KR101564172B1 - 하이브리드 칠러 - Google Patents

Abstract

개시된 본 발명에 따른 하이브리드 칠러는, 공정유체가 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 포함하는 제1 냉각유닛과, 열전모듈, 콜드싱크, 핫싱크를 포함하는 제2 냉각유닛을 순차적으로 거치면서 냉각된 후 냉각 대상물에 유입된다. 제1 냉각유닛의 증발기와 제2 냉각유닛의 콜드싱크를 직렬로 연결하고, 증발기에서 1차로 대용량의 부하를 감당하도록 냉각하고, 콜드싱크에서 2차로 소용량의 부하를 감당하며 정밀 냉각하게 된다. 본 발명에 의하면, 전체 장치의 크기를 줄일 수 있는 동시에 저온 구동이면서 대용량 부하를 요구하는 공정유체의 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 이점이 있다.

Description

하이브리드 칠러{A HYBRID CHILLER}

본 발명은 반도체 공정에서 냉각 대상물의 온도 조절을 위한 칠러에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 저온으로 구현하고 대용량 부하를 감당하면서 온도정밀도를 높일 수 있는 하이브리드 칠러에 관한 것이다.

칠러(chiller)는 열교환매체(공정유체, 작동유체 또는 냉매)를 일정한 사이클로 순환시키면서 열교환기에서 냉각시키고, 열교환에 의해 냉각된 열교환매체가 목적하는 냉각대상물을 냉각시키는 냉동장치이다.

정전척(Electrostatic Chuck:ESC)은 반도체 및 LCD 제조설비의 진공 챔버 내부에 기판이 놓이는 곳으로 정전기의 힘을 사용하여, 기판을 하부전극에 고정시켜주는 기능을 하게 된다.

정전척을 냉각시기기 위한 기존의 칠러는 주로 냉동식 칠러가 사용되었다. 즉, 프레온가스와 같은 냉매를 압축기에서 고온, 고압으로 압축시켜 응축기로 보내고, 응축기는 고온, 고압의 냉매를 방열시켜 액체로 만들어 팽창밸브(팽창변)로 보내며, 팽창밸브는 액상의 냉매의 압력을 낮추어 기체상태로 만들어 증발기로 보내고, 증발기는 기체상태의 냉매를 증발시켜 주위의 열을 흡수하게 된다. 따라서 증발기에서 상기 냉매와 열교환하는 공정유체는 증발되는 냉매에 의해 열을 빼앗겨 냉각되고, 펌프 등에 의해 정전척으로 유입되어 순환하면서 정전척 내부를 냉각시키게 된다.

최근에는 에칭 공정에서 반도체회로가 고집적화 되면서 정전척 내에서 공정 부하가 커지게 되며, 실제 10kW 에서 -10℃가 유지됨을 요구한다. 즉, 공정이 이루어지는 공간인 정전척 내에서 온도가 급격히 상승하게 되므로 정전척 내의 온도를 빨리 내려야할 필요성이 제기된다.

그런데, 종래의 냉동식 칠러는 대용량 부하에 유리하지만 요구하는 온도 정밀도가 나오지 않는 문제점이 있다. 특히 반도체 공정에서는 온도 정밀도가 매우 중요한데, 대용량 부하의 경우 급격한 부하를 감당하지 못하고 온도 헌팅이 심해 공정 진행에 차질이 발생하는 문제점이 있다.

한편, 최근에는 열전반도체(열전소자)를 이용한 전기식 칠러를 적용하는데 관심이 있다. 그러나, 이러한 전기식 칠러는 온도 정밀도를 만족하지만 소용량 부하에 적용 가능하며 상온 공정일 때의 온도정밀도를 요구하는 곳에 유효성이 있다.

전기식 칠러를 대용량으로 제작하는 것이 가능할 수 있지만, 이 경우 장치 전체의 사이즈가 커지므로 정전척에 근접 설치하기가 어려우며, 따라서 정전척과 원거리로 설치해야 하는데 이 경우 공정유체의 유로가 길어져 온도 정밀도가 떨어지는 문제점이 발생하게 된다. 또한 전기식 칠러를 대용량으로 하는 경우 비용 상승의 문제도 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로써, 저온의 대용량 부하를 요구하는 냉각 대상물을 정밀하게 온도 조절할 수 있는 하이브리드 칠러를 제공하는데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명은 장치 전체의 사이즈를 줄이는 동시에 온도 정밀성과 온도 안정성을 만족할 수 있도록 하는 하이브리드 칠러를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 칠러는, 공정유체의 순환 유로인 공정유체 유로(50); 압축기(110), 응축기(120), 팽창밸브(130), 증발기(140) 및 이들을 순차적으로 순환하는 냉매의 유로인 냉매 유로(150)를 포함하며, 상기 증발기(140)가 상기 공정유체 유로(50)의 경로상에 설치되어 상기 증발기(140)를 거치면서 증발되는 냉매와 상기 공정유체를 열교환시켜 상기 공정유체를 1차로 냉각시키도록 하는 제1 냉각유닛; 열전모듈(210), 상기 열전모듈(210)의 일측면에 설치되는 콜드싱크(220), 상기 열전모듈(210)의 타측면에 설치되는 핫싱크(230)를 포함하며, 상기 콜드싱크(220)가 상기 공정유체 유로(50)의 경로상 상기 증발기(140)의 후류에 설치되어 증발기(140)를 거친 공정유체를 열교환시켜 상기 공정유체를 2차로 냉각시켜 냉각 대상물로 유입시키는 제2 냉각유닛; 상기 공정유체 유로(50) 상에 설치되어 공정유체가 공정유체 유로(50)를 순환하도록 하는 펌프(500); 및 상기 제1 냉각유닛 및 제2 냉각유닛의 출력을 제어하여 상기 공정유체의 온도를 제어하는 콘트롤러(400)를 포함한다.

상기 공정유체 유로(50) 상의 상기 증발기(140)의 유출단에는 유출되는 공정유체의 온도(T2)를 감지하는 제2 온도센서(320)가 설치되고, 상기 콘트롤러(400)는 상기 제2 온도센서(320)로부터 수신되는 온도정보를 이용하여 상기 팽창밸브(130)의 출력을 조절하여 공정유체의 1차 냉각 온도를 제어한다. 그리고, 상기 공정유체 유로(50) 상의 상기 정전척(10)의 유입단 또는 정전척(10)의 유출단에는 유입 또는 유출되는 공정유체의 온도(T1 또는 T1')를 감지하는 제1 온도센서(310,310')가 설치되고, 상기 콘트롤러(400)는 상기 제1 온도센서(310,310')로부터 수신되는 온도정보를 이용하여 상기 열전모듈(210)의 출력을 조절하여 공정유체의 2차 냉각 온도를 제어한다.

상기 냉매 유로(150)는 상기 압축기(110)와 응축기(120)를 거친 일정 지점에서 냉매가 상기 증발기(140)로 유입되는 경로와 상기 핫싱크(230)로 유입되는 경로로 분기되며, 상기 증발기(140)를 거친 냉매와 상기 핫싱크(230)를 거친 냉매는 일정 지점에서 다시 합쳐져서 상기 압축기(110)로 유입된다. 상기 냉매 유로 상 상기 핫싱크(230) 상류에는 방열 팽창밸브(240)가 설치되며, 상기 방열 팽창밸브(240)는 냉매의 압력을 낮추어 기체상태로 만들어 상기 핫싱크(230)로 보내 핫싱크(230)를 방열시킨다.

상기 핫싱크(230)에는 핫싱크의 온도(T3)를 감지하는 제3 온도센서(330)가 설치되고, 상기 콘트롤러(400)는 상기 제3 온도센서(330)로부터 수신되는 정보를 이용하여 상기 방열 팽창밸브(240)의 출력을 조절하여 상기 핫싱크가 일정 온도를 유지하도록 제어한다.

상기 콘트롤러(400)는 상기 증발기(140)를 통과하는 공정유체의 1차 냉각 온도를, 상기 콜드싱크(220)를 통과하는 공정유체의 2차 냉각 온도보다 일정범위 높도록 제어하여, 상기 열전모듈(210)을 정역제어가 아닌 냉각제어만 하도록 한다.

상기 하이브리드 칠러는 상기 냉각 대상물의 근방에 설치되는 제1 케이스(20)와, 상기 제1 케이스(20)로부터 원거리 설치되는 제2 케이스(30)를 포함한다. 상기 제1 냉각유닛의 압축기(110)와 응축기(120)는 상기 제2 케이스(30)에 설치되고, 상기 제1 냉각유닛의 팽창밸브(130)와 증발기(140), 상기 제2 냉각유닛의 열전모듈(210)과 콜드싱크(220) 및 핫싱크(230)는 상기 제1 케이스(20)에 설치된다.

본 발명에 의한 하이브리드 칠러에 의하면, 제1 냉각유닛의 증발기와 제2 냉각유닛의 콜드싱크를 직렬로 연결하고, 증발기에서 1차로 70~80%의 부하를 감당하도록 냉각하고, 콜드싱크에서 2차로 20~30%의 부하를 감당하도록 냉각함으로써, 전체 장치의 크기를 줄일 수 있는 동시에 저온 구동이면서 대용량 부하를 요구하는 공정유체의 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 이점이 있다.

또한, 제2 냉각유닛의 핫싱크를 효율적으로 방열시켜 일정하게 온도를 맞출 수 있도록 제1 냉각유닛을 순환하는 냉매를 방열 팽창밸브로 공급한 후 저온의 냉매 가스를 핫싱크에 안정적으로 공급함으로써, 결국 제2 냉각유닛의 열전모듈의 냉각 성능을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 칠러의 구성도,
도 2는 도 1의 하이브리드 칠러의 콘트롤러의 제어 개념을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다.

'제1', '제2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. '및/또는' 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

또한, '전면', '후면', '상면', '하면' 등과 같은 도면에 보이는 것을 기준으로 기술된 상대적인 용어들은 '제1', '제2' 등과 같은 서수들로 대체될 수 있다. '제1', '제2' 등의 서수들에 있어서 그 순서는 언급된 순서나 임의로 정해진 것으로서, 필요에 따라 임의로 변경될 수 있다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 칠러에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 칠러는, 냉각 대상물인 정전척(10)으로 유입되어 냉각 대상물을 냉각시킨 후 빠져나오는 공정유체의 유로인 공정유체 유로(50), 공정유체 유로(50)를 순환하는 공정유체를 대용량 부하로 1차로 냉각시키는 제1 냉각유닛, 1차로 냉각된 공정유체를 소용량 부하로 정밀하게 온도제어 하여 2차로 냉각시키는 제2 냉각유닛, 공정유체를 순환시키도록 하는 펌프(500) 및 콘트롤러(400)를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 칠러는 냉각하고자 하는 대상물이 반도체 공정에서 사용되는 정전척(10)인 것으로 예시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다양한 냉각 대상물이 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 하이브리드 칠러는 저온의 대용량 부하가 요구되는 냉각 대상물의 온도를 조절하는 것에 적합하다.

공정유체 유로(50)는 공정유체가 순환하는 유로를 의미하며, 공정유체의 흐름은 화살표 A와 같다. 즉 공정유체 유로(50)는 정전척(10)의 유입단과 유출단에 각각 연결되며, 정전척(10) 내부에도 공정유체 유로(50)가 형성된다. 따라서 제1 냉각유닛과 제2 냉각유닛을 거치면서 냉각된 공정유체는 정전척(10)으로 유입되어 정전척이 온도를 일정하게 유지시키도록 순환한 후, 정전척(10)을 빠져나와 다시 제1 냉각유닛과 제2 냉각유닛에 의해 냉각되어 정전척으로 유입되는 과정을 반복하게 된다. 한편 도시되지 않았으나 공정유체 유로(50) 상에는 공정유체를 충전하는 충전포트와 공정유체를 회수하는 회수포트가 설치될 수 있다. 또한, 공정유체 유로(50) 상에는 공정유체의 압력과 유량을 측정하여 콘트롤러(40)로 보내는 압력센서(340)와 유량센서(350)가 각각 설치될 수 있다.

제1 냉각유닛은 일반적인 냉동 시스템인 압축기(110), 응축기(120), 팽창밸브(130), 증발기(140) 및 이들을 순차적으로 순환하는 냉매의 유로인 냉매 유로(150)를 포함하는데, 도시된 바와 같이 상기 증발기(140)가 상기 공정유체 유로(50)의 경로상에 설치된다. 냉매 유로(150)에서 냉매의 흐름은 화살표 B와 같다.

제1 냉각유닛의 구성 및 동작은 널리 알려진 바와 같이, 압축기(110)는 냉매를 고온, 고압으로 압축시키고, 응축기(120)는 고온, 고압의 냉매를 방열시켜 액체로 만들고, 팽창밸브(130)는 액상의 냉매의 압력을 낮추어 기체상태로 만들며, 증발기(140)는 기체상태의 냉매를 증발시키면서 주위로부터 열을 흡수하게 된다.

여기서 증발기(140)는 열교환기의 역할을 하는데, 증발기(140)를 거치면서 증발되는 냉매와 상기 증발기(140)를 통과하는 공정유체는 서로 열교환되어, 결국 공정유체는 냉각되게 된다.

팽창밸브(130)는 공지된 다양한 밸브 즉, 전자식 밸브 또는 기계식 밸브가 적용될 수 있다. 전자식 밸브가 적용될 경우 팽창밸브(130)는 콘트롤러(400)의 제어에 의해 동작 및 개방비율 등이 조절되며, 기계식 밸브가 적용될 경우 미리 설정된 범위에서 개방비율 등이 조절된다.

제2 냉각유닛은 열전모듈(210), 열전모듈(210)의 일측면에 설치되는 콜드싱크(220) 및 열전모듈(210)의 타측면에 설치되는 핫싱크(230)를 포함한다. 도시된 바와 같이 콜드싱크(220)는 공정유체 유로(50)의 경로 상에 설치된다.

열전소자(Thermoelectric Element)는 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용한 전자소자로서, P형 및 N형 열전 반도체를 연결한 형태를 가지며, 직류 전원을 연결할 경우 일단에서는 흡열 현상이 일어나고 타단에서는 발열 현상이 일어난다. 이러한 열전소자를 복수 개 연결하여 구성한 열전모듈(Thermoelectric Module)은 고체 구조로 인한 높은 신뢰성, 반영구적인 수명 및 온도 제어의 정밀성 및 용이성 등의 장점으로 인해 반도체 공정, 컴퓨터 CPU의 냉각 및 자동차용 온도 조절시트 등과 같이 정밀 온도 조절이 필요한 분야에 널리 이용이 되고 있다.

콘트롤러(400)는 PID 연산을 통하여 제어량을 계산한 후 미도시된 전원공급장치로 송신하고, 이를 수신한 전원공급장치는 그 양에 따라서 출력량을 조절하여 열전모듈에 인가하게 되며, 열전모듈(210)은 인가되는 전압의 크기에 따라 흡열량 또는 발열량이 달라지게 된다.

콜드싱크(220)은 열전모듈(210의 일측면 즉, 흡열면에 부착되어 열전모듈(210)의 동작에 의해 냉각되게 된다. 여기서 콜드싱크(220)는 증발기(140)와 마찬가지로 열교환기의 역할을 하는 것인데, 콜드싱크(220)는 열전모듈(210)의 동작에 의해 냉각됨으로써 콜드싱크(220) 내부를 흐르는 공정유체를 냉각시키게 된다.

핫싱크(230)는 열전모듈(210)의 타측면 즉, 방열면에 부착되어 열전모듈(210)을 방열시키게 된다. 한편, 열전모듈(210)의 냉각 성능을 잘 유지하기 위해서는 핫싱크(230)에서 방열이 효율적으로 이루어져야 하는데, 종래에는 일반적으로 공기나 별도 팬(fan)에 의한 공냉식 구조나, 내부에 PCW(Process Cooling Water)를 순환시키도록 하는 수냉식 구조가 적용되는데, 이와 같은 방식으로는 열전모듈의 흡열면을 상온이 아닌 영하의 저온으로 구동할 경우 방열면의 방열온도가 커지게 되어 방열이 효과적으로 이루어지지 않는 문제점이 있다. 방열이 효과적으로 이루어지지 않을 경우 열전모듈의 성능은 저하된다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 칠러에 의하면 응축기(120)에서 나오는 냉매의 일부가 핫싱크(230)로 유입되어 방열시키게 된다. 즉, 제1 냉각유닛의 냉매 유로(150)는 상기 응축기(120)를 거친 후, 냉매가 상기 증발기(140)로 유입되는 경로인 제1 냉매 유로(150a)와 상기 핫싱크(230)로 유입되는 경로인 제2 냉매 유로(150b)로 분기된다.

한편, 제2 냉매 유로(150) 중 핫싱크(230)의 상류 지점에는 방열 팽창밸브(240)가 설치된다. 방열 팽창밸브(240)는 전술한 팽창밸브(130)와 동일한 역할을 하는 것으로써, 방열 팽창밸브(240)를 거친 냉매는 압력과 온도가 낮춰진 기체상태가 되어 핫싱크(230)로 유입되어 핫싱크(230)를 방열시키게 된다.

이와 같이 본 발명에 의하면 저온 공정에 사용되는 열전모듈의 방열면에 부착되는 핫싱크(230)를 저온의 냉매 가스를 이용하여 방열시킴으로써, 방열이 더욱 효율적으로 이루어져 결국 열전모듈의 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 저온의 냉매 가스를 별도의 냉매 공급원으로부터 공급받는 것이 아니라, 제1 냉각유닛을 순환하는 냉매를 이용하는 것이므로, 장치의 소형화를 구현할 수 있게 된다.

분기된 냉매 유로는 다시 합쳐지는데, 즉 제1 냉매 유로(150)에서 증발기(140)를 거친 냉매와, 제2 냉매 유로(150)에서 핫싱크(230)를 거친 냉매는 일정 지점에서 서로 합쳐진 후 다시 압축기(110)로 유입되게 된다.

펌프(500)는 상기 공정유체 유로(50) 상에 설치되어 공정유체를 순환시키도록 한다. 도시된 바와 같이 펌프(500)는 정전척(10) 상류에 설치될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 정전척(10) 하류에 설치될 수 있음은 물론이다.

콘트롤러(400)는 본 발명에 따른 하이브리드 칠러의 구성요소들의 동작을 제어하며, 구체적으로 제1 냉각유닛 및 제2 냉각유닛의 출력 온도를 제어하여 공정유체가 설정된 온도로 정전척(10)으로 유입되도록 한다. 즉, 각 유로 상에 설치된 온도센서로부터 수신된 온도정보를 이용하여, 공정유체의 온도를 조절하게 된다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저 공정유체 유로(50) 상의 상기 정전척(10)의 유입단 또는 정전척(10)의 유출단에는 정전척으로 유입되거나 또는 정전척으로부터 유출되는 공정유체의 온도(T1 또는 T1')를 감지하는 제1 온도센서(310, 310')가 설치되고, 공정유체 유로(50) 상의 상기 증발기(140)의 유출단에는 증발기(140)를 빠져나와 콜드싱크(220)로 유입되는 공정유체의 온도(T2)를 감지하는 제2 온도센서(320)가 설치되고, 공정유체 유로(50) 상의 상기 핫싱크(230)에는 핫싱크의 온도(T3)를 감지하는 제3 온도센서(330)가 설치된다. 상기 제1 온도센서(310, 310')는 정전척(10)의 유입단 또는 정전척(10)의 유출단에 택일적으로 설치될 수 있다.

콘트롤러(400)는 제1 온도센서(310)로부터 수신되는 온도정보를 이용하여 열전모듈(210)의 출력을 제어한다. 전술한 바와 같이 콘트롤러(400)는 열전모듈(210)에 인가되는 전압의 크기를 제어하여 출력량 즉 냉각량을 조절함으로써, 콜드싱크(220)를 통과하는 공정유체의 온도를 정밀 조절하게 된다.

그리고, 콘트롤러(400)는 제2 온도센서(320)로부터 수신되는 정보를 이용하여 팽창밸브(130)의 출력을 제어한다. 또한, 콘트롤러(400)는 제3 온도센서(330)로부터 수신되는 정보를 이용하여 상기 방열 팽창밸브(240)의 출력을 제어한다. 즉, 콘트롤러(400)는 팽창밸브(130)와 방열 팽창밸브(240)의 개방비율 등을 조절하여, 각 팽창밸브를 통과하는 냉매의 온도를 조절함으로써, 증발기를 통과하는 공정유체의 온도와 핫싱크의 온도를 각각 일정하게 조절할 수 있게 된다. 전술한 바와 같이, 팽창밸브(130)는 공지된 다양한 밸브 즉, 전자식 밸브 또는 기계식 밸브가 적용될 수 있는데, 전자식 밸브가 적용될 경우 팽창밸브(130)는 콘트롤러(400)의 제어에 의해 동작 및 개방비율 등이 조절되며, 기계식 밸브가 적용될 경우 미리 설정된 범위에서 개방비율 등이 조절된다.

콘트롤러(400)는 제1 냉각유닛의 증발기(140)에서 70~80%의 부하를 감당하도록 1차로 공정유체를 냉각하고, 제2 냉각유닛의 콜드싱크(220)에서 20~30%의 부하를 감당하도록 2차로 공정유체를 냉각하게 된다. 증발기(140)를 통과하는 공정유체는 대략 목표 설정온도(SV)에서 일정범위 예를 들어 ±2~3℃ 이내로 러프하게 온도를 조절하고, 콜드싱크(220)를 통과하여 최종으로 정전척(10)으로 유입되는 공정유체는 목표 설정온도(SV)에서 ±0.1℃ 이내로 정밀하게 온도를 조절시키도록 한다.

여기서 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 콘트롤러(400)는 증발기(140)를 통과하는 공정유체가 상기 목표 설정온도(SV)보다 일정 높은 온도가 되도록 즉, +2~3℃ 높도록 제어할 수 있는데, 이 경우 콘트롤러(400)는 상기 열전모듈(210)을 정역제어가 아닌 냉각제어만 하도록 하게 된다.

열전모듈에 인가되는 전압의 극성을 반대로 할 경우 흡열면이 방열면으로 방열면이 흡열면으로 전환되며 이것을 정역제어라 하는데, 이렇게 열전모듈을 정역제어하게 될 경우 냉각제어만 하는 경우에 비해 온도제어 반응속도가 느리게 된다. 따라서, 전술한 바와 같이 콘트롤러(400)가 열전모듈(210)을 냉각제어만 하게 될 경우, 콜드싱크(220)는 냉각기의 역할만 하게 되어 온도제어 반응속도를 높일 수 있는 이점이 있다.

한편, 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 칠러는 두 개의 케이스로 구분되어 각각의 구성요소가 두 개의 케이스에 나뉘어서 설치된다. 즉, 정전척(10)의 근방에 제1 케이스(20)를 배치하고, 정전척(10) 또는 제1 케이스(20)로부터 원거리에 제2 케이스(30)를 배치한다. 그리고, 상기 제2 케이스(30)에 비교적 부피가 큰 제1 냉동유닛의 압축기(110)와 응축기(120)를 설치하도록 하고, 상기 제1 케이스(20)에 부피가 작으며 공정유체의 온도조절에 직접적으로 관여하는 팽창밸브(130)와 증발기(140), 열전모듈(210)과 방열 팽창밸브(240)와 콜드싱크(220) 및 핫싱크(230)를 설치하도록 한다.

부피가 클 경우 정전척(10)의 근방에 설치할 수 없게 되므로, 따라서 부피가 비교적 작은 제1 케이스(20)는 정전척(10)의 근방에 배치할 수 있고, 부피가 비교적 큰 제2 케이스(30)는 정전척(10)으로부터 먼 위치에 배치하도록 한다. 또한, 공정유체는 제1 케이스(20) 내부를 거치게 되므로, 결국 정전척(10)을 순환하는 공정유체 유로(50)의 길이를 짧게 하도록 함으로써, 공정유체의 온도를 안정적으로 제어할 수 있게 된다.

이하 상기 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 칠러의 동작을 살펴보기로 한다.

여기서 정전척(10)에 유입되는 공정유체의 목표 설정온도(SV)가 -10℃로 가정하기로 한다.

압축기(110)와 응축기(110)을 거친 냉매는 냉매 유로(150)를 순환하면서 분기점에서 분기되어 일부는 팽창밸브(130) 쪽으로 유입되고, 나머지 일부는 방열 팽창밸브(240) 쪽으로 유입된다. 예를 들어 공정유체의 목표 설정온도가 -10℃일 경우 팽창밸브(130)와 방열 팽창밸브(240)를 통과하는 냉매의 온도는 대략 -15℃~-20℃의 범위내에서 조절될 수 있다.

콘트롤러(400)는 증발기(140)의 유출단에 설치되는 제2 온도센서(320)에서 감지되는 공정유체의 온도(T2)를 이용하여, 증발기(140)를 지나는 대용량이며 급격한 부하의 공정유체가 증발기(140)를 통과하면서 그 온도가 상기 목표 설정온도(SV)보다 대략 +2~3℃ 이내가 되도록 팽창밸브(130)를 제어하도록 한다.

증발기(140)를 거치면서 냉매에 의해 열이 흡수되어 1차 냉각된 공정유체는 콜드싱크(220)로 유입되는데, 이 때 콘트롤러(400)는 상기 정전척(10)의 유입단 또는 정전척(10)의 유출단에 설치되는 제1 온도센서(310)로부터 감지되는 공정유체의 온도(T1 또는 T1')를 이용하여, 콜드싱크(220)를 통과하여 정전척(10)으로 유입되는 공정유체의 온도를 목표 설정온도(SV)에 맞게 냉각하도록 열전모듈(210)의 출력을 제어하게 된다. 콘트롤러(400)는 열전모듈(210)에 공급하는 공급전압을 선형의 PID 제어함으로써 콜드싱크(220)를 통과하는 공정유체의 온도를 정밀하게 제어할 수 있는데, 목표 설정온도(SV)에서 대략 ±0.1℃ 이내로 제어할 수 있게 된다.

제1 온도센서(310)는 수율 향상을 위해 공정상황에 맞게 정전척(10)의 유입단 또는 정전척(10)의 유출단에 설치될 수 있음은 전술한 바와 같은데, 일반적으로 정전척(10)에서 발생하는 부하를 빠르게 감지하여 온도제어의 반응속도를 높이기 위해서는 상기 제1 온도센서(310)가 정전척(10)의 유출단에 설치되는 것이 좋다.

이와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 칠러에 의하면, 제1 냉각유닛의 증발기(140)에서 70~80%의 부하를 감당하도록 냉각하고, 제2 냉각유닛의 콜드싱크(220)에서 20~30%의 부하를 감당하도록 냉각함으로써, 전체 장비의 크기를 줄일 수 있는 동시에 저온 구동이면서 대용량 부하를 요구하는 공정유체의 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 이점이 있다. 즉, 종래의 냉동사이클이 적용되는 냉동식 칠러만 사용할 때보다 70~80%의 부하를 감당하므로 결국 압축기와 응축기의 사이즈를 줄일 수 있고, 나머지 부하를 작은 규모의 전기식 칠러(열전모듈)가 감당하도록 함으로써, 결국 장치의 부피를 줄이는 동시에 온도정밀도를 높이는 특유의 효과가 있다.

또한, 콘트롤러(400)는 핫싱크(230)에 설치된 제3 온도센서(330)로부터 감지되는 핫싱크(230)의 온도(T3)를 이용하여, 핫싱크(230)로 유입되는 저온의 냉매가 핫싱크(230)의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 방열 팽창밸브(240)를 제어하도록 한다. 이렇게 핫싱크(230)를 효율적으로 방열시켜 일정하게 온도를 맞출 수 있도록 저온의 냉매 가스를 안정적으로 공급함으로써, 결국 열전모듈(210)의 냉각 성능을 높일 수 있게 된다.

한편, 전술한 바와 같이 정전척(10)의 근방에 제1 케이스(20)를 배치하고 정전척(10) 또는 제1 케이스(20)로부터 원거리에 제2 케이스(30)를 배치하는데, 상기 제2 케이스(30)에 비교적 부피가 큰 압축기(110)와 응축기(120)를 설치하도록 하고, 상기 제1 케이스(20)에 부피가 작으며 공정유체의 온도조절에 직접적으로 관여하는 팽창밸브(130)와 증발기(140), 열전모듈(210)과 방열 팽창밸브(240)와 콜드싱크(220) 및 핫싱크(230)를 설치하도록 함으로써, 결국 정전척(10)을 순환하는 공정유체 유로의 길이를 짧게 하도록 함으로써 공정유체의 온도를 안정적으로 제어할 수 있게 된다.

전술한 바와 같이 공정유체 유로(50)가 길 경우 공정유체의 경로가 그만큼 길어지고 또한 순환 시간이 늘어나는 것이므로, 경로 이동중에 에너지 손실 즉, 온도가 올라가게 되므로 온도를 안정적으로 제어할 수 없게 된다. 그러나, 본 발명에 의하면 공정유체 유로(50)를 짧게 함으로써 경로 이동 중 온도의 변화를 최소화할 수 있어, 결국 온도 제어의 안정화를 꾀할 수 있는 이점이 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10. 정전척 20. 제1 케이스
30. 제2 케이스 50. 공정유체 유로
110. 압축기 120. 응축기
130. 팽창밸브 140. 증발기
210. 열전모듈 220. 콜드싱크
230. 핫싱크 240. 방열 팽창밸브
310. 제1 온도센서 320. 제2 온도센서
330. 제3 온도센서 400. 콘트롤러

Claims (6)

1. 냉각 대상물인 정전척(ESC,10)으로 유입되어 냉각 대상물을 냉각시킨 후 빠져나오는 공정유체의 순환 유로인 공정유체 유로(50);
   압축기(110), 응축기(120), 팽창밸브(130), 증발기(140) 및 이들을 순차적으로 순환하는 냉매의 유로인 냉매 유로(150)를 포함하며, 상기 증발기(140)가 상기 공정유체 유로(50)의 경로상에 설치되어 상기 증발기(140)를 거치면서 증발되는 냉매와 상기 공정유체를 열교환시켜 상기 공정유체를 1차로 냉각시키도록 하는 제1 냉각유닛;
   열전모듈(210), 상기 열전모듈(210)의 일측면에 설치되는 콜드싱크(220), 상기 열전모듈(210)의 타측면에 설치되는 핫싱크(230)를 포함하며, 상기 콜드싱크(220)가 상기 공정유체 유로(50)의 경로상 상기 증발기(140)의 후류에 설치되어 증발기(140)를 거친 공정유체를 열교환시켜 상기 공정유체를 2차로 냉각시켜 냉각 대상물로 유입시키는 제2 냉각유닛;
   상기 공정유체 유로(50) 상에 설치되어 공정유체가 공정유체 유로(50)를 순환하도록 하는 펌프(500); 및,
   상기 제1 냉각유닛 및 제2 냉각유닛의 출력을 제어하여 상기 공정유체의 온도를 제어하는 콘트롤러(400)를 포함하는 하이브리드 칠러.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 공정유체 유로(50) 상의 상기 증발기(140)의 유출단에는 유출되는 공정유체의 온도(T2)를 감지하는 제2 온도센서(320)가 설치되고, 상기 콘트롤러(400)는 상기 제2 온도센서(320)로부터 수신되는 온도정보를 이용하여 상기 팽창밸브(130)의 출력을 조절하여 공정유체의 1차 냉각 온도를 제어하고,
   상기 공정유체 유로(50) 상의 상기 정전척(10)의 유입단 또는 정전척(10)의 유출단에는 유입 또는 유출되는 공정유체의 온도(T1 또는 T1')를 감지하는 제1 온도센서(310,310')가 설치되고, 상기 콘트롤러(400)는 상기 제1 온도센서(310,310')로부터 수신되는 온도정보를 이용하여 상기 열전모듈(210)의 출력을 조절하여 공정유체의 2차 냉각 온도를 제어하는 하이브리드 칠러.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 냉매 유로(150)는 상기 압축기(110)와 응축기(120)를 거친 일정 지점에서 냉매가 상기 증발기(140)로 유입되는 경로와 상기 핫싱크(230)로 유입되는 경로로 분기되며, 상기 증발기(140)를 거친 냉매와 상기 핫싱크(230)를 거친 냉매는 일정 지점에서 다시 합쳐져서 상기 압축기(110)로 유입되며,
   상기 냉매 유로 상 상기 핫싱크(230) 상류에는 방열 팽창밸브(240)가 설치되며, 상기 방열 팽창밸브(240)는 냉매의 압력을 낮추어 기체상태로 만들어 상기 핫싱크(230)로 보내 핫싱크(230)를 방열시키는 하이브리드 칠러.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 핫싱크(230)에는 핫싱크의 온도(T3)를 감지하는 제3 온도센서(330)가 설치되고, 상기 콘트롤러(400)는 상기 제3 온도센서(330)로부터 수신되는 정보를 이용하여 상기 방열 팽창밸브(240)의 출력을 조절하여 상기 핫싱크가 일정 온도를 유지하도록 제어하는 하이브리드 칠러.
   
5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 콘트롤러(400)는 상기 증발기(140)를 통과하는 공정유체의 1차 냉각 온도를, 상기 콜드싱크(220)를 통과하는 공정유체의 2차 냉각 온도보다 일정범위 높도록 제어하여, 상기 열전모듈(210)을 정역제어가 아닌 냉각제어만 하도록 하는 하이브리드 칠러.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 하이브리드 칠러는 상기 냉각 대상물의 근방에 설치되는 제1 케이스(20)와, 상기 제1 케이스(20)로부터 원거리 설치되는 제2 케이스(30)를 포함하며,
   상기 제1 냉각유닛의 압축기(110)와 응축기(120)는 상기 제2 케이스(30)에 설치되고,
   상기 제1 냉각유닛의 팽창밸브(130)와 증발기(140), 상기 제2 냉각유닛의 열전모듈(210)과 콜드싱크(220) 및 핫싱크(230)는 상기 제1 케이스(20)에 설치되는 하이브리드 칠러.
   

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