KR20210090355A - 초저온을 구현하는 칠러 장치 - Google Patents

Abstract

냉동기를 적용하지 않고 초저온을 구현할 수 있는 칠러 장치가 개시된다. 상기 칠러 장치는, 냉매로 액체 질소를 이용해서 온도를 하강시켜주는 냉동사이클, 상기 냉동사이클과 증발기를 통하여 열 교환하여 상기 하강된 온도를 브라인을 통해 메인 장비로 전달해주는 냉매사이클을 구비하며, 상기 액체 질소는, 상기 증발기에서 흡열 반응에 의해 상기 브라인의 열을 빼앗아 기체 상태로 증발하고, 상기 브라인은 초저온 상태로 상기 메인 장비에 공급된다.

Description

초저온을 구현하는 칠러 장치{Extremely low temperature chiller apparatus for semiconductor}

본 발명은 초저온을 구현하는 칠러 장치에 관한 것으로, 특히 냉동기를 적용하지 않고 초저온을 구현할 수 있는 기술에 관련한다.

종래의 반도체나 디스플레이 패널 일반 제조공정에서는 열 매체(브라인)를 최저 -20℃ 정도로 사용하였으나, 최근 에치-옥사이드 공정에서 식각의 효율을 높이는 방안으로 메인 챔버를 초저온으로 냉각시키는 방식이 연구되고 있고, 이에 따라 초저온 칠러에 대한 개발 요구가 늘어나고 있다.

해당 요구에 의해 기개발된 초저온 칠러 장치는 압축기와 응축기를 포함하는 냉동기를 이용하여 초저온을 얻는 방식인데, 이는 1개 이상의 냉동기에 여러 종류의 냉매가스로 구성되며, 특히 -100℃에 도달하기 위해서는 최소 2개 이상의 냉동기가 필요하다.

예를 들어, 본 발명의 출원인에 의해 출원되어 공개된 공개특허 2019-0125892는, 냉매를 이용해서 온도를 하강시켜주는 냉동사이클과 상기 냉동사이클에서 하강된 온도를 냉매를 통해 메인 장비로 전달해주는 냉매사이클을 구비하며, 상기 냉동사이클은 캐스케이드(cascade) 연결된 1차 및 2차 냉동사이클로 구성되고, 상기 1차 및 2차 냉동사이클 각각은 팽창밸브와 열교환기로 구성되는 V-I(Vapor-Injection) 모듈을 구비하고, 상기 V-I 모듈에서, 상기 팽창밸브의 후단이 상기 열교환기로 연결되고 상기 팽창밸브의 전단에서 분기되어 상기 열교환기로 연결되어 상기 열교환기에서 이들이 서로 열교환 하여 냉매 온도를 하강시키는 것을 특징으로 하는 초저온 반도체 칠러 장치를 개시한다.

이 칠러 장치에서도 1차 및 2차 냉동사이클을 구성하는 2개의 냉동기를 필요로 하고 있다.

그 결과, 칠러 장치의 크기가 커짐은 물론이고, 전력비 등의 유지비용과 냉동기 등의 보수비용도 그만큼 증가하게 되며, 소음과 진동의 문제가 발생될 여지도 있다.

또한, 지구 온난화 지수(Global Warming Potential, GWP)가 높은 냉매 가스를 사용할 수밖에 없어 지구 온난화에도 기여한다고 볼 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 냉동기를 적용하지 않고 초저온까지 냉매의 온도를 하강시키고 유지시킬 수 있는 칠러 장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적은, 냉매로 액체 질소를 이용해서 온도를 하강시켜주는 냉동사이클, 상기 냉동사이클과 증발기를 통하여 열 교환하여 상기 하강된 온도를 브라인을 통해 메인 장비로 전달해주는 냉매사이클을 구비하며, 상기 액체 질소는, 상기 증발기에서 흡열 반응에 의해 상기 브라인의 열을 빼앗아 기체 상태로 증발하고, 상기 브라인은 초저온 상태로 상기 메인 장비에 공급되는 것을 특징으로 하는 초저온을 구현하는 칠러 장치에 의해 달성된다.

바람직하게, 상기 액체 질소의 증발온도는 최저 -196℃일 수 있다.

바람직하게, 상기 냉동사이클에서, 상기 액체 질소의 유량은 상기 증발기의 전단에 설치된 팽창밸브에 의해 조절될 수 있다.

바람직하게, 상기 냉매사이클에서, 상기 증발기의 후단에 브라인 탱크와 히터가 설치되고, 상기 브라인은 상기 히터에 의해 온도 보상될 수 있다.

바람직하게, 상기 증발기의 후단에 순환펌프가 설치되고, 상기 브라인의 압력과 유량의 제어는 상기 순환펌프의 회전수를 제어하여 조절될 수 있다.

본 발명에 의하면, 냉동기 없이 초저온을 구현할 수 있다.

또한, 냉동기를 사용하지 않기 때문에, 장비 크기를 축소할 수 있고, 제작비, 유지비 및 보수비를 절감할 수 있으며, 소음과 진동을 줄일 수 있다.

또한, 냉매가스를 사용하지 않아 지구 온난화에 기여하지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시스템 계통도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 칠러 장치를 이용하여 브라인을 냉각시킨 과정을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 칠러 장치를 이용하여 브라인을 냉각시키고 유지하는 보여주는 그래프이다.

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.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시스템 계통도를 나타낸다.

본 발명에 따른 칠러 장치(100)는 냉동사이클(110)과 냉매사이클(120)을 구비하며, 사이클 별로 각기 다른 냉매를 사용한다.

냉동사이클(110)은 질소를 냉매로 이용해서 온도를 하강시켜주고, 냉매사이클(120)은 냉동사이클(110)에서 하강된 온도를 브라인(brine) 냉매를 통해 반도체 또는 디스플레이 패널의 제조설비의 메인 장비로 전달하여 열 부하를 제거하는 역할을 한다.

양 사이클 모두 냉매를 이용하지만, 이하에서는 구별의 편의를 위해 냉동사이클과 냉매사이클로 구분하여 사용한다.

냉동사이클(110)의 열매체인 질소는 증발기(130)에서 냉동사이클(120)의 열매체인 브라인과 열 교환을 하여 액체 상태에서 기체 상태로 변화되고, 브라인은 초저온으로 온도가 하강하게 된다.

냉동사이클(110)에서 증발기(130)의 전단과 후단에 각각 냉매의 온도와 압력을 측정하는 온도센서 T1, T2와 압력센서 P1 - P3가 설치되고, 팽창밸브(112)의 전단에 유량센서 F1이 설치된다.

액체 질소의 유량은 팽창밸브(112)를 조절하여 설정할 수 있으며, 액체 질소의 유량은 유량센서 F1에서 확인할 수 있다.

또한, 공급측 온도센서 T1과 회수측 온도센서 T2의 온도 차이가 클수록 질소가 증발기(130) 내부에서 완전 증발했다는 것을 의미하며, 이들의 온도 차이가 적거나 나지 않으면 액체 질소의 유량이 지나치게 많을 가능성이 있다.

냉동사이클(110)에서, 액체 질소가 팽창밸브(112)를 통과하는데, 팽창밸브(112)를 통과하는 과정에서 팽창밸브(112)의 개도 조절을 통해 유량을 조절할 수 있다.

다시 말해, 팽창밸브(112)가 많이 열리게 되면 브라인이 과냉될 수 있고, 팽창밸브(112)가 적게 열리면 브라인 온도가 상승할 수 있다.

액체 질소는 온도센서 T1과 압력센서 P2를 통과하여 증발기(130)에 유입되고, 증발기(130)에서 열교환에 의한 흡열반응이 일어난다. 즉, 액체 상태의 질소는 브라인의 열을 빼앗아 기체 상태로 증발하기 시작하며, 이때 질소의 증발온도는 최저 -196℃ 정도에 이른다.

증발된 기체 질소는 온도 센서 T2와 압력 센서 P3을 통과하여 회수된다.

한편, 냉매사이클(120)에서, 메인 챔버(200)에서 회수된 브라인은 회수라인의 온도 센서 T3과 유량 센서 F2를 거쳐 증발기(130)에 도달하게 된다.

브라인이 증발기(130)에 도달하면 액체 질소의 흡열작용에 의해 열을 빼앗기게 되며, 이를 통해 브라인이 초저온 상태로 된다. 여기서, 브라인의 최저 온도는 약 -120℃이다.

증발기(130)를 통과한 브라인은 브라인 탱크(122)를 거쳐 히터(124)를 통해 온도 보상을 받는다.

이후, 순환펌프(125)를 통해 온도센서 T5와 압력센서 P4를 통과하여 메인 챔버(200)로 공급된다.

제어부는, 냉매사이클(120)의 회수라인의 온도센서 T3과 공급라인 온도센서 T5에서 각각 감지한 브라인 온도의 차이를 비교하고 회수라인의 유량센서 F2를 참조하여 메인 챔버(200)의 부하 처리량을 계산한다.

공급 제어의 경우 공급라인의 온도센서 T5를 메인 챔버(200)에서 요구하는 온도로 맞춰서 유체를 공급하고, 회수 제어의 경우 회수라인의 온도센서 T3을 메인 챔버(200)에서 요구하는 온도로 맞춰서 유체를 공급한다.

상기한 것처럼, 브라인이 열교환기(130)를 통과하여 설정온도 이하로 냉각되고, 히터(124)를 통해 설정온도 수준으로 맞춰진 후 공급하는데, 순환펌프(125)나 배관 등에서의 열손실을 고려하여 제어하게 된다.

압력과 유량의 제어는 순환펌프(125)의 회전수를 제어함으로써 맞출 수 있다. 순환펌프(125)의 회전수는 인버터를 사용하여 헤르츠를 제어하는 방식으로, 압력센서 P4 및 유량센서 F2와 연동되어 설정값으로 맞춰진다.

도 2는 본 발명의 칠러 장치를 이용하여 브라인을 냉각시킨 과정을 보여주는 그래프이다. 여기서, 브라인은 3M사의 제품인 HFE-7200을 사용하였다.

그래프에서 보여준 것처럼, 20℃에서 -100℃까지 냉각하느데 대략 12분 정도 소요된다.

도 3은 본 발명의 칠러 장치를 이용하여 브라인을 냉각시키고 유지하는 보여주는 그래프이다.

브라인을 -100℃에서 유지시키려면, 액체 질소의 증발온도는 그보다 낮으므로, 상기한 것처럼, 단일 사이클 시스템으로는 히터를 사용해서 온도를 상승하여 맞춰야 한다.

이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 청구범위에 의해 해석되어야 한다.

100: 칠러 장치
110: 냉동사이클
112: 팽창밸브
130: 증발기
120: 냉매사이클
122: 브라인 탱크
124: 히터
125: 순환펌프
200: 메인 챔버

Claims (5)

1. 냉매로 액체 질소를 이용해서 온도를 하강시켜주는 냉동사이클, 상기 냉동사이클과 증발기를 통하여 열 교환하여 상기 하강된 온도를 브라인을 통해 메인 장비로 전달해주는 냉매사이클을 구비하며,
   상기 액체 질소는, 상기 증발기에서 흡열 반응에 의해 상기 브라인의 열을 빼앗아 기체 상태로 증발하고, 상기 브라인은 초저온 상태로 상기 메인 장비에 공급되는 것을 특징으로 하는 초저온을 구현하는 칠러 장치.
2. 청구항 1에서,
   상기 액체 질소의 증발온도는 최저 -196℃인 것을 특징으로 하는 초저온을 구현하는 칠러 장치.
3. 청구항 1에서,
   상기 냉동사이클에서, 상기 액체 질소의 유량은 상기 증발기의 전단에 설치된 팽창밸브에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 초저온을 구현하는 칠러 장치.
4. 청구항 1에서,
   상기 냉매사이클에서, 상기 증발기의 후단에 브라인 탱크와 히터가 설치되고, 상기 브라인은 상기 히터에 의해 온도 보상되는 것을 특징으로 하는 초저온을 구현하는 칠러 장치.
5. 청구항 1에서,
   상기 증발기의 후단에 순환펌프가 설치되고, 상기 브라인의 압력과 유량의 제어는 상기 순환펌프의 회전수를 제어하여 조절되는 것을 특징으로 하는 초저온을 구현하는 칠러 장치.
   

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