제1회 KSME-SEMES 오픈 이노베이션 챌린지 결과

대 상

홀센서 배열 위치 추정기를 이용한 공기베어링 평면자석배열 철심형 평면모터 / 안형준+(숭실대), 김경록((주)져스텍) (팀명 : 숭실대 지능기전 시스템 실험실)

요약 : 많은 산업 현장에서 고정밀도 위치 결정 장비들이 사용되고 있다.기존의 위치 결정 장비로는 다자유도 구동을 위해 모터를 적층하여 사용하였지만 평면모터와 같이 다자유도 직접구동을 하면 시스템을 고효율 소형화할 수 있다. 이동자 자석 평면 배열에서 발생하는 자기장 고조파의 영향을 최소화하며 자석 배열의 자속 연성을 제거하는 평면 모터용 위치 추정기를 개발하였다. 두번째로 철심형 평면모터의 전자기 방정식을 통한 평면모터 전자기력의 수식적 해석과 FEM을 수행하여 모터의 추력과 흡인력을 예측하였다. 세 번째로 철심형 코일과 홀센서 배열 위치 추정기,상용 모션 제어기를 이용하여 평면모터 위치제어 시스템을 구성하였고 이 시스템의 위치 제어 성능을 위치 센서를 통해 평가하였다.

전문가 그룹 금상

깊은 초점심도와 넓은 시야각을 갖는 고배율 광학 렌즈의 개발 / 이덕규+, 이준희, 송경준, 정영도(KIMM), 김원정(서강대) (팀명 : 원천기술 개발자)

요약 : (연구개요) 많은 곤충의 눈은 겹눈으로 이루어져 있다. 겹눈은 곡면에 많은 수의 독립된 렌즈가 배치된 구조로서, 넓은 시야를 확보하면서도 높은 공간 분해능을 갖는다. 제안하는 연구에서는 구조적 측면에서 곤충의 겹눈을 모방하고, 전기습윤을 통해 독립적으로 초점거리를 조절할 수 있는 액체 렌즈를 장착하여, 기존의 광학시스템의 한계를 뛰어넘는 새로운 개념의 고배율 광학렌즈를 개발하고자 한다.
(연구의 필요성) 현재까지 개발 된 현미경은 고배율로 측정 할수록 측정 면적이 좁아지고, 초점심도가 얕아지는 단점을 갖고 있다. 따라서 섬유처럼 거친 표면을 갖는 피사체를 기존의 고배율 광학렌즈로 촬영하게 되면 선명한 이미지를 얻기가 어려울 뿐만 아니라, 촬영 범위가 좁아지게 된다.
이 연구에서 개발하고자 하는 렌즈는 초점 거리 조절이 가능한 개별 액체 렌즈를 겹눈 구조로 곡면에 배열한 것으로, 기존 광학 렌즈의 기술적 한계를 뛰어넘어 고배율에서도 넓은 측정 면적 및 깊은 초점심도를 확보가 가능하다. 이러한 렌즈를 활용하게 되면 광학현미경으로도 전자현미경으로 피사체를 찍을 때와 같이, 거친 표면의 고배율 촬영이 가능하다.
(연구 내용) 본 연구의 개발 목표인 신개념 광학 렌즈의 개발 과정은 1) 광학 및 유체역학 해석을 통한 렌즈 설계, 2) 겹눈을 모사한 3차원 곡면 구조 내에서의 액체 렌즈 제작, 3) 실험을 통한 렌즈 성능 평가 및 시제품 제작 단계로 구성된다.

전문가 그룹 은상

기계화학적 연마용 나노 분말 연마재의 뭉침 현상 실시간 모니터링을 위한 고온 실리콘 자가 조립 현상 기반 나노채널 내장 초정밀 공진 질량센서 구현 / 이정철+, 김석범, 윤여원(서강대), 이동혁(서울대) (팀명 : 나노프리센싱(Nanopresensing))

요약 : 최근 반도체 소자의 고집적화, 고밀도화에 따라 미세 패턴 형성 기술이 사용되고 있고, 이로 인해 반도체 소자의 표면 구조가 복잡해지고 단차가 심해지는 경향이 있다. 이러한 단체를 없애기 위한 대표적인 웨이퍼 평탄화 기술 중 하나로 연마입자와 화학적 첨가제가 함유된 용액인 슬러리 (slurry)를 사용하는 기계화학적 연마 (Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정이 있다. 이 CMP 공정에 사용되는 액상의 슬러리에 수백 나노미터 이상의 거대 입자 (large particle)가 포함되어 있는 경우, 반도체 웨이퍼 상의 미세 패턴을 손상시켜 불량을 초래한다. 문제의 거대입자는 슬러리 내부에 포함된 나노 분말 연마재가 용매에 분산된 상태에서 뭉치게 되어 발생한다. 현재까지 거대입자 검출에 주로 사용되는 측정 방법은 광학적인 방법으로서 그 측정/검출 한계로 인해 일정 크기 이상으로 뭉치기 전, 즉 충분히 큰 거대입자가 되기 전에는 측정하기 어렵고, 단일 입자를 측정하는 기술이 아닌 다수 입자군의 평균을 획득 하므로, 거대입자의 개수가 충분히 많아야 하는 단점이 있다. 무엇보다도 장비 자체가 고가이고, 따라서 유지 보수 비용도 높으며, 장비의 크기 때문에 설치/운용에 큰 공간이 요구된다. 본 제안에서는 기존 광학적인 방법의 여러 문제점을 극복하기 위해 나노유동채널 내장 공진 질량센서 기반 측정/계측 기기를 개발하여 슬러리 내의 거대입자를 기계적인 방법으로 조기에 고속 검출하여 CMP 공정의 품질 관리에 즉각 적용하고자 하고자 한다. 내경이 축소되어 민감도가 극대화된 나노유동채널 내장 공진 질량센서 개발을 위해 고온 환경에서 실리콘의 자가 조립 (self assembly) 현상을 이용하여, 웨이퍼의 접합 공정없이 나노유동채널을 구현한 후 채널 내벽을 산화하고, 최종적으로 얇은 산화막 주위의 실리콘을 선택적으로 제거하여 산화막 나노튜브 공진기를 구현한다.

전문가 그룹 동상

대면적 전자빔 기반 고전도/고유연 투명 전극 용접 공정 기술 개발 / 김지수+, 남윤석, 송명훈, 박형욱(UNIST) (팀명 : MOM (Multi-scale Optoelectronics Manufacturing) team)

요약 :

1. 연구의 최종 목표
   • 대면적 전자빔 기반 나노와이어 접합을 통한 고전도/고유연 투명 전극 공정 기술 개발
2. 연구의 필요성
   • 투명전극에서 가장 널리 쓰이는 인듐주석산화물(ITO)전극의 희소성, 가격 상승 및 높은 취성으로 인한 유연성 소자에의 적용 불가능
   • 나노와이어 기반 투명전극의 높은 접촉저항에 의한 유연 전도성 저하 문제의 해결 필요
   • 기존 투명전극 용접 시 발생하는 대면적 불균일성 및 면적에 따른 기하급수적 기판 제작비용 증가의 문제 해결 필요
3. 연구개발 내용
   • 고투명성/고전도성 나노와이어 기반 투명 전극 제작 공정 최적화
   • 고투명성/고전도성 전극의 고유연화를 위한 대면적 전자빔 기반 전극 용접 기술 개발
   • 고투명성/고전도성/고유연성 투명 전극의 대면적화를 위한 용접 공정의 균일성 확보 연구
   • 개발 전극의 어플리케이션 적용을 통한 전극 특성 및 성능 향상
4. 기대효과 및 활용방안
   • 대면적 고투명성/고전도성/고유연성 전극의 생산 공정 기술 최적화
   • 고투명성/고전도성/고유연성 전극의 반도체 제품 적용을 통한 유연 성능 향상

전문가 그룹 동상

모아레 영상 정보를 이용한 비접촉식 모드해석 / 김동현+, 박영진(KAIST) (팀명 : SDAC)

요약 : 모드해석은 자동차, 건축 구조물, 교량, 선박 등과 같은 기계 구조물의 운동 특성 및 안전 진단에 필수적이며 대표적으로 사용된다. 모드해석이란 구조물에 측정 가능한 인위적인 가진력을 가하였을 때 그 응답 신호를 측정하여 입력-출력 신호간의 주파수 응답 함수로부터 고유진동수, 모드형상, 감쇠비 등의 모드매개변수를 도출하는 과정을 말한다. 모드해석에는 가속도계 등의 접촉식 센서를 이용하여 물체의 진동을 측정하는 방법과 레이저기기나 카메라를 이용한 비접촉식 방법이 있다. 도플러효과를 이용한 LDV와 같은 레이저기기나 카메라를 이용하는 비접촉식 방법의 경우 시스템에 주는 영향을 최소화 할 수 있고 설치 과정이 간단하다는 장점이 있지만 카메라의 영상 정보를 사용하여 효과적인 모드해석을 하기 위해서는 카메라 이미지 픽셀 수의 한계로 인한 낮은 분해능을 개선 시킬 필요가 있다.
본 아이디어는 카메라로 모드해석을 위한 진동 측정을 할 경우 부족한 분해능과 기존의 측정 방법들이 특정한 한 지점 만의 정보만을 측정할 수 있었던 단점을 개선하기 위해 프로젝터로 프린지 무늬를 측정 대상에 생성시켜 그 것을 카메라로 촬영하여 샘플링 모아레 방법으로 처리한 후 변위를 구하는 측정방법이다. 기존의 마커를 추적하는 방법이 식별 가능한 마커가 부착된 점의 변위만을 측정하는 것과 달리 제안된 방법은 촬영하는 표면 전체의 변위 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

전문가 그룹 동상

극자외선 리소그래피(EUVL) 진공챔버 내부 극미량의 오염물질 검출 캔틸레버(Cantilever) 센서 / 김민우+, 박진성, 김웅, 박주형, 조성재, 김우창, 김치현(고려대) (팀명 : NABIOS(나비오스))

1. 아이디어 목적 및 필요성
   • 대필요성
     - 극자외선 리소그래피(Extream Ultra-Violet Lithography)를 사용함에 있어 기존 잔류가스분석기인 QMS(Quadruple Mass Spectrometer)는 민감도•속도가 EUVL의 조건에 미달됨
   • 목적
     - 진공에서 고 민감도•속도를 가지는 오염물질 센서 제작
2. 아이디어 정의
   • 캔틸레버 어레이를 이용한 Attogram 단위의 고민감도 센서
   • 초고주파(kHz이상)를 이용한 빠른 검출
   • 나노 사이즈의 캔틸레버를 통한 가격절감 및 소형화
3. 아이디어 구현 방법
   • Nano Cantilever fabrication
     - 캔틸레버에 오염물질 Probe를 고정시켜 캔틸레버 제작
   • Sensor kit
     - 레이저, 피에조, 포토 디텍터를 이용한 센서 시스템 구현
4. 아이디어의 독창성
   • 높은 검출능력과 빠른 검출속도
   • 저렴한 비용과 소형화 가능성
5. 예상되는 제약조건 및 해결방법
   • 소모품인 캔틸레버 센서를 표면세척을 통해 재사용 가능
6. 기대효과 및 활용방안
   • EUVL 장비 내구성 강화
   • 환경오염물질 검출능력 향상

젊은공학자 그룹 금상

계측용 초음파의 메타물질 기반 고투과율 빔패턴 제어 기술 / 이혁+, 권민우, 박충일, 이우림, 김성현(서울대) (팀명 : 메타초음파)

요약 : 본 연구팀은 초정밀 센서 및 계측기술에서 광범위하게 사용되는 초음파 기술에서 ‘메타물질’ 이라는 신개념 디바이스를 도입하여 기술의 혁신적 도약을 야기하고자 한다. 메타물질이란, 정체되었던 파동에너지 기반 기술들의 한계 극복을 위해 제안된 파동특이현상을 위한 인공 구조물이다. 메타물질의 고도화된 설계기법을 사용하면 매우 작은 크기 내에서도 파동의 위상을 급격히 바꾸어 주어 빔 패턴을 효과적으로 제어하며 기존 시스템에서는 불가능 했었던 초고해상도 이미징을 구현해줄 수 있다. 투과율이 높은 메타물질을 설계해주었을 시에는 초정밀 센싱을 가능케 해줄 수 있다.
특히, 본 연구팀은 이러한 특성을 고려하고, 기존 시스템과의 접목성/응용성을 극대화하기 위하여 매우 얇은 박막형태(Metasurface)로 설계를 하였다. 이러한 설계 기법을 통해, 기존 시스템에서의 초음파 출력의 저하, 빔의 소산 및 높은 손실, 장비의 낮은 내구성으로 인한 정밀한 계측과 진단의 한계를 극복하고자 한다. 본 연구팀이 제안하는 박막형태 메타물질을 통해 기존 계측 기술에서는 이뤄낼 수 없었던 초고해상도 이미징, 초음파 빔의 투과율 증대, 빔의 획기적인 능동적 제어가 가능해지게 될 것이라 예측된다. 이러한 신개념 디바이스를 통해 반도체 공정에서의 실시간 품질관리 및 헬스모니터링의 질을 획기적으로 높이고, 반도체 공정의 정밀도 및 완성도를 극대화 시키고자 한다

젊은공학자 그룹 은상

PMLSM(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor)을 이용한 Cableless 수직/수평형 물류 이송 시스템 제어 / 김홍윤+, 조한별, 여운경(고려대) (팀명 : 제우기술)

요약 :

• 리니어 모터는 일반 회전형 모터를 축(Axial)방향으로 잘라서 펼쳐놓은 형태로 기존의 일반모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것에 비해 리니어모터는 직선방향으로 미는 힘인 추력(thrust)을 발생시키는 점이 다르나 그 구동원리는 근본적으로 같다.
• 그러나 회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어 모터는 구조적으로 길이가 유한하여 절단면 양끝에 단부가 존재하므로 End effect가 있게 된다. 또한 공극이 커서 공극의 자속분포, 추력특성 등에 있어서 영향을 크게 받아 효율이 좋지 못하다.
• 본 기술제품은 위치센서와 컨트롤 소프트웨어를 탑재한 Long-Stroke 고속 선형동기전동기로 측면 가이드레일(리니어모듈 또는 볼스크류베어링) 사이에 장착되고 이송하고자하는 길이로 고정자(전기자)를 끝단에 일렬로 배치하여 다수의 가동자를 운전할 수 있다. 특히, 가동자의 위치 및 가동자의 복수운전(traffic), 각 가동자의 속도 및 가속도, 방향을 결정할 수 있는 컨트롤시스템 구비하고 각각의 가동자를 운전하기 위하여 가동자에는 영구자석(4극 기준) 배열이 있다.
• 각각의 가동자는 파워케이블 및 위치센서 등의 통신케이블이 없기 때문에 광범위하게 구동할 수 있다. 1m 단위의 고정자(전기자)에는 2개의 리니어모터가 배치되어 1m이내에서 2개의 가동자가 동시 구동될 수 있고 각각의 리니어모터에는 DC 모터 드라이브가 설치되어 있고, 각각 전류위상을 결정하는 U, V, W 홀센서와 가동자의 위치를 결정하는 SINE, COS
IN파형을 출력할 수 있는 센서가 내장되어 영구자석 ARRAY 가동자의 움직임에 대하여 90도 위상차의 A, B상의 출력으로 위치를 제어한다.
• 각각 고정자(전기자)의 양단에는 근접센서를 매설하여 영구자석가동자가 고정자에 위치할 때, DC POWER SUPPLY에서 DC 모터 드라이브가 ON되어 고정자(전기자)에 CURRENT를 인가하여 구동되며, Stroke길이가 Long-Stroke가 되어질 경우 1m 단위의 고정자(전기자)셋트는 복수개로 놓여지며, 이때 DC Power Supply는 복수개의 고정자(전기자)셋트에 전류를 인가하지 않고 영구자석 가동자가 구동하는 위치에만 전류가 인가된다

젊은공학자 그룹 동상

낮은 에너지의 선 배열 레이저빔을 이용한 실리콘 웨이퍼 절단(Cleaving) / 윤성희+(한양대), 최성호(Pennsylvania State Univ.) (팀명 : ISNDE)

요약 : 본 제안서에서 제안하는 실리콘 웨이퍼 절단 방법인 ‘레이저 클레빙 (Laser cleaving)’은 절단하려는 실리콘 웨이퍼의 모서리 한 쪽에 미세한 크랙을 생성한 후, 크랙 양단 에 두 개의 라인 빔을 조사하여 발생한 열응력을 크랙에 집중시켜 웨이퍼를 절단하는 기술이다. 기존의 기술들과 비교했을 때 낮은 레이저 에너지로도 절단이 가능하며, 절단면에 직접적으로 레이저 에너지를 가하지 않기 때문에 절단면이 깨끗하며 절단 표면 손상과 커팅 로스 (Cutting loss)를 최소화할 수 있다. 더불어 포인트 빔을 사용하는 기존 기술과 달리, 라인빔을 사용하기 때문에 절단시간을 최소화 할 수 있다.

젊은공학자 그룹 동상

스마트공장 내 사물인터넷 자가 전력망 구현을 위한 에너지 수확/집속/전송 기술 / 윤헌준+, 신용창, 조수호(서울대) (팀명 : SNU SHRM 313)

요약 : 최근 사물인터넷 기반 스마트공장이 새로운 미래성장동력으로 각광을 받고 있음. 스마트공장이란, 공장 내 모든 설비들이 ICT를 기반으로 연결되어 물리적 공간에 구애받지 않고 제조 및 물류 등과 관련된 데이터를 무선센서 네트워크로 실시간 관리하여 안전하고 효율적인 생산 환경을 구축하는 것임. 즉, 사물인터넷 기반 스마트공장 구현을 위한 선결조건은 무선센서 네트워크 구동을 위한 안정적이고 경제적인 전력공급 시스템 확보라고 할 수 있음.
원격으로 배치된 센서에 전선을 연결하는 것은 물리적인 제약이 따르며, 주기적인 배터리 교체로 전력을 공급하는 것은 많은 유지보수 비용을 야기할 뿐만 아니라 일시적인 전원 종료가 요구됨. 이에 본 제안서에서는 설비 운행 시 버려지는 에너지를 수확, 전송, 집속하여 원격으로 배치된 무선센서 네트워크에 전력을 공급하는 유비쿼터스 자가 전력망 개념을 최초로 제안함. 제안된 아이디어는 크게 두 가지로 구성됨. 첫 번째는 설비 운행 시 버려지는 주변 에너지로부터 전력을 수확(energy harvesting)하여 무선센서를 구동하는 국부적 자가 전력망 기술임. 두 번째는 원거리에서 에너지를 빛의 형태로 전송(energy transfer)하고 메타물질을 이용하여 광전지에 집속(energy focusing)하여 전력을 공급하는 대면적 자가 전력망 기술임.
본 아이디어는 스마트 공장 내 설비(진동유발)부터 센서(전력소모)까지 에너지 흐름의 본질적 이해를 시스템 통합 관점에서 접근하려는 창의적인 시도임. 더불어 사물인터넷 전력공급 원천기술을 확보함으로써 무선센서 관련 국내산업 생태계를 보호하고 국제 경쟁력을 높일 수 있음. 더 나아가 메타물질과 자가 발전 기술이 융합된 에너지 수확/전송/집속 신산업 창출이 가능할 것으로 기대됨.

젊은공학자 그룹 동상

비교식 디지털 홀로그래피 기술을 이용한 두께차이 측정 기술 / 진지난+, 조장현, 전성빈, 임진상(연세대) (팀명 : 광 메카트로닉스 홀로그래피 팀)

요약 : 반도체 기반 산업이 활성화 되면서 다양한 형태의 투명소자들이 대량 생산되고 있다. 정밀 제조공정 기술이 발전되면서 측정 장치에 대한 요구도 높아지고 있다. 측정 정밀도, 측정영역, 안정성, 측정속도, 가격경쟁력 등 스펙이 모두 기존의 측정기기보다 한단계 업그레이드 된 기술이 필요한 시점이다. 디지털 홀로그래피 측정기술을 기반으로 생산되는 투명소자들의 두께품질을 측정하기 위한 비접촉식 3차원 정밀측정기기를 설계하고자 한다. 측정 과정에서 발생할 수 있는 여러 오차원인을 충분히 고려하여 측정 정확성과 안정성을 확보할 예정이다.
비교적 넓은 영역에서 3차원 위상 정보의 고속 취득이 가능한 디지털 홀로그래픽 정밀측정 기술을 개발하여 대규모로 생산된 제품의 두께품질을 효율적으로 측정할 수 있다. 비교식 디지털 홀로그래피 기술을 이용한 두께차이 측정 기술은 제품의 품질관리 분야에서 다양하게 응용될 것으로 예상된다.

젊은공학자 그룹 동상

분자동역학 전산모사 기반 초임계유체를 사용한 포토레지스트 세정공정 최적화 / 김병조+, 박형범(서울대) (팀명 : Farseer)

요약 : 나노공정기술의 발달로 반도체 소자의 초고집적화가 이뤄짐에 따라 보다 엄격하고 신뢰성 있는 제조 공정이 요구되고 있으며, 특히 각 공정 후 표면의 오염물을 효과적으로 제거하기 위한 세정공정의 중요성이 부각되고 있다. 본 제안서에서는 초임계유체 기반 세정공정을 분자동역학 전산모사를 통해 최적화하는 방안을 제안하고자 한다. 초임계유체는 무해하며, 높은 용해력과 확산계수를 지닌다. 또한 capiraly force에 의한 웨이퍼의 패턴 리닝을 방지할 수 있는 낮은 표면장력을 지니며, 미세공으로의 침투력 또한 뛰어나다. 초임계유체를 사용한 효과적인 세정을 위해서는 유체와 오염물질 사이의 반응력, 용해도, 전달 물성 등이 매우 중요한 역할을 하며, 이러한 특성은 온도와 압력 조건에 따라 달라진다. 분자동역학 전산모사를 통하여 온도와 압력 조건에 따른 초임계유체의 특성을 규명하고 이를 토대로 초임계유체 기반 세정공정 조건을 효율적으로 최적화하고자 한다. 제안한 아이디어는 반도체 소재 공정에서 중요성이 강조되고 있는 세정공정에 있어 고효율이며 친환경적인 혁신 기술을 확립하는데 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 또한, 산업 현장에서 시뮬레이션이 기술 개발의 보조적 역할을 해오던 것에서 한 단계 나아가 신기술 확립의 최전선에서 핵심적 역할을 수행할 수 있음을 제안하는데 본 아이디어의 독창성과 의의가 있다.