박막 유리의 비접촉 검사 이송을 위한 공기부상 스테이지 개발에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 공기부상(Air Floating) 스테이지에서 박막 유리(0.5 mm)의 안정적 부상을 구현하기 위해, 공기막 유동 특성과 기판 구조 변형 메커니즘을 규명하고 주요 설계 변수(급기공 형상·배열·부상 간극 등)가 압력장 및 평탄도에 미치는 영향을 정량적으로 분석하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 Reynolds 방정식, Kirchhoff–Love 판이론, Entrance Flow 이론 등을 기반으로 한 수학적 모델을 구축하고, ANSYS Fluent와 Static Structural을 이용한 One-way FSI 해석 기법을 적용하였다.
박막 유동 모델링, 난류모델(k-ω SST) 선정, 메시 전략 및 경계조건 설정 등 수치해석 절차를 체계화하였으며, 다양한 급기공 형상(Orifice, Chamfer, Taper, Ellipse), Chamfer 크기, 배열(pitch), 부상량 조건을 변수로 하여 압력장과 기판 변형 특성을 비교하였다. 해석 결과, Chamfer 0.7 mm 및 50 × 50 mm 지그재그 배열이 가장 안정적인 압력 분포를 형성하며, sub-ambient pressure 발생을 감소시켜 부상 안정성을 크게 향상시키는 것으로 나타났다.
또한, 시뮬레이션 결과 검증을 위한 실험 시스템을 구축하고, 레이저 변위센서 기반 단면 스캔 방식과 압력 제어 시스템 등 측정 프로토콜을 제시하였다. 본 연구는 급기공 설계 및 공기막 유동 제어 전략의 유효성을 입증함과 동시에, 실험 데이터 기반의 추가 검증, Two-way FSI 확장, 동적 안정성 평가 등 향후 연구 방향을 제안한다.
결과적으로 본 논문은 박막 유리 공정 및 비접촉 이송 시스템 설계를 위한 정량적 기준을 제공하며, Air Floating 시스템의 최적화와 부상 불안정성(sub-ambient pressure 및 dip 현상) 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to achieve stable levitation of a thin glass (0.5 mm thickness) in an air floating stage by investigating air film flow characteristics and substrate structural deformation mechanisms. The primary objective is to quantitatively analyze the effects of key design variables, such as orifice shape, arrangement, and levitation gap, on the pressure field and flatness.
A mathematical model was developed based on Reynolds equations, Kirchhoff–Love plate theory, and Entrance Flow theory, with a one-way FSI (Fluid-Structure Interaction) analysis using ANSYS Fluent and Static Structural. Numerical procedures, including thin-film flow modeling, selection of turbulence models (k-ω SST), mesh strategy, and boundary conditions, were systematically organized. Various orifice shapes (Orifice, Chamfer, Taper, Ellipse), Chamfer size, pitch, and levitation gap were varied to compare pressure field and substrate deformation characteristics. 0.5 mm-thick glass plate. The analysis showed that a Chamfer size of 0.7 mm and a 50 × 50 mm zigzag arrangement resulted in the most stable pressure distribution, significantly improving levitation stability by reducing sub- ambient pressure occurrences.
Additionally, an experimental system for verifying simulation results was developed, featuring laser displacement sensors for cross-sectional scanning and a pressure control system. The study validates the effectiveness of orifice design and air film flow control strategies, while suggesting future research directions, including experimental data verification, two-way FSI expansion, and dynamic stability evaluation. This research provides quantitative guidelines for the design of thin glass processes and non-contact transfer systems, contributing to the optimization of Air Floating systems and the improvement of levitation instability issues, such as sub-ambient pressure and dip phenomena.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 범위 및 방법 3
• 1.3 기존의 연구 4
• 1.4 논문의 구성 5
• 제 2 장 이론적 고찰 7
• 2.1 공기부상(Air Floating) 기술 9
• 2.2 공기부상의 구성요소 11
• 2.3 공기막 내부 유동의 기본 식 13
• 2.3.1 공기 물성 기본 식 15
• 2.3.2 공기 유동의 기본 식 16
• 2.4 Reynolds 방정식 18
• 2.4.1 윤활 근사 18
• 2.4.2 유동 지배방정식 19
• 2.5 박막 유리 20
• 2.5.1 Kirchhoff-Love 판 이론 21
• 2.5.2 판의 강성 22
• 2.5.3 판의 기본 방정식 22
• 2.6 유체-구조 연성(FSI) 24
• 2.6.1 연성의 개념 24
• 2.6.2 FSI의 종류 및 비교 25
• 2.6.3 One-way FSI 모델의 해석적 구조 26
• 2.7 Entrance Flow 27
• 2.7.1 급기공 주변 유동의 물리적 특성 28
• 2.7.2 Entrance Flow와 Sub-ambient Pressure 29
• 2.8 수학적 모델 정립 30
• 2.8.1 유동 모델 30
• 2.8.2 구조 모델 32
• 2.8.3 하중-변형 간극의 통합 모델 33
• 2.8.4 설계 특성치 모델 34
• 2.9 위험성에 따른 설계 시 고려해야 할 사항 35
• 제 3 장 수치해석 방법론 37
• 3.1. 수치해석 개론 37
• 3.1.1 ANSYS 기반 유동·구조 해석 개요 37
• 3.1.2 Air Floating의 수치해석의 필요성 38
• 3.1.3 수치해석 과정 39
• 3.2 유동해석(Fluent) 39
• 3.2.1 Fluent with Fluent Meshing 39
• 3.2.2 유동 지배식 및 물리모델 설정 41
• 3.2.3 압축성 모델 적용 42
• 3.2.4 난류 모델(k-ω SST) 42
• 3.2.5 Mesh 44
• 3.2.6 경계조건 46
• 3.2.7 Fluent Solver 설정 47
• 3.3 구조해석 48
• 3.3.1 기판의 특성 48
• 3.3.2 구조해석 모델 49
• 3.3.3 하중 적용 50
• 3.4 One-way FSI 50
• 3.4.1 데이터 전달 흐름 51
• 3.4.2 One-way 51
• 3.4.3 Mapping 기법 53
• 3.4.4 품질 기준 53
• 3.5 해석 가정 54
• 제 4 장 시뮬레이션 결과 및 분석 58
• 4.1 시뮬레이션 구성 및 공통 설정 58
• 4.1.1 Fluent 모델 설정 58
• 4.2 부상량과 구멍의 형태 59
• 4.2.1 일반 원형 구멍 (∅2 mm × 10 mm) 59
• 4.2.2 오리피스 구멍 (∅1.8 × 5 mm + ∅0.1 × 16 mm) 63
• 4.2.3 Chamfer 크기 비교 (0～1 mm) 69
• 4.3 구멍 간 간격 분석(Glass 200 × 200 mm) 75
• 4.3.1 구멍 4개 배열에서 구멍 간 간격 및 배열
• 형상 비교 75
• 4.3.2 다중 구멍 배열에서 구멍 간 간격 및 배열
• 형상 비교 82
• 4.4 압력 변화(30～100 kPa)에 따른 기판 부상량 분석 89
• 4.5 최적 조건 종합 91
• 제 5 장 실험해석 결과 및 분석 93
• 5.1 실험 목적 93
• 5.2 실험 장치 구성 94
• 5.2.1 공기부상 플레이트 제작 94
• 5.2.2 레이저 변위센서 구성 95
• 5.2.3 기판 및 정렬 시스템 96
• 5.2.4 공급압력 제어 및 유량 설정 96
• 5.3 실험 준비 단계 97
• 5.4 실험 방법 97
• 5.4.1 압력 변화에 따른 부상량 측정 조건 97
• 5.4.2 기판 단면(X축) 프로파일 측정 98
• 5.4.3 시뮬레이션 대비 분석 준비 99
• 5.5 실험 결과 101
• 5.5.1 압력 변화에 따른 부상량 101
• 5.5.2 시뮬레이션과의 비교 102
• 5.5.3 오차 요인 검토 103
• 5.6 종합 평가 105
• 제 6 장 결론 및 향후 연구 107
• 6.1 연구의 결론 107
• 6.2 연구의 한계 및 향후 연구 108
• 참고문헌 111
• Abstract 113