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기획특집 <특집: 활약하는 매스플로우 컨트롤러> 매스플로우 컨트롤러

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작성자 댓글 0건 조회 2,070회 작성일 22-08-05 14:42

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그림 1. 일반적인 매스플로우 컨트롤러 구성 


서론

현대사회의 각 분야에서 디지털화가 추진되고 있으며, 최근에는 전기자동차 개발을 위한 노력과 코로나 사태로 인한 재택근무 등 스마트 기기 등의 수요 증가에 따라 반도체 수요가 점차 늘어나고 있다. 반도체 제조 장치 분야는 매스플로우 컨트롤러의 가장 큰 시장이며, IC와 FPD 등 성막 기술이 확립된 이후 현재도 반도체 제조 장치에는 없어서는 안되는 주요 기기이다. 미세화가 진행되고 새로운 성막 기술이 생겨나면서 매스플로우 업계에서는 매스플로우 컨트롤러가 불필요해지지 않을까 하는 불안한 소문이 나돌기도 했지만, 항상 고객의 요구에 맞춘 새로운 제품 개발과 디지털화 등을 통해 흔들림 없이 위치를 유지하고 있다.


일본 국내의 반도체 생산은 쇠퇴하고 있음에도 불구하고 장치 업계에서는 세계적으로 높은 점유율을 계속해서 유지하고 있다. 현재 미국과 아시아 등 세계 각국에 매스플로우 제조사가 있으며, 그중에 반도체 제조 장치 분야에서의 점유율은 일본 제조사가 상위를 차지하고 있다. 이 소수의 영역에서 고객서비스에 대한 일본인들의 열성적인 노력과 고품질 유지와 향상이 만들어낸 성과가 아닐까 생각한다.


반도체 산업을 발전을 뒷받침해온 ‘무어의 법칙’은 지금까지 몇 번이나 끝났다는 말을 들어왔지만 반도체업계가 트랜지스터의 구조와 구성 재료에 큰 변화를 주고 성능을 개선하는 혁신을 이룸으로써 이 법칙은 여전히 살아있다. 앞으로도 집적도롤 한층 더 높이는 구현 기술에 힘을 쏟는 등 높은 벽을 뛰어넘어 ‘무어의 법칙’을 계속 유지할 것이라는 평가가 있다.

어쩌면 앞으로 제조 방법에 관해 매우 극적인 변화가 일어나 매스플로우 컨트롤러가 불필요해질 가능성이 전혀 없다고는 할 수 없을 것이다.


매스플로우 컨트롤러란 무엇인가?

매스플로우 컨트롤러(Mass Flow Controller)는 유체를 질량 유량적으로 계측하여 자동으로 유량을 제어하기 때문에 환경 온도와 사용 압력 등의 변화를 통한 보정이나 조정이 필요 없으며, 설정한 유량에서 고정밀도이면서 안정인 유체 계측과 제어가 가능한 기기이다. 또한, 현재도 많은 산업에서 사용되고 있는 플로우미터와 니들 밸브 등 체적 유량에 의한 유량 제어와 제어는 어느 정도 정확한 유량이 필요할 때마다 온도와 압력 등의 변화로 인한 보정을 할 필요가 있으며 기본적으로 환경 등의 변화에 따라 수동으로 조정할 필요가 있는 기기이다. 

이러한 이점을 가진 매스플로우 컨트롤러와 매스플로우미터는 반도체와 FPD 등의 높은 정밀도를 가진 유량 계측 제어를 요구받는 분야의 장치에 많이 사용된다.


매스플로우 컨트롤러와 구조와 기본 원리

(1) 전체 구조

매스플로우 컨트롤러의 기본 구조는 크게 나누면 유량 센서, 바이패스, 제어 밸브, 전기 제어 회로부로 구성된다. <그림 1>은 일반적인 매스플로우 컨트롤러의 구성이다.



(2) 유량 센서

일반적으로 열센서라고 불리는 것을 사용하는데, 기본 원리는 <그림 2>와 같다. 센서부는 금속으로 된 모세관 바깥쪽에 상류측과 하류측에 감긴 2개의 발열 저항체에 전류를 흘려보내어 발열시킨다. 가스가 흐르지 않으면 상류측과 하류측 저항체의 열은 평형 상태가 유지되어 대조적인 온도 분포를 보이며, 유량 출력 신호는 0으로 표시된다.

매스플로우 컨트롤러 입구를 통해 들어온 가스는 센서와 바이패스로 분류된다. 가스가 센서에 흘러 들어가면 상류측과 하류측 저항체에 온도차가 발생하고 열균형이 무너지면서 센서의 온도 분포에 변화가 일어난다. 이 변화를 브리지 회로를 통해 검출하면 유량을 측정할 수 있다. 참고로 그 외에도 모세관에 발열 저항체를 3개 감은 것도 있다. 이것은 중앙의 1개를 히터로 사용하고 양쪽의 2개를 온도 검출부 용도로 사용하여 유량을 측정한다.

최근 유량 센서에 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)가 사용된 것이 제품화되고 있다. 센서 표면 처리 등의 관계로 제한된 가스 종류만 지원하지만 저렴한 가격과 컴팩트화가 실현되었다. 앞으로는 표면 처리 기술이 진보하여 사용할 수 있는 가스 종류의 폭이 넓어지면서 표준적인 사용이 가능해질지도 모른다.


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                                 그림 2. 


(3) 제어 밸브

매스플로우 컨트롤러에 사용하는 제어 밸브에는 다양한 방식이 있으며, 대표적인 것으로 <그림 3>의 서멀 밸브, 솔레노이드 밸브, 피에조 밸브 방식이 있다.

서멀 밸브 방식은 팽창 축에 감긴 히터로 흐르는 전류를 제어함으로써 축의 팽창량을 변화시켜 밸브 개도를 제어하는 방식이다.

솔레노이드 밸브 방식은 솔레노이드의 코일에 흐르는 전류를 통해 밸브 개도를 연속적으로 변화시키는 방식이다.

피에조 밸브 방식은 서멀 밸브 방식의 팽창 축 대신 피에조 스택(피에조 소자를 적층한 액추에이터)을 사용한 구조이며, 전압을 인가함으로써 고체의 변형이 생기는 특성을 이용하여 제어하는 방식이다.



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                                              그림 3. 제어 밸브 



(4) 전기 제어 회로

센서의 온도 분포 변화를 브리지 회로를 통해 검출하여 유량 출력 신호로 이끌어내었다. 매스플로우 컨트롤러는 본래 원리상 측정 유량에 대한 온도 영향 및 측정 유량과 출력 신호의 직선성 오차가 작지만 센서 구조나 가스의 물리적 성질에 의해 약간의 오차가 발생하는 경우가 있기 때문에 일반적으로 매스플로우 컨트롤러의 제어 회로에는 온도 및 직선성 보정 회로를 포함한 경우가 많다.

외부에서 입력된 유량 설정 신호와 위에서 설명한 유량 출력 신호를 비교하여 각각의 신호 레벨이 일치하도록 유량 제어 밸브가 PID 동작(비례, 적분, 미분)하여 밸브 개도를 자동으로 미세하게 조정하기 때문에 항상 안정적인 유량을 설정한 조건에서 유량 제어를 할 수 있는 회로가 된다.




..(후략) 


山中 邦昭 / 에프콘

본 기사는 2022년 8월호에 게재되었습니다. 

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

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