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연재 매스플로우 천일야화(62)<매스플로우의 기초>

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작성자 댓글 0건 조회 300회 작성일 20-08-06 12:39

본문

사진 1. 

(출처브롱코스트 재팬) 


서론

이번 회에는 매스플로우(이하 MFM)와 매스플로우 컨트롤러(이하 MFC)에서 이용하는 질량 유량과 체적 유량의 차이, 그리고 각종 유량 단위에 대해 설명하려 한다. 매스플로우(MFMMFC의 총칭)의 세계에서 이용되는 유량이라는 단어에는 실로 복잡하고 이해하기 어려운 부분이 있다. ‘매스플로우=질량 유량계인데 왜 유량 단위는 체적 유량인가?’, ‘표준 상태와 기준 상태의 차이는 무엇인가?’, ‘SCCM의 교정 온도가 20인 경우가 있는 것은 왜일까?’ 등 많은 초보자들이 가지고 있을만한 이런 문제들은 지나쳐버린 경우 큰 문제를 일으키는 경우도 있다. 교정 온도가 0인지 20인지를 잘못 발주하면 요컨대 7% 이상의 큰 유량 오차를 일으켜버리게 된다. 어떤 의미에서는 모르면 무서운 것이 매스플로우의 유량과 관련된 지식이다.


질량 유량과 체적 유량

우선 유량 단위에 대해 이야기하기 전에 유량이라는 단어에 대해 복습해보자. 질문: ‘질량중량은 같은 의미이다. 인가, X인가? 정답은 X. 예를 들면 지구상에서 질량 1은 거의 중량 1와 같다. 그런데 우주 공간에서는 질량 1인 물질의 중량은 0이 되어버린다. 여기서 중량 10이 된 원인은 물질에 작용하는 중력과 관계가 있다. 우주는 무중력 지대라고 자주 이야기한다. 이 예만큼 극단적이지 않더라도 지구상에서 해발 0m 지점과 에베레스트 정상은 엄밀히 말하면 중력의 차이만큼 중량이 변한다. 즉 질량이라는 것이 물질이 가지는 불변의 성질인데 비해 중량은 어디까지나 물질에 작용하는 힘에 의해 바뀌는 성질을 말한다. 이 두 가지 단어를 영어로 번역하면 질량=mass’, ‘중량=weight’가 된다. MFC=Mass Flow Controller의 소성을 나타내는 단위 중 첫 번째인 mass(질량)는 불변의 성질을 나타낸다는 것을 여기서 짚어주어야 한다고 생각했다.


이것은 질량 유량이란 질량이라는 물질의 불변적 성질로 나타낸 유량이다. 유량이란 단위시간당 유체(기체, 액체)가 이동하는 양을 나타낸다(그림 1).


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그림 1.
 


이를 나타내는 방식에는 두 가지가 있으며, 그 중 하나가 체적 유량이다. 일반적으로 유량이라고 표현하는 경우에는 이 체적 유량을 가리키는 경우가 많다. 이 체적 유량이라는 단위를 이용할 때는 주의해야할 점이 있다. 바로 온도 압력 보정(온압 보정)이다. 체적 유량에서는 온도, 압력의 상태를 고려하여 보정을 할 필요가 있다. 여기서 유명한 보일-샤를의 법칙: 어떤 질량을 가진 기체의 체적 [V]는 절대 압력 [P]에 반비례하며 절대 온도 [T]에 비례한다.’가 등장한다. ‘어떤 기체의 질량은 항상 하나밖에 존재하지 않는데 비해 체적은 온도, 압력의 매트릭스 상에서 무수하게 존재한다.’라고 이해했으면 좋겠다. 특히 기체는 압축성이 있기 때문에 골칫거리다. 액체는 압축성이 없는 것은 아니지만 매우 작기 때문에 무시해도 괜찮다. 예를 들면 공기로 부푼 풍선을 손으로 작게 만들 수는 있어도 같은 크기로 물을 넣어 부풀린 풍선은 좀처럼 작게 만들 수 없는 것을 생각하면 알 수 있을 것이다.


체적 유량의 단위는 국제단위계(SI 단위)에서는 초당 세제곱미터를 이용한다고 되어 있으며 그 외에는 세제곱미터를 리터로, 초를 분으로 치환한 L/min이라는 단위도 있다.

다만 앞서 말한 온도, 압력의 영향이 있기 때문에 기체의 경우에는 온도, 압력의 매트릭스에서 어떤 온도어떤 압력일 때의 체적으로 기준으로 하여 나타내야 한다.’는 약속을 정했다.


일반적으로 이용되는 기준, 표준 상태로 아래 두 가지를 들 수 있다.

0(273K), 1기압(1013hPa)=기준 상태: Normal(노멀)

20(293K), 1기압(1013hPa)=기준 상태: Standard(스탠다드)

단위로는 NL/min이나 SL/min이 이용된다.


또한 기체의 경우 표준 상태 stp(standard temperature) 이외에 실제 사용 온도 otp(operation temperature)가 있다. 각각 단위 끝에 [stp], [otp]를 붙이는 형태로 표기하는 경우도 있다. 이 기재에서 기준 상태를 나타내는 것으로는 [ntp]가 있으며, JIS B 7551 “플로트형 면적 유량계규격에서는 이것을 채용했다.


질량 유량질량이라는 물질의 불변적 성질로 나타낸 유량이기 때문에 체적 유량과 같은 기준, 표준 상태에 묶일 필요 없이 항상 일정하다. 유량 단위로는 /s를 이용하며 g/min 등도 이용된다. 하지만 필자도 오랜 기간 매스플로우 업계에서 생활을 해봤지만 유량 표기로 질량 유량 표기를 이용한 경우는 적다. 매스플로우는 Mass Flow이며 MFC질량 유량제어기이기 때문에 흥미로운 이야기이다. MFC 제조사의 가스 매스플로우 카탈로그를 보더라도 사용되는 유량 단위는 SCCM, SLM이며 어디에도 /s로 표기되어 있지 않다.


SCCMStandard cc/min의 약자다. 마찬가지로 SLMStard L/min이다. Standard라는 말은 앞서 설명한 표준 상태라는 의미로 사용된다. MFC가 가장 많이 사용되는 반도체 제조 분야의 경우 이 S가 나타내는 스탠다드는 01013hPa로 정의한 체적 유량의 단위가 된다. 0는 앞서의 기준 상태: Normal(노멀)이라 해석했듯이, SSCM, SLM이라는 단위는 업계나 국가에 따라 표준이 되는 온도가 다르다. 그리고 이들은 어떤 공적인 단위 체계가 아니다. 따라서 SI 표시 단위라는 관점에서 볼 때 이 표기는 사용할 수 없다. SI 단위로 표현하는 경우에는 예를 들면 Pa/sec 등을 사용할 필요가 있다.


독자 여러분이 이상하게 생각하는 것이 하나 더 있을 것 같다. ‘Standard cc/min? Pa/sec? 이들은 체적 유량의 단위가 아닌가? 질량 유량계인데 왜 체적 유량 단위를 이용하는 것인가?’ 맞다. 앞서 설명한 표준 온도에 대한 것 이상으로 이상한 이야기다. 매스플로우가 질량 유량계이면서 질량 유량의 단위가 아닌 체적 유량 단위를 사용하는 이유는 이것은 굳이 관습을 중요시한다고 할 수 있다. 확실히 cc, L이라는 단위가 흐름의 단위로 정착되어 있으며 사용 방법이 익숙하다. 5g의 질소를 흘린다고 이야기해도 머릿속에 딱 쉽게 떠오르지 않는다. 사용자가 관습상 사용하기 편한 단위로 나타낸 것이다.



..(후략)




黒田 誠 / EZ-Japan

본 기사는 2020년 8월호에 게재되었습니다. 

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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