나노 광학 장치 제조 공정의 생산성 향상을 위한 자동화 플랫폼 구축 방법

Aerotech

광학 장치 제조업체는 데이터 통신, 전화 통신, 감지 속도 및 대역폭 시장에 맞는 경제적인 제품들을 제조해왔다. 광학이 칩 수준으로 발전하고 상호 연결 장치가 소형화되는 등 혁신적인 기술 발달로 인해 대량생산되고 있다. 한때 수십 마이크로로 측정됐던 부품 조립은 이제 나노미터로 발전했다. 이제 생산 조립 과정에서 이러한 나노 공차를 달성하지 못하면 기능에 영향을 미쳐 손실이 발생한다.
적절한 자동화 장비를 선택하면 견고성과 생산성이 뛰어난 나노 플랫폼 개발이 가능할 수 있다.

실험실 프로세스를 자동화 플랫폼으로 이전

실험실에서 광학 장치를 조립하는 자동화 기술이 많이 있다. 부품 장비에서 서보, 스테퍼 또는 피에조 기술은 모두 고정밀 부품 정렬 및 배치를 위한 선택이다. 예를 들어, 유연성이 뛰어난 6자유도 서보구동의 헥사포드는 20 나노미터 증분 모션과 고 정밀 다축 포지셔닝이 가능하다(그림 1 참조). 또 다른 예로, 피에조 액추에이터는 매우 빠른 안정화 시간으로 매우 작은 움직임을 만들 수 있다(그림 2 참조).
  

실험실 자동화의 목적은 광학 장치를 대량으로 제조하는 프로세스의 가능성을 입증하는 것이다. 이는 생산 비용 절감을 촉진하기 위해서다. 이를 염두에 두고 생산 환경에도 R&D 수준의 자동화 기술을 선택하는 것이 중요하다. 물리적 장애와 작업자 오류를 견딜 수 있는 강력한 제조 장비와 알고리즘이 필요하다. 자동화 장비는 처리량, 수명 및 유지 보수와 같은 비용을 절감해야 한다. 이에 올바른 선택을 위한 몇 가지 지침이 있다.

견고성, 비접촉 모터 사용

자동화 시스템의 견고성이란 기계 하드웨어 및 관련 제어 시스템이 기계적 마모 및 전기적 노이즈와 같은 외부 영향을 견디는 것을 말한다. 접촉 나사 또는 기어 기반 액추에이터를 선택하면 마모 가능성이 증가하고 광 파워 미터는 전기 노이즈를 유발한다.
  

견고성을 위해선 저 잡음 증폭기와 결합된 직접 구동의 비접촉 모터를 선택해야 한다. 이 모터는 마모를 유발하는 접점이 없다. 저 잡음 선형 증폭기는 전기 스위칭 노이즈를 제거한다. 이러한 시스템은 장기적으로 나노미터 수준의 선형 및 회전 정렬 공차를 달성할 수 있다(그림 3 및 4 참조).

초기 비용은 문제가 되지만 자동화 플랫폼의 견고성을 추구하면 장비의 전체 비용을 크게 줄일 수 있다. 서보 구동, 비접촉 모터를 통합하면 자동화 플랫폼이 노화된 후에도 유지 보수 또는 교체 필요성이 줄어든다. 동일한 장비를 재사용하여 광학 장치 조립에 사용할 수 있다.
  

반면 피에조 스테핑 액추에이터를 도입하면 비용이 저렴하고 설치 공간이 작지만 장기적으로 보면 비용이 더 높을 수 있다. 또한 수명이 단축되는 경향이 있다. 스테핑 메커니즘의 접촉성 마모와 스트레인 게이지 센서의 마모로 자주 교체해야 할 수 있다. 이는 장기적인 사용을 어렵게 만드는 것이다. 초기 비용이 높더라도 서보 모터 또는 굴곡 기반 피에조 액추에이터와 같은 기술을 활용하는 것이 더 효율적이다.

처리량, 직접 구동 서보 모터 플랫폼이 효과적

자동화를 적용하여 기계의 처리량을 증가함으로써 광학 장치 제조비용을 줄일 수 있다. 이를 위해선 첫째, 올바른 기계 하드웨어를 선택해야 목표 달성이 가능한 시스템을 조성할 수 있다. 둘째, 제조 플랫폼의 장비는 자동화된 위치 결정 장비에 연결돼야 한다.
  

나노미터 애플리케이션의 경우 피에조 및 직접 구동 서보 모터 플랫폼이 이상적이다. 제어 시스템에서 스크류 또는 기어 구동 시스템보다 더 많은 대역폭을 활용한다. 피에조 및 직접 구동 서보 모터 플랫폼은 모션 프로파일 실행 시간을 줄이고 기계 처리량을 증가시킨다.

나노 공정의 미래

나노 광학 장치 제조를 위한 자동화 생산 플랫폼을 구축한 기업은 경쟁에서 앞서 갈 것이다. 이때 자동화 시스템의 견고성과 처리량을 우선순위에 두면 장비를 선택하는 데 도움이 된다. 각각은 차세대 광학 장치 제조 공정의 나노 성능을 결정하는 중요한 기준이 된다.

자료 제공: Aerotech(www.areotech.com)