옵티컬 엔코더를 활용한 에어 베어링 스테이지
에어 베어링은 반도체, 태양광 발전, 정밀 가공 같은 다양한 첨단 산업의 정밀 장비에서 널리 사용되고 있는 기술이다. 공기나 다른 기체를 윤활제로 사용하여 공기 쿠션을 통해 비접촉 표면을 지지하는 이러한 베어링은 슬라이더가 모션 스테이지 내에서 플로팅 상태로 이동할 수 있게 만든다. 이러한 스테이지를 리니어 모터, 옵티컬 엔코더와 결합하면 압도적인 수준의 성능을 확보할 수 있다.
이와 관련하여 TOYO Nano System Corporation은 특허 받은 공면 메커니즘 설계와 Renishaw의 고정밀 옵티컬 엔코더를 위치 피드백 시스템으로 사용하는 모션 스테이지를 개발해 혁신의 선두주자로 자리잡았다.
TOYO의 고급 솔루션은 마이크로 및 나노 수준의 모션 스테이지 기능을 제공하면서 산업의 비용 효율성을 극대화시켜 준다.
에어 베어링의 원리와 이점
시중의 에어 베어링은 일반적으로 정압과 동압으로 나눌 수 있다. 정압 에어 베어링은 모션 스테이지에서 흔히 사용한다. 압축 공기 또는 질소, 아르곤, 이산화탄소 같은 다른 기체를 외부에서 주입 하는 방식으로 작동한다.
공기가 스로틀(throttle)을 통과하여 슬라이더 하단부와 화강암 베이스의 가이드 레일 사이의 공기 간극 으로 들어간다. 그러면 해당 간극에 형성된 정압 공기막이 슬라이 더의 부하를 지지하고 가이드 레일 위에 슬라이더가 매달릴 수 있게 만든다. 공기막의 두께(유효 공기 간극)는 스테이지 설계와 모션 페어의 표면 마감 정확도에 따라 달라지며, 일반적으로 약 5 ~ 10μm이다.
Renishaw 옵티컬 엔코더 활용
스로틀(throttle)은 에어 베어링의 핵심 구성 요소이다. 부하가 증가하면 공기막이 압축되면서 강직도에 영향을 미친다. 공기막 두께와 베어링 강성을 유지하는 부하의 변화에 대응하여 스로틀이 간극으로 들어가는 압축 공기의 유량과 유속을 조절한다. 에어 베어링의 부하 용량과 성능 특성은 채택한 스로틀 기술과 긴밀한 관련이 있으며, 각각의 제조업체는 성능 최적화를 위해 스로틀 기술을 자체 개발한다.
TOYO 부사장인 Deng Gui Dun은 “TOYO가 설계한 스로틀 구성 요소는 에어 베어링 스테이지 내 화강암 구조에 직접 내장되어 있어 외부 스로틀 보디를 보유한 일반적인 에어 베어링 스테이지 들과 달리 구조적으로 더 단순하며 조립이 쉽고 강직도와 적재 용량이 우수하다”고 말했다.
TOYO의 에어 베어링 스테이지는 0.3μm의 반복도(300 mm 스트로크 기준)로 높은 수준의 6자유도 정확도를 제공한다. XY 스테이지의 경우 수평면과 수직면에 X축과 Y축을 쌓는 설계로 인한 오차 누적 문제를 같은 기준면을 공유하여 해결할 수 있는 공면 구조 설계를 채택하고 있다.
일부 스테이지 모델은 최대 10g의 가속도를 달성할 수 있는데, 이 수치는 반도체, 평판 디스플레이, PCB, 레이저 노출 및 자동 광학 검사(AOI) 장비를 포함하여 대부분의 첨단 응용 분야 요구 사항을 충족하기에 충분한 수치이며 AOI 응용 분야가 가장 큰 비중을 차지한다. 검사 대상 물체를 스캔하고 이미징 처리해야 하는 AOI의 경우 속도를 안정적으로 제어해야 한다.
▲ TOYO의 에어 베어링 스테이지 구조
솔루션
에어 베어링은 마찰이 거의 없기 때문에 모션 스테이지가 아주 짧은 범위도 이동할 수 있다. 에어 베어링 모션 플랫폼의 공기막은 스테이지 베이스, 슬라이더 및 그 외 구성 요소의 표면 오차에 대한 에버리징 효과를 적용해 평탄도와 진직도를 향상시키고 속도 안정성을 개선한다.
그러나 정밀 위치 피드백은 여전히 옵티컬 엔코더에 의존한다. 예를 들어 TOYO의 고성능 에어 베어링 갠트리 스테이지 중 하나는 팽창률이 낮은 RELA ZeroMet 스케일을 갖춘 RESOLUTE 앱솔루트 옵티컬 엔코더를 사용한다.
이 스테이지의 반복도는 1µm 보다 우수하며 교차 빔의 편요각은 3 arc sec 미만이고 최대 속도는 1 m/s, X축과 Y축의 이동 거리는 각각 350 mm, 1200 mm이 다. RESOLUTE 엔코더의 분해능은 50nm이며 BiSSC 통신 프로 토콜을 통해 컨트롤러에 연결된다. 이 스테이지는 속도 리플이 낮아 PCB 프린팅이나 다이렉트 이미징(DI) 노광기와 같이 빠른 속도와 안정적인 움직임이 필요한 응용 분야에 적합하다.
▲ 에어 베어링 XY 리니어 스테이지
옵티컬 엔코더가 성능에 영향을 미치는 방식
고성능 모션 플랫폼을 생성하려면 고정밀 옵티컬 엔코더가 필요하다. 옵티컬 엔코더를 선택할 때에는 온도, 보간 오차, 지터 같이 환경과 응용 분야 측면에서 다양한 요구 사항을 고려해야 한다.
온도: 온도가 변화하면 옵티컬 엔코더 스케일의 열 수축이 유발 되며 특히 미크론 또는 나노미터 수준의 포지셔닝 정확도가 필요할 때 정확도에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 에어 베어링 스테이 지는 주로 화강암 모재와 열팽창 계수가 0에 가까운 인바(Invar) 스케일 같이 온도 변화에 민감하지 않은 소재를 사용한다.
보간 오차(SDE): 보간 오차는 축 동작의 평탄도에 직접적인 영향을 미치며, SDE가 낮으면 속도 리플도 줄어든다. 예를 들어 AOI 검사및 프린팅 응용 분야에서 낮은 SDE를 필요로 한다. Renishaw의 RESOLUTE 및 VIONiC 엔코더는 각각 30nm, 10nm 미만의 SDE 값을 가지므로 대다수의 요구 사항을 충족할 수 있다.
지터: 모든 엔코더는 내부 전자 장치와 관련해 고유한 불확실도를 가지며 지터는 이러한 불확실도의 지표로, 엔코더가 이동하지 않을때 엔코더의 위치 노이즈 출력으로 나타난다. 지터는 고정된 위치를 유지하려고 할 때 스테이지의 동작 안정성에 기여할 수 있다.
자료제공: Renishaw(www.renishaw.com)
