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유동-구조 연성 해석 방법을 이용한 반도체 공정용 진공펌프 계통의 고장 분석 ① 진공펌프 계통의 조업조건 및 성능 해석 1. 서론 최근 들어 진공 기술은 다양한 산업 분야에서 활용되고 있으며, 진공을 만들기 위해서는 기체분자의 제거 방식에 따라 기체 이송식(gas transfer type) 또는 기체 흡착식(gas entrainment type) 진공펌프들이 사용되고 있다. 또한 국내의 기간산업인 반도체 산업에서 주로 사용하고 있는 화학적 증착 공정(CVD)은 0.01 Torr 정도의 저/중 진공 상태를 요구하므로, 이러한 진공상태의 유지를 위해서는 피스톤식, 회전식, 루츠식 펌프들과 같은 다양한 형태의 기체 이송식 진공 펌프들을 사용하여 반도체 공정의 가스를 대기 중으로 방출하여야 한다. 그러나 진공펌프들에 유입되는 반도체 공정 가스는 가스 이외에 CVD 공정의 부산물을 포함하고 있으며, 실제로 일부 반도체 산업의 배기 공정에서는 공정 부산물이 펌프 내부에 퇴적, 축적되고 이로 인한 펌프의 하우징/회전차 간의 충돌은 펌프 고장 및 파손의 주요 원인이 되곤 한다. 또한 공정 가스 중의 공정 부산물을 제거하기 위해서, 반도체 공장에서는 일반적으로 진공펌프 후단에 스크러버(scrubber)를 설치하여 사용하고 있는데, resin type 스크러버의 경우 packed-bed 구조를 가지므로 부산물이 스크러버에 퇴적됨에 따라 큰 압력 저항을 갖는 특성을 지닌다. 이러한 진공펌프 계통 하류의 스크러버의 큰 압력 저항은 상류의 진공펌프의 성능을 저하시키고, 더 나아가 진공펌프 내부의 고압과 고온을 초래하여 이로 인한 구조물의 변형으로 인한 하우징/회전차, 회전차/회전차 간의 충돌이 발생하며 궁극적으로는 진공펌프의 고장 및 파단을 야기하곤 한다. 그러나 앞서 언급한 이러한 진공펌프 계통의 고장에 대한 원인 분석 및 그에 대한 적절한 대처가 국내 반도체 산업체 현장에서 체계적으로 이루어지지 못하는 관계로, 진공펌프 계통에 대한 합리적인 분석 방법의 개발 및 적용을 통한 안정적인 조업조건 유지는 반도체 생산설비의 생산성 향상에 있어서 매우 중요한 과제이다. 그러므로 본 연구는 우선적으로 반도체 생산 공정용 진공펌프 계통의 조업조건 및 성능 예측을 위한 이론적 해석 방법을 제시하고, 본 방법을 실제 반도체 생산설비 진공 계통에 적용하여 진공펌프 계통의 조업조건 변화 및 성능저하에 대한 원인을 규명하였다. 진공펌프 계통의 분석 결과를 토대로 진공펌프 내부 기체유동에 대해 전산유체역학 해석방법을 제시하였고, 전산유체역학 해석 결과들로부터 진공펌프의 작동 시 펌프 내부에서의 압력, 온도 및 속도 분포에 대한 유동장 특성을 규명하였다. 더 나아가, 계산된 유동장 결과를 바탕으로 공정 부산물의 펌프 내부에서의 입자 거동 및 점착에 따른 퇴적-축적 특성을 분석하였다. 마지막으로 유동해석을 통해 얻은 진공펌프 내부의 온도 및 압력 데이터를 바탕으로 2개의 진공펌프가 연결된 경우의 펌프 회전차와 하우징의 구조해석을 수행하였고, 이를 통해 진공펌프의 변형 및 파단 원인을 규명하였다.
1. 서론 구조용 재료는 대부분 다결정(poly crystal)으로 이루어져 있어, 결정(crystal) 간의 상호작용을 고려한 정확한 거동을 파악하는 것은 고성능 재료의 개발이나 재료의 건전성을 판별하는데 중요한 의미를 가진다. 다결정 재료의 상호작용을 고려한 재료의 거동 분석은 궁극적으로 구조 부재, 나아가 구조 시스템의 요구 성능 만족 여부를 정밀 평가하는데 이용될 수 있는 기술이며 마이크로(micro)/메조(meso) 스케일에서의 정밀한 재료의 거동 분석은 더욱 향상된 재료를 개발하는 데에도 필수적이다. 결정은 방향에 따라 이방성(anisotropy)을 띠게 되는데, 이방성이 결정 상호작용에 미치는 영향 분석이 복잡하여 정밀한 거동 분석이 쉽지 않다. 전통적으로 재료공학에서는 SEM이나 EBSD 등을 이용한 미세구조 파악과 매크로(macro) 스케일 물성의 상관관계를 연관시키는 분석을 수행하여 오고 있다. 최근에는 입자가속기(synchrotron)를 이용하여 하중을 견디고 있는 구조재료 내부의 결정의 변형률 변화를 측정할 수 있게 되었으며, 다결정 구조재료의 상호작용을 실험적으로 보다 자세하게 측정할 수 있게 되었다. 그러나 모든 정보를 실험으로 얻을 수는 없어, 신뢰도 있는 자료 분석을 위해서는 추가적인 자료 검증 및 분석 방법이 요구된다.실험에서 얻지 못하는 결과를 분석하거나 실험과 함께 재료 거동 분석의 시너지 효과를 기대할 수 있는 실용적인 도구로써 유한요소해석의 활용이 가능하다. 유한요소해석을 이용한 재료 거동 분석을 위해서는 실험으로부터 얻을 수 있는 입력값들이 필요한데, 실험과 해석을 상호 보완적으로 활용한 시너지 효과를 가지는 도구를 갖추는 것이라고 할 수 있다. 이러한 접근 방법은 거동이 복잡한 다결정 구조재료의 신속하고 정밀한 거동 분석을 위한 효과적인 접근 방법일 것이다. 본문에서는 우선 입자가속기를 이용하여 다결정 고체의 거동을 실험적으로 결정하는 방법에 대해서 간략히 기술한 후, 유한요소해석이 다결정 구조재료 거동 분석을 위한 도구로 어떻게 활용될 수 있는지 살펴본다. 최근 시행되는 입자가속기 실험과 함께 신속한 재료 개발 및 정밀한 재료 건전도 평가의 상호보완적인 도구로써 유한요소해석의 유용성을 제시하였다.
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열유동해석은 기계 장비의 냉각, 가열 성능을 평가하기 위해 수행합니다. 설계 제품에 사용하는 팬(Fan)에 의해 발생하는 강제 대류(Convection)가 제품의 냉각에 충분한 성능을 발휘할 수 있는지 시뮬레이션할 수 있습니다.
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