1. 서 론
2. 역구동 모델 해석
2.1 미니 체인 및 케이블 제원
2.2 구동 케이블 이송시스템 경계조건 정의
2.3 구동 경계조건의 구조해석적 구현
2.4 역구동 해석 및 결과 분석
3. 역구동 경계 조건을 고려한 최적화 모델
3.1 문제 정의 및 최적화 목적
3.2 최적화 모델 제안
3.3 해석 및 결과 분석
4. 결 론
1. 서 론
반도체 생산장비의 이송 시스템은 공정 자동화 및 생산 효율 향상을 위해 필수적인 요소로, 장비 내부에서는 각종 배선을 지지하고 안내하기 위해 미니체인이 널리 적용되고 있다. 이러한 미니체인은 반복적인 구동 환경에서도 안정적인 구조적 거동을 유지해야 하며, 장비의 이동 및 이동 방향 전환 과정에서 다양한 하중 조건에 노출된다.
기존의 케이블 이송 시스템은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 하부 케이블이 프레임에 고정되고, 상부 케이블과 연결된 장비 기구가 좌우로 구동되는 방식을 전제로 설계되어 왔다. 그러나 최근 반도체 장비는 고성능 구현을 위해 점차 복잡화·집적화되는 추세에 따라 기존 하부 프레임이 설치될 수 있는 공간이 제한되는 문제가 발생하고 있다. 이에 따라 기구의 소형화 및 공간 활용성 향상을 목적으로 하부 프레임을 제거하고, 기구 하단에 연결된 장비가 좌우로 구동되는 역구동 형식의 이송 시스템을 적용한 장비 구조가 도입되고 있다.
지금까지 체인 시스템에 대한 이론적 분석은 다양하게 수행되어 왔다. Pedersen(2004)은 대형 롤러 체인 구동 시스템을 이론적으로 분석하고, 이에 대한 수치해석 기법을 제시하였다. 또한 Yang 등(2015)은 체인과 지지대의 맞물림으로 인해 발생하는 polygonal action을 고려하여 단일 체인 시스템의 횡진동 특성을 분석하였다. Choi와 Chang(2021)은 체인과 같은 반복 구조물의 효율적인 모드 해석을 위한 자유도 축소 기법을 제안하였으며, 제안한 기법이 추가적인 반복 계산 작업없이도 정확도가 유지되는 것을 검증하였다.
구조해석을 기반으로 케이블 이송 시스템을 파악하거나 최적화하는 연구들이 다수 존재한다. 대표적으로 Kim 등(2015)은 구조해석 기반의 롤러체인 경량화 설계를 수행하여, 안정성을 유지하면서도 경량화를 달성할 수 있는 롤러체인 형상을 제안하였다. 또한 Lee 등(2025b)은 구조해석을 통해 케이블 체인 구조에서 체인 가이드의 안정성을 평가하였으며, Lee 등(2025a)은 케이블 체인 가이드의 Moving Plate 형상 최적화를 통해 구조적 안정성을 확보하는 연구를 수행하였다.
정구동 케이블 이송 시스템에 관한 연구 역시 일부 수행된 바 있다. Kim과 Shin(2019), Kim 등(2016)은 정구동 케이블 이송 시스템의 이동 거리 향상을 목적으로 미니 체인 형상을 제안하고, polygonal effect를 고려한 미니 체인 최적 설계 연구를 수행하였다. Shin과 Kim(2018, 2019)은 이송 시스템의 작업 조건에 따른 동특성 및 운동 특성에 대한 연구를 진행하였다. 이외에도 Kim 등(2009)은 저소음 및 저분진 특성을 고려한 케이블 이송 시스템을 제안하였다. 그러나 해당 연구들은 정구동 케이블 이송 시스템을 대상으로 하고 있으며, 역구동 형식의 케이블 이송 시스템에 대한 구조적 거동 및 해석 연구는 상대적으로 부족한 실정이다.
반도체 생산장비의 이송 시스템에서 케이블 이송 시스템은 반복적인 이송 동작으로 인해 피로 하중이 지속적으로 작용하는 구조로, 이러한 시스템에서의 응력 증가는 피로 파손의 주요 원인이 된다. 그러나 기존의 정구동 기반 설계 방식은 역구동 이송 시스템의 운용 조건을 충분히 반영하지 못하고 있다. 역구동 조건에서의 최대 응력 발생 시기, 위치 및 크기는 정구동 시스템과 상이하게 발생하며, 이에 따라 역구동 이송 시스템의 취약 조건을 고려한 평가가 요구된다. 이러한 설계 요구를 반영한 체계적인 연구는 현재까지 충분히 이루어지지 않았다.
본 연구에서는 역구동 이송 시스템의 실제 운용 조건을 고려한 구조 해석을 수행하고 그 결과를 분석한다. 또한 최대 응력 저감을 목표로 하는 구조 최적화 방식 및 모델을 제안한다. 이를 통해 기존 미니체인의 구조적 한계를 분석하고, 역구동 환경에서도 적용 가능한 미니체인 설계 방향을 제시함으로써 반도체 생산장비 이송 시스템의 구조적 신뢰성 향상에 기여하고자 한다.
2. 역구동 모델 해석
본 장에서는 반도체 생산장비 이송시스템에서 발생할 수 있는 역구동 상황을 고려하여 경계 조건을 정의한다. 또한, 실제 운용 환경을 반영하기 위해 이러한 역구동 경계 조건을 구조해석 모델에 반영하는 방법을 상세히 제시하고, 이에 따른 응력 분포를 분석한다.
2.1 미니 체인 및 케이블 제원
본 연구에서 고려한 케이블 이송 시스템은 총 51개의 미니 체인이 직렬로 연결된 구조로 구성되어 있으며, 각 미니 체인의 형상은 Fig. 2에 나타내었다. 개별 미니 체인은 리벳을 통해 인접한 체인과 연결되며, 후방 미니 체인이 전방 미니 체인에 걸리는 구조로 인해 회전 반경이 제한된다. 이때 후방 미니 체인이 전방 미니 체인과 접촉하여 걸리는 부위를 미니 체인의 헤드부로 정의한다. 이러한 구조적 특성으로 인해 별도의 지지장치 없이 케이블 자체적으로 지지되며, 서로 다른 높이를 갖는 장치 간에서도 안정적인 케이블 이송이 가능하다.
미니 체인의 재질은 유리섬유로 강화된 폴리아미드(PA66-GF50)로, 경량성과 충분한 강성을 동시에 확보할 수 있는 특성을 갖는다. 이송 대상 케이블은 미니 체인과 함께 포장되는 형태로 배치되어 체인과 함께 이동하며, 케이블의 자중과 이송 과정에서 발생하는 관성 하중은 미니 체인을 통해 지지된다. 이에 따라 개별 미니 체인에는 케이블 자중, 가속도에 따른 관성 하중 및 경계 조건에 기인한 추가 하중이 복합적으로 작용한다. 본 연구에서는 이러한 하중 전달 특성과 체인 및 케이블의 기하학적 제원과 물성치를 구조 해석 모델에 반영하였다.
2.2 구동 케이블 이송시스템 경계조건 정의
기존 정구동 이송시스템에서는 하부 프레임이 하부 미니 체인을 지지하여 체인의 처짐을 방지하는 구조를 갖는다. 이로 인해 구조물의 상부 케이블 길이가 최대가 되는 구간에서 상부 케이블에 작용하는 하중이 증가하며, 해당 조건에서 케이블 파손이 발생할 수 있다. 반면, 역구동 이송시스템에서는 하부 미니 체인을 지지하는 프레임이 존재하지 않으므로, 하부 케이블 길이가 최대가 되는 조건에서 지지되지 않은 하부 미니 체인에 가장 큰 하중이 작용하여 파손이 발생한다. 이에 따라 본 연구에서는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 하부 체인의 길이가 최대가 되는 조건을 역구동 이송시스템의 최대 응력 발생 조건으로 고려하였다.
미니 체인의 격자 구조는 Fig. 4에 나타낸 바와 같으며, 모든 요소는 10절점 삼각 요소로 구성하였다. 역구동 해석에 사용된 총 요소 수는 121,839개이다. 격자 의존성 검증을 위해 약 두 배의 요소 수인 237,558개를 적용한 해석 결과와 비교를 수행하였다. 그 결과 최대등가 응력의 차이는 1.5% 이내로 나타났으며, 이를 통해 본 연구에서 사용한 격자 구조가 해석 결과에 대해 충분한 격자 독립성을 보유함을 확인하였다.
기존 미니 체인 형상은 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 미니체인 내부에 후방 체인과 접하는 면이 0.7°의 각도를 갖도록 설계되어 있으며, 이는 정구동 이송시스템의 파손 상황인 상부 케이블 길이가 최대가 되는 조건에서 상부 케이블의 처짐을 방지하기 위한 구조이다. 이로 인해 케이블 길이가 증가할수록 체인의 높이가 점진적으로 증가하는 형상을 갖는다. 그러나 역구동 이송시스템에서 최대 응력 발생 조건을 고려하여 케이블을 자연스럽게 배치할 경우, 체인의 높이가 상부 장치의 높이를 초과하게 된다. 이로 인해 상부 케이블은 상부 장치에 의해 강제로 눌리는 형태가 되며, 그 결과 체인 전체에 걸쳐 처짐 현상이 발생한다. 또한 역구동 이송시스템에서는 하부 케이블의 클램프가 수송 장치와 맞물려 일부 구간에서 지지되므로, 해당 지점 이후의 미니 체인 구간에 가장 큰 하중이 작용할 것으로 판단된다.
장치가 이동하는 과정에서 케이블에는 속도 및 가속도가 발생한다. 장치는 대부분의 구간에서 등속 운동을 수행하며, 이동 범위의 끝단에 근접하면 등가속 운동을 통해 이동 방향을 전환한다. 본 연구에서 고려한 하부 케이블 길이 최대 조건은 장치가 이동 범위의 끝단에 도달한 상태에 해당하므로, 해당 시점에서 케이블의 속도는 0이며 가속도만이 작용하는 상태로 정의된다.
2.3 구동 경계조건의 구조해석적 구현
본 연구에서는 역구동 이송시스템을 해석하기 위해 Ansys 2024R2 Mechanical을 사용하였다. 구현한 이송시스템은 미니 체인 구조만을 고려하였으며, 케이블의 자중은 미니체인의 밀도 물성치에 반영하였다. 케이블 하중을 고려한 미니 체인의 물성치는 다음 Table 1에 기술하였다.
Table 1.
Material properties of the mini-chain
| Density | 6.945 (g/cm3) |
| Young’s Modulus | 14 (GPa) |
| Poisson’s ratio | 0.33 |
| Yield Strength | 220 (MPa) |
앞서 언급한 바와 같이 본 연구에서의 해석 상황은 체인이 끝단에 도달한 상태로 속도가 없는 상황이다. 또한 케이블의 가속도는 미니 체인의 동적 응답을 지배할 정도로 크지 않으며, 구조물에 작용하는 주 하중은 케이블의 처짐에 의해 결정된다. 이에 따라 가속도에 의한 관성 효과는 ANSYS Rigid Dynamics 해석을 통해 산출된 값을 ANSYS APDL Commands를 통해 각 미니 체인별로 산출하여 등가 가속도로 적용하였으며, 시간 이력을 고려하지 않은 준정적 해석을 수행하였다.
2.3.1. 접촉 조건 구현
미니체인이 맞물리는 형태는 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 상부 맞물림과 하부 맞물림의 두 가지 경우로 구분된다. 모든 미니체인의 조인트는 리벳으로 연결되어 있으므로, 해당 조인트 연결부는 회전 자유도를 허용하는 revolute joint 경계 조건으로 모델링하였다.
미니 체인이 맞물릴 때는 세 면에서 접촉이 발생한다. 먼저 미니 체인 헤드가 전방 체인의 내부로 삽입되어 접촉하는 영역은 조인트 회전에 따라 분리가 발생할 수 있으므로, 해당 조건을 반영하기 위해 no separation 조건을 적용하였다. 반면, 나머지 두 접촉면은 조인트 회전에 따라 접촉 상태를 유지한 채 상대 운동이 발생하므로 frictional contact으로 설정하였다. 이때 유리섬유 강화 PA66 복합재의 마찰·마모 특성에 관한 선행 연구에 따르면, 유리섬유가 보강된 PA66 복합재료의 마찰 계수는 최대 0.3까지 나타났다(Chen et al., 2000). 해당 문헌을 기반으로 frictional contact의 마찰계수를 0.3으로 설정하였으며, 본 해석 조건 범위 내에서 마찰계수 변화는 전체 응력 분포 및 수치에 유의미한 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.
2.3.2 경계 조건 구현
구현된 해석 모델에는 총 네 가지 유형의 경계 조건이 적용되었다. 먼저 케이블과 체인의 질량을 고려한 자중 조건을 부여하였다. 다음으로 설계 사양에 따른 장비 높이를 반영하여 상부 끝단 미니 체인 리벳 홀에 높이 방향 변위 경계 조건을 적용하였다. 강제적인 변위에 의한 대변형을 고려하여 해석 간에 Large Deflection 기능을 설정하였다. 또한 하부 두 개의 미니 체인 저면을 고정하였으며 강체 구속에 따른 국부적인 응력 집중을 완화하기 위해 Remote Displacement 조건을 통해 고정하였다. 마지막으로 앞서 언급한 동적 응답을 고려하기 위해 가속도에 따른 관성 항을 APDL Commands를 이용하여 해석 모델에 입력하였다.
2.4 역구동 해석 및 결과 분석
앞서 기술한 해석 조건을 기반으로 미니 체인을 해석한 결과, Fig. 7에 나타낸 바와 같이 하부 두 번째 미니 체인의 헤드부에서 59.550MPa의 최대 등가 응력이 발생하였다. 해당 위치에서의 응력 집중은 역구동 조건에서 체인 상부에 부여된 강제 변위로 인해 하단 끝단 체인의 헤드부가 압축되면서 국부적인 하중이 집중되기 때문으로 판단된다.
해석 결과에 따르면 기존 미니 체인에서는 헤드부에서 가장 큰 하중을 전달받으며, 각진 부분에서 하중 전달 경로가 급격히 변화하며, 이로 인해 해당 부위에 국부적인 응력 집중이 발생하는 것으로 확인되었다. 일반적으로 구조물에서 급격한 형상 변화나 날카로운 각을 포함한 부위는 응력 흐름이 원활하게 전달되지 못하고 국부적으로 집중되는 특성을 가지며, 해당 특성이 헤드부의 각진 부분에서 작용하여 국부적으로 응력 집중이 발생하는 것으로 판단하였다.
실제 운용 환경에서 케이블은 이동 과정 중 이동 방향에 따른 외력이 거의 작용하지 않으므로, 본 해석에서는 이를 반영하여 상부 미니체인의 이동 방향 자유도를 구속하지 않았다. 그 결과, 하중 작용에 따라 해석 결과에서 상부 미니체인의 이동 방향 길이가 줄어드는, 즉 상부 미니체인이 후방으로 이동하는 거동이 발생하였다. 이는 실제 케이블의 위치가 해석 모델에서 나타난 상부 미니체인의 위치가 아니라, 하중 적용 이후의 해석 결과로 나타난 체인의 위치임을 의미한다. 즉, 역구동 이송시스템에서 최대 응력 발생 조건은 작성된 케이블 모델 형상이 아닌 해석 결과에서 도출된 케이블의 형상인 것으로 해석하는 것이 타당하다.
추가적으로 체인 가속도, 자중, 강제 변위가 미니 체인의 최대 응력에 미치는 영향을 비교·분석한 결과, 체인에 부여된 강제 변위가 최대 응력에 가장 지배적인 영향을 미치는 인자인 것으로 확인되었으며, 강제 변위가 커질수록 구조물에 가해지는 최대 응력은 증가하였다.
3. 역구동 경계 조건을 고려한 최적화 모델
본 장에서는 반도체 생산장비의 이송 시스템에서 발생할 수 있는 역구동상황을 고려한 구조 최적화 모델을 제안한다. 기존 정구동 방식으로 설계된 미니체인을 역구동 조건에서 사용할 경우 발생하는 구조적 및 해석적 문제점을 분석하고, 이를 개선하기 위한 최적화 모델을 수립한다. 이를 통해 역구동 환경에서도 안정적으로 작동하며, 구조적 성능이 향상된 미니체인 모델을 도출하는 것을 목표로 한다.
3.1 문제 정의 및 최적화 목적
반도체 생산장비 이송 시스템에 적용되는 미니체인은 반복적인 구동 과정에서 주기적인 하중 조건을 경험하며, 특히 역구동 상황에서는 기존 정구동 조건을 기준으로 설계된 구조와는 상이한 하중 특성이 나타난다. 이러한 역구동 조건에서는 앞선 해석 결과에서 확인된 바와 같이 특정 부위에 응력 집중이 발생하며, 이는 구조물에 과도한 최대 응력을 유발한다. 미니체인 구조물에 작용하는 높은 응력은 반복 하중 환경에서 피로 수명을 급격히 저하시켜 균열 발생 및 피로 파손으로 이어질 수 있다. 실제 역구동 운용 환경에서는 정구동 조건을 기반으로 설계된 기존 미니체인 구조물이 역구동 조건에서의 응력 거동을 충분히 견디지 못하는 한계를 지닌다. 그 결과, 역구동 환경에서 구조적 신뢰성 저하 및 조기 파손 가능성이 존재한다.
본 연구의 최적화 목적은 역구동 조건 하에서 미니체인 구조물에 발생하는 최대 등가응력을 최소화함으로써 피로 파손 가능성을 저감하고, 구조적 신뢰성을 향상시키는 데 있다.
3.2 최적화 모델 제안
응력 최적화를 수행하기 위해 미니 체인 내에서 발생하는 국부적인 응력 집중을 완화할 수 있도록 구조적 형상을 개선하는 한편, 전체적인 구조물 형상을 재설계하여 구조물에 가해지는 처짐을 감소시키는 방향의 구조 최적화를 각각 수행하였다. 이를 통해 역구동 조건에서도 미니 체인에 가해지는 과도한 최대 응력 발생을 억제함으로써 피로 파손 위험을 효과적으로 저감하고자 한다.
3.2.1 응력 집중 완화 모델
응력 집중 완화 모델은 기존 미니체인 구조에서 반복적인 하중 작용 시 특정 부위에 과도한 응력이 집중되는 문제를 해결하기 위해 제안된다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 헤드부의 각진 형상을 완화하는 구조적 형상 개선을 제안한다. 헤드부에서 형성되는 각도를 감소시켜, 하중 전달 경로가 보다 연속적이고 완만하게 변화하도록 형상을 재설계함으로써 미니체인의 응력 집중을 완화하는 목적을 가진다.
구현된 응력 집중 완화 모델은 Fig. 8에 나타난 바와 같이 기존 159.4°의 헤드각을 164.9°로 완화한 구조로서, 헤드각이 완화됨에 따라 케이블 연결 시 해당 부위와 접촉하는 체인 후면의 형상 또한 이에 맞게 변경하여 적용하였다. 체인 각도에는 변함이 없기 때문에 케이블의 전체 형상은 기존 결과와 큰 변함이 없으며 이는 Fig. 9에 나타난다.
3.2.2 구조물 처짐 완화 모델
기존 케이블 구조에서는 체인의 변형으로 인해 체인 높이가 상부 장치의 설치 높이를 초과하는 현상이 발생한다. 이로 인해 체인상부에 연결된 케이블이 상부 장치에 의해 강제로 눌리게 되며, 케 이블 및 체인 구조물에 추가적인 외력이 작용하게 된다. 이러한 상부 강제 변위 현상은 구조물에 높은 하중 상태를 유발하고, 미니체인에 작용하는 굽힘 하중과 접촉 하중을 증가시켜 구조물의 처짐을 더욱 악화시키는 요인으로 작용한다. 이러한 문제를 해결하고자 미니 체인 간 각도를 감소시키는 방식의 구조물 처짐 완화 모델로 설계되었다. 체인 간 각도 감소를 통해 체인의 전체 형상이 보다 완만하게 형성되며, 이에 따라 체인 상부의 최대 높이가 낮아져 상부 강제 변위량이 감소한다. 이러한 형상 개선은 구조물에 작용하는 과도한 하중을 완화하고, 결과적으로 구조물 전반의 처짐을 효과적으로 억제하는데 기여한다.
구조물 처짐 완화 모델은 기존 0.7°의 체인 간 각도를 최대 0.3°로 감소시켰다. 0.3° 미만에서는 체인에 작용하는 강제 변위 방향이 기존의 강제 변위 조건과 달리 반대 방향으로 전환되어 해석 조건 자체가 변경된다. 추가적으로 체인간 각도가 작을 경우 상부 체인 최대 길이 구간에서 처짐 방지 기능이 약화되어 파손 위험을 별도로 고려해야 한다. 최종적인 구조물 처짐 완화모델은 0.5°, 0.4°, 0.3°의 체인 간 각도를 가진 모델로 구성되었으며, 각 미니체인 케이블 구조는 Fig. 10에 나타내었다. 체인 간 각도를 완화함에 따라 모델 전체의 굴곡이 변화하게 되므로, 미니체인 간 중첩으로 인해 발생할 수 있는 간섭 현상을 모두 고려하여 이를 제거한 형상으로 설계하였다.
3.3 해석 및 결과 분석
제안된 모델의 성능을 평가하기 위해 기존 미니체인 모델과 동일한 경계 조건 하에서 수행되었으며, 최고 등가응력을 기준으로 미니 체인 케이블의 건정성을 평가하였다.
3.3.1 응력 집중 완화 모델
응력 집중 모델의 해석결과 Fig. 11에 나타난 바와 같이, 후방 리벳 홀 부에서 65.695MPa의 등가응력이 발생하였으며, 이는 기존 미니체인 케이블 해석 결과에 비해 더 큰 응력 수준을 나타낸다. 또한 미니체인 전반의 응력 분포 양상 역시 기존 해석 결과와 상이하게 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 헤드각 변경이 미니체인의 응력 집중을 효과적으로 완화하지 못하고, 오히려 케이블의 거동을 변화시켜 리벳 홀 부근에서의 응력을 과도하게 증가시킨 것으로 판단된다. 즉, 헤드각 완화로 인한 하중 전달 경로의 변화가 국부적인 응력 집중을 다른 부위로 이동시키는 결과를 초래한 것으로 해석된다. 따라서 본 연구에서 제안한 응력 집중 완화 모델은 미니체인 구조물의 최대 응력을 감소시키는 데 효과적이지 않으며, 응력 집중 완화 측면에서 구조적 개선 효과가 제한적인 것으로 확인되었다.
3.3.2 구조물 처짐 완화 모델
구조물 처짐 완화 모델의 해석 결과, Fig. 12 및 Fig. 13에 나타난 바와 같이 전반적인 응력 집중 위치는 기존 해석 결과와 유사하게 나타났으며, 각 모델에서의 최대 등가응력은 각각 53.649 MPa, 23.536MPa, 24.015MPa로 확인되었다. 체인 간 각도를 감소시킨 경우, 최대 응력 수준은 기존 모델 대비 점진적으로 감소하는 경향을 보였다.
이는 제안된 구조물 처짐 완화 모델이 케이블에 작용하는 하중을 효과적으로 저감시키는 데 유의미한 영향을 미쳤음을 의미한다. 체인 간 각도 감소에 따라 체인 상부의 최대 높이가 낮아지면서 상부 장치에 의해 유발되던 강제 변위가 감소하고, 이에 따라 구조물에 작용하는 추가 하중이 완화된 것으로 판단된다. 그 결과 미니체인 구조물에 작용하는 굽힘 하중이 감소하여 전반적인 응력 수준이 저감되는 효과가 나타났다.
특히 Table 2와 같이 체인 간 각도를 더 작게 설정할수록 구조물에 가해지는 강제 변위가 더욱 감소하여 응력 저감 효과가 증대되는 경향을 보였으며, 이는 역구동 이동시스템에서 구조물 처짐 완화 관점에서 체인 각도 설계가 중요한 설계 변수임을 의미한다.
4. 결 론
본 연구에서는 반도체 생산장비 이송 시스템에서 발생할 수 있는 역구동 상황을 고려하여 미니체인의 구조적 거동을 분석하고, 최대 응력 저감을 목표로 한 구조 최적화 모델을 제안하였다. 기존 정구동 조건을 기준으로 설계된 미니체인은 역구동 조건에서 하중 전달 특성이 변화하며, 이로 인해 특정 부위에 과도한 응력 집중과 구조물 처짐이 발생할 수 있음을 확인하였다.
역구동 이송 시스템의 최대 응력 발생 조건을 정의하기 위해 하부 미니체인의 길이가 최대가 되는 상태를 고려하였으며, 해당 조건에서 강제 변위가 미니체인 최대 응력에 가장 지배적인 영향을 미치는 인자임을 해석을 통해 확인하였다. 또한 실제 운용 환경을 반영하여 상부 미니체인의 이동 방향 자유도를 자유 상태로 설정함으로써, 최대 응력 발생 조건은 초기로 작성된 케이블 형상이 아닌 해석 결과로 도출된 케이블 형상을 기준으로 평가하는 것이 타당함을 제시하였다.
최적화 모델로는 응력 집중 완화 모델과 구조물 처짐 완화 모델의 두 가지 접근 방법을 제안하였다. 먼저, 헤드부의 각진 형상을 완화한 응력 집중 완화 모델은 헤드각 변경을 통해 하중 전달 경로의 연속성을 확보하고자 하였으나, 해석 결과 기존 모델 대비 최대 응력이 오히려 증가하는 경향을 보였다. 이는 헤드각 완화로 인해 응력 집중이 제거되기 보다는 하중 전달 경로가 변화하면서 리벳 홀 부근으로 응력이 재분배되는 현상이 발생한 것으로 판단되며, 해당 모델은 최대 응력 저감 측면에서 효과적이지 않음을 확인하였다. 반면, 체인 간 각도를 감소시킨 구조물 처짐 완화 모델은 체인 상부의 최대 높이를 낮추어 상부 장치와 체인간의 높이차로 인해 유발되던 강제 변위를 효과적으로 감소시켰으며, 이에 따라 미니체인에 작용하는 굽힘 하중과 전체 응력 수준이 점진적으로 감소하는 결과를 나타냈다. 특히 체인 간 각도를 감소시킬수록 최대 등가응력이 지속적으로 저감되는 경향을 보였으며, 이는 구조물 처짐 완화가 역구동 조건에서 최대 응력 저감에 직접적인 영향을 미친다는 것을 의미한다.
종합적으로 역구동 이송 시스템에서 미니체인의 구조적 신뢰성을 향상시키기 위해서는 국부적인 형상 변경보다는 케이블 거동과 강제 변위를 저감할 수 있는 전체 구조 형상 설계가 보다 효과적인 접근 방법임을 확인하였다. 본 연구에서 제안한 구조물 처짐 완화 모델은 역구동 조건에서 미니체인의 최대 응력을 유의미하게 감소시키며, 피로 파손 위험을 저감할 수 있는 실질적인 구조 최적화 방안으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
