This paper describes the design analysis and performance evaluation of a vacuum-compatible air bearing, which is designed to minimize the leakage of air in the vacuum environments using a cascaded exhaust scheme. Since several design parameters for vacuum-compatible air bearings equipped with a differential exhaust system have a great influence on the leakage of air and thus the degree of vacuum, the air bearing design is not an easy task. To name a few important design parameters, they are the number of exhaust stages, diameter and length of the exhaust tube, pumping speed and ultimate pressure of the vacuum pump, and seal length and its gap. To estimate the influence of design parameters on the degree of vacuum, the leakage analysis has been performed. An optimization method based on the genetic algorithm is proposed for optimum design of these parameters under several constraints. The results show that our proposed optimization method dramatically improved the degree of vacuum compared to the initial design. Our proposed method made the distribution of the spatial design parameters well established and technical limit of the pumping speed computed. Static performance such as load capacity and stiffness of the vacuum air bearing is also analyzed, and it was noticed that static performance is improved when the boundary pressure of the bearing is reduced. If the boundary pressure is atmospheric pressure, the vacuum air bearing has the same performance as the air bearing operating in atmosphere conditions.
A vacuum chamber and an air bearing stage were fabricated. The chamber pressure was achieved up to the order of $10^{-3}$ Pa with the air bearing stage operating inside the chamber. Predicted values from leakage analysis were verified from the experiment. Pressure rise phenomenon while the air bearing stage moves, was analyzed theoretically and verified experimentally. It turns out that tilting of the bearing due to acceleration has no effect on it at all, because the tilting time is very short. It is proved that the causes of pressure rise are dynamic pressure due to velocity, ?. and adsorption and outgassing from the surface of guide rail. The dynamic pressure is inevitable if the bearing has mechanical movements. However, pressure rise due to the adsorption and outgassing can be suppressed by coating the surface with TiN which has a lower adhesion probability of gas molecules. It is especially effective when the air bearing operates in low vacuum condition, because pressure rise increases with low vacuum condition.
진공환경용 공기베어링은 전자빔 노광장비나 고밀도 광학디스크 마스터링 장비를 위한 초정밀 스테이지에 가장 적합한 베어링으로써, 본 논문에서는 공기베어링을 진공환경에서 사용하기 위한 설계방법 및 진공도에 초점을 맞춘 성능평가에 대해 다루었다. 진공환경에서의 공기베어링은 기존의 대기용 베어링과는 달리, 공기의 누출량을 최소로 할 필요가 있으며, 경계압에 따라 정적성능이 달라지므로 이에 의한 영향을 분석할 필요가 있다. 진공환경용 공기베어링의 경계압을 고려하여 해석을 수행한 결과, 경계압이 낮아질수록 부하용량이나 강성이 향상되었으며, 경계압을 대기압으로 설정하면 일반 대기용 베어링과 동일한 성능을 나타내었다. 진공환경용 공기베어링은 진공챔버 내로 누출되는 양을 최소화하기 위하여 차동배기방법을 적용하여 설계하였으며, 다공질 패드에서 방출된 유량까지 고려하여 누출량 해석을 수행하였다. 누출량 해석을 통하여 차동배기시스템을 구성하는 설계변수들인, 배기단계의 개수, 배관의 직경 및 길이, 진공펌프의 배기속도 및 도달압력, 씰의 길이 및 간극 등이 챔버의 진공도에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 제한조건 내에서 설계변수들의 최적화를 위하여 유전알고리즘을 이용한 최적설계 방법을 제안하였으며, 해석적인 검증을 통하여, 제한된 공간적인 조건 내에서 씰의 길이 및 배관 직경의 분배가 잘 이루어졌고 펌프의 기술적인 한계값도 잘 계산되었음을 확인하였다. 진공챔버와, 다공질 공기베어링을 이용한 진공스테이지를 제작하고 공기베어링의 성능평가를 수행하였다. 진공챔버 내에서 공기베어링을 작동시킨 결과, 4e-3 Pa 의 진공도를 달성할 수 있었으며, 실험결과를 이론적인 예측값과 비교해 봄으로써 누출량 해석의 타당성도 검증하였다. 또한 베어링 구동시에 발생하는 압력증가 현상을 이론적으로 규명하고 실험을 통하여 확인하였다. 압력증가의 원인은 베어링의 이송속도에 의한 동압효과와, 베어링이 정지시에 레일에 흡착되어 있던 공기분자들이 구동시에 진공환경에 노출되면서 방출되는 영향에 의한 것으로 판명되었다. 베어링의 동압효과에 의한 압력증가는 베어링의 구동이 있다면 항상 발생하는 것으로, 그 해결책을 논하는 것은 의미가 없다. 그러나 레일의 기체흡착 및 방출에 의한 영향은 레일표면을 기체흡착에 대해 불활성인 TiN 박막으로 코팅함으로써 압력증가를 억제할 수 있었다. 또한 챔버의 진공도가 높아질수록 베어링 구동에 의한 압력증가가 크게 나타나고 있어, 현실적인 해결책인 레일 표면처리의 역할이 더욱 중요해질 것으로 판단된다.
