• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.362-362
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• 2011

터보분자펌프(turbo-molecular pump: TMP)는 고진공펌프 중의 하나로, 반도체/디스플레이 등 첨단 공정에서 진공 환경을 조성하는 핵심장비이다. 터보분자펌프(TMP)의 특성평가는 세계 여러 나라의 표준제정기구에서 제정한 국제규격에 그 기반을 두어, 한국표준과학연구원 진공기술 센터에서는 터보분자펌프(TMP) 특성평가시스템을 자체 설계/제작하여 그 신뢰성을 확인하기 위해 개발품 및 상용품 평가에 주력하고 있다. 터보분자펌프(TMP)는 보조펌프(backing pump)의 지원을 받으므로 보조펌프(backing pump) 용량에 따른 터보분자펌프(TMP)의 배기속도를 측정하고자 한다. 국제규격에서 제시하는 보조펌프 (backing pump)의 용량이 일정이상 작을 경우, 터보분자펌프(TMP)의 배기속도 및 압축비에 대해 감소함을 제시한다. 이 영향은 전체 압력 범위에서 보조펌프(backing pump)의 배기속도가 일정 용량 이상이면 터보분자펌프(TMP)의 배기속도에 영향이 없음을 제시하며, 이에 본 연구에서는 국제규격에서 제시하는 보조펌프(backing pump) 용량에 대해 서로 다른 조건에 맞추어 터보분자 펌프(TMP)의 배기속도에 미치는 영향을 연구하고자 한다. 본 연구에서는 100m3/h, 10m3/h 의 서로 다른 배기속도를 가진 보조펌프(backing pump)를 선정하여 분자량이 다른 가스(N2, He, Ar 등)에 대한 압축비의 변화와 배기속도 측정에 관해 상관 관계를 제시하며, 100m3/h, 10m3/h 의 서로 다른 배기속도를 가진 보조펌프(backing pump)에 따른 터보분자펌프(TMP)의 배기속도 및 운전성능을 제시하고자 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.46-46
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• 2010

고진공펌프 중의 하나인 터보분자펌프(turbo-molecular pump: TMP)는 반도체/디스플레이 등 첨단 공정에서 진공 환경을 조성하는 핵심장비로서 현재 한국표준과학연구원 진공기술센터에서 개발 중인 고진공펌프 종합특성평가시스템을 구축 중이며, 1000 L/s 및 2500L/s 배기속도 용량을 가지는 터보분자펌프(TMP)의 database를 구축하고 있다. 이에 터보분자펌프(TMP)의 배기속도 측정 시 사용되는 가스의 분자류 영역에 따른 배기속도의 변화를 연구하고자 한다. 터보분자펌프(TMP)의 배기속도는 분자류 영역에 따라 상이한 배기속도를 가진다. 특히 가벼운 분자들은 터보분자펌프(TMP)로 배기시키기 어려우며, 분자량이 작은 가스들은 분자량이 큰가스 분자들에 비해 압축비(compression ratio)도 작아진다. 압축비가 큰 경우에는 실재 운전조건에 무관하게 배기속도가 최대값을 가지지만, 압축비가 작을 경우에는 운전 시 터보분자펌프(TMP)의 압축비에 따라 배기속도가 달라 질 수 있으며, 압축비는 펌프의 inlet에서의 압력과 exhaust에서의 압력의 비이다. 즉, 가벼운 기체 분자(H2, He 등)들은 무거운 기체 분자(N2, Ar 등)들에 비해 배기속력이 작아진다. 현재 개발 중인 한국표준과학연구원 진공기술센터의 고진공 종합특성평가시스템을 이용하여 분자류 영역에 따른 가벼운 기체 분자와 무거운 기체 분자의 배기속도를 측정하여 분자류 영역에 따라 상이한 배기속도의 변화를 연구하고자 한다. 본 논문에서는 터보분자펌프(TMP)의 분자류 영역에 따른 가벼운 기체 He과 무거운 기체 N2를 사용하여 압축비의 변화와 배기속도 측정에 관해 상관관계를 제시하며, 분자류 영역에 따른 터보분자펌프(TMP)의 배기속도 운전성능을 제시하고자 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.89-89
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• 2011

반도체 공정 등에서 $10^{-6}{\sim}10^{-8}$ mbar의 고진공 환경을 제공하기 위하여 사용되는 고진공 터보분자펌프 (Turbomolecular Pump, TMP)는 다층의 회전깃을 갖는 로터를 회전시켜 분자를 배출시키는 방식을 사용하는 진공펌프이다. 또한 최근에는 디스플레이 및 반도체 공정에서 높은 진공도뿐만 아니라, 높은 배기속도를 요구하는 추세에 따라, 터보 펌프와 드래그 펌프부분을 동시에 가지고 있어 상대적으로 작동 진공도 영역이 넓은 복합 분자펌프(Compound Turbomolecular Pump, CMP)의 활용도가 넓어지고 있다. 이러한 분자펌프가 장시간의 고속회전에 적합하도록 비접촉 방식인 자기부상 방식의 적용이 최근 거의 표준화 되어 있다. 자기베어링 시스템은 전자기력을 이용하여 자성체인 회전축을 부상지지 함으로써 비접촉 고속 회전이 가능하여 윤활이 용이하지 않은 진공 환경 등 가혹한 환경에 적합하며, 터보분자펌프는 자기베어링이 가장 널리 사용되고 있는 분야이기도 하다. 자기베어링 시스템의 설계는 크게 하드웨어와 소프트웨어로 나누어질 수 있는데, 하드웨어의 경우 전체 로터 시스템의 특성을 고려하여 설계되어야 하며, 주로 자기베어링 코어와 코일, 변위센서 및 전력 증폭 시스템 등의 기전적인 요소들이 이루어져 있다. 하드웨어 설계와 함께 제어시스템의 설계도 매우 중요하며, 이는 자기베어링 시스템이 불안정한 특성을 갖는 개루프계를 갖고 있으므로 안정화를 위한 능동제어 시스템이 필수적이며 진동제어 등 여러 가지 기능이 요구되기 때문이다. 본 논문에서는 이러한 자기부상형 고진공 복합분자펌프의 제어를 위한 선형제어시스템의 구성을 실제 시스템의 적용을 통하여 설명하였다. 각 제어기는 DSP 를 이용한 디지털 제어시스템으로 구성되었으며, 2,500 l/s 급의 복합 분자펌프 시작품에 적용하여 25,000 rpm 까지의 기본 성능시험을 수행하였으며, 발열 특성의 개선을 위한 비선형 제어기의 설계 사례에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.90-90
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• 2011

배기속도 2,500 L/s, 최고진공도 10-10 mbar를 구현할 대용량 복합 분자펌프 설계를 위한 2차원과 3차원 형상을 대상으로 실시하였다. 진공도가 10-5 mbar 이상이 되는 고진공도에서는 Knudsen 수가 102~107에 이르러 분자간 충돌을 거의 무시할 수 있게 되며, 이때의 유체해석 방법으로서는 통상 희박기체 해석법으로 많이 쓰이는 Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) 방법보다, 충돌이 없는 분자의 자유운동을 모사하는 Monte Carlo 방법이 더 적합하게 된다. 본 연구에서는 다단계 rotor와 stator로 구성되는 복합분자 내 유동장에 Monte Carlo 해석법과 DSMC 방법을 모두 적용하여 유동해석을 실시하였다. 먼저 2차원 모델에 대한 해석을 실시하여 분자펌프의 성능에 중요한 영향을 미치는 설계변수로 날개각과 날개간격이 현저함을 확인하였으며, 이 설계변수들이 펌프의 주요성능 지표인 최대펌핑효율과 최대압축비에 미치는 영향을 다양한 3차원 유동해석을 통해 도출하였다. 유동해석 결과, 기체분자와 rotor 날개사이의 충돌 확률을 높이는 방안이 대체적으로 펌프의 성능을 향상시키는데 도움이 되는 것으로 나타났다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.117-117
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• 2012

반도체 및 디스플레이 공정등에서 고진공 및 급 배기 환경을 제공하기 위하여 사용되는 터보 분자펌프(Turbomolecular Pump, TMP)는 다층의 회전깃을 갖는 로터를 회전시켜 분자를 배출시키는 방식을 사용하는 진공펌프이다. 또한 최근에는 디스플레이 및 반도체 공정에서 높은 진공도뿐만 아니라, 높은 배기속도를 요구하는 추세에 따라, 터보 펌프와 드래그 펌프부분을 동시에 가지고 있어 상대적으로 작동 진공도 영역이 넓은 복합 분자펌프(Compound Turbomolecular Pump, CMP)의 활용도가 넓어지고 있다. 이러한 분자펌프가 장시간의 고속회전에 적합하고, 베어링에서의 오염을 없앨 수 있는 비접촉 방식인 자기부상 방식이 주로 적용된다. 자기베어링 시스템은 하드웨어와 소프트웨어로 나누어질 수 있는데, 하드웨어는 회전하게 되는 블레이드로터 및 자기베어링 로터, 모터 로터 등이 포함된 축과 고정되어 있는 자기베어링 코어와 코일, 변위센서 등의 펌프 하우징 부분, 또한 이를 제어하기 위한 전력 증폭 시스템 등의 기전적인 요소들이 이루어져 있다. 소프트웨어라 할 수 있는 제어시스템에 있어서 자기베어링이 불안정한 특성을 갖는 개루프계를 갖고 있으므로 안정화를 위한 능동제어 시스템이 필수적이며 진동 제어 등의 기능을 갖도록 적용된다. 따라서 이러한 복합분자펌프의 성능은 이러한 시스템을 구성하는 개별 요소의 성능과 이를 통합한 제어시스템의 성능이 결정한다고 할 수 있다. 본 논문에서는 현재 개발중인 2,500 l/s급의 자기부상형 고진공 복합분자펌프의 시작품에 대하여 고속회전의 안정성에 대한 연구를 수행한 내용을 보고하고 있다. 디지털 제어시스템을 적용한 시작품의 최대 26,000 rpm 까지의 고속회전시의 회전 응답 및 진동 특성을 측정 분석하였으며, 로터의 고유진동수 및 진동 모우드를 분석하였다. 또한 연속 작동시의 발열특성과 각 부분의 온도와 회전 안정성과의 관계를 평가하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.97-97
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• 2012

반도체 및 디스플레이 공정등에서 고진공 및 급 배기 환경을 제공하기 위하여 사용되는 터보분자펌프 (Turbomolecular Pump, TMP)는 다층의 회전깃을 갖는 로터를 회전시켜 분자를 배출시키는 방식을 사용하는 진공펌프이다. 또한 최근에는 디스플레이 및 반도체 공정에서 높은 진공도뿐만 아니라, 높은 배기속도를 요구하는 추세에 따라, 터보 펌프와 드래그 펌프부분을 동시에 가지고 있어 상대적으로 작동 진공도 영역이 넓은 복합 분자펌프(Compound Turbomolecular Pump, CMP)의 활용도가 넓어지고 있다. 이러한 분자펌프가 장시간의 고속회전에 적합하고, 베어링에서의 오염을 없앨 수 있는 비접촉 방식인 자기부상 방식이 주로 적용된다. 자기베어링 시스템은 하드웨어와 소프트웨어로 나누어질 수 있는데, 하드웨어는 회전하게 되는 블레이드 로터 및 자기베어링 로터, 모터 로터 등이 포함된 축과 고정되어 있는 자기베어링 코어와 코일, 변위센서 등의 펌프 하우징 부분, 또한 이를 제어하기 위한 전력 증폭 시스템 등의 기전적인 요소들이 이루어져 있다. 소프트웨어라 할 수 있는 제어시스템에 있어서 자기 베어링이 불안정한 특성을 갖는 개루프계를 갖고 있으므로 안정화를 위한 능동제어 시스템이 필수적이며 진동제어 등의 기능을 갖도록 적용된다. 따라서 이러한 복합분자펌프의 성능은 이러한 시스템을 구성하는 개별 요소의 성능과 이를 통합한 제어시스템의 성능이 결정한다고 할 수 있다. 본 논문에서는 현재 개발중인 2,500 l/s급의 자기부상형 고진공 복합분자펌프의 시작품에 대하여 고속회전의 안정성에 대한 연구를 수행한 내용을 보고하고 있다. 디지털 제어시스템을 적용한 시작품의 최대 26,000 rpm까지의 고속회전시의 회전 응답 및 진동 특성을 측정 분석하였으며, 로터의 고유진동수 및 진동 모우드를 분석하였다. 또한 연속 작동시의 발열특성과 각 부분의 온도와 회전 안정성과의 관계를 평가하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.235-235
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• 2012

반도체/디스플레이 공정의 설치 layout의 단순화와 전체 공정 cost의 저감을 위하여 대용량, 고진공 성능의 진공시스템 수요가 증대되고 있다. 이로써 고진공 펌프 국산화의 일환으로 터보분자 펌프와 크라이오 펌프 개발이 진행 중이다. 개발 시제품의 최종 상용화 단계에 진입하기 위한 목적으로 핵심부품의 진공, 기계적 특성평가, 운전상태 및 진공 특성평가, 신뢰성 확보/공정대응성 평가를 위한 관련 기술 및 장치가 개발되었다. 본 연구에서는 터보분자펌프의 공정별 gas load 다변화에 따른 기계적 안정성과 작동 신뢰성의 확인을 위해 내구성 평가 장치를 설계/제작하였다. 상용화 제품의 성능 테스트를 통한 RPM, 소비전력, 압력 그리고 온도 등의 패턴을 확인하여 내구성 평가시스템의 신뢰성을 확인하고 터보분자펌프의 성능 특성 변화를 고찰하고자 한다. 본 연구는 지경부 산업원천기술개발사업 중 "초고진공펌프 개발" 사업의 제 3 세부과제인 "고진공펌프 종합특성평가시스템 개발(과제번호: 11201044)" 및 "스마트형 진공 배기 진단 제어 시스템 개발(과제번호: 11201038)" 과제에서 수행된 연구결과의 일부임.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.167-167
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• 2011

한국표준과학연구원에서는 국제표준화기구에서 제정한 국제규격(ISO, PNEUROP, DIN, JIS, AVS 등)에 기반을 둔 터보분자펌프의 특성평가시스템을 자체적으로 설계/제작 하였고, 터보분자펌프 1,000 L/s 급의 Database를 구축하였다. 이것을 토대로 특성평가시스템의 신뢰성 확인과 Feedback을 통한 시제품 개발 및 평가지원을 위해 터보분자펌프 2,500L/s 급의 Database를 구축한다. 터보분자펌프의 배기성능을 나타내는 가장 중요한 항목인 배기속도는 분자류 영역에 따라 상이한 가스($N_2$, He)를 사용하여 Throughput method와 Orifice method 두 가지 방법을 병행하여 측정한다. 측정함에 있어서 측정게이지, 유량계 및 Orifice conductance의 불확도에 의하여 배기 속도에 많은 측정오차를 포함하고 있다. 측정 오차를 줄이기 위하여 1% 이상의 안정성과 4%의 오차만을 허용하는 자전 회전자게이지(SRG)와 $10^{-3}$ mbar-L/s 영역까지의 유량 주입범위를 가지는 불확도 ${\pm}$3%의 정적형 유량시스템(CVFM)을 사용하였다. Orifice method의 경우 고진공영역으로 진입할수록 커질 수밖에 없는 배기속도 측정 불확도를 최소화하기 위해 검증된 유량을 이용한 Conductance 값을 제시하여 두 방법에서 얻은 배기속도의 불연속적인 문제를 해결한다. 본 연구에서는 2,500 L/s 급 터보분자펌프는 무거운 기체 $N_2$와 가벼운 기체 He을 사용하여 압축비의 변화와 분자류 영역에 따른 배기속도 변화를 연구하고, 2,500 L/s 급 터보분자펌프의 측정능력을 검증한다. 차후에 배기속도뿐만 아니라 소비전력, 소음, 진동, 온도 등의 특성평가의 전반적인 사항을 평가하여 터보분자펌프 2,500 L/s 급의 database를 완비해간다. 터보분자펌프 특성평가시스템을 사용한 1,000 L/s 급과 2,500 L/s 급 특성 Data를 비교, 분석하여 신뢰성 파악 및 표준화 방안을 개발하고, 고진공펌프 개발 주체와의 feedback 지원 기능의 infra를 구축한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.20-20
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• 2010

반도체 공정 등에서 10-6~10-8 Torr의 고진공 환경을 제공하기 위하여 사용되는 고진공 터보분자펌프 (Turbomolecular Pump, TMP)는 다층의 회전깃을 갖는 로터를 회전시켜 분자를 배출시키는 방식을 사용하는 진공펌프이다. 또한 최근에는 디스플레이 및 반도체 공정에서 높은 진공도뿐만 아니라, 높은 배기속도를 요구하는 추세에 따라, 터보 펌프와 드래그 펌프부분을 동시에 가지고 있어 상대적으로 작동 진공도 영역이 넓은 복합 분자펌프(Compound Turbomolecular Pump, CMP)의 활용도가 넓어지고 있다. 이러한 분자펌프가 장시간의 고속회전에 적합하도록 비접촉 방식인 자기부상 방식의 적용이 최근 거의 표준화되어 있다. 자기베어링 시스템은 전자기력을 이용하여 자성체인 회전축을 부상지지 함으로써 비접촉 고속 회전이 가능하여 윤활이 용이하지 않은 진공 환경 등 가혹한 환경에 적합하며, 터보분자펌프는 자기베어링이 가장 널리 사용되고 있는 분야이기도 하다. 자기베어링 시스템의 설계는 크게 하드웨어와 소프트웨어로 나누어질 수 있는데, 하드웨어의 경우 전체 로터 시스템의 특성을 고려하여 설계되어야 하며, 주로 자기베어링 코어와 코일, 변위센서 및 전력 증폭 시스템 등의 기전적인 요소들이 이루어져 있다. 하드웨어 설계와 함께 제어시스템의 설계도 매우 중요하며, 이는 자기베어링 시스템이 불안정한 특성을 갖는 개루프계를 갖고 있으므로 안정화를 위한 능동제어 시스템이 필수적이며 진동제어 등 여러 가지 기능이 요구되기 때문이다. 본 논문에서는 이러한 자기부상형 고진공 복합분자펌프의 제어를 위한 선형제어시스템의 구성을 실제 시스템의 적용을 통하여 설명하였다. 각 제어기는 DSP 를 이용한 디지털 제어시스템으로 구성되었으며, 2, 500 l/s 급의 복합 분자펌프 시작품에 적용하여 10,000 rpm까지의 기본성능시험을 수행하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.22-22
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• 2010

배기속도 2500 L/s, 최고진공도 $10^{-10}$ mbar를 구현할 대용량 복합 분자펌프 설계를 위한 3차원 유동해석을 실시하였다. 진공도가 $10^{-5}$ mbar 이상이 되는 고진공도에서는 Knudsen 수가 $10^2{\sim}10^7$에 이르러 분자간 충돌을 거의 무시할 수 있게 되며, 이때의 유체해석 방법으로서는 통상 희박기체 해석법으로 많이 쓰이는 Direct simulation Monte Carlo 방법보다, 충돌이 없는 분자의 자유운동을 모사하는 Monte Carlo 방법이 더 적합하게 된다. 본 연구에서는 다단계 rotor와 stator로 구성되는 복합분자 내 유동장에 Monte Carlo 해석법을 적용하여 유동해석을 실시하였다. 먼저 2차원 해석을 실시하여 분자펌프의 성능에 중요한 영향을 미치는 설계변수들을 도출하고, 이 설계변수들의 최적값을 다양한 3차원 유동해석을 통해 도출하였다. 해석결과는 펌프설계에 적용되어 펌프 성능시험결과를 통해 확증된다.