진공기술과 펌프 특집 – 월간 전자 디바이스
기사입력 2017.06.01 13:10
1. 시장동향 : 진공 업계가 호조
진공업계는 호조 추세이다. 견인하는 것은 스마트폰과 자동차이다. 스마트폰에서는 애플이 신형 스마트폰에 적용되는 2017년 디스플레이 디바이스로 OLED를 탑재하는 것으로 보도되어 한국의 디스플레이 업체만이 아니라 일본이나 중국기업도 참여를 표명하였다. 제조장비와 같이 각종 진공기기 및 부품·소재가 양호한 매출 궤적을 그리고 있다. 두 개 사용처 공통관점으로는 SAW 필터 등 수동 부품의 탑재원수가 증가함에 따라서 박막형성 분야에서의 수요가 호경기를 유지한다. 새롭게 스마트폰의 듀얼카메라, 자동차의 ADAS 용도, 방범 및 안전 카메라 등 카메라 수요도 호황을 누리고 있다.
2016년 진공전(2016년 9월 7일~9일)에서는 총 참가 업체수가 전회보다 10개사가 많은 78개사였다. 이번 전시테마는 진공이 특별한 세계, 특수한 기술로 생각되고 있으나 실제로는 식품가공부터 반도체까지 현대인의 사회생활과 아주 밀접한 관계가 있다. 향후의 IoT나 로봇, 의료 등 첨단 분야의 진화에 있어서도 진공기술의 받침은 불가결하다. 그래서 최근 주요 테마를 "매력있는 장래를 진공으로"하였다.
구체적인 이벤트로는 쯔꾸바대학원 교수인 야마게이씨가 특별 기조연설을 하였는데 신체 움직임을 보조하는 간호용 로봇 슈트가 강연의 테마이다. 동 슈트는 각도/상반력/생체전위센서 등 진공기술을 구현한 MEMS 센서가 키포인트가 된다. 또한 HONDA 개발의 Personal Mobility(UNI-CuB)을 사용한 진공 탐색차 투어도 놓칠 수 없는 것이다. 사람이 최고시속 6㎞ UNI-CuB에서 이동. 렌즈의 반사방지 슬림형 TV의 투명도전막, 가식막이나 광촉매 등의 신변의 기능성 슬림형 제품이나 이것들을 박막하는 장비를 소개하고 진공 Component 종류를 견학하는 것이다.
2. 진공 펌프와 어플리케이션
진공기술과 장비는 우리 생활에 익숙한 것으로 진공 펌프(Dry Pump, Turbo, Monocular Pump, Cryo Pump 등), 계측기(진공계, 수정식막후계~분압계, Leak Detector 등), 진공장비(증착장비, Sputter, Dry Etching 장비, CVD 장비 등) 등이 있다. 부품과 재료(밸브, 전자층 이온, 유량계), 표면기술 가공 등이 있으며 첨단산업(반도체), FPD(LED, OLED, QLED), 태양전지, 2차전지 등의 발전과 더불어 진공기술과 관련 장비 및 부품·소재가 발전되고 있다. 진공 펌프는 진공 프로세스에 있어서 기체를 배출하여 고진공을 얻기 위한 Key Component이다.
수많은 종류의 펌프와 구성품이 있으나 주요 Apply 분야는 반도체, FPD, 태양전지 등에서는 Dry Pump, Turbo 분자 Pump, Cryo Pump가 주로 채용되고 있다. Dry Pump는 Load Lock, Transfer 배기, Mechanical Booster 조합으로 PECVD, LPCVD의 프로세스 챔버 배기 그리고 터보분자 펌프나 Cryo Pump의 조합한 것으로서 사용된다. 초슬림화·저에너지화 때문에 장비 내부나 부근에 설치하는 Integration형이나 Dry Pump와 제해장비를 조합한 일체형 시스템도 보급되고 있다. 터보분자 펌프는 Dry Etching, Plasma CVD, Ion Implanter 등 Dry Pump와의 조합으로 10-8pa 수준까지 배기한다. Cryo Pump는 Sputter-Ion 주입용에 채용되고 있고 10-8pa까지 배기 기능, 여러 대의 Cryo 펌프를 운전하는 Multi 운영이 일반적이다.
3. 진공장비(펌프와 밸브) 업체의 동향
동사는 스위스 진공밸브 판매업체로 지금은 용접 벨로즈에도 주력하고 있다. 진공 밸브 내부에 대기와 진공상태를 차단하는 역할을 담당하는 것이 용접 벨로즈이다. 동사의 용접 벨로즈는 반도체산업만이 아니라 연구분야에서의 가속기, 의료분야에서 매입형 의료기기, 자동차분야에서는 연료분사장치 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 부가가치가 높은 용접 벨로즈를 출하하기 위해서는 Core Competence인 진공기술 공학적 솔루션과 새로운 자동화의 추진이나 고순도의 세정에 주력하고 있다. VAT의 용접 벨로즈는 100%의 밀봉도를 보증하는 누설 방지용 밀봉 Seal을 갖추고 제조후의 각 유니트는 완전 밀봉성을 검사하기 위해서 헬륨 Leak Test를 한다. 용접 벨로즈의 Diaframe는 표준 및 맞춤형으로서의 대응이 가능하고 다이아프램은 150 종류 이상이 있으나 시장 수요에 대응하는 규격과 품종을 더욱 확대시키고 있다. 다이아프램이 타벌취와 부출가공도 우수하여서 용접 벨로즈의 표준 규격(내경 2.7㎜~외경 810㎜)을 연속해서 대량생산이 가능하게 하는 것은 각각에 적합한 압력(30~800t의 타벌력)사용 및 고도한 자동화에 의한다. VAT는 용접 벨로즈의 자동화 프로세스에서도 세계를 리드하고 있고 레이저 용접기의 고도화는 부품 대량생산에 최적이라고 한다.
생산 시스템은 ISO급 8의 클린룸에 설치하고 있다. 또한 동사는 반도체업계의 기준에 따른 엄격한 세정 기준을 설정하고 있다. 고순도의 세정 라인은 벨로즈의 양면에 붙이고 있는 막과 단부 플린지의 청정도를 측정하기 위해서 전자동화 되어 있어 부품의 세정 및 포장은 ISO급 5라는 높은 청정도로 하고 있다. 고객의 사용 환경에 따른 현실적인 내용 연수를 검사하기 위해 연구소에 대규모의 시험설비를 보유하고 있다. 용도에 대응한 축방향으로의 반복운동을 하는 Cycle Test도 물론 축 직각방향에서의 변이 능력을 가미한 시험을 진공, 고온에서 할 수 있게 된다.
○ ULVAC-Cryo
ULVAC-Cryo(주)는 일본 본사를 주축으로 중국 및 한국 자회사와 함께 연동하여 "Cryo 일체화" 전략을 추진한다. 동 프로젝트 성과로서 2020년도 3개사 연결 매출 100억엔을 목표로 한다. 전략상품은 2개이다. 하나는 Cryo Pump 그리고 또 하나는 저온기기 제품이다. 우선 Cryo Pump 3사 제휴 영업 방침은 중국 본토에서의 유기EL(OLED) 시장을 공략하는 것이다. Apply는 스마트폰만이 아니라 슬림형 TV에서의 전개도 눈앞에 두고 있다.
Cryo Pump 다음으로 제2의 지주로는 성장이 뚜렷한 상품인 저온기기 제품군이다. 온도 대역은 77K(마이너스 196℃)에서 1K 더 나아가서 0.1/0.01K의 특별한 냉온역까지 대응한다. 구체적 용도는 77K가 액화질소 제조용, 10K가 Cryo Pump용 그리고 4K가 첨단의료검사 장치의 MRI(핵자기공명화상법)용도이다. 1~0.1K는 "제품손소자" 개발 등 R&D에서 유효로 기능한다. 즉 1~0.01K 대응품에 관해서는 오사카시립대 명예교수의 협력을 얻어 전자동무냉매희석동기를 제품화하였으며 이미 몇 건의 문의가 있고 그 주목도는 높다.
동사에서는 저온기기 제품의 시장 호감도를 배경으로 새로운 비약을 목표로 교토부 우리시에 있는 교토공장을 2016년 9월 1일부로 "교토저온기술개발 센터"로 바꾼다. 저온공학기술에 특화한 개발 센터로서 기능하는 것이다. 2020년도 3개 연결 매출 중에서 100억엔 제품 구성비율은 Cryo Pump와 저온기기 제품으로 50대50가 될 예정이다. Cryo 일체화 전략은 영업만으로 머물지 않는다. 부품조달도 제휴로 일체화, 제조면에서도 3개사로 부족한 인력을 임기응변으로 보충하여 맞추는 체제를 구축하고 있다. 실제 제조 리더를 3개국간으로 변경 이동하여 리더가 부임에 앞서 문화, 풍습을 이해하여 직원과의 의사소통을 도모하고 있다.
○ Edwards : 터보 소형판을 시장 투입
에드워드(주)는 2016년의 진공전시전에서 최신 제품인 3 Series를 출시하였다. 그 하나가 소형 터보 분자 펌프 "nEXT 85계열"이고 또 하나가 공랭식 Dry Pump "nXL-Series" 그리고 세 번째가 자기부상 터보 분자 펌프의 "STP-iS Series"이다.
동 3개의 시리즈 중에서 결과적으로 nNEXT 85 시리즈 특징에 주목할 필요가 있으며 우선 규격의 소형화이다. 기존 기종보다 소형화하여 장비 조립을 편리하게 하였다. 배기속도는 75L/S부터 85L/S로 향상시킴과 동시에 압축비도 수소로 한자리 향상시키고 있다. 또한 유지보수성도 확실히 배려를 하고 있다. 오일이나 베어링 등 Cartridge 방식의 유닛 구조로서 고객 자신이 대응 가능하게 하였다. Full-Maintenance는 4년에 1회의 장수명 디자인을 갖췄다. 기타 데이터 통신이나 on/off의 Relay 신호 등 기존엔 옵션이었던 장비 인터페이스를 풀 장착한 점도 중요한 포인트이다.
nEXT 85 시리즈가 노린 메인 시장은 전자현미경이나 Leak Detector 등의 분석 장비기기이다. 이번에 소형화를 추구한 것으로서 휴대성으로 분석기기 탑재도 시장 타겟에 포함될 수가 있다. 분석용도 관점에서는 옵션으로 "Sprit Flow" 대응한 것도 주요 포인트이다. 동 시리즈 발매는 2017년 1월부터 세계적으로 연간 1만대의 판매를 목표로 하고 있다. 고진공 영역까지를 염두에 두고서 공랭식 Dry Pump의 nXL 시리즈도 체크하는 것이 좋다. 고진공을 얻는 데는 우선 Dry Pump로 시작한 후에 터보 분자 펌프로 고진공영역으로 도달시키는 것이다. 양 펌프 성능이 합치한 것으로 고진공 영역이어서 실제 Edward는 사업적으로 셋트 판매로 시장에 공세를 걸고 나갈 방침이다. 신형 냉각식 Dry Pump nXL-Series는 100V 구동도 가능하여 동작음이 조용하여 다양한 용도로 사용할 수가 있다.
○ 에바라제작소 : 공랭식으로 Apply 확대
㈜에바라(杖員)제작소/정밀, 전자사업회사는 필요 유틸리티가 전원만 있으면 설치가 돼서 설치가 쉬운 공랭식의 Dry 진공 펌프 3개형을 중심으로 일반 산업시장 사업 강화에 진출하고 있다. 첫째 기존 종목은 소형, 경량화, 저에너지 지향의 PV형이다. 최대의 배기속도에 따라서 "PDV50" "동250" "동500"을 갖추고 있다. 중량은 순서대로 9㎏, 15㎏, 20㎏ 가변성을 중시하여 소형, 경량의 추구가 최대한 특징을 노리는 Apply 분야는 계측, 분석기기 용도, 오일과 오염 Free의 특성을 활용하여 스케일 펌프나 오일 Rotary Pump와의 치환도 눈앞에 두고 있다.
또한 전원은 가정용 100v, 200v 구동을 위해 팹에서의 생산 라인만이 아니고 대학 연구실 등에서도 유효 활용 될 수가 있다. 한편 대기압 부근의 배기속도를 요구하는 사용자는 두 번째 기종목의 "EV-A10형"에 주목을 권고한다. 배기속도 1000L/min을 보유하여 Load Lock 실내 등 "대기압-진공" 반복 배기에 대응한다. 주축이 되는 Apply 분야는 LiB 전지제조용의 건조기 또는 터치패널 생산에 있어서 접합장비에 탑재한다. 고진공 영역 도달을 노린 터보 분자 펌프 사용전의 사전 조치용도로서도 유효하게 기능한다.
마지막 3번쩨 기종이 다양한 용도로서 대용량화 요구에 대응하는 공랭식 Dry 진공 펌프 "EV-SA형"이다. 배기속도 1670L/min의 "EV-SA20"에 더해서 이번에 새로운 동 3300L/min의 능력을 보유하는데 "EV-SA30"도 추가 투입하였다. 통상 배기속도가 크게 되면 냉각수가 필수가 된다. 이 때문에 기존의 메인시장은 물 공급에 불편함이 발생하지 않아서 반도체 등 전자 디바이스 제조장비 용도가 주류였다. 그러나 고객의 깨끗한 진공환경의 요구는 전자 디바이스의 제조장비 용도만이 아니고 계측, 분석용도, 각종 연구개발 등 실험실에서의 사용 또는 염수 분위기에서의 사용 등에도 확대된다. 그 요구에 대응하기 위해서 공랭식이면서도 큰 배기 속도를 보유하여 더욱더 저소비전력, 저소음 특성도 가지고 있다. 이제 동사의 공랭식 Dry 진공 펌프 3기종은 거의가 해외 규격 대응이다.
○ 시마쯔(島津) 제작소 : 중소형 터보분자 펌프(TMP)도 추가
동사는 터보분자 펌프(TMP) 제품에서 업계 Top급의 점유율을 과시하였다. 추수부분이 자기에 따라 부상하는 형식을 취하고 있다. "자기부상형"에 특화하고 보수유지 빈도를 대폭으로 절감할 수 있는 특징을 갖고 있어서 많은 기업에서 채용하고 있다. 일본진공공업협회 통계에 의하면 동사의 점유율은 OEM 공급분을 포함하여 50% 이상을 보유하고 있다고 한다.
반도체, 액정장비 등에 사용되고 있는 배기속도가 2,000~4,000L/S급의 대형 펌프에서 강점을 갖고 있어 반도체나 액정 설비투자의 활황을 배경으로 호조가 지속되고 있다. 향후 설비투자가 본격화 할 유기EL용으로도 확대를 예상하고 있다. 유리 코팅이나 태양전지용 1,000~2,000L/S급에도 전력하고 있고 진공전 2016에는 2015년에 발매한 "TMP-X1605"를 출전하였다. 펌프 본체로 전원을 일체화시킨 On Board형의 제품으로 배기속도 1,600L/S. 동 등급의 볼 베어링형 펌프에 대항할 수 있는 가격대가 되고 있어 가격 경쟁력을 갖추고 있으며 2016년에는 1,500대 판매를 목표로 하고 있다. 동 업계의 베스트 셀러 제품인 2000L/S의 "TMP-V2304"도 출전하였다
또한 광학기기나 관구 배기장비, 소형 진공 배기장비 등 일반 산업기기에 사용되는 소형펌프 제품도 강화한다. 그 하나가 볼 베어링형인 "TMP-B300"(배기속도 300L/S)가 있다. 자기축수(軸受)와 세라믹옥 축수 포함한 방식으로서 업계 최고 수준인 1000pa의 고배압이라는 성능을 가지고 10의 5승이라는 높은 수소 압축비를 실현하였다.
소형제품 요구에 대응하기 위해서 새로운 라인업을 강화할 방침이며 그 외에 진공 박막장비에도 주력하고 있어 진공전 2016에서는 고속 Sputter 장비 "UHSP Series"를 출전하였다. 주로 플라스틱 제품을 목표로 한 박막장비로 입체물에서의 막 부착과 밀착성에 우월하여 박막속도가 빠른 것이 특별한 장점이다. 자동차 LED 헤드램프의 Reflector나 HUD(Head up Display) 미러 등을 목표로 하고 있다.
○ 진공의 이해와 진공시스템 적용 사례
• 진공(Vacuum)
직관적으로 아무것도 존재하지 않는 상태를 의미한다. 진공은 아무것도 없는 무(無) 와는 다르게 물질은 없지만, 공간은 있는 상태이다. 진공의 질은 그 계 안에 남아 있는 물질들의 양에 의해 결정된다. 그래서 높은 질의 진공계 안에는 아주 적은 양의 물질들만이 남아 있다. 진공은 주로 그 진공의 절대 압력으로 측정되지만 진공을 확실하게 특정 짓기 위해서는 온도나 화학적 구성 같은 다른 요소들도 측정되어야 한다. 가장 중요한 요소들 중 하나는 남아 있는 기체 분자들이 서로 부딪히기 전에 평균적으로 이동한 거리, 즉 평균 자유 경로(mean free path(MFP))이다. 기체의 밀도가 낮아질수록 평균 자유 경로의 값은 증가하며 평균 자유 경로의 값이 방, 펌프, 우주선 또는 진공이 있는 그 공간보다 길면 유체역학의 연속체 가정(continuum assumptions of fluid mechanics)이 성립하지 않는다. 이 진공의 상태를 고진공이라고 부르며, 이 공간을 흐르는 유체에 대한 연구를 기체 입자 역학(paticle gas dynamics)이라 한다.