반도체 장비 시장 겨냥한 고정밀 모션 시스템

에어베어링이란?

베어링은 마찰을 줄여 부드러운 동작을 실현 가능케 하며 선형, 원형 동작 시 불필요한 동작, 즉 모션 에러율 또한 줄일 수 있으므로 정밀 모션 시스템에서 가장 중요한 부품 중에 하나이다. 에어베어링은 일반적인 베어링 대신 압축 공기를 주입해 하중을 버팀과 동시에 박막을 형성하여 마찰을 최소화할 수 있으므로 부드러운 동작을 실현하는 혁신적인 베어링 기술이다.

에어베어링이라고 하지만 사용하는 가스는 공기에만 국한되지 않고 순수 질소도 자주 사용한다. 이런 박막을 통해 플랫폼의 두 표면이 분리되어 접촉이 되지 않으므로 일반적인 베어링과 달리 마찰이 없고 마모, 파티클 생성도 일어나지 않는다. 마찰이 없기 때문에 에어 베어링은 고속 응용 분야에서 탁월하지만 특히 보다 정확하고 정밀한 위치 제어와 부드러운 움직임이 필요한 반도체, 디스플레이 산업 등 고정밀 산업 분야에서 필수적으로 사용되고 있다.

에어베어링 시스템의 요구사항

CDA (Clean Dry Air)는 에어베어링 시스템에서 최적화를 위해 필수적으로 요구되는 조건이다. 정밀 애플리케이션을 위한 에어베어링 시스템의 일반적인 에어 갭은 수 µm에서 최대 약 10 µm에 불과하다. 에어베어링 시스템에 주입되는 공기는 큰 입자와 기름 등의 오염물질을 제한하는 여과작업이 필요하다.

따라서 필터를 이용해 큰 입자를 제거하고 기름과 물도 제거하게 된다. 또한 활성탄 필터를 적용해 유증기와 탄화수소를 제거하여 오염 수준을 훨씬 더 낮추는 것이 중요하다. 마지막으로 멤브레인, 흡착식 또는 냉동방식의 건조기를 통해 공급된 공기가 응축되어 액화되지 않도록 유지하는 것이 중요하다. LAB Motion Systems는 고정밀 에어베어링 시스템에서 요구되는 주입공기 품질에 대해 ISO 8573-1:2010 Class 1.3.1 표준을 권장한다. 이 표준에 포함된 요구 사항은 다음과 같다.

CDA 외에도 일정한 압력을 유지할 수 있도록 에어 베어링 시스템에 맞춤 설계된 공급 압력 조절장치가 필요하다. 압력이 낮아질 경우 에어 베어링의 하중 용량이 감소하여 베어링 성능이 저하되고 궁극적으로 베어링 고착이 발생할 수 있다.

따라서 정확한 공기 압력을 모니터링해 모션 제어 장치가 일정 압력 이상에서만 모션을 수행하도록 하거나 특정 상황에서 시스템 보호를 위한 긴급정지 등의 기능도 필요하다. 에어베어링은 깨끗하고 건조한 환경이 필요하다. 에어베어링 시스템은 베어링 틈에서 공기가 배출되므로 자체적으로 먼지를 제거하는 기능을 가지고 있다.

따라서 먼지가 많은 환경에 대한 우수한 내성을 가지고 있다. 그렇지만 먼지가 날리거나 닦아낼 수 없는 밀폐된 공간일 경우 먼지가 쌓이지 않도록 주의해야 한다. 습기가 있거나 끈적끈적한 즉 제거가 어려운 먼지는 더욱 문제가 된다. 또한 에어 베어링 가이드에 오일 또는 물에 의한 오염은 절대적으로 피해야 한다. 이러한 오염이 발생할 경우 공급 압력이 달라질 수 있고 특히 습기가 베어링 갭으로 스며들 경우 에어 박막이 얇아져 마찰이 생기거나 최악의 경우 동작불능 상태(베어링 고착)가 될 수 있다.

에어베어링은 부하 및 사용 온도조건을 잘 체크해야 한다. 일반적으로 에어베어링은 기계 베어링에 비해 외력에 의한 부하용량이 더 제한된다. 따라서 이러한 문제를 해결되기 위해 코팅을 하거나 흑연표면을 적용하기도 한다. 그렇지만 외부에서 발생하는 특정 방향에서의 충격 등으로 인해서도 문제가 발생(CNC공작기계의 스핀들 충격 등)할 수 있으므로 왜곡을 최대한 억제할 수 있도록 정확한 마운팅 및 셋업 기술이 요구된다.

이러한 기술은 시스템의 정밀도와 부하 능력을 위해 필수적이며 특히 셋업 전 결합을 위한 부품 표면의 평탄도와 청결 조건 또한 중요하다. 에어베어링 시스템은 온도가 상승할 경우 부품의 열팽창에 의해 부품간 결합의 오차로 이어질 수 있으므로 최종적으로는 성능(정밀성)이 낮아질 수 있다. 따라서 고속 동작 시 열이 발생할 수 있는 리니어 모터 및 가이드에 쿨링 시스템을 적용하거나 레이저 용접과 같은 특수공정 시에는 열 관리가 필수적이다.

에어베어링 시스템은 최대한 평평한 베이스에 설치하는 것이 무척 중요하다. 평평하지 않은 면에 설치할 경우 수 µm에 불과한 에어 갭이 달라질 수 있으므로 이러한 오차에 의해 기계적인 손상까지 유발될 수 있다. 따라서 에어베어링 시스템은 화강암 베이스 위에 장착하는 것이 가장 이상적이다.

에어베어링 장점

마찰 및 마모가 없는 에어베어링은 고정 플랫폼과 모션플랫폼이 에어 갭에 의해 분리되는 구조이므로 마찰이 없다. 따라서 고 정밀 위치제어에서 요구되는 매우 우수한 반복성 및 무한한 분해능 구현이 가능하며 소음 및 진동도 무척 적다. 청결도는 클린룸 내 공정이 요구되는 반도체산업에서 필수적인 요구사항이다.

에어베어링 시스템은 마모가 없어 모션에 의해 발생될 수 있는 파티클이 없고 수명이 무한하다. 다만 클린룸의 오염을 방지하기 위해 시스템에 사용되는 베어링, 가이드 등 모든 부품들도 청결도 사양을 만족해야 한다. LAB Motion Systems는 이러한 청결도 사양을 위해 모든 부품을 ASML Grade 2 Cleanliness를 만족하도록 처리한다.

또한 시스템 제작 시 오염 차단을 위해 부품 어셈블리 및 사양검증을 위한 측정은 온도조절이 가능한 ISO 5 Cleanroom(40m2)에서 수행된다. 다이나믹 특성이 우수한 에어베어링은 우수한 강성과 감쇠(Damping) 특성을 가진다. 그 이유는 부하에 의해 가해지는 압력이 모션 플랫폼에 동일하게 적용되기 때문이다. 따라서 순간적인 동작이 요구되거나 일정한 속도로 모션제어가 필요한 경우에 유리하다. 또한 공정시간 감소를 위해 필요한 고속 모션제어에 특화된 시스템이다.

리니어 스테이지 및 에어베어링 스테이지

에어베어링 시스템의 요구 조건을 만족한다고 하더라도 고정밀 시스템을 위해서는 정확한 설계, 고성능 엔코더, 드라이버 & 컨트롤러 그리고 통합 제어 알고리즘 등 다양한 기술이 접목되어야 한다.

LAB Motion Systems는 고성능 모션 시스템의 개발 및 생산 분야에서의 경험을 바탕으로 정밀 엔지니어링에 대한 광범위한 지식을 제공하며 시스템 설계, 최첨단 베어링 기술, 고성능 다이렉트 드라이브 & 서보 드라이버 지식, 최첨단 고정밀 위치 피드백 및 통합 모션 제어 기술을 바탕으로 보다 완벽한 모션 제어 솔루션을 제공한다.

스탠다드 제품 중 리니어 스테이지는 화강암 베이스로 제작되며 Ironless 리니어 모터와 고 정밀 광학 엔코더를 적용해 우수한 위치 정밀도를 보장한다. 로테이션 스테이지는 볼베어링 & 에어베어링 타입으로 구분되며 자체 개발한 에어베어링 기술이 적용된 에어베어링 스테이지는 20nm 미만의 모션에러를 보장한다. LAB Motion Systems는 커스터마이징에 특화된 기술을 보유하고 있다.

따라서 고객이 원하는 사양 및 설치 조건에 만족하는 시스템 제작 및 공급이 가능하다. 또한 프로토타입으로 제작된 커스터마이징 제품은 이후에 생산될 모든 제품도 모두 동일한 성능을 낼 수 있도록 제작 및 공급되며 월별로 납품 가능 수량을 예측하여 보다 안정적이고 정확한 공급 스케쥴 제공도 가능하다. 라이모션은 에어베어링 뿐만 아니라 피에조, 피에조 모터 등 다양한 모션 제어 솔루션을 국내 시장에 선보이고 있으며 고진공, 극저온 등의 특수 환경에 대응되는 모션 솔루션 제공도 가능하다.

자료 제공: 라이모션시스템스(www.limotionsystems.com)