[반도체] 기구설계 기초 지식 05. Cylinder

안녕하세요. 유테크의 아우토반입니다.

 

오늘은 반도체 기구 구동부에서 가장 많이 쓰이는 기계 부품.

 

Cylinder에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

구동기기란?

공기압으로 하는 일 중에는, 주로 직선 운동(Air Cylinder), 회전 운동(Rotary) 파지(Air Chuck)가 있습니다.

이러한 공기압으로 동작시키는 모든 기기를 구동기기라고 부릅니다.

 

이때 공기압으로 일을 하려면, Air Cylinder가 필요합니다.

압축 공기로 동작, 일을 하는 기기를 구동기기라고 부르지만, 이 중에서 직선 운동을 하는 것이 Cylinder 입니다.

Cylinder란?

어릴적부터 쉽게 접하는 이 Cylinder는 기구 제품에 핵심이 되는 부품 중 하나입니다.

병원에서 사용하는 주사기도 이러한 Cylinder의 원리를 기반으로 만들어 졌다 할 수 있습니다.

Cylinder를 구분하는 기준은 여러가지가 있습니다.

 

가장 간단하게는 유압을 이용하는가, 혹은 공압을 이용하는가에 따라 유압실린더, 공압실린더로 구분할 수 있으며,

압력이 들어가는 방향에 따라 단동형 실린더, 복동형 실린더로도 나뉠 수 있습니다.

 

일반적으로 반도체 장비를 사용할 시, N2를 활용한 공압실린더를 사용하기 때문에,

공압실린더. 그 중에서도 단동형, 복동형에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

단동형 실린더 vs 복동형 실린더

 

1) 단동형 실린더 (Single Acting Cylinder) 

압력이 피스톤 축으로 흘러 들어가는 구조로 된 Cylinder입니다. 공압이 피스톤으로 흘러들어가게 되면, 부하로 인해 실린더 내부의 압력이 상승하게 되고, 이 압력으로 인한 힘이 부하를 이기고 피스톤을 전진운동하게 하게 됩니다.

피스톤측 면적으로만 압력이 작용하므로 부하(스프링)에 대하여 한 방향으로만 일을 할 수 있습니다.

 

단동형 실린더의 경우 한쪽 방향의 용적에 대한 공압만을 사용하므로 공압 사용량을 감소시킬 수 있는 장점이 있으며,

가격이 상대적으로 저렴하고 구조가 단순합니다.

 

다만 행정거리에 따라 스프링의 힘이 변화하고 실린더의 왕복 속도가 변하며,

외력에 의한 후진운동 시 작용 힘이 변화하면서 실린더의 속도가 변화합니다.(Cycle의 타이밍이 불안정 합니다)

또한 스프링으로 인한 행정거리가 제한될 우려가 있습니다.

 

2) 복동형 실린던 (Double Acting Cylinder)

압력이 피스톤 측 면적으로 흘러 들어가는 구조로 된 Cylinder 입니다.

공압을 가하게 되면, ‘압력*면적=추력’이 형성되고,

이 힘이 외력+마찰력을 극복하게 되면서 피스톤 로드가 전후진운동을 하게 됩니다.

 

복동형 실린더의 경우 입력단의 1/2를 구분하여 압력을 가할 수 있어, 양쪽방향으로 운동할 수 있습니다.

이러한 장점으로 인해 Cylinder 운동에 안정감이 있습니다. 또한, 피스톤 In/Out 이 조절이 가능하기 때문에

정밀 조작이 필요한 반도체 장비에 적합한 Cylinder 타입입니다.

 

반면, 피스톤의 진행방향으로서 관성부하에 대해 적응하기 힘들며, 체적이 작아 Cylinder만 제한적으로 적용됩니다.

제어 과정이 비교적 복잡하고 가격이 상대적으로 높은 단점이 있습니다.

 

출처 : SMC

 

 

Air Cylinder 선정 항목

Air Cylinder의 출력은 Tube 내경과 사용 압력으로 결정합니다.

출처 : SMC

 

이때, Cylinder의 이동 거리를 스트로크라고 합니다.

출처 : SMC

 

이러한 실린더의 출력과 스트로크를 바탕으로 사용할 Cylinder를 선정하고 설계를 진행하게 됩니다.

 

로드레스 Cylinder(직선운동) 

로드레스 Cylinder라 불리우는 이 Type은 피스톤 로드가 없습니다.

때문에 일반 공압 실린더가 피스톤 로드에 비해 출력하는 방식과 달리,

피스톤의 움직임을 요크나 마그넷 등을 통하여 스트로크 길이 범위 내에서 테이블을 직선 운동시켜 일을 합니다.

쉽게 말해 일정 범위 안에 내가 원하는 곳에 요크, 마그넷 등을 설정하여. 스트로크를 조절할 수 있습니다.

 

 

따라서 로드레스 실린더를 사용하면 설치 면적이 극소화 되는 장점이 있습니다.

 

가이드 부착 Cylinder(직선운동) 

기본 실린더에 가이드를 부착한 Cylinder 입니다. 

일반적인 Cylinder의 경우 직선으로 왕복운동은 보장하지만, 직선 운동을 하며 회전하는 것을 Control할 수 없습니다.

이러한 불합리를 방지하기 위해 나온 것이 바로 회전 방지용 Cylinder 입니다.

이 가이드 부착 Cylinder의 경우 내가 원하는 직선운동을 회전을 방지한 상태로 진행하게 해줍니다.

 

일반 원 모양의 실린더의 로드의 경우 회전으로 동작구동의 특이점이 없지만,

네모난 로드나 튀어나온 구조의 로드의 경우 내가 원하는 회전 외 구동을 방지하지 않으면,

구동기기의 작동에 문제가 생길 수 있습니다.

 

로터리 액추에이터(회전 운동 Cylinder)  

Cylinder는 단순히 직선운동을 하는 Cylinder만 존재하는 것이 아닙니다.

로터리 액추에이터라는 실린더는 출력축이 있는 설정된 각도 범위를 회전 운동(왕복)하는 실린더 입니다.

출력축이 직접 공기압의 작용을 받아 회전하는 원리를 이용한 것입니다.

 

 

이를 활용하면 90도 회전하며 직선 운동하는 Cylinder를 설계에 적용할 수 있습니다.

 

 

이상 오늘은 반도체 구동기기 기구 설계 시 중요한 Cylinder의 종류와 특징, 구조 등에 대해 알아보았습니다.

 

다음시간에도 유익한 반도체 지식을 설명드리도록 노력하겠습니다.

 

감사합니다.