KR102049814B1 - 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비접촉 방식으로 대상물을 가열하기 위하여 비열이 큰 램프를 이용하면서도 오버슈팅 없이 고속으로 온도를 제어할 수 있도록 한 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치에 관한 것으로, 고온 제어가 가능한 램프를 이용하면서 온도 제어 구간을 3개로 구분하고, 각 구간을 기울기에 대한 제어, 감온 타이밍 제어, 온도 편차 제어와 같은 각각 상이한 방식으로 제어하되, 각 구간의 제어가 서로 연동되도록 함으로써 비열이 큰 램프를 이용하는 비접촉 가열방식으로서 오버슈트를 방지하면서 원하는 목표 온도로 급속 제어할 수 있음과 아울러 가열 과정에서 시간당 온도변화 기울기를 제어하여 온도 변화 정도를 결정하거나 목표 온도 도달 시간을 결정할 수 있는 효과가 있다.

Description

램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치{Rapid Contactless heating apparatus using lamp}

본 발명은 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치에 관한 것으로, 특히 비접촉 방식으로 대상물을 가열하기 위하여 비열이 큰 램프를 이용하면서도 오버슈팅 없이 고속으로 온도를 제어할 수 있도록 한 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치에 관한 것이다.

온도를 정밀하게 제어하는 기술은 다양한 산업 및 생활 분야의 기본적인 기술에 해당한다.

전통적으로 온도 제어를 위해서 히터나 쿨러를 대상물에 접촉시켜 가열/냉각하는 접촉식 온도 제어 방식이 사용되었으나 측정 대상에 따라 매번 적정한 기구물을 적용해야 한다는 점 때문에 기구 설계가 어렵고 설비가 복잡해지므로 최근에는 측정 대상에 둔감한 비접촉식 온도 제어 장치들이 폭넓게 사용되고 있다.

이러한 비접촉식 온도 제어를 위하여 복사열을 이용할 수 있는 히터나 램프를 이용하는 경우 이러한 히터나 램프는 비열이 크고 반응 속도가 느려 온도 제어가 쉽지 않다.

온도를 제어하는 방식으로, 단순히 목표 온도와 현재 온도와의 차이만을 통해서 히터나 쿨러를 제어하는 방식에서부터 고속으로 목표 온도에 도달하도록 제어하는 PID(Proportional Integral Derivative) 방식까지 다양한 제어 방식이 활용되고 있다.

이러한 PID 제어는 비례(Proportional)제어와 비례 적분(Proportional-Integral)제어, 비례 미분(Proportional-Derivative)제어를 조합한 것으로 P 제어(비례)는 기준 신호와 현재 신호 사이의 오차 신호에 적당한 비례 상수 이득을 곱해서 제어 신호를 만든다. I 제어(비례 적분)는 오차 신호를 적분하여 제어 신호를 만드는 적분 제어를 비례 제어에 병렬로 연결해 사용한다. D 제어(비례 미분)는 오차 신호를 미분하여 제어 신호를 만드는 미분 제어를 비례 제어에 병렬로 연결하여 사용한다. 통상 정밀 온도제어에 사용되며 과도 상태의 특성 등 PI나 PD 제어의 문제점들을 개선할 수 있다.

하지만, 이러한 기존의 PID 제어를 통해서 온도를 정밀 제어하고자 할 경우 고속 가열 및 목표 온도 유지 과정에서 오버슈트가 발생하게 되는데, 대상물의 내열성을 측정한다거나 대상물을 적정 온도에서 정밀하게 가공하거나 열처리하고자 할 경우 오버슈트로 대상물에 손상을 유발하여 내열 특성이 좋지 않게 측정될 수 있고, 정밀 가공이나 열처리 결과물의 품질이 낮아지는 문제가 있다.

이를 피하기 위하여 오버슈트가 발생하지 않도록 제어할 경우 목표 온도로 도달하기 위한 시간이 길어지므로 테스트나 공정의 시간이 과도해지는 문제가 있다.

특히, 정밀 전자 부품이나 제품, 정밀 기계 부품, 웨이퍼나 화학적 제품의 온도별 성능을 테스트하거나 내열성을 측정하는 경우 단순히 특정 온도에서의 성능이나 특정 온도에서의 내구성을 파악하는 것 외에도 급격한 온도 변화 상태에서의 성능이나 내구성 등을 파악하고자 하는 요구도 있기 때문에 단순히 목표 온도로 빠르게 도달하는 제어가 아닌 원하는 속도로 온도를 조절해야 하는 속도 기반 제어를 통해서 원하는 온도변화 상태를 제공하거나 원하는 시간에 원하는 목표 온도에 도달하도록 하는 제어도 필요하며, 이러한 모든 제어 상황에서 오버슈트가 발생하지 않도록 해야 한다.

더불어, 복수 제품들 각각을 다른 챔버에서 테스트할 경우 동시에 목표 온도에 도달하도록 제어하여 시험 시작과 종료를 일치시킴으로써 수율을 높이고자 하는 요구도 있는 실정이다.

그 외에도 최근의 정밀 전자 부품이나 제품의 경우 자체에 온도센서가 내장되는 경우도 다수 존재하므로 해당 제품 자체에 내장된 온도센서를 기준으로 온도를 제어해야하는 경우도 있기 때문에 레퍼런스 온도센서 변경에 따른 온도제어 알고리즘의 변경을 최소화하여 호환성을 높여야 하는 문제도 있어 고정된 온도센서에 종속된 형태의 패턴 측정이나 온도 제어 방식을 적용하기 어려운 문제도 있다.

이러한 정밀성이 요구되는 온도제어를 위한 다양한 연구들이 존재하고 있는데, 예를 들어 한국 등록특허 제10-0954664호, '광 조사식 가열 방법'은 피처리물의 장소적 물리 특성의 계측치에 따라 복사율 분포를 얻어 피처리물 상에서의 광강도 분포 패턴을 구한 후 이러한 광 강도 패턴에 따라 피처리물 온도의 대략적인 균일화가 되도록 가열장치의 램프 유닛의 각 발광 부분에서 방출되는 광 강도를 사전에 구하여 실제 가열시 활용하도록 한 것이다. 이러한 구성은 피처리물의 형상적인 특징을 반영할 수 있도록 복수 램프의 조사 패턴을 구하는 것으로, 피처리물을 균일한 수준에서 가열할 수 있다는 특징은 있지만, 각 광원에 대한 출력이 패턴에 따라 제한되기 때문에 가열 램프들을 최대 효율로 사용할 수 없어 원하는 목표 온도로 신속하게 가열할 수는 없으며, 이러한 비열이 큰 램프 사용에 따른 고질적인 오버슈팅에 대한 문제는 여전히 발생할 수 있다.

한국 등록특허 제10-0974013호, '급속열처리장치의 웨이퍼 온도측정장치 및 온도측정방법'은 웨이퍼의 상부에서 웨이퍼를 가열하는 가열램프를 구성하고 웨이퍼 하부에 온도를 측정하는 파이로미터를 구성한 후 파이로미터의 측정 온도 그래프에서 위로 볼록한 첫 번째 꼭지점과 아래로 볼록한 두 번째 꼭지점을 찾아내어 두 번째 꼭지점에서부터 온도제어를 시작함으로써 실제 웨이퍼의 온도를 신속하게 파악하여 실질적인 온도 제어가 가능하도록 한 것이다. 이러한 방법은 파이로미터의 측정 파장대와 웨이퍼의 광투과도에 의한 오류를 고려하여 온도 상승 후 온도 유지 시 파이로미터가 실제 웨이퍼 온도에 근접할 경우의 측정 신호 패턴을 활용함으로써 실제 온도에 도달하는 시점을 파악하고자 하는 것이므로, 이러한 방식은 온도 측정 수단과 대상물이 한정되어 범용적으로 활용하기 어려운 한계가 있다.

따라서, 비열이 큰 램프를 이용하는 비접촉 가열방식으로서 오버슈트를 방지하면서 원하는 목표 온도로 급속 제어할 수 있음과 아울러 가열 과정에서 시간당 온도 변화 기울기(즉, 온도 변화량, 속도)를 기준으로 온도를 제어할 수 있어야 하는 것은 물론이고 다양한 온도 센서에 대응할 수 있도록 온도 센서에 대한 제어 종속성이 낮은 정밀 온도 제어 장치를 요구하고 있어, 이러한 요구에 대응할 수 있는 정밀 온도 제어 방치 및 방법이 필요한 실정이다.

한국 등록특허 제10-0954664호, [광 조사식 가열 방법] 한국 공개특허 제10-2018-0064035호, [지식검색 및 지식거래를 통한 수익 배분 시스템 및 그 방법]

전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시예들의 목적은 고온 제어가 가능한 램프를 이용하면서 온도 제어 구간을 3개로 구분하고, 제 1 구간은 목표 시간에 목표 온도에 도달하도록 시간당 온도변화 기울기(온도변화 속도)를 기준으로 PID(Proportional Integral Derivative) 제어하고, 제 2 구간은 오버슈트 없이 목표 온도에 근접 도달할 수 있는 정확한 타이밍을 파악하여 비열이 큰 램프를 감온 제어하며, 제 3 구간은 오버슈트 없이 온도를 유지하기 위하여 제 1 구간에서의 누적 제어량과 PID 제어를 혼합하여 제어함으로써 비열이 큰 램프를 이용하는 비접촉 가열방식으로서 오버슈트를 방지하면서 원하는 목표 온도로 급속 제어할 수 있음과 아울러 가열 과정에서 시간당 온도변화 기울기를 제어하여 온도 변화 정도를 결정하거나 목표 온도 도달 시간을 결정할 수 있도록 한 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 다른 목적은 비접촉 가열에 사용하는 램프의 특성과 대상물에 대한 특성을 반영한 제어 계수들을 통해서 오버슈트 없이 고속 온도 제어를 수행하는 것으로 온도 센서에 대한 종속성을 낮춤으로써 대상물에 내장된 온도 센서를 이용하거나 다양한 종류의 온도 센서를 대상물의 특성이나 제어 온도의 범위에 따라 적용하도록 하여 범용성을 높인 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 비열이 큰 램프를 이용하여 오버슈트 없이 고속 온도 제어를 수행하면서 가열 과정에서 시간 당 온도변화 기울기를 기준으로 PID 제어함으로써 목표 시간에 목표 온도에 도달하도록 제어할 수 있어 온도 편차가 존재하는 복수 챔버 온도를 제어하더라도 모든 챔버가 동시간에 목표 온도에 도달하도록 제어할 수 있도록 한 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치는 하나 이상의 램프와 온도 센서를 통해 대상물이나 챔버의 측정 온도가 목표 온도가 되도록 제어하는 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치로서, 목표 온도, 목표 시간 및 상기 대상물에 대응하여 설정된 컷오프 계수 정보가 설정된 설정부와, 설정된 목표 온도와 목표 시간 및 측정된 시작 온도를 통해 목표 시간당 온도 변화 기울기를 설정하고, 이를 기준으로 측정 온도에 따른 램프의 출력을 결정하는 가열 구간 연산부와, 상기 가열 구간 연산부에서 측정된 시간당 온도 변화 기울기 및 설정부의 컷오프 계수를 통해 컷오프 온도를 산출하고, 측정 온도가 해당 컷오프 온도가 되면 감속 구간의 시작으로 판단하여 최소 전력으로 램프의 출력을 결정하며, 컷오프 온도에 따라 설정되는 감속 구간의 목표 시간당 온도변화 기울기와 측정 온도를 기준으로 감속 구간 종료를 판단하는 감속 구간 연산부와, 감속 구간이 끝나면 온도 유지 구간에서의 램프 출력을 제어하는 유지 구간 연산부를 포함한다.

일례로서, 컷오프 계수 정보는 램프 특성, 응답속도, 챔버 환경을 고려하며 대상물의 비열에 반비례하는 특성을 가지도록 설정되는 오프셋 값일 수 있다.

일례로서, 가열 구간 연산부는 목표 온도와 현재 온도 차이와 목표 시간을 통해 목표 시간당 온도 변화 기울기(TargetV₁)를 연산하고, 상기 목표 시간당 온도 변화 기울기(TargetV₁)와 실제 측정되는 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)와의 차이를 변수로 하여 PID 제어를 수행할 수 있다.

일례로서, 감속 구간 연산부는 상기 가열 구간 연산부를 통해 가열이 진행되면서 고정된 값으로 수렴하는 실측 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)와 상기 설정부에 설정된 컷오프 계수 정보를 곱하여 목표 온도에서 뺀 것을 컷오프 온도로 산출할 수 있다.

일례로서, 감속 구간 연산부는 컷오프 온도에 도달한 시간과 목표 시간의 차와 목표 온도와 컷오프 온도의 차를 통해 감속 구간의 목표 시간당 온도 변화 기울기(TargetV₂)를 연산하고, 최소 전력에 의해 감온되는 램프에 의해 점차 줄어드는 실측 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)가 감속 구간의 목표 시간당 온도 변화 기울기와 같거나 작으면 감속 구간의 종료로 판단할 수 있다.

일례로서, 감속 구간 연산부는 감속 구간이 시작되면 상기 램프를 해당 램프의 동작 특성에 맞추어 발광이나 발열이 없는 최대 전력이 가해지도록 출력을 결정할 수 있다.

일례로서, 유지 구간 연산부는 가열 구간의 출력합에 램프 특성, 응답속도, 챔버 환경을 반영하여 설정한 유지 구간 계수를 곱한 값과, 목표 온도와 실제 온도의 오차를 기준으로 하는 PID 연산 결과를 더하여 유지 구간 출력을 산출할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치는, 램프를 제어하여 대상물을 가열하고 온도 센서를 통해 제어 온도를 측정하는 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치로서, 설정된 목표 시간당 온도 변화 기울기와 측정된 시간당 온도 변화 기울기 차에 대한 PID 제어를 수행하여 상기 램프의 출력을 결정하는 가열 구간 연산부와, 측정된 온도가, 상기 가열 구간 연산부에서 얻어진 실제 시간당 온도 변화 기울기의 수렴값과 기 설정된 컷오프 계수를 통해 산출한 컷오프 온도가 되면 상기 램프의 출력을 최소 전력으로 결정하고, 측정 온도의 시간당 변화 기울기가 설정된 기준에 도달하면 상기 램프의 출력 제어를 중단하는 감속 구간 연산부와, 감속 구간이 끝나면 가열 구간의 출력합을 반영하여 램프 출력을 제어하는 유지 구간 연산부를 포함한다.

일례로서, 컷오프 계수 정보는 램프 특성, 응답속도, 챔버 환경을 고려하며 대상물의 비열에 반비례하는 특성을 가지도록 설정되는 오프셋 값일 수 있다.

일례로서, 감속 구간 연산부는 상기 가열 구간 연산부를 통해 가열이 진행되면서 고정된 값으로 수렴하는 실측 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)와 상기 컷오프 계수 정보를 곱하여 목표 온도에서 뺀 것을 컷오프 온도로 산출하고, 컷오프 온도에 도달한 시간과 목표 시간의 차와 목표 온도와 컷오프 온도의 차를 통해 감속 구간의 목표 시간당 온도 변화 기울기(TargetV₂)를 연산한 후, 최소 전력에 의해 감온되는 램프에 의해 점차 줄어드는 실측 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)가 감속 구간의 목표 시간당 온도 변화 기울기와 같거나 작으면 감속 구간의 종료로 판단할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치는 고온 제어가 가능한 램프를 이용하면서 온도 제어 구간을 3개로 구분하고, 각 구간을 기울기에 대한 제어, 감온 타이밍 제어, 온도 편차 제어와 같은 각각 상이한 방식으로 제어하되, 각 구간의 제어가 서로 연동되도록 함으로써 비열이 큰 램프를 이용하는 비접촉 가열방식으로서 오버슈트를 방지하면서 원하는 목표 온도로 급속 제어할 수 있음과 아울러 가열 과정에서 시간당 온도변화 기울기를 제어하여 온도 변화 정도를 결정하거나 목표 온도 도달 시간을 결정할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치는 비접촉 가열에 사용하는 램프의 특성과 대상물에 대한 특성을 반영한 제어 계수들을 통해서 오버슈트 없이 고속 온도 제어를 수행하는 것으로 온도 센서에 대한 종속성을 낮춤으로써 대상물에 내장된 온도 센서를 이용하거나 다양한 종류의 온도 센서를 대상물의 특성이나 제어 온도의 범위에 따라 적용하도록 하여 범용성을 높일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치는 비열이 큰 램프를 이용하여 오버슈트 없이 고속 온도 제어를 수행하면서 가열 과정에서 시간 당 온도변화 기울기를 기준으로 PID 제어함으로써 목표 시간에 목표 온도에 도달하도록 제어할 수 있어 온도 편차가 존재하는 복수 챔버 온도를 제어하더라도 모든 챔버가 동시간에 목표 온도에 도달하도록 할 수 있어 테스트나 공정에 대한 스케줄 관리가 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치의 구성을 보인 개념도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 급속 온도 제어 장치의 제어부 변형 구성을 보인 개념도.
도 3은 일반적인 온도제어 방식의 특성을 설명하기 위한 개념도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 온도 제어 방식의 특징을 설명하기 위한 온도 변화 예시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 급속 온도 제어 장치의 제어부 구성 중 일부를 보인 구성도.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 온도 제어 방식의 원리를 설명하기 위한 개념도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 온도 제어 방식의 실제 출력과 제어 온도의 예시도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 급속 온도 제어 장치의 동작 과정을 보인 순서도.

상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

특히, 본 발명에서 설명하는 비접촉식 급속 온도 제어 장치는 램프와 온도 센서를 제어하는 제어기를 포함하는데, 이러한 제어기는 램프를 제어하기 위한 하드웨어적인 구동 드라이버나 구동 전력 제공 회로를 선택적으로 포함할 수 있고, 온도 센서의 측정 값을 수신하기 위한 하드웨어 인터페이스, 아날로그 디지털 변환기, 증폭기, 필터 등이 구성된 회로를 포함할 수 있으며 이러한 회로와 연동하기 위한 인터페이스를 포함할 수 있다. 또한, 해당 제어기는 CPU와 메모리를 포함하는 다양한 종류의 마이크로 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러가 포함된 모듈이나 회로, 아두이노, 라즈베리파이, 리눅스나 안드로이드 기반 모듈이나 제어 장치, 각종 RTOS(Real Time Operating System)가 포함된 모듈이나 제어 장치, 미니 PC, PC, 노트북, 타블렛, 서버, 클라우드 장치를 포함하는 다양한 종류의 하드웨어 장치와 그에 구현된 소프트웨어로 구현될 수 있으며, 이들 중 하나 혹은 복수가 연동하는 방식으로도 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 급속 온도 제어 장치의 구성을 보인 개념도이다. 도시된 바와 같이 비접촉 방식으로 대상물(200)을 가열하기 위하여 램프(150)와 온도 센서(160)를 적용한 복수의 챔버(C1 내지 Cn)가 존재하며, 이러한 복수의 챔버들을 통합적으로 관리하는 제어부(100)를 포함한다. 물론, 도시된 실시예와 달리 제어부(100)가 하나의 램프(150)와 하나의 온도 센서(160) 만을 이용하는 구성도 가능하다.

본 발명에서 램프(150)는 비접촉식으로 대상물(200)을 가열하는데 사용되는 것으로서, 빛과 열을 내는 등과 히터를 포함하는 개념이다. 램프(150)로서 할로겐 램프, 적외선 램프, 전열 히터 등이 이용될 수 있다. 할로겐 램프, 적외선 램프, 전열 히터는 램프의 예시로서 이에 한정되지 않으며, 본 발명에서는 전기를 공급받아 열을 방출하여 대상물을 가열할 수 있는 등이나 히터면 어떠한 등이나 히터가 이용될 수 있음은 물론이며 가열 블레이드나 가열봉 등 다른 균등물이 이용될 수도 있다.

제어부(100)는 온도 센서(160)와 다양한 인터페이스를 통해 연결될 수 있고, 이러한 온도 센서의 종류에 둔감하도록 구성되는데, 이를 통해서 가열 대상물(200)의 내부에 구성된 온도 센서를 이용할 수도 있고 환경에 적합한 다양한 종류의 온도 센서를 이용할 수도 있다. 제어부(100)와 온도 센서의 인터페이스는 아날로그 전기 신호를 그대로 수신하여 이를 디지털로 변환하는 ADC(아날로그 디지털 변환기), 온도에 대한 디지털 값을 전달받는 다양한 종류의 직렬 통신(RS-232, RS-485, I2C, ISP 등) 수단을 포함할 수 있다.

한편, 제어부(100)는 비접촉 방식으로 대상물이나 챔버의 온도를 높이기 위하여 램프(150)의 출력을 제어하는데, 이를 위한 전력제어 회로 구성을 포함하거나 이러한 전력제어 회로를 조작하는 출력을 제공할 수 있다. 이러한 램프는 열과 빛, 또는 열을 제공하는 것으로 수명이 길고 수천도의 온도까지도 가열이 가능하여 다양한 목적에 대응할 수 있으나, 할로겐 램프 등은 비열이 크기 때문에 응답 속도가 늦어 통상 정밀 온도제어를 고속으로 진행하기에는 적합하지 않은 것으로 알려져 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 급속 온도 제어 장치의 제어부 변형 구성을 보인 개념도로서, 도시된 바와 같이 복수 챔버에서 복수의 대상물을 가열하는 경우 여러 챔버들의 램프와 온도 센서들을 하나의 실시간 운영체제를 가진 제어부(110)가 통합 관리하고, 이러한 실시간 운영체제를 가진 제어부(110)를 별도의 호스트 제어부(120)가 관리하도록 구성하는 방식을 보인 예시도이다.

즉, 하나의 챔버마다 개별적인 제어부를 구성하는 대신 복수의 챔버들을 통합하여 로컬 제어를 위한 실시간 운영체제 제어부(110)가 실제 제어하도록 하되, 이러한 실시간 운영체제 제어부(110)를 원격지의 관리자가 호스트 제어부(120)를 통해 목표 온도나 목표 시간, 대상물에 대한 정보를 반영한 계수들에 대한 설정을 전달하여 챔버에 대한 온도제어를 수행하도록 할 수 있다. 이렇게 하나의 로컬 제어를 위한 수단(실시간 운영체제 제어부(110))이 복수의 챔버들을 통합 관리할 경우 해당 챔버들을 동기화하여 제어할 수 있으며, 필요한 경우 각각 챔버의 내부 환경이 다르더라도 동일한 시간에 목표 온도에 도달하도록 제어함으로써 대상물의 고온 테스트나 온도 변화 테스트, 항온 테스트, 혹은 제조 공정 등을 동기화시킬 수 있어 작업 스케줄링의 편의성을 높일 수 있고 수율을 높일 수 있다.

이러한 구성을 가질 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 급속 가열 냉각 장치는 비열이 크고 응답속도가 느린 램프(히터 포함)를 이용하여 목표 온도로 고속 제어하면서도 오버슈팅을 줄이고, 원하는 시간에 원하는 온도에 도달할 수 있도록 한다.

도 3은 일반적인 온도제어 방식의 특성을 설명하기 위한 개념도로서, 통상 원하는 목표 온도로 고속 제어할 경우 목표 온도에서 오버슈팅과 언더슈팅이 심하게 발생할 수 있고, 이를 피하고자 할경우 목표 도달 속도가 느리게 저속으로 제어해야 한다.

도시된 바와 같이 목표 온도에 신속하게 도달할 수 있도록 목표 온도와 실제 온도의 차이를 대상으로 PID 제어를 적용하면 A와 같은 온도 제어 결과가 나타는데, 목표 온도를 크게 초과하는 오버슈팅이 발생하고, 급격한 온도 제어에 의해 언더슈팅이 발생하며, 이러한 오버슈팅과 언더슈팅이 반복적으로 발생하면서 목표 온도에 수렴하게 된다. 이러한 오버슈팅과 언더슈팅은 대상 가열 수단의 응답속도에 따라 그 정도가 달라질 수 있는데 비열이 크고 응답속도가 느린 발열체의 경우 오버슈팅의 폭이 클 수 밖에 없다.

이렇게 큰 오버슈팅이 발생하게 될 경우 대상물에 가해지는 충격이 크기 때문에 대상물의 내열성을 측정할 경우 내열 특성이 좋지 않게 측정된다거나, 대상물을 적정 온도에서 정밀하게 가공하거나 열처리하고자 할 경우 결과물의 품질이 낮아지게 된다. 이를 피하기 위하여 오버슈트가 발생하지 않도록 제어할 경우 B와 같이 목표 온도로 도달하기 위한 시간이 길어지므로 테스트나 공정의 시간이 과도해지는 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 챔버의 환경, 램프의 각종 특성, 대상물의 특성을 정밀하게 고려하고, 반복되는 실험을 통해 A와 B 사이의 수준으로 제어할 수도 있겠지만 이러한 각종 특성 자체에 대한 편차와 시작 온도에 대한 편차, 대상물의 변경 등에 대한 문제로 인하여 이와 같은 목표 온도와 실제 온도의 차이를 변수로 하는 제어 방식으로 오버슈팅 없이 고속으로 온도를 제어하기 어려운 한계가 있다.

특히, 정밀 전자 부품이나 제품, 정밀 기계 부품, 웨이퍼나 화학적 제품의 온도별 성능을 테스트하거나 내열성을 측정하는 경우 단순히 특정 온도에서의 성능이나 특정 온도에서의 내구성을 파악하는 것 외에도 다양한 수준의 온도 변화 상태에서의 성능이나 내구성 등을 파악하고자 하는 요구도 있기 때문에 단순히 목표 온도로 빠르게 도달하는 제어 뿐만 아니라 원하는 변화 속도로 온도가 가변되는 제어도 필요한 실정이어서 목표 온도와 실제 온도의 차이를 변수로 하는 제어 방식을 그대로 사용하는 것은 더욱 어렵게 되고 있다.

이러한 요구사항과 제어의 문제점을 감안하여 본 발명의 실시예에서는 온도 제어 구간을 3개로 구분하고, 각 구간을 서로 다른 제어 방식으로 제어함으로써 비열이 큰 램프를 열원으로 사용하면서도 오버슈팅 없는 고속의 온도 제어가 가능하도록 할 뿐만 아니라 원하는 온도 변화 속도나 원하는 목표 시간을 설정 값으로 하는 제어도 가능하도록 한다. 더불어, 다양한 온도 센서와의 연동을 위하여 센서에 대한 특성에 둔감한 변수나 상수들을 이용하여 온도 제어를 수행하도록 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 온도 제어 방식의 특징을 설명하기 위한 온도 변화 예시도로서, 도시된 바와 같이 실제 온도 제어를 시작 하는 시간(t₀)부터 목표 온도를 유지하는 시간(t_T 이후)까지를 3개의 구간으로 나누어 제어하되, 그 구간을 구간 1, 구간 2, 구간 3의 3개 구간으로 구분하여 각각 다른 제어 방식으로 제어한다.

이러한 구간 1, 구간 2, 구간 3은 그 특성에 따라 온도가 상승하는 구간(구간 1, 구간 2)과 온도가 유지되는 구간(구간 3)으로 구분할 수도 있고, 온도의 상승 정도에 따라 온도 상승이 유지되는 가열 구간(구간 1), 온도 상승 정도가 줄어드는 감속 구간(구간 2), 온도가 유지되는 유지 구간(구간 3)으로 구분할 수도 있다.

종래에는 모든 구간에서 목표 온도와 현재 온도 간의 오차를 변수로 하는 PID 제어를 수행하였지만, 본 발명의 실시예에서 구간 1에서는 시간에 따른 목표 온도 제어나 목표 단위 시간당 온도 변화 기울기(온도 변화 속도)를 기준으로 PID 제어를 수행하고, 구간 2에서는 램프를 최소 전력(실제로 빛과 열이 발생하지 않는 최대 전력)으로 설정하여 온도 변화 속도를 감속하는 감온 제어를 수행하며, 구간 3에서는 목표 온도와 현재 온도와의 차이를 기준으로 PID 제어(실질적으로는 다소 차이가 있으나 이는 이후 설명함)를 수행하도록 한다.

여기서, 본 발명의 실시예에 따른 제어의 특징은 구간 2의 시작와 종료를 결정하는 부분으로서, 오버슈팅 없이 목표 온도(T_T)에 근접하도록 고속 온도 제어를 수행하고자 할 경우 가열 중인 램프의 동작을 언제 중지시켜 감온을 시작해야 할 것인지를 상황에 맞추어 가변적으로 결정해야 하며, 온도 유지 구간으로 언제 이행할 것인지 역시 상황에 맞추어 가변적으로 결정해야 한다.

이렇게 램프의 출력을 중단하는 구간 2의 시작 온도를 컷오프 온도(T_C)라 하며, 해당 시점(구간 2의 시작 시점)을 컷오프 시간(t_C)이라 한다.

이러한 제어를 통해서 도시된 바와 같이 오버슈팅 없는 최적 온도 제어가 가능하게 되는데, 필요에 따라 목표 온도에 도달하는 시간(tT)을 임의적으로 설정하거나 온도 상승의 단위 시간당 온도 변화 기울기를 임의적으로 설정할 수도 있으며, 이러한 조절에 따라 구간 2의 시작과 종료 시점이 달라지게 된다. 물론 적용이 불가능한 목표 온도 도달 시간이나 시간당 온도 변화 기울기가 설정될 경우 그에 대한 경고도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 온도 제어 방식을 도 5의 제어부 구성을 통해서 살펴본다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 급속 온도 제어 장치의 제어부 구성 중 일부를 보인 구성도로서, 도시된 예에서 해당 구성은 도 2에 도시했던 RTOS 제어부(110)의 내부 구성 중 일부를 보인 것으로 도 1의 제어부(100) 구성의 일부일 수도 있으므로 구체적인 제어부 위치에 의해 한정되는 것은 아니다.

도시된 도 5의 구성을 살펴보면, 기본적으로 온도 제어에 필요한 각종 정보들이 설정되는 설정부(111)와, 챔버의 온도 센서로부터 온도 정보를 수집하는 온도 정보 수집부(112)와, 챔버의 램프를 직접 혹은 간접적으로 제어하는 램프 제어부(113)와, 설정부(111), 온도 정보 수집부(112) 및 램프 제어부(113)와 연동하여 각 구간별 온도 제어를 실시하는 가열 구간 연산부(114), 감속 구간 연산부(115) 및 유지 구간 연산부(116)를 포함한다.

도시된 온도 정보 수집부(112)는 각종 온도 센서와 연동하기 위한 인터페이스와 프로토콜 처리부 혹은 아날로그 디지털 변환부 등이 포함될 수 있으며, 복수 챔버의 복수 온도 센서에 대응하기 위하여 복수의 채널로 구성될 수 있다.

램프 제어부(113)는 램프 제어 신호를 통해서 램프의 출력을 조절할 수 있는 제어 신호를 램프들을 실제 제어하는 가변 전력 제공 회로(미도시)에 제공하거나 혹은 이러한 가변 전력 제공 회로를 포함하여 실질적인 램프 제어 출력을 제공할 수 있다. 이러한 출력 제어는 전압이나 전류 중 적어도 하나를 가변하는 것일 수 있다. 이러한 램프 제어부(113) 역시 복수 챔버의 램프 제어를 위해 다채널로 구성될 수 있다.

설정부(111)는 목표 온도, 목표 시간 및 상기 대상물에 대응하여 설정된 컷오프 계수 정보가 설정될 수 있는데, 여기서 목표 온도 및 목표 시간은 새로운 온도 제어가 필요한 경우마다 설정될 수 있는 정보이며 필요한 경우 별도의 인터페이스(미도시)를 통해 사용자로부터 제공 받거나 호스트를 통해서 제공 받을 수도 있다. 컷오프 계수 정보는 구간 2의 시작을 결정하기 위해 필요한 계수로서 대상물의 종류에 따라 결정되는 값인데, 램프 특성, 응답속도, 챔버 환경을 고려하면서 대상물의 비열에 반비례하는 특성을 가지도록 설정되는 오프셋 값일 수 있다.

한편, 설정부(111)에 기본적으로 온도 제어에 필요한 각종 변수들이나 램프의 특성, 챔버의 특성, PID 제어를 위한 계수와 같은 고정 정보들이 설정될 수 있지만, 이러한 정보들은 각 연산부들(114 내지 116)에 포함될 수도 있으므로 해당 정보들의 저장(혹은 설정) 위치는 가변적일 수 있다.

이제, 실질적으로 각 구간들에 대한 온도 제어를 수행하는 연산부들을 도 6 및 도 7을 참조하여 살펴본다.

먼저, 가열 구간 연산부(114)는 설정된 목표 온도(T_T)와 목표 시간(t_T) 및 측정된 시작 온도(T₀)를 통해 목표 시간당 온도 변화 기울기를 설정하고, 이를 기준으로 측정 온도(T)에 따른 램프의 출력을 결정한다.

즉, 구간 1의 경우, 그 온도 제어 방식으로 목표 시간당 온도 변화 기울기(이를 목표 온도 변화 속도로 표현할 수도 있다)를 산출한 후 실제 시간당 온도 변화 기울기와의 차이를 변수로 하여 PID 제어를 수행하는 방식을 채택한다.

목표 시간당 온도 변화 기울기를 TargetV₁이라 하면 이는 다음의 수학식 1을 통해 구할 수 있다.

즉, 목표 시간당 온도 변화 기울기(TargetV₁)는 제어가 시작되는 시점의 챔버 온도(T₀)와 목표 온도(T_T)의 차이와 목표 시간(t_T)과 제어 시작 시간(t₀)의 차이를 이용하여 구할 수 있다.

이러한 구간 1의 PID 제어 변수가 되는 오차(v)는 목표 시간당 온도 변화 기울기에서 현재의 시간당 온도 변화 기울기를 뺀 값이 되며 다음의 수학식 2와 같다.

여기서 dT는 현재 측정 온도에서 이전 측정 온도를 뺀 값이고, dt는 온도 샘플링 간격 시간이다.

이러한 시간당 온도 변화 기울기에 대한 오차를 기반으로 하는 출력은 다음의 수학식 3과 같은 PID 제어식으로 결정되는데, K_1p, K_1i, K_1d는 PID 제어를 위한 계수에 해당한다.

이러한 가열 구간 연산부(114)에 의한 온도 제어 방식의 경우, 목표 시간당 온도 변화 기울기가 되도록 실제 시간당 온도 변화 기울기를 제어하는 방식으로서 PID 제어를 통해서 점차 목표 기울기로 수렴하게 되어 상수값에 근접하게 된다.

도 6을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 실질적으로 목표가 되는 목표 시간당 온도 변화 기울기에 비해서 실제 연산을 통해 얻어지는 현실적인 시간당 온도 변화 기울기는 좀 더 큰 값으로 수렴하게 되는데, 이는 비열이 커 반응 속도가 느린 램프를 이용한다는 점에서 초기의 시간당 온도 변화 기울기 값이 작기 때문에 실제 목표 시간 내에 목표 온도에 도달하기 위한 시간당 온도 변화 기울기가 좀 더 커진 상태로 수렴하게 된다.

본 발명의 실시예에서, 이러한 실제 구간 1에서 제어를 통해 수렴하게 되는 시간당 온도 변화 기울기의 값은 시작 온도, 목표 시간, 목표 온도, 챔버 환경, 대상물의 특성 등이 모두 고려되는 가변적인 값으로서, 이러한 현재 온도 제어에 따라 특정한 기울기로 수렴하는 시간당 온도 변화 기울기의 값이 오버슈트 없는 고속 제어가 가능하도록 구간 2의 시작을 결정하는 중요한 값이 된다.

감속 구간 연산부(115)는 가열 구간 연산부(114)에서 측정된 시간당 온도 변화 기울기 및 설정부(111)의 컷오프 계수를 통해 컷오프 온도(T_C)를 산출하고, 측정 온도가 해당 컷오프 온도가 되면 감속 구간의 시작으로 판단하여 최소 전력으로 램프의 출력을 결정하며, 컷오프 온도에 따라 설정되는 감속 구간의 목표 시간당 온도변화 기울기와 측정 온도를 기준으로 감속 구간(구간 2)의 종료를 판단한다.

즉, 감속 구간 연산부(115)는 가열 구간 연산부(114)를 통해 가열이 진행되면서 고정된 값으로 수렴하는 실측 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)와 설정부(111)에 설정된 컷오프 계수(K₁₂) 정보를 곱하여 목표 온도(T_T)에서 뺀 것을 컷오프 온도(cutoffT = T_C)로 산출하는데, 이는 다음의 수학식 4와 같다.

이러한 컷오프 온도는 앞서 설명했던 바와 같이 다양한 환경에 따라 달라지는 값으로서 램프 특성(비열, 응답속도 등), 챔버 환경을 고려함과 아울러 대상물의 비열에 대해서도 고려되어야 한다. 즉, 어느 정도 온도에서 램프의 동작을 중단시켜야 오버슈트 없는 최적의 온도 변화 수준으로 목표 온도에 도달할 수 있는지를 산출하기 위한 것이다.

따라서, 이러한 컷오프 계수(K₁₂)는 램프의 특성과 환경 조건이 고려되며, 특히 대상물의 비열에 반비례하는 값으로 결정된다.

이렇게 측정 온도가 컷오프 온도 이상이 되면 구간 2의 시작으로 판단하는데, 구간 2가 시작되면 감속 구간 연산부(115)는 램프의 동작을 중단하는 출력을 결정한다. 이때 완전히 램프의 동작을 중단하기 위하여 전원을 차단할 경우 후속되는 온도 유지 구간에서 다시 램프를 가열하는데 시간이 걸리기 때문에 실질적인 발광이나 발열이 발생하지 않는 최대 전력을 최소 전력으로 설정하여 이를 제공하도록 한다. 이러한 최소 전력을 램프에 가하면 실질적인 빛이나 열을 제공하지 않으면서 이후 가열이 필요할 때 즉시 가열을 시작할 수 있다.

한편, 감속 구간 연산부(115)는 구간 2의 종료를 판단해야 하는데, 이를 위해서 컷오프 온도(T_C)에 도달한 시간(t_C)과 목표 시간(t_T)의 차와 목표 온도(T_T)와 컷오프 온도(T_C)의 차를 통해 감속 구간의 목표 시간당 온도 변화 기울기(TargetV₂)를 수학식 5와 같이 산출한 후 이를 기준으로 종료 시점을 판단한다.

도시된 실시예에서, 구간 2의 종료 시점은 최소 전력에 의해 감온되는 히터에 의해 점차 줄어드는 실측 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)가 감속 구간의 목표 시간당 온도 변화 기울기(TargetV₂)와 같거나 작은지 판단하여 같거나 작으면 감속 구간의 종료로 판단한다.

즉, 램프의 느린 응답 속도에 의해 최소 전력 제공 상태로 전환하여 실질적으로 출력을 차단하더라도 램프의 온도는 느린 속도로 낮아지게 되는데 그에 따른 실측 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)가 감속 구간의 목표 시간당 온도 변화 기울기(TargetV₂) 정도가 되면 거의 목표 온도에 도달한 상태가 되므로 이때부터는 목표 온도와 실측 온도의 차이를 기준으로 제어하는 온도 유지 구간(구간 3)의 제어 방식으로 제어하도록 한다.

도 7에 도시된 바와 같이 구간 2의 종료점의 온도는 거의 목표 온도에 근접한 상태가 되는데, 이때부터 온도 유지 구간의 온도 제어 방식을 이용하는 것이 바람직하다. 만일 실제 목표 온도에 도달한 후 온도 유지 구간의 온도차 기반 PID 제어를 수행할 경우 약간이지만 오버슈트가 발생할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위하여 실제 목표 온도가 되기 직전 상태, 즉 실측 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)가 감속 구간의 목표 시간당 온도 변화 기울기(TargetV₂)와 같아지는 지점에서 구간 2를 종료한다.

이후 유지 구간 연산부(116)는 목표 온도와 실제 온도의 차이를 변수로 하는 PID 제어를 통해 온도 유지 구간에서의 램프 출력을 제어하는데, 본 발명의 실시예에서는 가열 구간의 출력합을 반영한다.

감속 구간(구간 2)의 경우 발열을 위한 출력을 제공하지 않기 때문에 감속 구간을 제외한 가열 구간(구간 1)의 실질적인 출력합(램프의 발열을 위해 제공한 전압이나 전류의 합)을 구한 후 설정된 비율로 반영한다.

가열 구간의 출력합(FF)은 다음의 수학식 6과 같이 구할 수 있다.

즉, 유지 구간 연산부(116)는 가열 구간의 출력합의 소정 비율(FF: 분모 100은 임의의 비율 설정을 위한 값)에 할로겐 특성, 응답속도, 챔버 환경을 반영하여 설정한 유지 구간 계수(K_3f)를 곱한 값과, 목표 온도와 실제 온도의 오차(e=T_T-T)를 기준으로 하는 PID 연산 결과를 더하여 유지 구간 출력을 산출한다. 여기서 유지 구간 계수(K_3f)는 할로겐 특성이나 환경에 대해 설정되는 것이므로 고정된 값일 수 있다. 또한, K_3p, K_3i, K_3d는 PID 제어를 위한 계수에 해당한다.

이러한 출력은 다음의 수학식 7과 같다.

이와 같이 기존의 가열 구간 출력합을 일정 부분 더한 후 유지 구간의 온도를 제어함으로써 실질적인 오차에 따른 PID 제어 변화 정도를 줄일 수 있어 오버슈트를 효과적으로 방지하면서 유지 구간의 온도 편차를 줄일 수 있게 된다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 온도 제어 방식의 실제 출력과 제어 온도의 예시도로서, 도시된 바와 같이 목표 온도가 50도인 경우 27도 상온에서 대상물을 가열한 경우를 보인 것이다.

도시된 바와 같이 램프의 제어 전압은 구간 1에서 가변적으로 조절되면서 점차 균일한 시간당 온도 변화 기울기로 수렴하게 되고, 구간 2에서 실제 발광과 발열이 없는 최소 전압(200V)로 유지되면서 목표 온도로 오버슈팅 없이 증가하며, 구간 3에서 가열 구간의 누적 출력을 반영하여 온도차이로 PID 제어함에 따라 오버슈트 없이 온도를 유지하게 되는 것을 확인할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 급속 온도 제어 장치의 동작 과정을 보인 순서도이다.

도시된 바와 같이 가열할 대상물과 목표 온도 및 시간이 설정되면 온도 제어를 시작하게 되는데, 설정값으로 대상물의 비열에 반비례하게 설정된 컷오프 계수(K₁₂) 정보도 포함될 수 있다.

이러한 설정은 복수의 챔버에 대한 복수의 대상물을 동시에 목표 온도에 도달하도록 설정되어 여러 챔버들이 동시에 동작할 수도 있는데, 목표 시간을 설정하면 모든 챔버들이 시작 온도 편차가 있더라도 동시에 목표 시간에 목표 온도에 도달할 수 있게 된다.

온도 제어를 시작하게 되면, 먼저 구간 1에 대한 제어로서 설정된 목표 시간당 온도 변화 기울기와 측정된 시간당 온도 변화 기울기 차에 대한 PID 제어를 수행하여 상기 램프의 출력을 결정한다. 이러한 과정에서 실제 시간당 온도 변화 기울기가 소정의 값으로 수렴하게 된다.

구간 2의 시작은 측정된 온도가, 상기 가열 구간 연산부에서 얻어진 실제 시간당 온도 변화 기울기의 수렴값과 기 설정된 컷오프 계수를 통해 산출한 컷오프 온도 이상이 되는지 판단하여 맞으면 구간 2의 시작으로 보아 램프의 출력을 최소 출력이 되도록 한다.

이후 컷오프 온도에 도달한 시간과 목표 시간의 차와 목표 온도와 컷오프 온도의 차를 통해 구간 2의 목표 시간당 온도 변화 기울기(TargetV₂)를 연산한 후, 최소 전력에 의해 감온되는 히터에 의해 점차 줄어드는 실측 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)가 구간 2의 목표 시간당 온도 변화 기울기와 같거나 작은지 판단하여 맞으면 구간 2의 종료로 판단한다.

구간 2가 끝나면 앞서 구간 1의 출력합에 램프 특성, 응답속도, 챔버 환경을 반영하여 설정한 유지 구간 계수를 곱한 값과, 목표 온도와 실제 온도의 오차를 기준으로 하는 PID 연산 결과를 더하여 구간 3의 출력을 산출한다.

이러한 과정을 통해서 비열이 큰 램프를 이용하는 비접촉 가열방식으로서 오버슈트를 방지하면서 원하는 목표 온도로 급속 제어할 수 있음과 아울러 가열 과정에서 시간당 온도변화 기울기를 제어하여 온도 변화 정도를 결정하거나 목표 온도 도달 시간을 결정할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.

100: 제어부 110: RTOS 제어부
111: 설정부 112: 온도 정보 수집부
113: 램프 제어부 114: 가열 구간 연산부
115: 감속 구간 연산부 116: 유지 구간 연산부
120: HOST 제어부 150: 램프
160: 온도 센서

Claims (10)

1. 하나 이상의 램프와 온도 센서를 통해 대상물이나 챔버의 측정 온도가 목표 온도가 되도록 제어하는 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치로서,
   목표 온도, 목표 시간 및 상기 대상물에 대응하여 설정된 컷오프 계수 정보가 설정된 설정부와;
   설정된 목표 온도와 목표 시간 및 측정된 시작 온도를 통해 목표 시간당 온도 변화 기울기를 설정하고, 이를 기준으로 측정 온도에 따른 램프의 출력을 결정하는 가열 구간 연산부와;
   상기 가열 구간 연산부에서 측정된 시간당 온도 변화 기울기 및 설정부의 컷오프 계수를 통해 컷오프 온도를 산출하고, 측정 온도가 해당 컷오프 온도가 되면 감속 구간의 시작으로 판단하여 최소 전력으로 램프의 출력을 결정하며, 컷오프 온도에 따라 설정되는 감속 구간의 목표 시간당 온도변화 기울기와 측정 온도를 기준으로 감속 구간 종료를 판단하는 감속 구간 연산부와;
   감속 구간이 끝나면 온도 유지 구간에서의 램프 출력을 제어하는 유지 구간 연산부를 포함하는 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 컷오프 계수 정보는 램프 특성, 응답속도, 챔버 환경을 고려하며 대상물의 비열에 반비례하는 특성을 가지도록 설정되는 오프셋 값인 것을 특징으로 하는 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 가열 구간 연산부는 목표 온도와 현재 온도 차이와 목표 시간을 통해 목표 시간당 온도 변화 기울기(TargetV₁)를 연산하고, 상기 목표 시간당 온도 변화 기울기(TargetV₁)와 실제 측정되는 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)와의 차이를 변수로 하여 PID 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 감속 구간 연산부는 상기 가열 구간 연산부를 통해 가열이 진행되면서 고정된 값으로 수렴하는 실측 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)와 상기 설정부에 설정된 컷오프 계수 정보를 곱하여 목표 온도에서 뺀 것을 컷오프 온도로 산출하는 것을 특징으로 하는 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 감속 구간 연산부는 컷오프 온도에 도달한 시간과 목표 시간의 차와 목표 온도와 컷오프 온도의 차를 통해 감속 구간의 목표 시간당 온도 변화 기울기(TargetV₂)를 연산하고, 최소 전력에 의해 감온되는 램프에 의해 점차 줄어드는 실측 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)가 감속 구간의 목표 시간당 온도 변화 기울기와 같거나 작으면 감속 구간의 종료로 판단하는 것을 특징으로 하는 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 감속 구간 연산부는 감속 구간이 시작되면 상기 램프를 해당 램프의 동작 특성에 맞추어 발광이나 발열이 없는 최대 전력이 가해지도록 출력을 결정하는 것을 특징으로 하는 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치.
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 유지 구간 연산부는 가열 구간의 출력합에 램프 특성, 응답속도, 챔버 환경을 반영하여 설정한 유지 구간 계수를 곱한 값과, 목표 온도와 실제 온도의 오차를 기준으로 하는 PID 연산 결과를 더하여 유지 구간 출력을 산출하는 것을 특징으로 하는 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치.
   
8. 램프를 제어하여 대상물을 가열하고 온도 센서를 통해 제어 온도를 측정하는 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치로서,
   설정된 목표 시간당 온도 변화 기울기와 측정된 시간당 온도 변화 기울기 차에 대한 PID 제어를 수행하여 상기 램프의 출력을 결정하는 가열 구간 연산부와;
   측정된 온도가, 상기 가열 구간 연산부에서 얻어진 실제 시간당 온도 변화 기울기의 수렴값과 기 설정된 컷오프 계수를 통해 산출한 컷오프 온도가 되면 상기 램프의 출력을 최소 전력으로 결정하고, 측정 온도의 시간당 변화 기울기가 설정된 기준에 도달하면 상기 램프의 출력 제어를 중단하는 감속 구간 연산부와;
   감속 구간이 끝나면 램프 출력을 제어하는 유지 구간 연산부를 포함하는 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치.
   
9. 청구항 8에 있어서, 상기 컷오프 계수 정보는 램프 특성, 응답속도, 챔버 환경을 고려하며 대상물의 비열에 반비례하는 특성을 가지도록 설정되는 오프셋 값인 것을 특징으로 하는 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치.
   
10. 청구항 9에 있어서, 상기 감속 구간 연산부는 상기 가열 구간 연산부를 통해 가열이 진행되면서 고정된 값으로 수렴하는 실측 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)와 상기 컷오프 계수 정보를 곱하여 목표 온도에서 뺀 것을 컷오프 온도로 산출하고,
    컷오프 온도에 도달한 시간과 목표 시간의 차와 목표 온도와 컷오프 온도의 차를 통해 감속 구간의 목표 시간당 온도 변화 기울기(TargetV₂)를 연산한 후, 최소 전력에 의해 감온되는 램프에 의해 점차 줄어드는 실측 시간당 온도 변화 기울기(dT/dt)가 감속 구간의 목표 시간당 온도 변화 기울기와 같거나 작으면 감속 구간의 종료로 판단하는 것을 특징으로 하는 램프를 활용한 비접촉식 급속 온도 제어 장치.

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