직진도와 고속 그리고 고 해상도가 필요한 응용사례라면 에어베어링이 적절한 선택이 될 수 있다. 높은 정밀도와 반복성 그리고 성능 최적화를 바탕으로 정밀하고 빠른 속도를 필요로 하는 분야에서 각광받고 있다.
글 | 매트 렉, Physik Instrumente(PI) 에어베어링 제품 관리자

오늘날 모션컨트롤 응용사례는 대부분 기계적 베어링을 사용하고 있다. 하지만 높은 정밀도와 반복성이 필요하거나, 기하학적 성능 최적화가 필요하다든지 미세한 베어링 진동이 문제가 되는 등 다양한 문제가 발생할 수 있다.

이런 경우 에어베어링이 해결책이 될 수 있다. 에어베어링은 정밀한 위치결정에 적합하다. 백래시가 부족하고 정지마찰이 없어야 하는 정밀 위치결정 응용사례에서 빛을 발한다. 

마찰은 적이다
마찰이 없는 드라이브 및 베어링 기술은 진동 없는 정밀한 모션컨트롤을 위한 전제조건이다. 나노 수준의 정밀도와 반복성 그리고 안내 정확도 등을 달성하려면 무 마찰 기술이 필수적이다.

현재 무 마찰을 위한 다양한 방법이 존재한다. 피에조 드라이브 및 요곡 안내(Flexure Guidance)는 1㎜ 이하의 짧은 이송거리도 무난하게 소화한다. 

또 다른 방법으로 자기(Magnetic) 베어링을 활용한 자기부상 기법이 있다. 이러한 모션시스템은 다축 제어 응용사례를 위해 만들어졌으며, 제어 측면에서 보다 복잡하다. 

장거리 이송 응용사례에서 최신의 해결책으로는 에어베어링을 탑재한, 전자기 리니어 및 토크 모터를 활용하는 방법이 있다.

에어베어링 스테이지는 회전형 혹은 선형 포지셔너를 포함하고 있다. 포지셔너는 공기층 위에 떠 있는 형태를 취한다. 예압 기구 중 하나를 활용함으로써 물리적 접촉을 제거하였으며, 이로 인해 마모와 마찰 그리고 이력(履歷)현상을 최소화할 수 있다. 에어베어링 스테이지는 처리량을 극대화하는 한편 기존 베어링보다 높은 정확도를 제공한다. 이는 XY 스테이지가 다양한 개별 스테이지를 적층함으로써 오류를 늘리지 않고 단일 설계를 실현함으로써 오류를 최소화한 덕이다.

에어베어링의 이점
모션컨트롤 응용사례에서 에어베어링을 사용했을 때 얻을 수 있는 이점으로는 다음과 같은 것들이 있다.

1. 무 마찰 및 고성능 위치결정
직접구동 모터와 고 해상도 엔코더는 이동형 캐리지의 위치결정에 도움을 줄 수 있다. 선형 응용사례에서 1㎚ 범위 혹은 회전 응용사례에서 0.1 아크초 범위로 이송할 수 있는 것.

마찰 혹은 기계적 접촉이 없다는 것은 히스테리시스 오차 혹은 반전 오차를 최소화한다는 것을 의미한다. 따라서 반복성이 높으며, 여러 검사 및 제조 작업에 적합한 솔루션이다. 특히 플랫 패널 검사나 반도체 계측, 레이저 가공 등 다양한 검사 및 제조 작업에 이상적이다.

에어베어링은 사실상 정지마찰(Stiction)이 없어 해상도를 높이고 헌팅 현상을 줄인다. 또한 기본적인 몇몇 엔코더 카운트 내의 위치 반복(Position Repeatability)을 실현한다. 피에조 요곡 안내 스테이지는 짧은 이동범위에도 높은 정확도를 제공한다. 자기부상 역시 선택사항 중 하나다.

2. 속도 안정성 및 스캐닝
관성 센서 실험이나 단층 촬영(Tomography), 웨이퍼 스캐닝, 표면 프로파일링 등은 엄격한 속도 제어 및 연속적인 운동을 필요로 한다. 이러한 실험 및 공정은 에어베어링 시스템이 제격이다. 기계적인 베어링이 없어 부드러운 움직임과 원활한 속도 제어를 실현할 수 있기 때문이다.

3. 표면 평균 효과로 인한 낮은 오류
에어베어링은 높은 정확도를 제공한다. 그 구성요소가 매우 엄격한 공차로 제작되었을 뿐 아니라, 공기 필름의 평균 효과(Averaging Effects) 역시 톡톡히 누린다. 선형 에어베어링 스테이지는 뛰어난 직선 및 평면 이동을 자랑한다. 피치 오차, 롤 오차, 요 오차 등은 100㎜ 이동 당 1아크초에 불과하다. 회전 스테이지의 경사 오차(흔들림 오차) 역시 0.1에서 1아크초 범위로 몹시 낮다.

에어베어링의 각 성능(Angular Performance)은 반복적이다. 제조 및 측정 분야에서 동일한 공정 내에서의 높은 반복성과, 이상적 궤도와의 편차를 보상할 수 있음을 의미한다. 오늘날 반도체 제조공정에서 제조공차가 10㎚ 이하에 근접하고 있고, 일부 최신 자동차 엔진 역시 서브미크론 단위의 정밀도가 필요함을 감안하면, 각 성능은 정밀 제조부터 광학 검사에 이르는 다양한 분야에서 반복 생산 시 제품 품질 및 측정 신뢰성을 보장한다. 

4. 굴곡 스테이지(Flexure Stage)보다 큰 이동 요구사항
피에조 구동 굴곡 스테이지 및 액추에이터는 다양한 고 정밀 위치결정 응용사례의 요구사항을 충족한다. 하지만 이러한 설계의 이동거리는 수㎜에 불과하다. 에어베어링 리니어 스테이지는 25㎜ 이상 이동할 수 있다. Physik Instrumente(PI) 등의 리니어 에어베어링의 경우 1m 이상의 이송거리도 달성할 수 있으며, 사용자 정의 설계의 경우 보다 긴 이송거리를 만들 수도 있다.

5. 흔들림 없는·빠른 회전
회전 에어베어링은 휨 현상이 적으며 단단하다. 보다 정밀한 회전 운동을 실현하는 비결이다. 반경오차·축 오차·흔들림 오차 등은 일반적으로 기계 베어링 솔루션 대비 1/10에 불과하다. 회전 에어베어링에는 구름 요소가 없어 회전 움직임 역시 보다 부드럽다. 

6. 유지보수 최소화
에어베어링에는 정기적인 유지보수 과정 혹은 윤활이 불필요하다. 마모의 영향을 받지 않으며 매우 안정적이다. 시스템 수명에 따라 성능 특성이 변화하는 일도 없다. 

에어베어링은 또한 위치 정확도를 재조정할 필요가 거의 없다. 기계적 베어링이 시간에 따라 마모되거나 위치결정 정밀도가 낮아지는 것과 대조적이다. 에어베어링 시스템에서 마모되는 장치는 이동형 케이블 및 호스 정도뿐이다. 그만큼 마모에 대한 위험이 낮다.

7. 청결함
에어베어링은 마모에 대한 걱정이 거의 없기 때문에, 사실상 공기 중으로 운반될 수 있는 미립자에 대한 걱정 또한 없다. 마모되는 제품이 없으므로 조각이나 찌꺼기가 발생할 염려가 없는 것. 에어베어링이 광학 검사나 웨이퍼 검사 혹은 생물약제학(Bio-Pharma)연구 및 플랫패널 디스플레이 검사 등의 클린룸 관련 응용사례에 이상적인 이유이다. 

청결이 매우 중요한 응용사례에서 에어베어링은 99.9% 순수 질소만으로 동작한다.

8. 정밀한 힘 제어 및 힘 감지
에어베어링은 직접주공 모터 혹은 음성 코일과 작업할 때 사실상 마찰이 없다. 따라서 섬세한 픽 앤 플레이스 작업이나 재료 실험, 좌표 측정 등 마이크로 뉴턴력 혹은 나노 뉴턴력 제어 응용사례에 적합하다.

만능은 아니다
에어베어링이 모든 응용사례에 적합한 것은 아니다. 에어베어링을 사용하기에 부적절한 환경 역시 존재한다.

1. 진공 환경
에어베어링을 진공 환경에서 사용 불가능하지는 않다. 하지만 적지 않은 노력이 필요하다. 에어베어링에 있어 진공 응용사례는 피하는 것이 상식이며, 기계적 베어링과 자기부상 혹은 요곡 안내 시스템으로 대체하는 것이 바람직하다.

2. 먼지 등이 많은 환경
에어베어링은 청결한 응용사례에 가장 적합하다. 먼지나 이물질, 파편, 조각, 액체 등이 존재하는 환경에서는 사용을 피한다.

3. 가압공기 혹은 질소를 공급할 수 없는 환경
에어베어링은 청결한 압축공기 혹은 질소를 지속적으로 공급받아야 하는 제품이다. 이러한 기반이 구축되어있지 않다면 에어베어링을 활용할 수 없다.