[인더스트리뉴스 최종윤 기자] 정밀 포지셔닝 및 자동화 애플리케이션에서 고성능 모션 스테이지와 모션 컨트롤러는 매우 중요하다. 차세대 기계나 프로세스를 개발할 때 모션 시스템 설계자는 기계식 베어링을 사용할지 에어 베어링을 사용할지 고민한다. 크로스 롤러 베어링 및 재순환 볼 베어링과 같은 기계식 베어링은 정밀 모션 제어와 포지셔닝 애플리케이션에서 널리 사용되고 있다.

고정밀 포지셔닝 기술과 피에조 애플리케이션 시장 및 기술 선두주자인 독일의 피아이(PI, Physik Instrumente)는 △수명 △파티클 생성 △재현성 △각도 정확도 △런아웃 △진직도 및 평탄도와 같은 매개변수가 중요한 시나리오에서는 에어 베어링이 더 나은 선택지가 될 수 있다고 강조한다.

에어 베어링은 에어 하키 테이블의 원리와 유사하게 부하를 지지하기 위해 압축된 깨끗한 공기 또는 가스의 박막을 사용한다. 가압 가스가 베어링의 고정 파트와 동작 파트를 분리하는 층을 생성하므로 두 파트 사이에서 접촉이 일어나지 않는다.

에어 베어링에는 두 가지 기본 유형이 있는데, 하나는 수백만 개의 서브 마이크로미터 크기의 구멍이 있는 다공성 베어링이고 또 하나는 소형 통합 오리피스가 있는 베어링이다. 두 경우 모두 설계자는 전체 베어링 영역에 걸쳐 균일한 압력을 달성해야 한다.

에어 베어링 표면은 최고 허용 오차까지 정밀하게 연마되고 하드 코팅된다. 접촉이 없으므로 기존 베어링이 갖고 있었던 마찰, 마모, 재윤활과 같은 문제를 방지한다. 그 결과 에어 베어링은 고속 모션 애플리케이션과 정밀 포지셔닝, 특히 가동 시간 및 신뢰성 요구사항이 높은 24x7 자동화 애플리케이션에서 상당한 이점을 제공한다.

정밀 모션 및 포지셔닝 애플리케이션에서 에어베어링 사용의 7가지 이점

먼저 에어 베어링은 구성요소 간의 기계적 접촉없이 작동하므로 유지보수, 정기검사 또는 재윤활 사이클이 필요하지 않다. 사실상 무제한 수명인 셈이다. 또한 크로스 롤러 베어링에서 잘 알려진 cage migration 이슈도 없다. 따라서 클린룸 애플리케이션에 이상적이다.

기계식 베어링이 있는 다축 스테이지는 일반적으로 한 축을 다른 축 위에 쌓는다. 간단한 방법이지만 몇 가지 단점이 있다. 상부 축이 극단으로 이동하면 하부 축에 토크 부하가 발생해 기하학적 오류를 일으킬 수 있다. 에어 베어링 설계에서는 모든 자유도가 동일한 밑면을 기준으로 하는 fully planar XY 및 XY-Theta 포지셔닝 시스템이 가능하다.

무진동, 높은 등속도의 고속 모션

에어 베어링의 플루이드 필름은 빠른 속도를 쉽게 수용할 수 있고, 일부 에어 베어링은 공기역학적 리프트 효과로 인해 고속에서도 효율을 향상 시킬 수 있다. 반도체 웨이퍼 스캔, 3D 단층 촬영 및 관성 센서 테스트와 같은 특정 프로세스 및 실험은 베어링 럼블없이 정확하게 제어된 속도로 일정한 모션을 요구한다.

이러한 경우 에어 베어링 시스템은 정밀하게 제어된 속도에서 필요한 연속적인 움직임을 제공하는 가장 적절한 솔루션이며, 일반적으로 기계식 베어링보다 더 오래 지속된다.

높은 정확도로 마찰 없는 모션 및 포지셔닝

리니어 모션 애플리케이션에서 나노미터 내로 움직이는 캐리지의 정밀한 포지셔닝은 다이렉트 드라이브 모터와 에어 베어링이 지원하는 고해상도 엔코더를 사용해 달성할 수 있다. 회전 애플리케이션의 경우 10분의 1각초까지의 각도 분해능을 얻을 수 있다.

에어베어링은 기계적 접촉 및 마찰로 인해 발생하는 히스테리시스 효과 또는 반전 오류를 최소화하므로 많은 검사, 계측 및 제조 애플리케이션에서 선호된다. 마찰을 제거해 in-position hunting을 최소화하고 분해능을 크게 향상 시킬 수 있다. 플랙셔 가이드 피에조 스테이지는 비슷한 정밀도를 달성할 수 있지만 이동 범위가 훨씬 작다.

우수한 진직도 및 평탄도, 최소 기하학적 오차

에어 베어링은 구성요소의 우수한 품질 덕분에 높은 정확도를 제공한다. 리니어 에어 베어링은 roll, pitch, yaw 오차를 최소화하면서 우수한 진직도와 평탄도가 특징이다. 에어 베어링은 제조 및 측정 프로세스에 매우 적합하며, 동일한 절차의 반복성이 뛰어나고 이상적인 궤적의 편차를 보상하는 기능을 제공한다.

현재 많은 반도체의 공차는 수 나노미터에 불과하며 최신 자동차 엔진의 일부 구성 요소에는 마이크론 미만의 정밀도가 필요하다. 정밀 가공 및 광학 검사를 위해 에어 베어링은 반복 가능한 부품 품질과 측정 신뢰성을 제공한다.

1m 이상의 이동 범위

나노 포지셔닝 애플리케이션에 종종 사용되는 다른 무마찰 드라이브 기술은 피에조 액추에이터와 플렉셔 가이딩 메커니즘이다. 피에조 플렉셔 스테이지는 에어 베어링보다 훨씬 빠른 응답과 높은 해상도를 제공할 수 있지만, 이동 범위는 일반적으로 1mm 미만으로 제한된다. 에어 베어링 스테이지는 1m 이상의 이동 범위를 제공하므로 나노미터 정밀도와 큰 이동 범위가 동시에 필요한 경우 에어 베어링 스테이지가 해답이 될 수 있다.

이심률 및 워블이 최소화된 회전 모션

로터리 에어 베어링은 강성이 매우 높으므로 정밀한 회전 모션을 제공한다. 로터리 스테이지에서는 일반적으로 0.1~1 아크 초의 범위 내에서 워블 또는 틸트 오류가 발생한다. 에어 베어링은 대부분의 기계식 베어링 솔루션에 비해 워블과 축 및 레이디얼 모션으로 인한 에러가 훨씬 적다.

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