KR20130003392A - 열전대 및 열전대의 노이즈 제거방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전대 및 열전대의 노이즈 제거방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 온도를 측정하는 측온부(100); 측온부(100)의 일측단부와 연결되며 측온부(100)를 지지하는 바디부(200); 및 바디부(200)에 일측단부(310)가 연결되고 타측단부(320)는 접지되는 접지부(300)를 포함하며, 측온부(100)에서 생성되는 열전자(10)가 접지부(300)를 통해 유도되어 방출되는 것을 특징으로 한다.

Description

열전대 및 열전대의 노이즈 제거방법{THERMOCOUPLE AND METHOD FOR REMOVING NOISE THEREOF}

본 발명은 열전대 및 열전대의 노이즈 제거방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 열전대에서 생성되는 열전자를 접지시켜 방출함으로써 온도 측정시에 노이즈를 감소시킨 열전대 및 열전대의 노이즈 제거방법에 관한 것이다.

열전대(thermocouple)는 제베크 효과(seebeck effect)를 이용하여 넓은 범위의 온도를 측정하기 위해 두 종류의 금속으로 만든 장치이다. 두 종류의 금속 소선의 일측단부가 접합되어 측온 접점을 형성하고, 온도를 측정할 영역에 측온 접점을 위치시키면 금속소선 양단의 온도가 서로 다르므로 두 금속 사이에 열기전력이 발생하여 전류가 흐르는데 이 전류를 이용하여 온도를 측정할 수 있다.

열전대는 측온 접점이 형성되는 열전대 소선의 보호 형태에 따라서 일반 열전대와 시스 열전대(sheath thermocouple)로 나눌 수 있는데, 통상적으로 시스 열전대가 내열, 내진 및 센싱 감도가 좋고 플렉서블한 특성이 있어 많이 사용되고 있다.

시스 열전대의 종류는 노출형, 접지형, 비접지형으로 분류할 수 있다. 노출형은 열전대 소선을 시스에서 노출하여 측온 접점을 만든 형태로, 응답 속도는 가장 빠르나 열화, 기밀성 및 기계적 강도가 약해 수명이 짧다. 접지형은 열전대 소선을 시스의 일측단부에 용접하여 측온 접점을 만든 형태로, 응답 속도는 노출형과 비접지형의 중간 정도이고, 화학적, 기계적 안정성이 높으나 전기적 유도장애의 문제가 있다. 비접지형은 열전대 소선을 시스와 완전히 절연시키고 측온 접점을 만든 형태로, 응답 속도는 가장 느리며 접지형과 비슷한 특성을 가지나 전기적 유도장애가 차단되는 효과가 있다.

열전대는 구조가 비교적 간단하고 넓은 범위의 온도를 측정할 수 있어 각종 공업용 온도 측정에서 사용되며, 특히 반도체 공정 중 기판의 전 영역에서 균일한 온도를 유지함과 동시에 온도 변화를 제어하기 위한 기판 처리용 챔버 내부의 온도 측정을 위해 사용된다.

한편, 반도체 소자의 대량 생산화를 위한 기판의 면적이 점점 커지고 있으며, 이를 위한 기판 처리용 챔버의 크기도 커지고 있다. 따라서, 대형화되는 챔버 내부나 기판의 온도 측정을 위해 종래의 시스 열전대보다 길이가 더 길어진 시스 열전대가 요구되고 있다.

하지만, 종래 시스 열전대는 높은 온도로 가열한 금속에서 생성되는 전자인 열전자(thermo electron)가 외부로 방출되지 못하고 시스 열전대를 돌아다니면서 온도 측정에 있어서 노이즈를 발생시키는 문제점이 있었다.

또한, 종래 시스 열전대 시스가 길어질수록 열전자가 영향을 미치는 면적이 증가되거나, 시스 열전대의 내부저항이 증가되는 원인으로 인해 온도 측정시 노이즈를 발생시키는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열전대에서 생성된 열전자를 열전대 외부로 방출하여 온도를 측정할 때 노이즈를 감소시키는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 길이가 긴 시스를 포함하는 열전대로 온도 측정을 하여도 노이즈가 발생하지 않는 열전대를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 상기의 목적은 온도를 측정하는 측온부; 상기 측온부의 일측단부와 연결되며 상기 측온부를 지지하는 바디부; 및 상기 바디부에 일측단부가 연결되고 타측단부는 접지되는 접지부를 포함하며, 상기 측온부에서 생성되는 열전자가 상기 접지부를 통해 유도되어 방출되는 것을 특징으로 하는 열전대에 의해 달성된다.

상기 측온부는 한 쌍의 열전대 소선, 상기 한 쌍의 열전대 소선을 절연하는 절연재 및 상기 열전대 소선과 상기 절연재를 커버하는 시스(sheath)로 구성될 수 있다.

상기 바디부에는 상기 접지부의 상기 일측단부와 연결되는 커넥터가 끼워지게 설치될 수 있다.

상기 커넥터는 상기 바디부에 볼트로 고정될 수 있다.

상기 접지부의 상기 일측단부에는 와셔가 설치되어 상기 와셔가 상기 커넥터에 볼트로 고정될 수 있다.

상기 바디부에는 온도 보상부가 더 연결될 수 있다.

상기 접지부의 단선은 열전대 내의 단선과 동일한 단면적을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 상기의 목적은 측온부에서 생성되는 열전자를 상기 측온부의 일측단부에 접하는 바디부에 연결된 접지부를 통해 유도시켜 방출하는 것을 특징으로 하는 열전대의 노이즈 제거방법에 의해 달성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 열전대에서 생성된 열전자를 열전대 외부로 방출하여 온도를 측정할 때 노이즈를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 길이가 긴 시스를 포함하는 열전대로 온도 측정을 하여도 노이즈가 발생하지 않는 열전대를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대(thermocouple)의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 측온부의 단면을 나타내는 확대 도면이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼트로 고정되는 커넥터의 측면 및 정면을 나타내는 확대 도면이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 접지부의 일측단부에 설치되는 와셔의 측면 및 평면을 나타내는 확대 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 측온부에서 생성되는 열전자가 접지부를 통해 유도되어 방출되는 과정을 나타내는 도면이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 명세서에 있어서, 열전대는 일반 열전대 또는 시스 열전대를 포함하며, 시스 열전대 중에서도 노출형, 접지형, 및 비접지형 시스 열전대를 포괄적으로 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 다만, 이하에서는 비접지형 시스 열전대를 상정하여 설명한다.

열전대의 구성

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대(thermocouple)의 전체 구성을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 측온부(100)의 단면을 나타내는 확대 도면이다.

도 1을 참고하면, 열전대는 측온부(100), 바디부(200), 및 접지부(300)를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 도 2를 참조하면, 측온부(100)는 한 쌍의 열전대 소선(110), 절연재(120) 및 한 쌍의 열전대 소선(110)과 절연재(120)를 커버하는 시스(sheath; 130)으로 구성될 수 있다.

측온부(100)는 대상물의 온도를 측정하는 역할을 한다. 측온부(100)는 대면적 기판 처리용 챔버 내에 충분히 삽입될 수 있을 정도의 길이이어야 하며, 바람직하게는 대면적 기판의 사이즈에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 최근 5세대 이상의 기판 사이즈에 효과적으로 대응하기 위하여 측온부(100)는 1,300 mm 이상의 길이를 가질 수 있다. 또한, 측온부(100)의 외경에 대해서는 특별한 제한은 없으나, 3 mm 내지 5 mm의 외경을 가지는 미세한 측온부(100)도 사용될 수 있다.

열전대 소선(110)은 두 종류의 금속선이 일측단부에서 접합되어 측온 접점(101)을 형성하며, 측온 접점(101)을 측정할 영역에 위치시키고 열전대 소선(110)의 타측단부를 기준 온도로 하여 열기전력을 측정할 수 있다. 열전대 소선(110)의 타측단부는 공지의 와이어 커팅(wire cutting) 기술 등을 이용하여 챔버의 내부 온도를 측정하기 적합하도록 소정의 길이로 절단한 후, 절단된 단부를 벨트 연마기 등을 이용하여 평면으로 가공한 다음 바디부(200)에 단선을 통해 연결할 수 있다. 열전대 소선(110)은 백금(Pt), 로듐(Ro), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 구리(Cu), 철(Fe) 중 어느 하나 이상을 포함하는 두 종류의 금속으로 이루어질 수 있다.

절연재(120)는 시스(130) 내에 충전되어 열전대 소선(110)과 시스(130)를 절연시키는 역할을 하며, MgO, Al₂O₃, ZrO₂ 등을 포함하는 분말 형태의 세라믹일 수 있다.

시스(130)는 보호관으로 한 쌍의 열전대 소선(110)과 절연재(120)를 커버함과 동시에, 측온부(100) 내부를 측정 대상의 주위 물리적, 화학적 분위기로부터 보호하는 역할을 할 수 있다. 이러한 시스(130)는 내열성, 내진성, 내식성, 내압성 등이 양호한 비금속 또는 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 일 예로, 비금속일 경우에는 석영, 자기, 알루미나 등이 사용될 수 있고, 금속일 경우에는 스테인리스 강, 인코넬, 칸탈 등이 사용될 수 있다. 한편, 시스(130)는 일측단부에 절연재(120)를 시스(130) 내에 밀봉하기 위해 에폭시 수지 등으로 구성되는 밀봉부(135)를 구비할 수 있다.

바디부(200)는 온도를 측정하는 측온부(100)의 타측단부에 연결되며, 측온부(100)를 지지하는 역할을 한다. 일 실시예로, 챔버의 내부에 측온부(100)가 삽입되는 경우 바디부(200)는 챔버의 외부에 배치되어 측온부(100)를 지지할 수 있으며, 바디부(200)는 챔버 외부의 고정 수단(미도시)에 고정되어 챔버 내부의 특정 위치의 온도를 계속해서 측정하거나, 챔버 외부의 이동 수단(미도시)에 연결되어 챔버 내부에서 측온부(100)의 위치를 변경하면서 온도를 측정할 수 있다.

한편, 바디부(200)에는 온도 보상부(210)가 더 연결될 수 있다. 온도 보상부(210)는 측온부(100)의 측온 접점(101)과 기준 접점으로 사용되는 구조물(미도시) 사이를 연결하며, 기준 접점의 온도에 상당하는 열기전력을 보상하여 온도를 보정함으로써 주위 조건이 측정 온도에 영향을 주는 것을 방지하는 역할을 한다.

접지부(300)는 바디부(200)에 일측단부(310)가 연결되고 타측단부(320)는 접지(ground)될 수 있다. 접지부(300)는 바디부(200)에 끼워지는 커넥터(350)에 접지부(300)의 일측단부(310)에 구비된 와셔(370)를 볼트(360)로 고정시켜 연결될 수 있다. 구체적인 내용은 후술한다.

도 3 의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼트(360)로 고정되는 커넥터(350)의 측면 및 정면을 나타내는 확대 도면이다.

도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 접지부(300)의 일측단부(310)에 설치되는 와셔(370)의 측면 및 평면을 나타내는 확대 도면이다.

커넥터(350) 및 볼트(360)는 구리(Cu), 철(Fe) 등 전도성이 우수하고 내부 저항이 작은 소재로 구성되는 것이 바람직하다. 커넥터(350)는 육 각기둥의 모양으로 3면에 볼트홈(361)이 형성되어 있을 수 있고, 중앙에는 바디부(200)의 외경과 동일한 크기의 홈이 형성되어 있을 수 있으나, 바디부(200)에 끼워지며 접지부(300)를 연결할 수 있는 구조이면 그 형상에 있어서 제한은 없다. 와셔(370)는 중앙에 볼트홈(361)의 외경과 동일한 크기의 홈이 형성되어 있을 수 있으며, 재질은 커넥터(350) 및 볼트(360)와 동일 재질일 수 있으나, 접지부(300)의 단선과 동일 재질인 것이 바람직하다.

도 1, 도 3 및 도 4를 참조하면, 바디부(200)에는 커넥터(350)가 끼워져 접지부(300)와 연결될 수 있다.

구체적으로, 커넥터(350)의 3면에 형성된 볼트홈(361)에 볼트(360)를 결착시켜 바디부(200)에 커넥터(350)를 고정시킬 수 있다. 이때, 커넥터(350)의 상부면에 형성된 볼트홈(361)과 접지부(300)의 일측단부(310)에 설치된 와셔(370)의 홈에 볼트(360)가 동시에 결착되면서 접지부(300)와 커넥터(350)가 연결될 수 있다.

열전대의 노이즈 제거

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 측온부에서 생성되는 열전자가 접지부를 통해 유도되어 방출되는 과정을 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 측온부(100)의 열전대 소선(110)이 챔버 내부의 고온으로 인해 가열되어 열전자(10)를 생성할 수 있다. 열전자(10)는 측온부(100)뿐만 아니라 바디부(200)까지 확장되어 바디부(200)의 온도 보상부(210) 및 바디부(200)에 연결된 열전대 신호 측정장치(미도시)에 영향을 주어 온도 측정에 있어서 노이즈(헌팅 현상)를 발생하게 한다.

본 발명에서는 열전자(10)가 측온부(100)에서 생성되고, 바디부(200), 커넥터(350), 볼트(360) 및 와셔(370)를 거쳐 접지부(300)의 일측단부(310)로 유도되고, 접지되어 있는 접지부(300)의 타측단부(320)까지 이동하여 외부로 방출되게 된다. 따라서, 측온부의 측온 접점(101), 바디부(200)의 온도 보상부(210), 및 바디부(200)에 연결된 열전대 신호 측정장치에 영향을 주는 열전자(10)를 감소시킴으로써 노이즈의 발생을 줄일 수 있고, 보다 정확한 온도 측정이 가능할 수 있다.

이때, 접지부(300)의 컨덕턴스(conductance)가 우수할수록 열전자의 방출이 원활해지므로, 열전대 내에서 전기적으로 연결되는 단선들과 접지부(300)의 단선은 동일한 단면적을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실험예에 따르면, (ⅰ) 접지부(300)의 단면적을 0.5 mm²로, 기판 처리 장치의 히터에 인가되는 출력을 최대 출력의 80%로 한 경우에 노이즈가 발생하였으나, (ⅱ) 접지부(300)의 단면적을 0.5 mm²로, 기판 처리 장치의 히터에 인가되는 출력을 최대 출력의 70%로 한 경우에 노이즈가 발생하지 않았고, (ⅲ) 접지부(300)의 단면적을 1.0 mm²로, 기판 처리 장치의 히터에 인가되는 출력을 최대 출력의 80%로 한 경우에 노이즈가 발생하지 않았다.

또한, 커넥터(350), 볼트(360), 와셔(370) 및 와셔(370)와 접지부(300)가 접촉되는 부분의 표면 저항이 낮을수록 열전자의 방출이 원활해지므로 상기 구성들의 표면 코팅을 제거한 후에 결합하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명에 따른 열전대는, 열전대에서 생성된 열전자를 열전대 외부로 방출하여 온도를 측정할 때 노이즈를 감소시킬 수 있고, 시스를 길게 제조한 열전대로 온도 측정을 하여도 노이즈가 발생하지 않는 이점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

10: 열전자
100: 측온부
101: 측온 접점
110: 열전대 소선
120: 절연재
130: 시스
135: 밀봉부
200: 바디부
210: 온도 보상부
300: 접지부
310: 접지부의 일측단부
320: 접지부의 타측단부
350: 커넥터
360: 볼트
361: 볼트홈
370: 와셔

Claims (9)

1. 온도를 측정하는 측온부;
   상기 측온부의 일측단부와 연결되며 상기 측온부를 지지하는 바디부; 및
   상기 바디부에 일측단부가 연결되고 타측단부는 접지되는 접지부
   를 포함하며,
   상기 측온부에서 생성되는 열전자가 상기 접지부를 통해 유도되어 방출되는 것을 특징으로 하는 열전대.
2. 제1항에 있어서,
   상기 측온부는 한 쌍의 열전대 소선, 상기 한 쌍의 열전대 소선을 절연하는 절연재 및 상기 열전대 소선과 상기 절연재를 커버하는 시스(sheath)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전대.
3. 제1항에 있어서,
   상기 바디부에는 상기 접지부의 상기 일측단부와 연결되는 커넥터가 끼워지게 설치되는 것을 특징으로 하는 열전대.
4. 제3항에 있어서,
   상기 커넥터는 상기 바디부에 볼트로 고정되는 것을 특징으로 하는 열전대.
5. 제3항에 있어서,
   상기 접지부의 상기 일측단부에는 와셔가 설치되어 상기 와셔가 상기 커넥터에 볼트로 고정되는 것을 특징으로 하는 열전대.
6. 제1항에 있어서,
   상기 바디부에는 온도 보상부가 더 연결되는 것을 특징으로 하는 열전대.
7. 제1항에 있어서,
   상기 접지부의 단선은 열전대 내의 단선과 동일한 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 열전대.
8. 측온부에서 생성되는 열전자를 상기 측온부와 연결된 접지부를 통해 유도시켜 방출하는 것을 특징으로 하는 열전대의 노이즈 제거방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 측온부는 온도를 측정하는 한 쌍의 열전대 소선, 상기 한 쌍의 열전대 소선을 절연하는 절연재 및 상기 열전대 소선과 상기 절연재를 커버하는 시스(sheath)로 구성되고,
   상기 바디부는 상기 측온부의 일측단부와 연결되며 상기 측온부를 지지하고,
   상기 접지부는 상기 바디부에 일측단부가 연결되고 타측단부는 접지되는 것을 특징으로 하는 열전대의 노이즈 제거방법.

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