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기획특집 <특집: 활약하는 매스플로우 컨트롤러> 매스플로우 컨트롤러의 현재와 향후 전개

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작성자 댓글 0건 조회 1,948회 작성일 22-08-05 14:18

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그림 1. 매스플로우 컨트롤러의 기본 구조




서론

매스플로우 컨트롤러는 유체의 질량 유량을 계측하고 유량을 제어하는 기기이다. 주로 유체의 유량 계측에는 체적 유량과 질량 유량이 이용된다.

체적 질량은 계측 대상이 되는 유체의 환경 온도, 사용 압력 등의 변화에 따라 체적에 변화가 생기기 때문에 정확한 유량을 계측하는 경우에는 변화량에 맞는 보정을 적절히 해줄 필요가 있다.


한편 질량 유량은 유체의 질량을 계측하기 위해 사용 조건 변화에 따른 보정을 할 필요가 없다. 매스플로우 컨트롤러는 반도체 프로세스를 비롯하여 고정밀도의 유량 계측 및 제어가 요구되는 프로세스에서의 유량 제어 기기로서 폭넓게 사용된다. 


당사 매스플로우 컨트롤러의 동작 개요

<그림 1>은 당사 매스플로우 컨트롤러의 기본 구조이다.(그림 1)

가스 입구에서 유입된 가스는 필터를 통해 바이패스 플러그의 바이패스 갭 내부를 층류 상태로 흐른다. 조주 거리를 지나 완전한 층류 상태가 된 위치에서 센서 유량과 바이패스 유량으로 분류(分流)된다. 센서 튜브의 상류측, 하류측에 감겨 있는 저항기 R1, R2와 고정 저항 R3, R4로 브리지 회로를 구성하고 그 브리지 회로에 정전류를 흘려 저항체를 발열시켰다.


가스가 흐르지 않는다면 양쪽 저항체의 열이 평형을 유지하여 출력값은 0이 된다. 가스가 흐르면 센서 상류측의 저항체가 열을 빼앗기고 하류측과의 열평형이 무너져 센서의 온도 분포에 변화가 생기고 브리지 회로의 불평형 전압 ΔE를 증폭시켜 출력 신호 E로서 전체의 가스 유량을 측정하였다.


출력 전압 E는 유량 설정기로부터의 설정 전압과 비교되고 그 편차가 PI 조절기에 들어가 전자 액추에이터를 동작시키고 출력 전압 E가 항상 상설 전압과 동일해지도록 가스 유량을 자동 제어하고 있다.



당사 매스플로우 컨트롤러의 특징

이러한 유체 제어 기기에는 안정적이면서 고성능의 센서와 정확한 센싱 기술이 필수이며 이와 더불어 이들을 전체적으로 융합시킨 제어 기술이 필요하다.

아래에 당사 매스플로우 컨트롤러 기술에서 특히 중요한 요소인 센서, 바이패스 및 밸브부에 관해 설명하도록 한다. 또한, 사용자에게 있어서도 가장 중요한 제품 정밀도와 관련된 당사의 교정 시스템에 대해서도 다루도록 한다.


(1) 센서

당사의 센서는 온도 측정의 안정화를 위해 가장 중요한 성숙부에서의 열대류를 줄이기 위한 특유의 연구를 진행하였다. 구조적으로는 측정부의 상류측 센서와 하류측 센서 사이에서 열이동을 방지하기 위한 칸막이가 설치되어 있다.(사진 1)

그 결과 센서 출력의 안정성이 향상되고 자세 오차의 영향을 최소화할 수 있었다. 이로써 기기 설치에 대한 제한이 적기 때문에 계장의 용이성과 공간 효율을 높일 수 있었다.


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사진 1. 


(2) 바이패스

바이패스 기구는 센서부를 통과하는 분류비를 항상 일정하게 해주는 기구이다. 센서부로 흐르는 가스가 안정적인 것이 센서의 안정성이 된다. 당사에서는 바이패스부에서의 흐름이 안정적인 상태가 될 때까지의 조주 거리를 유체 공학에 따라 구하고 바이패스 기구에 채용하였다.(사진 2)

이 때문에 저유량역에서 대유량역까지 원활하고 안정된 유속 검출이 가능해졌다.


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사진 2. 


(3) 밸브

매스플로우 컨트롤러의 밸브 구조는 안정적인 유량 제어를 위한 액추에이터와 함께 중요한 요소 부품이다. 특히 대유량 기종에서는 밸브 구조가 기기의 유량 제어 범위나 사용 동작 차압에 영향을 미친다. 이 때문에 당사에서는 400SLM 이상의 기종에 듀얼 노즐 방식을 채용하였다.


전자 솔레노이드식 소형 액추에이터에서는 밸브부의 개구를 크게 만들기에는 한계가 있으며 특히 싱글 노즐 방식에서는 구경이 큰 노즐을 가진 밸브부는 밸브 전후의 압력 상태에 따라 액추에이터의 동작 조건이 영향을 받게 된다. 또한, 밸브부 전체의 사이즈도 소형화할 수도 있으며 그 결과 이전의 제품과 거의 동일한 크기로 1000SLM의 매스플로우 컨트롤러를 실현할 수 있었다.


(4) 교정

가스 유량의 측정은 매우 어려운 기술이다. 특히 가스 온도와 압력이 바뀐 경우에는 체적 유량으로는 측정이 어렵다. 당사의 매스플로우는 0℃ 대기압을 교정 기준으로 한다. 또한, 트레이서빌리티에 기초하여 정밀막 유량계와 음속 노즐 유량계를 이용한 고정밀도 교정 시스템을 구축하여 자사 교정 기기의 정기적인 교정 관리를 하고 있다.



..(후략) 


松永 直己 / HEMMI계산자

본 기사는 2022년 8월호에 게재되었습니다. 

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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