KR20140090810A - 잉곳 성장의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 실시예의 잉곳 성장의 제어 방법은, 잉곳의 성장 공정에서, 성장되는 잉곳의 직경에 따라 인상 속도를 PID 방식으로 제어하는 방법으로서, 설정되는 오차범위를 벗어나는 영역에서 잉곳의 직경이 변화하는 경우에, 상기 PID 방식에 따라 설정되는 인상 속도에 가중치를 곱한 값을 상기 인상 속도로 재설정한다.

Description

잉곳 성장의 제어 방법{Method for controlling ingot growth}

본 발명은 잉곳을 성장시키는데 있어, 잉곳의 성장 직경에 따른 인상 속도를 제거 및 보정할 수 있는 방법에 대한 것이다.

잉곳은 도가니에 수용된 실리콘 융액을 성장 냉각시키는 것에 의해 제조된다. 잉곳의 인상 속도를 조절시키는 것에 의해, 성장되는 잉곳의 직경을 조절할 수 있다.

성장되는 잉곳의 직경을 크게 하기 위해서는 인상 속도를 줄이고, 반대로 직경을 작게 하기 위해서는 인상 속도를 빠르게 하며, 이러한 인상 속도의 제어는 일반적으로 PID(Proportionla Integral Differential) 제어 방법을 이용하고 있다.

제어 대상을 목표값으로 맞추기 위하여 사용하는 방법으로는, ON/OFF제어, P제어, PI제어, PID제어가 있는데, P, PI제어 등에서 발생되는 잔류 편차를 없앨 수 있는 적분 제어가 포함된 PID 제어가 많이 이용된다.

그러나, 이러한 PID 방법에 의한 잉곳의 인상 속도를 제어하더라도, 미분 제어가 포함되기 때문에, 잉곳의 현재 직경 상태에 따라 인상 속도를 적절히 제어하는데에는 여전히 문제점이 존재한다.

도 1은 성장되는 잉곳의 직경에 따른 인상 속도의 PID제어를 보여주는 도면이다.

도 1(a)에과 도 1(b)에는 일반적으로 사용되는 PID 제어에 의한 인상 속도의 변화과정을 보여주는 그래프가 되시되어 있다. 다만, 도면에서는 카메라 등과 같은 센서에 의해 관찰되는 잉곳의 직경(실선)의 계단형식으로 증가하거나 감소하는 것처럼 도시되어 있으나, 이것은 실제의 직경 변화 그래프를 일부분 확대하여 도시한 것으로서, 실제의 직경 사이즈 변화는 아주 미세할 수 있으니, 이 점은 참조할 필요가 있다.

도면을 참조하여 보면, 관찰되는 잉곳의 직경이 증가하게 하게 되면, PID 제어에 따라 인상 속도를 점선과 같이 증가시키게 되는데, 그 증가되는 시점이 잉곳의 직경이 증가하게 되는 순간에 이루어지다 보니, 그래프와 같이, 인상 속도를 순간적으로 크게 증가시키는 제어가 이루어지고 있다.

또한, 도 1(b)에서와 같이, 잉곳의 직경이 일정값을 유지하다가 소정 크기 감소하게 되면, PID 제어에 따라 인상 속도를 순간적으로 많은 양을 낮추게 되는 현상이 발생하고 있다.

도 2는 성장되는 잉곳의 직경에 따른 인상 속도 제어를 PID로 할 경우에 인상 속도의 급변화를 보여주는 그래프이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 잉곳의 직경이 하강 상태에서 증가 상태로 전환되는 때(A,B)에, PID 제어하에서는 그 인상 속도가 급격하게 증가하게 되고, 반대로 잉곳의 직경이 증가 상태에서 하강 상태로 전환되는 때(C)에는, PID 제어하에서는 그 인상 속도가 급격하게 감소하게 되는 경향이 있다.

기존의 PID 제어하에서는, 직경의 변화에 따른 인상 속도의 변화가 빠르게 이루어지지만, 특정 구간(A,B,C)에서는 오히려 인상 속도의 급격한 변화로 인하여, 잉곳 품질을 저하시키는 원인이 될 수 있다.

본 발명은, 잉곳 직경의 상태에 따라 인상 속도의 변화량을 증감시킬 수 있도록 함으로써, 보다 안정적인 인상 속도의 제어가 이루어지도록 하는 잉곳의 성장 제어 방법을 제안하고자 한다.

특히, 작업자는, 잉곳 성장 시, 인상 속도의 PID 제어를 세부적으로 직접 설정할 수 있으므로, 잉곳에 따라 인상 속도의 변화량을 다양하게 변경할 수 있는 잉곳의 성장 제어 방법을 제안하고자 한다.

본 실시예의 잉곳 성장의 제어 방법은, 잉곳의 성장 공정에서, 성장되는 잉곳의 직경에 따라 인상 속도를 PID 방식으로 제어하는 방법으로서, 설정되는 오차범위를 벗어나는 영역에서 잉곳의 직경이 변화하는 경우에, 상기 PID 방식에 따라 설정되는 인상 속도에 가중치를 곱한 값을 상기 인상 속도로 재설정한다.

제안되는 바와 같은 잉곳 성장의 제어 방법에 의해서, 잉곳 직경의 변화에 따른 인상 속도의 조절을 기존의 PID제어하에서 이루어지도록 하면서, 잉곳 직경이 상한치 또는 하한치를 벗어나는 경우에는 인상 속도의 변화량을 완화하여 변경되도록 함으로써, 안정적인 인상 속도의 제어가 이루어질 수 있는 장점이 있다.

도 1은 성장되는 잉곳의 직경에 따른 인상 속도의 PID제어를 보여주는 도면이다.
도 2는 성장되는 잉곳의 직경에 따른 인상 속도 제어를 PID로 할 경우에 인상 속도의 급변화를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 실시예의 잉곳 성장의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 성장되는 잉곳의 직경에 따른 인상 속도에 가중치를 가하는 구간을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 성장되는 잉곳의 직경 변화에 따른 기존의 PID 제어 방식과 본 발명의 보정 제어 방식을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라 잉곳 성장시 직경에 따른 가중치를 설정할 수 있는 화면 구성의 예이다.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

도 3은 본 실시예의 잉곳 성장의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

본 실시예의 제어 방법은, 기존의 인상 속도를 제어하기 위한 PID 시스템에 적용될 수 있으며, PID 방식에 따른 수동적인 인상 속도의 제어가 아닌, 타겟 직경에 대한 상한치와 하한치를 작업자가 설정하여 두면, 잉곳의 직경이 해당 범위를 벗어나게 되는 때에는 PID 제어 방식에 보상값을 반영하여 인상 속도의 제어가 이루어지도록 한다.

잉곳 성장시 PID에 의한 인상 속도의 제어에 의하면, 도 4와 도 5에서 성장 잉곳의 '직경' 그래프는 점차 증가하였다가 설정한 상한치를 넘어선 다음, 안정기로 접어들어 타겟 직경으로 성장이 이루어진다. 이것은, PID 제어 특성에 기인한 것으로, 특히, 본 발명에서는, 설정한 하한치보다 직경이 작은 상태에서의 직경 변화에 따른 인상 속도와, 설정한 상한치보다 직경이 큰 상태에서의 직경 변화에 따른 인상 속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 따른 잉곳 성장의 제어 방법은, 기 준비된 PID 제어 방식에 대해서 보상 알고리즘을 적용할 잉곳의 길이 범위를 작업자가 설정할 수 있다(S110). 예를 들어, 작업자는 제조하는 하는 잉곳의 특성상 성장 초중반의 직경 제어가 중요하다고 판단할 경우에는, 잉곳 초중반에 해당되는 잉곳의 길이 범위를 시스템에 설정하여 둔다.

그리고, 해당 잉곳 길이 범위에서의 타겟 직경을 설정하고, 타겟 직경의 오차범위에 대한 설정(즉, 상한치와 하한치)을 미리 입력한다(S120). 즉, 타겟 직경에 대한 상한치와 하한치의 범위 내에서는 기 준비된 PID 제어 방식에 따른 인상 속도를 제어하는 구간이 되고, 타겟 직경에 대한 상한치와 하한치를 벗어나는 크기의 직경 변화에 대해서는 PID 제어 방식에 대한 보상 알고리즘이 적용되는 것이다.

이때, 적용할 보상 알고리즘의 값 역시, 작업자가 직접 설정가능하다(S130). 다만, 보상 알고리즘의 제어 대상이 되는 제어구간(S110)과, 타겟 직경에 대한 오차범위 설정(S120)과, 보정값 설정(S130)에 대해서 작업자가 직접 입력할 수 있다고 설명하였으나, 적용 알고리즘의 변경/추가 등에 의해서 시스템에서 직접 이러한 내용을 자동적으로 설정/입력/반영하는 것이 가능할 것이다.

입력되는 보상값은, 해당 오차범위를 벗어나는 범위(상한치보다 크거나, 하한치보다 작은 경우)에서의 잉곳 직경 사이즈의 변화는, PID 제어 알고리즘에 가해지는 가중치이다.

한편, PID 제어 특성상, 타겟 직경으로 잉곳을 성장시키는 과정 중에 타켓 직경 보다 작은 상태에서 점차 직경이 증가하다가 타겟 직경보다 더 커진 다음, 다시 타겟 직경으로 안정화된다. 이때, 타겟값(목표 직경)보다 직경이 작은 상태에서는 점차 직경을 키우기 위해 인상 속도가 느려지도록 제어하고, 타겟값보다 직경이 큰 상태에서는 점차 직경을 줄이기 위해 인상 속도가 빨라지도록 제어한다. 다만, 타겟값보다 직경이 작은 상태에서 직경을 키우기 위하여 인상 속도를 늦추는 경우에, PID 제어하에서는 급격한 인상 속도 변화가 일어나기 때문에, 타겟값의 오차범위를 벗어나는 영역의 직경 변화시 가중치(보상값)를 반영하도록 한다.

예를 들어, 상한치 보다 직경이 큰 상태에서 직경이 감소하게 되면, 기 준비된 PID 제어 방식에 따르면 α만큼 인상 속도를 늦추어야 완만한 직경 변화를 가져오지만, 본 실시예에서는, 도 6에 도시된 바와 같이, '상한보정비율'을 0.5(50%)로 설정하면, 상기 '상한보정비율'값이 반영되어 α/2만큼만 인상 속도를 늦추는 제어가 이루어진다(도 4의 E 영역 참조).

참고로, 상한치보다 큰 직경인 상태에서는, 전체적으로 타겟값의 직경을 맞추기 위하여 인상 속도를 빠르게 하는 것이지만, 직경의 완만한 감소를 유도함으로써 타겟값으로 맞추기 위하여, 상한치보다 큰 직경의 상태에서는, 직경 감소시에 보정값을 반영하여 인상 속도를 미세하게 늦추게 된다.

또 다른 예로, 도 6에 도시된 바와 같이, '하한보정비율'을 75%로 설정하여 두는 경우라면, 성장되는 잉곳 직경이 하한치 아래의 범위에서 소정 길이 커지게 되면, PID 제어에 따르면 β만큼 인상 속도를 빠르게 하여 완만한 직경 변화를 가져오도록 하지만, 본 실시예에서는, '하한보정비율'을 0.75(75%)로 설정하면, β*0.75만큼 인상 속도를 빠르게 한다(도 4의 D 영역 참조).

성장되는 잉곳의 직경 변화에 따른 기존의 PID 제어 방식과 본 발명의 보정 제어 방식을 비교한 그래프가 도 5에 도시된다.

도 5를 참조하면, 기 준비된 PID 제어 방식에 더하여 본 발명의 보정 제어를 가하기 위한 잉곳 성장 길이 범위와, 타겟 직경 길이 및 타겟 길이의 오차범위와, 오차범위 이탈시 가중치(보정값)에 대한 설정이 먼저 이루어진다. 이러한 설정의 작업은, 작업자에 의한 수동 설정이 이루어지거나 시스템에 의한 자동 설정이 가능하다. 도 4의 경우와 마찬가지로, 하한치 보다 작은 경우의 구간인 F 영역에 대한 인상 속도의 보정과, 상한치 보다 큰 경우의 구간인 G 영역에 대한 인상 속도의 보정이 이루어진다.

기존의 PID 방식에만 따를 경우에는, 타겟 직경의 오차범위 중 하한치보다 작은 경우에도, 직경의 변화에 따라 급격한 인상 속도의 변화가 수반되지만, 본 실시예에 따르게 되면, PID 제어 방식에 가중치가 가해진 값을 인상 속도로 설정한다. 이러한 제어 방법을 통해서, 잉곳 직경 타겟 직경으로 맞추는데에 완만한 직경의 변화를 가져오고, 결국 제조된 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 제어 방법에 대해서 예를 들어 설명하였지만, 인상 속도를 제어하는 다양한 제어 방법에도 적용가능할 것이며, 특히 작업자가 수동으로 인상 속도와 관련되는 사항을 입력/선택할 수 있고, 이러한 가중치(보정값)의 반영을 통한 안정적인 성장을 유도할 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 잉곳의 성장 공정에서, 성장되는 잉곳의 직경에 따라 인상 속도를 PID 방식으로 제어하는 방법으로서,
   설정되는 오차범위를 벗어나는 영역에서 잉곳의 직경이 변화하는 경우에, 상기 PID 방식에 따라 설정되는 인상 속도에 가중치를 곱한 값을 상기 인상 속도로 재설정하는 잉곳 성장의 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가중치를 곱한 값을 상기 인상 속도로 재설정하는 단계 이전에,
   상기 인상 속도의 재설정이 수행되는 잉곳 길이를 설정하는 단계를 더 포함하는 잉곳 성장의 제어 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기의 오차 범위는, 잉곳의 목표 직경에 대한 상한치와 하한치로서, 수동으로 입력이 가능한 잉곳 성장의 제어 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 가중치는, 성장되는 잉곳의 직경이 상기 상한치보다 큰 경우와, 상기 하한치보다 작은 경우 각각에 대해 상이하게 설정가능한 잉곳 성장의 제어 방법.

Images