터보분자펌프(TMP)의 특성평가는 ISO, PNEUROP, DIN, JIS, AVS 등 세계 여러 나라의 표준제정기구에서 제정한 국제규격에 그 근거를 두고 있다. 한국표준과학연구원에서는 이러한 국제규격에 기반을 둔 터보분자펌프의 특성평가시스템을 자체 설계/제작하여 그 신뢰성을 확인하기 위해 개발품 및 상용품의 평가에 주력하고 있다. 터보분자펌프의 배기속도 측정방법으로서 기체흐름 영역에 따른 throughput method와 orifice method를 적용하고 있으나 측정게이지, 유량계 및 orifice conductance의 불확도 등 실질적으로 정확한 배기속도를 제시하기 위한 조건들의 제약 때문에 많은 측정오차를 포함하고 있다고 볼 수 있다. 이러한 배기속도의 측정오차를 줄이기 위한 하나의 고찰로서 본 논문에서는 $10^{-1}$ Pa-L/s 영역까지의 유량 주입범위를 가지는 기 구축된 정적법을 이용한 유량주입에 기반을 둔 throughput method를 이용하여 1000 L/s TMP의 측정 능력을 검증하고자 한다. 또한 분자류 영역인 orifice method를 사용할 경우 고진공영역, 미세유량 주입영역으로 진입할수록 커질 수밖에 없는 배기속도 측정 불확도를 최소화시키기 위해 검증된 유량을 이용한 conductance 값을 제시하여, 기 언급한 두 가지 배기 속도 측정 방법의 연속성을 유지하기 위한 실험적인 방법론을 제기하고자 한다.
터보분자펌프(TMP)의 특성평가는 ISO, PNEUROP, DIN, JIS, AVS 등 세계 여러 나라의 표준제정기구에서 제정한 국제규격에 그 근거를 두고 있다. 한국표준과학연구원에서는 이러한 국제규격에 기반을 둔 터보분자펌프의 특성평가시스템을 자체 설계/제작하여 그 신뢰성을 확인하기 위해 개발품 및 상용품의 평가에 주력하고 있다. 터보분자펌프의 배기속도 측정방법으로서 기체흐름 영역에 따른 throughput method와 orifice method를 적용하고 있으나 측정게이지, 유량계 및 orifice conductance의 불확도 등 실질적으로 정확한 배기속도를 제시하기 위한 조건들의 제약 때문에 많은 측정오차를 포함하고 있다고 볼 수 있다. 이러한 배기속도의 측정오차를 줄이기 위한 하나의 고찰로서 본 논문에서는 $10^{-1}$ Pa-L/s 영역까지의 유량 주입범위를 가지는 기 구축된 정적법을 이용한 유량주입에 기반을 둔 throughput method를 이용하여 1000 L/s TMP의 측정 능력을 검증하고자 한다. 또한 분자류 영역인 orifice method를 사용할 경우 고진공영역, 미세유량 주입영역으로 진입할수록 커질 수밖에 없는 배기속도 측정 불확도를 최소화시키기 위해 검증된 유량을 이용한 conductance 값을 제시하여, 기 언급한 두 가지 배기 속도 측정 방법의 연속성을 유지하기 위한 실험적인 방법론을 제기하고자 한다.
Methods of the characteristics evaluation of turbo-molecular pumps (TMP) are well-defined in the international measurement standards such as ISO, PNEUROP, DIN, JIS, and AVS. The Vacuum Center in the Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) has recently designed, constructed, and est...
Methods of the characteristics evaluation of turbo-molecular pumps (TMP) are well-defined in the international measurement standards such as ISO, PNEUROP, DIN, JIS, and AVS. The Vacuum Center in the Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) has recently designed, constructed, and established the integrated characteristics evaluation system of TMPs based on the international documents by continuously pursuing and acquiring the reliable international credibility through measurement perfection. The measurement of TMP pumping speed is normally performed with the throughput and orifice methods dependent on the mass flow regions. However, in the UHV range of the molecular flow region, the high uncertainties of the gauges, mass flow rates, and conductance are too critical to precisely accumulate reliable data. In order to solve the uncertainty problems of pumping speeds in the UHV range, we introduced a SRG with 1% accuracy and a constant volume flow meter (CVFM) to measure the finite mass flow rates down to $10^{-1}$ Pa-L/s with 3% uncertainty for the throughput method. In this way we have performed the measurement of pumping speed down to $10^{-4}$ Pa with an uncertainty of less than 6% for a 1000 L/s TMP. In this article we suggest that the CVFM has an ability to measure the conductance of the orifice experimentally with flowing the known mass through the orifice chambers, so that we may overcome the discontinuity problem encountering during introducing two measurement methods in one pumping speed evaluation sequence.
Methods of the characteristics evaluation of turbo-molecular pumps (TMP) are well-defined in the international measurement standards such as ISO, PNEUROP, DIN, JIS, and AVS. The Vacuum Center in the Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) has recently designed, constructed, and established the integrated characteristics evaluation system of TMPs based on the international documents by continuously pursuing and acquiring the reliable international credibility through measurement perfection. The measurement of TMP pumping speed is normally performed with the throughput and orifice methods dependent on the mass flow regions. However, in the UHV range of the molecular flow region, the high uncertainties of the gauges, mass flow rates, and conductance are too critical to precisely accumulate reliable data. In order to solve the uncertainty problems of pumping speeds in the UHV range, we introduced a SRG with 1% accuracy and a constant volume flow meter (CVFM) to measure the finite mass flow rates down to $10^{-1}$ Pa-L/s with 3% uncertainty for the throughput method. In this way we have performed the measurement of pumping speed down to $10^{-4}$ Pa with an uncertainty of less than 6% for a 1000 L/s TMP. In this article we suggest that the CVFM has an ability to measure the conductance of the orifice experimentally with flowing the known mass through the orifice chambers, so that we may overcome the discontinuity problem encountering during introducing two measurement methods in one pumping speed evaluation sequence.
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문제 정의
Pa-L/s 영역까지의 유량 주입범위를 가지는 기 구축된 정적법을 이용한 유량주입에 기반을 둔 throughput method를 이용해 1000 L/s TMP의 배기 성능 측정 능력을 검증하고자 한다. 또한 분자류 영역인 orifice method를 사용할 경우 고진공영역, 미세유량 주입영역으로 진입할수록 커질 수밖에 없는 배기속도 측정 불확도를 최소화시키기 위해 검증된 유량을 이용한 conductance 값을 제시하여, 기 언급한 두 가지 배기속도 측정 방법의 연속성을 유지하기 위한 방법론을 제기하고자 한다.
본 논문에서는 10-1 Pa-L/s 영역까지의 유량 주입범위를 가지는 기 구축된 정적법을 이용한 유량주입에 기반을 둔 throughput method를 이용해 1000 L/s TMP의 배기 성능 측정 능력을 검증하고자 한다. 또한 분자류 영역인 orifice method를 사용할 경우 고진공영역, 미세유량 주입영역으로 진입할수록 커질 수밖에 없는 배기속도 측정 불확도를 최소화시키기 위해 검증된 유량을 이용한 conductance 값을 제시하여, 기 언급한 두 가지 배기속도 측정 방법의 연속성을 유지하기 위한 방법론을 제기하고자 한다.
본 연구에서는 1000 L/s 급 TMP(S사, 중고 펌프)의 배기속도를 orifice method로 측정하기 전 제조회사에서 제시한 기술데이터에 대한 설계 배기속도의 신뢰성을 판단하기 위하여 CVFM을 사용하여 throughput method로 측정한 후 제조회사에서 제시한 설계 배기속도와 비교분석을 하였다. 설계 배기속도를 주는 경우 실제 배기속도는 대부분 이보다 작으며, 중고 펌프로서 배기속도는 중고 펌프의 수리 횟수, 부식성 가스, 마모성 물질의 유입 등으로 인한 클리어런스 변화로 인하여 새 제품에 비해 그 성능이 달라질 수 있다.
제안 방법
Fig. 2에서 불확도 10% 이내인 같은 회사의 같은 모델 두 개의 게이지를 선정하여 게이지의 감도를 보정하기 위해 Fig. 3과 같이 게이지 감도 차이를 한국표준과학연구원 진공기술센터에서 측정하였다.
TMP의 특성평가시스템을 구축하여 throughput method와 orifice method의 conductance를 이용한 두 가지 배기속도의 측정방법에 대해 실험적인 방법으로서의 연속성의 가능성을 확인하였다.
또한 Fig. 6에서 볼 수 있는 것처럼 신뢰성이 확보된 throughput method로 측정한 배기속도를 기본 참조로 하여, 10-4 Pa 이하 영역에서 orifice method로 측정한 배기속도와 비교 분석하였다. 두 가지 방법을 적용하여 측정한 데이터는 Fig.
4에서 보는 것과 같이 압력비는 도달진공도의 경우 3~5의 압력비를 가지며 미세유량 주입 후 각 압력 영역에서는 23~25의 압력비를 가지는 것을 확인할 수 있다. 압력비 측정 시 게이지 감도의 값을 보정한 게이지를 사용하여 압력비를 측정하였다.
대상 데이터
Throughput method를 사용한 배기속도 측정 시 spinning rotor 타입의 SRG-2CE 교정기급 게이지 (accuracy 1%) 및 불확도 3% 이내의 신뢰성을 확보한 CVFM을 사용하였으며[9], 미세유량 영역인 10-1 Pa-L/s 까지 주입하여 10-4 Pa의 압력 영역까지의 측정데이터를 획득하였다. 한국표준과학연구원 불확도 [11] guideline에 의해 계산된 100 Pa 이하 영역에서의 배기속도 측정 불확도는 6% (k=2)로 확인된다.
본 연구에서는 가장 최근에 업데이트된 ISO 21360 (2007)의 국제규격에 맞추어 압력비 3~30을 만족하는 두께 2 mm와 직경 20 mm의 orifice을 제작하여 실험을 진행하였다.
이론/모형
6 에서 보는 것과 같이 측정오차가 발생함을 알 수 있으며, conductance 오차를 배제한 상태에서 게이지 측정오차 10%를 고려하였을 때 압력 10-4 Pa 이하의 영역에서 orifice method의 불확도를 계산한 결과는 약 35%(k=2)로 확인된다. Orifice method로 측정 시 (3)식을 이용하여 배기속도를 측정하였으며, 측정 시 적용한 질소의 경우 36.17 L/s 의 conductance 값은 (4)식을 이용하여 구하였다. Throughput method 결과 및 첫 번째 측정한 orifice method 결과는 약 8.
성능/효과
Fig. 6에서와 같이 10-3 Pa~10-4 Pa 영역에서 throughput method를 이용한 값과 orifice 진공용기에 CVFM의 정량화된 유량을 주입하여 측정한 배기속도 값은 약 2.9%의 오차를 보이고 있어 기 언급한 throughput method의 오차범위 6%이내에 들어오는 것으로 결론내릴 수 있다. 이러한 결과론에 근거하여 orifice 진공용기에서 실험적으로 구한 conductance 값을 (4)식의 계산값과 비교한 결과 약 27.
17 L/s 의 conductance 값은 (4)식을 이용하여 구하였다. Throughput method 결과 및 첫 번째 측정한 orifice method 결과는 약 8.2%의 오차를 가지고 있으며 두 번째 실험과의 오차는 약 14.6%로 확인할 수 있었다. Orifice method의 경우 측정게이지, 유량계 및 orifice conductance의 불확도 등 신뢰성 있는 값을 제시하기 위한 조건들의 기술적 제약때문에 실질적으로 많은 측정오차를 포함한다고 볼 수 있다.
6에서 볼 수 있는 것처럼 신뢰성이 확보된 throughput method로 측정한 배기속도를 기본 참조로 하여, 10-4 Pa 이하 영역에서 orifice method로 측정한 배기속도와 비교 분석하였다. 두 가지 방법을 적용하여 측정한 데이터는 Fig. 6 에서 보는 것과 같이 측정오차가 발생함을 알 수 있으며, conductance 오차를 배제한 상태에서 게이지 측정오차 10%를 고려하였을 때 압력 10-4 Pa 이하의 영역에서 orifice method의 불확도를 계산한 결과는 약 35%(k=2)로 확인된다. Orifice method로 측정 시 (3)식을 이용하여 배기속도를 측정하였으며, 측정 시 적용한 질소의 경우 36.
본 고찰에서 시도한 실험의 결과로서 측정게이지, 유량계 및 orifice conductance의 측정오차 등으로 인하여 throughput method 및 orifice method의 경우 각각 약 6%와 35% (k=2)의 배기속도 측정 불확도를 확인할 수 있었다. 분자류 영역에서 측정 시 정밀한 유량계, 측정게이지의 확보는 필수적인 것으로 판단되며, 또한 교정을 통한 측정기기의 불확도를 낮추어 신뢰성을 확보하여야 한다는 결론에 도달한다.
본 고찰에서 시도한 실험의 결과로서 측정게이지, 유량계 및 orifice conductance의 측정오차 등으로 인하여 throughput method 및 orifice method의 경우 각각 약 6%와 35% (k=2)의 배기속도 측정 불확도를 확인할 수 있었다. 분자류 영역에서 측정 시 정밀한 유량계, 측정게이지의 확보는 필수적인 것으로 판단되며, 또한 교정을 통한 측정기기의 불확도를 낮추어 신뢰성을 확보하여야 한다는 결론에 도달한다.
실험적인 결론으로서 orifice의 conductance는 정량화된 유량 주입을 통하여 더욱 정밀하게 측정 할 수 있으므로, orifice method를 사용하는 경우 계산식에 의존하는 수동적인 방법을 배제할 수 있는 근거를 마련했다고 볼 수 있다.
9%의 오차를 보이고 있어 기 언급한 throughput method의 오차범위 6%이내에 들어오는 것으로 결론내릴 수 있다. 이러한 결과론에 근거하여 orifice 진공용기에서 실험적으로 구한 conductance 값을 (4)식의 계산값과 비교한 결과 약 27.2%의 오차를 보였다.
진공용기에 같은 회사의 게이지를 같은 위치에 연결하여 동시 측정할 경우 게이지 워밍업 시간이 18시간 정도로 긴 것을 확인할 수 있으며, 그 이후 압력이 내려감에 따라 5% 이내의 일정한 감도를 가지고 있음을 알 수 있다. Orifice method를 이용한 배기속도의 측정 시 게이지 워밍업 시간을 고려하여 이 회사 제품의 경우 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
터보분자펌프의 배기속도 측정방법은 무엇이 있는가?
한국표준과학연구원에서는 이러한 국제규격에 기반을 둔 터보분자펌프의 특성평가시스템을 자체 설계/제작하여 그 신뢰성을 확인하기 위해 개발품 및 상용품의 평가에 주력하고 있다. 터보분자펌프의 배기속도 측정방법으로서 기체흐름 영역에 따른 throughput method와 orifice method를 적용하고 있으나 측정게이지, 유량계 및 orifice conductance의 불확도 등 실질적으로 정확한 배기속도를 제시하기 위한 조건들의 제약 때문에 많은 측정오차를 포함하고 있다고 볼 수 있다. 이러한 배기속도의 측정오차를 줄이기 위한 하나의 고찰로서 본 논문에서는 $10^{-1}$ Pa-L/s 영역까지의 유량 주입범위를 가지는 기 구축된 정적법을 이용한 유량주입에 기반을 둔 throughput method를 이용하여 1000 L/s TMP의 측정 능력을 검증하고자 한다.
터보분자펌프의 특성평가 항목은 어떤 것들이 있는가?
또한 첨단 진공공정 산업시장에서 요구되는 TMP, 크라이오펌프 개발과 함께 고진공펌프의 특성평가시스템의 설계 개발을 자체적으로 완료하여 그 신뢰성을 확인하기 위해 터보분자펌프 개발품 및 상용품의 평가에 주력하고 있다. TMP의 특성평가 항목으로는 bake-out을 통한 도달진공도 및 배기속도, 압축비, throughput, orifice conductance, 소비전력, 소음, 진동, 내구성 평가 등을 들 수 있으며, 특히 배기속도는 펌프가 배출하는 기체의 양을 물리적으로 정량화하는 중요한 척도 중 하나로서 가장 중요한 평가항목으로 들 수 있다 [1].
고용량/대면적/초정밀 제품을 지향하는 개발추세에 따라 활용도가 크게 증가하고 있는 핵심 공정 장비는 무엇인가?
최근 선진국의 산업구조는 반도체, 디스플레이, IT 제품 등 고부가가치 산업으로 재편되고 있으며, 이에 따라 핵심 공정장비인 고진공펌프의 수요가 급격히 증대하고 있다. 고용량/대면적/초정밀 제품을 지향하는 개발추세에 따라 핵심 공정 장비로서 터보분자펌프(Turbo-Molecular Pump:이하 TMP) 및 크라이오펌프의 활용도가 크게 증가하고 있으며, 대용량 및 신뢰성 높은 진공펌프로의 개발방향이 전환되고 있다. 고진공 펌프의 경우 반도체 분야는 주로 TMP에 대한 수요가 높으며, LCD 분야 등과 같이 수소 분자와 물 분자 등의 배기가 중요한 응용분야에는 크라이오펌프의 수요가 대부분을 차지하고 있다.
참고문헌 (11)
배석희 외 4인, 진공공학, (한국경제신문, 서울, 2000).
PNEUROP 5608: Vacuum pumps - acceptance specifications - Turbomolecular pumps - Part III, 1989.
ISO 5302: Vacuum technology - Turbomolecular pumps - Measurement of performance characteristics, 2003.
ISO 21360: Vacuum technology - Standard methods for measuring vacuum - pump performance - General description, 2007.
ISO/NP 21360-2: Vacuum technology - Standard methods for measuring vacuum - pump performance - Part 2: Positive displacement vacuum pumps, 2007.
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