한국생산기술연구원은 ‘생산기술분야 산업원천기술 개발 및 실용화, 중소·중견기업 기술지원 및 성과확산 등을 통해 국가산업발전에 기여한다’라는 임무를 가지고 있으며 생산기술 3대 중점 영역인 연구개발과 실용화, 기술지원을 통해 중소·중견기업 육성에 집중하고 있다. 특히 이번 과제에 참여한 생기원 산업에너지연구부문은 에너지기기 고효율화 기술, 유체기계 최적 설계 및 성능평가, 열에너지 저장시스템기술을 연구하고 있다. 

이천규 생산기술연구원 박사는 삼성전자 생산기술연구소(現 설비기술연구소)에서 근무한 경험을 바탕으로 반도체 공정에 대한 이해도가 뛰어나다. 이천규 박사를 만나 초저온 냉열설비 개발 계획에 대해 들어봤다.  

■ 과제 성공을 위한 생기원의 경쟁력은 
생기원은 이번 과제와 유사한 칠러 개발 과제를 다수 수행한 바 있어 반도체 칠러 관련 기술은 충분히 갖추고 있다고 자부한다. 또한 산업에너지연구부문에서는 반도체 칠러와 관련 기술이전도 3건 수행한 바 있어 반도체 칠러기술 상용화에 대한 충분한 기술력이 검증됐다.

■ 주요 연구분야는
생기원에서는 공기냉매–냉각유체 열교환기에 대한 설계 및 시험을 담당한다. 이번 과제에서 개발할 역브레이튼 냉동사이클은 공기를 냉매로 사용해 냉동사이클이 동작하게 되며 공기냉매–냉각유체의 열교환이 반도체공정과 일반 냉동사이클을 연결해주는 가장 핵심 요소기술이다. 생기원에서는 공기냉매–냉각유체 열교환기의 상세한 설계기술 개발과 실제 열교환기 모사 실험장비 구축을 통해 공기 및 냉각유체의 열전달계수 도출, 열교환효율 분석 등 공기냉매와 냉각유체간 상호작용에 대해 집중적으로 연구할 예정이다. 

■ 연차별 R&D 계획은 
공기냉매–냉각유체 열교환기는 주관기관과 긴밀한 협업을 통해 개발할 열교환기로, 반도체공정에 맞게 컴팩트화 및 고효율화가 필수적인 요소다. 이와 함께 열교환기 자체의 성능을 확인해 실제 냉동사이클이 정상적으로 작동할 때 구성할 냉열을 효과적으로 냉각유체에 전달해줘 사용처인 반도체장비에 잘 전달될 수 있도록 하는 것이 매우 중요하다. 

1차연도에는 공기냉매–냉각유체 열교환기 기본 설계와 공기냉매–냉각유체 열전달계수 도출용 실험장치 설계 및 부분구축을 진행해 전산유체해석(CFD)를 통한 열교환기 분석 및 열전달 가능성 타진을 먼저 수행할 예정이다.

2차연도에는 공기냉매–냉각유체 열전달계수 실험장치 구축 및 실험, 1차 소형 시작품 기초평가가 진행한다. 주관기관에서 제작한 열교환기를 기반으로 열전달 계수 도출 실험을 수행할 수 있도록 실험장치를 2차연도에 구축할 예정이다. 

3차연도에는 열교환기의 개선 설계 및 실험장치 개선을 수행해 2차연도 후반 1차 시작품평가에서 나온 결과를 바탕으로 열교환기의 유로 개선 설계 및 실험장치 자체의 개선을 수행할 예정이다. 

4차연도에는 실제 반도체공정용 냉열설비에 들어갈 열교환기를 구성해 시작품평가를 진행할 예정이며 5차연도는 반도체공정용 초저온 냉열설비 통합시스템평가를 지원할 예정이다. 

■ 기대효과는 
다양한 조건의 열전달계수 측정 결과 및 분석결과에 기반해 반도체공정에서 사용될 공기냉매–냉각유체 열교환기 소형화 및 상용 열교환기화에 큰 기대를 걸고 있다. 특히 이번 과제의 결과물을 반도체장비기업에서 실증해 초저온 식각 등 파급효과가 큰 반도체공정에 적용될 것을 기대하고 있다.