진공에서 사용하는 모터란? 용도 예와 장점을 설명

1. 진공이란?

진공이란 통상의 대기압보다 낮은 압력의 기체로 채워진 공간의 상태를 말합니다. 진공은 과학, 공학, 의료 등 여러 분야에서 중요한 역할을 합니다.

과학 분야에서는 원자와 분자를 연구하는 데 사용됩니다.
공학 분야에서 진공은 반도체나 태양전지 등의 재료의 제조, 전자부품의 제조에 사용됩니다.
의료 분야에서 진공은 생체 조직의 연구, 혈액과 조직의 보존, 수술 기구의 멸균 등에 사용되고 있습니다.

진공의 종류

절대 진공

진공은 물리학의 개념으로도 중요합니다. 고전론의 절대 진공은 공간에 분자가 전혀 없는 상태입니다. 우주공간은 진공이라고 합니다만, 실제로는 우주에도 미량으로 분자가 존재하기 때문에 어디까지나 가상적인 상태로 실재하지 않는 공간입니다.

부압

부압은 지구상의 표준적인 대기압(해면 부근=1기압)보다 기압이 낮은 상태입니다. JIS(일본공업규격)에서는 저진공·중진공·고진공·초고진공의 4단계를 정의하고 있습니다.

• 저진공 : 진공팩으로 사용되며 진공관이나 전자부품의 제조 등에 사용됩니다.
• 중진공 : 반도체나 태양전지 등의 재료의 제조 등에 사용되고 있습니다.
• 고진공 : 레이저 및 전자 현미경과 같은 장치를 제조하는 데 사용됩니다.
• 초고진공 : 원자나 분자의 연구 등에 사용됩니다.

2. 진공 환경이 요구되는 용도란?

여기까지 진공에 대해 설명해 왔습니다만, 이 진공 환경을 살린 장치나 우주 공간에서 사용되는 장치에는 모터가 사용되고 있습니다.

예 1: 진공 박막 형성 장치의 케이스

진공 박막 형성 장치는 금속, 세라믹, 반도체, 유기 재료 등의 박막을 형성하는 데 사용됩니다.
박막은 반도체 디바이스, 태양전지, 디스플레이, 광학 디바이스 등 다양한 용도로 사용되고 있습니다.

진공 박막 형성 장치에 진공 환경이 필요한 이유는 박막의 성장에 필요한 원자나 분자의 움직임을 방해하는 공기 분자를 제거하기 때문 입니다.
진공 환경에서는 기압이 낮기 때문에 원자와 분자가 서로 충돌할 가능성이 낮아집니다. 이를 통해 원자와 분자는 원하는 위치에 쉽게 부착되어 균일하고 고품질의 박막을 형성할 수 있습니다.

진공 박막 형성 장치의 용도 예

• 트랜지스터, 다이오드, 콘덴서 등의 반도체 디바이스(성능 향상, 소형화를 위해)
• 태양전지(태양광을 전기로 변환하기 위해)
• 액정 디스플레이나 유기 EL 등의 디스플레이(화질 향상, 박형화를 위해)
• 레이저, 광섬유 등의 광학 디바이스(성능 향상, 소형화를 위해)
• 태양 전지, 연료 전지, 발광 다이오드(LED) 등의 에너지 디바이스(성능 향상·효율화를 위해)
• 금속, 세라믹, 플라스틱 등의 재료의 보호 코팅(마모, 부식, 자외선으로부터 보호하기 위해)
• 유리, 플라스틱, 금속 등의 재료의 장식 코팅 (뷰티, 내구성, 기능을 추가하기 위해)

예 2: 진공 야금 장치 케이스

진공 야금 장치는 진공에서 금속을 용해 및 응고시키기 위한 장치입니다.

야금 장치에 진공 환경이 필요한 이유는,
「대기중의 불순물을 제거함으로써, 금속의 산화나 불순물의 혼입을 억제할 수 있다」
"진공 중에는 금속의 응고 속도가 빨라지기 때문에 결정립이 미세하고 균일한 금속 제품을 제조할 수 있다"
「응고 중에 발생하는 기포가 작아져, 금속의 강도가 향상되어 품질이 올라간다」
같은 장점이 있기 때문 입니다.

진공 야금 장치의 용도 예

• 고품질 강철 제조
• 고온 합금 제조
• 반도체 재료 제조
• 자성 재료
• 초전도 재료 제조

예 3: 가속기 케이스

가속기란 「전자」나 「양자」등의 입자에 에너지를 주어 고속으로 가속하는 장치입니다.
가속기는 진공 환경에서 작동해야합니다. 이것은 가속기에서 입자가 공기 중의 분자와 충돌하면 에너지를 잃기 때문입니다.

진공 환경에서는 입자와 공기 중의 분자의 충돌을 피할 수 있어 입자를 고속으로 가속할 수 있습니다.
가속기는 물리학, 화학, 생물학, 의학 등 다양한 분야에서 연구에 이용되고 있습니다.

또한 의료진단이나 방사선치료에도 이용되고 있어 입자선 치료 등으로 우리의 가까이에서도 도움이 되고 있습니다.

진공 야금 장치의 용도 예

• 물질 구조 연구
• 신물질 개발
• 의료 진단
• 방사선 치료
• 핵융합 연구

예 4: 우주 공간에서 모터 사용 예

우주 공간에서 모터는 인공 위성과 우주선의 많은 장비를 작동하는 데 사용됩니다.

우주 공간에서의 용도 예

• 로봇 팔:
  모터에 의해 제어되고 있어 우주선 밖에 있는 물체를 잡거나 놓는 등의 조작을 원격으로 할 수 있습니다.
• 안테나:
  인공위성과 우주선이 지구와 다른 우주선과 통신하는 데 사용됩니다. 인공위성이나 우주선이 지구나 다른 우주선과 올바르게 통신할 수 있도록 모터를 사용하여 방향을 맞추고 있습니다.
• 태양 전지 배열:
  인공위성 및 우주선에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 가능한 한 많은 태양광을 잡을 수 있도록 태양 방향으로 자세가 향하도록 모터로 제어되고 있습니다.
• 추진기:
  인공위성과 우주선의 궤도를 제어하는 데 사용되는 추진기입니다. 이 추진기는 모터에 의해 구동되는 노즐로 구성됩니다.
  모터가 노즐을 구동하면 노즐로부터 고압의 가스가 분출하여 인공위성과 우주선이 추력을 받아 가속합니다.
• 반응 휠:
  자세제어와 궤도제어에 중요한 역할을 하며 모터에 의해 회전하는 일련의 바퀴로 구성되어 있습니다. 인공위성과 우주선은 정확한 자세 제어가 필요합니다.
  예를 들어, 우주선이 특정 방향을 향해야 하는 경우 반응 휠의 일부를 회전시켜 선체의 회전 운동을 제어할 수 있습니다. 또한 궤도에서 미세 조정하거나 특정 위치로 이동하는 데에도 사용됩니다.

이것들은 일례입니다만, 모터는 우주선이나 인공 위성의 운용에 필수적인 디바이스입니다. 가혹한 환경에서도 신뢰성을 유지하면서 정밀한 동작을 실현하여 미션의 성공에 필수적인 역할을 합니다.

3. 진공용 모터를 사용하는 이점은?

진공 환경에서 모터를 사용하여 대상물을 움직이는 경우, 이전에는 진공 도입기(회전 도입기) 등을 사용하면서, 외부에 있는 모터의 움직임을 진공 챔버(진공 상태를 유지하는 공간) 안에 전하고 있습니다. 네.
그러나 진공 도입기의 공간이 크고 장소를 차지하는 등의 과제가 있었습니다.

진공용 모터이면 진공 환경 내에 직접 설치하여 사용할 수 있으므로 진공 도입기가 불필요해져 장치를 소형화할 수 있습니다.

4. 진공에서 모터를 사용하는 경우의 주의점

그런데, 진공 조건하에서의 모터의 사용에 있어서의 주의점에 대해서 해설합니다.

온도 상승 위험

모터의 권선에 전기를 흘리면 권선의 온도가 상승합니다. 대기 중이면 공기의 대류에 의해 열이 도망치지만 공기가 없는 진공에서는 온도 상승이 커집니다. 이를 위해 발열 대책이 중요합니다.

산요전기의 진공용 스테퍼 모터라면

• 고온에 견딜 수 있는 재질(200℃에서 연속 사용 가능)을 사용하고 있습니다.

아웃가스(방출가스) 발생 위험

진공 중에는 윤활유와 냉각유가 휘발합니다. 휘발된 오일이 진공 중에 확산되면 진공 펌프나 진공 챔버의 표면에 부착되어 버려 성능 저하로 이어집니다.
또한 윤활유가 증발하면 베어링이나 기어 등의 부품 표면의 윤활이 유지되지 않습니다.

또한 표준 모터이면 플랜지나 엔드 브래킷은 다이캐스팅(녹은 비철금속의 합금을 금형에 고압으로 주입하여 제품을 성형하는 기술)로 만들어져 있습니다. 그러나 이 방법에서는 미세한 공기가 표면에 남아 아웃가스의 원인으로 이어집니다.

산요전기의 진공용 스테퍼 모터라면

• 표준 모터에 사용하는 방청유는 일절 사용하지 않습니다.
• 아웃 가스의 원인이 되는 도료나 용제를 이용한 도장을 하고 있지 않습니다.
• 조립 전의 부품에는 베이킹 처리를 하고 아웃 가스를 최대한 날려, 세정을 하고 나서 조립하고 있습니다.
  (베이킹 처리는, 표면을 가열하는 것으로 수분을 포함하는 가스 분자를 이탈시키는 처리입니다.)
• 플랜지나 엔드 브라켓은 다이캐스트가 아니라 알루미늄 덩어리에서 깎아낸 절삭품을 사용하고 있습니다.
• 볼 베어링에는 휘발하기 어려운 진공 그리스를 사용하고 있습니다.

또한 초고진공 환경에서 사용되는 경우에는 고체 윤활(볼 베어링의 내륜·외륜·볼에 코팅만)의 베어링을 사용하는 등의 커스터마이즈를 실시하고 있습니다.

모터의 신뢰성

진공 환경에서의 모터 고장은 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다. 특히, 수리나 교환이 곤란한 용도에서는 매우 높은 신뢰성이 요구됩니다.

산요전기의 진공용 스테퍼 모터라면

• 각 부품의 열팽창 계수를 고려하여, 예를 들어 고정자와 플랜지에는 열팽창 계수가 가까운 재료를 사용하여 고온시에도 조립 정밀도를 유지할 수 있도록 하고 있습니다.

모터 효율

진공 환경 하에서의 모터는 열이 도망치기 어려우므로 최대한 적은 전력으로 높은 토크를 내는 것이 중요합니다. 따라서 효율이 높은 모터를 선택할 필요가 있습니다.

산요전기의 진공용 스테퍼 모터라면

• 권선의 전류에 의한 손실을 최소화하는 설계를 하고 있습니다.
• 모터 코어에 발생하는 손실을 최소화하는 설계를 하고 있습니다.

5. 산요전기의 진공용 스테핑 모터(2상·5상)의 소개

특징

• 진공 도입기를 필요로 하지 않고 진공 환경 내에 직접 넣어 구동할 수 있는 스테핑 모터입니다.
• 고정밀도의 위치 결정 제어를 간단하게 할 수 있는 진공 환경에 적합한 액추에이터입니다.
• 저진공에서 초고진공까지 폭넓은 환경압력에 맞추어 커스터마이즈 할 수 있습니다.
• 내열 온도는 200℃입니다.

사용 가능한 압력 기준

용도

반도체 제조 장치·전자 현미경·가속기·방사광 분석 장치·우주선 로봇 암 등

모터 사이즈

□42 mm～□86 mm
풀 커스터마이즈로 고객에게 맞는 모터를 제공할 수 있습니다. 자세한 것은 꼭 문의해 주세요.

맞춤형

진공 상태에서의 사용 환경은 고객마다 다릅니다.
산요전기 에서는 고객의 요구에 따라 다양한 커스터마이즈를 할 수 있습니다. 부디 상담해 주십시오.

산요전기의 커스터마이즈 실적 예:

• 반도체 웨이퍼 검사 장비/케이블 재질 사용자 정의
• 우주 정거장용 로봇 암/완전 맞춤화
• 진공 증착 장치/기어가 있는 스테퍼 모터로 사용자 정의
• 전자 현미경 / 기어가있는 스테퍼 모터로 사용자 정의
• 원자력 관련 장치/스테핑 모터에 대한 방사선 대응 커스터마이즈
• 액정 스퍼터링 장치/기어 부착 스테핑 모터에의 커스터마이즈 등

협력 : 산요전기 주식회사 Servo System 사업부 설계 제일부 영업 본부 서보 시스템 비즈니스 그룹

게시일: 2023-06-01 00:00