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사진 1. FLEXI-FLOW Compact

(출처: 브롱호스트 재팬㈜)

서론

이번 회에는 지난봄에 발표된 질량 유량계인 매스플로우미터(이하, MFM)와 매스플로우 컨트롤러(이하, MFC, MFM나 MFC의 총칭으로 매스플로우라 함)의 신제품에 관하여 소개한다. 이미 잘 알려진 네덜란드의 브롱호스트(Bronkhorst High-Tech. B.V. 일본법인 브롱호스트 재팬㈜)의 FLEXI-FLOW Compact이다. 브롱호스트 측에서는 이 제품을 “Mass Flow Control Redefined”라고 부른다. Redefined는 재정의를 의미한다. 즉, 질량 유량 제어를 재정의하고자 하는 말이다. 분명히 이전의 취재에서 그들은 당시의 신제품 “EL-FLOW Prestige”에 관하여 권선형 열식 유량 센서를 탑재한 매스플로우의 집대성이라 하였다. 더이상 권선형 유량 센서를 탑재한 신제품을 내놓지는 않을 것이다. 그 대답이 이번 신제품이며, 재정의(Redefined)라고 제시한 것이다. 이 말에서 각별한 결심이 느껴진다.

이번에는 원고 집필 시점(2022년 4월말)까지 공개된 정보를 바탕으로 이 FLEXI- FLOW Compact에 관하여 설명하도록 한다. 이제 막 선보인 신제품이라 아직 공개되지 않은 정보도 많다. 게다가 필자는 실제로 FLEXI-FLOW Compacts를 보지도 못했다. 원래대로라면 직접 눈으로 확인한 후에 소개하는 것이 필자의 정책이긴 하지만, 솔직히 공개된 정보만 읽고도 이 매스플로우의 흥미로운 점에 관한 기사를 써야겠다는 생각이 든 것이 솔직한 마음이다.

FLEXI-FLOW Compact 개요

MEMS 센서를 탑재한 컴팩트 매스플로우로서 브롱호스트는 이미 IQ+FLOW라는 획기적인 다운사이징을 실현한 제품을 보유하고 있다.(사진 2) 이 IQ+FLOW는 폭: 30㎜, 깊이: 20㎜, 높이: 40㎜ 사이즈로 질소 환산 5NL/min까지의 유량을 측정하고 제어할 수 있는 매스플로우이다. 이 사이즈는 지금까지의 매스플로우 상식을 뒤집는 혁신적인 사이즈이며, 특히 탄소 발자국에 대해 엄격한 분석 장치 등의 분야에서 압도적인 지지를 얻고 있다. 얼핏 보면 FLEXI-FLOW Compact는 IQ+FLOW의 후계 기종으로 생각할 수 있지만, 사실은 그렇지 않다. 브롱호스트는 FLEXI-FLOW Compact를 위해 완전히 새로운 TCS(Through Chip Sensor) Technology를 개발하였다. 이 센서 기술에 관한 정보는 아직 공개되지 않았다. 필자가 추측하기에는 유량 센서뿐만 아니라 압력 센서나 온도 센서도 MEMS화하여 멀티 센서로 만든 후 이것을 바탕으로 일반적인 바이패스 분류 구조와 조합한 것이 아닐까 한다. 여기에서는 브롱호스트가 기술 정보를 공개함에 따라 추가적으로 설명하도록 한다.

우선은 현 단계에서 브롱호스트가 공표한 영문 데이터시트 기재 사항에서 FLEXI- FLOW Compact의 특징을 들어보도록 한다.(그림 1)

(1) Fast response: 고속 응답

매우 얇은 센서 튜브를 가지고 있어 가스 유량 변동에 빠르게 반응할 수 있다. 직동식 컨트롤 밸브와 조합하여 사용하면 150밀리초 이하로 실현할 수 있다.

(2) Multi parameter: 멀티 파라미터

FLEXI-FLOW Compact에서는 질량 유량 센서와 입구, 출구 압력 센서 두 가지, 그리고 온도 센서가 통합되었다. 이들 센서로 측정되는 파라미터는 기기로서의 정보를 제공할 뿐만 아니라 프로세스 조건 변화에 관한 상황도 제공한다. 온보드에서 탑재한 FLUIDAT 가스 데이터 기반으로 프로세스 가스를 선택할 수 있다. 22가지 가스 데이터가 기판에 저장되어 있으며 종별 가스 또는 이들 혼합 가스로 가스 종류를 매우 쉽게 전환할 수 있다. 또한, 이 온보드 가스 데이터베이스는 실시간 유량 보정에 사용된다.

NAMUR NE 107에 준하는 상태 구분에 따라 FLEXI-FLOW Compact는 자체 감시 그리고 자체 분석을 통해 자신의 상태를 LED로 보여준다. 이 신호는 오퍼레이터가 쉽게 인식할 수 있다. 보다 자세한 정보를 얻기 위한 진단 파라미터를 사용할 수도 있다. 

(3) Compact design: 컴팩트 디자인

FLEXI-FLOW Compact는 기존 제품과 비교하여 탄소 발자국을 35% 감축할 수 있다.(그림 2 참조) 이 사이즈에서 질소 환산 20NL/min까지의 질량을 지원한다. 이 컴팩트함 때문에 기기는 책상이나 공간이 한정된 장소에서 사용하기도 적합하다.

(4) Separate USB-C communication interface: 독립된 USB-C 통신 인터페이스 장비

간단하게 설치할 수 있도록 USB-C 포트를 사용하여 통신할 수 있다. 특별한 외부 전원을 필요로 하지 않으며 Bronkhorst Flow Suite 소프트웨어로 통신할 수 있다. 동작 도중에 메인 전원이나 통신 케이블 절단 없이 USB-C 포트를 통해 기기 모니터링에 사용할 수 있다.

(5) Bluetooth communication: 블루투스 통신

사용자 간 운용의 유연성을 높이기 위해 통상적인 전원이나 통신 케이블 절단 없이 무선 연결을 통해 기기를 감시할 수 있다. 블루투스가 필요하지 않은 경우 이 기능은 비활성화할 수 있다.

(6) Sustainable and environmentally friendly: SDGs 지원

가스 데이터를 바탕으로 정확한 보정 교환에 의해 희귀한 가스를 통한 교정은 불필요하다. 또한, 브롱호스트 제품은 저소비전력으로 알려져 있다. 기기 사이즈와 중량을 줄임으로써 환경에 대한 영향을 최소한으로 억제하였다.

(7) Predictive maintenance: 예지 보전

몇 가지 파라미터의 데이터 로깅에 의한 예지 및 진단 기능을 통해 FLEXI-FLOW Compact 본체와 프로세스 상태를 예측할 수 있게 되었다. 여러 가지의 미리 설정된 알람을 구사하여 정보를 사용자에게 전송할 수 있다.

필자가 느낀 FLEXI-FLOW Compact의 특징은 두 가지이다. 첫 번째는 브롱호스트가 지금까지 쌓아온 매스플로우 기술의 집대성인 실제 가스를 충실하게 트레이스한 유량 측정과 제어 기능을 가지는 궁극적인 열식 매스플로우 EL-FLOW Prestige의 Redefined(재정의)이다. EL-FLOW Prestige는 압도적인 주문을 받고 있는 세계적으로 인기 있는 모델로서 높은 성능과 기능을 갖추고 있으며, 생산라인에서 국가별 트래픽 표준 트랜스포터에까지 이용되고 있다. 이 매스플로우야말로 브롱호스트가 자랑하는 최후의 권선형 매스플로우이다. 

FLEXI- FLOW Compact는 이것을 새로운 하드웨어 구성으로 재정의한 모델이 아닐까 한다. 정밀도 보증값은 IQ+FLOW가 ±1.5%RD+ ±0.5%FS 이내이며, EL-FLOW와 EL-FLOW Prestige보다는 느슨한 표기이다. 이것은 소형 다운사이징 모델이며, MEMS 센서 타입이기 때문에 시장에서는 부득이하다는 이미지로 시장에서 수용되었다. 하지만, FLEXI-FLOW Compact에서 브롱호스트는 ±0.5%RD+ ±0.1%FS라고 하는 EL-FLOW나 EL-FLOW Prestige와 동일한 수준에서 보증한다. 정밀보증값은 원래 매스플로우의 성능을 나타내는 것은 아님을 몇 번이나 이야기한 적이 있다. 정밀도는 값을 매길 때 이용하는 측정 장치의 불확실성 축적을 말한다. 여기서 주목할 점은 FLEXI-FLOW Compact는 브롱호스트 최고 수준의 매스플로우인 EL-FLOW Prestige와 동일한 교정 체계로 출시된다는 점이다. FLEXI-FLOW Compact에서는 작다고 해서 성능적인 면에서 타협하지 않는다.

그리고 FLEXI-FLOW Compact가 EL-FLOW Prestige의 재정의라는 점은 분명히 알고 있지만, 멀티 파라미터에 의한 온도 및 압력으로 온보드에 탑재한 FLUIDAT 가스 데이터베이스를 통해 최적의 가스 보정 계수(이하 CF)를 선택하여 유량을 보정하는 기능이다. 이 기능은 원래 압력 센서를 탑재하여 실시간으로 프로세스 압력 변동에 대해 보정하는 Pressure Insensitive(PI) 매스플로우 EL-FLOW Prestige의 FG-201CVP에만 탑재되었다. 기존의 PI는 유량 제어 시에 라인 전환 등으로 공급압 측에서 급격한 압력 변동이 발생하면 가스압 변동에 의해 유량 제어의 혼란을 방지하기 위해 그러한 급격한 변동을 압력 센서가 감지했을 때 밸브의 유량 제어에 대하여 제한을 두는 경우가 많았다. 

하지만 브롱호스트가 주장하는 PI가 다르다. 브롱호스트는 압력 및 온도에 의해 CF가 변한다는 전제하에 멀티 CF를 채용하였다. 표준 타입 EL-FLOW Prestige에서는 DTB(Differential Tem perature Balancing) 및 온보드 온도 보정 기구를 탑재하고 이 안의 온도 영향에 의한 CF 변동에 따라 CF를 전환하였다. 압력 조건 변동에 관해서는 외부에 배치한 압력 센서로부터의 신호를 수신하여 CF에 대한 압력 영향을 보정할 수 있는 기능도 탑재하였으며, FG-201CVP에서는 본체에 압력 센서를 내장하고 거기에서 감지한 값을 통해 압력 영향을 보정할 수 있게 되었다. 유량 센서 바로 근처의 압력이 CF를 좌우하는 것이기 때문에 외부에 설치하여 매스플로우의 상류 배관부에서 얻어진 값으로 보정하는 것보다 내장 타입에서 정확도가 당연히 높다. FLEXI-FLOW Compact는 이 브롱호스트 최고위 기종의 기능을 그대로 계승한 것이다.

또 한 가지 특징은 지금까지의 브롱호스트의 매스플로우를 한층 더 뛰어넘는 확장성이다. 우선 가장 먼저 기존의 EL-FLOW 시리즈에 비해 본체 사이즈가 35% 작아졌다. <사진 3>에서 알 수 있듯이 특정한 제조 사양 범위 이내에서는 동일한 성능을 가지는 EL-FLOW(EL-FLOW Prestige도 포함) 시리즈에서 비약적인 소형화에 성공하였다. IQ+FLOW 정도의 사이즈다운은 아니지만, IQ+FLOW 시리즈는 사이즈를 최우선으로 하여 사양 및 성능을 제한하였다는 점을 생각해보면 브롱호스트의 풀 스펙 매스플로우를 이 사이즈로까지 소형화한 FLEXI-FLOW Compact는 좋은 의미에서 IQ+FLOW와도 분리하여 사용할 수 있다고 생각된다. 또한 FLEXI-FLOW Compact에만 있는 기능으로 충분한 통신 인터페이스를 들 수 있다. 네트워크 통신 지원은 Modbus RTU와 브롱호스트 오리지널 필드버스의 FLOW-BUS를 들 수 있다. 아날로그 신호에 관해서는 자료에 언급이 없으므로 폐기된 것으로 보아야 한다. 이에 비해 이번 매스플로우에서는 처음으로 USB-C와 블루투스 통신(옵션)을 지원하여 그 확장성이 한층 더 진보한 것으로 생각된다.

..(후략) 

黒田 誠 / EZ-Japan

본 기사는 2022년 12월호에 게재되었습니다.  

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→본 기사는 월간지[計側技術] (일본, 일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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