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초정밀 회전 오차 보상형 공기 베어링 스테이지의 설계 및 오차 보정에 관한 연구 = Design and error calibration of precision air bearing stage with yaw error compensation
서명 / 저자 초정밀 회전 오차 보상형 공기 베어링 스테이지의 설계 및 오차 보정에 관한 연구 = Design and error calibration of precision air bearing stage with yaw error compensation / 김경천.
저자명 김경천 ; Kim, Kyoung-Chon
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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초록정보

Recently, the information technology has developed dramatically in the world since invention of the PC. As development of information technology, it leads to require the large and high resolution display. The long range precision stage is the essential system to implement the large and high resolution display like as the LCD, OLED and PDP. The long range stage requires high thrust force to satisfy the high-throughout. Consequently, to support the development of the display industry, there are required performances that consist of the high thrust, the precise accuracy, and the long range motion. Nowadays, the most useable panel size of the LCD is the 8th generation size (2200x2500mm), however the 9th (2400x2800mm) or 10th (2880x3080mm) generation size are expected in the near future. To accord with these requirements, there are many efforts in the laboratories and companies. The dual servo stage has been introduced to achieve precise and fast motion. Although the dual servo stage has the advantage of good performance, the dual servo stage has some drawbacks that are cost of the system and heavy mass of the moving part. We proposed the single servo H type stage which can be possible to drive XYθz axis precisely. Proposed stage allows the θz motion without additional motor, amp and sensor. The flexure joint which equipped between the gantry stage and tandem linear motors makes the gantry stage rotated in θz axis. The flexure joint should be high stiffness except for θz axis to guarantee required motion stiffness of XYθ stage. We present design optimization frameworks on the flexure joint to satisfy the design settling time of the XYθ stage. The 6 DOF stiffness model of proposed flexure joint has been derived by analytical method using the mechanics of material. Using MATLAB’s Sequential Quadratic Programing (SQP), the size of the flexure joint is optimally designed for the highest stiffness in X, Y, Z, θx and θy. The 6 DOF stiffness modeling of the flexure joint is verified by the FEM results and experiment. We analyzed the dynamics of the H type stage in XYθz as in-plane motion to determine the dynamic response of the H type stage. The proposed XYθ stage is different from existing XYθ stage because of the flexure joint. Thus it is necessary that precise dynamic modeling of XYθ stage. We approach the dynamic model in two ways. First, the geometrical analysis method assumes that all components are rigid body. This method is suitable for analysis of XYθ stage without flexure joint. Second, the stiffness analysis method makes the dynamic modeling of XYθ stage considering of the stiffness of non-rigid components. The sensitivity analysis is performed in other to investigate the effect of the stiffness of the flexure joint and the air bearing on the natural frequency of XYθ stage. The position error calibration is performed to compensate the assembly error and manufacturing error of XYθ stage. We analyze the static position error of XYθ stage as sum of each moving parts using homogeneous transformation matrix. We simulate whole position error of XYθ stage to evaluate the position error compensation. The compensation of position error is verified by the interferometer in limited range covered by bar mirror. The precise gantry control algorithm is required to drive XYθ stage using flexure joint. The tandem linear motors ($y_1, y_2$) of proposed stage are driven separately to allow θZ axis motion. XYθ stage using flexure joint is controlled by the decoupled control algorithm in X, Y, θz axis for simple realization of yaw(θz) control of gantry stage.

정보 기술(Information Technology)은 PC의 등장 이후 급속도로 발전하였다. 정보 기술은 발전으로 디스플레이 산업의 발달을 초래하여 대면적, 고분해능 디스플레이를 요구하고 있다. 디스플레이 산업을 대표하는 LCD, OLED와 PDP 디스플레이에서 대면적, 고분해능을 달성하기 위해서 노광 공정 및 검사 공정에서 이용되는 위치 결정 기구인 스테이지의 성능이 중요하다. 특히, 앞서 설명한 대면적 고분해능 성능을 달성하기 위해서는 장행정 고정밀 스테이지 개발이 필요하다. FPD산업에서 널리 이용되는 H 타입 스테이지에서 장행정 고정밀 모션 구현시 스테이지 자체의 회전 오차는 지배적인 위치 오차이다. 스테이지의 회전 오차는 갠트리 스테이지를 구동하는 Y1, Y2축 모터 사이의 조립 오차 혹은 구동시 발생하는 동기 결여로 인해 회전 오차가 발생하거나 초기 시편과 스테이지의 정렬시에 회전 오차가 발생하게 된다. 따라서 장행정 고정밀 모션을 수행하기 위해서, 기존에는 H 타입 스테이지 상부에 회전 모터를 장착하거나 이중 서보 모터를 구현하여 회전 오차를 해결하려 했다. 하지만, 위와 같이 회전 모터나 이중 서보를 통해 구현하게 되면, 이동부의 무게가 증가하게 되어 고속 모션에 적합하지 않다. 또한, 추가적인 별도의 구동 장치와 센서, 제어기가 필요하게 되어 경제적 특성이 저하된다. 본 논문에서는 별도의 구동부 혹은 센서를 사용하지 않고, H 타입 스테이지만을 이용하여 회전 오차를 보상할 수 있도록, 갠트리 스테이지와 Y1, Y2축 구동 모터 사이에 회전 자유도를 갖는 유연 기구를 장착하여 정밀 회전 모션을 구현하도록 하였다. 스테이지 상에 고정밀 회전 모션을 구현하기 위해 정밀 회전 메커니즘이 필요하다. 일반적으로 이용되는 회전 메커니즘은 마찰을 수반하는 베어링 기구를 이용한다. 본 논문에서는 정밀 회전 모션을 위해 유연 기구를 이용하였다. 유연 기구는 재료의 탄성 변형을 이용하여 가이드하기 때문에 이동 변위가 제한되는 단점이 있다. 또한, 유연 기구는 원하는 모션을 제외한 방향의 강성이 형상에 좌우된다. 이를 고려하여 판 스프링을 원형 이동부 상에 동일 간격으로 8개의 판 스프링을 장착한 바퀴 형태의 유연 기구를 제안하였다. 제안된 유연 기구의 동특성을 고려 하기 위해 6자유도 강성을 해석적으로 모델링하고 이를 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다. 검증 결과 시뮬레이션 결과와 최대 12.7%오차를 갖고, 실험 결과와10.8%오차로 일치함을 확인하였다. 제안된 유연 기구를 이용하여 회전 오차를 보정 가능한 H 타입 스테이지의 동특성을 확인하기 위해 스테이지의 강성 요소인 가이드와 유연 기구의 강성을 이용하여 동적 모델링을 구하였다. 앞서 구한 동적 모델링을 이용하여 H 타입 스테이지가 원하는 안착 시간을 만족하도록 유연 기구부를 최적 설계를 수행 하였다. 최적 설계 수행 결과 원하는 Z축 회전 방향의 강성을 제외한 나머지 자유도의 강성이 Z축 회전 강성에 비해 14배 이상 크도록 설계하였다. 이렇게 설계 함으로써, H타입 스테이지가 X축과 Y축 방향으로 2um 스텝 입력에 대해 2%이내로 안착 시간을 측정한 결과 각 X축과 Y축 방향에 대해서 각각 163ms, 73ms로 목표 안착 시간인 300ms보다 빠름을 확인할 수 있다. 제작된 H 타입 스테이지의 위치 오차를 보정하기 위해 HTM(Homogeneous Transformation Matrix)를 이용하여 스테이지의 각 기구부에서의 위치 오차를 이용하여 전체 H 타입 스테이지의 위치 오차를 모델링하였다. 앞서 스테이지 모델링된 위치 오차를 이용하여 실제 스테이지에 look up table을 이용하여 보상 실험을 수행하여 위치 오차 모델을 검증하였다. 위치 오차 보상 결과 X, Y축과 θz 회전 축의 오차가 각각 RMS로 0.76μm, 1.25μm와 1.21arcsec에서 0.18μm, 0.28μm, 0.34arcsec로 감소함을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 11003
형태사항 viii, 82 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Kyoung-Chon Kim
지도교수의 한글표기 : 권대갑
지도교수의 영문표기 : Dae-Gab Gweon
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 76-78
주제 스테이지
유연 기구
위치 오차 보정
동적 해석
높은 구조 강성
H type stage
Flexure joint
Position error calibration
Dynamics analysis
High structure stiffness
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