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사진 1. FLEXI-FLOW Compact 

서론

이번 회에는 질량 유량계인 매스플로우미터(이하, MFM)와 매스플로우 컨트롤러(이하, MFC, MFM나 MFC의 총칭으로 매스플로우라 함)의 기본 성능에 관한 지식, 특히 정밀도, 교정과 같은 점에 관하여 설명하도록 한다.

얼마 전에 코로나 19로 인한 외출 자제가 풀리면서 오랜만에 신세를 지던 연구실을 방문해서 매스플로우에 관한 상당히 흥미로운 이야기를 나눌 수 있는 기회가 있었다. 연구실 관계자분들은 공부에도 열심이었고 지식습득에도 적극적이었으며 현재의 연구에 적용하려는 기상으로 가득했다. ‘멋지다. 나도 학교 다닐 때 더 잘했어야 했는데’ 돌아오는 차 안에서 이런 생각을 한 적이 있다. 이러한 젊은 세대의 왕성한 학구열에 대해 우리 같은 매스플로우 업계 사람들은 올바른 지식과 이해를 가지고 응하고 있기는 할까? 이번 회에 언급하는 사례는 특정한 기업이나 개인을 가리키는 내용은 아니다. 이를 위해 필자는 이야기의 상세한 부분을 가공했다. 문제는 우리 같은 매스플로우 업계에 있는 사람들이 선대의 소중한 경험을 바탕으로 한 조언을 제대로 이해하고 그 조언을 다음 세대에게 전달하기 위해 노력하는가이다. 이번에 다룰 정밀도와 교정이라는 부분은 매스플로우의 주요 고객인 반도체 제조장치 산업을 영업하고 있다면 깊이 파고든 지식을 보여줄 수 있는 분야이다. 그 논의는 이미 과거에 끝났다고 하는 베테랑층과 그렇다고 믿어버린 젊은 층이 섞여 있기 때문일 것이다. 그러나 유량 측정을 필요로 하는 애플리케이션 전반에서 이야기한다면 매우 중요한 포인트이다. 고객응대가 업무인 영업, 서비스, 기술 직원이 다시 한 번 자신이 이해한 내용을 확인하였으면 하는 생각이다.

정밀도와 반복성~교정 조건

프로그램의 재현성을 유지하기 위해 매스플로우에게 요구되는 것은 ‘정밀도’가 아니라 ‘반복성’이며, 특히 트래픽 제어를 하는 MFC에서는 이러한 경향이 뚜렷하다는 설명을 연재 중 계속한 바 있다. 그러나 매우 중요한 사안임에도 불구하고 매스플로우 제조사의 영업 담당조차 이 일을 이해하지 못하고 모호한 설명으로 이용자들에게 혼란을 준 것은 필자의 역부족이라는 점을 다시 한 번 설명하고자 한다. 유량계, 매스플로우의 카탈로그에 기재된 사양 중 사용자들이 가장 관심을 가지는 것은 정밀도 성능이다. MFC의 경우에는 응답성을 더 추가하여 필자가 현역에 몸 담았던 시절에는 각 제조사를 비교한 선정 자료에 반드시 이 두 가지 항목이 열거되어 있었다. 이렇게 중요한 항목임에도 불구하고 그 정확한 의미가 파악되지 못한 것이 이 정밀도라는 용어이다. 사실 이런 이야기가 있다. 어느 전시회에서 동업자에게 새 모델 MFC에 관해 설명을 들었는데, ‘이전 모델은 정밀도 성능이 ±1% F.S이다. 새로운 모델은 0.5% F.S다.’ 라는 취지의 설명을 듣고 순진하게도 필자가 ‘그렇습니까? 신형 MFC는 지금까지와는 다른 교정 체계를 적용해 교정을 하고 있는 거지요?’라고 질문하자 ‘아니요, 신형은 성능이 좋아서요!’라는 씩씩한 대답을 들은 적이 있다. ‘정밀도 성능은 MFC의 좋고 나쁨이 아니라 공장의 가격을 책정하는 능력을 말하는 거죠?’라고 의문스러운 얼굴로 대답했다.

JIS Z 8103 측량 용어의 정의에서 정밀도는 ‘측정 결과의 정확성과 정밀성을 포함하여 측정량의 참의 값과 일치하는 정도’라는 이야기는 몇 번이나 설명했다. 이에 해당하는 영어 표기는 accuracy이다. 매스플로우나 유량계 업계에서 사용되는 유량정밀도의 경우 (국연)산업기술종합연구소 계량표준센터 국제계량실 계량학-빠르게 이해하기(제3판)의 accuracy of measurment(측정량에 대하여 측정된 값과 참 값과의 일치도)가 매우 가깝다고 생각된다. ‘참의 값’이란 국가의 유량 표준을 말한다. 즉, 정밀도를 보장하기 위해 제조사는 교정에 사용하는 유량 기준기와 국가 표준 사이의 트레이서밀리티를 증명하고 그 불확실성을 확인시켜야 한다. 요구가 있는 경우에는 ‘교정증명서’, ‘트레이서빌리티 계통도’(트레이서빌리티 체계도와 JCSS 등의 교정증명서가 있으면 불필요)를 제공해야 한다. 따라서 불확실성이 축적된 정밀도 성능이 같은 제조사의 교정 계통에서 기존 제품과 신제품의 차이가 생기는 것은 이상한 일이다. 필자가 전시회에서 동업자에게 던진 질문은 바로 이런 각도에서 나온 것이다.

그렇다면 왜 제조사 간에는 정밀도 사양에 차이가 발생할까? 한 가지 예를 들어보자. 브롱호스트(Bronkhorst High-Tech.B.V.) 제품의 표준 모델인 EL-FLOW 시리즈의 정밀도는 ±0.5% R+±0.1F.S 이내이다. 왜 일본 국산 제품보다 성능이 좋은가라는 질문을 받은 적이 있다. <그림 1>은 브롱호스트의 트레이서빌리티 체계도이며 매우 단순하다. 브롱호스트의 매스플로우 정밀도 성능이 뛰어나다는 것은 이 단순한 트레이서빌리티 체계도를 보면 알 수 있다. 국가의 유량 표준과 제품인 매스플로우 사이에 기준기가 많으면 많을수록, 기준을 구성하는 수요가 많으면 많을수록 불확실성이 더해지는 것이다. 반대로 국가 표준과의 사이에 최소한의 기준 이관기로 구성되면 브롱호스트 같은 수치로 보증할 수 있다는 것이다. 제품의 성능이라는 개발 투자가 아니라 유량의 값을 매기는 부분에 대해 투자할 것인지 아닌지를 여기에서 알 수 있으며 겉멋이나 허세 때문에 타사보다 뛰어난 수치를 제시하는 것이 아니다. 가장 중요한 것은 ISO/IEC 17025:2017 인증을 받은 BCC(Bronkhorst Caribration Centre)의 존재이다.

브롱호스트는 BCC라는 네덜란드 국가인증위원회(Dutch Accreditation Council)(RvA)에서 ISO/IEC 17025:2017(이하 ISO 17025) 인증을 받은 인증 교정 회사를 산하에 두고 있다. <사진 2>의 교정 인증서와 제품 교정에 이용한 사내 기준기(유량에 따라 여러 개)가 BCC가 소유한 기준을 이용하여 교정된 것을 보여주는 성적서만 있으면 트레이서빌리티를 증명할 수 있다. 왜냐하면 BCC와 네덜란드 계량 표준 기관인 VSL과 NMi 사이의 트레이서빌리티는 이미 ISO 17025의 인증번호를 가짐으로써 증명되었다고 생각되기 때문이다. 또한 <그림 2>와 같이 국제 상호 인증(MRI: Mutual Recognition Arrangement)에 따라 One-Stop-Testing의 장점을 누릴 수 있다. 즉, 네덜란드에서 수집된 자료는 전 세계에서 수용할 수 있는 브롱호스트의 교정증명서가 일본 JSS 교정증명서와도 동등한 효과가 있는 것이 된다.

또한 국가 유량 기준기 간의 트레이서빌리티가 증명된 유량 기준기는 당연히 제조사의 공장에 존재하는 것이며 고객에게 있을 리가 없다. 유동계와 매스플로우 미터와 같은 수준의 기준기를 사용자가 고액의 돈을 들여 마련할 수 없으며 측정 조건도 다르다. 이러한 가운데 사용자들의 이용자 교정 조건으로 얻어진 값을 매스플로우 제조사가 어떻게 보증할 수 있을까? 가능한 방법이 없다. 대중 트래픽 업체들은 도대체 어떻게 사용자의 고객 경험에 대한 값을 보장할 수 있을까? 가능할 리가 없다.

반복성의 JIS Z 8103 계측 용어 상 정의는 측정 용어의 반복성 정의는 “동일한 측정 조건에서 동일한 측정량을 반복하여 측정한 결과들 간의 일치 정도”이며, 이에 해당하는 영어는 repeatability이다. 재현성이란 단어의 정의는 ‘측정 조건을 변경하여 실시한 동일한 측정량의 측정 결과 사이의 일치 정도’이며, 이에 대응하는 영어는 reproducibility이다. 이 두 단어의 경우 일본보다는 영어가 이해하기 쉽다. 매스플로우의 스펙에 있는 것은 반복성이며 모든 조건을 바꾸지 않고 단시간에 몇 번의 측정에서 얻은 값이 일치하는 정도를 말하며, 사용자 환경에서 이 조건을 바꿔버리면 그 범위 안에 있는지 알 수 없다고 해석하는 것이 좋다. 사용자 사용 환경의 각 요소(온도, 습도, 압력, 실제 가스) 조성 등 많은 여러 조건이 변하는 중에도 어떤 값으로 조절되기를 원하며 이것은 사용자가 프로세스에 요구하는 당연한 요구이다. 그러나 제조자 입장에서 봤을 때 이렇게 조건이 명확하지 못한 상태에서는 제품의 성능을 보증할 수는 없다. 많은 사용자들이 매스플로우, 특히 MFC에 대해 기대하는 것은 정밀도보다는 성능 재현이다. 이것은 MFC의 주요 사용자 중 하나인 반도체 제조 장비 산업에서 더 두드러진다. ‘니들 밸브로 유량을 설정해도 온도나 압력 영향으로 아침과 저녁, 여름과 겨울에 일정한 조건으로 가스를 공급할 수 없기 때문에 MFC에서 온도와 압력 영향 없이 자동 제어를 통해 프로세스의 안정을 요구한다.’ 라는 MFC가 대두된 이유이기 때문이다. 이러한 요구는 재현성 보증에 가깝지만, 이것은 매스플로우 단독으로는 완성할 수 없는 성질이다. 매스플로우 제조사는 어디까지나 반복성으로 보증을 하고 이러한 축적을 통해 장치 제조사가 처음으로 프로세스 재현성을 논하는 것이야 말로 의미가 있는 것이라 생각한다. 카탈로그에 사용된 단어에서도 1990년대까지는 두 단어의 오용이 뚜렷하게 보였다. 최근에는 재현성이라고 잘못 표시된 항목이 반복성으로 수정되었다.

하지만 사람의 기억과 이해는 쉽게 바뀌지 않는다. 지금도 ‘MFC의 재현성은 ±0.2%F.S.’라는 무서운 이야기를 하는 베테랑 영업맨이 존재한다는 것을 보더라도 그 어려움을 알 수 있을 것이다. 정밀도와 반복성을 표현하는 그림으로 매우 뛰어난 사례를 브롱호스트 재팬㈜의 블로그에서 발견하여 필자가 정리하여 사용하였으니 참고해주시기 바란다.(그림 3)

실제 가스 교정이 가지는 의의

최근 고객이 MFC에 대해 문의했을 때 ‘MFC의 정밀도는 제조사의 교정 조건, 즉 미리 정해진 보정 가스를 사용하는 자사 교정 설비로, 자사 환경 설정에서의 보증입니다.’ 라고 설명했을 때 ‘아니요, 어떤 제조사는 실제 가스 교정을 합니다. 게다가 고객 교정 조건에서의 보증을 합니다.’라는 말을 듣고 나는 귀를 의심했다.

왜 귀를 의심했는지 설명하도록 한다. 익숙한 열식 유량 센서의 일반 예와 유량식을 살펴보자.(그림 4) 열식 유량 센서의 유량식에는 Cp(유체의 정압 비열)라는 요소가 포함된다. 이것은 측정 대상이 되는 유체의 물성 중 하나인 비열에 의존한다는 것을 의미한다. 또 다른 질량 유량계인 코리올리식 유량 센서는 측정 대상의 유체 종류와 혼합 비율이 불분명한 상태이거나 시시각각 변하더라도 정확한 질량 유량을 측정할 수 있는데 비해 열식 유량 센서는 한정된 조건에서만 질량 유량을 측정할 수 있는 유량 센서이다. 중요한 점은 열식 유량 센서가 질량 유량계로 기능하도록 하기 위해서는 유체 종류를 특정함으로써 그 정압 비열을 정확하게 구해야 한다는 것이다. 

예를 들어, 1기압=1013hPa(A)의 조건에서 질소(N2)의 정압 비열은 0℃에서 1,043J/kg℃이며, 50℃에서도 동일하다. 반면 암모니아(NH3)는 0℃: 2,144J/kg℃ -> 50℃: 2,181J/kg℃, 메탄(CH4)은 0℃: 2,181J/kg℃ -> 50 ℃: 2,303J/kg℃ 등 5% 이상의 변화가 있는 가스가 존재한다. 실제 기체를 측정하기 위해서는 보정 계수(CF)의 환산을 통해 교정 유체와의 감도비(유량비)를 보정하기만 하면 된다. 그러나 위의 예에서 보더라도 핵심적인 정압비열에 그만큼의 온도 영향이 있고 당연히 기체의 밀도를 좌우하는 압력의 영향도 존재하기 때문에 CF는 하나의 유체에 대해 하나만 있는 것이 아니다. 유체의 온도와 압력에 의한 물리적 성능 변화 외에도 분류 구조를 채용한 MFC의 센서관과 층류소자(바이패스)와의 분류비기 유량 범위와 압력 조건의 조합에 따라 변하는 영향이라고 생각되며, 하나의 유체에 대해 여러 개의 CF(멀티CF)로 관리해야 하는 경우가 최근 명확해지고 있다. 지금까지 매스플로우 제조사에서 제공한 가스 종류와 CF 값이 일대일로 매칭된 CF 테이블을 대충 이해한 사용자는 매스플로우가 나타내는 유량값에 대한 불신이 커지면서 제조사들에 대해 실제 가스에서의 교정을 강력히 원하는 사태가 일어나버렸고, 어렵사리 멀티CF를 통한 세밀한 CF를 통해 실제 가스에 접근하고자 하는 노력에 대해 뿌리 깊은 실제 가스 교정이라는 신앙이 싹을 틔우게 된 것은 필자와 같은 매스플로우 업계 사람들이 CF에 대해 오랫동안 시원한 답을 내놓지 못했기 때문이라 생각하며 이에 대한 책임을 무겁게 느끼고 있다.

..(후략) 

黒田 誠 / EZ-Japan

본 기사는 2023년 1월호에 게재되었습니다.  

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→본 기사는 월간지[計側技術] (일본, 일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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