[논문]유동해석을 통한 유체제어벨브 시스템의 내부 유동 특성 분석

손창우; 서태일; 김광희; 이선용

doi:10.5762/kais.2018.19.6.160

초록
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세계적으로 반도체장비 시장은 오래전부터 성장하고 있다. 유체제어시스템은 반도체 제조 장비에 사용되어지는 배관을 집적화시켜 유체의 공급을 제어할 수 있도록 모듈화, 소형화한 시스템이다. 반도체의 제조공정은 여러 종류의 맹독성 가스를 필수적으로 다루어야 한다. 특히 실제 작업 공정에서는 이러한 맹독성 가스의 정밀한 제어가 필요하다. 이러한 맹독성가스를 제어하는 시스템은 피팅, 밸트, 튜브, 필터, 레귤레이터 등 다양한 부품들로 구성되어 있다. 이 부품들은 누출 없이 고압 가스를 계속 제어해야 하기 때문에 정밀하게 제조되어야 하고 내부식성이 있어야 한다. 이를 위해 금속 블록 및 금속 가스킷의 표면 가공 및 경화 기술을 연구해야 한다. 본 논문에서는 이러한 유체제어시스템에서 가장 기본이 되는 V-Block의 직경, 유량, 각도를 다르게 설계하여 내부에서 어떠한 유동흐름을 보이는지 파악하고자 하며, 유체제어시스템에서 가장 기본이 되는 유체제어벨브 시스템의 내부 유동해석을 통하여 안정적인 유량을 공급할 수 있는 설계의 최적화에 대해 연구하고 분석하였다.

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The worldwide semi-conductor market has been growing for a long time. Manufacturing lines of semi-conductors need to handle several types of toxic gases. In particular, they need to be controlled accurately in real time. This type of toxic gas control system consists of many different kinds of parts...

The worldwide semi-conductor market has been growing for a long time. Manufacturing lines of semi-conductors need to handle several types of toxic gases. In particular, they need to be controlled accurately in real time. This type of toxic gas control system consists of many different kinds of parts, e.g., fittings, valves, tubes, filters, and regulators. These parts obviously need to be manufactured precisely and be corrosion resistant because they have to control high pressure gases for long periods without any leakage. For this, surface machining and hardening technologies of the metal block and metal gasket need to be studied. This type of study depends on various factors, such as geometric shapes, part materials, surface hardening method, and gas pressures. This paper presents strong concerns on a series of simulation processes regarding the differences between the inlet and outlet pressures considering several different fluid velocity, tube diameters, and V-angles. Indeed, this study will very helpful to determine the important design factors as well as precisely manufacture these parts. The EP (Electrolytic Polishing) process was used to obtain cleaner surfaces, and hardness tests were carried out after the EP process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

유체제어시스템은 여러개의 Block으로 이루어져있는 시스템이다. 본 논문에서는 가장 기본이 되는 V-Block을 유체 해석을 통해 직경, 유량, 각도에 따른 분석을 하고 전체 시스템의 유동 특성과 유량변화를 비교하여 가장 효과적인 형상을 설계하였다 [5,6]. Fig.

제안 방법

1, 2는 V-Block과 내부형상을 보여준다. 또한, 유체제어 시스템 전체를 시뮬레이션하여 각 구간에서의 직경, 유량, 각도에 따른 유량변화를 비교하여 가장 효과적인 형상을 설계하였다.
유체제어시스템에서 현재 사용되는 가장 기본이 되는 부품인 V-Block의 형상을 설계하였다. 모델링은 NX10 을 이용하였으며, 가공 가능한 범위를 고려하여 X축으로 30mm, Z축 15mm, Y축 20mm을 나타내며, V-Block 의 중심 간의 간격을 10, 14mm로 설정하였다.

대상 데이터

유체제어시스템에서 현재 사용되는 가장 기본이 되는 부품인 V-Block의 형상을 설계하였다. 모델링은 NX10 을 이용하였으며, 가공 가능한 범위를 고려하여 X축으로 30mm, Z축 15mm, Y축 20mm을 나타내며, V-Block 의 중심 간의 간격을 10, 14mm로 설정하였다. ;
앞선 연구를 기반으로 실제 유동이 흐르는 유체제어 시스템을 UG를 통해 설계하였다.

성능/효과

1. 유체제어밸브시스템의 기본이 되는 V-Block의 직경, 각도에 따른 유속의 변화는 큰 차이가 없었다. ;
3. 또한, 전체 하부유동시스템의 시뮬레이션 결과 유량, 직경, 높이에 따른 속도차가 크게 변하지 않음을 알 수 있었으며, 실제 유량과 가장 적합한 10L/m 유량뿐만 아니라 그보다 적은 유량, 많은 유량에 대해서도 큰 차이를 보이지 않았다. ;
5. 따라서 유체제어밸브시스템의 직경, 높이에 대한 차이보다는 내부의 형상이 유동의 흐름에 큰 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체제조공정에 사용되는 주요 재료중 하나인 가스는 어느 분야에 사용되는가	반도체제조공정에 사용되는 주요 재료중 하나인 가스는 엑피택셜성장, 도핑, 에칭 및 세정, 박막공정에 필수적으로 사용되고 있다. 이때 사용되는 가스중 불순물이 있을 경우 반도체제품의 부식과 결함을 유발할 수 있고, Si의 이상성장 및 성장속도를 지연시킨다.
	반도체공정에 사용되는 재료가스는 초고순도를 요구하기 때문에 공급 시 주의해야 할 점은?	99%) 을 요구한다. 그러므로 반도체 재료가스를 공급할 때에는 불순물의 오염 없이 안전하게 공급이 되어야한다 [1]. 현재 국내 반도체 제조공정에서 사용되고 있는 강산성 액체는 인체에 매우 유해하며, 누수에 의한 경제적 손실 및 사고의 위험성이 잔존하고 있다.
	일반적으로 반도체공정에 사용되는 재료가스의 순도는 어느 수준을 요구하는가	이때 사용되는 가스중 불순물이 있을 경우 반도체제품의 부식과 결함을 유발할 수 있고, Si의 이상성장 및 성장속도를 지연시킨다. 일반적으로 반도체공정에 사용되는 재료가스는 초고순도(99.99%) 을 요구한다. 그러므로 반도체 재료가스를 공급할 때에는 불순물의 오염 없이 안전하게 공급이 되어야한다 [1].

참고문헌 (9)

J.T. Han, T.H. Lee, D.S. Park, M.R. Son, The Role of Material Gases and Gas Supply System Applied in Semiconductor Process, The Korean Institute of Gas, pp. 292-301, 1997.
G.H. Lee, E.S. Lee, M.K. Lee, J.S. Kim, I.J. Bae, Internal Flow Analysis and Structural Design in Plastic Automatic Control Valve for the Semiconductor Chemical Liquid, Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 2012.
J. A. Davis, M.Stewart, Predicting Globe Control Valve Performance Part 1:CFD Modeling, ASME Journal of Fluids Engineering, vol. 124, pp. 772-777, 2002. DOI: https://doi.org/10.1115/1.1490126

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J. A. Davis, M. Stewart, Predicting Globe Control Valve Perfomance Part: Experimental Verification, ASME Journal of Fluids Engineering, Vol. 124, pp. 778-783, 2002. DOI: https://doi.org/10.1115/1.1490126

상세보기
Y.R. Lee, S.K. Gi, S.G. Jang, Jang, M. J. Do, A Study on Flow Characteristics with the Variation of Fluid Pipe Line in Hydrogen Regulator, Korean Society for Precision Engineering, pp. 939-940, 2017.
M.H.Chung, S.M. Yang, H.Y. Lee, 3D Flow Analysis of Globe Valve with Air Operated Actuator, Korean Society For Fluid Machinery, pp. 7-13, 2005. DOI: https://doi.org/10.5293/KFMA.2005.8.4.007
C. W. Kang, K. S. Yang, "REYNOLDS NUMBER EFFECTS ON TURBULENT PIPE FLOW PART1. MEAN FLOW FIELD AND LOW-ORDER STATISTICS," Journal of Computational Fluids Engineering, 2011.
J. Kim, P. Moin, R. Moser, "Turbulence statics in fully developed channel flow at low Reynolds number," J. Fluid Mech, 1987. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112087000892
S.H. Yoo, B.G. Huh, D.G. Kang, K.W. Seul, Flow Analysis of Gas Transport Test in the Safety System Piping, The Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 4153-4157, 2013.

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