대한기계학회논문집 권 제 권 제 호B , 35 12 , pp. 1285~1292, 2011 1285

서 론1.

반도체를 중심으로 한 전자산업의 지속적이고

비약적인 성장은 현대사회 산업 전반의 패러다임

을 변화시키고 있으며 과거 산업혁명에 비견할만

한 전자혁명시대를 주도하고 있다.

이러한 반도체산업에서 관련 장비 산업은 중요

한 부분을 차지하고 있는데 현재 유수의 반도체,

칩 제조업체들은 매출액의 약 정도를(chip) 20%

반도체 장비구입에 쓰고 있다 우리나라의 경우.

세계 반도체 칩 제조 산업에 있어서는 중요한 위

치를 차지하고 있지만 반도체 장비 산업은 상대,

적으로 낙후된 상황이며 국내 반도체 칩 제조,

산업에 쓰이는 대부분의 반도체 칠러들은 미국이

나 일본 유럽 업체들로부터 수입하고 있는 실정,

이다.(1)

반도체 공정용 칠러 는 웨이퍼 의(chiller) (wafer)

표면을 화학적 또는 물리적으로 반응시키는 과정

에서 발생하는 챔버 및 웨이퍼 척의 온도 상승을

제어하여 안정된 공정 진행을 통한 양질의 웨이

퍼를 생산하기 위한 장비이다.(2)

학술논문< > DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2011.35.12.1285 ISSN 1226-4881

반도체 공정용 칠러의 채널별 제어특성에 관한 실험적 연구

김현중** 권오경· * 차동안· * 김용찬· **

한국생산기술연구원 에너지시스템연구그룹 고려대학교 기계공학과* , **

Experimental Study on the Control Characteristics of Each Channelin a Semiconductor Chiller

Hyeon Joong Kim**, Oh Kyung Kwon

*, Dong An Cha

*and Yong Chan Kim

**

* Energy System R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology

** Dept. of Mechanical Engineering, Korea Univ.

(Received April 5, 2011 ; Revised September 14, 2011 ; Accepted September 15, 2011)

Key Words 제어 전자식 팽창밸브 냉각수 펄스폭 변조방식: Control( ), EEV( ), PCW( ), PWM( ), Semiconductor

반도체 칠러 스텝모터 구동방식Chiller( ), Step Moter Operated( )

초록: 본 연구에서는 전자식 팽창밸브를 적용한 반도체 공정용 칠러에 관한 실험적 연구를 통해 시스템 특성

을 파악하였다 또한 온도 변화에 따른 신속한 대응을 할 수 있도록 온도상승 및 하강실험 부하변화에 따른. ,

온도영역별 제어정밀도 실험을 함으로써 각 제어 방식에 따른 운전 특성을 파악하였다 온도상승 시 소비전력.

은 로 측정되었으며 이 분 가 분이 소요되었으며 온도하강에는 총 분이 소요되었8.9 kW CH1 37.5 , CH2 39.5 , 26.5

다 부분부하가 적용되는 경우 전부하가 적용되는 경우에 비해 제어정밀도의 변화폭이 큰 것으로 나타났으며.

스텝모터 구동방식을 적용한 의 제어정밀도가 상대적으로 우수한 것으로 나타났다 냉각수를 이용한 냉각CH2 .

사이클 영역에서 소비전력은 로 냉동사이클을 적용한 방식에 비해 절반가량으로 감소된 것으로 나타났1.8 kW

다 본 연구는. 실험결과를 바탕으로 반도체 공정용 칠러의 최적제어방안을 제시하였다.

Abstract: The characteristics of a semiconductor chiller system with EEV have been experimentally studied. Three

experiments on temperature changes (increase and decrease), load variation, and control precision were conducted to

investigate the operating characteristics of the semiconductor chiller. The power consumption was 8.9 kW during increase in

temperature. The required time was 37.5 min for CH1 and 39.5 min for CH2. Moreover, the time required for falling

temperature was 26.5 min. The control precision for partial load operation was relatively low compared to that of a full

load operation. In addition, the CH2 equipped with a step motor showed better control precision. The power consumed by

the chiller for process cooling water was 1.8 kW, which was one-half of that consumed during the refrigeration cycle. The

objective of this study is to provide an optimal control guideline for the semiconductor chiller design.

Corresponding Author, kwonok@kitech.re.kr

2011 The Korean Society of Mechanical EngineersⒸ

· · ·1286

Fig. 1 Schematic diagram of semiconductor coolingprocess

일반적으로 반도체 공정용 칠러는 압축 응축, ,

팽창 증발의 과정을 거치는 냉동사이클 오토캐, ,

스케이드 방식을 이용한 냉동사이클 그리고 냉각

수를 활용한 냉각사이클을 이용하며 에서와Fig. 1

같이 챔버 벽면 을 바닥(chamber wall) 30 ~ 80 ,℃

면 을 의 범위에서 개(chamber bottom) -10 ~ 40℃

별적으로 채널 의 온도를 정밀하게 제어(channel)

한다 반도체 공정용 칠러는 일반적인 산업용 칠.

러와는 달리 시간 년중 지속적인 운전이 이루24

어지기 때문에 소비전력량이 매우 큰 특징을 가

지며 이로 인해 최적 운전제어를 통한 저소비 전

력 칠러 의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.

차 등(3~5)은 선행연구를 통해 개별 사이클로 구

성된 반도체 공정용 칠러의 실험적 연구를 통하

여 에너지 절감 방안을 제시함과 동시에 듀얼채

널을 적용한 반도체 공정용 칠러의 최적 제어

를 위한 연구를 진행하였다.

본 연구에서는 국내에서 제작된 모델로 채널별

로 각기 다른 종류의 전자식 팽창밸브(EEV, Electric

를 적용한 반도체 공정용 칠러에Expansion Valve)

관한 실험적 연구를 통해 시스템 특성을 파악하

였다.

또한 실제 공정에서 설정온도 변화에 따른 신

속한 대응을 할 수 있도록 온도상승 및 하강실

험 부하변화에 따른 온도영역별 제어정밀도 실,

험을 함으로써 각 제어 방식에 따른 운전 특성을

Fig. 2 Schematic diagram of experimental setup forsemiconductor product chiller

(a) Schematic diagram of CH1

(b) Schematic diagram of CH2

Fig. 3 Schematic diagram of electric expansion valve

파악하고 실험결과를 바탕으로 반도체 공정용 칠

러의 최적 제어방안을 제시하고자 한다.

실험장치 및 방법2.

실험장치2.1

는 본 연구의 실험대상인 반도체 공정용Fig. 2

1287

Temp. region Mode Flow control

Less than 28Refrigerant

mode

CH1 EEV(PWM)

CH2 EEV(step motor)

More than 28 PCW mode Solenoid valve

Table 1 Control method per temp. regions

칠러의 시스템 개략도이다 장치는 개의 개별적. 2

인 채널 로 구성되며 온도영역에 따라 냉(Channel)

매를 이용한 냉동사이클과 냉각수(PCW, Process

를 이용한 냉각사이클을 적용한 하Cooling Water)

이브리드 방식으로 구성하였다.

은 채널별로 적용된 전자식 팽창밸브와Fig. 3

냉수의 흐름을 나타낸 것이다 냉각수를 이용한.

냉각사이클에서는 동일한 솔레노이드밸브를 이용

해 유량제어를 하는 반면 냉동사이클 영역에서

는 은 펄스폭 변조방식 는 스텝모터 구CH1 , CH2

동방식을 각각 적용하였다.

은 온도영역별로 적용되는 온도제어방Table 1

식과 팽창밸브의 종류를 나타낸 것이다 미. 28℃

만인 지점에서는 냉동사이클이 작동하게 되며 각

채널은 병렬로 연결된 급 압축기3HP (compressor),

응축기 팽창장치 증(condenser), (expension device),

발기 열교환기 로 구성(evaporator), (heat exchanger)

된 동일한 냉동사이클이다. 각 채널은 제어를PID

통한 냉매제어방식과 핫가스 바이패스제어방식을

적용하였다 채널별로 증발기 출구와 냉수 입구. ·

출구에 각각 온도센서를 설치하여 냉수 의(coolant)

온도를 측정하고 이를 통해 냉각 제어온도를 산

출하였다 산출된 제어값은 컨트롤러를 통해 전.

자팽창밸브와 핫가스 바이패스밸브로 전송되고

설정된 온도제어구간별 제어값에 따라 온도를PID

제어하였다.

이상의 온도영역에서는 반도체 공정에서28℃

항상 일정하게 유입되는 냉각수를 활용한 냉각방

식을 사용하였다. 냉각수는 반도체 생산공정을

지속적으로 순환하며 장비에서 발생하는 열을 제

거하기 위한 용도로 사용된다 공정에 따라 생산.

장비에서 요구하는 온도는 상이하지만 로 공20℃

급되어 로 배출되는 것이 일반적이다 공정25 .℃

내부 냉각수의 온도분포와 측정 오차범위 등을

고려하여 를 운전모드 변환점으로 설정하였28℃

으며 현재온도 가 이상인 영(PV, present vlue) 28℃

역에서 냉각수를 이용한 냉각방식이 적용되도록

Category Specification

Dimension 490×980×1550mm

Refrigerant R-507

Coolant FC3283

Compressor 3HP×2

Expansion valve EEV

Coolant pump 2HP×2

Heater 4 kW×2

Heating load JIG 7 kW (3/4 ) 25m×2″

Table 2 Specification of semiconductor chiller

Fig. 4 Photograph of experiment apparatus

하였다. 냉각수는 감압밸브(pressure reducing

를 통해 일정한 압력으로 유입되며 각 채널valve)

별로 제어방식의 솔레노이드 밸브PID (solenoid

를 이용한 냉각수 유량제어 방식을 적용하valve)

였다.

는 본 실험에 사용된 반도체 칠러의 상Table 2

세 사양을 나타낸 것이다 병렬로 연결된 압축기.

는 의 왕복동식 압축기를 사용하였으며 대수3HP

제어를 통해 부하변동에 따른 제어가 가능하도록

하였다 냉수펌프 는. (coolant pump) 2HP magnetic

응축기 및 증발기는 대향류 판형열교환기를type,

사용하였다 냉수탱크 내부에 의 히터를 삽. 4 kW

입하여 탱크 내부의 온도를 제어하였다.

는 실제 반도체 공정을 순환하는 냉수의Fig. 4

부하조절을 모사하기 위한 실험장치 사진이다.

채널별로 배관을 길이로 설치하였으며3/4 25m″

배관에 삽입된 의 히터를 통해 실제 반도체7 kW

공정과 동일하게 채널별로 일정한 부하를 유지하

도록 하였다 전압조정기를 통해 연결된 히터는.

· · ·1288

전류 전압 변성기를 이용해 출력을 측정하였다, .

압축기 구동에 필요한 전력을 측정하기 위해

전력계를 설치하였으며 열전대와 유량계 유량범(

위 : 2 m3 를 이용해 냉각수 입출구의 온도와/h) ·

유량을 측정하였다 냉각수는 항온조를 이용해.

일정한 온도를 공급할 수 있도록 하였다 시스템.

각 부분에 설치된 고저압 압력계와 열전· T-type

대를 통해 압력과 온도 측정을 하였으며 측정된

데이터는 다채널 데이터 수집장치(DA100, 40CH)

와 케이블을 이용해 로 전송하여 처리RS-232C PC

하였다 각 계측장비는 보정 후 사용. (calibration)

되었으며 계측장비의 오차는 유량 ±0.1 온도%,

±0.15 압력%, ±0.1 이다% .(6)

실험방법2.2

현재 반도체 공정용 칠러의 성능평가실험에 대

한 별도의 기준이 정립되어 있지 않은 상태이다.

따라서 본 연구에서는 현재 출시되고 있는 반도

체 공정용 칠러 중 제어정밀도와 안정성이 가장

우수하다고 평가되고 있는 일본 사 칠러의SMC

성능평가실험 조건을 반영하였다.

은 반도체 공정용 칠러의 실험조건을Table 3

나타내고 있으며 실험은 각 채널의 온도영역별

냉각능력 실험, 무부하 운전 시의 온도상승 및

하강실험 사용 빈도가 높은 온도영역에서 부하,

방식에 따른 제어정밀도 실험 순으로 하였다 실.

험은 먼저 항온조에서 냉각수를 일정한 유량과

압력 조건으로 유입시키고 목표온도를 설정한 후

칠러를 가동하여 냉수 의 급수 환(coolant) (supply),

수 의 온도변화 폭이 압력은(return) ±0.5 , ±5 kPa℃

범위에 있을 때 정상상태에 도달하였다고 판단하

고 실험을 진행하였다.

는 본 연구에 사용된 전자식 팽창밸브Table 4

의 제어영역을 나타낸 것으로 의 펄스폭 변CH1

조방식은 의 스탭모터 구동방식0 ~ 6 (sec), CH2

은 으로 개별적인 제어를 통해48 ~ 448 (step) PID

동일한 개도를 설정하였다 모든 실험은 과. CH1

가 채널별로 개별적인 운전을 하는 경우에CH2

대해 진행하였다.

냉각능력 실험은 냉수 급수온도가 범위±0.5℃

를 유지하는 정상상태에서 가열히터에 의한 부하

조건을 변경하며 실험을 진행하였다 변경된 부.

하조건에서 시스템이 일정시간 약 이내에( 10min)

정상상태로 안정되면 해당 부하조건에 대한 온도

제어가 가능하다고 판단하였다 유입되는 냉수의.

압력은 감압밸브 를 이용하(pressure reducing valve)

여 로 일정하게 유지하였으며 부하조건600 kPa ,

변화에 따른 시스템의 온도 압력 및 소비전력,

등을 측정하였다.

온도상승 및 하강실험은 냉수의 급수온도가

범위에서 안정이 되면 가열히터에 의한±0.5℃

부하조건이 없는 상태에서 목표온도를 와80℃

로 설정하여 운전을 하였다 이때 목표온도까0 .℃

지 도달하는 시간 및 소비전력을 측정하여 최적

의 운전조건을 도출하고자 하였다.

제어정밀도 실험은 반도체 공정에서 주로 사용

되는 온도영역인 와 상태에서 가열히터0 60℃ ℃

에 의한 부하조건 가 운전 중 지속되는2 kW

Parameter Conditions

PCW flow rate (m3/h) 0.6 ~ 1.2 (at 200kPa)

PCW temperature ( ) 20

Coolant flow rate (m3/h) 1.1 ~ 1.2 (at 600kPa)

Cooling capacity experiments

Coolant temperature ( ) 0, 20, 40, 60, 80

Heating load (kW) 2 ~ 15

Temperature increase, decrease experiments

Cooling temp. ( )0 80 (increase)

80 0 (decrease)

Heating load (kW) -

Control precision experiments

Coolant temp. ( ) 0, 60

Heating load (kW) 2

Heating condition2min on, 30sec off

continuation

Table 3 Experimental conditions

Ratio of opening Opening condition

PWM 0, 25, 50, 100 (%) 0, 3, 4.5, 6(sec)

Step motor 0, 25, 50, 100 (%) 48, 148, 248, 448 (step)

Table 4 Expansion valve control

1289

전부하 와 분 인가 초 차단을 반복하(full load) 2 , 30

는 경우인 부분부하 에 대해 각각 수(partial load)

행하였다 실험을 통해 설정된 목표온도에서 채.

널별 급수온도의 제어정밀도 및 소비전력을 측정

하여 부하 공급방식에 따른 칠러의 제어정밀도를

비교 검토하고자 하였다, .

실험결과 처리2.3

실험에서 과 의 냉각열량은 식 을CH1 CH2 (1)

이용하여 구하였으며 본 연구에서 냉각열량은,

과 의 평균값을 사용하였다CH1 CH2 .

(1)

여기서, 와 는 냉수의 질량유량과 정압

비열이다. , 는 채널별 냉수 입구 출구,

온도를 나타낸다.

에너지 소비효율 은 냉각능력과 시스템 소(EER)

비전력의 비로서 식 를 이용하여 구하였다(2) .

total

(2)

여기서, total은 압축기와 펌프에서 소비되는

전력을 합산한 값이다

실험결과 및 고찰3.

온도별 냉각능력 및 성능변화3.1

는 각 채널별 설정 온도에 따른 냉각능력Fig. 5

과 에너지소비효율을 보여주고 있다 냉각능력의.

Supply temperature ( )℃

0 20 40 60 80

Co

oli

ng

ca

pa

cit

y (

kW

)

0

2

4

6

8

10

EE

R

0

2

4

6

8CH1 Cooling capacity

CH2 Cooling capacity

EER

PCW 2 kg/cm2

Brine 6 kg/cm2

Fig. 5 Variation of cooling capacity and EER withsupply temperature

경우 각 채널은 설정온도가 상승함에 따라 냉각

능력도 상승하는 일반적인 경향을 보인다. 40℃

이상의 영역에서 냉각능력의 변화폭이 크게 나타

나는 것은 냉각수 냉각방식으로 운전되는 이28℃

상의 영역에서는 냉각수의 열량만큼 시스템의 냉

각능력이 상승했기 때문이라 판단된다 이러한.

경향은 에너지 소비효율의 경우도 동일하게 발생

하는데 냉각수 냉각사이클은 압축기 사용에 따른

전력소모가 없기 때문에 냉동사이클 적용구간에

비해 에너지 소비효율이 큰 폭으로 증가한다고

판단된다.

온도상승 및 하강실험3.2

은 무부하 상태에서 냉수의 급수온도가Fig. 6

정상상태인 에서 목표온도 설정치인 까지0 80℃ ℃

상승하는데 소요되는 시간 및 시스템 소비전력을

나타낸 것이다 본 연구에서 사용된 반도체 공정.

용 칠러는 온도상승 시 냉수탱크 내부의 히터와

Time (min)

0 10 20 30 40

Su

pp

ly t

em

pe

ratu

re (

)℃

0

20

40

60

80

Sys

tem

po

we

r (k

W)

0

5

10

15

20

CH1 Supply temp.

CH2 Supply temp.

System power

37.5min

39.5min

8.9 kW

6.2 kW

3.4 kW

Fig. 6 Variation of target temperature withtime(0 80 )

Time (min)

0 5 10 15 20 25

Su

pp

ly t

em

pe

ratu

re (

)℃

0

20

40

60

80

Sys

tem

po

we

r (k

W)

0

5

10

15

20

CH1 Supply temp.

CH2 Supply temp.

System power

11.7min

15.7min

3.4 kW 6.2 kW

9.2 kW

Fig. 7 Variation of target temperature withtime(80 0 )

· · ·1290

핫가스 를 동시에 사용하였다(hot gas) .

실험결과 펄스폭 변조방식 이 분CH1( ) 37.5 , CH2

스텝모터 구동방식 가 분이 소요되었으며( ) 39.5

이 분가량CH1 2 빠르게 목표온도에 도달함을 알

수 있다 이는 초기 구동 시 의 온도가 미세. CH1

하게 높았던 것이 온도상승 전 구간에 걸쳐 반영

됨과 동시에 채널별 히터의 제어값의 차이와PID

핫가스의 불균일한 분배가 주된 요인으로 작용한

것이라 판단된다.

소비전력은 온도상승 전 구간에 걸쳐 8.9 kW

로 일정하게 나타나며 칠러 구동 초기에 비해 목

표온도에 근접 할수록 근소하게 소비전력이 감소

하는 경향을 나타내었다.

온도상승 시 냉수탱크 내부 히터에 의한 가열

로 온도를 상승시키는데 의 냉수 급수온도가CH1

목표온도에 도달함과 동시에 히터 작동이 중단되

면서 소비전력은 에서 로 가8.9 kW 6.2 kW 2.7 kW

량 감소되고 이어서 의 히터 작동이 중단되는CH2

지점에서 소비전력은 로 가량 추가3.4 kW 2.8 kW

적으로 감소됨을 알 수 있다.

은 무부하 상태에서 냉수의 급수온도가Fig. 7

정상상태인 에서 목표온도 설정치인 까지80 0℃ ℃

하강하는데 소요되는 시간 및 시스템 소비전력을

나타낸 것이다 펄스폭 변조방식 과 스. CH1( ) CH2(

텝모터 구동방식 모두 로 도달하는데 총) 0 26.5℃

분이 소요되었다.

본 연구에 사용된 반도체 공정용 칠러는 온도

영역을 기준으로 이상의 온도영역에서는28 2℃

의 온도로 일정하게 순환되는 냉각수를 활용0℃

한 냉각사이클을 적용하고 그 이하 온도에서는

냉동사이클을 적용하고 있는데 이러한 특징은

의 결과에서도 나타난다Fig. 7 .

칠러 초기 구동 시에는 냉각수를 이용하는 냉

각사이클이 적용되며 냉수의 급수온도는 급격하

게 감소되다 점차 완만해지는 경향을 보인다 이.

후 이 분 지점 가 분 지점에서CH1 11.7 , CH2 15.7

냉각수를 이용한 냉각사이클에서 냉동사이클로

전환되면서 다시 빠른 속도로 냉수 급수온도가

하강하는 것을 확인할 수 있었다.

소비전력은 냉각수 적용영역에서 로 일3.4 kW

정한 경향을 보이고 과 의 냉동사이클이CH1 CH2

적용되는 지점에서 소비전력이 로6.2 kW, 9.2 kW

각각 씩 증가하는 것으로 확인됐2.8 kW, 3.0 kW

다 의 경우 시스템 설정온도인 에 접근. CH1 28℃

함과 동시에 냉동사이클로 신속한 전환을 한다.

하지만 에서 의 경우 부근에 근Fig. 7 CH2 28℃

접함에도 냉동사이클로 전환되지 못하고 일정시

간 온도가 유지되는 것을 확인할 수 있다 이는.

제어가 효과적으로 작용하지 못했기 때문이라PID

사료되며 이로 인해 소비전력의 증가폭 역시

에 비해 크게 나타나는 것이라 판단된다CH1 .

또한 의 냉동사이클이 적용되는 지점에서CH2

는 소비전력이 일정하게 유지되지 못하고 ±0.95

의 폭으로 파형을 그리는데 이는 냉수 급수온kW

도가 목표온도에 접근하면서 온도제어를 위해 히

터가 간헐적으로 작동하기 때문인 것으로 판단된

다 이러한 경향은 목표온도인 에 접근할수록. 0℃

그 폭이 점차 감소되는 것을 확인할 수 있다.

부하방식에 따른 제어 정밀도실험3.3

과 는 냉수 급수온도의 설정온도가Fig. 8 Fig. 9

인 경우 부분부하와 전부하에 대한 제어정밀0℃

Time (min)

0 5 10 15 20 25 30

Su

pp

ly t

em

pe

ratu

re (

)℃

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Sys

tem

po

we

r (k

W)

0

2

4

6

8

10

12

14

CH1 Supply temp.

CH2 Supply temp.

CH1 System power

CH2 System power

Heat load power

Fig. 8 Variation of supply temperature withtime(0 , partial load)

Time (min)

0 5 10 15 20 25 30

Su

pp

ly t

em

pe

ratu

re (

)℃

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Sy

ste

m p

ow

er

(kW

)

0

2

4

6

8

10

12

14

CH1 Supply temp.

CH2 Supply temp.

CH1 System power

CH2 System power

Heat load power

Fig. 9 Variation of supply temperature withtime(0 , full load)

1291

도 실험 결과이다. 냉수 급수온도는 부분부하의

경우 이 가 를 유지하며CH1 ±0.35 , CH2 ±0.25℃ ℃

전부하의 경우에는 이 가CH1 ±0.3 , CH2 ±0.2℃ ℃

의 범위에서 안정화되고 있는 것으로 나타났다.

의 냉수 급수온도의 변화폭이 보다 상CH1 CH2

대적으로 넓게 나타나는 것은 각기 다른 구조로

구성된 과 의 팽창밸브 펄스폭 변CH1 CH2 (CH1 :

조방식 스텝모터 구동방식 에 따른 영향, CH2 : )

이라 판단된다 의 펄스폭 변조방식은 단순한. CH1

전기신호의 인가 차단을 통해 냉매 흐름을 간헐,

적으로 제어하는 방식이기 때문에 구조적으로 냉

매유량 자체를 제어할 수 없다 반면에 의 스. CH2

텝모터 방식은 밸브의 개도를 조절함으로써 냉매

유량을 가변적으로 제어할 수 있기 때문에 CH1

의 펄스폭 변조방식보다 상대적으로 정밀한 제어

가 이루어진다고 판단된다 이러한 경향은 부하.

발생이 일정치 않고 공급 중단이 반복되는· 부분

Time (min)

0 5 10 15 20 25 30

Su

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ly t

em

pe

ratu

re (

)℃

59.0

59.5

60.0

60.5

61.0

Sy

ste

m p

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(kW

)

0

2

4

6

8

10

CH1 Supply temp.

CH2 Supply temp.

CH1 System power

CH2 System power

Heat load power

Fig. 10 Variation of supply temperature withtime(60 , partial load)

Time (min)

0 5 10 15 20 25 30

Su

pp

ly t

em

pe

ratu

re (

)℃

59.0

59.5

60.0

60.5

61.0

Sy

ste

m p

ow

er

(kW

)

0

2

4

6

8

10

CH1 Supply temp.

CH2 Supply temp.

CH1 System power

CH2 System power

Heat load power

Fig. 11 Variation of supply temperature withtime(60 , full load)

부하의 경우 더욱 두드러지게 나타나며 스텝모터

구동방식을 적용한 의 냉수 급수온도는 시간CH2

이 경과함에 따라 더욱 안정된 온도제어를 하며

제어정밀도가 향상되는 것으로 나타났다.

과 의 소비전력은 로 거의 유사CH1 CH2 4 kW

하게 나타난다. 스텝모터 방식 팽창밸브는 과열

도에 따라 개도를 조절하며 냉매유량을 실시간으

로 제어하기 때문에 시스템 전체 소비전력의 변

화 폭이 매우 좁게 나타난다 반면에 펄스폭 제.

어방식의 경우 냉매유량을 직접적으로 제어하지

않고 개폐 시간조절을 통해 간접적 제어하기 때·

문에 소비전력 변화 폭이 상대적으로 넓게 나타

난 것으로 판단된다 특히 부분부하의 경우 소비.

전력의 변화주기는 전부하와 동일하지만 변화 폭

이 훨씬 좁게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

과 은 설정온도가 인 경우Fig. 10 Fig. 11 60℃

부분부하와 전부하에 대한 제어정밀도 실험 결과

이다 의 경우 작동방식이 각기 다른 전자팽. 0℃

창밸브가 적용되어 채널별로 제어정밀도가 상이

하게 나타났지만 냉각수를 활용하는 의 경우60℃

두 채널 모두 솔레노이드 밸브를 통한 냉각수의

유량제어 방식을 취하고 있기 때문에 두 채널의

온도 변화 폭이 일치하는 것을 확인할 수 있었

다 냉수 급수온도는 부분부하의 경우. ±0.25 ,℃

전부하에서는 범위에서 온도가 안정되는±0.2℃

것으로 나타났다 냉각수를 활용하는 경우 냉각.

수 열량으로 인해 냉각능력이 향상되기 때문에

냉동사이클을 적용하는 경우에 비해 안정적인 온

도제어가 가능하다고 판단된다.

소비전력은 냉동사이클이 구동되는 경우에 비

해 절반가량 줄어든 에 일정하게 유지되1.8 kW

는 것을 확인할 수 있었으며 이는 압축기에 의한

전력소비가 없기 때문인 것으로 판단된다.

결 론4.

반도체 공정용 칠러의 채널별 제어특성에 관한

실험적 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

온도별 냉각능력 및 에너지 소비효율은 온(1)

도상승에 따라 냉각능력도 상승되는 경향을 보인

다 냉각수를 활용하는 경우 냉각수 자체의 열량.

으로 인해 냉각능력이 상승하는 것을 확인할 수

있으며 에너지 소비효율 역시 크게 개선되는 것

으로 나타났다 따라서 반도체 공정용 칠러에 온.

· · ·1292

도영역별 운전모드 전환방식 적용시키는 경우 부

하변동에 따른 응답성과 시스템 전체의 에너지

소비효율 향상이 가능하다고 판단된다.

본 연구에서 사용된 반도체 공정용 칠러는(2)

온도상승 시 소비전력이 로 측정되었으며8.9 kW

은 분 는 분이 소요되었다 온도CH1 37.5 , CH2 39.5 .

하강 시 냉각수 냉각사이클 영역에서는 3.4 kW

의 전력 소모를 보이며 온도가 급격하게 떨어지

는 경향을 보이다 냉동사이클 구간에서 채널별로

씩 소비전력이 증가하며 온도하강2.8 kW, 3.0 kW

시간이 미세하게 지연되는 경향을 보였다.

의 경우 냉동사이클로 전환이 원활하게 이CH2

루어지지 못해 소비전력량이 크게 증가하는 것을

확인할 수 있었으며 제어 변경을 통한 보완이PID

이루어져야 함을 알 수 있었다.

에서 제어정밀도는 부분부하의 경우(3) 0℃

이 가 전부하는 이CH1 ±0.35 , CH2 ±0.25 , CH1℃ ℃

가 로 부분부하가 적용되는 경±0.3 , CH2 ±0.2℃ ℃

우가 제어정밀도의 변화폭이 큰 것으로 나타났

다 이를 통해서 냉동사이클을 이용하는 구. 0℃

간은 펄스폭 변조방식 에 비해 스텝모CH1( ) CH2(

터 구동방식 을 적용하는 경우 보다 정밀한 제어)

가 이뤄지며 부하변동에 의한 응답성이 우수함을

알 수 있었다.

영역의 제어정밀도는 부분부하전부하(4) 60 ·℃

에서 각각 로 냉동사이클 영역보±0.25 , ±0.2℃ ℃

다 안정적으로 온도를 제어하는 것으로 나타났으

며 입력 부하방식에 따른 영향은 미비한 것으로

나타났다 냉각수를 이용하는 경우 압축기가 적.

용되지 않기 때문에 소비전력은 로 냉동1.8 kW

사이클을 적용한 경우에 비해 소비전력이 절반가

량으로 감소된 것으로 나타났다.

후 기

본 연구는 년도 지식경제부의 재원으로 한2009

국에너지 기술평가원 과제번호( :2009T100100639)

의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다.

참고문헌

(1) KISTI, 2009, "State of Art Technology in

Semiconductor Equipment," pp. 1~36

(2) Cha, D. A., Kwon, O. K., Yun, J. H. and

Kim, D. Y., 2010, "An Experimental Study on

Semi-conductor Process Chiller for Energy

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Conference, pp. 371~376.

(3) Cha, D. A. and Kwon, O. K., 2010, "An Study

on Semiconductor Process Chiller with Variation

of Control Methods," Proceeding of the KSME

Autumn Annual Conference, pp. 2632~2637.

(4) Cha, D. A. and Kwon, O. K., 2010, "An

Experimental Study on Semiconductor Process

Chiller for Dual Channel," Trans. of the SAREK

Vol. 22, No. 11, pp. 760~766.

(5) Cha, D. A., Kwon, O. K. and Oh, M. D.,

2010, "An Experimental Study on Process Chiller

for Semiconductor Temperature Control," Trans.

of the KSME (B) Vol. 35, No. 5, pp. 459~465.

(6) Holman, J.P., 2000, "Experimental Method for

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