KR20030045408A

KR20030045408A - 고정밀 온·습도 조절 장치

Info

Publication number: KR20030045408A
Application number: KR1020010076120A
Authority: KR
Inventors: 이근수; 전영진
Original assignee: (주)진평하이텍
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2003-06-11

Abstract

본 발명은 온도와 습도가 제어된 청정공기를 공급하는 온ㆍ습도 조절 장치(THC, Temperature Humidity Controller)에 있어서, 최근의 관련업계 요구사양인 온도 ±0.01。C급, 상대습도 ±0.1 %급의 고정밀 조절정밀도를 달성하기 위하여, 종래의 온ㆍ습도 조절 장치에서 사용하는 방식인 인입된 외부공기의 냉각ㆍ제습(Dehumidifying), 재열(Reheating), 가습(Humidifying)의 3 단계를 거치는 기존의 제어방식을 지양하고, 인입된 외부공기에 대한 습도조절, 재열의 2 단계만을 거치는 새로운 제어방식을 채택함으로써, 온ㆍ습도 조절정밀도를 획기적으로 향상시키고, 결과적으로 장치 구성이 간소화되어, 장치 제작비용은 물론 장치 운전비 및 유지보수비를 대폭 절감할 수 있는 새로운 고정밀도 성능의 온ㆍ습도 조절 장치에 관한 고안이다.

종래의 온ㆍ습도 조절 장치들은 외부공기를 인입하여, 우선 냉각ㆍ제습 과정을 통하여 습도를 떨어뜨린 후에, 재열과정을 통하여 먼저 온도를 목적온도에 맞추고, 이어서 가습과정을 통하여 습도를 목적습도에 맞추는 방식을 사용하는 데, 이와 같은 종래의 방식은 재열과정을 통하여 정밀하게 온도가 조절된 습공기에 가습을 하게 되는 바, 가습과정 자체가 습공기의 현열변화 및 잠열변화 과정을 거치는 열 수반 공정이기 때문에 온도 난조(Temperature Hunting)가 유발될 뿐만 아니라 비등(Boiling)에 의한 가습은 수 표면에서의 불규칙한 증발에 의해 이루어지는 과정이기 때문에 근본적으로 습도가 불안정(Humidity Fluctuation) 하게 된다.

따라서 본 발명은 이러한 원천적인 온ㆍ습도 불안정 요인을 근본적으로 제거하고 고정밀도의 온ㆍ습도 조절 성능을 구현하기 위하여, 물뿌림 장치(41) 및 열·물질 전달장치(43)를 새로이 고안, 채택하여, 효율적인 물ㆍ공기 직접 접촉방식에 의한 열·물질 전달 효과를 극대화함으로써, 종래의 냉각ㆍ제습, 재열, 가습의 3 단계 제어방식이 아닌 습도조절, 재열의 2 단계만을 거치는 새로운 제어방식으로써 상기의 고정밀도 온ㆍ습도 조절 성능을 달성하고자 함에 본 발명의 목적이 있다.

Description

고정밀 온·습도 조절장치{High Precision Temperature-Humidity Controller}

IT(Information Technology)기술의 기반이 되는 반도체집적회로(VLSI)의 집적도는 매년 끊임없이 증가되어, 메모리 소자의 경우 현재는 256M DRAM이 양산되고 있고, 이어서 512M DRAM의 양산을 시작하였으며, 현재 1G DRAM의 개발을 완료하여 양산을 준비하고 있다. 이러한 VLSI 집적도의 지속적인 증대는 리소그래피(Lithography) 기술의 발전이 주도하고 있고, 이에 따라 반도체소자 세대별로 그에 필요한 해상도가 날로 미세화 되고 있다.

이러한 우수한 해상도의 요구사양 구현을 위한 웨이퍼 위의 회로 선폭(Line Width)의 효과적 정의를 위해서는, 우선 Photoresist Processing 장비인Coater/Developer(일명 Track 장비)의 공정분위기, 특히 Photoresist가 도포되는 Spin Cup 내의 온도 및 습도가 엄격하게 관리되어야 하고, 리소그래피 장비인 Stepper (또는 Scanner) 또한 노광이 이루어지는 챔버(Chamber) 내부의 온도 및 습도가 엄격하게 관리되어야 한다. 노광은 수 많은 렌즈 및 부대장치에 의해 이루어지는 바, 온도와 습도가 정밀하게 조절되지 않으면 렌즈의 열팽창(Thermal Expansion)에 의해 촛점거리가 변하고, 초점위치 및 배율 등이 변하여 해상도가 현격히 저하되기 때문이다. 이처럼 Track 장비 및 리소그래피 장비가 정상적으로 작동하여 요구성능을 충분히 발휘하기 위해서는 온도 및 습도가 엄격하게 관리되는 것이 매우 중요하며 현재는 온도 ±0.01。C, 상대습도 ±0.1 % 정도의 고정밀 조절정밀도를 요구하고 있다.

상기의 Track 장비 및 리소그래피 장비 내부의 엄격한 온ㆍ습도 관리는 온ㆍ습도가 정밀하게 조절된 청정공기를 공급해 주는 장치인 온ㆍ습도 조절장치(THC, Temperature Humidity Controller)에 의해 이루어지는데, 종래의 온ㆍ습도 조절 장치는 온ㆍ습도 조절정밀도 성능이 각각 온도 ±0.05。C, 상대습도 ±0.5 % 수준 정도에 지나지 않아 상기의 요구성능에는 크게 미치지 못하고 있는 실정이다.

이는 종래의 온ㆍ습도 조절 장치는 인입된 외부공기의 냉각ㆍ제습(Dehumidifying), 재열(reheating), 가습(Humidifying)의 3 단계를 거치는 제어방식을 사용하고 있기 때문이다. 즉, 외부공기를 인입하여, 우선 냉각ㆍ제습과정을 통하여 습도를 떨어뜨린 후에, 재열과정을 통하여 온도를 목적온도에 맞추고, 이어서 가습과정을 통하여 습도를 목적습도에 맞추는 방식을 사용하는 데, 이와 같은 종래의 3단계 방식은재열과정을 통하여 정밀하게 온도가 이미 조절된 습공기에 가습과정을 추가하게 되는 바, 가습과정 자체가 습공기의 현열변화 및 잠열변화 과정을 거치는 열 수반 공정이기 때문에 온도 난조(Temperature Hunting)가 유발될 뿐만 아니라 비등(Boiling)에 의한 가습은 수표면에서의 불규칙한 증발에 의해 이루어지는 과정이기 때문에 근본적으로 습도가 불안정(Humidity Fluctuation) 하게 된다.

따라서 최근의 1G DAM 및 4G DRAM 급 이상의 반도체 소자 양산에 필요한 0.18㎛ 이하급의 고해상도 리소그래피 공정을 위해서는 고정밀도의 온ㆍ습도 제어가 이루어진 청정공기를 공급할 수 있는 새로운 고정밀도 온ㆍ습도 조절장치의 개발이 필수적이다.

따라서 본 발명은 종래의 3단계 과정의 온ㆍ습도 조절방식을 지양하고, 인입된 외부공기에 대한 습도조절, 재열의 2 단계만을 거치는 새로운 제어방식을 창안하여 활용하고자 하며, 이를 위해 물뿌림 장치(41) 및 열·물질 전달장치(43)를 특별히 고안, 채택하여, 효율적인 물ㆍ공기 직접 접촉방식에 의한 열·물질 전달 효과 극대화를 유도함으로써, 온ㆍ습도 조절정밀도를 획기적으로 향상시키고, 한편으로는 장치 구성의 간소화에 따른 장치 제작비용은 물론 장치 운전비 및 유지보수비를 대폭 절감하는 효과를 거두고자 하는 점에 발명의 목적을 두고 있다.

[도면 1]에 종래의 온ㆍ습도 조절장치의 개념도를 나타내었다. 종래의 온ㆍ습도 조절장치를 보면, 냉각ㆍ제습, 재열, 가습의 3단계 과정을 통해 이루어진다.

공기를 냉각ㆍ제습하기 위한 1단계 과정은 냉매(Refrigerant)나 열전소자(Thermoelectric device)등을 사용한 냉각장치에서 냉각ㆍ제습코일(4) 또는 방열판(Heat Sink)의 금속표면에서 열전달 과정을 통하여, 냉각ㆍ제습이 이루어지는 과정이다. 외기가 흡입되어 제습될 때의 공기의 상태는 포화 습공기가 될 때까지 습도비가 일정하게 유지되면서 온도가 떨어지고, 공기가 포화액선을 따라가면서 계속적인 제습이 이루어지는 과정이다.

2단계 과정은 재열 과정으로서, 1단계 냉각ㆍ제습 과정을 통해 얻은 제습된 공기를 재열히터(Reheater)(7)를 통한 현열(Sensible Heat)로써 목적온도까지 가열하는 과정이다.

3단계 과정은 가습 과정으로서 비등(Boiling)에 의해 증기를 분무하는 방법을 통해 가습하는 데 이 과정은 습공기의 현열변화 및 잠열변화를 수반한다.

상기 3단계 과정을 종합적으로 보면, 인입된 외부공기는 압축기(1), 응축기(2), 팽창밸브(3) 및 냉각ㆍ제습코일(4)로 구성된 냉동사이클을 흐르는 1차 냉매와 간접접촉을 통해 노점온도 이하의 상태로 온도가 내려가면서 제습이 이루어지고, 이렇게 제습된 공기를 재열히터(7)로써 가열하여 목적온도로 맞추며, 다시 목적습도로 맞추기 위해 가습기(6)를 통해 가습증기(9)를 공기 혼합 덕트(11)에 분무하게 된다. 이러한 과정에서 단계 2의 재열과정을 통하여 정밀하게 온도가 조절된 습공기에 단계 3의 가습을 추가하게 되는데, 가습공정 자체가 습공기의 현열변화 및 잠열변화 과정을 거치는 열 수반 공정이기 때문에 온도 난조(TemperatureHunting)가 유발될 뿐만 아니라 비등(Boiling)에 의한 가습 또한 수 표면에서의 불규칙한 증발을 통해 이루어지는 과정이기 때문에 근본적으로 습도가 불안정(Humidity Fluctuation) 하게 되어 결과적으로 온도와 습도를 정밀하게 조절하기는 매우 어렵게 된다.

상기에 설명한 바와 같이 종래의 3단계 과정을 통한 온ㆍ습도 제어방식은 냉각ㆍ제습, 재열 과정을 통과한 습공기를 별도의 가습기를 통해 습도를 제어하므로 고정밀도의 제어가 어려운 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 최근의 관련업계 요구사양인 온도 ±0.01。C급, 상대습도 ±0.1 %급의 고정밀 조절정밀도를 달성하기 위하여, 종래의 온ㆍ습도 조절 장치에서 사용하는 3 단계 제어방식을 사용하지 않고, 인입된 외부공기에 대한 습도조절, 재열의 2 단계만을 거치는 새로운 제어방식을 채택함으로써, 온ㆍ습도 조절정밀도를 획기적으로 향상시키고, 결과적으로 장치 구성이 간소화되어, 장치 제작비용은 물론 장치 운전비 및 유지보수비를 대폭 절감하고자 함이 주요 내용이다.

이를 위해 본 발명은 종래의 온ㆍ습도 조절장치에서 발생하는 원천적인 온ㆍ습도 불안정 요인을 근본적으로 제거하고, 고정밀도의 온ㆍ습도 조절 성능을 구현하기 위하여, 물뿌림 장치 및 열·물질 전달장치를 특별히 고안, 채택하여, 효율적인 물ㆍ공기 직접 접촉방식에 의한 열·물질 전달 효과를 극대화함으로써, 종래의 냉각ㆍ제습, 재열, 가습의 3 단계 제어방식이 아닌 습도조절, 재열의 2 단계만을 거치는 새로운 제어방식을 구현하는 기술적 과제에 주안점이 있다.

[도면 1]은 종래의 온ㆍ습도 조절장치의 개념도.

[도면 2]는 본 고안을 설명하는 고정밀 온ㆍ습도 조절장치의 개념도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 21 : 압축기( Compressor )

2, 22 : 응축기( Condenser )

3, 23 : 팽창밸브( Expansion Valve )

4 : 냉각ㆍ제습코일( Cooling Coil )

5 : 가습히터( Humidifying Heater )

6 : 가습기( Humidifier )

7, 57 : 재열히터( Reheater)

8, 58 : 송풍기( Blower )

9 : 가습증기( Water Vapor )

11, 51 : 공기 혼합 덕트( Air Mixing Duct )

12, 52 : 공기 흡입구( Air Inlet Duct )

13, 53 : 공기 토출구( Air Outlet Duct )

24 : 증발기( Evaporator )

31 : 물 순환 펌프( Water Circulation Pump)

32 : 유량계( Flow Meter )

33 : 송수관( Water Supplying Pipe )

41 : 물뿌림 장치

42 : 물( Water )

43 : 열·물질 전달장치( HeatㆍMass Transfer Unit )

[도면 2]는 본 발명에 따른 시스템의 구성도이며 장치의 상세한 설명은 다음과 같다.

송풍기(58)에 의해 공기 토출구(53)로 토출되는 공기를 목적 온ㆍ습도로 정밀하게 제어하기 위해서는 공기 흡입구(52)로 인입된 외부 공기를 목적 온ㆍ습도의 노점온도까지 우선 냉각하여야 된다. 인입된 외부 공기와 접촉하여 열ㆍ물질 전달을 이루는 물의 온도를 제어하기 위해서는 냉동사이클을 구성하는 압축기(1), 응축기(2) 및 팽창밸브(3)를 통과한 1차 냉매(Refrigerant)가 증발기(Evaporator)(24)에서 2차 냉매인 상기 물과 열교환을 이루되 물의 유량은 필요 냉각용량에 따라 조절유량계(32)를 사용하여 조절한다. 유량이 조절된 물은 송수관(33)을 따라 이송되며, 물뿌림 장치(41)를 통하여 열ㆍ물질 전달장치(43)위에 고르게 뿌려진다.

공기 흡입구(52)로 인입된 습공기는 물ㆍ공기 접촉면적을 극대화한 상기 열ㆍ물질 전달장치(43)를 통과해 나오면서 상기 물뿌림 장치(41)를 통해 지속적으로 뿌려지는 물(42)과 단열 상태에서 접촉하게 되는데 이때 습공기의 온도 및 수증기 분압이 물의 온도 및 수증기 분압과 각각 평형 상태가 된다.

습공기가 뿌려지는 물(42)과 접촉하며 지나갈 때 현열변화와 잠열변화를 통한 열 및 물질전달이 일어난다. 습공기와 물 표면간에 온도차가 있으면 열전달이 일어나고, 수증기 분압차가 있으면 물질(물) 전달이 일어난다. 이 물질전달 형태 중에 습공기내의 수증기가 물로 응축되거나(제습), 물이 수증기가 되어 습공기 내로 포함되는 과정(가습)은 잠열변화이므로 열전달을 수반한다. 이 습공기를 목적 온ㆍ습도의 노점온도로 정확하게 맞추게 되는 데 이때 상대습도는 100% 포화상태가 되고, 이를 목적온도까지 재열히터 가열을 통한 현열변화 방식에 의해 고정밀도로 온도를 제어한다.

본 발명을 통한 효율적인 열ㆍ물질 전달 장치를 적용한 고정밀도의 온ㆍ습도 조절장치는 우선 시스템의 작동원리가 기존 3단계 과정에서 2단계 과정으로 축소됨에 따라 장치 구조가 간단해지고 제어가 간편하여 제어정밀도가 향상되는 특징이 있다. 또한 물과 공기가 직접 접촉을 하여 열ㆍ물질 전달이 이루어지므로 별도의 가습부가 필요치 않아 이를 위한 에너지 소모가 없고, 기존의 비등에 의한 가습의 경우에 비해 월등한 고정밀도의 온ㆍ습도제어가 가능하다.

본 발명에 의한 온ㆍ습도 조절장치는 반도체소자 생산 Fab 내의 Track 장비 및 리소그래피 장비에의 활용은 물론 FPD(Flat Panel Display) 생산용 공정장비에도 활용 가능하며, 나아가 광학공업, 정밀기계공업, 생화학공업에의 활용도 가능하다.

Claims

목적온도와 목적습도를 중심으로 일정 범위내로 온도와 습도가 각각 제어된 공기를 공급하는 온ㆍ습도 조절 장치에 있어서,

인입된 외부공기에 대한 습도조절, 재열의 2 단계 과정만을 거쳐 공기의 온ㆍ습도를 목적 온ㆍ습도로 제어하되, 상기 인입된 외부공기에 대한 습도조절 단계인 단계 1에서 물ㆍ공기 직접접촉에 의한 열ㆍ물질 전달을 통해 목적 온ㆍ습도의 노점온도로 제어하고, 다시 이를 단계 2인 재열단계에서 재열히터에 의한 가열로 목적 온ㆍ습도로 제어하는 방식을 사용하는 온ㆍ습도 조절 장치.
청구항 1에 있어서 인입된 외부공기를 목적 온ㆍ습도의 노점온도로 제어하기 위하여 물을 뿌려주는 물뿌림 장치와, 상기 물과 공기 사이에 열·물질 전달이 이루어지는 열·물질 전달장치로 구성된 온ㆍ습도 조절장치.
청구항 2에 있어서 열·물질 전달효과를 높이기 위해 물과 공기의 접촉면적을 극대화하기 위한 그물, 망상(網狀), 메쉬(Mesh), 벌집(Honey Comb) 구조로 이루어진 열·물질 전달장치.