공압을 이용한 밸브 및 액추에이터의 역사는 산업 혁명과 함께 시작되었다. 19세기 중반 증기 기관의 발전과 함께 압축 공기를 이용한 초기 공압 시스템이 등장했으며, 철도와 광산 산업에서 주로 사용되었다. 20세기 초에는 제조업과 공장 자동화에서 중요한 역할을 하게 되었고, 공압 밸브와 액추에이터는 더욱 다양해지고 정교해져 여러 산업 분야에 적용되었다. 특히 대량 생산 공정에서 널리 사용되었으며, 1950년대와 1960년대에는 전자 공학과 결합하여 더욱 정밀한 제어가 가능해졌다. 이 시기에는 공압 제어 밸브와 액추에이터가 산업 자동화의 핵심 요소로 자리잡았다.
훼스토의 피에조(Piezo) 기술을 이용한 비례제어밸브는 높은 정밀도와 효율성을 자랑하며 기존의 솔레노이드 밸브와 여러 면에서 차별화된다. 이 글 전반부에서는 훼스토의 피에조 비례제어밸브의 동작 원리, 기존의 솔레노이드 밸브와의 차이점, 피에조 비례제어밸브의 특징과 장점에 대해 다룬다. 후반부에서는 이 제품들이 반도체 생산 현장에서 어떻게 사용될 수 있는지에 대해 설명할 것이다.
피에조 비례제어밸브의 동작원리
1. 피에조 기술의 기본 원리
훼스토의 피에조 비례제어밸브는 압전효과(piezo electric effect) 혹은 역압전효과(converse piezo electric effect)를 이용한다. 압전효과는 특정 물질이 외력에 의해 변형이 일어날 때 기전력을 발생시키는 현상을 말하고, 반대로 역압전효과는 특정 물질에 전기장을 가할 때 형태의 변형이 일어나는 현상을 말한다. 훼스토는 이러한 압전 특성을 갖는 피에조 세라믹 재료를 사용한다.
피에조 세라믹 재료와 금속전도체를 샌드위치 형태로 접합하여 길쭉한 판 형태로 제작하는데, 이를 피에조 벤더(piezo bender)라고 부른다. 이 피에조 벤더에 전압을 인가하면 피에조 세라믹에 전기장이 가해져 길이 등에 변형이 일어나고, 함께 접합된 재료와 길이차이가 발생하면서 한쪽 방향으로 휘어지는 형태 변형이 일어나게 된다. 이 변형을 이용하여 밸브의 개폐 및 유량을 제어한다.
2. 피에조 비례제어밸브의 구조와 작동
훼스토의 피에조 비례제어밸브는 기본적으로 압전 세라믹 소자, 각종 센서, 그리고 전자 제어 장치로 구성된다. 전자 제어 장치는 입력 신호에 따라 압전 세라믹에 적절한 전압을 인가한다. 압전 세라믹이 전압에 반응하여 형태가 변형되면, 밸브의 개폐 정도가 변화한다. 이에 따라 밸브 출력단의 압력 혹은 유량이 변화하고, 이 정보는 각종 센서를 통해 다시 전자 제어 장치에 전달된다. 전자 제어 장치는 이 정보와 입력 신호가 일치하도록 압전 세라믹에 공급되는 전압을 적절히 조절하고 이를 통해 정밀한 공압 제어가 이루어진다.
압전 세라믹 소자의 형태 변형은 전기장 세기에 따라 비례제어가 가능하여, 입력 전압에 비례하여 밸브의 개방 정도가 조절된다. 이를 통해 유량을 매우 정밀하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 낮은 전압에서는 밸브가 조금만 열리며, 높은 전압에서는 더 많이 열리게 된다.
3. 기존 솔레노이드 밸브와의 차이점
솔레노이드 밸브는 전류가 흐르는 코일과 자석 사이에 발생하는 힘을 이용하여 밸브의 개폐를 제어한다. 전류의 방향에 따라 솔레노이드 코일에 인접한 자석에 전진 혹은 후진 방향으로 움직일 수 있는 힘이 작용하고 이 힘이 밸브의 플런저(plunger)를 움직여 개폐 동작을 수행한다. 반면, 피에조 밸브는 압전 세라믹의 변형을 이용하여 유사한 기능을 수행하는데, 따라서 두 밸브의 근본적인 작동 원리가 다르다고 할 수 있다.
훼스토의 피에조 기술을 이용한 비례제어밸브는 그 특성과 동작 원리로 인해 기존의 솔레노이드 밸브와는 여러 면에서 차별화되는 특징과 장점을 가진다.
(1) 높은 정밀도
훼스토의 피에조 비례제어밸브는 매우 높은 정밀도를 가진다. 피에조의 전기적(electric) 요소는 전기 신호에 따라 매우 미세한 기계적 움직임을 일으키기 때문에, 밸브 위치를 정확하게 제어할 수 있다. 이는 의료 장비, 실험실 기기, 반도체 제조 등과 같은 정밀한 유체 제어가 필요한 분야에서 큰 장점을 제공한다.
(2) 빠른 응답 시간
피에조 소자는 전압을 가하면 즉각적인 변형을 일으키기 때문에, 응답 시간이 매우 빠르다. 기계적으로 이동해야 하는 부품이 많아 응답속도에 한계가 있는 솔레노이드 밸브와 다른 부분이다. 이는 실시간으로 변화하는 조건에 빠르게 반응해야 하는 시스템에 이상적이다. 로봇 공학, 자동화 시스템, 공압 제어 시스템 등 폭넓은 분야에서 이러한 요구를 충족시켜 빠르고 정확한 제어를 가능하게 한다.
(3) 낮은 에너지 소비
피에조 비례제어밸브는 전력 소비가 매우 적다. 압전 소자는 변형된 상태를 유지하기 위해 지속적으로 전력을 소모하지 않기 때문에, 초기 전압 인가 후 유지 전력이 거의 필요하지 않다. 동작에 필요한 힘을 유지하기 위해 지속적으로 전류를 필요로 하는 솔레노이드 밸브와 다른 점이다. 피에조 밸브의 이러한 특징은 에너지 효율성을 극대화하여 장기적으로 운영 비용을 절감할 수 있다. 또한 배터리로 작동하는 장비나 원격 제어 시스템에서 전력 효율성을 매우 높일 수 있다.
(4) 발열 최소화
전력 소비가 적기 때문에 피에조 밸브는 열을 거의 발생시키지 않는다. 이는 발열이 시스템 성능에 영향을 줄 수 있는 응용 분야에서 중요한 이점이다. 예를 들어 화학 공정, 식음료 생산, 제약 산업 등 온도 변화에 민감한 분야에서 매우 유리하다. 또한 안정적인 온도 유지로 제품 품질을 보장할 수 있다. 예상할 수 있듯이 솔레노이드 밸브는 지속적인 전류소모로 인하여 발열 역시 상대적으로 많이 발생한다.
(5) 소형화 및 경량화
피에조 기술을 이용한 비례제어밸브는 구조가 단순하고, 압전 세라믹의 소형화가 가능하여 전체 밸브의 크기와 무게를 줄일 수 있다. 이는 제한된 공간에서의 설치와 휴대성이 중요한 응용 분야에 유리하다. 이에 비해 솔레노이드 밸브는 코일과 기타 기계적 부품들로 인해 소형화에 한계가 있고 무게를 줄이기 어렵다.
(6) 높은 내구성과 신뢰성
기계적 이동 부품이 적고 마찰이 일어나는 부분이 거의 없기 때문에 마모가 거의 발생하지 않는다. 따라서 피에조 밸브는 매우 높은 내구성과 신뢰성을 제공한다. 이는 산업 자동화 시스템의 가동 시간을 극대화하고 비용 효율성을 높이는 데 도움이 된다.
(7) 소음 감소
솔레노이드 밸브는 동작 중 마찰이 발생한다. 특히 솔레노이드 코일을 이용한 비례제어밸브의 경우 매우 빠른 주기로 열림과 닫힘 동작을 반복해야 하므로 상당한 크기의 소음이 발생한다. 이에 반해 피에조 밸브는 마찰이 없고 빠른 주기의 반복동작을 필요로 하지 않으므로 작동 시 소음이 적다. 이는 병원, 연구소, 사무실 등 소음 민감 지역에서 중요한 장점이다. 조용한 작동으로 쾌적한 근무 환경을 유지할 수 있기 때문이다.
(8) 환경적 영향 감소
낮은 전력 소비와 높은 효율성은 환경적 영향도 감소시킨다. 에너지 효율이 높은 시스템은 탄소 발자국을 감소시키며, 이는 지속 가능한 산업 운영에 기여한다. 환경 보호와 비용 절감을 동시에 달성하게끔 돕는다.
훼스토의 피에조 기술을 이용한 비례제어밸브는 정밀한 제어, 높은 에너지 효율성, 빠른 응답 속도, 발열 최소화, 소형화 및 경량화, 높은 내구성과 신뢰성, 낮은 소음, 환경 친화성 등 다양한 장점을 제공한다. 이러한 특징들은 기존의 솔레노이드 밸브와는 차별화되며, 다양한 산업 분야에서 효율적이고 경제적인 솔루션을 제공한다. 결과적으로, 훼스토의 피에조 비례제어밸브는 자동화 생산 현장의 새로운 요구와 기대 수준을 충족시킬 수 있는 매우 혁신적인 제품이라고 할 수 있다. 이러한 밸브를 통해 다양한 응용 분야에서 성능과 효율성을 극대화하고 새로운 활용 가능성을 찾을 수 있다.
피에조 비례제어 밸브 활용 사례와 장점
그렇다면 피에조 비례제어 밸브를 어떻게 활용할 수 있을까? 제어하고자 하는 목표 변수에 따라 유량제어, 압력제어, 그리고 모션제어 크게 세 가지 영역으로 나누어 볼 수 있다.
1. 반도체 장비 및 생산라인
기체의 유량을 제어하는 활용 예는 반도체 장비 및 생산라인에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 대부분의 박막 증착 장비나 건식식각(dry etching)[주1] 장비는 공정에 필요한 반응가스 공급을 위해서 MFC(Mass Flow Controller)라는 장치를 사용한다. 웨이퍼 물류에서는 스토커(stocker)[주2]나 STB에서 FOUP(Front Opening Unified Pod) 내부에 N2 등의 비반응성 기체를 채워 웨이퍼의 오염이나 산화를 방지하는 목적으로도 MFC나 니들 밸브(needle valve) 등을 사용하고 있다.
또한 EFEM(Equipment Front End Module)[주3]의 로드포트(load port)[주4]에서 열려진 FOUP 내부로 외부 오염물질이나 미세한 파티클이 유입되지 않도록 기체의 흐름을 만들거나, 닫혀진 FOUP 내부에 N2 등의 비반응성 기체를 채워 넣는 데에도 사용된다.
훼스토는 피에조 벤더를 이용한 MFC를 생산하고 있다. 마켓에는 이미 피에조 원리를 이용한 MFC들이 일반화되어 있지만, 훼스토의 MFC는 이들 MFC와는 다른 사용 목적을 가지고 개발되었다. 기존의 MFC는 높은 정밀도 사양, 다양한 반응성 가스에 대한 적합성 등 여러 면에서 사용자의 요구를 충족하고 있지만, 매우 높은 가격대를 형성하고 있다. 훼스토의 MFC는 이러한 높은 기준을 필요로 하지 않는, purge 공정에 적합한 사양과 비용을 제안한다.
또한 하나의 제품이 여러 개의 기체 출력 채널을 가진 멀티채널(multi-channel) 제품을 갖추고 있어, 전장 배선이나 공간 활용 측면에서도 이점을 얻을 수 있다. 이들 예에서 사용할 수 있는 현재 판매 중인 제품으로는 VEAD라는 제품이 있으며, VEFC, VTEP MFC 등이 올해 새롭게 출시될 예정이다.
2. 압력 제어
두 번째로 압력을 제어하는 활용 예이다. 적절한 기계적 구조를 갖추면 압력을 제어함으로써 힘을 제어할 수 있다. CMP 장비는 압력 제어가 핵심인 반도체공정 장비 중 하나이다. CMP 공정은 웨이퍼 표면의 박막을 화학적, 기계적 원리를 이용하여 연마하는 공정이다. 일반적으로 연마용 패드가 붙여진 회전하는 테이블 위에 웨이퍼 표면을 아래로 향하여 위치하고 위에서 회전하는 CMP head가 누르는 힘을 조절하여 웨이퍼의 연마 공정을 제어하게 된다. 웨이퍼 표면의 연마 상태의 균일도 등을 향상시키기 위하여 웨이퍼를 위에서 누르는 부분에 위치 별로 누르는 힘을 달리 가할 수 있는 에어백과 같은 구조를 갖추고 있다. 이 부분에 공급되는 압축공기의 압력을 제어함으로써 웨이퍼에 위치별로 다른 힘을 가할 수 있게 되고 이를 이용하여 웨이퍼 표면의 평탄도 등을 향상시킬 수 있다.
압력을 제어하는 또 다른 예로 약액 디스펜싱(chemical dispensing) 공정을 들 수 있다. 약액 디스펜싱은 클리닝, 코팅, 에칭, CMP 등 여러 공정에서 필요로 하는 액체 상태의 화학물질을 웨이퍼 등에 공급하는 데 사용되고 있다. 특히 반도체의 디자인룰이 작아짐에 따라서 정량을 적절한 타이밍에 제어된 형태로 공급하는 것이 공정의 중요한 요소가 되었다. 이를 위해 그림 9와 같이 여러 장치들로 구성된 약액 공급 시스템을 필요로 하게 된다.
이들 장치 중에는 공급되는 약액의 공급압력 혹은 흐름을 일정하게 유지시켜 주기 위한 장치, 약액 공급 배관을 열고 닫아주는 밸브, 약액 공급이 중지되었을 때 노즐 끝단에 맺힌 약액이 떨어지지 않도록 방지해주는 석백(suck-back) 밸브 등이 포함된다. 약액의 공급압력을 일정하게 유지시켜주는 데에 약액용 레귤레이터 등이 쓰일 수 있는데, 여기에 공급되는 파일럿에어의 압력 제어를 위해 훼스토의 피에조밸브가 사용될 수 있다.
또한 급액 혹은 석백 기능을 하는 에어오퍼레이티드 밸브(air-operated valve)의 제어에도 비례제어밸브를 사용할 수 있다. 에어오퍼레이티드 밸브 제어 시 밸브에 공급되는 파일럿에어를 조절하기 위해 흔히 수동 조절식의 스로틀 밸브(throttle valve, 흔히 스피드 컨트롤러라고 불리기도 한다)를 사용한다. 급액 밸브의 동작 특성에 따라서 웨이퍼에 공급되는 약액의 공급 특성에 영향이 있고, 이로 인한 웨이퍼 상의 공정 결과에 영향을 미치기 때문이다.
이때 기존의 수동 조절식 스로틀 밸브는 여러 가지 한계점을 가지고 있다. 첫째로, 수동식으로 조절해야 하기 때문에 매번 장비를 셋팅할 때 마다 수동으로 조절하는데 많은 시간을 필요로 한다. 정밀한 제어가 필요한 경우라면 더욱 그렇다. 두 번째로, 수동식 밸브이기 때문에 정기적으로 재조정이 필요할 수 있다. 세 번째로 여러 가지 다른 셋팅이 필요한 경우 이에 유연하고 편리하게 대처할 수 없다. 훼스토의 피에조밸브는 외부 신호에 의해 압력을 실시간으로 폐루프 제어(closed loop control)하므로 이러한 한계점을 극복할 수 있다. 서로 다른 약액 공급 채널, 혹은 장비에 템플릿화된 동작조건을 적용하고, 필요에 따라 조건을 달리 적용할 수 있다.
3. 모션제어
세 번째 활용 예는 모션제어이다. 공압 밸브와 공압 액추에이터(실린더)를 이용하면 압축공기의 힘으로 원하는 방향으로의 움직임을 만들어낼 수 있다. 여기에 일반적으로 수동 스로틀 밸브를 이용하여 액추에이터 움직임의 속도를 조절한다. 이러한 공압 밸브와 액추에이터를 이용한 모션은 매우 간단하고 경제적인 방법으로 다양한 산업 분야의 자동화 공정에서 사용되고 있다.
공압 모션 솔루션은 또 다른 모션 솔루션인 전기모터와 비교하면 명확한 특징을 가지고 있다. 전기모터에서 일반적으로 사용되는 위치제어가 기존 공압 솔루션에서는 불가능하고, 공압 밸브와 액추에이터의 동작 특성으로 인하여 액추에이터 자체 혹은 주변 기구물에 의해 정해지는 양쪽 끝 위치에서만 정지가 가능하다. 또한 수동 스로틀 밸브에 의해 정해진 왕복 운동 시간으로 획일적인 운동만 수행하며 때에 따라 혹은 운동 구간에 따라 가변적인 움직임을 만들 수 없다.
피에조밸브는 이러한 공압 모션에 새로운 가능성을 열어준다. 공압 액추에이터는 피스톤 양측에 작용하는 힘의 합력에 따라 움직임 여부와 움직임의 방향이 결정된다. 기존의 공압 밸브는 액추에이터의 피스톤 양측에 급기와 배기 두 상태를 스위칭하는 역할을 하기 때문에 운동 중에 힘을 가변적으로 제어하거나 중간 위치에서 정지하는 등의 제어 기능을 구현할 수 없다.
반면에, 훼스토의 피에조밸브를 이용하면 양측의 압력을 독립적으로 정밀하게 제어할 수 있고, 이를 이용하여 피스톤에 작용하는 힘의 세기와 방향을 제어할 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 위치제어나 속도, 가속도의 가변적인 제어가 가능해진다. 다만, 압축성이 있는 매체인 공기를 사용하고, 공압 액추에이터가 움직일 때 마찰력이 일정치 않기 때문에 모션제어의 정밀도는 전기모터에 비해 떨어지는 편이다. 훼스토는 이런 부분을 개선하기 위하여 기술개발을 계속하고 있다.
반도체 장비에서 공압 모션 제어의 예로는 웨이퍼를 위아래로 움직여주는 핀리프트(pin lift) 장치, 웨이퍼 세정 장비에서 약액을 수집하는 보울(bowl)의 승하강 장치, 공정 챔버와 트랜스퍼(transfer) 챔버를 연결해주는 트랜스퍼 게이트 밸브(transfer gate valve)의 부드러운 모션제어, 유지보수 작업 시 챔버를 여닫거나 중량물을 핸들링할 수 있는 리프트 혹은 에어밸런서 장치 등을 들 수 있다. 이들 대부분은 전기모터를 사용할 수도 있지만 훼스토의 공압 제어 기술을 사용하여 더욱 이점을 얻을 수 있는 애플리케이션들이라고 할 수 있다.
지금까지 훼스토의 핵심기술인 피에조 기술과 이를 이용한 비례제어밸브, 그리고 여러 가지 애플리케이션에 대하여 살펴보았다. 프로세스의 생산성을 제고하고, 최종 생산품의 품질을 개선함과 동시에 비용 절감 효과까지 불러오는 훼스토의 진보된 공압 기술을 통해 현장에서 마주하게 되는 다양한 도전과제에 보다 용이하게 대응할 수 있기를 바란다.
-----------------------------------------------------------------------------------
[주1] 액체 대신 화학 반응성이 높은 기체를 사용하는 방식
[주2] 물류 시스템과 연결되어 FOUP을 보관, 입출고하는 자동화 시스템
[주3] 반도체 제조장비의 앞단에 위치하여 웨이퍼 물류와 연결되어 웨이퍼의 이송을 담당하는 모듈
[주4] 물류에 의해 이송된 FOUP이 안착되어 내부의 웨이퍼를 꺼내갈 수 있도록 인터페이스 해주는 장치
서문선, 한국훼스토 애플리케이션 엔지니어
안성빈, 한국훼스토 공압 제어 R&D 엔지니어
