[논문]나노임프린트 장비용 대면적 열판 열설계를 위한 수치 연구

박규진; 이재종; 곽호상

doi:10.6112/kscfe.2016.21.2.090

문제 정의

이 연구에서는 가압공정에 견딜 수 있도록 재료 강도와 경도가 높은 스테인레스강으로 제작한 열판을 대상으로 가열과 냉각 과정의 비정상 열거동을 수치적으로 분석하여 열설계의 적정성을 평가하고자 한다. 이 과정에서 열전도도가 낮은 스테인레스 재질이 유발할 수 있는 열적 문제를 파악하고 이를 해결하기 위한 방안을 모색하고자 한다.
이 연구에서는 가압공정에 견딜 수 있도록 재료 강도와 경도가 높은 스테인레스강으로 제작한 열판을 대상으로 가열과 냉각 과정의 비정상 열거동을 수치적으로 분석하여 열설계의 적정성을 평가하고자 한다. 이 과정에서 열전도도가 낮은 스테인레스 재질이 유발할 수 있는 열적 문제를 파악하고 이를 해결하기 위한 방안을 모색하고자 한다.
이상의 결과는 열확산계수가 작은 스테인레스강을 재료로 만든 열판에서 발생하는 온도 편차를 줄이기 위해 냉각공에 히트 파이프를 장착하는 방안의 가능성을 보여준 것이다. 아직 냉각 용량과 온도 균일도 면에서 추가적인 개선이 필요하며 최적 히트 파이프의 선정 등을 고려한 후속 연구가 필요하다.
히트 파이프를 장착한 열판의 경우 가열모드에서 온도편차가 허용범위 이내로 줄었으며 냉각모드에서도 냉각공을 이용한 직접 냉각 방식의 열판에 비해 온도편차가 크게 감소하였다. 이 연구를 통하여 온도 균일도 면에서 히트 파이프를 장착한 열판의 유용성과 함께 히트 파이프 최적화를 통한 냉각 성능 및 온도 균일도의 추가적인 향상의 필요성을 확인하였다.

가설 설정

(1) 열판은 수지를 효율적으로 용융시키고 고형화시키는 급속가열과 급속냉각 능력을 가져야 한다. (2) 열판은 대면적 확장성을 가져야 한다. (3) 비균일 열팽창에 따른 변형을 최소화하고 스탬프와 분리를 용이하게 하기 위하여 열판은 높은 온도균일도를 유지하여야 한다.
제어변수 설정은 비례이득(Pgain), 적분 이득(Igain), 미분이득(Dgain) 값을 바꾸어가며 계산을 수행하여 기존 실험결과와 가장 근접한 결과를 제공하는 제어변수를 탐색하는 방법으로 진행하였다. 실제 열판은 6개 영역으로 구분되어 6개의 제어기로 제어되는데 제어기의 제어변수는 모두 동일하다고 가정하였다. 제어변수 값 설정을 위한 계산은 효율성을 위하여 전체 열판이 아니라 Fig.

제안 방법

[9]은 선행연구가 제시한 개념모델을 구체화하여 240 mm x 240 mm x 20 mm 크기의 열판을 설계하고 전산해석으로 열거동을 분석하여 이 열판이 설계요구조건에 부합하는 가열 성능과 온도균일도를 제공한다고 보고하였다. 특히 이 연구에서는 실제 피드백 제어기가 장착된 열판의 열적 거동을 재현하기 위하여 PID 제어를 모사할 수 있는 부속 프로그램을 작성하여 사용하였다. 이 연구에서는 온도균일도를 보장하기 위하여 열확산계수가 매우 큰 알루미늄을 열판 재료로 사용하였는데 고압의 누름에 노출되는 TH-NIL 공정용으로 표면경도가 작은 알루미늄은 적절한 재료라 볼 수 없다.
이 연구에서는 냉각공의 활용방법이 다른 두 가지 열판모 형을 고려하였다. 모형 I은 기존 연구[8]에서 다루어진 것과 같이 냉각공을 냉매 유로로 사용하는 모형으로 냉각모드에만 냉매가 흘러 열판을 직접 냉각한다.
모형 I은 기존 연구[8]에서 다루어진 것과 같이 냉각공을 냉매 유로로 사용하는 모형으로 냉각모드에만 냉매가 흘러 열판을 직접 냉각한다. 모형 II는 냉각공에 히트 파이프를 장착한 모형으로 모형 I에서 발생할 수 있는 온도균일도 문제를 개선하기 위한 방안으로 고려하였다. 이 모형에서는 열판보다 길이가 긴 히트 파이프를 사용하고 열판 외부로 돌출된 히트 파이프 종단부를 냉각하는 방식으로 열판을 간접 냉각한다.
1에 도시된 열판 전체이며 200만개의 격자를 사용하였다. 상온에서 200℃ 까지 열판의 온도를 올리는 가열 모드와 200℃ 온도에서 상온으로 냉각하는 냉각모드를 따로 계산하였다. 계산조건은 선행연구[10]와 유사하게 설정하였다.
2℃의 온도로 유입되는 경우를 상정하여 속도경계조건으로 처리하였다. 온도균일도를 높이기 위하여 이웃하는 냉각공의 냉매 흐름은 서로 반대 방향이 되도록 설정하였다. 냉매로는 질소가스와 물을 고려하였으며 냉매의 난류유동은 RNG k-ε 모델과 증강벽함수(Enhanced wall function)를 사용하여 계산하였다.
2 × 10⁶이므로 가열판 옆면과 윗면의 자연대류는 층류라 볼 수 있다. 이 값으로부터 구한 대류열전달계수 h_side= 13.4 W/m²K, h_upper = 9.35 W/m²K 를 이용하여 옆면과 윗면의 냉각 경계조건을 처리하였다. 실제로 열원과 냉원으로부터 열판에 가해지는 가열 및 냉각 열유속이 이보다 100배 이상이므로 이 경계조건의 영향은 크지 않다.
가열모드에서 제어기에 의해 실시간으로 조정되는 공급열량을 모사하기 위하여 PID 제어 논리를 사용자 정의함수(UDF)로 만들어 Fluent에 연동시켰다. UDF는 Fluent가 제공하는 매크로를 사용하여 작성하였으며 Interpret 방식을 채택하였다.
UDF는 Fluent가 제공하는 매크로를 사용하여 작성하였으며 Interpret 방식을 채택하였다. 범용으로 사용되는 PID 제어기와 동일한 방식으로 목표온도를 설정하고 비례제어를 위한 이득지수(Pgain), 적분제어 이득지수(Igain), 미분제어 이득지수(Dgain) 값을 입력하면 온도감지부에서 획득한 온도를 기준으로 히터에서 공급하는 열량을 제어하도록 하였다. 일반적인 제어기는 전류나 전압을 단속하는 시간을 제어하지만 전산해석에 이를 반영하는 것이 어려워 카트리지 히터에 공급되는 열량을 조절하는 것으로 변형하여 적용하였다.
일반적인 제어기는 전류나 전압을 단속하는 시간을 제어하지만 전산해석에 이를 반영하는 것이 어려워 카트리지 히터에 공급되는 열량을 조절하는 것으로 변형하여 적용하였다. 2.1절에서 설명한 바와 같이 총 6개의 제어기가 Fig. 1에 도시된 6개의 온도 감지점을 중심으로 6개의 영역을 독립적으로 제어하도록 수치모델을 만들었다.
본격적인 해석을 수행하기 위해서 먼저 제어기의 제어변수를 설정하여야 한다. 제어변수 설정은 비례이득(Pgain), 적분 이득(Igain), 미분이득(Dgain) 값을 바꾸어가며 계산을 수행하여 기존 실험결과와 가장 근접한 결과를 제공하는 제어변수를 탐색하는 방법으로 진행하였다. 실제 열판은 6개 영역으로 구분되어 6개의 제어기로 제어되는데 제어기의 제어변수는 모두 동일하다고 가정하였다.
PID 제어에서 가장 큰 영향을 주는 Pgain을 설정하기 위하여 먼저 적분제어와 미분제어 없이 비례제어만 고려한 경우의 온도응답을 알아보았다. Fig.
다음으로 정상상태에서 상대오차를 줄여 목표 온도를 정확하게 맞추기 위하여 적분제어를 고려하였다. Fig.
앞 절에서 설정한 제어변수 값을 사용하여 냉각공이 비어 있는 열판 모형 I을 가열하는 과동거동에 대한 수치계산을 수행하였다. Fig.
이번에는 200℃로 가열된 열판을 냉각하는 냉각 모드에서의 열판의 열적 거동을 살펴보기로 한다. 냉각은 냉각공에 유입되는 17.
앞 절에서 논의한 바와 같이 가열 및 냉각모드에서 나타난 온도 균일도 문제를 해결하기 위한 방안으로 냉각홀에 히트 파이프를 삽입한 열판 모형 II의 열적 특성을 평가하였다.
이번에는 모형 II를 이용한 냉각시험을 수행하였다. 전술한 바와 같이 냉각은 열판 외곽으로 돌출된 히트 파이프의 종단부 30 mm 부분을 냉각하는 간접적인 방식으로 이루어진다.
냉매가 흐르는 냉각공과 일자형 카트리지 히터가 상하로 배치된 작업면적 240 mm x 240 mm의 대면적 열판의 열거동을 전산해석적 방법으로 조사하였다. 열확산계수가 작지만 표면경도가 크고 내압성이 강한 스테인레스강 재질로 만든 열판이 TH-NIL 장비용 열판의 요구조건에 부합하는 열적 특성을 가지는지 전산해석적 방법으로 평가하였다.
냉매가 흐르는 냉각공과 일자형 카트리지 히터가 상하로 배치된 작업면적 240 mm x 240 mm의 대면적 열판의 열거동을 전산해석적 방법으로 조사하였다. 열확산계수가 작지만 표면경도가 크고 내압성이 강한 스테인레스강 재질로 만든 열판이 TH-NIL 장비용 열판의 요구조건에 부합하는 열적 특성을 가지는지 전산해석적 방법으로 평가하였다. PID 제어가 이루어질 경우, 300 W의 발열성능을 가지는 카트리지 히터 20개를 병렬로 배치하면 5분 내에 열판을 목표온도 200 ℃로안정적으로 가열할 수 있으나 정상상태의 열판내의 온도편차가 다소 크게 나타났다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 냉각공에 히트 파이프를 장착하고 냉각모드에서 히트 파이프의 일부를 냉각하는 방식의 새로운 열판 모형을 제안하고 그 열특성을 평가하였다. 히트 파이프를 장착한 열판의 경우 가열모드에서 온도편차가 허용범위 이내로 줄었으며 냉각모드에서도 냉각공을 이용한 직접 냉각 방식의 열판에 비해 온도편차가 크게 감소하였다.

대상 데이터

일반적인 열판설계는 현재의 산업기술 수준에 비추어 난이도가 높지 않아 이미 용도별로 다양한 제품이 시판되고 있고 최근의 학술연구에서는 거의 다루어지지 않고 있다. 이논문의 연구대상은 열경화 방식의 나노임프린트(Thermal Nano-Imprint Lithography, 이하 TH-NIL) 장비용 열판이다. 열판이라는 연구주제를 다시 불러낸 것은 TH-NIL 공정이 특수하게 요구하는 기술적으로 도전적인 기능 요건이다.
특히 이 연구에서는 실제 피드백 제어기가 장착된 열판의 열적 거동을 재현하기 위하여 PID 제어를 모사할 수 있는 부속 프로그램을 작성하여 사용하였다. 이 연구에서는 온도균일도를 보장하기 위하여 열확산계수가 매우 큰 알루미늄을 열판 재료로 사용하였는데 고압의 누름에 노출되는 TH-NIL 공정용으로 표면경도가 작은 알루미늄은 적절한 재료라 볼 수 없다. 이러한 문제의식에서 Yang[10]은 표면경도가 큰 스테인레스강으로 열판을 제작하여 가열시험을 수행하였으나 냉각공에서의 냉매 흐름을 이용한 냉각시험은 수행하지 않아 전체 공정의 열성능을 평가하지 못하였다.
이 연구에서 고려한 열판의 주요 제원은 다음과 같다. L = 240 mm, D = 6 mm, g = 10 mm, d = 20 mm, S = 12 mm. 이를 기준으로 하면 하부에는 20개의 카트리지 히터가 장착되고 상부에는 19개의 냉각공이 가공된다.
카트리지 히터 한 개당 가열용량은 300 W이다. 열판의 재질은 스테인레스강 STS304이며 밀도는 8030 kg/m³, 열전도율은 15.1 W/m K이다. 열확산계수는 3.
이 모형에서는 열판보다 길이가 긴 히트 파이프를 사용하고 열판 외부로 돌출된 히트 파이프 종단부를 냉각하는 방식으로 열판을 간접 냉각한다. 히트 파이프의 외경은 6 mm이며 길이는 340 mm이다. 열판 외부로 돌출된 100 mm 부분 중 끝단의 30 mm 부분이 냉각된다.
열판의 온도가 설정온도에 최적으로 접근하여 안정화될 수 있도록 카트리지 히터의 발열량에 대한 피드백 제어가 이루어진다. 선행연구[9]에서 고려한 것과 같은 방식으로 20개의 히터를 제어하기 위하여 총 6개의 PID 제어기가 사용된다. Fig.
0를 사용하여 전산해석을 수행하였다. 해석영역은 Fig. 1에 도시된 열판 전체이며 200만개의 격자를 사용하였다. 상온에서 200℃ 까지 열판의 온도를 올리는 가열 모드와 200℃ 온도에서 상온으로 냉각하는 냉각모드를 따로 계산하였다.
실제 열판은 6개 영역으로 구분되어 6개의 제어기로 제어되는데 제어기의 제어변수는 모두 동일하다고 가정하였다. 제어변수 값 설정을 위한 계산은 효율성을 위하여 전체 열판이 아니라 Fig. 1(b)에 도시된 소영역으로 계산영역을 한정하였다. 여기서 Yang[10]의 실험이 제공한 가열판 중앙에서의 온도거동을 제어값 설정의 참고기준으로 삼았다.

데이터처리

열판의 비정상 열거동을 알아보기 위하여 상용 CFD 코드인 ANSYS Fluent V15.0를 사용하여 전산해석을 수행하였다. 해석영역은 Fig.

이론/모형

냉매로는 질소가스와 물을 고려하였으며 냉매의 난류유동은 RNG k-ε 모델과 증강벽함수(Enhanced wall function)를 사용하여 계산하였다.
가열모드에서 제어기에 의해 실시간으로 조정되는 공급열량을 모사하기 위하여 PID 제어 논리를 사용자 정의함수(UDF)로 만들어 Fluent에 연동시켰다. UDF는 Fluent가 제공하는 매크로를 사용하여 작성하였으며 Interpret 방식을 채택하였다. 범용으로 사용되는 PID 제어기와 동일한 방식으로 목표온도를 설정하고 비례제어를 위한 이득지수(Pgain), 적분제어 이득지수(Igain), 미분제어 이득지수(Dgain) 값을 입력하면 온도감지부에서 획득한 온도를 기준으로 히터에서 공급하는 열량을 제어하도록 하였다.

성능/효과

TH-NIL용 열판을 설계하기 위해서는 다음과 같은 요건을 고려하여야 한다. (1) 열판은 수지를 효율적으로 용융시키고 고형화시키는 급속가열과 급속냉각 능력을 가져야 한다. (2) 열판은 대면적 확장성을 가져야 한다.
(2) 열판은 대면적 확장성을 가져야 한다. (3) 비균일 열팽창에 따른 변형을 최소화하고 스탬프와 분리를 용이하게 하기 위하여 열판은 높은 온도균일도를 유지하여야 한다. (4) 가압시 압력에 의한 변형을 최소화할 수 있도록 열판 재질은 경도와 강도가 커야 한다.
(3) 비균일 열팽창에 따른 변형을 최소화하고 스탬프와 분리를 용이하게 하기 위하여 열판은 높은 온도균일도를 유지하여야 한다. (4) 가압시 압력에 의한 변형을 최소화할 수 있도록 열판 재질은 경도와 강도가 커야 한다. (1)과 (2)는 생산성과 관련된 요건이고 (3)과 (4)는 품질과 관련된 요건이다.
초정밀 TH-NIL 장비의 특성을 고려할 때 과도거동에 발생하는 큰 온도 편차가 문제를 발생시킬 소지가 있다. 결론적으로 수냉 방식의 열판 냉각은 충분한 냉각성능을 보장하지만 과도 상태에 큰 온도 편차를 만들어 나노패턴 품질에 나쁜 영향을 초래할 가능성을 내포하고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 냉각공에 히트 파이프를 장착하고 냉각모드에서 히트 파이프의 일부를 냉각하는 방식의 새로운 열판 모형을 제안하고 그 열특성을 평가하였다. 히트 파이프를 장착한 열판의 경우 가열모드에서 온도편차가 허용범위 이내로 줄었으며 냉각모드에서도 냉각공을 이용한 직접 냉각 방식의 열판에 비해 온도편차가 크게 감소하였다. 이 연구를 통하여 온도 균일도 면에서 히트 파이프를 장착한 열판의 유용성과 함께 히트 파이프 최적화를 통한 냉각 성능 및 온도 균일도의 추가적인 향상의 필요성을 확인하였다.

후속연구

이상의 결과는 열확산계수가 작은 스테인레스강을 재료로 만든 열판에서 발생하는 온도 편차를 줄이기 위해 냉각공에 히트 파이프를 장착하는 방안의 가능성을 보여준 것이다. 아직 냉각 용량과 온도 균일도 면에서 추가적인 개선이 필요하며 최적 히트 파이프의 선정 등을 고려한 후속 연구가 필요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열판이란 무엇인가?	열판(hot plate)은 면가열 방식으로 재료에 간접적으로 열을 가하는 가열장치로 요리용 철판에서부터 온도 균일도가 중요한 화학실험용 항온유지 장치나 급속 균일가열 성능이 요구되는 반도체 공정장치 등에 이르기 까지 폭 넓게 사용되고 있다. 일반적인 열판설계는 현재의 산업기술 수준에 비추어 난이도가 높지 않아 이미 용도별로 다양한 제품이 시판되고 있고 최근의 학술연구에서는 거의 다루어지지 않고 있다.
	전자부품의 성능 향상과 고기능화, 제조 생산성 향상에 있어 가장 핵심적인 것은 무엇인가?	전자부품의 성능 향상과 고기능화, 제조 생산성 향상에 있어 핵심적인 화두는 다양한 나노 형상을 만드는 양산기술이다. 지금까지 반도체 공정에서 형상의 극초미세화를 주도한 것은 사진식각(Photolithography)이다[1].
	반도체 공정에서 형상의 극초미세화를 주도한 사진식각의 한계는 무엇인가?	지금까지 반도체 공정에서 형상의 극초미세화를 주도한 것은 사진식각(Photolithography)이다[1]. 광반응을 하는 수지의 성질을 이용하는 이 제조법은 메모리 반도체 공정에서 10 nm선폭을 구현할 정도로 발전하였으나 제조공정이 복잡하여 생산원가가 비싸고 다양한 형상 제조가 어려우며 빛의 파장이 주는 제약 때문에 소형화 진전이 한계에 부딪히고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 제안된 것이 나노임프린트인데 폴리머 기판을 유리전이 온도 이상으로 가열하여 연화시킨 후 표면에 극초미세 형상을 가진 스탬프로 눌러 반대 형상을 전사하는 기계적 식각 기법이다[2].

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