반도체 전공면접 합격의 모든 것 - 실전 기출편

반도체 기계 & 설비

소음 및 진동

기출문제 풀이

기출문제 ❶

프린터의 출력 중 소음을 저감할 수 있는 방법에 대해 설명하시오.

STEP1 접근 전략

난이도는 중 수준이며 자주 출제되는 문제이다.
설명형 문제로 소음 및 진동은 반도체 분야의 기구설계 업무에서 요구되는 지식이다. 특히 미세 공정이 많은 반도체 제조 공정 상 소음 및 진동은 최종 생산제품의 품질에 매우 큰 영향을 준다. 따라서 기구설계에 있어서 소음 및 진동 문제를 설계 고려사항에 반드시 포함시키고 허용할 수 있는 범위를 설정하여야 소음/진동에 의한 문제를 최소화할 수 있다.

STEP2 답안 구조화 TIP

소음 및 진동의 정의
소음의 발생원: 공기전파음, 구조전달음
소음의 단위: 데시벨
소음 저감 방법

① 전달경로 상에 차음상자 설치

② 유연한 연결부

③ 반사 혹은 흡음머플러 이용

④ 방사표면에서는 방사표면을 분할

⑤ 감쇠물질 삽입

⑥ 다공판 이용

STEP3 모범답안

소음 중에서도 특별히 싫은 소리의 경우는 다양한 진동수의 소리 가운데 몇 개의 특정한 강한 성분이 들어 있는 경우가 많으며, 특정한 강한 소리 성분은 소리의 세기가 5dB(데시벨) 이상 다른 성분보다 클 경우에 나타납니다. 소음의 단위는 데시벨이며, 사람이 실제 느끼는 소리의 크기로 사람이 들을 수 있는 가장 작은 소리의 크기를 0\text{dB}이라 정하고, 이 소리보다 10배인 소리를 10dB, 100배인 소리를 20\text{dB}로 표현하는 방식입니다. 소음의 원인인 진동은 고체와 고체의 마찰이나 충돌, 왕복운동이나 회전의 불균형 등이 주요 원인이며 유체로 인한 후류(Wake)의 발생으로 유동 유발 진동(Flow induced vibration)이 발생하는 경우도 있습니다.

소음의 발생원은 크게 2가지로 공기전파음과 구조전달음으로 구분할 수 있습니다. 먼저 공기전파음은 출구에서 유량과 압력의 강하를 작게 유지하도록 하고 유도로 상의 방해물을 제거하거나 기하학적 형상 변화를 최소로 하도록 하여 감소시킬 수 있습니다. 다음 구조전달음은 충돌시간을 증가시키거나 충돌속도를 감소시켜 충돌물체의 무게를 감소시키는 방법과 회전체의 질량불균형을 감소시켜 최소화할 수 있습니다. 전달경로 상에서는 차음상자를 이용하거나 유연한 연결부, 반사 혹은 흡음머플러를 이용하여 저감할 수 있으며, 방사표면에서는 방사표면을 분할하여 최소화하거나 감쇠물질 삽입 또는 다공판을 이용하여 소음의 방사를 최소화하는 방법도 존재합니다.

진동은 소음의 원인이 될 수 있으며 진동의 원인에는 고체 간의 마찰, 질량불균형, 유체에 의한 후류 등이 있습니다. 모든 움직이는 물체는 진동이 있을 수 있으며, 특히 회전체를 갖는 물체는 주기적 진동을 유발시킬 수 있습니다. 이러한 진동이 표면을 통해 외부로 방출될 때 소음이 발생한다는 것을 알아야 합니다. 또한 소음은 단순히 소리가 아니라 사람이 듣기 싫은 소리로 설명될 수 있습니다.

고득점 답안

소음과 진동은 반도체 제조 공정과 반도체 개발 연구에서 오염원이 됩니다. 반도체 제조에 사용되는 기구는 진동과 소음에 민감하여 진동과 소음에 의해 기구의 각도가 달라집니다. 이러한 각도가 어느 임계보다 증가하면 수율, 처리량, 또는 공구의 작동 선폭 또는 분해능에 악영향을 미칠 수 있습니다. 특히 노광 공정에서 발생하는 소음 및 진동은 마스크를 통과하는 빛의 위치변화를 유발하여 정확한 패턴을 형성시키지 못하게 합니다. 따라서 노광 공정과 인근 공정에서 발생하는 소음은 진동을 유발시키고 있는 것을 보여주는 것이기 때문에 주의 깊게 소음을 측정하여 진동원을 찾아야 합니다.

반도체 제조 및 검사 장비는 정밀도와 생산성이 생명입니다. 그러므로 제조 및 검사 장비가 정밀하고 빨라야 하며, 크지만 가벼워야 하기 때문에 고유진동수(Natural frequency)는 지속적으로 감소되어 왔습니다. 생산효율을 증가시키기 위해서는 생산속도를 증가시킬 수밖에 없으며 이러한 생산속도의 증가는 필연적으로 진동을 증가시켜 왔습니다. 특히 볼-스크류(Ball-Screw)를 이용한 직선운동 장치(이송, 위치측정, 위치제어 등)는 그 특성상 가속도가 발생하고 이러한 가속도는 순간적으로 장치에 힘을 유발시켜 강제진동을 유발시킬 수 있습니다.

꼬리 질문 1 진공청소기의 소음을 저감할 수 있는 설계 방안을 제시하시오.

소음의 원인은 크게 2가지로 나눌 수 있습니다. 하나는 고체 소음으로, 고체와 고체의 마찰이나 충돌, 왕복운동이나 회전의 불균형 또는 외부적인 가진(Excitation)에 의한 고체의 진동으로 발생하는 소음을 말합니다. 또 다른 소음 원인은 유동 소음으로, 유체 흐름의 동적인 거동에 의하여 발생하는 소음을 말하며, 공기의 흐름인 경우는 공력음(Aerodynamic sound)이라고 합니다.

진공청소기에서 발생하는 소음은 모터에서 발생하는 고체 소음에 해당하며, 이에 대한 개선 기술은 오랫동안 개발되어 왔습니다. 그러나 유동 소음은 교란된 유체와 장애물의 작용에 의한 것으로 현재 개선 중에 있으며 쉽게 개선하기 어려운 측면이 있습니다. 일반적인 필터사용 진공청소기는 (그림과 같은 구조로 구성되어 있습니다.) 청소기 내부의 모터가 회전하여 필터 앞부분에 진공을 유발시켜 외부로부터 공기를 흡입하도록 유도하는 구조입니다. 먼지가 포함된 공기가 필터를 통과하여 배출구(대부분 스펀지 형태의 필터가 있음)에서 걸러진 깨끗한 공기로 배출됩니다. 이러한 구조가 아닌, 필터가 없는 사이클론 방식(회전력을 이용하여 무거운 입자를 걸러내는 방식)이라도 결국 유체의 유동에 의한 마찰 소음은 피할 수 없습니다. 즉, 일반적인 진공청소기는 공기가 유입구(브러쉬)로부터 유입되어 최종 배출될 때까지 다양한 장애물에 노출되기 때문에 소음을 유발시킨다. 진공청소기는 강한 흡입력이 동반되어야 청소 성능이 증가할 수 있기 때문에 내부의 유체유동이 충류일 가능성은 매우 낮습니다. 따라서 난류 유동이 발생하면 유체 자체에 교란이 증가합니다. 이러한 교란과 내부에 복잡한 구조물(호스, 필터, 유동로 등)과 충돌하여 유동 소음을 유발시킵니다.

일반적으로 유동 소음이 가장 심한 부위는 흡입구(브러쉬) 부위로, 공기가 유입되면서 좁은 유로를 통과하는 과정에서 유동박리와 난류를 유발시킵니다. 특히, 바닥과 흡입구 사이의 공간과 흡입구에서 파이프로 연결되는 부위의 유로 형상이 부적절하여 소음이 발생하기 때문에 이 부위를 유선형으로 설계할 필요가 있습니다. 또한 블로어(Blower)의 앞부분, 2차 필터(스펀지 필터)의 위치 등 유동박리가 발생할 수 있는 부위는 유선형으로 설계하고, 압력의 급격한 변화가 발생하지 않도록 점진적인 형상 변화가 이루어지게 설계하여야 합니다.

꼬리 질문 2 드럼 세탁기의 소음 진동 저감 방안에 대해 설명하시오.

드럼 세탁기는 통돌이 세탁기(펄세이터 방식, Pulsator type)와 달리 회전축이 중력과 90∘ 방향으로 설치되어 있어 진동에 취약합니다. 특히 탈수 시 소음 진동이 크게 발생합니다. 탈수 과정은 세탁이나 헹굼 과정보다 모터의 회전 속도가 훨씬 더 빠르고, 모터 축에 작용하는 부하조건이 상대적으로 크기 때문에 소음과 진동이 더 크게 유발되며, 부하조건에 따라 소음의 주파수 특성 및 레벨이 변하게 됩니다. 또한 회전축이 중력 방향에 직각으로 있기 때문에 회전 중 세탁물이 상부에서 하부로 떨어지는 거동을 합니다. 이에 따라 중력 방향의 하중이 추가적으로 발생하고 세탁물이 떨어지는 충격하중이 주기적으로 발생하여 모터에 연결된 부위보다 투입구 쪽의 변위가 매우 크게 발생합니다. 이러한 변위와 중력이라는 추가적인 하중으로 인해, 진동의 진폭이 증가하여 소음이 더 크게 유발되는 것입니다.

드럼 세탁기의 소음 진동 저감 방안으로는, 각 부위별 두께(무게, 강성)와 바닥 고정부 탄성체(흡진제)를 이용하는 방법, 드럼 상부에 스프링 및 하부에 댐퍼를 설치하는 방법, 연결부에 유니버설 조인트와 실린더 조인트를 이용하는 방법, 터브(Tub)를 캐비닛(외함)과 분리(Isolate)시키는 방법, 터브와 드럼 사이의 공명현상을 방지하기 위한 흡음재료를 변경하는 방법 등이 있을 수 있습니다.

핵심 이론 정리

1. 용어의 정의

① 자유진동: 초기 교란 후 외부의 계속적인 가진력이 없이 스스로 진동하도록 놓아두었을 때의 진동으로, 진동하는 물체의 고유진동수 파악에 사용한다.

② 강제진동: 조화적인 외력이 가해지면 계는 외력과 동일한 진동수를 가지고 진동하게 된다. 이러한 강제진동은 회전기계의 불균형, 왕복동 기구에 의하여 발생하는 힘, 기계 자체의 운동 등에 의해 발생한다.

③ 비감쇄진동: 진동하는 동안 마찰이나 그 이외의 저항들로 인하여 계의 에너지가 손실되지 않을 때 발생하는 진동으로, 실제로는 공기와 같은 유체에 의한 마찰로 감쇄가 발생하는 것이 일반적이다.

④ 감쇄진동: 진동계의 에너지가 마찰이나 기타 다양한 원인으로 손실될 때의 진동이다.

⑤ 선형진동: 진동계의 기본 요소들이 모두 선형적으로 작동할 때 일어나는 진동으로, 중첩의 원리(Superposition principle)를 적용할 수 있고 수학적으로 해석될 수 있다.

⑥ 비선형진동: 기본 요소들 중에 어떤 것 하나라도 비선형적으로 작동할 때의 진동으로, 중첩의 원리가 적용되지 않으며 수학적 해석기법도 많이 알려져 있지 않다. 또한 모든 계는 진폭이 증가함에 따라 비선형화되는 경향이 있다.

2. 비감쇠 자유진동

비감쇠 자유진동은 외력과 감쇠효과가 무시될 수 있는 시스템에 적용되는 것으로, 선형적 회복력을 갖고 마찰력이 없는 이상적인 시스템에서 발생하는 진동이다. 이는 물체의 고유진동수를 파악하기 위해 가상적으로 설정한 시스템이다. 이러한 시스템은 [그림 4-14]와 같이 스프링과 질량으로 구성된 단순한 시스템으로 가정한다.

[그림 4-14]와 같은 시스템에 뉴턴의 제2법칙을 적용하면

F = ma = m \frac{dv}{dt} = m \frac{d^2x}{dt^2} \rightarrow m \frac{d^2x}{dt^2} = -kx \rightarrow \frac{d^2x}{dt^2} + \frac{k}{m}x = 0

상기 식을 만족하는 해는 삼각함수가 될 수 있다. 이에 대한 가능한 해는 다음과 같다. 여기서 A 는 진폭이고 ω는 진동수(\text{rad/s})이다.

x = A\sin\omega t \quad \text{or} \quad x = A\cos\omega t

x = A\sin\omega t \Rightarrow \frac{dx}{dt} = A\omega\cos\omega t \Rightarrow \frac{d^2x}{dt^2} = -A\omega^2\sin\omega t 를 \frac{d^2x}{dt^2} + \frac{k}{m}x = 0 에 대입

\omega^2 = \frac{k}{m} \rightarrow \omega = \sqrt{\frac{k}{m}} : 고유진동수(Natural frequency)

따라서 비감쇄 자유진동에서 고유진동수가 구해진다. 이러한 고유진동수는 물체가 갖고 있는 고유값으로 진동저감 설계에서 가장 중요한 설계 변수가 된다. 여기서 구해진 고유진동수로 주파수와 주기를 아래와 같이 정의할 수 있다.

주파수(\text{Hz, cycle/sec}): f = \frac{\omega}{2\pi}, 주기 : T = \frac{1}{f}

또한 비감쇠 자유진동에 대한 일반적인 해는 다음과 같다.

3. 감쇠 자유진동

감쇠 자유진동은 비감쇠 자유진동과 유사하지만 한 가지 추가되는 기계적 요소에 의해 감쇠가 발생한다. 즉, 감쇠기구인 댐퍼(Damper)를 추가하여 에너지 소산을 유도한다. 대부분의 기계는 자체의 감쇠기구가 있거나 아니면 공기와 같은 유체와의 마찰로 인해 서서히 에너지를 소산하기 때문에 실제 기계에서는 외력이 없을 시 감쇠 자유진동이 발생한다.

감쇄 자유진동은 [그림 4-16]과 같이 비감쇄 자유진동 요소에 댐퍼를 추가한 것으로, 댐핑에 의해 발생하는 힘은 속도에 따라 변하는 특성을 갖고 있다. 즉, 댐핑 F_d=−bv이고 여기서 b는 감쇄상수라 한다. 전체 시스템에 발생하는 힘은 F_{total}이 되고 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.

F_{total} = F_s + F_b = m\ddot{x} = -kx - b\dot{x}

이를 정리하면

m\ddot{x} + b\dot{x} + kx = 0

이를 적분하여 x에 대해 구하면

x(t) = x_m e^{-bt/2m} \cos(\omega t + \Phi)

여기서 \omega= \sqrt{\frac{k}{m} - \frac{b^2}{4m^2}} 이 된다.

다시 감쇠의 형태에 따라 구분하면 다음과 같다.

① b=0: 비감쇄 (감쇄효과가 없는 경우)

② b2<4mk: 미급감쇄

→ 에너지 손실은 대략 E(t) \approx \frac{1}{2} k x_m^2 e^{-bt/m}

③ b2>4mk: 과도감쇄

④ b2=4mk: 임계감쇄

4. 강제진동(감쇠/비감쇠 강제진동)

강제진동도 감쇄와 비감쇄 강제진동이 있으나 앞서 설명한 자유진동과 같이 감쇄효과를 고려하는 경우를 감쇄 강제진동이라 하고 감쇄효과를 고려하지 않으면 비감쇄 강제진동으로 분류한다. 강제진동의 가장 큰 특징은 외력이 가해진다는 것이다. 이를 앞서 유도한 수식과 동일하게 적용하면 다음과 같다.

F_{total} = F(t) + F_s + F_d = m\ddot{x}

여기서 외력을 임의의 주기적 가진력으로 고려하여 F(t) = F_0 \cos \omega t로 대입하고 이를 정리하면 다음과 같다.

m\ddot{x} + b\dot{x} + kx = F_0 \cos \omega t

다시 x = A \sin(\omega t + \Phi) or x = A \cos(\omega t + \Phi)로 대입하면 다음과 같이 된다.

A = \frac{F_0}{m \sqrt{(\omega^2 - \omega_0^2)^2 + \left(\frac{b\omega}{m}\right)^2}}, \quad \Phi = \tan^{-1} \frac{\omega^2 - \omega_0^2}{b\omega/m}

5. 공진현상

공진현상이란 비감쇄 강제진동에서 외부에서 가해지는 외력의 진동수가 물체가 갖고 있는 고유진동수에 접근할 경우, 진폭이 이론적으로 무한대가 되는 현상을 말한다. 그러나 대부분의 기계는 감쇄효과를 내는 요소나 공기와 같은 유체와의 마찰로 감쇄효과를 일부 갖고 있다. 그래서 어느 정도 변위를 감쇄시킬 수 있으나 변위가 기계요소에 비해 상대적으로 클 경우, 기계요소가 파괴되거나 기능을 할 수 없는 상태가 발생할 수 있다.

공진이 발생할 경우, [그림 4-18]에서 보여주듯 댐핑 상수가 매우 중요한 역할을 하게 된다. 또한 고유진동수와 물체에 가해지는 진동수가 어떻게 적용되는가에 따라 다양한 결과를 발생시킬 수 있다. 앞서 설명하였듯 반도체 제조 장치는 공진 등을 감소시키기 위해 지속적으로 낮은 고유진동수를 갖도록 설계되어 왔다. 즉, 고유진동수를 낮게 유지하면 실제 구동 중일 때의 회전 속도나 작동 상태의 속도에 의한 가진(외력에 의한 진동)은 보다 높은 진동수를 갖게 되어 쉽게 공진을 회피할 수 있다. 그러나 이러한 방식을 적용하더라도 가동 속도(회전, 직선운동 등)는 시동 시 반드시 공진진동수대를 지나쳐 가게 된다. 이러한 경우 최대한 고유진동수가 낮은 범위에서 공진이 형성되고 또한 최대한 빠른 속도로 공진진동수를 지나가도록 설계하는 것이 파손을 방지하는 방법이다. 보통 시동 시 가동 진동수가 고유 진동수를 지나쳐 갈 때의 속도를 위험속도라 하고 최대한 빠른 시간 내에, 그리고 최대한 낮은 진동수에서 지나가도록 설계하고 있다.

6. 진동제어

방진은 넓은 의미에서 진동제어를 의미하고, 좁은 의미에서는 원하지 않는 진동을 Stiffness가 유연한 재료로 만들어진 Isolator를 사용하여 절연하는 것을 의미한다. 진동제어는 일반적으로 진동원의 유무에 따라 아래와 같이 두 가지 형태로 구분할 수 있다.

① 능동형 방진시스템: 진동원을 가진 설비나 기계(Pump, Motor, Compressor 등)를 방진하여 주변의 진동환경을 개선하는 형태

② 수동형 방진시스템: 진동원을 가지지 않은 정밀장비(TEM, SEM, 측정, 광학장비 등)가 외부로부터 전달되는 진동으로부터 안전하게 작동하도록 방진하는 형태

또 다른 진동을 제어하는 방식으로 방진소자를 사용하는 방법이 있다. 이러한 유연한 방진소자를 사용하거나 장비 설치 시 지지강성을 강화하는 방식에 따라 다시 두 가지 형태로 구분할 수 있다.

① 저동조 방진시스템: 외부 가진 주파수(Exciting frequency)보다 진동계의 고유진동수를 작게 하여 진동을 절연하는 형태로, 대부분 방진의 좁은 관점이 여기에 속함.

② 고동조 방진시스템: 외부 가진 주파수가 매우 낮거나 거대한 구조물의 진동을 제어하는 방법으로, 진동계를 이루는 질량(m) 및 강성(k)을 가능한 크게 하여 구조물의 응답을 줄이는 방안

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