하는 수평 방향 제진기의 기대효과 13 제3절 제안하는 제진 시스템의 동적 특성 14 제1항 공기 스프링 수평 강성 모사 14 제2항 통합 제진 시스템 수학적 모델링 16 제3장 할바흐 배열의 자기 스프링 설계 18 제1절 할바흐 자석 배열 18 제2절 수학적 모델링 20 제1항 표면 전류 모델 20 제2항 설계 조건 24 제3절 유한요소해석 30 제4장 공기 스프링 제진 시스템 구성 32 제1절 공기 스프링 제진 시스템 제작 및 실험 셋업 32 제2절 제진 시스템 동적 특성 분석 35 제1항 충격 실험 35 제2항 제진 시스템 성능 확인 37 제5장 자기 스프링을 이용한 수평 방향 제진기 성능 예측 44 제1절 수학적 모델링 기반 제진 성능 시뮬레이션 44 제2절 수정 자기 스프링 설계 변수 46 제6장 결론 및 향후 과제 49 제1절 결론 49 제2절 향후 과제 52 kor The Graduate School, Ajou University 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다. 할바흐 배열 자기 스프링을 이용한 공기 스프링 제진기의 수평 방향 성능 향상 Improving Horizontal Performance of Air Spring Vibration Isolator Using Halbach Array Magnetic Spring Thesis 아주대학교 대학원 Sanghwa Min 일반대학원 기계공학과 2023-02 Master https://dcoll.ajou.ac.kr/dcollection/common/orgView/000000032703 Horizontal isolator Isolation Magnetic spring Isolation system is essential to semiconductor and display industries that require ultra-precision processing. In particular, since defects such as cracks, dust, and contamination are likely to occur in the 3D packaging process applied to overcome the physical limitations of nano processes in the semiconductor industry, inspection equipment is needed to find out them. Non-destructive inspection methods can reduce cost and time and be inspected in real-time and do not destroy products. So research for developing inspection solutions is actively being conducted. The line and area scan method, which is a representative in non-destructive inspection method, is transferred in the horizontal direction for inspects the object. However, there is a problem that thenon-destructive inspection method is very vulnerable to vibration transmitted to the equipment. Therefore, in order to improve equipment performance and production yield, isolation system that can support high-speed and high-accuracy inspection processes in the horizontal direction should be applied. The air spring isolator, which is most commonly used in industry, has excellent isolation performance in meddle to high frequency bands. However, there is a limit to the poor isolation performance in the low frequency band below the resonance frequency of isolator. And horizontal performance is worse than vertical one. In addition, Air spring isolator has the complex internal structure and rubber part that makes it difficult to estimate stiffness of isolation system. Accordingly, there is a problem that an error occurs between the design stiffness and the actual stiffness of isolation system. In order to solve these problems, this study aims to improve horizontal isolation performance by applying a magnetic spring of a Halbach array having negative stiffness. Negative stiffness mechanism is applied to reduce the horizontal resonance frequency of air spring isolator that determines isolation region. In this case, a magnetic spring of the Halbach magnet array was used to realize negative stiffness.Halbach Magnet Array is an arrangement in which magnets with differentmagnetization directions are forcibly combined. When using Halbach array, it is easier to amplify the magnetic force compared to normal arrangement, and it is possible to design the negative stiffness for stroke range according to design parameters of magnet. In addition, it is designed to be able to adjust the Magnet gap, which is the distance between the fixed magnet part and the Air gap, which is the distance between the fixed magnet part and the moving magnet part.Through this, the dependent characteristics of air spring isolator for the frequency and dynamic displacement may be supplemented. Stiffness of magnetic spring according to stroke range was predicted using the Surface Current Model(SCM). As a result, it was calculated that this magnetic spring has negative stiffness in the range of at least –2.76N/mm and at most – 9.45N/mm according to the Magnet/ Air gap. For this, the predicted stiffness value was verified using Ansys Maxwell, an electromagnetic field analysis tool. Impact experiments were conducted on upper plates with different mass toanalyze the dynamic characteristics of isolation system composed of only air springs. Input force and output velocity are obtained using an impact hammer and a velocimeter. After then, they are calculated to frequency response curve. In the horizontal direction, as the upper mass increases, the resonance frequency tends to decrease, and it has stiffness in range of at least 17.09N/mm and at most 40.40N/mm. 2nd order differential equation was constructed based on the negative stiffness of magnetic spring and the measured stiffness and damping coefficient of the air spring. Using MATLAB, displacement transmissibility of the combined isolation system are predicted. Resonance frequency of combined isolation system changed for different Magnet/ Air Gap conditions. Finally, modified design parameters of magnetic spring is suggested based on the dynamic characteristic coefficient that calculated using experiment's data. As a future works, it is necessary to make magnetic springs and verify the dynamic characteristics of the proposed combined isolation system. At this time, it needs to consider the manufacturing errors of magnet, precision of position in Halbach magnet arrangement, the center of gravity that leaned one-sided, and inaccurate impact experiment that may cause the error. In conclusion, the applicability of this combined isolation system should review to the inspection equipment.