• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2009년도 제38회 동계학술대회 초록집
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• pp.476-476
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• 2010

유도 결합 플라즈마 (ICP)는 축전 결합 플라즈마 (CCP) 보다 상대적으로 높은 밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 또한 구조가 간단하고 기존 스퍼터링 장치의 내부에 추가 설치가 용이하며, 스퍼터된 입자의 이온화, 반응성 가스의 활성화를 위한 2차 플라즈마원으로 적용이 가능하다. 그러나 대면적의 고밀도 플라즈마의 균일도 측정은 고가의 2D probe array등을 사용하여야 한다. 본 연구에서는 간단한 CCD camera를 챔버 내부에 삽입하여 가시광 영역의 적분 강도를 이용해서 플라즈마의 2차원적 균일도를 정성적으로 비교 판단하고 시간에 따른 국부적인 이상 방전을 감시할 수 있도록 내장형 무선 카메라를 사용하였다. 직경 380 mm의 챔버 내에 2 turn ICP antenna를 이용하여 유도 결합 플라즈마를 발생시켰다(Ar 30 sccm, 35 mTorr, 2 MHz, 400 W). 내장형 무선 카메라를 챔버 내부 중앙의 ICP antenna에서 8 cm 아래에 위치시켜 플라즈마를 진공 중에서 촬영하였다. 내장형 무선 카메라를 챔버 내부에 위치하여 촬영한 결과 외부에서 view port로 쉽게 확인할 수 없는 ICP antenna 내부의 고밀도 플라즈마의 불균일도를 평가할 수 있었고, ICP antenna 가장자리에서 중심으로 이동할수록 밝아지는 것을 토대로 중심 영역의 plasma 밀도가 가장 높다는 것을 알 수 있었고, 채도와 명도의 차이를 이용하여 시각적인 플라즈마 균일도를 분석하였으며 이를 플라즈마 모델링 기능이 있는 전산 유체 역학 프로그램인 CFD ACE+를 이용하여 플라즈마 분포를 모델링 및 비교하였다. 또한 인라인 타입의 마그네트론 스퍼터링 시스템에서 기판 캐리어에 무선 카메라를 장착하여 이동하면서 캐리어와 마그네트론 방전 공간의 상대적인 위치에 따른 마그네트론 방전링의 형상 변화도 관찰하였다.

• 공업화학
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• 제29권5호
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• pp.510-518
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• 2018

최근에 반도체 산업의 지속적인 발전에 따라 반도체 생산공정에서 발생하는 다양한 오염가스를 처리하는 기술에 대한 관심도 늘어나고 있다. 이처럼 반도체 공정 후 배출되는 폐가스를 제거하는 장치 중의 하나로서 다양한 종류의 스크러버 시스템이 사용되고 있다. 이러한 스크러버 시스템 내 열분해반응기 성능은 폐가스 내 오염원 제거효율과 전반적인 운전안정성에 영향을 미치기 때문에 열분해 반응기의 효율적인 설계가 매우 중요하다. 본 연구에서는 수치해석 방법을 기반으로 반응기 내 폐가스의 열유동 특성을 파악하고자 하였다. 해석기법을 검증하기 위해 온도분포에 대한 해석결과를 실험결과와 비교하였다. 온도결과에 대한 해석과 실험은 약 1.27~2.25% 수준의 낮은 오차를 보였으며 이를 통해 해석결과의 타당성을 확보하였다. 검증된 해석기법을 이용하여, 기존 반응기의 성능개선을 위한 설계 가이드라인을 제시하기 위해 폐가스 형상 변화에 따른 해석을 수행하여 기존모델 및 수정모델에서 폐가스의 거동특성을 비교분석하였다. 본 연구에서 수행한 결과는 다양한 스크러버 시스템 내 열유동 특성을 분석하는데 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

• 공업화학
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• 제25권4호
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• pp.401-408
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• 2014

분리막 생물반응기에서 산기량 제어는 반응기 내 유체흐름과 특히 막표면 근방에서의 전단응력을 변화시켜 막오염 감소 및 에너지 절약을 구현하는 중요 독립변수 중 하나이다. 본 연구에서는 원통형 생물 반응기 중심에 침지형 평막을 장착하고 하부에서 공기가 공급되는 3차원적 시스템에 대하여 "COMSOL"프로그램을 사용하여 수치해석하였다. 용액의 점도, 온도는 일정하다고 가정했으며 투과액 부피와 산기량의 비인 $SAD_p$를 변수로 사용하였다. 유속센서, 동영상 이미지분석으로 측정한 유속과 수치해석 결과는 11% 이내에서 일치함을 확인하였다. 반응기 내 유체의 흐름은 산기관과 막모듈 구간에서 급격하게 증가하였으나 막모듈을 지나면서 감소하였으며 반응조 벽에서 중심축 방향으로 갈수록 유속이 증가하는 경향을 보였다. 막 표면에서 계산된 전단응력은 하단 중앙부가 가장 크게 나타났으며 산기량이 증가할수록 전단응력이 증가하였다. 특히 산기량을 0.15에서 0.25 L/min로 증가할 경우 크게 증가함을 확인할 수 있었다.

• 공업화학
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• 제34권3호
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• pp.307-312
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• 2023

본 연구는 수소 경제 사회의 안전 확보를 위해 수소 연료전지 후단 배출된 미반응 수소를 안정적으로 산화하는 방안에 대해 논의하였다. 안전 시스템은 미반응 수소를 에너지원 없이 제거할 수 있는 상온 산화촉매를 충진하였으며, 이때 반응으로 배출되는 산화열은 안정적으로 회수할 수 있는 열 회수 장치를 연계하고자 하였다. 그 결과, 수소 산화 시스템의 충진 조건에 따라 시스템 내 압력 및 유체 흐름이 변화함을 CFD 분석을 통해 확인하였다. 또한 배가스 온도, 열 회수기 내 유량 및 압력조건을 최적화하여 300 ℃ 이상의 배가스 산화 열원을 40 ℃ 이상의 온수를 확보하는 방식으로 폐열을 회수할 수 있음을 확인하였다. 본 연구를 통해 수소 연료전지와 같은 중·소규모 사업장에 적용된 수소 활용 공정을 실증 규모로 평가하여 안전 시스템으로의 가능성을 확인하였다. 추후 실증화 연구를 통해 예측하지 못한 수소 안전사고에 대해 대응할 수 있는 안전 가이드로 활용될 수 있다고 판단된다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제43회 하계 정기 학술대회 초록집
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• pp.179-179
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• 2012

국내에는 나노 분말 제조를 위한 RF 열플라즈마 시스템 제조 기술이 확보되어 있지 않고, 또한 나노 파우더 제조를 위한 공정 기술 역시 외국 업체에 전적으로 의존하고 있다. 본 연구에서는 나노 분말 제조를 위한 RF 열 플라즈마 토치 시스템 개발과 고품질의 나노 파우더 합성 공정 기술을 확립하여 필요 기관에 제공하는데 있다. 80 kW RF Plasma torch system의 설계 및 제작을 위해 플라즈마 Simulator인 CFD-ACE+를 이용하여 플라즈마 토치 및 반응로 내의 온도 분포, 유체 유동, 열전달 등의 해석을 통해 플라즈마 토치 및 반응로의 반경 및 길이, 구조의 설계 값을 도출하여 반응로를 설계하여 RF 파워, RF 플라즈마 토치(Torch), 반응기(Reactor), 사이클론(Cyclone), 포집부(Collector), 열교환기 및 진공배기 시스템으로 구성하였다. Si 나노 소재의 경우, 이차전지 음극재에 적용이 가능한 대표적인 소재로서 높음 비용량과 충/방전시 부피팽창을 감소시킬 수 있어 이차전지의 고용량 구현을 위해서는 가장 중요한 소재중 하나로 많은 관심 재료로 평가 받고 있다. 따라서 본 연구에서는 상용화된 Si 원료 powder를 사용하여 고상 분체 공급 장치를 통하여 고온의 플라즈마를 통과시켜 기상화 및 결정화과정을 통해 Si 나노분말을 제조하였다. 공정 변수로서 공정압력 및 플라즈마 power, Gas의 변화량에 따른 나노 분말의 제조 특성에 대한 실험을 진행한 후 제조된 나노 분말을 비표면적측정(BET) 및 SEM 측정 결과 분석을 통하여 시스템 특성을 파악하였으며 제조된 Si 나노 파우더는 이차전지 음극재로서 770 mAh/g의 용량과 93%@50 cycle 수준의 유지율을 나타내었다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2010년도 제39회 하계학술대회 초록집
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• pp.97-97
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• 2010

많은 플라즈마 공정 중에 건식 식각은 복잡하고 표면반응이 잘 알려지지 않은 등의 이유로 가장 어려운 분야 중의 하나이다. 이러한 이유로 식각 장치 디자인뿐만 아니라 플라즈마를 이용한 건식 식각의 공정 조건은 수많은 시행착오를 통해 시도되어 왔다. 이런 문제들을 극복하기 위해 많은 연구자들에 의해서 다양한 방법과 tool을 이용해 모델링이 시도되고 있다. 본 연구에서는 $CF_4$ 가스를 이용한 유도결합 플라즈마에 의해 Si와 $SiO_2$를 식각하는 것을 상용 프로그램인 전산모사 유체역학 시뮬레이터인 CFD-ACE+를 이용하여 모델링했다. 150 mm 직경의 웨이퍼에 대한 모델은 식각 속도 실험결과와 비교 하였다. Ar의 경우 20 mTorr에서 13.56 MHz, 500 W인가 시 2.0 eV의 전자온도와 $7.3{\times}10^{11}\;cm^{-3}$의 전자밀도가 계산결과와 상당히 일치하게 측정되었고, $CF_4$를 이용한 $SiO_2$ 식각에서도 식각 속도가 평균 190 nm/min로 일치했고 식각 균일도는 3% 였다. 450 mm 웨이퍼 공정용 장치의 모델 계산 결과에서는 안테나와 기판의 거리, 챔버의 단면적, 기판 지지대와 배기구와의 높이 등 기하학적인 구조와 각 안테나 턴의 위치 및 전류비가 플라즈마 균일도에 많은 영향을 주었으며, 안쪽부터 4 turn이 있는 경우 2번째, 4번째 turn에만 1:4의 전류비를 인가했을 때, 수십%의 전자밀도의 불균일도를 4.7%까지 낮출 수 있었다. 또한, Si 식각에서는 식각 속도의 분포가 F radical의 분포와 같은 경향을 보임을 확인했고, $SiO_2$ 식각에서는 전자 밀도의 분포와 일치함을 확인함으로써 균일한 식각을 위해서 두 물질의 식각 공정에서는 다른 접근의 시도가 필요함을 확인했다. 플라즈마의 준중성 조건을 이용해서 Poisson 방정식을 풀지 않고 sheath를 해석적 모델로 처리하는 방법과, Poisson 식으로 정전기장을 푸는 방법을 통해서 입사 이온의 에너지 분포를 비교하였다. 에너지 범위는 80~120 eV로 같지만, 실험에서는 IED가 낮은 에너지 쪽이 더 높게 측정됐고, 계산 결과에서는 높은 에너지 쪽이 높았다.

• 한국표면공학회:학술대회논문집
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• 한국표면공학회 2018년도 춘계학술대회 논문집
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• pp.120-120
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• 2018

반도체 소자나 디스플레이 패널 제조 공정에 가장 많이 사용되는 진공 펌프인 터보 분자 펌프는 오일을 사용하지 않고, 설치 방향이 자유로우며 넓은 작동 압력 영역을 가지고 있어서 고가임에도 불구하고 점점 더 사용 영역을 넓혀 가고 있다. 상하의 두 곳에 회전축을 지지하는 베어링이 필요한데, 기계식 금속 베어링을 채용하는 경우에는 반드시 윤활유를 공급해 주어야 하고, 고온, 부식성 또는 산화성 가스의 배기 시에는 퍼지 가스로 비활성인 질소나 알곤등을 이용하여 보호를 해주어야 한다. 반면, 자기 베어링을 채택한 모델은 윤활의 걱정에서 자유로울 수 있기 때문에 채용이 늘어나고 있다. 동일극의 반발력이나 반대극의 인상력을 이용한 구조를 갖게 되는데 갑작스러운 입구 쪽 압력의 증가 시에는 자석 끼리 부딪치는 일이 발생하고 이로 인해서 로터 모듈 전체에 큰 손상을 갖게 되므로 한 곳 정도에 비상용 터치 다운 베어링을 기계식으로 윤활제 없이 설치하기도 한다. 기본적으로 자기 베어링 방식은 로터 모듈의 부상과 제어를 위해서 3축 또는 5축 제어를 하게 되는데 여기에는 전자석의 전류를 미세하게 조정하여 피드백 하는 시스템을 활용하기 때문에 외부에서의 자기장이 일정값 이상 침투하게 되면 제어 회로의 기능에 문제를 일으키게 된다. 또한 축 방향에 수직인 자기장의 강도가 높아지면 고속으로 회전하는 금속 블레이드가 자속을 자르게 되므로 표면에 와전류가 발생하여 문제가 된다. 터보 분자 펌프는 회전자와 고정자 간격이 1 mm 이내로 작아서 약간의 진동이라도 발생하면 회전자와 고정자 간에 충돌이 일어나고 이는 곧 파손으로 이어진다. 그림 1에는 파손 원인 분석을 위한 회전자 모듈의 수치 해석용 모델의 일부를 나타내었고, 그림 2에는 실제로 외부 자기장에 의한 파손이 발생한 사례의 자기 베어링 모듈의 사진을 나타내었다. 본 발표에서는 외부 자기장의 형태에 따라 제어 자기장에 미치는 영향을 CFD-ACE+(ESI corp)를 활용하여 해석하였다.

• 한국자동차공학회논문집
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• 제13권2호
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• pp.52-57
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• 2005

The increasing automobiles continue to cause air-pollution problem s worse than ever. In fact, many automobile research are involved in how to reduce exhaust emissions effectively specially in $NO_X$ and PM to comply with stringent emission standards, Euro V. This research emphasized on the development of continuous regeneration DPF technology which was one of promising removing technology of particulate matters because of its comparability and high applicability. In addition, this research discussed on some design points of view through correlation study by com paring the experimental data with computational results by the introduction of commercial codes such as CFD-ACE+ and KIVA-3V. The numerical simulation on the performance of continuous regeneration DPF apparatus and corresponding emission characteristics has been predicted well enough and verified with experimental results. The pressure and average temperatures are decreased to about 2.6% and 1.4% respectively under a full engine load condition mainly due to back pressures raised by diesel particulate filter. Pressure, temperature and heat releasing rates tend to decrease specially at higher engine load, but they are not affected at lower engine load regions.

• 한국항공우주학회지
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• 제30권6호
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• pp.46-52
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• 2002

액체로켓 추진제 공급장치에 정착된 캐비테이션 벤튜리의 유량 제어 특성을 해석하였다. 해석에는 실험과 수치해석이 병행되었으며 캐비테이션이 존재하는 유동에서 두 결과의 유량 차이는 약 10%로 나타났다. 벤튜리 상류의 압력을 $22.8{\times}10^5$pa로 일정하게 유지하고 하류의 압력을 변동시켰을 때 $3{\times}10^5$pa 이상의 압력 차이에 대하여 유량이 증가하지 않음을 확인하였다. 비응축 기체의 농도 변화에 의하여 벤튜리 내부에 발생하는 증기의 분포는 크게 달라지지만 유량은 같은 수준이 유지되어 비응축 기체의 농도가 1.5PPM에서 150PPM로 커질 경우, 유량이 약 2% 감소하였다. 이는 작동유체가 포함하고 있는 비응축 기체의 팽창과 생성된 증기가 압력 회복을 저해하는 영향이 유사하기 때문으로 풀이된다.

• 한국진공학회지
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• 제19권3호
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• pp.190-198
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• 2010

450 mm의 웨이퍼 공정용 플라즈마 장비의 개발을 위하여 안테나 형상, 챔버의 직경, 웨이퍼까지의 거리에 따른 플라즈마 균일도를 Ar과 $CF_4$에 대하여 축대칭 2차원으로 수치 모델링하였다. 챔버의 종횡비를 직경, 기판까지의 거리, 배기구의 면적으로 나누어서 결정하고 여기에 안테나 구조를 변경하여서 최적의 플라즈마 균일도를 갖는 조건을 도출하였다. Drift diffusion식과 준중성 조건을 이용한 간략화를 이용하였으며 표면 재결합과 식각 반응을 이온에너지의 함수로 처리하였다. 반응기판 표면에서의 플라즈마 밀도 균일도는 기판 홀더와 챔버 벽면과의 거리, 기판과 소스와의 거리가 멀수록 좋아졌으며, 안테나의 디자인이 4 turn으로 1층인 경우, 두 번째, 네 번째 turn만 사용하여 전류비 1 : 4에서 기판표면에서의 플라즈마 균일도를 4.7%까지 낮출 수 있었다. Ar과 $CF_4$의 반경 방향으로 전자 온도 균일도 50%, 전자 밀도 균일도 19%의 차이가 있었다.