매스플로우 천일야화(75) > 전체기사

연재
Monthly Magazine of Automatic Control Instrumentation

연재 매스플로우 천일야화(75)

페이지 정보

작성자 댓글 0건 조회 220회 작성일 22-06-09 10:36

본문

사진 1. 


서론

이번 회에는 예전에 다룬 적이 있는 고온용 매스플로우 컨트롤러(이하 MFC)와 매스플로우(이하 MFM)에 대한 정보를 업데이트하고자 한다. 최근 고온 용도의 MFC & MFM(이하 매스플로우)에 관한 문의가 늘어난 적도 있으며 이러한 요구를 재확인했기 때문이다. 본래의 상온용 매스플로우가 동작 보증하는 주위 온도 상한은 40~50℃, 브롱코스트(Bronkhorst High-Tech B.V.)에서도 70℃가 상한임에 비해 고온용 매스플로우는 80℃ 이상, 초고온에서는 150℃가 준비 범위였다. 최근에는 초고온용으로 200℃를 넘어 250℃의 온도 환경에도 견딜 수 있는 제품이 출시되었다. 그렇다면 이들 초고온 매스플로우는 어떤 목적으로 사용되고 어떤 구조를 가지고 있을까?



고온용 매스플로우의 구성과 구조

고온용 매스플로우가 필요했던 배경은 예전에 설명한 적이 있다. 승온하지 않으면 기체로서 유량 측정 및 제어를 할 수 없는 물성을 기는 재료(액체, 고체)를 사용해야 하는 프로세스가 있기 때문이다. 이러한 특수한 프로세스를 요구하는 것은 주로 반도체 성막 공정이지만 그 이외에도 광섬유 제조나 일부 가습 용도를 들 수 있다. 상온 및 상압에서 기체가 아닌 재료, 증기압(어떤 임의의 온도에서 기체와 고체 혹은 기체와 액체의 2상이 평형을 이루는 압력)이 매우 낮은 재료이다. 예를 들면 20℃ 부근에서 증기압이 1kPa에 미치지 않는 유체를 MFC에서 기체로서 유량 제어하고자 하는 경우, 제어를 원하는 유량값에 따르기도 하지만 MFC와 공급계의 총합을 고려하면 이것을 1kPa 미만으로 하는 것이 현실적인 것은 아니다. 아무래도 이 재료를 진공 챔버에 공급하고자 하는 경우에는 온도를 올리고 압력을 낮추어 증기압을 얻을 수 밖에 없다. 고온 및 진공 조건에서는 기체로서 MFC를 이용하여 유량을 제어할 가능성이 높아진다. 1990년대부터 이러한 사상 하에 TiCl4, SiCl4, GeCl4, 그리고 이후 층간 절연막의 CVD 공정에서 사용되어 이름이 알려진 TEOS 등 최근의 전자산업 반도체와 광섬유 제조에 필수불가결한 재료의 고온제어기술이 요구되기 시작하면서 시장에서는 고온에서도 작동할 수 있는 매스플로우에 대한 수요가 발생하였다.


그러나 열식 유량 센서를 탑재한 매스플로우가 고온에 대응하려면 높은 기술과 작업시간이 필요하다. 고온용 매스플로우의 유량 센서와 상온용 매스플로우의 유량 센서는 그 구조 자체가 같은 열식 센서이며 큰 차이가 없다. 센서는 직경 0.35~0.8㎜ 정도인 금속의 가느다란 관에 머리카락 정도의 굵기를 가진 크롬 선을 2개 내지는 3개 감아서 만든다. 이것을 히터로 사용하여 승온시킨다. 유체가 센서관 안으로 흘러들어오면 상류와 하류가 빼앗긴 열량의 차이와 그곳을 흐르는 유량의 비례 관계를 이용하여 유량을 도출하는 열식 유량계의 기본 원리는 완전히 동일하다.(그림 1) 그러나 양쪽에서 크게 다른 점은 센서 온도이다. 매스플로우의 센서 온도는 그 방식에 영향을 받기도 하지만 통상적인 상온용 권선형 이선식이라면 80~100℃이다. 그러나 고온 매스플로우에서 사용되는 유체는 100℃ 이상의 온도, 최근의 초고온용에서는 200~250℃에 도달한다. 상온용 센서 온도와 동등 이상 혹은 이를 훨씬 웃도는 고온 기체가 관 안으로 흘러들어오는 것이기 때문에 이대로는 유체 간에서의 열 이동은 발생하지 않고 유량 센서로서의 기능을 하지 못하게 되어 버린다. 이 때문에 고온용 매스플로우의 승온 온도는 상온용보다 매우 높게 설정된다. 이것은 열식 유량계의 숙명이며 측정하는 유체 온도보다 높은 온도로 센서를 유지해야 한다. 이것이 고온용 매스플로우의 제조 라인에서의 수율을 낮추고 사용자 수명 주기를 단축시키는 주요 원인이 되었다.


고온용 매스플로우와 상온 타입의 외관상 차이는 분명하다. 매스플로우라는 도시락처럼 생긴 이 기계는 그 외관으로 봤을 때는 기능을 측정하는 제품이며, 모두 동일한 형상이지만 고온용 매스플로우만은 구분이 아주 쉽다. <그림 2>와 <그림 3>은 고온용 MFC의 구성 및 배관 설치 예이다. 고온용 MFC는 고온 환경에 설치하는 ‘기계 부분’과 상온 환경에 설치해야 하는 ‘기판 부분(전기부)’을 구성된다. 매스플로우 구성 부품의 내열 온도는 각각 다르다. 고온 환경에서 가장 먼저 외면받는 것은 전자 부품이다. 전자 부품의 경우 대부분 80℃ 이하의 고온 사양인 경우가 많다. 이러한 고온 환경에 약한 전자 부품으로 구성된 기판(PCB) 부분을 매스플로우 본체로부터 분리하여 상온 환경에 설치하는 구성을 가진 것이 고온용 매스플로우이다. 원래 상온용 매스플로우는 제어 회로 등의 전기 부품과 센서나 밸브 액추에이터의 기계 부분이 하나의 케이스에 함께 들어 있다. 고온용 매스플로우에는 이들을 상온에 두는 기판 부분과 고온 환경에 두는 기계 부분 두 가지로 분리하였다. 바꿔말하면 하나의 매스플로우를 무리하게 둘로 나눈 이형적인 매스플로우라 할 수 있다.


고온용 매스플로우라는 형태는 매스플로우에서 그리 바람직한 패키지는 아니다. 센서의 온도를 한층 더 고온으로 만들어 열식 유량 센서로서의 감도는 취득할 수 있지만 그 대신에 센서 수명을 현저히 떨어뜨리게 되기 때문이다. 센서에 이용되는 권선은 150℃ 이상의 온도가 되면 시간에 따라 저항값이 변하고 단선에 이르는 속도가 극단적으로 빨라지는 경향이 있다. 이것은 매스플로우 제조사 측에서도 알고 있으며 고온용 매스플로우는 센서 수명(제품 수명)을 희생하는 대가로 만들어진다. 산업용 장비로서는 다소 엉뚱한 제품이라고 할 수 있다. 또한, 고온용 매스플로우는 기계 부분과 기판 부분으로 분리한 기본 구성을 취하고 있으며 이것은 센서 기판도 상온 구역에 있다는 것을 의미한다. 센서의 브릿지 회로에서 얻어지는 생출력을 증폭하여 직선성 보정이나 온도 보정하는 회로가 센서로부터 멀리 떨어진 상온 구역에 있는 기판 부분에 존재하는 것이다. 이것은 열식 유량 센서 특유의 SN비가 나쁜 미약한 전압 신호가 수 미터 단위로 전송된다는 것을 의미한다. 이 생출력은 수 mV 단위의 미약한 출력이며 노이즈 영향이나 감쇠를 생각해보면 기계 부분과 기판 부분을 잇는 내열 케이블을 최대한 짧게 하는 것이 좋다. 하지만 분리했기 때문에 기판 부분이 고온 구역에 가까워지게 하고 싶지 않은 것이 본심이다. 이들 특성을 이해한 후 사용자는 세심한 주의를 기울여 고온용 매스플로에 접근해야 한다.


63d09541cea88f28365a106933138e3c_1654738462_2738.jpg
그림 1. 권선형 열식 센서의 일반 예 및 유량식 


63d09541cea88f28365a106933138e3c_1654738489_2601.jpg
그림 2. 


63d09541cea88f28365a106933138e3c_1654738538_6958.jpg
그림 3.
 



고온용 매스플로우 흐름의 문제점

앞서 이야기한 바와 같이 고온용 매스플로우는 그 특수한 구조 때문에 두 가지 문제점을 안고 있다. 하나는 열식 유량 센서의 수명이 짧아진다는 점이며 또 한가지는 신호계가 노이즈에 약하다는 점이다. 수명에 관해서는 교환이 가능하니 괜찮다고 생각할 수도 있지만 원래 반도체 프로세스 장치에서 매스플로우를 교환하려면 장치를 일단 멈추고 대응해야 한다. TRT에서 생각해보면 최대한 적은 손실이 되어야 한다. 그리고 수명은 1년이라고 만약에 제조사에서 주장한다고 해도 그 동안에 경시변화가 생기는 것은 아니다. 우려스러운 것은 제로 드리프트이다. 앞서 이야기한 바와 같이 일반적으로 고온 매스플로우는 상온에서의 매스플로우보다 높은 센서 온도로 설정되어 있다. 이것은 센서로서 특수한 온도역에 초첨을 두기 때문에 감도를 올려야 하기 때문이다. 따라서 상대적으로 제로 드리프트의 위험이 커지는 경향이 있다. 유량을 제어하는 MFC가 시간에 따라 변하면서 영점이 어긋나기 시작하면 어떤 일이 생길까? 제어하고 있는 가스 유량의 반복성에 영향을 주게 된다. 이것은 상온용 MFC에서도 문제가 되며, 열식 유량 센서를 사용하는 매스플로우에 항상 따라다니는 문제이다. 이 현상은 센서관에 있는 상류 하류에서 쌍을 이룬 권선의 저항값 균형이 무너지기 때문에 발생한다. 당연히 온도가 높은 고온용에서는 앞서 이야기한 바와 같이 시간에 따른 변화가 심하다. 최종적으로 단선하는 등의 문제가 발생한 시점에서 수명이라는 표현을 하며, 실제로는 수명이 도래하기 한참 전부터 이 쌍을 이룬 권선 저항값의 균형이 무너진 것이다.(그림 4) 영점은 벗어난 값이 그대로 측정된 유량값과 같다고 생각하면 되므로 큰 유량 오차로 이어진다. 정밀도±0.5%R 등의 매스플로우 카탈로그 사양에 주의하여 선정하더라도 그 매스플로우의 영점이 1% 벗어나버리면 측정 유량은 읽은 값에서 그대로 1%의 편차를 보이는 것이 큰 문제이다. 이것은 유량 출력의 영점 위치에서 확인할 수 있다. 빈번하게 제로 드리프트가 실행되어 운용되는 경우 그 반복성에 대한 영향은 적지만 그럼에도 영점 재설정 빈도가 높아진다는 것은 수명이 짧다는 것을 의미한다.


고온용 매스플로우가 가진 또 하나의 문제점은 고온용 매스플로우 자체의 문제라기보다는 고온용 매스플로우의 운용상 문제이다. 고온용 매스플로우가 스스로 승온 기능을 가지고 목표 온도까지 온도를 높이는 기능을 가진 것은 드물다. 셀프 히팅형이라 불리는 히터 유닛을 옵션 장착한 제품도 있지만 이것은 어디까지나 장착한 옵션에 그 기능이 있을뿐이며 본체를 구입한 장치 제조사나 사용자가 승온 방법을 준비하는 경우가 압도적으로 많다. 승온 방법은 <그림 3>과 같이 항온조를 이용하거나 <그림 3> 아래와 같이 배관계에 히터를 배치하여 온도 조절기로 제어한다. 



..(후략)




黒田 誠 / EZ-Japan

본 기사는 2022년 6월호에 게재되었습니다.  

  

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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

전체 기사를 보기 원하시는 분께서는 아래 메일 주소로 문의 주시기 바랍니다.

autocontrol5@autocontrol5.co.kr / 031-873-5686

제어계측사     대표자  이윤성     사업자등록번호  107-19-58315     TEL  031-873-5686     FAX  031-873-5685
ADD  경기도 의정부시 신흥로258번길 25 해태프라자 1501호      E-mail  autocontrol5@autocontrol5.co.kr
Copyrights ⓒ 2020 제어계측사 All rights reserved.