KR101081456B1 - 압전소자를 이용한 나노스테이지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전 액츄에이터를 이용한 나노스테이지에 관한 것으로서 보다 자세하게는, 지지부(20)와, 한쪽 끝단이 지지부(20)에 회전가능하게 결합되어 있는 제1 링크(31)와, 한쪽 끝단이 지지부(20)에 회전가능하게 결합되어 있는 제2 링크(32)와, 일단부는 상기 제1 링크(31)와 결합하고, 타단부는 상기 지지부(20)에 고정되어 있는 제1 액츄에이터(41)와, 일단부는 상기 제2 링크(32)와 결합하고, 타단부는 상기 지지부(20)에 고정되어 있는 제2 액츄에이터(42)와, 일단부는 상기 제1 링크(31)의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있고, 타단부는 상기 제2 링크(32)의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있는 가동부를 포함하는 나노스테이지에 관한 것이다.
압전 액츄에이터, 나노스테이지
Description
본 발명은 압전 소자 기반의 나노 스테이지에 관한 것으로, 특히 압전 소자를 이용하여 회전 및 이송을 한꺼번에 구현하는 나노 스테이지에 관한 것이다.
일반적으로 나노미터 수준의 초정밀 계측기술 및 공정제이기술은 광학부품과 같은 고정도 부품의 형상을 단시간에 측정하거나, 초고집적화 반도체 공정에서 마스크 선폭을 측정하며, 레이저로 초정밀 치수의 형상을 미세가공하는 등의 다양한 분야에 걸쳐 점차 활용성이 증대되고 있다.
이러한 나노 소자 기술에 관련되는 장치로는 접속 이온빔(FIB: Focused Ion Beam) 장치와 전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope) 장치가 있으며, 대상 소재의 위치를 미세하게 제어하기 위한 스테이지 등이 있다.
기존의 나노 스테이지들은 일반적으로 직선이송용 나노 스테이지나 회전운동용 나노 스테이지로 구분이 된다. 도 6에는 종래의 직선이송용 나노 스테이지의 모습을 보여준다. 기존의 직선이송용 나노 스테이지는 위치결정기구(11)의 이동을 위한 AC 서브모터와 리드스크류 시스템을 활용하고 있고, 최근에는 더욱 미세한 이 동을 위해 압전 소자(구동기, 액츄에이터)를 이용하기도 한다. 그리고 변위 피드백은 레이저 인터페로메터(Laser Interferometer)를 이용하여 변위를 측정하고 이를 실시간으로 피드백한다.
이러한 이송나사기구를 이용한 위치결정기구(11)의 상부에 압전 구동기를 이용한 미세 위치결정기구(12)가 설치된 구성은, 각각의 위치결정기구(11, 12)가 독립된 구동방식으로 되어 있어, 스테이지 전체 영역에 대한 정밀한 미소변위이동의 구현이 어렵다. 또한 각 위치결정기구(11, 12)의 변위를 측정하기 위해서는 각각의 스케일(14, 15)이 구비되어야만 하는 문제점도 있었다. 즉, 각 위치결정기구(11, 12)가 독립된 구동방식이므로 변위의 피드백 제어를 위한 시스템이 각 위치결정기구에 각각 제공되어야만 하지만, 미세 위치결정기구를 위한 피드백 제어시스템을 구축하기 위해서는 많은 공간과 함께 복잡한 설치구조가 요구되므로, 컴팩트한 구조로 정밀한 미소변위의 구현이 어려운 문제점을 갖고 있다.
이러한 많은 구성요소를 가지고 나노 스테이지를 구현하기 위해서는 각각의 구성요소를 하나의 시스템으로 조립을 해야 하는데, 조립시 많은 오차와 이상 동작이 발생하게 되는 문제점이 있다.
또한, 회전운동용 나노 스테이지를 구현하기 위해서는 별도의 회전형 모터를 이용해야 하며, 이의 제어를 위해서는 별도의 부가 구성요소를 두어야 하므로 구성이 매우 복잡해지는 문제점이 있다.
이러한 구조적인 문제점으로 인해 종래의 나노 스테이지는 적용처가 매우 제한되어 있는 문제점이 있다. 또한, 직선 이송과 회전이 동시에 가능한 장비는 그 구조가 매우 복잡하고 제한되어 있다.
본 발명은 종래의 AC 서보모터와 위치결정기구의 이동을 구속하는 리드스크류를 이용한 나노 스테이지가 갖는 구조적인 복잡함과 적용처의 제한을 극복하기 위해 도출된 것이다.
본 발명은 압전 소자를 이용하여 다양한 장치에 적용이 가능하도록 구조가 단순하면서, 직선 이송과 회전운동을 동시에 구현할 수 있는 나노 스테이지를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해,
지지부(20)와, 한쪽 끝단이 지지부(20)에 회전가능하게 결합되어 있는 제1 링크(31)와, 한쪽 끝단이 지지부(20)에 회전가능하게 결합되어 있는 제2 링크(32)와, 일단부는 상기 제1 링크(31)와 결합하고, 타단부는 상기 지지부(20)에 고정되어 있는 제1 액츄에이터(41)와, 일단부는 상기 제2 링크(32)와 결합하고, 타단부는 상기 지지부(20)에 고정되어 있는 제2 액츄에이터(42)와, 일단부는 상기 제1 링크(31)의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있고, 타단부는 상기 제2 링크(32)의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있는 가동부를 포함하는 나노스테이지를 제공한다.
또한, 본 발명은 다른 실시예로서, 지지부와, 한쪽 끝단이 지지부(20)에 회 전가능하게 결합되어 있는 제1 링크(31)와, 한쪽 끝단이 지지부(20)에 회전가능하게 결합되어 있는 제2 링크(32)와, 일단부는 상기 제1 링크(31)와 결합하고, 타단부는 상기 제2 링크(32)와 결합되어 있는 액츄에이터와, 일단부는 상기 제1 링크(31)의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있고, 타단부는 상기 제2 링크(32)의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있는 가동부를 포함하는 나노스테이지를 제공한다.
또한, 본 발명은 지지부와, 한쪽 끝단이 지지부(20)에 회전가능하게 결합되어 있는 제1 링크(31)와, 한쪽 끝단이 지지부(20)에 회전가능하게 결합되어 있는 제2 링크(32)와, 일단부는 상기 제1 링크(31)와 결합하고, 타단부는 상기 지지부(20)에 고정되어 있는 액츄에이터와, 일단부는 상기 제1 링크(31)의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있고, 타단부는 상기 제2 링크(32)의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있는 가동부를 포함하는 나노스테이지를 제공한다.
상기 가동부는, 한쪽 끝단이 상기 제1 링크의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있는 제3 링크(33)와, 한쪽 끝단이 상기 제2 링크의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있는 제4 링크(34)와, 양끝단이 상기 제3 링크(33) 및 제4 링크(34)와 회전가능하게 결합되어 있는 제5 링크(35)를 포함한다.
상기 제1 링크와 제2 링크는 상기 가동부와 일체로 형성되어 있고, 각각의 링크의 연결부의 폭은 링크의 다른 부분의 폭보다 작게 형성되어 링크 간의 회전이 가능하다.
상기 지지부는 상기 가동부 측으로 돌출한 돌출부(21)를 더 포함하고, 상기 액츄에이터의 타단부는 상기 돌출부(21)에 고정되어 있다.
상기 액츄에이터는 전기 신호를 입력받아 기계적 변형을 일으키는 압전 액츄에이터이다.
본 발명은 단순한 구조의 나노 스테이지를 제공하여 다양한 장치에 조립이 간편하고 저가화를 제공하고 있고, 치수 변경을 통해 다양한 이송범위를 가질 수 있어 사용 제한성을 극복하는 효과를 제공한다. 종래의 나노 스테이지는 주로 기저부(base part)에 부착되어야 하지만, 본 발명은 로봇손과 같은 끝단에 활용이 가능하다.
또한, 별도의 위치결정기구 및 조립부가 존재하지 않아 조립오차 및 이상 동작 발생이 없는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 직선 이송과 회전운동을 하나의 액츄에이터를 이용하여 구현이 가능한 장점이 있고, 종래의 기술과 달리 회전 중심의 변경도 가능한다.
이하 도면을 중심으로 본 발명에 의한 나노스테이지에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 압전소자를 이용한 나노스테이지의 평면도이다.
본 발명에 의한 나노스테이지는 지지부(20)와, 한쪽 끝단이 지지부(20)에 회전가능하게 결합되어 있는 제1 링크(31)와, 한쪽 끝단이 지지부(20)에 회전가능하 게 결합되어 있는 제2 링크(32)와, 일단부는 제1 링크(31)의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있고, 타단부는 제2 링크(32)의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있는 가동부를 포함한다.
지지부(20), 제1 링크(31), 제2 링크(32), 그리고 가동부는 서로 연결되어서 하나의 폐쇄된 공간을 형성하게 된다.
도 1을 참조할 때, 가동부는 한쪽 끝단이 제1 링크의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있는 제3 링크(33)와, 한쪽 끝단이 제2 링크의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있는 제4 링크(34)와, 양끝단이 제3 링크(33) 및 제4 링크(34)와 회전가능하게 결합되어 있는 제5 링크(35)를 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 가동부는 본 발명의 용도에 따라서 각기 다른 개수의 링크로 구성될 수 있음은 자명하며, 3개의 링크로 구성된다는 것이 본 발명의 권리범위를 한정하지는 않는다.
가급적이면 가동부는 상호 대칭의 형상으로 제공되는 것이 바람직하다.
제1 링크(31)와 제2 링크(32)를 구동시키면 이에 연결되어 있는 제3 링크(33), 제4 링크(34) 그리고 제5 링크(35)가 구동되는 구조이다. 제1 링크(31)와 제2 링크(32)를 구동시키기 위해서는 액츄에이터를 사용한다. 본 실시예에서는 각각의 링크를 구동하기 위해 두 개의 액츄에이터를 사용하고 있다. 제1 액츄에이터(41)의 일단부는 제1 링크(31)와 결합하고, 타단부는 지지부(20)에 고정되어 있다. 제2 액츄에이터(42)의 일단부는 제2 링크(32)와 결합하고, 타단부는 지지부(20)에 고정되어 있다.
본 발명에서 액츄에이터는 압전 액츄에이터인 것이 바람직하나, 이것으로 본 발명의 권리범위는 한정되지 않는다.
액츄에이터의 표현을 사용하였지만, 이는 단순한 압전 소자의 개념도 포함하는 넓의 의미를 나타낸다.
압전 소자는 피에조전기 소자라고도 한다. 압전기란 어떤 종류의 결정판에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하는 양, 음의 전하가 나타나는 현상을 말한다. 한편 반대로 전기를 줘서 물체를 기계적으로 변형시킬 수도 있다. 전기는 매우 작은 스케일까지도 컨트롤이 되기 때문에, 압전 소자가 전기에 비례해서 물체가 변형된다는 성질을 이용하면, 매우 작은 스케일의 움직임 내지는 거리를 재는 기능을 할 수도 있다. 수정, 전기석, 로셀염 등이 일찍부터 압전 소자로서 이용되었으며, 최근에는 티탄산바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민 등의 인공결정도 압전성이 뛰어나 압전 소자로 이용된다.
이러한 압전 소자를 이용한 압전 액츄에이터는 미세한 제어가 가능하기 때문에 나노단위의 변위를 제어하는 나노스테이지에 사용되는 것이 바람직하다.
도 1에 보여지는 바와 같이 상기 지지부는 상기 가동부 측으로 돌출한 돌출부(21)를 더 포함할 수 있다. 가급적 제1 링크(31)와 제2 링크(32)를 이에 수직한 방향으로 힘을 작용해야 힘의 효율을 극대화 할 수 있다. 따라서 이를 위해 돌출 부(21)를 형성하고, 액츄에이터의 타단부를 돌출부(21)에 고정시키는 것이 바람직하다. 도 1에서는 돌출부(21)를 제1 링크(31)와 제2 링크(32)의 사이에 위치하는 것으로 되어 있으나, 바깥의 양쪽에 제공되는 것도 가능하다.
지지부(20)는 로봇손 등과 같은 움직임을 제어하는 요소의 끝단에 부착됨으로써 제공된다. 종래의 나노스테이지와는 달리 다른 복잡한 구성요소를 포함하고 있지 않기 때문에 공간 등의 제약성은 크지 않다. 제5 링크(35)에 위치제어에 필요한 구성요소가 제공되어, 작업을 수행할 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 나노스테이지의 작동과정에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 의한 압전소자를 이용한 나노스테이지의 개략도이고, 도 3은 본 발명에 의한 압전소자를 이용한 나노스테이지의 동작상태를 나타낸 개략도를 나타낸다.
도 2에 보여지는 바와 같이 각각의 링크는 직선으로 표시하였고, 액츄에이터는 화살표로 표시하였다.
도 3의 왼쪽 그림은 직선 이송 방법을 구현하고 있다. 2개의 액츄에이터(41, 42)를 동시에 같은 크기만큼의 동작을 하게하여 직선이송이 발생하게 된다. 즉, 압전 액츄에이터에 원하는 전기적 신호를 제공함으로써 그 길이를 늘리거나 줄일 수 있는데, 늘리는 경우에는 제1 링크(31) 및 제2 링크(32)가 지지부(20)와 이루는 각도가 줄어들게 되어 제3 링크(33), 제4 링크(34) 및 제5 링크(35)가 지지부(20) 방향으로 이동하게 된다. 반대로 줄이는 경우에는 제1 링크(31) 및 제2 링크(32)가 지지부(20)와 이루는 각도가 수직에 가깝게 되어 제3 링크(33), 제4 링크(34) 및 제5 링크(35)가 지지부(20)와 멀어지는 방향으로 이동하게 된다. 이로써 직선 이송 방법이 구현된다.
도 4의 오른쪽 그림은 회전 운동 방법을 구현하고 있다. 2개의 액츄에이터(41, 42)를 서로 다른 크기 만큼의 동작을 하게하여 회전 운동이 발생하게 된다. 예를 들어, 제1 액츄에이터(41)의 길이를 늘리고, 제2 액츄에이터(42)의 길이를 변화시키지 않는 경우에는 제1 링크(31)만 멀어지는 방향으로 이동하게 되는데, 이로써 제3 링크(33), 제4 링크(34) 및 제5 링크(35)가 제1 링크(31) 방향으로 회전하게 된다. 즉, 하나의 압전 액츄에이터만의 동작 또는 두개의 액츄에이터의 서로 다른 동작을 통해 원하는 위치 결정과 동시에 회전 운동이 발생할 수 있다.
상기 링크와 상기 가동부는 일체로 형성될 수 있다. 이 경우, 각각의 링크 간의 연결부에 플렉셔 힌지(flexure hinge)를 이용할 수 있다. 즉, 링크의 연결부를 제외한 나머지 부분은 힌지부에 비해 상대적으로 매우 굵게 형성되어 있어 변형이 발생하지 않지만, 회전 힌지부는 변형이 가능한 형상이다. 각각의 링크의 연결부의 폭은 링크의 다른 부분의 폭보다 작게 형성되어 링크 간의 회전이 가능하다.
도 4는 본 발명에 의한 압전소자를 이용한 나노스테이지의 다른 실시예를 보 여준다. 액츄에이터를 제1 링크와 제2 링크에 직접 연결하고, 액츄에이터를 작동시키면 제1 링크와 제2 링크간의 거리가 변화하게 된다. 이로써 제3 링크(33), 제4 링크(34) 및 제5 링크(35)가 지지부(20)방향 혹은 그 반대 방향으로 이동하게 되는 직선 이송 운동을 구현하게 된다.
이 경우 기존 장치에 비해 높은 이송범위를 가질 수 있으며, 하나의 압전 소자만을 사용하므로 작동제어가 매우 용이한 장점이 있다.
도 5는 본 발명에 의한 압전소자를 이용한 나노스테이지의 다른 실시예를 보여준다. 도 5에는 단지 세 개의 링크만을 사용하여 회전용 나노스테이지를 구현하고 있다. 이는 직선 이동은 하지 않고, 단순히 회전만이 가능하도록 한 장치이다. 이 경우에는 회전 중심의 결정이 손쉬우므로 Gonio stage로 사용하는 것이 가능하다. 다만, 그 이상의 링크를 사용하는 것도 가능하나, 이 경우에는 직선운동도 병행된다.
본 발명은 상기와 같은 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적인 사상을 가지고 있다면 모두 본 발명의 권리범위에 해당된다고 볼 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 권리범위가 정해짐을 밝혀둔다.
도 1은 본 발명에 의한 압전소자를 이용한 나노스테이지의 평면도
도 2는 본 발명에 의한 압전소자를 이용한 나노스테이지의 개략도
도 3은 본 발명에 의한 압전소자를 이용한 나노스테이지의 동작상태를 나타낸 개략도
도 4는 본 발명에 의한 압전소자를 이용한 나노스테이지의 다른 실시예
도 5는 본 발명에 의한 압전소자를 이용한 나노스테이지의 다른 실시예
도 6은 종래의 나노스테이지의 평면도
Claims (7)
- 지지부와,한쪽 끝단이 지지부에 회전가능하게 결합되어 있는 제1 링크와,한쪽 끝단이 지지부에 회전가능하게 결합되어 있는 제2 링크와,일단부는 상기 제1 링크와 결합하고, 타단부는 상기 지지부에 고정되어 있는 제1 액츄에이터와,일단부는 상기 제2 링크와 결합하고, 타단부는 상기 지지부에 고정되어 있는 제2 액츄에이터와,일단부는 상기 제1 링크의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있고, 타단부는 상기 제2 링크의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있는 가동부를 포함하는,나노스테이지.
- 지지부와,한쪽 끝단이 지지부에 회전가능하게 결합되어 있는 제1 링크와,한쪽 끝단이 지지부에 회전가능하게 결합되어 있는 제2 링크와,일단부는 상기 제1 링크와 결합하고, 타단부는 상기 제2 링크와 결합되어 있는 액츄에이터와,일단부는 상기 제1 링크의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있고, 타단부 는 상기 제2 링크의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있는 가동부를 포함하는,나노스테이지.
- 지지부와,한쪽 끝단이 지지부에 회전가능하게 결합되어 있는 제1 링크와,한쪽 끝단이 지지부에 회전가능하게 결합되어 있는 제2 링크와,일단부는 상기 제1 링크와 결합하고, 타단부는 상기 지지부에 고정되어 있는 액츄에이터와,일단부는 상기 제1 링크의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있고, 타단부는 상기 제2 링크의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있는 가동부를 포함하는,나노스테이지.
- 청구항 1항 내지 3항 중 어느 하나에 있어서,상기 가동부는,한쪽 끝단이 상기 제1 링크의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있는 제3 링크와,한쪽 끝단이 상기 제2 링크의 다른 끝단과 회전가능하게 결합되어 있는 제4 링크와,양끝단이 상기 제3 링크 및 제4 링크와 회전가능하게 결합되어 있는 제5 링크를 포함하는,나노스테이지.
- 청구항 1항 내지 3항 중 어느 하나에 있어서,상기 제1 링크 및 제2 링크는 상기 가동부와 일체로 형성되어 있고,각각의 링크의 연결부의 폭은 링크의 다른 부분의 폭보다 작게 형성되어 링크 간의 회전이 가능한,나노스테이지.
- 청구항 1항 또는 청구항 3항에 있어서,상기 지지부는 상기 가동부 측으로 돌출한 돌출부를 더 포함하고,상기 액츄에이터의 타단부는 상기 돌출부에 고정되어 있는,나노스테이지.
- 청구항 1항 또는 청구항 3항에 있어서,상기 액츄에이터는 전기 신호를 입력받아 기계적 변형을 일으키는 압전 액츄 에이터인,나노스테이지.
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