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문제 정의
- 5℃이내에서 안정화되어 운전되면 목표온도를 80℃로 설정하여 무부하 상태에서 온도상승 운전이 되도록 하고, 온도하강 실험의 경우는 반대의 조건으로 실험하였다. 이때 목표온도까지 도달하는 시간 및 소비전력을 측정하여 시스템 반응속도를 파악하고자 하였다.
- 이에 따라 본 연구에서는 국내에서 개발된 반도체 칠러에 관한 실험적 연구를 통하여 칠러의 부하변화 실험, 온도상승 하강실험, 제어정밀도 실험 등을 통하여 현 장비의 운전 상태를 파악하고 연구결과를 통하여 반도체 공정용 칠러의 에너지절감 방향을 제시하고자 한다.
제안 방법
- Fig. 5는 각 채널의 설정 온도에 따른 냉각능력과 EER을 나타낸 것으로서 채널 별로 0℃에서 80℃까지 동일하게 온도를 설정하고 가열히터 출력을 시스템이 안정화되는 시간을 고려하여 10분 간격으로 1 kW씩 증가시켜 공급온도가 설정온도보다 1℃ 이상 상승할 때 냉수와의 열평형을 비교하여 냉각능력을 측정하였다.
- Table 2는 반도체 칠러의 실험조건을 나타낸 것으로서 각 채널의 최적 냉매 충전량을 파악하기 위해 일정부하(2 kW) 조건에서 충전량을 변화시켜 각 채널의 최적 냉매 충전량을 파악한 후 각 채널의 온도영역별 냉각능력 실험, 무부하 운전 시 온도상승 및 하강실험 그리고 반도체 공정에서 사용 빈도가 높은 온도영역에서의 제어정밀도 실험 순서로 진행하였다.
- 각 채널에 가열히터로 부하를 입력 후 시스템 안정화를 고려해 일정시간(약 10min) 동안 냉수 공급온도변화가 ±0.5℃이내에서 히터의 부하를 0.2 kW씩 증가시켜 설정온도와 공급온도가 1.0℃ 이상의 차이로 측정될 때를 설정온도의 최대냉각능력으로 판단하였다.
- 장치는 2개의 채널(channel)로 구성되며, CH1, CH2는 개별 냉동사이클로서 압축기(compressor), 응축기(condenser), 팽창밸브(expansion valve), 증발기(evaporator)로 구성되고, 각 채널 별 공정온도는 -10~80℃ 공정까지 적용이 가능하도록 설계, 제작되었다. 공정별 온도 제어는 냉수(coolant) 루프에 삽입되어 있는 히터를 이용하였고, 이를 PID 제어방식으로 각각 제어가 가능하도록 하였다.
- 그리고 Fig. 3과 같이 실제 반도체 공정 설치에 요구되는 조건으로 CH1, CH2를 상부 하부로 나누어 가열히터(heat load JIG) 7 kW, 배관 3/4" 25 m로 제작하여 각 채널의 부하를 일정하게 부여할 수 있도록 하였다.
- 냉각능력 실험은 설정온도에서 칠러의 운전이 정상상태에 도달하였을 때 가열히터로 일정부하를 입력하고 이때의 시스템 온도 및 압력, 소비전력 등을 측정하였다. 이때 냉수의 유량을 일정하게 유지하기 위해 CH1, CH2 공급압력을 600 kPa로 일정하게 유지되도록 환수밸브(return valve)를 이용하여 압력을 조절하였다.
- 3과 같이 실제 반도체 공정 설치에 요구되는 조건으로 CH1, CH2를 상부 하부로 나누어 가열히터(heat load JIG) 7 kW, 배관 3/4" 25 m로 제작하여 각 채널의 부하를 일정하게 부여할 수 있도록 하였다. 또한 가열히터의 출력을 변화하고 측정할 수 있도록 전류 및 전압 변성기를 설치하였다. 압축기 구동에 필요한 전력을 측정하는 전력계 및 냉각수 입․출구에 열전대와 유량계(유량범위:2 m3/h)를 설치하였다.
- 반도체 공정 온도제어용 칠러의 부하변화, 온도상승 하강, 제어정밀도 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시스템 각 부분의 압력과 온도를 측정하기 위해 고·저압 압력계와 T-type 열전대를 설치했으며, 각 계측장치는 보정(calibration)을 수행한 후 유량, 온도 및 압력 등을 다채널 온도기록장치(40CH)와 RS-232C 케이블을 통해 PC로 전송하여 처리하였다.
- 실험에서 CH1과 CH2의 냉각열량은 식 (1)을 이용하였으며 설정온도 부하 값과 열평형을 비교하여 시스템 열손실을 최소화하고자 하였으며, 본 연구에서의 냉각열량은 CH1과 CH2의 평균값을 사용하였다.
- 실험에서는 가열부하를 2 kW로 10 cycle (1 Cycle : 2 min ON, 30 sec OFF) 약 30분간의 실험으로 채널 별 공급온도가 ±1℃에서 일정하게 유지하는지 여부와 이때의 시스템 소비전력의 변화를 살펴본 것이다.
- 실험은 초기구동 후 0℃에서 냉수 공급 온도가 ±0.5℃이내에서 안정화되어 운전되면 목표온도를 80℃로 설정하여 무부하 상태에서 온도상승 운전이 되도록 하고, 온도하강 실험의 경우는 반대의 조건으로 실험하였다.
- 또한 가열히터의 출력을 변화하고 측정할 수 있도록 전류 및 전압 변성기를 설치하였다. 압축기 구동에 필요한 전력을 측정하는 전력계 및 냉각수 입․출구에 열전대와 유량계(유량범위:2 m3/h)를 설치하였다. 이를 통해 냉각수 온도 및 유량을 측정하여 열량을 계산할 수 있도록 하였으며, 냉각수(PCW : Process Cooling Water)의 온도는 항온조에서 일정온도로 공급할 수 있도록 하였다.
- 냉각능력 실험은 설정온도에서 칠러의 운전이 정상상태에 도달하였을 때 가열히터로 일정부하를 입력하고 이때의 시스템 온도 및 압력, 소비전력 등을 측정하였다. 이때 냉수의 유량을 일정하게 유지하기 위해 CH1, CH2 공급압력을 600 kPa로 일정하게 유지되도록 환수밸브(return valve)를 이용하여 압력을 조절하였다. 각 채널에 가열히터로 부하를 입력 후 시스템 안정화를 고려해 일정시간(약 10min) 동안 냉수 공급온도변화가 ±0.
- 압축기 구동에 필요한 전력을 측정하는 전력계 및 냉각수 입․출구에 열전대와 유량계(유량범위:2 m3/h)를 설치하였다. 이를 통해 냉각수 온도 및 유량을 측정하여 열량을 계산할 수 있도록 하였으며, 냉각수(PCW : Process Cooling Water)의 온도는 항온조에서 일정온도로 공급할 수 있도록 하였다. 시스템 각 부분의 압력과 온도를 측정하기 위해 고·저압 압력계와 T-type 열전대를 설치했으며, 각 계측장치는 보정(calibration)을 수행한 후 유량, 온도 및 압력 등을 다채널 온도기록장치(40CH)와 RS-232C 케이블을 통해 PC로 전송하여 처리하였다.
- 장치는 2개의 채널(channel)로 구성되며, CH1, CH2는 개별 냉동사이클로서 압축기(compressor), 응축기(condenser), 팽창밸브(expansion valve), 증발기(evaporator)로 구성되고, 각 채널 별 공정온도는 -10~80℃ 공정까지 적용이 가능하도록 설계, 제작되었다. 공정별 온도 제어는 냉수(coolant) 루프에 삽입되어 있는 히터를 이용하였고, 이를 PID 제어방식으로 각각 제어가 가능하도록 하였다.
- 제어정밀도 실험은 일본 SMC사에서 제안한 칠러의 온도제어 정밀도 실험에 따라 사용빈도가 높은 온도대역 즉, 0℃, 30℃, 60℃ 상태에서 히터부하 2 kW를 2분간 인가하고 30초간 차단하는 방식으로 10회 이상 운전하여 채널 별 공급 온도의 제어 정밀도 및 소비전력을 측정하여 실제 공정에의 적합성을 파악하였다.
- Table 1은 본 실험에 사용된 반도체 칠러의 상세 사양을 나타낸 것이다. 채널 별로 압축기는 3 HP급 밀폐식(hermetic type), 펌프는 2 HP급 마그네틱 타입, 히터는 4 kW급 카트리지 히터가 탱크 내에 삽입되어 탱크 내부의 온도를 제어하도록 하였으며, 응축기와 증발기는 판형형식의 대향류 열교환기를 사용하였다. 그리고 Fig.
이론/모형
- 현재 반도체 칠러에 대한 별도의 시험규격이 정해져 있지 않기 때문에 국내 반도체 업계에서 일반적으로 사용하는 일본기업(SMC)의 시험규격을 기준으로 하였다.
성능/효과
- (1) 현재 사용되고 있는 반도체 공정용 칠러의 설정온도 변화에 따른 칠러의 냉각능력은 2.1~3.9 kW, EER은 0.56~0.93으로 측정되었다.
- (2) 온도상승실험은 목표온도까지 약 26분이 소요되었고, 소비전력은 12.5 kW로 측정되었다. 하강실험은 약 32분, 7.
- (3) 사용빈도가 높은 온도대역에서의 제어정밀도는 0℃ 설정에서 ±1℃로 나타났고, 30℃ 이상의 설정에서는 ±0.6℃로 향상되었으며 소비전력은 1 kW 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- 4는 시스템의 냉동사이클을 설정온도에 따른 압력-엔탈피 선도로 나타내었다. 각 채널의 설정 공급온도(0℃, 20℃)에 따라 시스템 압력이 저압은 309 kPa에서 404 kPa로 증가하였고, 고압은 1,338 kPa에서 1,294 kPa로 미세하게 감소하는 경향으로 나타났다. 이는 설정온도 변화에 따른 팽창밸브 내부의 오리피스 조절에 의한 것으로 판단되어 진다.
- 설정온도가 상승함에 따라 냉각능력이 점차 상승하는 일반적인 경향으로 나타났다. 냉각능력은 0℃에서 최소 2.1 kW, 80℃에서 최대 3.9 kW로 측정되었고 EER은 최소 0.56에서 최대 0.93의 경향으로 나타남을 알 수 있었다.
- 냉매는 각 채널별로 3.8 kg이 충전되었으며, 설정온도의 변화에 따라 냉매 순환량은 최소 3.15, 최대 5.02 kg/min으로 측정되었다.
- 3℃의 온도편차에 의한 것으로 판단된다. 또한 시스템 소비전력은 8~15 kW로 설정온도 0℃보다 약 1 kW 정도 감소하는 것을 볼 수 있는데 이는 설정온도가 높아짐에 따라 히터의 투입시간이 줄어들면서 전체적인 시스템 소비전력이 감소하는 것으로 판단된다.
- 실험 데이터에 대한 불확실성 해석(8)을 통해서 시스템의 냉각열량((QCH)은 ±3.72%, 성능계수(COP)는 ±3.73%의 값을 가진다.
- 채널 공급온도는 ±1℃를 유지하지만 시스템 소비전력이 9~16 kW로 크게 변화하는 것을 볼 수 있고, CH1보다 CH2의 온도변화 폭이 큰 것을 확인할 수 있었다.
- 칠러의 운전은 먼저 제어 온도를 설정한 후 PCW를 일정 유량, 압력으로 유입시키고, 칠러를 가동하여 coolant 공급(supply), 환수(return) 온도변화가 ±0.5℃이내, 압력은 ±5 kPa이내의 범위에 있을 때 정상상태에 도달하였다고 판단하였다.
후속연구
- 따라서 향후 연구로는 반도체 공정용 칠러의 성능 및 제어정밀도 향상을 위하여 압축기 2 in 1 멀티 시스템, 냉각수 냉각시스템 적용 하이브리드 시스템, EEV(Electronic Expansion Valve)를 적용한 실시간 냉매 PID 제어, 온도 대역 zone 구분 시스템 등의 연구를 진행할 예정이다.
- 본 연구결과를 통하여 현재 반도체 공정 온도제어용으로 사용되는 CH1, CH2 각각의 개별 냉동사이클로는 제어정밀도를 높이고 소비전력을 줄이는데 한계가 있는 것으로 보여진다. 따라서 제어정밀도를 높이고 소비전력을 줄이기 위해서는 각 온도영역별 zone을 구분하고, 20℃의 PCW를 활용할 필요가 있을 것으로 판단되어진다.
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