[논문]LCD 제조용 노광기에 사용되는 리니어 모터의 냉각조건에 대한 연구

양홍천; 이영남; 김광선

[국내논문] LCD 제조용 노광기에 사용되는 리니어 모터의 냉각조건에 대한 연구
A Study on Cooling Conditions of a Linear Motor used in an Exposer for the Manufacturing LCD 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.11 no.4, 2012년, pp.31 - 36

양홍천 (한국기술교육대학교 대학원 메카트로닉스공학과) , 이영남 (한국기술교육대학교 대학원 산업기술공학과) , 김광선 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The high thrust of the linear motor in the exposer generates the high temperature heat by the friction and the electromagnetic forces on its coil. It can cause the thermal deformation and the accuracy of the equipment is finally decreased which has a bad effect on the productivity. In this research, the heat and flow on the linear motor of the exposer has been analyzed. The existing equipment is non-contact fluid refrigerant type. The numerical analysis data of the existing equipment have been acquired and the reliability of the data has been verified. The revised modeling for the next-generation is suggested for cooling the exposer effectively.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이런 환경에서 장비를 장시간 동안 운전한 경우 이 때 축적된 열이 다른 부품의 온도 상승 및 열변형을 야기하고, 결과적으로는 열변형으로 인한 장비의 정밀도가 감소하게 되어 생산성에 있어서 악영향을 미치게 된다[1-3]. 따라서 본 연구에서는 노광 장비의 리니어 모터의 구동부에 대한 열유동 해석을 수행하였고, 현재 사용 중인 비접촉 액체 냉매 방식의 냉각 성능에 대한 수치해석 데이터를 확보 및 신뢰성 검증을 하였다. 검증된 데이터를 기반으로 한 개선안을 제시하였으며, 본 연구의 결과를 종합하여 다음 세대에 개발될 장비에 대해 적용할 냉각 모델을 선정하였다.
본 연구에서는 수치 해석을 통하여 TFT-LCD의 제조 공정에 사용되는 노광기의 리니어 모터 발열 문제에 대한 효과적인 냉각 방법을 찾고자 하였다. 본 연구의 수행 결과, 모든 모델에 있어서 냉각 경향은 임의의 기울기를 갖는 1차 선형임을 확인 하고 이를 근거로 냉각 성능은 시간에 따른 냉각곡선의 기울기를 판단 지표로 삼았다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 노광 장비의 리니어 모터의 구동부에 대한 열유동 해석을 수행하였고, 현재 사용 중인 비접촉 액체 냉매 방식의 냉각 성능에 대한 수치해석 데이터를 확보 및 신뢰성 검증을 하였다. 검증된 데이터를 기반으로 한 개선안을 제시하였으며, 본 연구의 결과를 종합하여 다음 세대에 개발될 장비에 대해 적용할 냉각 모델을 선정하였다.
좌측은 스캐너(scanner) 타입이고 우측은 스테퍼(stepper) 타입이다. 노광기에서는 각각의 역할을 수행하는 많은 파트 가운데, 냉매 또는 공기노즐에 의해 냉각되는 리니어 모터 가동자를 선택하여 해석모델을 단순화 하였다.

대상 데이터

본 연구에서 냉매로 사용된 것은 3M社의 HFE7200이다. 가동자과 가이던스의 재질은 Stainless Steel 중에 하나인 UNSS30200이다.
Table 1, Table 2, 그리고 Table 3에 경계 및 물성조건을 나타내었다. 본 연구에서 냉매로 사용된 것은 3M社의 HFE7200이다. 가동자과 가이던스의 재질은 Stainless Steel 중에 하나인 UNSS30200이다.

데이터처리

수치해석의 신뢰성을 검증하기 위하여, case 1의 수치해석 결과와, 열전달에 관한 식 (7)과 (8)를 이용하여 계산한 정해의 값을 비교하였다. Fig.

이론/모형

3에 해석을 위하여 생성한 격자를 나타내었다. 격자는 상용 CFD 코드인 Star-CCM+ 6.04 버전을 사용하여 다면체 격자로 생성하였다[5].
따라서 수치해석에 난류모델을 적용하였으며, k−ε모델을 사용하였다[5].

성능/효과

12 에 case 1 ~ 4의 결과를 그래프로 나타내었다. Case1 ~ 4의 결과로부터, 에어노즐을 사용하는 방식과 냉매 파이프의 위치를 변경하는 방식 모두 냉각 성능을 향상시킬 것으로 기대되며, 이들 중 에어노즐을 사용하는 것이 냉매 파이프의 위치를 변경하는 것보다 냉각 효과가 더 좋음을 확인하였다.
본 연구의 수행 결과, 모든 모델에 있어서 냉각 경향은 임의의 기울기를 갖는 1차 선형임을 확인 하고 이를 근거로 냉각 성능은 시간에 따른 냉각곡선의 기울기를 판단 지표로 삼았다. 몇 가지 개선안 중에 열원이 되는 가동자의 상부에 비접촉 액체 냉각 방식을 적용하고 공간이 좁아 열 정체가 발생할 것으로 예상되는 가동자와 가이던스 사이 공간에 공기를 분사하는 공랭방식을 함께 적용하는 것이 가장 빠른 냉각 속도를 보임을 확인하였다. 추후 연구에서는 냉매의 특성과 냉매 파이프의 재질에 따른 냉각 성능에 미치는 영향에 대해 알아볼 필요성이 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 수치 해석을 통하여 TFT-LCD의 제조 공정에 사용되는 노광기의 리니어 모터 발열 문제에 대한 효과적인 냉각 방법을 찾고자 하였다. 본 연구의 수행 결과, 모든 모델에 있어서 냉각 경향은 임의의 기울기를 갖는 1차 선형임을 확인 하고 이를 근거로 냉각 성능은 시간에 따른 냉각곡선의 기울기를 판단 지표로 삼았다. 몇 가지 개선안 중에 열원이 되는 가동자의 상부에 비접촉 액체 냉각 방식을 적용하고 공간이 좁아 열 정체가 발생할 것으로 예상되는 가동자와 가이던스 사이 공간에 공기를 분사하는 공랭방식을 함께 적용하는 것이 가장 빠른 냉각 속도를 보임을 확인하였다.
20%의 오차를 보이고 있다. 이로써 본 연구에서 수행한 CFD 결과 값은 충분한 신뢰성이 확보되었다.

후속연구

추후 연구에서는 냉매의 특성과 냉매 파이프의 재질에 따른 냉각 성능에 미치는 영향에 대해 알아볼 필요성이 있을 것으로 사료된다. 그리고 차기 모델에 적용할 최적화된 냉매의 유량조건, Air Nozzle을 통해 공급될 저온 기체의 유량, 공급하게 될 유량에 따른 노즐의 크기 및 성능에 대해서도 연구의 필요성이 있다.
몇 가지 개선안 중에 열원이 되는 가동자의 상부에 비접촉 액체 냉각 방식을 적용하고 공간이 좁아 열 정체가 발생할 것으로 예상되는 가동자와 가이던스 사이 공간에 공기를 분사하는 공랭방식을 함께 적용하는 것이 가장 빠른 냉각 속도를 보임을 확인하였다. 추후 연구에서는 냉매의 특성과 냉매 파이프의 재질에 따른 냉각 성능에 미치는 영향에 대해 알아볼 필요성이 있을 것으로 사료된다. 그리고 차기 모델에 적용할 최적화된 냉매의 유량조건, Air Nozzle을 통해 공급될 저온 기체의 유량, 공급하게 될 유량에 따른 노즐의 크기 및 성능에 대해서도 연구의 필요성이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	추력이 증가하면 어떤 현상이 발생하는가?	LCD 패널의 제조 공정 중 노광 장비에는 정밀도가 높은 리니어 모터를 사용하고 있고, 패널의 크기가 증가함에 따라 고추력이 요구된다. 그러나 요구되는 추력이 증가함에 따라 리니어 모터의 마그네틱 코일에서 마찰이나 전자기력에 의한 고온의 열이 발생하게 된다. 이런 환경에서 장비를 장시간 동안 운전한 경우 이 때 축적된 열이 다른 부품의 온도 상승 및 열변형을 야기하고, 결과적으로는 열변형으로 인한 장비의 정밀도가 감소하게 되어 생산성에 있어서 악영향을 미치게 된다[1-3].
	노광 장비에 요구되는 성능은 무엇인가?	반도체 산업 발전에 따라 TFT-LCD 패널의 크기나 해상도가 다양해지며, 양산을 위한 패널의 대형화 또한 진행되고 있는 추세이다. LCD 패널의 제조 공정 중 노광 장비에는 정밀도가 높은 리니어 모터를 사용하고 있고, 패널의 크기가 증가함에 따라 고추력이 요구된다. 그러나 요구되는 추력이 증가함에 따라 리니어 모터의 마그네틱 코일에서 마찰이나 전자기력에 의한 고온의 열이 발생하게 된다.
	고온의 열 환경에서 장시간 운전한 경우 어떤 문제가 야기되는가?	그러나 요구되는 추력이 증가함에 따라 리니어 모터의 마그네틱 코일에서 마찰이나 전자기력에 의한 고온의 열이 발생하게 된다. 이런 환경에서 장비를 장시간 동안 운전한 경우 이 때 축적된 열이 다른 부품의 온도 상승 및 열변형을 야기하고, 결과적으로는 열변형으로 인한 장비의 정밀도가 감소하게 되어 생산성에 있어서 악영향을 미치게 된다[1-3]. 따라서 본 연구에서는 노광 장비의 리니어 모터의 구동부에 대한 열유동 해석을 수행하였고, 현재 사용 중인 비접촉 액체 냉매 방식의 냉각 성능에 대한 수치해석 데이터를 확보 및 신뢰성 검증을 하였다.

참고문헌 (6)

Muramatsu, A., Nakamura, S., Yoneyama, H., and Iwasaki, O., 1994, "Heat conduction Analysis for Motor Integrated Spindle." NSK Technical Journal, No. 658, pp. 32-39
박보현, TFT-LCD 시장 동향 및 국내 현황, 정보 통신산업진흥원, 정보통신연구진흥원 학술정보 주간기술동향 1254 호
Kwak, G. H. 2007, "Economic impact analysis using industrial subsectors exposure machine", Korea Institute of Machinery & Materials.
Suhas V. Patankar(1980), Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, McGrow-Hill Book Company.
CD-adapco(2011), STAR-CCM UserGuide ver. 6.04.
Yunus A. Cangel(2003), HEAT TRANSFER: A PRACTICAL APPROACH, McGrow-Hill Book Company

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