KR101578993B1 - 펌프의 유량 제어 방법 및 도막 형성 방법 - Google Patents

Abstract

슬라이딩부를 가지는 구동계로 구동되어 액체를 수송하는 펌프(10)의 유량 제어 방법으로서, 펌프(10)의 동작 초기에, 미소한 제1 유량(R1)으로 유량을 유지한 후, 정상의 제2 유량(R)까지 유량을 증가시킨다. 이 방법에 의하면, 펌프(10)의 동작 초기에, 스틱 슬립 현상이 생기지 않도록 펌프(10)가 미소한 제1 유량으로 안정되어 있는 상태를 미리 만들어 두고, 그 상태에서 펌프 유량을 증가시키므로, 정마찰에서 동마찰로의 이행이 없고, 모터(12)의 스틱 슬립 현상에 의한 펌프의 유량의 불규칙함이 억제된다. 이것에 의해, 펌프(10)의 동작 초기의 유량을 안정되게 제어할 수 있게 된다.

Description

펌프의 유량 제어 방법 및 도막 형성 방법{FLOW RATE CONTROL METHOD FOR PUMP AND COATING FILM FORMING METHOD}

본 발명은, 액체를 수송하는 펌프의 유량을 제어하는 방법, 및 펌프에 의해 수송되는 도료를 도포면에 토출하여 도막을 형성하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 액체의 수송용으로 사용되는 피스톤 펌프, 다이어프램 펌프 등의 용적 펌프에서는, 슬라이딩부가 있기 때문에 미소한 스틱 슬립 현상이 발생하며, 그 시간적, 위치적 지연을 회복하기 위해, 써보모터 등 피드백 기구를 구비한 모터에 의해 펌프의 유량을 제어하도록 하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조.).

도 3은, 이러한 다이어프램 펌프의 일례의 개략 구성을 나타내는 블록이다. 이 펌프(10)는, 본체(11), 리니어 모터(12), 피스톤(13), 다이어프램(14), 연결 블록(16), 리니어 모터 블록(17), 리니어 모터 가이드(18)를 구비한다.

본체(11)의 일단면에는, 흡입구(11A) 및 토출구(11B)가 형성된다. 본체(11)의 타단면측에는, 리니어 모터(12)가 장착된다. 본체(11) 내에는 압력실(11C) 및 동력실(11D)이 형성되어 있다. 압력실(11C)과 동력실(11D)은, 본체(11)에 지지된 다이어프램(14)에 의해 이격되어 있다. 흡입구(11A) 및 토출구(11B)는, 압력실(11C)에 연통한다. 동력실(11D)에는, 리니어 모터 가이드(18)가 본체(11)의 내벽에 설치된다. 리니어 모터 가이드(18)에는 리니어 모터 블록(17)이 슬라이드 가능하게 설치된다. 피스톤(13)은, 연결 블록(16)을 통하여 리니어 모터 블록(17)에 연결된다. 다이어프램(14)의 동력실(11D)측의 면에는 보스(14A)가 돌출 설치되어 있다. 보스(14A)에는 피스톤(13)의 선단이 끼워져 있다.

이 다이어프램 펌프의 구성에서, 리니어 모터(12)가 구동되면, 피스톤(13)이 일정한 직선 궤도를 왕복 운동하고, 이것에 연동하여 다이어프램(14)도 왕복 운동한다. 이것에 의해, 압력실(11C) 내의 압력의 맥동이 발생하여, 흡입구(11A)로부터 빨려 들여간 액체가 토출구(11B)로부터 토출되게 된다.

리니어 모터(12)는 피드백 기구를 구비한다. 즉, 사령부(20)가 제어부(30)를 통하여 리니어 모터(12)를 제어하고, 검출기(40)는 제어 상태를 확인하여 제어부(30)에 피드백한다. 제어부(30)는, 검출 신호와 지령 신호(목표값)를 비교하여, 차가 있는 경우, 리니어 모터(12)를 목적값과의 차분을 감소시키는 방향으로 동작시킨다. 이렇게 하여, 목적 위치와의 차분은 감소되어 간다. 이 절차가 반복되어, 최종적으로 목적값에 도달하거나, 허용 범위에 들어갈 때까지 계속된다.

도 4(A)에 나타내는 바와 같이, 펌프(10)의 대기 중인 시간 T1까지는 지령 신호가 제로이며, 시간 T1에 있어서 지령 신호를 제로부터 리니어에 증가시켜 시간 T2(T2＞T1)에서 정상값(定常値) S에 이르고, 이후 그 값으로 유지하는 경우를 생각한다.

상기 펌프(10)의 구성에서는, 리니어 모터 블록(17)이 리니어 모터 가이드(18)를 따라 슬라이드하기 때문에, 그 슬라이딩부 F에 있어서 정마찰에서 동마찰로 이행하는 극히 초기에 스틱 슬립 현상이 일어난다. 즉, 리니어 모터(12)의 실동 상태를 나타내는 검출 신호는, 지령 신호에 추종하지 못하고, 조금 지연되어 시간 T1＇(T1＇＞T1)부터 증가하기 시작한다. 이것에 의해, 검출 신호와 목표값 사이에 차가 생긴다. 상기 피드백 기구는, 이 차분을 감소시키도록 제어한다.

그러나, 피드백 기구에 특유의 제어로서 난점이기도 하지만, 부족을 빠르게 회복하려고 하여, 신호에 가속이 붙어, 시간 TA(T1＜TA＜T2)에서 검출 신호가 목표값에 이른 후, 그 가속의 기세가 갑자기 멈추지는 않아, 도시한 바와 같이 오버되어 버린다. 이번에는 이 과잉을 없애려고, 역방향으로 피드백 기구가 움직인다. 따라서, 차가 제로 부근으로 수렴하려면 어느 정도의 시간 TB(TA＜TB＜T2)가 걸려 버린다.

이와 같이 피드백 기구가 움직이고 있는 동안의 리니어 모터(12)의 동작은 펌프(10)의 유량에도 영향을 준다. 즉, 도 4(B)의 예에서는, 시간 T1~TA 사이는 유량이 이상(理想) 유량보다 부족하고, 시간 TA~TB 사이는 유량이 이상 유량보다 과잉이 된다. 즉, 적어도 시간 T1~TB 사이는 펌프의 유량이 흐트러져 불안정해진다. 특히, 펌프의 유량이 제품의 품질에 직접적으로 영향을 주는 용도, 예를 들면, 고형분 농도가 높고 액막의 형상이 그대로 건조막에 반영되는 용도나 기판 상에 막두께 100nm 이하의 박막을 균일하게 형성하는 용도 등에서는, 펌프의 동작 초기의 막두께를 제어하지 못하여, 기판 상에 도포한 면적을 유효 이용할 수 없는 문제가 있다.

일본국 특허공개 2005-76492호 공보

본 발명은, 상기의 기술적 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 펌프의 동작 초기의 유량을 안정되게 제어할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 펌프의 유량 제어 방법은, 슬라이딩부를 가지는 구동계로 구동되어 액체를 수송하는 펌프의 유량 제어 방법으로서, 펌프의 동작 초기에, 미소한 제1 유량으로 유량을 유지한 후, 정상의 제2 유량까지 유량을 증가시킨다.

이 방법에 의하면, 펌프의 동작 초기에, 스틱 슬립 현상이 생기지 않도록 펌프가 미소한 제1 유량으로 안정되어 있는 상태를 미리 만들어 두고, 그 상태에서 펌프 유량을 증가시키므로, 정마찰에서 동마찰로의 이행이 없고, 모터의 스틱 슬립 현상에 의한 펌프의 유량의 불규칙함이 억제된다. 이것에 의해, 펌프의 동작 초기의 유량을 안정되게 제어할 수 있게 된다. 예를 들면, 상기 제1 유량에서 상기 제2 유량까지, 리니어에 유량을 증가시키는 제어가 가능하다. 또한, 정지 상태에서 제1 유량으로 토출하는 경우에 발생하는 스틱 슬립에 의한 유량 토출 불안정은 제1 유량이 극히 미량이기 때문에, 막에 대한 영향은 극히 미소하여 억제할 수 있다.

또, 본 발명의 도막 형성 방법은, 상기 방법에 의해 유량이 제어되는 펌프 및 상기 펌프에 의해 수송되는 도료를 토출하는 노즐 헤드를 이용한 도막 형성 방법으로서, 상기 노즐 헤드를 평탄한 도포면에 근접시켜, 상기 노즐 헤드로부터 연속해서 상기 도료를 토출함으로써 상기 노즐 헤드와 상기 도포면 사이에 상기 도료의 액고임을 형성함과 함께, 상기 도포면을 수평 이동시킴으로써 상기 도료의 액고임을 상기 도포면 상에서 상대적으로 이동시키도록 한다.

이것에 의하면, 노즐 헤드로부터 토출되는 도료의 이동 궤적을 따라 도포면에 도료의 도막이 형성된다. 이 도막은, 도포면의 이동 속도를, 상기 펌프의 유량에 동기시킴으로써, 막두께를 제어할 수 있다. 구체적으로는, 도포면의 이동 속도와 펌프의 유량 사이에 비례 관계가 성립하도록 함으로써, 막두께를 균일하게 할 수 있다.

또한, 도포면을 수평 이동하는 대신에, 노즐 헤드를 가동 지지 부재에 지지하여, 노즐 헤드를 도포면 상에서 수평 이동시키도록 해도 된다. 이것에 의해서도, 도료의 액고임을 도포면 상에서 이동시켜, 동일하게 도막을 형성하는 것이 가능하다.

이 발명에 의하면, 펌프의 동작 초기의 유량을 안정시키는 것이 가능해진다.

도 1(A)는 본 발명 방법에 의한 펌프의 동작 초기에 있어서의 모터 구동의 지령 신호 및 검출 신호의 시간 변화의 일례를 나타내는 도이다. 도 1(B)는 본 발명 방법에 의한 펌프의 동작 초기의 유량의 시간 변화를 나타내는 도이다.
도 2는 본 발명의 펌프의 유량 제어와 도포 속도 제어의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 3은 다이어프램 펌프의 일례의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 4(A)는 종래 방법에 의한 펌프의 동작 초기에 있어서의 모터 구동의 지령 신호 및 검출 신호의 시간 변화의 일례를 나타내는 도이다. 도 4(B)는 종래 방법에 의한 펌프의 동작 초기의 유량의 시간 변화를 나타내는 도이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 관련된 펌프의 유량 제어 방법을 설명한다. 이하의 설명에서는, 용적 펌프의 일례로서 도 3과 동일한 구성의 다이어프램 펌프를 이용한 경우를 예로 설명한다. 또한, 본 발명이 적용되는 펌프는 다이어프램 펌프에 한정되지 않는다. 예를 들면, 피스톤 펌프 등의 스틱 슬립 현상이 발생하는 펌프에도 적용 가능하다.

본 발명에서는, 도 1(A)에 나타내는 바와 같이, 리니어 모터(12)의 대기 중인 시간 T1에 이를 때까지, 미리 미소한 소정의 신호값 S1의 지령 신호를 부여하고, 검출 신호를 지령 신호에 일치시켜 둔다. 즉, 리니어 모터(12)를 미소한 입력으로 웜업 구동시켜 두어, 미리 스틱 슬립 현상이 발생하지 않는 상태, 즉 동마찰력을 받아, 피드백 제어에 의한 펌프 유량의 불규칙함이 억제된 상태로 해 둔다. 이와 같이 함으로써, 시간 T1에서는 검출 신호가 지령 신호에 추종 가능한 상태가 된다.

그리고, 시간 T1에서 시간 T2까지 리니어에 지령 신호를 정상값 S까지 증가시키고, 이후 이 정상값을 유지하도록 한다. 검출 신호는 지령 신호에 추종 가능하게 되어 있으므로, 지령 신호 대로 리니어 모터(12)가 구동된다.

이 결과, 도 1(B)에 나타내는 바와 같이, 펌프(10)의 유량도 시간 T1에서는 미소한 제1 유량 R1로 안정되어 있으며, 시간 T1부터 시간 T2까지 리니어에 유량이 증가하고, 이후 정상 유량인 제2 유량 R로 유지된다. 따라서, 시간 T1 이후의 펌프(10)의 유량을 완전하게 제어 하에 두는 것이 가능해져, 종래에서는 유량을 제어할 수 없었던 시간대(도 4의 시간 T1~TB 참조.)에 있어서도 유량을 안정되게 제어할 수 있게 된다.

반대로 말하면, 시간 T1까지의 유량은 제어할 수 없게 되지만, 이 동안에 수송되는 액체는 극히 미량이기 때문에, 액체의 소비량에는 그다지 영향이 없다. 또, 후술하는 도막 형성의 용도에서는, 이 동안은 도포면에 형성된 비드로 불리는 액고임을 유지하고 있는 단계(도 4의 단계＃6 참조.)이며, 유효한 도막으로서 이용되기 때문에 불필요해지는 일은 없다.

상기 서술한 본 발명의 펌프의 유량 제어 방법은, 펌프의 유량이 제품의 품질에 직접적으로 영향을 주는 용도, 예를 들면, 기판 상에 막두께 10μm 이하의 도막을 균일하게 형성하는 용도에 유효하다.

이하, 도 2를 이용하여 본 발명 방법에 의해 유량이 제어되는 펌프 및 상기 펌프에 의해 수송되는 액체 상태의 도료를 토출하는 노즐 헤드를 이용한 도막 형성 방법을 설명한다. 도 2는, 이 도막 형성 방법에 있어서의 펌프의 유량 제어와 도포 속도 제어의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.

우선, 노즐 헤드(50) 내의 기포를 제거하고 액량을 조정하기 위해 프라이밍이라는 준비 공정을 행한다. 프라이밍은, 펌프의 유량이 제로부터 소정의 프라이밍 유량(도 2에서는, 20μL/s)까지 리니어에 증가시키기 위해 펌프(10)를 동작시켜, 노즐 헤드(50)로부터, 정지한 프라이밍 롤러(60)의 표면에 도료를 서서히 토출한다(단계＃1). 이것에 의해, 노즐 헤드(50) 내의 기포는 배출되고, 노즐 헤드(50) 선단부를 감싸는 구슬 형상의 액고임(101)이 프라이밍 롤러(60)의 표면에 형성된다.

그리고, 프라이밍 롤러(60)를 일정 시간 회전시킴으로써 액량을 조정한다(단계＃2). 이 동안, 펌프의 유량을 상기 프라이밍 유량으로 잠시 유지한 후, 프라이밍 롤러(60)의 회전이 정지할 때까지는, 유량이 리니어에 제로까지 감소하여 정지하도록 펌프(10)의 동작을 제어한다. 프라이밍 롤러(60)의 회전이 정지했을 때에는, 도료의 토출은 멈추고, 노즐 헤드(50)의 선단면에 액적(102)이 표면 장력에 의해 형성된다.

그리고, 액적(102)을 선단에 가지는 노즐 헤드(50)를 기판(70) 상에 이동시킨다(단계＃3). 노즐 헤드(50)의 선단은 기판(70)의 도포면에 근접되어, 소정의 간격을 유지한 비접촉 상태로 노즐 헤드(50)는 정점(定點)에 고정된다. 기판(70)은 수평 이동 가능한 가동 스테이지(도시하지 않음)에 올려 놓아져 있는 것으로 한다.

그리고, 펌프(10)를 동작시켜 노즐 헤드(50)로부터 연속해서 도료를 토출함으로써 노즐 헤드(50) 선단과 도포면 사이에 비드로 불리는 도료의 액고임(103)을 형성한다(단계＃4). 이 동안, 가동 스테이지는 정지시킨 상태이며, 펌프(10)의 유량은 제로부터 액고임(103)의 형성용의 예비 유량까지 리니어에 증가시켜, 예비 유량으로 유지한 후, 리니어에 감소시키도록 펌프(10)를 제어한다. 이 때, 상기 서술한 본 발명에 특징적인 제어로 이행하기 위해, 도시한 바와 같이, 감소시키는 유량의 목표값을 제로로 설정하는 것이 아니라, 미소한 제1 유량(도 2에서는, 0.2μL/s)으로 설정한다.

그리고, 펌프의 유량을 이 미소한 제1 유량으로 유지하도록 펌프(10)의 동작을 유지한다(단계＃5). 이 제1 유량은, 정상 유량의 제2 유량(도 2에서는, 100μL/s)의 0.2%와 같은 극히 미소한 양이기 때문에, 이 동안에 토출되는 도료도 극히 미량이며, 프로세스 비용적으로도 문제되지 않는 양이다.

그 후, 펌프(10)와 가동 스테이지를 동시에 동작시켜 도포(도막 형성)를 행한다(단계＃6). 이 때, 펌프의 유량을 제1 유량에서 정상 유량인 제2 유량(도 2에서는, 100μL/s)까지 리니어에 증가시켜, 정상 유량으로 유지한 후, 제로까지 리니어에 감소시키도록 펌프(10)의 동작을 제어한다. 이것에 의해, 도포 공정의 초기에 모터의 스틱 슬립에 기인하는 펌프의 유량의 불규칙함이 생기지 않는다. 따라서, 도포 공정 동안, 펌프의 유량을 안정되게 제어하는 것이 가능해진다.

이 도포 공정(단계＃6)에서는, 가동 스테이지를 동작시켜, 기판(70)을 수평 이동시킨다. 이것에 의해, 액고임(103)이 기판(70)의 도포면 상을 이동하고, 그 이동 궤적을 따라 도막이 형성된다. 이 때, 기판(70) 상에 형성되는 도막의 막두께는, 펌프(10)의 유량과 기판(70)의 이동 속도의 양파라미터에 의존한다. 상기와 같이 펌프(10)의 유량은 제어 하에 두고 있으므로, 기판(70)의 이동 속도를 펌프(10)의 유량 변화에 동기하도록 제어해 주면 막두께를 제어하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 막두께를 균일하게 하고 싶으면, 펌프(10)의 유량이 작으면 기판(70)의 이동 속도도 작게 하고, 펌프(10)의 유량이 크면 기판(70)의 이동 속도도 크게 하면 된다.

본 실시의 형태에서는, 기판(70)의 이동 속도와 펌프(10)의 유량에 동기시켜, 양자 사이에 비례 관계가 성립하도록 가동 스테이지의 동작을 제어한다. 구체적으로는, 도시한 바와 같이, 펌프의 유량이 제1 유량에서 제2 유량까지 리니어에 증가되는 기간에 기판(70)의 이동 속도를 제로부터 소정 속도까지 리니어에 증가시켜, 펌프 유량이 정상 유량으로 유지되는 기간에 기판(70)의 이동 속도를 소정 속도로 유지하고, 펌프 유량이 정상 유량에서 제로까지 리니어에 감소되는 기간에 기판(70)의 이동 속도를 소정 속도에서 제로까지 리니어에 감소시키도록 가동 스테이지의 동작이 제어된다. 이것에 의해, 도포 공정 동안, 도막의 막두께를 균일하게 제어하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 기판(70)을 가동 스테이지에 올리고 수평 이동시킴으로써 도료의 액고임(103)을 도포면 상에서 상대적으로 이동시키도록 했지만, 노즐 헤드(50)를 가동 지지 부재에 지지하여, 노즐 헤드(50)를 도포면 상에서 수평 이동시키도록 해도 된다. 이것에 의해서도, 도료의 액고임(103)을 도포면 상에서 이동시켜, 동일하게 도막을 형성하는 것이 가능하다.

상기 서술의 실시 형태의 설명은, 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기 서술의 실시 형태가 아닌, 특허 청구의 범위에 의해 나타낸다. 또한, 본 발명의 범위에는, 특허 청구의 범위와 균 등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

<산업상의 이용 가능성>

펌프의 유량이 품질에 직접적으로 영향을 주는 용도, 예를 들면, 약액 주입, 도장, 박막 형성(예를 들면, 기판 상에 막두께 100nm 이하의 도막을 균일하게 형성한다.)용도 등에 이용할 수 있다.

10 펌프 20 사령부
30 제어부 40 검출기
50 노즐 헤드 60 프라이밍 롤러
70 기판 103 도료의 액고임

Claims (7)

1. 슬라이딩부를 가지는 구동계로 구동되어 액체를 수송하는 펌프의 유량 제어 방법으로서, 상기 펌프를 작동시켜 액고임을 형성한 후, 상기 펌프의 작동을 유지함으로써 미소한 제1 유량으로 유량을 유지한 후, 정상(定常)의 제2 유량까지 유량을 증가시킴으로써, 상기 펌프가 정지 상태로부터 동작 상태로 이행할 때에 상기 슬라이딩부에 작용하는 마찰에 기인하는 유량의 불규칙함을 억제하는, 방법.
2. 청구항 1에 기재된 방법에 의해 유량이 제어되는 펌프 및 상기 펌프에 의해 수송되는 도료를 토출하는 노즐 헤드를 이용한 도막 형성 방법으로서, 상기 노즐 헤드를 평탄한 도포면에 근접시켜, 상기 노즐 헤드로부터 연속해서 상기 도료를 토출함으로써 상기 노즐 헤드와 상기 도포면 사이에 상기 도료의 액고임을 형성함과 함께, 상기 도포면을 수평 이동시킴으로써 상기 도료의 액고임을 상기 도포면 상에서 상대적으로 이동시키는, 도막 형성 방법.
3. 슬라이딩 부를 갖는 구동계로 구동되어 액체를 수송하는 펌프와, 상기 펌프에 의해 운송되는 도료를 토출하는 노즐 헤드를 이용한 도막 형성 방법으로서, 상기 펌프의 작동 초기에 미소한 제1 유량으로 유량을 유지한 후, 정상의 제2 유량까지 유량 증가를 시작함과 동시에, 평탄한 도포면에 근접시킨 상기 노즐 헤드에 대해 상기 도포면의 수평 이동을 시작하는, 도막 형성 방법.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
   상기 도포면의 이동 속도를 상기 펌프의 유량에 동기시키는, 도막 형성 방법.
5. 청구항 1에 기재된 방법에 의해 유량이 제어되는 펌프 및 상기 펌프에 의해 수송되는 도료를 토출하는 노즐 헤드를 이용한 도막 형성 방법으로서, 상기 노즐 헤드를 평탄한 도포면에 근접시켜, 상기 노즐 헤드로부터 연속해서 상기 도료를 토출함으로써 상기 노즐 헤드와 상기 도포면 사이에 상기 도료의 액고임을 형성함과 함께, 상기 노즐 헤드를 상기 도포면 상에서 수평 이동시킴으로써 상기 도료의 액고임을 상기 도포면 상에서 이동시키는, 도막 형성 방법.
6. 슬라이딩 부를 갖는 구동계로 구동되어 액체를 수송하는 펌프와, 상기 펌프에 의해 운송되는 도료를 토출하는 노즐 헤드를 이용한 도막 형성 방법으로서, 상기 펌프의 작동 초기에 미소한 제1 유량으로 유량을 유지한 후, 정상의 제2 유량까지 유량 증가를 시작함과 동시에, 평탄한 도포면에 근접시킨 상기 노즐 헤드의 상기 도포면 상에서의 수평 이동을 시작하는, 도막 형성 방법.
7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
   상기 노즐 헤드의 이동 속도를 상기 펌프의 유량에 동기시키는, 도막 형성 방법.
   
   
   
   
   
   
   

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