피에조의 원리와 응용 기술
각종 정밀 모션에 활용
피에조란 티탄산·지르콘산·연[Pb(Zr, Ti)O3] 등으로 만들어진 세라믹으로써 PZT(피에조)라고 생략돼 불리며, 전압을 인가하면 형태가 변하는 현상을 이용하여 각종 정밀 모션에 사용이 되고 있다. 또한 피에조 소자는 세라믹으로 되어있기 때문에 매우 딱딱하고, 큰 힘을 낳을 수 있으며 컴팩트하고 에너지 절약 제품의 기본적 요소로서 지금까지, 또 앞으로도 많은 제품에 채용될 가능성을 가진 소자이다. PI가 제공한 이 글에서는 피에조와 피에조를 활용한 기술들에 대해 알아본다.
피에조 스테이지를 이용한 빠르고 정밀한 3D 측정 장비
하루가 다르게 격변하는 오늘날 우리는 다양한 디지털 장비들을 손쉽게 사용하면서 일상생활을 영유 하고 있다. 다양한 기능을 가진 각종 디지털 기기는 우리에게 편리함을 제공해 주지만, 내부 부품들의 불량이나 각 부품 간의 연결 미흡 등에 따른 제품의 신뢰도 하락은 개개인이나 기업에게 시간적으로나 물질적으로 큰 피해를 야기 할 수가 있다. 그래서 대다수의 기업들은 이러한 기기들을 제작하기에 앞서 각종 측정 및 검사 장비를 이용하여 초기 공정에서부터 빠르게 각각의 부품들이 잘 배열이 되어 있는지, 전선이 끊어진 곳은 없는지를 확인 후 불량 제품을 즉각 선별하여 불량을 줄이기 위해 끊임없는 노력을 하고 있다. 하지만 예전과는 달리 현재의 디지털기기들은 초소형이면서도 많은 데이터를 보유하기 위해 복잡한 형태를 가지고 있는 것들이 대부분이기 때문에 육안으로 식별하는 것은 불가능에 가깝다. 또한 수없이 쏟아져 나오는 제품들의 불량을 보다 빨리 측정 및 검사를 Real time으로 공정 내에서 발견해야 한다. 그렇다면 이러한 디지털 기기 내부의 불량을 빠르게 확인할 수 있는 방법은 무엇이 있을까? 바로 피에조가 가진 빠른 응답성과 정밀한 움직임을 이용한다면 손쉽게 3D 측정이 가능하며 이로 인해 공정상의 불량률을 현저히 줄일 수가 있다.
피에조 스테이지를 이용한 3D 측정 원리
그렇다면 피에조로 어떻게 3D 측정이 될까? 이는 빛의 간섭현상(두 개 이상의 파동이 한 점에서 만날 때 중첩되어 진폭이 합해지거나 상쇄되는 현상)을 이용한다면 손쉽게 데이터를 얻어 낼 수 있다.
사람의 육안으로 빛을 식별할 때 빛은 직진하여 이동하는 듯 보인다. 하지만 빛의 움직임은 수면에 돌을 던지면 동심원을 이루듯 움직이는 독특한 특성이 있다.
또한 이러한 빛은 하나로만 구성되어 있지 않고 무수히 많은 요소요소에 의해 구성되어 있는데, 이때 두 개 이상의 파동이 중첩 될 때 물결을 이루듯이 간섭무늬가 발행하게 된다. 이러한 간섭무늬는 측정하고자 하는 타겟의 거리에 따라서 그 색상과 무늬가 각각 달라지는데, 즉 두 빛의 광경로차(Optical Path Difference)에 의해 간섭이 발생되고 이러한 무늬를 이용하여 타겟의 모양을 3차원으로 측정할 수가 있다.
따라서 이러한 측정하고자 하는 거리를 정확하게 Sub-㎚로 미세하게 이동이 가능해야 하며 Sub-㎳이하의 속도를 가지고 있어야만 보다 빠르게 측정이 가능할 수가 있기 때문에 피에조를 기반으로 한 스테이지를 사용하여야만 한다.
어떠한 광원을 사용하느냐, 어떠한 구조로 되어 있느냐에 따라서 WSI(White Light Scanning Interferometry ), PSI(Phase Shifting Interferometry), SPI(solder Paste Inspection) 및 다양한 측정기로 분류가 되지만 기본적인 원리는 동일하다고 볼 수가 있다.
피에조를 이용한 3D 검사 및 측정 대상
피에조를 이용한 3차원 검사 및 측정 대부분은 200㎛ 내외의 높이를 가진 대상이 된다. 반도체의 Wafer나 LCD, LED 등이 주로 육안으로 식별이 불가능한 대상이 되며, 3D 측정을 통해 다양한 정보를 얻어 낼 수가 있다.
피에조의 장점
피에조를 기반으로 제작된 스테이지 및 여러 제품들은 월등한 분해능과 빠른 응답성이 특징이다.
0.1㎚ 이하의 분해능과 Sub-㎳의 빠른 응답성까지 구현이 가능하며 피에조 전용 컨트롤러를 사용한다면, 어떠한 소프트웨어와도 호환이 가능하다. 피에조는 태생적으로 Travel의 길이가 짧다는 단점을 가지고 있지만 현재는 이러한 단점조차도 극복이 가능한 제품들이 출시되어 있다.
자료제공 | PI(www.pikorea.co.kr)
