창의설계프로젝트 최종보고서
기술개발 과 제	반도체 생산장비용 칠러의 PC기반 제어 가능성 평가 (영문 : PC based Control of Chiller System for Semi-conductor Fabrication Equipments)
과제팀 이름	1 조					지도교수		신동헌
개발기간	2021년 4월 ～ 2021년 6월 (총 3개월)
개발소요비용	총 액		6640(천원)		학교부담금				천원
					과제팀부담금				천원
과제팀 구성원	이름	장효빈		장희선			무하마드 올림
	사진
	학번	2015430036		2014430032			2018430001
	연락처	010-9673-9678		010-4182-9675			010-4170-9908
창의설계프로젝트 과제의 최종보고서를 제출합니다. 2021년 07월 10일 과제 수행자1 : 장효빈 (인) 과제 수행자2 : 장희선 (인) 과제 수행자3 : 무하마드올림 (인) 과제 수행자4 : (인) 지도교수 : 신동헌 (인) 서울시립대학교 기계정보공학과 귀중

1. 서론

1 .1 개발 과제의 개요

가. 개발 과제 요약

최근 반도체 산업의 규모가 전세계적으로 급격히 증가함에 따라 국내 반도체 장비산업의 중요성이 부각되고 있다. 반도체 장비산업은 반도체 공정이 매우 복잡함에 따라 매우 다양한데, 그 중 반도체의 식각작업에서 챔버의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 냉각시스템인 칠러는 반도체 공정 중 매우 중요하게 여겨지는 장비이다. 반도체 챔버의 온도에 따라 반도체의 수율이 크게 변하기 때문에 정교한 온도제어는 칠러의 핵심요소이다. 이런 정교한 온도제어를 하기 위해 칠러는 주로 PLC를 사용한다. PLC는 하드웨어적인 순차제어 방식을 마이크로프로세서를 사용하여 소프트웨어적으로 순차제어하는 장치로 1960년대부터 등장해 현재까지 광범위하게 다양한 산업에서 사용되고 있다. PLC는 일반적인 소프트웨어와는 달리 래더 다이어그램이라는 프로그래밍 언어를 사용해 하드웨어 엔지니어도 간단히 프로그램을 짤 수 있도록 지원한다. 하지만 기술이 발전함에 따라 머신러닝, 빅데이터와 같은 개념들이 다양한 산업에 적용되고 있는데 반해 PLC는 복잡한 프로그램을 사용하기에 적합하지 않기 때문에 새로운 기술들의 도입이 어렵다. 이에 따라, 본 연구과제에서는 이런 다양한 기술들이 쉽게 적용될 수 있는 PC에서의 제어가 PLC를 대체할 수 있는지 가능성을 확인한다.

나. 개발 과제의 배경 및 효과

칠러(Chiller)는 각종 장비의 열부하를 냉각하는 시스템으로서 많은 곳에 사용되고 있다. 특히 첨단기술인반도체 생산 장비의 운용에 의한 열 발생에 따라서 변할 수 있는 장비의 온도조절 시스템에 사용되는 칠러(Chiller)는 증발기(Evaporator), 압축기(Compressor), 응축기(Condenser), 팽창밸브(Expansion valve)로 이루어진 일반적인 냉동시스템 구조 부분과 증발기에 연결된 2차 냉매(Brine)를 히터(Heater), 펌프(Pump)로 구동하여 반도체 장비의 정교한 열 및 온도 제어를 하는 부분으로 나눌 수 있는데 보통 Fig.1에서와 같은 시스템으로 구성되어 있다.

Fig 1. 반도체 생산 장비의 Chiller 시스템

한편, 이러한 칠러 시스템의 제어부는 보통 Fig. 2에서와 같이 통신을 위한 보드를 가진 PLC에 개 unit을 더한 PLC 시스템을 이용하여 구성하고 있다.

Fig 2. 현재 Chiller 시스템 전자제어기 구성

그러나, 현재의 공장 장비의 자동화 시스템은 PLC로 제어하는 방식에서 PC기반의 자동화시스템이 바뀌고 있으며 특히 반도체 생산과 같이 첨단의 생산 시스템의 장비는 이러한 현상이 다른 곳보다 더 빨리 진행되고 있다. 특히, 최신 PC기반의 제어방식은 PC의 멀티코어 CPU에서 Windows OS와 Realtime OS를 코어별로 분산 실행하여 범용성과 실시간성을 제공하며 Fig 3에서와 같이 각종 구동보드들을 대부분 소프트웨어로 처리할 수 있는 방식을 제공함으로 여러 가지 장점을 가지고 있다.

Fig 3. 현재 Chiller 시스템 전자제어기 구성

본 프로젝트는 (주)FST의 PLC 기반의 칠러시스템을 위와 같은 소프트웨어 기반의 PC 제어기로 업그레이드 하는 것에 대한 가능여부에 대해 연구를 진행한다. 위에 제시한 제품이 가지는 기능을 활용함으로써 공간적 효율 증대와 비용 절감 등의 효과를 창출해 낼 것으로 기대된다.

다. 개발 과제의 목표와 내용

1. 개발 목표

반도체 생산 장비의 온도조절에 사용되는 PLC 하드웨어 기반의 칠러시스템을 소프트웨어 기반의 제어기로 운용함에 대한 가능성을 검토한다. 반도체 생산 장비에 대한 PC기반 제어의 가능여부가 검증되면 실제 하드웨어 보다는 간단한 구조를 가진 칠러의 기능만 하는 데모 하드웨어에 PC기반 제어를 구현한다.

2. 개발 내용

가) 칠러 시스템 및 PLC제어 파악

(주)FST의 PLC 기반의 칠러시스템을 파악한다. 칠러시스템은 다양한 센서와 모터로 이루어져 있으며 이를 PLC가 어떤 방식으로 제어하는지 파악한다.

나) PC기반 소프트웨어 제어 툴 파악

(주)모벤시스의 소프트웨어를 파악한다. 어떠한 모션 기능을 제공하는지 확인하고 개발언어, 개발환경, 동작환경을 확인하여 (주)FST의 칠러시스템으로의 적용을 검토한다.

다) PC기반 제어 가능성 확인 및 시험

PLC 제어를 PC기반으로 적용할 수 있는지 가능성을 확인하고, 가능성이 있을 경우 간단한 프로토타입 모델을 제작하여 시험한다.

1 .2 관련 기술의 현황

가. State of art

가.1 Chiller 관련 기술의 현황

1. 유체 냉각 방식에 따른 분류

1.1 냉동기 방식 – 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구성된 전통적인 냉동기 방식을 사용하게 된다. 냉매 가스를 이용하여 냉각하며 응축과정에서 물 또는 공기와 열교환하여 열을 제거한다. 주로 -30~60도 범위를 제어하는데 사용되며 저온에서의 냉각능력이 우수하다.

1.2 열교환기 방식 - 공급되는 PCW와 열교환기를 통해 직접 열교환하여 열을 제거한다. 공급되는 PCW의 온도가 대체로 상온과 비슷하므로 고온에서의 냉각능력이 매우 뛰어나다. 하지만 매우 높은 온도에서는 PCW와의 온도차이가 매우 커 정밀한 온도제어가 어렵다.

1.3 전기 방식 – 열전소자로 구성된 열전모듈을 사용하여 냉각하는 방식이다. 열전소자의 뜨거운 면에 팬을 달아 공기와 열교환하거나 PCW를 공급해 열교환하는 방식이다. 주로 0~60도 범위에서 사용되며 전기 방식이기 때문에 제어성능이 매우 뛰어나다. 하지만 온도가 낮을수록 성능과 전성비가 좋지 않다. 단독으로 사용되기 보다는 냉동기 방식과 결합되어 하이브리드 방식으로 많이 사용된다.

2. 직간접 방식에 따른 분류

2.1 직접 냉각  – 2차 냉매 없이 1차 냉매가 반도체 챔버에서 직접 열교환하는 방식이다. 2차 냉매가 없기 때문에 반응성이 빨라 온도 제어 성능이 좋다.

2.2 간접 냉각 – 2차 냉매를 사용하여 1차 냉매가 2차 냉매와 열교환을 하고 2차 냉매가 챔버에서 직접 열교환하는 방식이다. 2차 냉매를 사용하기 때문에 반응성이 낮다. 또한 2차 냉매로 brine을 주로 사용하기 때문에 배관의 부식과 냉각유체의 산성화를 야기하는 단점이 있다.

3. 유체의 종류에 따른 분류

3.1 공랭식 – 공기와 열교환하여 냉각하는 방식이다. 비열이 낮아 많은 양의 열을 제거해야 하는 산업용 설비에서는 적합하지 않다. 열교환하기 위해서 큰 Fan을 달아줘야 하기 때문에 공간적으로도 좋지 않다.

3.2 수냉식 – 주로 PCW와 열교환하여 냉각하는 방식이다. 비열이 높아 산업용 설비에서 적합하다. 대량의 PCW를 공급받을 수 있기 때문에 냉각에 부하가 걸릴 일이 거의 없다.

4. 제어 수단

PLC - 순차적으로 제어 가능한 프로그램이 가능한 논리 제어장치를 총칭한다. 일반적으로 스위치, 온도, 위치 등의 정보를 입력으로 받아들인 뒤 프로그래밍 된 순서대로 논리를 처리하여 그에 따른 출력을 실제로 동작하는 하드웨어들(유압실린더 등) 을 제어한다. 통상적을 일체형과 모듈형을 주로 사용한다. 일체형은 단가가 저렴하지만 성능의 한계로 단순한 작업을 대량으로 수행하여야 할때 유리하다. 모듈형은 PLC의 모듈화된 기능을 더하거나 뺄 수 있다. 따라서 확장성이 뛰어나고, 가격도 상대적으로 높은 편이다. 하지만 복잡한 작업이나 고속의 통신 등 일체형보다는 여러가지 기능들을 탑재하고 있어, 복잡한 작업을 수행하는 데에 뛰어나다.

나. 특허조사

1.  PC프로그램을 사용하여 PLC를 제어하는 장치

Fig 4. 특허 사진 1.1

Fig 5. 특허 사진 1.2

Fig 6. 특허 사진 1.3

2. Ethercat을 필드 네트워크로 사용하는 온도 제어 장치 및 온도조절 장치

Fig 7. 특허 사진 2

다. 특허전략

대부분의 칠러 제어에 대한 기술들을 확인해 보면 plc제어가 대부분이고, plc를 통한 pc 제어가 나머지를 제어한다. 하지만 이 교육의 주제는 plc를 거치지 않고 pc로만 칠러를 제어하는 것이므로 pc 제어에 대한 것을 전략 목표로 삼는다. 기존의 칠러에서 구조나 제어기를 수정할 필요는 없고, pc에서 소프트웨어를 이용하여 I/O제어를 할 수 있는지에 대해 확인한다. 해당 소프트웨어에서 제어한 값을 이용하여 칠러에 알맞은 데이터 값을 추출해 내도록 한다.

1 .3 관련 시장에 대한 분석

가. 경쟁제품 조사 비교

표 1. 경쟁제품 조사 비교 PLC제어

제어 방식	PLC 제어
제조사	Siemens	Rockwell Automation	Mitsubish Electric
사진
기능	I/O 모듈 제어, 위치제어, 온도제어, 통신 제어
소프트웨어	SIMATIC STEP7	RsLogix 500	GX Developer
소프트웨어 언어	Ladder Logic Diagram

표 2. 경쟁제품 조사 비교 PC제어

제어 방식	PC 제어
제조사	SOFT MOTIONS & ROBOTICS	BECKHOFF
사진
기능	1대 PC, 1의 멀티코어 CPU로 Windows PC OS와 Real-time OS를 코어별로 분산 실행되어 사용자에게 범용성과 실시간성을 제공 Real-time OS를 기반으로 실행되어 고속의 연산능력과 안정성을 확보 모션 제어 특화	해당사에서 제공하는 산업용 pc에서 사용할 수 있는 운영체제 twincat을 이용하여 일반 pc에서도 제어 가능 가벼운 업데이트는 네트워크를 통해 가능 모션제어

나. 마케팅 전략

1. PC제어기술의 시장조사

' 구교일, "PC 제어기술의 현재와 발전방향", (주)만희기전 ' 에 의하면 그 동안 국내 산업현장에서 PLC를 통한 제어기술 을 십분 활용했고, 지금 현재에도 산업제어에 상당 부분 활용되고 있다고 한다. 하지만 다음과 같은 PLC의 한계부분을 피부로 느끼고 있는 것이 현실이다.

첫째로 PLC의 Process, 통신 네트워크 기술, 리모트 I/O의 독점적·폐쇄성을 들 수 있고, 둘째로 HMI 또는 MMI를 실현하기 위한 별도의 System이나 Sostware가 필요하며, 별도의 비용이 추가적 으로 요구된다. 셋째로 제조사 간의 기종에 따라, 하드웨어와 소프트웨어 활용기술이 상이하여 별도의 기술 습득 및 교육이 필요하다. 마지막으로 초기에 투자비용이 비교적 높은 편이며, 증설이나 추가에 있어 사용 메이커에 종속되는 경우가 많다.

1990년대 초반에 위와 같은 PLC의 한계를 극복 하고자 실시간 운영체제 개발사나 HMI/SCADA 개발사, PLC 제조사, 등등으로 구성된 소프트웨어 개 발자등에 의하여 다양한 PC기반 제어Tool이 사용되고, 조금 더 공용화 및 개방된 구조를 지향하기 위하여 지금은 보다 다양한 필드버스 네트워크 지원을 위한 작업이 진행되고 있다.

PC 기반 제어 기술 소프트웨어는 지원되는 운영 체제에 따라 조금씩 다른 특성을 지닌다. 대체로 원도우 NT/2000, 윈도우 XP, 윈도우 CE, 리눅스, Hard Real-Time성을 보장하는 실시간 운영체제로 나뉜다. 보통 현장에서는 안전성을 인정받은 윈도우 NT/2000 기반이나, 실시간성 처리 보장을 위한 별도의 실시간 운영체제 상의 정보처리로 크게 나뉘어진다.

2. SWOT 분석

표 3. 마케팅 전략 SWOT 분석

Strengths	PLC에 연결하지 않고 직접 제어 가능 PC를 이용한 데이터 분석 가능 인터페이스 제공 가능 개발 언어의 다양화로 확장성 확보
Weaknesses	PLC기반 제어에 비해 역사가 짧고, 그에 따라 기반이 부족 Chiller 제어시스템에 대해 검증된 바가 없어 신뢰도가 부족 비용적으로도 PLC에 비해 매우 뛰어난 편은 아님 PLC기반 시스템에서 PC로의 변화를 유인할 근거가 부족
Opportunities	Chiller 제어 시스템에 대한 PC기반 시스템이 상용화 된 바가 없음 그에 따라 시장을 먼저 선점할 여지가 있음
Threats	PLC의 낮은 초기 비용 소프트웨어 라이센스에 대한 회사의 독자성 위협 PLC보다 불안정한 PC의 환경

3. STP 전략

표 4. 마케팅 전략 STP 전략

Segmentation	PC기반 제어 시스템은 PLC기반 제어 시스템에 비해 공간을 많이 자지하지 않을것으로 예상된다.
Targeting	주요 고객은 반도체 산업에서 사용하는 칠러을 공급하는 기업을 대상으로 한다.
Position	PC제어는 기존의 PLC제품에 비해 접근성이 용이하므로 교육시간이 단축된다. 따라서 설비의 운용이 자주 바뀌는 기업들을 대상을 교육시간의 단축을 우위로 두어 마케팅할 예정이다.

1 .4 개발과제의 기대효과

가. 기술적 기대효과

1) Chiller 제어기술의 다양화

기존 Chiller 제어시스템에서는 많은 축 수를 제어하는 복잡한 기능을 요구하지 않았다. 그에 따라 모션제어를 요구하는 다른 시스템들은 PC 기반시스템으로 제어기술을 다양화한 것과는 달리 Chiller 시스템은 제어기술이 PLC 하나밖에 없었다. 하지만 근래 Chiller를 사용하는 고객사들에서 제어성능에 대해 더 높은 요구를 하고 있고, 이에 따라 제어시스템은 더욱 복잡해질 예정이다. 본 연구에서는 PC 기반의 제어 시스템에 대한 가능성을 연구해 복잡한 제어 시스템을 문제 없이 운용할 수 있는 새로운 방식을 이끌어 낼 것이다.

2) 발전해가는 IT 기술과의 연계

4차 산업시대를 맞이해 빅데이터, 머신러닝이 급속히 발전하고 있다. 다양한 프로그래밍 언어를 사용할 수 있는 PC제어시스템을 사용함에따라 새로운 기술들을 간단하게 추가하고 기존 시스템과 접목해 볼 수 있다. 이에 따라 제어성능의 개선효과를 기대해 볼 수 있다.

나. 경제적 및 사회적 파급효과

기존 PLC 시스템은 회사마다 소프트웨어가 다르고 드라이버도 모두 달라 하나의 PLC를 사용하려면 해당 회사의 PLC를 전문적으로 연구한 엔지니어가 반드시 필요했다. 하지만 PC기반 제어시스템에서는 대부분의 사람들이 사용하는 프로그래밍 언어들을 지원하기 때문에 늘어나고 있는 컴퓨터 공학 인력들이 손쉽게 접근할 수 있고, 기계공학이나 열공학을 전공한 인력들도 간단히 프로그래밍을 배워 접근할 수 있기 때문에 제어시스템에 대한 인력풀이 늘어날 것으로 예상된다.

1 .5 구성원 및 추진체계

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2. 설계

2 .1 설계사양

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2 .2 개념설계안

2.2.1 chiller의 냉동 시스템

Fig 8. chiller의 냉동 시스템

2.2.2 chiller 파트

부품명	Compressor(압축기)
기능	증발기에서 열교환 후 토출된 저온, 저압의 냉매를 흡입해 압축시켜 고온 고압의 기체 상태로 변화시킨다.
사진

부품명	Duel Pressure Switch
기능	컴프레서에 흡입되는 냉매와 응축기에서 토출되는 냉매의 압력을 측정하여 흡입되는 냉매의 압력이 너무 낮거나 토출되는 냉매의 압력이 너무 높으면 배관에 큰 무리가 가기 때문에 즉시 Chiller의 작동을 정지시킨다.
사진

부품명	Condenser(응축기)
기능	압축기에서 토출된 고압 고압의 냉매를 흡입해 외부의 차가운 물과 열교환해 응축열을 빼앗아 액화시켜 응축 액화된 고온 고압의 냉매를 토출시킨다. .
사진

부품명	EEV
기능	팽창 밸브로 응축기에서 토출된 고온 고압의 액체 냉매의 압력을 증발기에서 증발을 일으킬 수 있는 압력까지 감압시킨다.
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부품명	Solenoid Valve
기능	전자 밸브로 전자코일에 의해 밸브를 열고 닫음으로써 Receive Tank에서 토출되어 컴프레서에 흡입되는 냉매의 양을 결정한다.
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부품명	Injection
기능	팽창 밸브로 Receive Tank에서 토출된 냉매의 압력을 감압시켜 컴프레서에 흡입되는 냉매에 유입시킨다.
사진

부품명	Water Pressure Switch
기능	응축기에 흡입되는 물의 압력이 너무 낮으면 흡입을 차단한다.
사진

부품명	Evaporator (증발기)
기능	팽창 밸브를 지나온 저온 저압의 액체를 1차 냉매와 열교환 시킨다.
사진

부품명	DRB
기능	증발기의 출구 온도에 따라서 콘덴서에서 토출된 냉매의 양을 조절하여 증발기에 흡입시켜 증발기와 압축기의 부하를 조절한다.
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2.2.3 모벤시스 키트 시스템

2.2.4 모벤시스 키트 파트

2 .3 이론적 계산 및 시뮬레이션

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2 .4 조립도

가. 조립도

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나. 조립순서

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2 .4 부품도

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2 .6 제어부 및 회로설계

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2 .7 소프트웨어 설계

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2 .8 자재소요서

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3. 결과 및 평가

3 .1 완료작품 소개

가. 프로토타입 사진

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나. 포스터

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다. 특허출원번호 통지서

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3 .2 개발사업비 내역서

(단위 : 천원)

항 목 (품명, 규격)		수 량	단 가	금 액			비 고
				계	현금
직 접 개 발 비	모벤시스 키트	1	2500	2500	2500
	WMX3 RTX 라이센스	1	820	820	820
	네트워크 인터페이스 카드	1	50	50	50
	합 계	3	3370	3370	3370

3 .3 완료 작품의 평가

평 가 항 목	평가방법	적용기준	개 발 목표치	비중 (%)	평가결과
1. 호환성				30
2. 신뢰성				30
3. 배선 복잡성				20
4. I/O 확장성				20
5.

3 .4 향후평가

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부 록

A-1 참고문헌 및 참고사이트

A-2 관련특허

A-3 소프트웨어 프로그램 소스

설계구성요소 및 제한요소

설계구성요소	과제보고서내의 항목	내용 요약
목표설정	1.1 개발과제의 개요	과제의 배경, 목표, 내용을 설정함
합성	2.1 설계사양 2.2 개념설계안 2.4 조립도 2.5 부품도
분석	2.1 설계사양 2.3 이론적 계산 및 시뮬레이션
제작	2.8 자재소요서 3.1완료작품소개 3.2 개발사업비 내역서
시험 및 평가	3.3 완료작품의 평가

* 설계구성요소

- 목표설정 : 설계과정을 통하여 이루고자 하는 최종적인 결과 기술

- 합성 : 설계과정에서 둘 이상의 것을 하나로 합쳐서 다루는 구성요소 기술

- 분석 : 얽혀있거나 복잡한 것을 풀어서 개별적인 요소나 성질로 나눈 경우 해당 구성요소 기술

- 제작 : 기초 재료를 바탕으로 새로운 기능과 내용을 가진 물건을 제작하게 되는 과정

- 시험 및 평가 : 위 구성들에 의하여 이루어진 물건이나 제품에 대한 목적이 적절하게 되었는지 검	사하고 평가하는 방법 기술

설계제한요소	과제보고서내의 항목	내용 요약
원가	1.3 관련시장에 대한 분석 3.2 개발사업비 내역서
안정성 및 윤리성	1.1 개발과제의 개요 1.4 개발과제의 기대효과 2.1 설계사양
신뢰성	2.1 설계사양 2.3 이론적 계산 및 시뮬레이션
사회에 미치는 영향	1.1 개발과제의 개요 1.4 개발과제의 기대효과
환경요인	2.1 설계사양 2.3 이론적 계산 및 시뮬레이션
기타	2.1 설계사양 3.3 완료작품의 평가

* 설계제한요소

- 원가 : 경제적인 가치 등 시장성 고려

- 안정성 및 윤리성 : 완제품의 지속적인 기능 안정성과 설계자로서의 지켜야 할 윤리의식

- 신뢰성 : 기계, 기기 또는 부품이 주어진 조건 하에서 의도하는 기간에 요구된 기능을 적절하게

수행하는지에 대한 신뢰성 고려(오류사항에 대한 예측)

- 사회에 미치는 영향 : 실제 생산 가능 여부, 가능성, 환경오염 등 사회적 파급 효과

- 환경요인 : 직접ㆍ간접으로 영향을 주는 자연적 조건이나 주변 상황

- 기타(보건 및 안전, 생산성과 내구성, 산업표준, 경제성, 미학)