Study on Response Characteristics of Isolation System by XY-Stage

한국정밀공학회 2013년도 춘계학술대회논문집

XY-스테이지 운전에 의한 방진시스템 응답 특성에 대한 연구

Study on Response Characteristics of Isolation System by XY-Stage

#*_{신 윤 호}1

, 문 석 준1, 정 정 훈1, 송 창 규2

#

*Y.H. Shin([email protected])1, S.J. Moon1, J.H. Chung1, C.K. Song2

1_{한국기계연구원 기계시스템안전연구본부,} 2_{한국기계연구원 첨단생산장비연구본부}

Key words : Vibration Isolation, Simulation of Mount Performance, XY Stage Operation

1. 서론 반도체, 정밀검사 및 정밀가공 기술의 발전에 따라 이들 정밀장비의 원활한 성능 구현을 위한 장비 운전 조건에 대한 관심이 고조되고 있다. 이러 한 장비들의 운전 조건 중 주변 및 장비 내 진동에 대한 검토가 반드시 필요하며, 이를 해결하기 위한 방편으로 방진 시스템이 도입되어 사용되고 있다. 방진 시스템으로 가장 빈번하게 사용되는 수단은 공기스프링과 점탄성 재료를 이용한 마운트 시스 템이며, 이들의 도입에 따른 정밀 장비의 성능 변화 및 설계 방법에 대한 연구에 관심이 증가되고 있다. 본 연구에서는 정밀장비 중 상대적으로 빈번하 게 사용되는 XY-스테이지를 대상으로 방진 시스템 의 도입에 따른 응답 특성을 검토하기 위하여 스테 이지를 포함하는 마운트 시스템의 운동방정식을 유도하는 과정을 기술하고, 이를 이용하여 모사실 험을 수행하였다. 2. 스테이지를 포함한 방진시스템의 운동방정식 유도

Fig. 1 Free Body Diagram of Simplified Isolation System 스테이지를 포함하는 방진시스템 전체 계의 실 질적인 구동은 리니어 모터와 같은 선형 구동부에 의해 발생하는 힘이 되며 이로 인하여 스테이지가 구동된다. 스테이지의 구동은 작용·반작용 법칙에 의해 방진 시스템의 입력 힘으로 작용하며 단순화 한 시스템인 3자유도 계를 이용하여 유도하면, 식 (1)~(5)와 같다.

Fig. 2 Free Body Diagram of Simplified 3-DOF Isolation System

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Fig. 3 Free Body Diagram of 6-DOF Isolation System Including XY-stage

한국정밀공학회 2013년도 춘계학술대회논문집 3자유도 계의 운동방정식을 바탕으로 XY-스테 이지를 포함하는 방진시스템의 6자유도 운동방정 식으로의 확장을 위하여 다음을 가정하였으며, 이 에 대한 병진, 회전 각 한 방향 자유도에 대한 운동방 정식을 기술하면 식(6)~(7)과 같다. - 스테이지를 제외한 정밀장비는 방진시스템 상 부에 고정되어 있다. - 첫 번째 스테이지는 X, 두 번째 스테이지는 첫 번째 스테이지 위에서 Y 방향으로 움직임을 갖는 다. - 정반의 각변위는 작으며, 각 스테이지의 운전 궤적은 알려져 있다. - 스프링의 회전강성은 무시할 수 있으며, 강성과 감쇠계수는 일정한 상수로 가정한다. ( ) { } 1 2 1 1 2 2 3 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( x z sy x z sy x z sy x z sy yy zz y y x z z x y x z x y z y z z M m m X k W h X k W h X k W h X k W h X m q q q q b h q b h q b h q b h q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q + + é ù = -_ë - + + - - + + - - + + - + _û é - _ë - - + - + + - + -+ + - - - + -&&

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(7) 3. 스테이지 운전에 의한 방진시스템 모사실험 스테이지의 운전에 의한 방진시스템의 응답특 성을 검토하기 위하여 유도된 운동방정식을 이용 하여 모사실험을 수행하였다. 각 스테이지의 운동 궤적은 Fig. 5와 같으며, 이는 방진 시스템 상부에 고정된 부분을 제외한 각 스테이지의 이동 궤적 정보를 나타낸다. Fig. 6에는 방진시스템의 무게중 심과 가장자리에서의 응답을 나타내며, 궤적과 비 교하여 계의 동적 특성이 함께 관찰된다.

Fig. 4 Moving Parts(XY-stage) on Isolation System

Fig. 5 Operation Schedules of Moving Parts(X,Y)

Fig. 6 Response of Isolation System at Each Point

4. 결론 본 연구에서는 스테이지를 포함하는 방진 시스 템의 6자유도 운동방정식을 유도하는 과정을 설명 하였으며, 이를 이용하여 알려진 운동 궤적을 가지 는 스테이지의 운전에 의한 방진 시스템의 응답 특성을 예측하였다. 이는 정밀장비에 적절한 방진 시스템 구축에 활용할 수 있다. 후기 본 연구는 한국기계연구원의 연구 지원으로 수행 되었습니다.

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