고정밀 회전 및 이송이 가능한 신개념 원통형 자기부상 스테이지 :Novel cylindrical magnetic levitation stage for rotation as well as translation along axles with high precisions

전정우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 전정우 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

발행연도: 2013

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이용수8

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2013

고정밀 회전 및 이송이 가능한 신개념 원통형 자기부상 스테이지

전정우 전기공학과 2013.01 학위논문

2012

고정밀 회전 및 축방향 이송을 위한 신개념 원통형 자기부상 스테이지

전정우 , MiticaCa , aiani 외 5명 전기학회논문지 2012.12 학술저널

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본 논문은 원통을 부상은 물론 나노급 고정밀로 회전 및 이송할 수 있는 신개념 원통형 자기부상 스테이지에 관한 것이다. 이러한 특징은 진공 환경에서 전자빔 리소그래피를 이용하여 원통 표면상에 나노패턴을 만들기에 유용하다. 나노패턴이 되어 있는 원통 금형은 차세대 나노패턴 제품(예를 들면, 디스플레이용 나노패턴 광학필름, 나노패턴 태양전지, 나노패턴 전자회로, 나노패턴 복제방지 등)을 대량생산 할 수 있는 롤러형 나노임프린트 리소그래피(RNIL)에 적용될 수 있다. 본 연구에서 개발하고자 하는 원통형 자기부상 스테이지에서 요구되는 자기부상력을 계산하기 위해 다음의 두 가지 방법이 사용되었다. 첫 번째 방법은 2차원 FEM 해석이고, 두 번째 방법은 수학적인 모델링 방법이다. 두 가지 방법으로부터 구한 자기부상력이 서로 비슷함을 확인하였다. 수학적인 모델은 Lead-Lag 보상기와 함께 동적 시뮬레이션을 위해 사용되었다. 영구자석의 상부에 자기부상 보조판을 추가하는 것을 제안하여, 권선 모듈에 요구되어지는 전류를 줄였다. 이것은 향후 진공 중 동작시 발생되는 열 문제를 최소화하는데 유용하다. 시뮬레이션 결과는 보조판을 포함한 신개념 원통형 자기부상 스테이지가 Lead-Lag 보상기에 의해 안정하게 부상되고 제어됨을 보였다. 전자기 해석 및 시뮬레이션 결과를 바탕으로 원통형 자기부상 스테이지를 상세 설계하고 제작하였다. 가동부는 Halbach 영구자석 배열을 원통형으로 제작하였으며, 회전용과 직선이송용을 각각 제작하여, 원통시편을 중심으로 양쪽에 결합되는 구조이다. 고정부는 코어리스형 3상 권선을 반 원통형으로 제작하였으며, 가동부와 마찬가지로 회전용과 직선이송용을 각각 제작하여, 가동부에 대응되는 구조이다. 가동부의 위치를 나노급으로 측정하기 위해, 축방향 이송 (X축)은 1 [nm] 분해능의 레이저 간섭계로, 회전 (Roll축)은 5 [nm] 분해능의 광학식 로터리 엔코더로, 수직 (Z축)과 수평 (Y축)은 7.8 [nm] 분해능의 정전용량식 갭 센서를 사용하여 측정하였다. 제어시스템은 상위 제어기로 VME Bus 제어기를, 하부 제어기로 DSP 제어기를 사용하였으며, 스위칭 잡음을 없애기 위해 고효율 스위칭 앰프 대신 리니어 앰프를 적용하였다. 제작된 테스트벤치를 이용하여, 자기부상 시험을 수행한 결과, 정지 위치 정도는 [X, Roll, ZT, ZR, YT, YR] ≤ [±30, ±30, ±600, ±600, ±200, ±200] [nm] 이고, 나노급 제어가 가능함을 확인하였다. 그리고 본 연구에서 개발된 원통형 자기부상 스테이지는 당초 목표인 360[°] 회전과 300 [mm] 축방향 이송이 가능함을 확인하였고, 또한 회전과 축방향으로 각각 독립적인 스텝이송 제어는 물론, 회전과 축방향으로 동시 제어가 됨을 확인하였다. 향후, 본 연구에서 개발된 원통형 자기부상 스테이지는 나노급 패터닝이 가능한 전자빔과 결합된 신개념 원통형 나노 노광장비 개발에 적용된다. 이 원통형 나노 노광장비를 이용하면, 나노패턴이 새겨진 원통 금형을 제작할 수 있으며, 나노패턴 원통 금형을 이용한 롤러형 나노임프린트 리소그래피(RNIL) 기술의 상용화에 기여할 것으로 기대한다.

In this paper, a novel cylindrical magnetic levitation stage is introduced. This concept is came from planar-typed magnetic levitation stage. The proposed stage is composed of cylinder-typed permanent magnet array and semi-cylinder-typed 3 phase winding module. When a proper current is induced at winding module, a magnetic levitation force between the permanent magnet array and winding module is generated. The proposed stage can precisely move the cylinder to rotations and translations as well as levitations with the magnetic levitation force. This advantage is useful to make a nano patterning on the surface of cylindrical specimen by using electron beam lithography under vacuum. Two methods are used to calculate required magnetic levitation forces. The one is 2D FEM analysis, the other is mathematical modeling. This paper shown that results of two methods are similar. An assistant plate of magnetic levitation is introduced to reduce required currents of winding module for levitations in vacuum. The mathematical model of cylindrical magnetic levitation stage is used for dynamic simulation of magnetic levitations. A lead-lag compensator is used for control of the model. Simulation results shown that the detail designed model of the cylindrical magnetic levitation stage with the assistant plate can be controlled very well. Test Bench was composed of cylindrical mover parts (permanent magnet), stator parts (3-ph winding), and sensor system with nano-resolution. A levitation test is succeeded and the errors in positioning after levitation are about [X, Roll, ZT, ZR, YT, YR] ≤ [±30, ±30, ±600, ±600, ±200, ±200] [nm]. It can move rotations on Roll axis as well as translations on X axis with constant speed. For the furthermore, first of world, i will propose electron beam lithography tool for cylindrical specimen using the developed novel cylindrical magnetic levitation stage.

#고정밀회전 #자기부상스테이지 #원통형자기부상 #전자빔리소그래피 #리소그래피

I. 서론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구기술 개발동향 8
1.2.1 자기베어링 기술 9
1.2.2 베어링리스 모터 기술 13
1.2.3 평판형 자기부상 스테이지 기술 18
1.3 연구목적 및 목표사양 21
1.3.1 연구목적 21
1.3.2 목표사양 23
1.3.3 논문개요 27
II. 원통형 자기부상 스테이지 설계 29
2.1 개념설계 29
2.2 상세설계 32
2.3 자기부상력 발생원리 37
2.4 자기부상 보조판의 도입 37
III. 원통형 자기부상 스테이지 모델링 39
3.1 전자기 해석 모델 39
3.2 보조판의 전자기 FEM 해석 42
3.3 수학적 모델 44
3.4 동적모델링 47
3.5 시뮬레이션 50
IV. 원통형 자기부상 스테이지 제작 52
4.1 가동부 제작 54
4.2 고정부 제작 56
4.3 측정시스템 구성 58
4.4 제어시스템 구성 60
4.5 시험장치 구성 64
V. 원통형 자기부상 스테이지 제어 알고리즘 66
5.1 상위 제어기용 알고리즘 구성 66
5.2 하부 제어기용 알고리즘 구성 68
VI. 실험 결과 72
6.1 자기부상 시험 72
6.2 스텝이송시험 78
6.3 360 [°] 회전 및 300 [mm] 직선이송 시험 82
6.4 회전/직선이송 동시 시험 (지그재그 이송 시험) 85
6.5 실험결과 종합정리 88
VII. 결론 90
VIII. 향후계획 및 기대효과 92
8.1 향후계획 92
8.2 기대효과 93
참 고 문 헌 94
부 록 105
A. 기호목록 105
B. 자기부상 시험결과 추가 108
B-1. 직선이송 시험 108
B-2. 회전 시험 #1 110
B-3. 회전 시험 #2 112
B-4. 회전 시험 #3 114
B-5. 회전 시험 #4 116
B-6. 회전 및 직선이송 시험 #1 118
B-7. 회전 및 직선이송 시험 #2 120
C. 30 [keV] 전자빔 시스템 사양 122
Abstract 123
감사의 글 125

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