액티브 제진대에 대해서 - 4

 TMC는 Serial 방식의 액티브 제진대를 제조하는 유일한 회사로 액티브 제진대를 직렬(Serial)식과 병렬(Parallel)식으로 구분하고 있는데, 그와 동시에 직렬식 액티브 제진대의 우수성을 내세우고 있습니다.

TMC의 병렬식(왼쪽), 직렬식(오른쪽) 제진대

 TMC에 의하면 직렬식의 장점은 병렬식에 비해 간단한 셋업, 뛰어난 저주파수 대역의 제진 성능, 넓은 액티브 제진 대역폭 등이 있습니다. 병렬식의 장점은 뛰어난 성능, 스테이지 이동에 따른 외란의 제어 등이 있고, 단점은 셋업이 어려우며, 바닥 진동에 대한 액티브 제진 대역폭이 제한적인 것이라고 합니다.

 이에 대해 TableStable의 John Sandercock 박사는 아래의 첨부파일과 같이 '직렬식, 병렬식 액티브 제진 시스템의 미신'이라는 자료를 통해서 TMC의 의견에 반박하고 있습니다.

The-Myth-of-Serial-vs-Parallel-Active-Systems-.pdf

0.49MB

 이 자료에서 설명하고 있는 내용을 요약하면 아래와 같습니다.

 첫째, '저주파수 대역의 제진 성능은 병렬식이 더 좋다.' 관성 센서를 사용하는 모든 피드백 시스템에는 센서의 저주파 노이즈에 의해 결정되는 저주파 차단주파수가 있으며, 관성 센서의 질량은 이 노이즈의 범위에 가장 큰 영향을 미칩니다. AVI나 TS 시리즈는 관성 센서의 크기가 작아서 0~1Hz 대역의 제진 성능에 제한이 있으나, 더 큰 센서를 사용하는 LFS 시스템을 추가하면 바닥의 진동에 대한 저주파수 대역의 제진 성능을 한층 더 개선할 수 있습니다.

 둘째, '병렬식 액티브 제진대는 장비의 하중에 따른 튜닝(셋업)이 필요 없다.' 일부의 병렬식 액티브 제진대는 하중에 맞춰서 튜닝이 필요하지만 모든 제품이 그러한 것은 아니며, 피드백 루프의 특성에 따라 차이가 있습니다. AVI나 TS 시리즈와 같이 수 kHz까지 고주파수 응답이 잘 설계되어 있다면, 광대역 피드백 루프 제어로 인해 장비의 공진이 어떤 주파수에서 발생하더라도 하중에 따른 튜닝이 필요 없습니다.

 셋째, '직렬식 액티브 제진대의 하중으로부터의 디커플링은 단점이다.' 직렬식 액티브 제진대는 약 20Hz에서 하중과 제진대가 분리(디커플)되며, 그 이상의 주파수에는 패시브 제진이 작용합니다. 이러한 디커플링으로 하중의 고주파수 공진은 제거할 수 있지만, 하중에 직접적으로 전달되는 외부의 진동은 제거할 수 없습니다. 즉, 직렬식 액티브 제진대의 피드백 제어는 장비에 직접 전달되는 진동을 감소시킬 수 없습니다. 만약, 장비에 다양한 전기선, 펌프 배관 등이 연결되었을 때, 케이블 강성의 합계가 20Hz를 초과한다면, 상당량의 진동이 장비에 전달될 수 있습니다. TS나 AVI 시리즈와 같은 병렬식 액티브 제진대는 하중과 강력하게 결합되어 하중에 전달되는 진동을 제거하려 하므로 직렬식 액티브 제진대보다 뛰어납니다.

 일본의 도쿄기기도 자사의 공압식 액티브 제진대와 TMC의 피에조일렉트릭 액티브 제진대를 비교, 분석하여 아래와 같은 자료를 제공하고 있습니다.

paper_2020-501197_en.pdf

0.56MB

 도쿄기기는 액티브 제진대를 실제로 장비에 적용했을 때를 감안하여, 액티브 제진대 위에 패시브 제진대를 설치한 상태에서 충격을 가하면 제진대가 어떻게 반응하는지와 스테이지가 작동할 때 제진대가 어떻게 반응하는지를 비교하여 공압식 액티브 제진대의 우수성을 설명하고 있습니다.

도쿄기기의 공압식 액티브 제진대(위)와 피에조일렉트릭 액티브 제진대(아래)

 자료의 내용은 TableStable의 것과 비슷한데, 요약하자면 공압식 액티브 제진대 장점은 힘을 가하더라도 빠르게 감소시키고, 스테이지의 외란에도 대응이 가능하다는 점입니다. 그리고 피에조일렉트릭 액티브 제진대의 단점은 저, 중주파수(2~30Hz) 대역의 제진 성능은 뛰어나지만 고주파수의 탄성 모드(elastic mode) 때문에 공압식 패시브 제진대와 함께 사용해야 한다는 점과 내부의 탄성중합체(elastomer)가 변형되면 수십에서 수백 마이크로미터 수준으로 기울어질 수 있다는 점 등을 이야기하고 있습니다.

 그런데 도쿄기기의 자료에는 이상한 점이 하나 있습니다. 공압식 액티브 제진대의 실험 그래프는 액티브 기능의 On/Off에 따른 차이가 뚜렷하지만, 피에조일렉트릭 액티브 제진대의 실험 그래프는 액티브 기능의 On/Off에 따른 차이가 거의 없습니다. 이 부분에 대해서는 피에조일렉트릭 액티브 제진대의 튜닝이 제대로 되지 않았거나 측정이 잘못되었을 가능성이 있습니다. 따라서 도쿄기기의 자료는 공압식 액티브 제진대의 특성에 대한 것만 참고하시기 바랍니다.