KR20220118048A

KR20220118048A - 네트워크 기반의 소형 대전판을 가지는 챠지 플레이트 모니터링 장치

Info

Publication number: KR20220118048A
Application number: KR1020210021675A
Authority: KR
Inventors: 정종혁; 김선철
Original assignee: 김선철
Priority date: 2021-02-18
Filing date: 2021-02-18
Publication date: 2022-08-25
Also published as: KR102493135B1

Abstract

네트워크 기반의 소형 대전판을 가지는 챠지 플레이트 모니터링 장치는 이온을 수집하는 탑 플레이트(Top Plate) 및 대전극인 바텀 플레이트(Bottom Plate)를 포함하는 대전판과, 미리 설정된 출력전압을 대전판에 출력하는 고전압 발생부와, 대전판의 전위변화를 비례적으로 계측하기 위해 대전판의 전위와 평행한 전위를 가지는 전압평형회로와, 전압평형회로의 전위를 입력신호로 하는 아날로그 디지털 컨버터와, 아날로그 디지털 컨버터의 출력신호를 수집하는 임베디드 데이터처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

네트워크 기반의 소형 대전판을 가지는 챠지 플레이트 모니터링 장치{Charge Plate Monitor with small charging plate based on network}

본 발명은 챠지 플레이트 모니터링 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 네트워크 기반의 소형 대전판을 가지는 챠지 플레이트 모니터링 장치에 관한 것이다.

산업이 고도화함에 따라 정전기에 의한 시스템 및 전자산업에 있어서 정전기 방전(ESD: Electrostatic Discharge)에 대한 억제 및 예측기술 등이 산업적인 파급효과가 지대한 주요기술로 부각되고 있다.

특히, 전자산업 부문에서 전자회로의 고밀도 고집적화에 따른 정전기 방전 문제에 대한 이해도가 증가하면서, 전자, 반도체 분야의 정전기 장해에 대한 대책 및 분석 등에 대한 기술 및 제품의 개발이 필요하게 되었다.

정전기 장해에 대한 대책으로 사용되는 장비가 이오나이저이다.

이오나이저는 다양한 종류가 있으며 특성이나 중화 효과가 다르므로 기기의 동작을 잘 이해하고 사용해야 하며 대상이 되는 정전기 장해에 대하여 적절한 기기를 선정할 수 있도록 조사, 검토할 필요가 있다. 이오나이저는 이온 생성 방식에 3가지로 분류된다.

① 코로나 방전식

바늘 모양의 방전 전극에 전계를 집중시켜 공기를 국소적으로 절연 파괴하여 코로나 방전을 발생하여 공기 이온을 생성하여 방전 침에 (+)전압을 인가하면 (+)이온이 생성되고 ( - )전압을 인가하면 ( - )이온이 생성된다. 코로나 방전식 이오나이저는 방전 전극부에 대한 고전압 인가 방식에 따라 교류방식, 직류방식, 펄스 직류방식의 세 종류로 나눌 수 있다.

② 방사선식

폴로늄 210 등의 방사선 동위원소는α선을 방사한다. 입자는 양자 두 개 중성자 두개로 구성되는 헬륨 원자핵으로 공기 분자와의 충돌에 의해 공기분자를 이온화한다. α입자가 공기 분자와 충돌하면 공기 분자는 그 외각 전자가 튀어 나가며 양이온이 된다. 이탈한 전자는 다른 공기 분자에 포획되어 음이온을 형성한다.

③ 연 x선식

매우 파장이 짧은 전자파의 일종으로 광자가 공기 분자에 충돌했을 때 비탄성 산란이 일어나며 공기 분자에서 전자가 밖으로 튀어 나가며 공기 분자는 양이온이 된다. 튀어 나간 전자는 별도의 공기 분자에 포획되어 음이온을 형성한다.

이오나이저의 성능평가를 위한 측정항목은 Ion Balance·Offset Voltage와 감쇠시간 (+/-), Air Flow, 이온량으로 크게 네 가지로 나눌 수 있다. 이 가운데 방전전압, 방전시간, 풍속은 표준에서 측정해야 할 항목으로 지정하고 있으나, 풍향과 이온량 측정은 표준 시험방법이 확립되지 않았다. CPM(Charge Plate Monitor)을 이용하여 1,000 V 로 인가된 전압이 100 V 까지 되는 시간을 감쇠 시간(Decay Time)이라고 하며 측정된 T2에서 T1을 뺀 값으로 계산할 수 있으며 도 1은 감쇠시간 측정법을 나타낸다.

이오나이저 성능을 측정하기 위해 규격에서 권장하는 CPM(Charge Plate Monitor)에 의한 측정법을 적용하는 대전판은 150mm x 150mm로 전기적 연결이 없는 시험기에 장착했을 때의 최소 정전기 용량은 15pF이며 대전판과 회로를 포함한 총 정전기 용량은 (20±2)pF이다

현재 Oscilation Chopper type의 센서를 이용한 CPM(Charge Plate Monitor)이 제작, 판매되고 있다. 하지만 제품의 측정 성능은 10%이내의 오차율을 가지고 있다. 다수의 제품이 Oscilation Chopper Type의 센서를 활용한 표면전위 센서 및 다수의 정전기 계측 장비를 보유하고 있지만, 계측 오차에서는 비교적 큰 오차를 가지고 있는 상황이다.

대한민국 등록특허 등록번호 제10-1629915호는 챠지 플레이트 모니터링 장치이며, OCS(Oscilation Chopper Sensor) 센서의 성능으로 제품의 성능을 나타나게 된다.

이오나이저의 성능 평가에는 대전판 전압(Ion Balance), 감쇠 시간(Decay Time)로 평가가 이루어지게 된다. 국내에서 보급된 대부분의 종래의 정전기 센서의 경우, 표면 전위 센서를 활용한 제품이 대부분이다.

감쇠 시간(Decay Time)을 계측하기 위해서는 플레이트(Plate)에 원하는 전압을 대전시킨 이후, 이오나이저에 의해 감쇠되는 시간을 계측하여한 한다. 그러나 종래의 표면 전위 센서는 사용 환경과 자체 성능으로 계측기의 오차가 증가하게 된다.

KR 10-1629915 B

본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 대전판의 전위와 평행한 전위를 가지는 전압평형회로를 이용하여 측정 오차를 감소시킬 수 있는 네트워크 기반의 소형 대전판을 가지는 챠지 플레이트 모니터링 장치를 제공한다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온을 수집하는 탑 플레이트(Top Plate) 및 대전극인 바텀 플레이트(Bottom Plate)를 포함하는 대전판과, 미리 설정된 출력전압을 대전판에 출력하는 고전압 발생부와, 대전판의 전위변화를 비례적으로 계측하기 위해 대전판의 전위와 평행한 전위를 가지는 전압평형회로와, 전압평형회로의 전위를 입력신호로 하는 아날로그 디지털 컨버터와, 아날로그 디지털 컨버터의 출력신호를 수집하는 임베디드 데이터처리부를 포함하는 챠지 플레이트 모니터링 장치가 제공된다.

또한, 본 발명에서 임베디드 데이터처리부에서 전송되는 측정 데이터를 데이터베이스화하여 관리하는 제어 컴퓨터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

국내 시장에서는 대부분의 정전기 계측 장비는 표면 전위 센서를 활용하는 계측기로 구성되어 있다. 그러나 이오나이저의 성능 평가에는 적절하지 않다. 그 이유는 평가 기준의 하나인 정전기 감쇠 시간(Decay Time) 측정을 정확하게 평가할 수 없기 때문이다.

이를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 챠지 플레이트 모니터링 장치는 대전판의 전위와 평행한 전위를 가지는 전압평형회로를 이용하여 측정 오차를 3%(30V) 이내로 감소시킬 수 있다.

도 1은 감쇠 시간(Decay Time) 측정법을 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 챠지 플레이트 모니터링 장치(1)의 구성도
도 3은 대전판의 설계 예시도 및 실사도
도 3a 내지 도 3c는 대전판의 상세설계 예시도
도 4는 고전압 발생부의 고전압 드라이브회로의 예시도
도 5는 전압평형회로 구현을 위한 기준전압 출력회로 예시도
도 6은 기준전압 출력회로와 전압평형회로의 전압 표시 회로 예시도
도 7은 아날로그-디지털 컨버터의 전압분배회로의 예시도
도 8은 아날로그-디지털 컨버터의 노이즈 제거회로와 전원 시프트 회로의 예시도
도 9는 대전판의 전위를 측정하기 위한 테스트 측정환경의 예시도

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 챠지 플레이트 모니터링 장치(1)의 구성도이고, 도 3은 대전판의 설계 예시도 및 실사도이고, 도 3a 내지 도 3c는 대전판의 상세설계 예시도이다.

본 실시예에 따른 챠지 플레이트 모니터링 장치(1)는 제안하고자 하는 기술적인 사상을 명확하게 설명하기 위한 간략한 구성만을 포함하고 있다.

도 2 내지 도 3c를 참조하면, 챠지 플레이트 모니터링 장치(1)는 대전판(100), 고전압 발생부(200), 전압평형회로(300), 아날로그 디지털 컨버터(400), 임베디드 데이터처리부(500) 및 제어 컴퓨터(600)를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성되는 챠지 플레이트 모니터링 장치(1)의 주요동작을 살펴보면 다음과 같다.

챠지 플레이트 모니터링 장치(1)는 정전기 제거 장치의 성능 평가를 위한 사용하는 되는 장치로 정의된다.

대전판(100)은 이온을 수집하는 탑 플레이트(Top Plate) 및 대전극인 바텀 플레이트(Bottom Plate)를 포함하여 구성되며, 탑 플레이트(Top Plate)와 바텀 플레이트(Bottom Plate) 사이에는 절연체가 구비될 수 있다.

즉, 대전판(100)은 정전기 제거 장치(이오나이저)에서 발생하는 +/ - 이온을 수집하여, 계측 장치를 통하여 대전량을 표시할 수 있도록 하는 센서로 정의된다.

대전판(100)에 1000V의 고전압을 인가한 후, 이오나이저에 의해서 대전판(100)의 전압이 감소하는 감쇠 시간(Decay Time)을 측정하면서 이오나이저의 성능을 평가할 수 있도록 구성된다. 대전판(100)에는 BNC 커넥터가 연결될 수 있으며, 크기는 25.4mm x 25.4mm를 가지도록 구성될 수 있다.

고전압 발생부(200)는 미리 설정된 출력전압을 대전판(100)에 출력한다.

고전압 발생부(200)는 출력 전압 범위가 최소 +1,100V ~ -1,100V 이상인 회로로 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 고전압 발생부(200)는 Decay Time(±1,000V -> ±100V)을 계측하기 위한 ±1,100V 전압 출력할 수 있도록 구성된다.

전압평형회로(300)는 대전판(100)의 전위변화를 비례적으로 계측하기 위해 대전판(100)의 전위와 평행한 전위를 가지도록 구성된다.

아날로그 디지털 컨버터(400)는 전압평형회로(300)의 전위를 입력신호로 하여 아날로그 신호(전압)를 디지털 신호로 변환시킨다.

임베디드 데이터처리부(500)는 아날로그 디지털 컨버터(400)에서 출력되는 디지털 출력신호를 수집하고, 제어 컴퓨터(600)는 임베디드 데이터처리부(500)에서 전송되는 측정 데이터를 데이터베이스화하여 관리한다. 임베디드 데이터처리부(500)와 제어 컴퓨터(600)는 유무선 통신망을 통해서 데이터를 교환할 수 있도록 구성될 수 있다. 예시적으로 시리얼 통신(RS-485, RS-232)을 이용할 수 있다.

제어 컴퓨터(600)는 복수의 임베디드 데이터처리부(500)와 네트워크망으로 연결되어 복수의 임베디드 데이터처리부(500)에서 처리된 측정 데이터를 수신하고 관리할 수 있다.

반도체 공정에서 특정 공정 장비에는 이오나이저가 수십 대가 설치되어 있으므로, 제어 컴퓨터(600)에서 스마트공장 활성화를 실현하기 위한 이오나이저의 성능 평가가 가능하도록 하여 경제적인 측면에서 많은 효과를 기대할 수 있다.

도 4는 고전압 발생부의 고전압 드라이브회로의 예시도이다.

도 4를 참조하면, 하나의 예시에 따른 고전압 드라이브회로는 타이머(NE555) 모듈의 트리거 방식을 이용하여 구성될 수 있다. 트랜지스터(Q13)에서 흐르는 전류가 특정 전압 이상이 될 경우, 타이머(NE555) 모듈을 트리거하여 고전압을 스위칭하며, 가변저항(VR4)에 의하여 고전압의 출력을 조절하도록 하였다.

참고적으로 출력전압에 대한 피드백 회로를 추가하여 더욱 정확한 출력전압을 출력하도록 구성될 수도 있을 것이다.

또한, 고전압 드라이브회로에 적용할 고전압 트랜스포머는 1차 15uH, 2차 시스템 전압용 6uH, 고전압 권선340mH으로 구성될 수 있고, 2차 출력은 ±7.5V, ±1,200V 이상이 가능하다.

도 5는 전압평형회로 구현을 위한 기준전압 출력회로 예시도이다.

도 5를 참조하면, 이온을 수집하는 탑 플레이트(Top Plate) 및 대전극인 바텀 플레이트(Bottom Plate) 사이의 전압이 ±0.7V 이상일 경우, OPAMP 의 출력신호를 바탕으로 플레이트의 극성을 파악하는 1차 회로가 구성될 수 있다.

도 6은 기준전압 출력회로와 전압평형회로의 전압 표시 회로 예시도이다.

도 6을 참조하면, Op-amp를 이용한 기준 전압 출력 회로와 고전압 회로를 구성하여, 플레이트에서 수집된 이온 전압을 표현하기 위한 전압 스위칭 회로를 구성하고, 그 출력을 확인할 수 있다.

기준 전압의 출력을 바탕으로 고전압 출력 ±1,100v이상 전압의 출력을 트랜지스터를 이용하여 기준 전압과 평형이 되는 회로를 구성하였다. 트랜지스터의 반응 속도에 기준전압이 평형이 되는 시점에서 메인전원의 그라운드와 트랜지스터를 이용한 기준 전압회로 사이의 전압이 플레이트에 수집된 이온전압(Ion Voltage)과 평행이 이루는 전압을 측정할 수 있다.

도 7은 아날로그-디지털 컨버터의 전압분배회로의 예시도이고, 도 8은 아날로그-디지털 컨버터의 노이즈 제거회로와 전원 시프트 회로의 예시도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 평형 회로의의 출력은 ±1,100v이다. 그러나 임베디드 시스템에 ADC 입력으로 하기 위해서는 필터회로 및 전압 분배에 대하여 회로를 구성해야한다. 즉, 적절한 잡음 제거를 위한 필터 회로 설계 및 전압 분배 회로가 구비된다.

회로에 발생하는 잡음 부분이 많이 발생할 경우, 임베디드 데이터처리부(500)의 프로그램에서 평균값 계산 프로그램을 사용하여, 필터 회로와 함께 적용하여 더욱 좋은 성능의 데이터를 확보할 수 있다.

도 9는 대전판의 전위를 측정하기 위한 테스트 측정환경의 예시도이다.

도 9를 참조하면, 탑 플레이트(Top Plate)에 전원을 공급하여, 계측 회로에서 수집된 데이터를 분석한다. 소형 대전판(100)에 공급되는 (DC Power Supplier) 전압과 계측회로에서 검출되는 데이터를 서로 비교 검토하였으며, 측정 결과에 대한 오차는 평균 ±0.2V 이내로 측정되었다.

측정 시, 계측 지점과 신호 그라운드(Signal Ground) 사이에 접점 오류시, 시스템의 고전압누설이 발생되는 경우가 나타날 수도 있으므로, 추가적으로 보호 소자 및 잡음을 제거하는 회로를 더 구비할 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 챠지 플레이트 모니터링 장치는 대전판의 전위와 평행한 전위를 가지는 전압평형회로를 이용하여 측정 오차를 3%(30V) 이내로 감소시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 대전판
200 : 고전압 발생부
300 : 전압평형회로
400 : 아날로그 디지털 컨버터
500 : 임베디드 데이터처리부
600 : 제어 컴퓨터

Claims

이온을 수집하는 탑 플레이트(Top Plate) 및 대전극인 바텀 플레이트(Bottom Plate)를 포함하는 대전판;
미리 설정된 출력전압을 상기 대전판에 출력하는 고전압 발생부;
상기 대전판의 전위변화를 비례적으로 계측하기 위해 상기 대전판의 전위와 평행한 전위를 가지는 전압평형회로;
상기 전압평형회로의 전위를 입력신호로 하는 아날로그 디지털 컨버터; 및
상기 아날로그 디지털 컨버터의 출력신호를 수집하는 임베디드 데이터처리부;
를 포함하는 챠지 플레이트 모니터링 장치.
제1항에 있어서,
상기 임베디드 데이터처리부에서 전송되는 측정 데이터를 데이터베이스화하여 관리하는 제어 컴퓨터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 챠지 플레이트 모니터링 장치.