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2021년 7월 14일 (수) 06:55 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 반도체 생산장비용 칠러의 PC기반 제어 가능성 평가

영문 : PC based Control of Chiller System for Semi-conductor Fabrication Equipments

과제 팀명

1조

지도교수

신동헌 교수님

개발기간

2021년 4월 ~ 2021년 6월 (총 3개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20144300** 장**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 장**

서울시립대학교 기계정보공학과 20184300** 가**

서론

개발 과제의 개요

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.

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. PC 기반의 제어 시스템

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.

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.

관련 기술의 현황

State of art

가. 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.

본론

PLC 및 PC 제어 비교

내용

Chiller 시스템

내용

모벤시스 시스템

내용

조립도

조립도

내용

조립순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

내용

향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

내용

관련특허

내용

소프트웨어 프로그램 소스

내용

위키페이지 작성을 위한 문법 가이드

• 표

표는 위키 문법에 맞추어 작성할 수 있습니다. Mediawiki table generator를 이용하면 손쉽게 표를 작성하여 위키 문법으로 export할 수 있습니다. 아래는 Mediawiki table generator를 이용하여 작성한 표의 예시입니다. 위 웹페이지에서는 직접 CSV파일을 가져와서 바로 표를 만들 수도 있습니다. 직접 표를 문법에 맞추어 편집하고자 하시는 분들은 wiki 표 문법을 참조하면 도움이 됩니다.

• 수식

원래 위키백과에서는 math 태그를 이용하여 바로 수식을 작성할 수 있지만 capstone wiki에서 그 기능은 지원되지 않는것으로 확인됩니다. 따라서 수식을 올리기 위해서는 수식을 사진으로 변환한 후 올려야 합니다. LATEX 수식 생성기 를 이용하면 tex 문법을 이용하여 수식을 작성하여 파일로 저장할 수 있습니다.

svm object function

위 수식은 support vector machine의 비용 함수를 표현한 예시입니다. tex 문법은 tex 수식 문법 에서 확인할 수 있습니다.

• 사진

사진은 "도구-파일 올리기" 탭에서 파일을 올린 후 아래와 같이 올릴 수 있습니다. 파일명은 파일 올리기에서 정한 "파일의 새 이름"을 사용하면 됩니다.

Mnist 데이터 예제입니다.

• 코드

코드는 syntaxhighlight 기능을 이용하여 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

#include <iostream>
int main ( int argc,  char **argv ) {
    std::cout << "Hello World!";
    return 0;
}

이에 대한 자세한 내용은 Mediawiki syntaxhighlight를 참고하면 도움이 됩니다.