FAB 구조와 결합된 제진대의 구조적 역할 규명에 대한 수치 해석 연구

1. 서 론

최근 반도체 및 디스플레이 산업은 초정밀·초집적 공정으로 발전하고 있으며 미세한 진동에도 민감한 생산 환경을 요구하고 있다. 이에 따라 사용되는 정밀 장비의 규모와 무게가 증가하고 있으며, 건물 바닥이나 주변 구조물에서 발생하는 작은 진동조차 장비 가동에 큰 영향을 미칠 수 있다^(1,2). 이러한 이유로 장비 하부에는 미세 진동을 제어하기 위한 제진대가 설치되며, 이는 공정 안정성과 장비 신뢰성 확보에 중요한 역할을 한다.

기존 연구에서는 반도체·디스플레이 제조설비 공간인 FAB(fabrication facility) 구조물에서 발생하는 미진동 제어와 구조 동특성 평가를 중심으로 다양한 접근이 시도되어 왔다. Lee et al.과 Kweon et al.은 실제 FAB 환경의 격자 보 구조를 대상으로 모드해석 및 충격 해머 실험을 수행하여 기초 형식과 구조변수 변화가 1차 고유진동수에 미치는 영향을 규명하였으며^(1,2), 실험-해석 간의 차이를 줄이기 위한 유한요소 모델링 기법이 제시되었다. Chun et al.은 PC형 격자 보 mock-up 구조를 제작하여 실험과 수치해석을 병행함으로써 RC 구조와 PC 구조의 동적 거동 차이, 경계조건 및 접합부 형식에 따른 주파수응답 특성을 체계적으로 비교하였다⁽³⁾. Kim et al.은 대경간 FAB 구조물의 단위 바닥구조 시스템을 대상으로 해석적 모델과 실험을 기반으로 고유진동수, 가속도 응답, 진동전달 특성을 분석하여 장비 진동 민감도 기준을 만족하기 위한 구조적 요구조건을 제시하였다⁽⁴⁾. Lee et al.은 기존 해석 및 실험만으로는 극 미세 진동 수준의 설계에 한계가 있다는 점을 지적하며, 경험적 데이터베이스 기반의 준경험적(semi-empirical) 동적 설계 시스템을 제안하여 FAB 구조물의 고유진동수 및 동 강성 예측을 자동화하는 방안을 제시하였다⁽⁵⁾. Park et al.은 클린룸 격자 보 구조의 수평진동 취약성을 개선하기 위해 대각가새 및 점성 댐퍼를 적용한 구조보강 방안을 제시하고 그 효과를 수치해석적으로 검증함으로써 격자 보 구조의 진동성능 향상 가능성을 확인하였다⁽⁶⁾. 이와 같이 기존 연구들은 FAB 구조물의 동특성 파악과 진동 저감 설계기준 마련에 중요한 기여를 해왔으나, 대부분 연구 범위가 FAB의 격자 구조물 중심으로 한정되어 있으며, 실제 대면적·고하중 장비가 설치되는 제진대에 대한 적용 방법 및 구조적 상호작용에 관한 논의는 제한적이다.

특히, 국내·외 건축물 및 내진설계기준에서는 기계·설비 및 장비 지지 구조물을 비구조요소로 분류하고 있으며^(7,8), 이 경우 해당 요소는 구조물의 전역 강성 및 질량 산정에서 제외되어 모드해석 및 동적 해석 시 구조 시스템에 포함되지 않는 것이 일반적이다. 이러한 기준 체계에 따라 반도체 FAB 구조물에 적용되는 제진대 역시 관행적으로 비구조요소로 취급되어 왔으며, FAB 구조물을 대상으로 한 대부분의 기존 연구에서도 제진대를 구조 해석 모델에 명시적으로 포함한 사례는 매우 제한적이다. 그러나 제진대는 장비와 구조물 사이에서 진동을 전달하거나 감소시키는 매개체로서 기능하며, 그 질량과 기초 형식에 따라 구조계의 고유진동수를 변화시킬 가능성이 있다. 최근에는 장비 지지 구조물이나 절연 구조물이 구조 시스템과 결합될 경우, 해당 요소의 질량 및 강성 특성에 따라 구조물의 저차 고유진동수가 변화하고, 지배적인 외부 진동 주파수 대역과 상대적 위치에 따라 공진 증폭 또는 회피 거동이 발생할 수 있음이 실험 및 수치해석을 통해 연구된 바 있다⁽⁹⁾.

따라서, 이 연구에서는 제진대를 하나의 독립된 구조적 구성요소로 보고, FAB 구조물과 결합될 때의 동적 특성을 규명하고자 한다. 이를 위해 ANSYS Workbench를 이용한 유한요소 해석(FEM)을 수행하여 FAB 기본 격자 보 모델과 제진대를 결합한 모델에 대해 모드해석 및 주파수 응답해석을 실시하고, 고유진동수 변화를 중심으로 구조적 영향성을 비교·분석하였다⁽¹⁾. 이 연구는 기존 FAB 구조물 위 제진대의 역할을 재평가하고, 향후 제진대 설계 및 구조 분류 기준 마련을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

2. 해석모델 구성

2.1 반도체 FAB구조와 제진대의 기능

일반적인 FAB 구조는 Fig. 1과 같이 오픈형 격자 보 위에 경량의 access floor가 설치된 형태로 구성되며⁽¹⁾, 이는 사람의 통행을 가능하게 하는 동시에 진동에 매우 민감한 구조적 특성을 가진다. 따라서 access floor 위에 장비를 직접 설치할 경우 지진이나 외부 진동에 의해 심각한 피해가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 반도체·디스플레이 공장에서는 제진대를 설치하여 장비에 손상을 일으킬 수 있는 진동에 대하여 대비한다.

Fig. 1

FAB structure and isolation table

제진대의 작동 원리는 크게 두가지로 설명할 수 있다. 첫째로, 기초 구조물과 장비 사이에서 기초 구조물의 진동 특성을 그대로 구현할 수 있는 독립 기초로써 작용한다. 이는 구조물이 갖고 있는 강성을 그대로 확보할 수 있어 독립 기초가 갖고 있는 공진 가능성을 줄여주게 된다. 이때 제진대는 질량체와 강성 조합을 통해 목표 주파수영역을 회피하는 설계로 진행되게 된다. 둘째로 제진대는 스프링 및 감쇠 요소를 포함하여 외부 진동이나 장비의 진동이 제진대를 통해 전달되는 과정에서 에너지를 소산 시키는 과정으로 설계한다^(10,11). 스프링이나 감쇠 요소는 요소가 갖고 있는 성능 영역에서 진동 응답 증폭을 억제하고 구조물의 안정적인 진동 환경을 구현하도록 하게 해준다. 결과적으로 제진대는 장비 및 구조물의 사용성을 높이고 장기적인 내구성과 안전성 및 생산성을 증가시키는 역할을 수행하게 된다.

2.2 기본 FAB 구조물 모델

해석의 기준이 되는 기본 FAB 구조물의 격자 보 구조는 현재 산업에서 설계되고 있는 구조물의 설계도면을 참고하여 Fig. 2와 같은 형태로 모델링 하였다^(3,4). 일반적으로 FAB 구조물의 격자 보는 Fig. 2 와 같은 1스팬 구조가 여러 스팬으로 이어져 있으며 다층으로 이루어져 있다. 이 연구에서는 해석에 소요되는 시간과 모드해석의 결과를 보다 명확하게 확인하기 위하여 비교적 간단한 모델인 1스팬 모델을 선정하여 모델링 하였다⁽⁴⁾. Fig. 2에 도시된 기본 FAB 구조물 모델의 모든 부재는 콘크리트 재료 물성치를 적용하여 모델링 하였으며, 이 연구에서 사용된 강재 물성치는 Fig. 3(a) 제진대 하부의 철골기초 모델에 한하여 적용되었다.

Fig. 2

Basic FAB structure model

Fig. 3

Types of basic models

격자보의 크기는 21 m × 17.6 m이며, 기둥(column)과 서브기둥(sub-column)의 크기는 각각 10 m, 5 m이다. 경계조건의 경우 기둥의 하부는 지면과 닿는 부분으로 완전 구속 상태를 설정하였으며, 기둥의 최상부는 수직방향의 구속은 제외한 수평 방향의 구속 만을 설정하였다. 기둥은 압축 방향의 변형은 허용시키며 수평 흔들림은 억제하는 방법으로 비현실적인 응력을 방지하였다. 전체적인 모델링 과정에 사용한 재료 물성치는 Table 1과 같다.

Table 1

Material properties used in the analysis

2.3 기초형식에 따른 제진대 결합모델

기본 FAB구조물과 고유진동수 변화의 경향성을 비교·분석 하기위한 제진대 결합 모델의 기초형식은 Fig. 3과 같이 철골기초와 콘크리트 기초를 적용하였으며 기초 형태는 현장에서 많이 사용하고 있는 구조 형태로 모델링 하였다. 철골 기초의 H빔 규격은 H-250 × 250 × 9 × 14을 사용하였고 콘크리트의 단면 제원은 250 × 250 크기를 사용하였다. 철골 기초, 콘크리트 기초 모두 2층구조이며, Fig. 4와 같이 기초 위에 올라가는 일제형 콘크리트 제진대의 크기의 경우 4000 mm × 4000 mm × 300 mm이다.

Fig. 4

Combined isolation table model

3. 분석 결과

3.1 유한요소 모델 해석 결과

(1) 기본 FAB 구조물 모델

Step 1. 기본 FAB 모델의 해석결과 Fig. 5와 같이 1차 모드로 추정되는 고유진동수는 약 15.644 Hz 대역으로 나타났다. 수평 보들이 격자형태로 연결된 격자구조에서는 각 보의 교차 지점에서 힌지와 유사한 자유도를 갖기 때문에 주로 수직 방향의 굽힘 변형을 기반으로 한 모드 형상이 1차 모드 형상으로 나타난다. 특히 서브 기둥이 설치되지 않은 내부 중앙 보들은 수직 방향 구속이 부족하여 변형이 집중되는 특성을 보이므로 중앙부에서 상 · 하 방향의 진동 모드가 두드러지게 관찰된다. 주파수 응답 해석에서도 동일한 특성이 확인되었다. 단위하중을 가한 위치에서의 최대 가속도 응답이 나타나는 주파수 대역은 Fig. 6과 같이 15.443 Hz로 나타났다.

Fig. 5

Mode shape of the FAB model

Fig. 6

Analysis model and frequency response of the FAB structure

(2) 철골 기초를 적용한 제진대 결합 모델

Step 2. 기본 FAB 모델에 철골 기초를 적용한 제진대 결합 모델의 해석결과 Fig. 7과 같이 1차 모드로 추정되는 고유진동수는 약 19.289 Hz 대역으로 나타났으며 주파수 응답 해석결과는 Fig. 8과 같이 19.75 Hz로 나타났다.

Fig. 7

Mode shape of the FAB with a steel-base isolation table

Fig. 8

Analysis model and frequency response of FAB with a steel base isolation table

(3) 콘크리트 기초를 적용한 제진대 결합 모델

Step 3. 기본 FAB 모델에 콘크리트 기초를 적용한 제진대 결합 모델의 해석결과 Fig. 9와 같이 1차 모드로 추정되는 고유진동수는 약 12.644 Hz 대역으로 나타났으며 주파수 응답 해석결과는 Fig. 10과 같이 12.75 Hz로 나타났다.

Fig. 9

Mode shape of the FAB with a concrete base isolation table

Fig. 10

Analysis model and frequency response of FAB with a concrete base isolation table

4. 결 론

이 연구에서는 기본 FAB 구조물과 결합된 제진대가 전체 구조시스템의 동적 특성에 미치는 영향을 규명하기 위해 수치해석 기반의 모드해석 및 주파수응답해석을 수행하였다. 기본 FAB 구조물 모델은 약 15.644 Hz의 1차 고유진동수가 나타났으며 철골기초를 적용한 제진대 모델을 기본 FAB 구조물에 적용할 경우 약 19 Hz ~ 20 Hz로 증가하였다. 반면, 콘크리트 기초를 적용한 제진대 모델의 경우 약 12 Hz ~ 13 Hz로 철골 기초를 적용한 제진대 결합 모델보다 약 7 Hz 감소된 고유진동수가 도출되었다. 이러한 결과는 제진대의 질량 및 기초 형식이 전체 FAB 구조 시스템의 등가 강성과 질량 분포에 직접적인 영향을 미쳐 고유진동수를 변화시킨다는 점을 명확하게 보여준다. 이러한 관점은 산업용 진동 테이블을 대상으로 한 실제 사례 연구에서도 확인되었으며, 장비 프레임과 지지 구조물의 동적 특성이 진동 전달 및 공진 발생에 중요한 영향을 미치는 것으로 보고되었다⁽¹²⁾.

특히, 제진대는 기존 설계 기준 및 선행 연구에서 단순 비구조요소로 분류되어 구조해석 및 설계 검토에서 제한적으로 고려되어 왔으나, 이 연구 결과는 제진대를 구조 해석 모델에 포함할 경우 FAB 구조물과 결합된 전체 구조 시스템의 지배적인 동적 특성이 기초 형식에 따라 실질적으로 변화할 수 있음을 보여준다. 이는 제진대의 기초 형식이나 재질의 절대적인 우수성을 비교하기 보다는, 제진대의 질량 및 강성 특성이 FAB 구조물의 등가 강성 및 질량 분포에 영향을 미쳐 구조 시스템의 응답 특성을 변화시킬 수 있음을 수치해석적으로 확인한 결과로 해석될 수 있다. 따라서 제진대를 기존과 같이 단순 장비 부속 요소로 간주하여 구조 해석에서 배제할 경우, FAB 구조물의 실제 동적 거동을 충분히 반영하지 못할 가능성이 있다고 판단된다. 또한 이 연구는 이상화된 단일 스팬 기반의 선형 해석 모델을 사용하였으므로, 향후 연구에서는 다층·다경간 FAB 구조물로의 확장, 제진대–구조물 접합부의 비선형 거동 반영, 그리고 실험 또는 현장 계측 기반 검증을 통해 제진대가 FAB 구조물의 동적 거동에 미치는 영향을 보다 정량적으로 규명할 필요가 있을 것으로 사료된다.

Acknowledgments

이 연구는 2025년도 중소벤처기업부의 기술개발사업 지원에 의한 연구임(RS-2025-02314199).

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