KR20050107056A - 초고속 초정밀 대변위 스테이지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유연힌지 구조물과 압전 스택 구동기를 결합시켜 시편을 XY축으로 초정밀 초고속으로 이송하는 장치로서 Y축 방향 유연힌지 구조물을 X축 방향 힌지 구조물 내부에 두어서 높은 속도에서 생길 수 있는 X축과 Y축 간 상호 간섭에 의한 위치 결정 에러를 최소화하고 각 축 방향으로 지렛대 원리를 이용한 증폭 구조 설계로 인해 최대한 변위를 크게 함으로써 작은 변위를 가진 압전 구동기의 단점을 보완한 초고속 초정밀 대변위 정밀 스테이지에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은, 원자 현미경을 위하여 시편을 XY축으로 이송하는 스테이지에 있어서, 상기 스테이지의 몸체를 형성하며, 유연성의 단위체로 이루어지고, 비대칭 구조의 X방향 스테이지와 Y방향 스테이지로 구분되어 형성되는 유연 힌지 구조물; 압전소자가 적층된 형태로 상기 유연 힌지 구조물에 설치되며, 전압이 인가될 때 X방향으로 변형을 일으키는 X축 방향 압전 구동기; 압전소자가 적층된 형태로 상기 유연 힌지 구조물에 설치되며, 전압이 인가될 때 Y방향으로 변형을 일으키는 Y축 방향 압전 구동기; 및 상기 시편이 탑재되는 시편 탑재 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초고속 초정밀 대변위 스테이지{High speed, Ultraprecision and long displacement stage}

본 발명은 유연힌지 구조물과 압전 스택 구동기를 결합시켜 시편을 XY축으로 초정밀 초고속으로 이송하는 장치로서 Y축 방향 유연힌지 구조물을 X축 방향 힌지 구조물 내부에 두어서 높은 속도에서 생길 수 있는 X축과 Y축 간 상호 간섭에 의한 위치 결정 에러를 최소화하고 각 축 방향으로 지렛대 원리를 이용한 증폭 구조 설계로 인해 최대한 변위를 크게함으로써 작은 변위를 가진 압전 구동기의 단점을 보완한 초고속 초정밀 대변위 스테이지에 관한 것이다.

당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 유연힌지 구조물의 관련기술은 수 백년간 발전되어온 기술로서 판이나 보와 같은 고체 구조물 등의 탄성변형을 이용하여 연속적인 운동을 줄 수 있고 마모가 작으며 원하지 않는 방향의 운동을 최소화 시킬 수 있도록 하는 기술이다. 이와 같은 유연힌지 구조물은 기본적으로 일체형으로 설계되어지기 때문에 증폭 메커니즘을 구현하는 데 매우 편리하며 구조의 다양한 변형이 가능하다.

한편, 압전 스택 구동 기술의 경우, 압전 스택 구동기는 전기를 기계적 운동으로 변환시켜 주는 압전 원리를 이용한 구동기로서 낮은 전압에서 큰 변위를 만들어 주기 위해 적층형으로 쌓아서 만든 것이다. 이 압전 스택 구동기는 기본적으로 한 축 방향으로 백 볼트의 전압 기준에 수십 마이크로 미터 정도의 변위를 가지게 되며 최대 수 톤에 가까운 큰 힘을 낼 수 있다는 장점을 가진다.

상기한 유연힌지 구조물과 압전 스택 구동기를 결합한 초정밀 이송 스테이지는 최근 원자현미경에 응용되어 보다 정확한 시편의 형상을 짧은 시간에 측정하는 데 활용되고 있다.

최초 원자 현미경에 이용되어진 이송 스테이지는 압전 튜브형 스테이지로서 XYZ 축 방향으로 정밀 운동을 만들어 낼 수 있지만 기본적으로 원통의 움직임을 이용하고 있기 때문에 각 축간 상호 간섭효과가 크며 운동 속도 또한 수 Hz정도만 가능했다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 종래기술에서 유연힌지 구조물과 압전 구동기를 이용한 스테이지가 이용되어지고 있지만, 이러한 종래기술의 스테이지는 완전히 대칭적 구조를 가지고 있으며 XY축 구동기가 하나의 유연힌지 구조물을 움직이게 설계되어 있어서 높은 구동 주파수에서는 서로 간섭효과가 크게 발생하는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 유연힌지 구조물과 압전 스택 구동기를 결합시켜 시편을 XY축으로 초정밀 초고속으로 이송하는 장치로서 Y축 방향 유연힌지 구조물을 X축 방향 힌지 구조물 내부에 두어서 높은 속도에서 생길 수 있는 X축과 Y축 간 상호 간섭에 의한 위치 결정 에러를 최소화하고 각 축 방향으로 지렛대 원리를 이용한 증폭 구조 설계로 인해 최대한 변위를 크게함으로써 작은 변위를 가진 압전 구동기의 단점을 보완한 초고속 초정밀 대변위 스테이지를 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 원자 현미경을 위하여 시편을 XY축으로 이송하는 스테이지에 있어서, 상기 스테이지의 몸체를 형성하며, 유연성의 단위체로 이루어지고, 비대칭 구조의 X방향 스테이지와 Y방향 스테이지로 구분되어 형성되는 유연 힌지 구조물; 압전소자가 적층된 형태로 상기 유연 힌지 구조물에 설치되며, 전압이 인가될 때 X방향으로 변형을 일으키는 X축 방향 압전 구동기; 압전소자가 적층된 형태로 상기 유연 힌지 구조물에 설치되며, 전압이 인가될 때 Y방향으로 변형을 일으키는 Y축 방향 압전 구동기; 및 상기 시편이 탑재되는 시편 탑재 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지가 제공된다.

바람직하게는, 상기 Y방향 스테이지는 상기 X방향 스테이지 내부에 형성되며, 이들 스테이지는 상호간에 비대칭으로 된다.

바람직하게는, 본 발명의 스테이지는 상기 압전 구동기의 변형에 따른 힘과 변위를 상기 X방향 스테이지 및 Y방향 스테이지로 각각 안내하기 위한 X축 유연 힌지 가이드 및 Y축 유연 힌지 가이드를 포함한다.

바람직하게는, 상기 X축 방향 압전 구동기와 Y축 방향 압전 구동기는 각각 적어도 2개 이상 구비된다.

바람직하게는, 본 발명의 스테이지는 상기 압전 구동기의 변위에 따른 상기 유연 힌지 구조물의 인장력을 보강하기 위한 스프링을 포함한다.

바람직하게는, 본 발명의 스테이지는 상기 압전 구동기의 변형에 따른 힘과 변위를 증폭시켜 전달하기 위한 지렛대 수단, 힘 전달 피벗 힌지 수단, 회전 피벗 힌지 수단, 및 힘 변위 전달 피벗 힌지 수단을 더 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 초고속 초정밀 대변위 스테이지의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

한편, 이하의 설명에 있어서, 종래기술에 따른 구성부재와 본 발명에 의한 구성부재가 동일한 경우에는 종래기술에서 사용하였던 도면 부호를 그대로 사용하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

먼저, 본 발명은 원자현미경에서 X축과 Y축의 스캐닝 속도가 다르다는 아이디어를 시작으로 기존의 방법들이 갖는 단점을 보완한다. 그리고, 본 발명은 초고속에서 보다 정확한 시편 형상 측정을 가능하게 하기 위하여 X축 구조물과 Y축 구조물을 완전히 분리한 후 각각 다른 공진 주파수를 가지도록 유연 힌지의 길이를 다르게 한다.

일반적으로 유연힌지의 길이가 길게 되면 강성이 줄어들어 공진주파수가 낮아지게 되지만 변위는 충분히 얻을 수 있고 반대로 짧아지면 강성이 커져서 공진주파수는 올라가지만 변위는 줄어들게 된다. 따라서, 스테이지의 설계 목적에 맞게끔 스테이지를 적절한 형상 치수로 길이를 결정해야 하는데, 본 발명에서는 Y축 구조물의 경우 100Hz 이상에서 대변위로 운동하도록 유연 힌지를 가능한한 짧게 6.5mm 정도로 설계하였으며 X축 구조물의 경우 수 Hz에서 구동되기 때문에 충분한 변위를 낼 수 있도록 7.5mm 정도로 설계한다. 더불어서, 본 발명의 스테이지 형상은 기존의 스테이지와 달리 비대칭적으로 설계하기 때문에 X축 구조물과 Y축 구조물 간의 공진주파수 차이를 최대화한다.

본 발명에서는 상기한 Y축 구조물을 X축 구조물 내부에 들어가도록 설계하여 XY 이송 스테이지로서의 역할을 수행하도록 한다. 이와 더불어 본 발명의 스테이지는 압전 스택 구동기를 각 축당 2개씩 이용하고, 증폭 메커니즘을 이용하여 변위를 확대한다. 또한, 본 발명의 스테이지는 각 2개의 스택 구동기로 스테이지를 밀어 주는 피벗 포인트를 가능한 중앙에서 떨어지도록 설계하여 스테이지의 회전운동을 최소화하도록 하는데, 이러한 구조를 통하여 고속의 스캐닝 속도를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 원자 현미경을 위한 초고속 초정밀 대변위 스테이지의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 초고속 초정밀 대변위 스테이지의 중요 부위로서 유연힌지 증폭 메커니즘과 유연힌지 가이드의 상세 구성도이다. 도 3은 본 발명에 따른 유연힌지 구조물 만의 유한요소 해석 결과 도면으로서, 도 3a는 정적 해석 결과 도면이고, 도 3b는 첫 번째 모드의 동적 해석 결과 도면, 도 3c는 두 번째 모드의 동적 해석 결과 도면이다. 도 4는 본 발명에 따른 유연힌지 구조물에 압전 스택 구동기의 등가 모델을 포함시킨 스테이지의 동적 해석 결과 도면으로서, 도 4a는 동적 해석 프로그램의 모형 도면이고, 도 4b는 Y축 방향의 변위 도면이고, 도 4c는 X축 방향의 변위 도면이다. 구체적으로, 도 4는 입력 전압으로 Y축 압전 스택 구동기에는 100Hz의 사인파를, X축의 압전 스택 구동기에는 1Hz의 사인파를 주었을 때, 각 축 방향에 대한 변위를 1초 동안 구동시킨 결과를 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 스테이지는, 기본적으로 단위체로 구성되어 있는 유연 힌지 구조물(1)과, X축 방향의 2개의 압전 스택 구동기(2, 3), Y축 방향의 2개의 압전 스택 구동기(6, 7), 각 압전 스택 구동기(2, 3)(6, 7)를 위한 총 4개의 스프링(4, 5)(8, 9) 및 시편이 올려질 시편 탑재 부재(member)(10)를 포함하여 이루어진다.

유연 힌지 구조물(1)에는 바람직하게 마이크로 와이어로 가공되는 약 0.3mm 선폭의 유연 힌지 가이드를 경계로 X축과 Y축의 스테이지 및 힌지 가이드를 구분할 수 있다. 도 2를 참조하면, 유연힌지 구조물(1)은 크게 X 스테이지(19)와, Y 스테이지(20), X축 방향 증폭 메커니즘(A), Y축 방향 증폭 메커니즘(B) 및 각 방향의 스테이지(19)(20)에 대한 유연힌지 가이드(13,15)를 포함한다.

도 2에서 알 수 있듯이, Y 스테이지(20)는 X 스테이지(19) 내부에 들어 있고, 이들 각 스테이지(19)(20)는 각각 직사각형의 형태의 모양을 취한다. 각 방향 증폭 메커니즘(A)(B)을 살펴보면, X축 방향의 경우에 지렛대(16)와, 회전 피벗 힌지(14), 힘 변위 전달 피벗 힌지(17)(21)가 구비된다. 이들의 구동 원리는, 예를 들어 압전 스택 구동기(3)에 전압을 가하게 되면 X 방향으로 변형이 일어나면서 힘과 변위가 발생하게 되고, 이 힘과 변위를 힘 전달 피벗 힌지(21)를 통하여 지렛대(16)에 전달한다. 가해진 힘과 변위는 회전 피벗 힌지(14)을 기준으로 지렛대(16)가 회전하면서 힘 변위 전달 피벗 힌지(17)를 통해 X축 스테이지(19)에 전달된다. 이와 같이 힘과 변위가 전달된 X축 스테이지(19)는 'ㄷ' 자형의 유연힌지 가이드(15)에 의해 다른 방향의 운동은 최소화시키고 X축 방향으로만 운동하게 된다. 이때 증폭된 변위의 비율은 압전 구동기(3)의 힘 전달 피벗 힌지(21)에서부터 회전 피벗 힌지(14)까지의 거리에 대해서 회전 피벗 힌지(14)에서 힘 변위 전달 피벗 힌지(17)까지의 거리만큼 증폭되어진다. 본 발명에서의 변위 증폭비는 약 5대 1이다. 이 때 주의해야할 사항이 스택의 경우 압축력에는 충분한 힘을 내지만 인장력에서는 힘을 낼 수 없기 때문에 충분한 강성을 가진 스프링(5)을 이용해서 프리로드(Preload)를 주어야 한다.

Y축 방향 증폭 메커니즘(B)의 경우도 기본적으로 X축 방향 증폭 메커니즘(A)의 경우와 유사한 메커니즘으로 구동된다. 예를 들면, 압전 스택 구동기(7)에서 발생된 힘과 변위가 힘 전달 피벗(22)을 통해서 지렛대(12)를 밀어주면, 상기 압전 스택 구동기(7)에서 발생된 힘과 변위는 회전 피벗 힌지(11)를 기준으로 힘 변위 전달 피벗(18)을 통해 Y축 스테이지(20)에 전달되게 된다. 이와 같이 압전 스택 구동기(7)에서 발생된 힘과 변위가 전달된 Y축 스테이지(20)는 유연힌지 가이드(13)에 의해 다른 방향의 운동은 최소화시키고 Y축 방향으로만 운동하게 된다.

본 발명에서 이용된 X축과 Y축 유연힌지 가이드(15)(13)의 길이는 각각 대략 7.5mm와 6.5mm로 설계하여 각축 방향의 공진 주파수가 다르게 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 공진 주파수는 상기한 압전 스택 구동기의 강성, 유연힌지 가이드의 강성, 회전 피벗 힌지의 강성 등의 의해 복합적으로 결정되기 때문에 이러한 유연 힌지 구조물의 적절한 설계가 매우 중요할 것이라는 것은 당업자에게 자명할 것이다.

상기와 같은 본 발명에 따른 초고속 초정밀 대변위 스테이지의 유연힌지 구조물을 유한요소해석(FEM) 프로그램을 통하여 해석한 결과를 도 3a 내지 도 3c에 나타내 보였다. 도 3a는 정적 해석 결과의 도면으로서, 이 경우에는 X축과 Y축 방향으로 각각 450N의 힘을 가했고, 4 모서리의 나사구멍을 고정시킨 경계 조건하에서 해석을 수행하였다. 도 3a를 참조하면, X축과 Y축 방향으로 변위가 이루어짐을 알 수 있다.

도 3b 및 도 3c에서는 상기 정적 해석의 경우와 동일한 힘과 경계조건 하에서 동적 해석을 수행하였다. 상기 동적해석 결과를 나타낸 도 3b 및 도 3c에서 알 수 있듯이, 1번째 모드(234.4Hz; 도 3b)와 2번째 모드(485.8Hz; 도 3c)는 완전히 분리되어 본 발명이 의도한 원하는 방향으로 운동이 이루어짐을 알 수 있다.

상기한 도 3의 유한 요소 해석으로는 압전 스택 구동기를 포함시킨 동적 해석이 불가능하기 때문에 본 발명의 스테이지를 집중 질량 동해석 프로그램인 리커다인을 이용하여 본 발명의 전체 구조에서 원하는 각 지점의 힘과 변위를 분석하였는데, 이를 도 4a 내지 도 4c에 나타내 보였다. 도 4b 및 도 4c에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 스테이지의 각 축 방향의 상호 간섭 효과가 최소로 줄어들었음을 알 수 있다. 한편, 본 발명에서 사용된 압전 스택 구동기가 100볼트에 12마이크로미터 변위의 사양을 가지는데, 본 발명의 증폭 메커니즘을 통해 약 50마이크로미터 정도로 커졌음을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 초고속 초정밀 대변위 스테이지는, 유연힌지 구조물과 압전 스택 구동기를 결합시켜 시편을 XY축으로 초정밀 초고속으로 이송하는 장치로서 Y축 방향 유연힌지 구조물을 X축 방향 힌지 구조물 내부에 두어서 높은 속도에서 생길 수 있는 X축과 Y축 간 상호 간섭에 의한 위치 결정 에러를 최소화하고 각 축 방향으로 지렛대 원리를 이용한 증폭 구조 설계로 인해 최대한 변위를 크게함으로써 작은 변위를 가진 압전 구동기의 단점을 보완하는 이점을 제공한다. 즉, 본 발명에 따른 초고속 초정밀 대변위 스테이지는, 각 축간의 속도차가 충분히 클 때 적용이 가능하며, 주 스캔 방향인 X축 방향으로는 약 100Hz 이상에서 충분히 잘 작동할 수 있으며, 특히 각 축 방향으로의 상호 간섭 효과를 최소화하는 이점을 제공한다.

한편, 기존의 대칭 형태의 스캐너의 경우 X축과 Y축 간 서로 같은 공진주파수를 가지고 있어서 구동 시에 상호 간섭 효과가 매우 크다. 따라서, 이러한 기존 형태의 스캐너로는 100Hz와 같은 고속에서 스캐닝할 때 매우 큰 에러를 내포하기 때문에 적절히 이용하기 어려운 반면, 본 발명의 스테이지가 적용되는 스캐너는 각 방향의 공진 주파수를 확실히 분리함으로써 고속 정밀 스캔에 매우 적합하다.

또한, 본 발명은 증폭 메커니즘을 잘 알려진 지렛대 원리를 이용함으로서 최소 5배 이상의 변위 증폭 효과를 달성하며, 스캐너 설계 공간을 최소화할 수 있는 장점을 제공한다. 더불어, 본 발명은 각 축 방향으로 2개의 압전 스택 구동기를 이용함으로써 가능한한 회전 방향으로 운동하는 것을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 회전 방향 운동을 상쇄할 수 있는 효과도 줄 수 있고, 나아가 충분한 힘을 스테이지에 줄 수 있어서 외란에 의한 에러 요인을 최소화 할 수 있는 이점을 제공한다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 원자 현미경을 위한 초고속 초정밀 대변위 스테이지의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 초고속 초정밀 대변위 스테이지의 중요 부위로서 유연 힌지 증폭 메커니즘과 유연힌지 가이드의 상세 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 유연힌지 구조물 만의 유한요소 해석 결과 도면으로서,

도 3a는 정적 해석 결과 도면,

도 3b는 첫 번째 모드의 동적 해석 결과 도면,

도 3c는 두 번째 모드의 동적 해석 결과 도면.

도 4는 본 발명에 따른 유연힌지 구조물에 압전 스택 구동기의 등가 모델을 포함시킨 스테이지의 동적 해석 결과 도면으로서,

도 4a는 동적 해석 프로그램의 모형 도면,

도 4b는 Y축 방향의 변위 도면,

도 4c는 X축 방향의 변위 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 유연 힌지 구조물

2, 3 : X축 방향 압전 스택 구동기

6, 7 : Y축 방향 압전 스택 구동기

4, 5, 8, 9 : 프리로드(Preload) 스프링

10 : 시편 탑재 부재

11, 14 : 회전 피벗 힌지

12, 16 : 지렛대

13, 15 : 유연 힌지 가이드

17, 18 : 힘 변위 전달 피벗 힌지

19 : X스테이지

20 : Y스테이지

21, 22 : 힘 전달 피벗 힌지

Claims (8)

1. 원자 현미경을 위하여 시편을 XY축으로 이송하는 스테이지에 있어서,

   상기 스테이지의 몸체를 형성하며, 유연성의 단위체로 이루어지고, 비대칭 구조의 X방향 스테이지와 Y방향 스테이지로 구분되어 형성되는 유연 힌지 구조물;

   압전소자가 적층된 형태로 상기 유연 힌지 구조물에 설치되며, 전압이 인가될 때 X방향으로 변형을 일으키는 X축 방향 압전 구동기;

   압전소자가 적층된 형태로 상기 유연 힌지 구조물에 설치되며, 전압이 인가될 때 Y방향으로 변형을 일으키는 Y축 방향 압전 구동기; 및

   상기 시편이 탑재되는 시편 탑재 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 Y방향 스테이지는 상기 X방향 스테이지 내부에 형성되며, 이들 스테이지는 상호간에 비대칭인 것을 특징으로 하는 스테이지.
3. 제1항에 있어서,

   상기 압전 구동기의 변형에 따른 힘과 변위를 상기 X방향 스테이지 및 Y방향 스테이지로 각각 안내하기 위한 X축 유연 힌지 가이드 및 Y축 유연 힌지 가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지.
4. 제3항에 있어서,

   상기 유연 힌지 가이드는 'ㄷ' 자형태를 갖는 것을 특징으로 하는 스테이지.
5. 제1항에 있어서,

   상기 X축 방향 압전 구동기와 Y축 방향 압전 구동기는 각각 적어도 2개 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 스테이지.
6. 제1항에 있어서,

   상기 압전 구동기의 변위에 따른 상기 유연 힌지 구조물의 인장력을 보강하기 위한 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지.
7. 제1항에 있어서,

   상기 압전 구동기의 변형에 따른 힘과 변위를 증폭시켜 전달하기 위한 지렛대 수단, 힘 전달 피벗 힌지 수단, 회전 피벗 힌지 수단, 및 힘 변위 전달 피벗 힌지 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지.
8. 제3항에 있어서,

   상기 X축 유연 힌지 가이드의 길이는 7.5mm이고, 상기 Y축 유연 힌지 가이드의 길이는 6.5mm인 것을 특징으로 하는 스테이지.