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문제 정의
- 하지만, 본 연구는 진공시스템 전산모사 기초연구로 진공기술의 기본인 진공생성기구 진공펌프만을 변수로 하여 고진공시스템의 진공특성에 대한 펌프조합 영향을 비교하였다. 이는 진공시스템의 진공생성기구 중 주 기구인 펌핑계 설계인자의 영향을 평가하고자 했으며 또한, 향후 여러 설계인자들의 전산모사 연구를 위한 가능성을 제시하고자 했다. 본 연구로 얻어진 결과는 첫째, 여러 배기특성을 갖는 E사 저진공펌프의 전산모사 결과와 공개된 펌프사양에 의한 배기거동이 근접하는 것을 통해 상업화 전산모사인 VacSimMulti의 응용성을 확인하였다.
제안 방법
- 표 2에 E2M275 유회전펌프 사양을 나타내었다. 2.1절 시스템과 동일한 진공시스템에 유회전 펌프를 E2M275로 고정하고, E사의 EH Series 부스터펌프(EH250/EH500/EH1,200/EH2,400/EH4,200)만을 추가 구성함으로써 중진공영역에서 가장 우수한 성능을 나타내는 보조펌프를 알아보았다. 그림 3과 같이 모델링되었고, 전산모사 결과는 그림 4에 나타내었다.
- E2M275 유회전펌프와 EH4,200 부스터펌프를 선택하여, E2M275 유회전펌프에 EH4,200 부스터펌프를 연결 하지 않았을 때와 연결한 경우를 비교하여 시스템 진공 특성에 대한 부스터펌프 영향을 알아보았다 (그림 5).
- 저진공ㆍ중진공영역은 하나의 펌프로도 도달할 수 있지만 고진공 이상은 저진공ㆍ중진공펌프와 고진공 펌프 조합이 요구된다. 따라서 대표적인 고진공펌프인 유확산펌프와 터보분자펌프의 보조펌프로 요구되는 유회전펌프의 최적화 조합을 전산모사 하였다.
- 운영 시 진공생성특성은 어떻게 예상되는지, 시스템 성능에 중요한 설계인자는 무엇인지, 어떻게 영향을 주는지 등과 같이 진공시스템 진공특성에 대한 설계인자 영향 전산모사 연구는 응용효과가 매우 높을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구는 상업화 진공시스템 전산모사기[VacSimMulti][8]를 이용하여 모델링 고진공시스템의 진공특성에 대한 진공펌프조합 영향을 전산모사하였다.
- 그리고 저진공·중진공영역에서 적합한 배기성능을 갖는 진공펌프 조합이 중진공특성에 대한 보조펌프 영향 전산모사로 해석되었다. 마지막으로 모델링 고진공시스템의 자체배기 능력이 없는 유확산펌프 (oil diffusion pump)와 터보 분자펌프 (turbo molecular pump)에 적합한 보조펌프에 대해 전산모사하였다 [5-7].
- 보조펌프로 부스터펌프의 영향을 평가하기에 앞서 최적화된 시스템을 구성하고자 2.1절과 동일한 시스템에 여러 유회전펌프를 구성하여 반복적인 전산모사를 통해 유회전펌프를 선별하였다. 선별된 모델은 도달압력이 가장 낮고, 동시에 배기속도도 가장 빠르게 나타난 E2 series의 E2M275 모델이다.
- 본 연구는 진공시스템 전산모사기인 VacSimMulti를 이용하여 진공시스템 진공특성에 대한 진공펌프조합 영향을 전산모사 하였다. 진공시스템의 최적화 설계인자 도출을 위해서는 펌프조합 이외에도 진공조의 체적, 도관의 구조·직경·길이, 밸브의 종류·형태, 진공재료의 기체방출, 탈기체 등 여러 요소들을 고려해야 한다.
- 상용화된 범용 저진공펌프의 공개된 사양과 시스템 전산모사를 통해 얻어진 도달압력, 배기특성을 비교하여 전산모사기의 정확성과 신뢰성을 확인하였다. 확인 방법은 배기시간과 도달압력 차이가 분명한 E사의 범용 유회전펌프 E1, E2 series 각 2종으로 시스템을 모델링 하여 전산모사 결과와 해당 유회전펌프의 배기사양을 비교하였다.
- 앞서 VacSimMulti의 신뢰성 확인 전산모사에 사용된 모델은E 1, E2 series 각 2종으로 이 모델들의 경우는 각각의 펌프만으로 구성된 진공시스템에서는 분명한 배기특성의 차이를 보였으나, 구성된 유확산 고진공시스템에서 E1, E2 series를 보조펌프로 변수 모델링한 예비 전산모사 결과 그 차이가 불분명하였다. 이에, 유회전펌프를 SP2 (speedi vac2),ES7,500,E1M 175,E2M 275 모델로 변경하였다.
- 전산모사를 통한 보조펌프별로 고진공영역인 1.0×10-7 torr에 도달하는 배기시간을 비교해 보았다(표5).
- 터보분자펌프 역시 유확산펌프와 동일하게 시스템을 구성하여 전산모사로 최적화 보조펌프를 평가하였다. 최적화 보조펌프 설계인자 도출에 앞서 VacSimMulti 전산모사기 제공 터보분자펌프들의 전산모사로 E사의 E XT70- DN63CF 모델을 도출하였다(표 6). 시스템 모델링은 그림 8과 같이 구성되어 전산모사되었다 (그림 9).
- 터보분자펌프 역시 유확산펌프와 동일하게 시스템을 구성하여 전산모사로 최적화 보조펌프를 평가하였다. 최적화 보조펌프 설계인자 도출에 앞서 VacSimMulti 전산모사기 제공 터보분자펌프들의 전산모사로 E사의 E XT70- DN63CF 모델을 도출하였다(표 6).
- 진공시스템의 최적화 설계인자 도출을 위해서는 펌프조합 이외에도 진공조의 체적, 도관의 구조·직경·길이, 밸브의 종류·형태, 진공재료의 기체방출, 탈기체 등 여러 요소들을 고려해야 한다. 하지만, 본 연구는 진공시스템 전산모사 기초연구로 진공기술의 기본인 진공생성기구 진공펌프만을 변수로 하여 고진공시스템의 진공특성에 대한 펌프조합 영향을 비교하였다. 이는 진공시스템의 진공생성기구 중 주 기구인 펌핑계 설계인자의 영향을 평가하고자 했으며 또한, 향후 여러 설계인자들의 전산모사 연구를 위한 가능성을 제시하고자 했다.
- 상용화된 범용 저진공펌프의 공개된 사양과 시스템 전산모사를 통해 얻어진 도달압력, 배기특성을 비교하여 전산모사기의 정확성과 신뢰성을 확인하였다. 확인 방법은 배기시간과 도달압력 차이가 분명한 E사의 범용 유회전펌프 E1, E2 series 각 2종으로 시스템을 모델링 하여 전산모사 결과와 해당 유회전펌프의 배기사양을 비교하였다. 전산모사 모델링의 도관은 길이와 직경이 각 0.
대상 데이터
- 1절과 동일한 시스템에 여러 유회전펌프를 구성하여 반복적인 전산모사를 통해 유회전펌프를 선별하였다. 선별된 모델은 도달압력이 가장 낮고, 동시에 배기속도도 가장 빠르게 나타난 E2 series의 E2M275 모델이다. 표 2에 E2M275 유회전펌프 사양을 나타내었다.
- 확인 방법은 배기시간과 도달압력 차이가 분명한 E사의 범용 유회전펌프 E1, E2 series 각 2종으로 시스템을 모델링 하여 전산모사 결과와 해당 유회전펌프의 배기사양을 비교하였다. 전산모사 모델링의 도관은 길이와 직경이 각 0.3 m, 25.4 ㎜인 직선형으로, 진공밸브는 완전 개방시 500 ㎟ 개구면으로, 진공조의 체적은 10 ℓ로 고정하였다. 이와같이 시스템을 구성(그림 1)하고 전산모사하였다.
성능/효과
- 본 연구로 얻어진 결과는 첫째, 여러 배기특성을 갖는 E사 저진공펌프의 전산모사 결과와 공개된 펌프사양에 의한 배기거동이 근접하는 것을 통해 상업화 전산모사인 VacSimMulti의 응용성을 확인하였다. 둘째, 부스터펌프의 사용이 중진공영역 응용에 효과적인 것이 확인되었다. 셋째, 자체 배기능력이 없는 유확산펌프와 터보분자펌프 배기계의 최적화 보조펌프 조합을 전산모사로 제시하였으며, 또한 유확산 및 터보분자펌프 배기계의 시스템 공정응용 특성도 확인되었다.
- 이는 진공시스템의 진공생성기구 중 주 기구인 펌핑계 설계인자의 영향을 평가하고자 했으며 또한, 향후 여러 설계인자들의 전산모사 연구를 위한 가능성을 제시하고자 했다. 본 연구로 얻어진 결과는 첫째, 여러 배기특성을 갖는 E사 저진공펌프의 전산모사 결과와 공개된 펌프사양에 의한 배기거동이 근접하는 것을 통해 상업화 전산모사인 VacSimMulti의 응용성을 확인하였다. 둘째, 부스터펌프의 사용이 중진공영역 응용에 효과적인 것이 확인되었다.
- 둘째, 부스터펌프의 사용이 중진공영역 응용에 효과적인 것이 확인되었다. 셋째, 자체 배기능력이 없는 유확산펌프와 터보분자펌프 배기계의 최적화 보조펌프 조합을 전산모사로 제시하였으며, 또한 유확산 및 터보분자펌프 배기계의 시스템 공정응용 특성도 확인되었다.
- 유확산펌프와 동일하게 보조펌프인 유회전펌프의 종류에 따른 1.0×10-7 torr 보분자펌프에서도 E2M275를 보조펌프로 사용했을 때, 약 2-3분 이상 도달시간이 짧은 것을 확인할 수 있다.
- 이는 사양의 배기속도는 ISO 규정으로 측정 제시된 값이며, 실제 운영시의 배기속도는 운영환경과 시스템의 도관 컨덕턴스의 영향으로 일반적으로 사양 배기속도보다 작다. 이를 고려하면, 전산모사의 결과는 실제 배기속도와 시스템 컨덕턴스가 반영됨을 알 수 있고, 또한 저진공펌프의 전산모사 결과와 공개된 펌프사양에 의한 배기거동이 서로 근접하는 것을 알 수 있다.
- 전산모사 결과, 부스터펌프 없이 저진공펌프 만을 통해 사양의 도달압력인 7.7×10-4 torr의 압력까지 도달하는데 소요된 시간이 12초인데 반해, EH4,200 부스터펌프가 보조펌프로서 추가된 경우는 동일시간 동안 더 낮은 압력인 1.8×10-4 torr까지 도달하였고, 7.7×10-4 torr 의 압력까지 도달하는데 소요된 시간은 5초로 짧았다.
- 8×10-4 torr로 낮아지는 동시에 배기시간이 절반이상 감소하였음을 나타낸다. 즉, 부스터 보조펌프 조합이 시스템 중진공도달 위해 효과적인 구성임을 전산모사를 통해 확인할 수 있다.
후속연구
- 진공기술은 현재 넓은 산업분야에 응용되고 있으며 앞으로도 미세과학의 발전과 더불어 연구가 요구되고 있다. 향후에도 진공시스템 설계인자의 전산모사 연구는 관련 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.
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