초정밀 스테이지의 성능 최적화를 위한 설계변수의 결정

Abstract

첨단 산업의 발달로 인해 제품에 대한 요구사항이 고정밀화, 소형화, 경량화 되었다. 이에 따라 나노정밀기술의 발달에 대한 수요가 증가하고 기대치는 점점 높아지고 있다. 특히, 반도체 공정, AFM(Atomic Force Microscope) 및 STM(Scanning Tunneling Microscope) 등이 필요로 하는 미세 부위에 대한 고정밀 작업의 필요성이 대두되고 있는 추세이다. 이러한 초정밀 위치 결정 기술을 이용한 초정밀 스테이지를 개발하는 방법은 여러 가지이다. 그중 유연힌지를 이용한 단일 구조의 초정밀 스테이지를 연구하고자 한다. 유연힌지는 부드럽고 연속적인 운동을 제공하며, 나노미터의 분해능을 갖고, 응답속도가 빠르며, 마찰구조가 없는 구조를 가지고 있어 내마모성이 우수한 특성을 가지고 있다. 본 논문은 초정밀 스테이지의 성능 최적화를 위한 설계변수를 찾고자 함이다. 먼저 초기모델을 생성하고 유한요소해석 상용 툴인 ANSYS를 이용하여 구조해석을 실시하였다. 본 논문에서 설계한 유연힌지는 와이어 커팅이 쉽고 온도에 따른 열 변형을 최소화기 위해 알루미늄 합금 중 2014-T6를 이용하였다. 압전소자에서 가해지는 힘은 변위(displacement)로 y축 방향으로 0.03mm 가해지게 되며, 경계조건은 외곽 및 다른 부품과 결합되는 부분이 x, y, z축 방향 모두 고정 되도록 설정하였다. 초정밀 스테이지의 두께는 5mm로 설정하였고, 여러 개의 유연힌지로 이루어져 있다. 힘이 가해질 시에 최대응력이 재료의 항복응력을 넘어서지 않아야 하며 변위증폭비는 최대화가 되어야 한다. 초기 모델로 해석한 결과를 이용하여 초정밀 스테이지 중 응력이 높은 부분을 찾고, 이를 근거로 설계변수를 선정하였다.

상용 툴 ANSYS에서 ANSYS 언어인 APDL을 이용하여 앞에서 설정한 변수들로 모델링을 하고, 변수의 값이 변하여 형상이 변할 시 자동으로 유한요소 모델링이 바뀌도록 설정하였다. 또한 결과 값으로 응력과 변형률, 변위증폭비를 저장하도록 프로그래밍 하였다. ANSYS에서 만든 APDL 데이터를 이용하여 PIDO툴인 PIAnO에서 목적함수와 구속조건 등을 모두 만족하는 설계변수를 찾는 최적 설계를 수행하였다. 순차적 근사화 기법(sequential approximate optimization technique)인 STDQAO 알고리즘을 이용하였으며 각 변수들은 일정 범위 안에서 조건을 만족하는 최적의 설계 값을 도출할 수 있었다. 초기 모델대비 최대응력에 대한 구속조건을 만족하면서 목적함수인 변위증폭비를 28.32% 증감시킨 최적해를 구할 수 있었다.