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문제 정의
- 그러나 기존 방식이 지니고 있는 문제점으로 이러한 시장의 요구를 수용하기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서 설정된 목표는 반도체 및 디스플레이의 제조 공정에서 기판을 지지하는 동시에 기판을 공정 온도까지 올려주는 핵심 부품인 고기능 서셉터에서 온도 균일도를 향상시키는 새로운 설계를 개발하고자 하는 것이다. 본 연구에서 개발한 서셉터는 기존의 특허를 피할 수 있는 새로운 형태의 열선 및 열선 배치로 이루어져 있으며, 이에 대한 모의실험(Simulation) 및 이를 바탕으로 한 최적 설계(Optimum Design)를 통하여 표면 온도 450℃의 고온에서 1.
- 이러한 알고리듬은 측정 온도의 균일도를 계산할 때 측정 온도와 예측 온도를 추정·비교하여 예측 데이터의 유효 범위안에 측정 데이터가 속하는지를 판별할 수 있게 하였으며, 이러한 일관성이 유지될 수 있는 데이터만을 가지고 온도 균일도를 결정함으로써 온도 균일도 결과의 신뢰성을 높이고자 하였다.
제안 방법
- (1) 기판을 공정 온도까지 올려주는 고기능 서셉터로서 자중에 의한 처짐과 같은 구조 변형은 상온 시강성이 떨어지면서 심하게 발생함으로 이를 보완하며 기판을 지지할 수 있는 구조체로 설계한다.
- (3) 본 연구에서는 쉬스형의 SUS 튜브 형태가 아니라 Fig. 4와 같이 새로운 판형 형태의 열선을 개발하였으며, 얇은 박판(Sheet Metal)을 레이저 가공이나 워터젯(Water Jet)을 이용하여 일정 패턴으로 가공하여 균일한 두께와 균일한 폭을 유지하여 균일한 발열 및 온도를 유지하도록 하였으며, 이를 얇은 운모판으로 전기적으로 절연하고 열전도를 극대화하였다.
- 반도체 및 디스플레이의 제조 공정에서 기판을 지지하는 동시에 기판을 공정 온도까지 올려주는 핵심 부품인 고기능 서셉터를 새로운 판형 형태의 열선 방식을 구성하여 설계, 개발하였으며, 표면 온도 450℃의 고온에서 1.36% 이내의 온도 균일도를 유지할 수 있는 디스플레이 제조장비용 서셉터를 개발하고 프로토타입을 제작하였다.
- 5% 이다. 본 논문에서는 이러한 두 개의 오차 범위 중에서 작은 값과 비교하여 오차 범위 안에 들어오는지를 판별하였으며, 최대 측정 온도를 예측하는 과정을 최소 측정 온도에도 적용한다.
- 따라서 본 연구에서 설정된 목표는 반도체 및 디스플레이의 제조 공정에서 기판을 지지하는 동시에 기판을 공정 온도까지 올려주는 핵심 부품인 고기능 서셉터에서 온도 균일도를 향상시키는 새로운 설계를 개발하고자 하는 것이다. 본 연구에서 개발한 서셉터는 기존의 특허를 피할 수 있는 새로운 형태의 열선 및 열선 배치로 이루어져 있으며, 이에 대한 모의실험(Simulation) 및 이를 바탕으로 한 최적 설계(Optimum Design)를 통하여 표면 온도 450℃의 고온에서 1.4% 이내의 온도 균일도를 유지할 수 있는 디스플레이 제조장비용 서셉터를 개발하여 프로토타입을 제작하였으며, 성능 시험을 통한 신뢰성을 확보하였다.
- 비모수 추정 방법은 일정한 분포를 제한하지 않고 주어진 자료에서 직접 함수를 추정하게 되는데, 이러한 비모수 추정 방법으로는 커널 밀도 추정, 비모수 베이지안 모델, 커널 회귀 등이 있다[9-14]. 본 연구에서는 기존의 신경회로망과 SVM(Support vector Machine)의 적용 연구[1]를 바탕으로 이상 데이터에 대한 강인성을 제공하는 커널 회귀를 이용한 비모수 추정 방법을 근간으로 표본 데이터 쌍이 주어졌을 때, 이를 가지고 함수의 근사치를 구하는 방법으로 예측 알고리즘을 Fig. 12와 같이 구현하였으며, 이러한 알고리즘의 절차는 다음과 같이 (1)-(8)의 단계로 구성하였다.
- 상기의 해석 결과로부터 얻은 구조 설계를 바탕으로 서셉터 바디, 운모판 및 덮개를 제작하였으며, Fig. 8은 서셉터에 열선 상부에 전기적 절연을 위한 운모판을 장착한 후에 열선을 배열한 모습이다. 서셉터 몸체에 덮개를 씌우고 진동 융착 방식으로 용접을 하였다.
- 봉형 브릿지 방식과 리브형 방식에 대한 자중 해석 및 열전달 모의 실험을 통하여 최적화된 서셉터를 설계하였으며, 서셉터의 성능 평가항목인 온도 균일도, 최대 사용온도, 최대 변형, 내구성 및 온도 상승 시간에 대하여 기존 서셉터보다 우수함을 입증하였다. 서셉터 온도 균일도 성능 판단의 신뢰성을 향상시키기 위하여 온도 균일도 예측 모델을 적용하여 균일도의 검증에 적합한 데이터만을 사용하는 알고리듬을 개발하여 유용성을 검증하였다.
- 이러한 써모커플의 위치는 4x4 (16개)를 균등하게 배치시켰으며, 가운데 2x2 (4개)는 서셉터의 내부에 장착하였고, 나머지 써모커플은 서셉터의 상판에 장착하였다. 온도 균일도는 각 써모커플의 온도 측정한 후 최대값과 최소값을 구하며, 이 후 다음 식으로 그 균일도를 평가하였다.
- 9에 보여주고 있다. 이러한 시험은 단열 챔버를 사용하여 대기 중에 방열로 실내온도가 과도하게 올라가는 문제를 방지하고, 시험 중 작업자를 보호하도록 하였다.
- 첫 번째 성능 평가 항목인 온도 균일도 시험은 목표 온도를 450℃로 설정하여 수행하였다. 온도를 측정하기 위한 써모커플(Thermocouple)은 su-s 타입으로서 일반적인 허용 오차는 ±1.
대상 데이터
- 능동 유기 발광 다이오드(Active Matrix Organic Light Emitted Diode) 평판 디스플레이는 두 개의 유리판을 포함하며, 이러한 유리 기판은 최대 약 2,500 × 2,500 [mm ×mm] 정도의 대형화에 이르렀다.
- 그리고 학습용 데이터셋 중에서 측정 시점과 가장 가까운 데이터셋을 검증데이터셋으로 설정하였으며, 나머지 학습용 데이터셋을 학습데이터 셋으로 구성하였다. 본 연구에서는 60개의 데이터셋으로 만들어진 하나의 집합체를 구성하였으며, 측정 데이터셋은 1개이며, 59개의 학습용 데이터셋 중에서 검증데이터셋은 1개이며 나머지는 학습데이터셋으로 구성하였다.
성능/효과
- (1) 온도 균일도는 목표치 온도까지 상승시킨 후 안정화가 되었을 때 표면의 몇 개소를 측정하고 최대치와 최소치의 차이를 계산하여 수치로 나타내는 것으로서, 3.0 % 수준을 보이고 있다.
- (2) 최대 사용온도는 최대 사용온도까지 1시간 승온 후 냉각하는 싸이클 시험을 내구성 시험 수준만큼 진행하고 단선이 없는 경우의 사용온도를 말하며, 현 수준은 480℃이다.
- (3) 위와 같은 싸이클 시험 후 서셉터의 끝단에서 변형량을 측정하여 최대값을 얻는 것이 최대 변형량이며, S mm 수준이다.
- (5) 상온에서 사용온도까지 상승시간은 90분 수준이다.
- 5 는 이의 사례들을 보여주고 있으며, Case 1은 봉형 브릿지 형태, Case 2는 조밀 리브형, 그리고 Case 3은 단순 리브형을 나타낸다. 결과에서 확인되듯이 봉형 브릿지가 다소 취약한 것으로 나타났고 리브 형태의 브릿지는 조밀하게 하든 단순하게 하든 자중에 의한 처짐에 대한 영향이 없으며, 대략 6.1 mm 수준인 것으로 나타났다.
- 네 번째 평가 항목인 내구성 시험은 상온에서 현재 일반적인 산업계 성능 수준인 480℃까지 상승 시켰다가 다시 상온(50℃)까지 자연 냉각하는 사이클을 1회 운전으로 하여 250회의 운전을 하여 개발품의 목표치를 도달하였으며, 최대 운전 회수는 286회까지 가능하였다. Fig.
- 두 번째 성능 평가 항목인 최대 사용온도는 목표 온도까지 1시간 승온 후에 냉각하는 싸이클 시험 100회 중 단선이 없는 경우로 설정하였는데, 본 연구에서 제작된 시제품 서셉터에서 이러한 기준을 적용하여 측정한결과 개발 목표치인 480℃를 상회하는 491.2℃에서도 싸이클 시험 100회중 단선이 없는 것이 확인되어 최대 사용온도를 정하였다. 이러한 수치는 내부 발열체와 외부 발열체로 구성된 발열체의 출력 온도를 기준으로 가열하였으며, 서셉터에 설치된 온도 센서에 의하여 측정되는 값과의 온도차가 발생하기 때문이다.
- 또한, 마지막 평가 항목인 상승 시간은 개발품이 사용될 450℃를 기준으로 온도 균일도가 ± 1.5% 이내에 도달하는 상승 시간을 측정한 결과로서 Fig. 11과 같으며 도달 시간은 2,010 sec (약 33분) 이었다.
- 봉형 브릿지 방식과 리브형 방식에 대한 자중 해석 및 열전달 모의 실험을 통하여 최적화된 서셉터를 설계하였으며, 서셉터의 성능 평가항목인 온도 균일도, 최대 사용온도, 최대 변형, 내구성 및 온도 상승 시간에 대하여 기존 서셉터보다 우수함을 입증하였다. 서셉터 온도 균일도 성능 판단의 신뢰성을 향상시키기 위하여 온도 균일도 예측 모델을 적용하여 균일도의 검증에 적합한 데이터만을 사용하는 알고리듬을 개발하여 유용성을 검증하였다.
- 상기에서 설계된 열선 패턴에 대하여 열전달 모의실험을 통한 1차적인 최적화가 진행되었으며, 발열체 온도가 450℃ 라고 했을 때 표면에서의 온도는 Fig. 7에 보이듯이 최대치 440.9℃, 최소치 428.9℃ 로 대략 12℃(온도 균일도 1.38%)의 편차를 보이고 있다.
- 세 번째 항목인 변형량은 내구성 시험 후 석정반 위에 서셉터를 올려 놓고 각 부위에서의 변형을 측정하여, 최대변형을 기준으로 하였고 그 값은 3.39 mm로 관찰되었다. Table 1은 내구성 시험 전 서셉터의 각 부위별 임의의 기준면(석정반)에 대한 높이 및 내구성 시험 후 변형량을 측정한 값들이다.
- 시험 결과 최대 온도는 452.3℃, 최소 온도는 440.2℃로서 온도 균일도는 1.36%에 해당하였다. 여기서 최대 온도 및 최소 온도는 외부 발열체의 상부에 해당하는 곳의 온도 측정값으로서 최대 온도 측정부는 발열체의 용접부에 해당하며, 최소 온도 측정부는 외부 발열체의 발원에서 먼 부분에 해당하기 때문으로 추측한다.
- 서셉터의 온도 균일도 성능 평가시 온도 센서의 오작동은 측정 데이터의 신뢰성을 저하시켜 온도 균일도 성능 평가를 어렵게 하게 된다. 이러한 온도 센서의 측정데이터 오류 여부를 판별할 수 있는 알고리듬과 예측 모델을 적용하여 성능 시험시의 온도 균일도 신뢰성을 향상시켰다. 이러한 알고리듬은 측정 온도의 균일도를 계산할 때 측정 온도와 예측 온도를 추정·비교하여 예측 데이터의 유효 범위안에 측정 데이터가 속하는지를 판별할 수 있게 하였으며, 이러한 일관성이 유지될 수 있는 데이터만을 가지고 온도 균일도를 결정함으로써 온도 균일도 결과의 신뢰성을 높이고자 하였다.
- 하지만 써모커플의 접촉 방식에 따라 오차는 더 크게 발생하는 것을 알 수 있었으며, 자체 실험시 접촉 면적을 최대한 넓게 설정할 수 있는 방법을 선택하고, 수번의 반복 테스트에서 오차 범위가 ±3℃ 또는 측정 온도의 1.5%로 이내에 측정되는 온도센서만을 정상적인 써모 커플로 간주하였다.
후속연구
- 서셉터가 대면적화되는 추세가 지속되므로 온도 균일도 향상 및 서셉터의 크기 확대에 따른 영향도 분석에 대한 연구는 지속화되어야 할 것이다.
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