차영광
(Young-Kwang Cha)
†iD
이일회
(Il-hoe Lee)
1iD
전기범
(Ki-Beom Jeon)
2iD
장지훈
(Ji-Hoon Jang)
3iD
주흥진
(Heung-Jin Ju)
4iD
-
(R&D Center, VITZROEM Co., Ltd., Korea.)
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(R&D Center, VITZROEM Co., Ltd., Korea.)
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(R&D Center, VITZROEM Co., Ltd., Korea.)
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(R&D Center, VITZROEM Co., Ltd., Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Variable vacuum capacitor, Impedance matching, AC withstand voltage, Capacitance, RF matcher
1. 서 론
진공커패시터(Vacuum Capacitor)는 공기나 다른 절연매질 대신 고진공을 유전체 매질로 사용하고 있기 때문에 유전체 손실이 매우 적고, 기압,
온도, 습도 등의 외부 요인에 의한 특성 변화가 거의 없다. 또한 사용 중 방전이 일어나도 절연회복성이 뛰어나고 제품 크기 대비 성능이 매우 높다.
이러한 장점 때문에 최근 다양한 산업분야에 적용되고 있는데, 통신기기에서의 발진회로, 동조용 및 유도, 유전가열장치의 탱크회로, 각종 고주파 전원의
전압증폭용에 사용된다. 또한 반도체산업의 급성장과 함께 CVD (Chemical Vapor Desposition : 화학기상 성장법), 식각(etching),
스패터(spatter : 용접 때 튀는 금속입자)장치 등 반도체 박막 제조장치의 임피던스 정합용으로 용도가 확대되고 있다 (1-5). 특히, 연속운전에 따른 wafer 교체 시, 챔버 내의 임피던스를 계산하여 신속, 정확하게 Auto matching을 시키기 위해 RF matcher에
주로 가변형 진공커패시터(Variable Vacuum Capacitor, VVC)가 사용되고 있다.
우리나라는 반도체와 디스플레이 분야의 강국으로서 국내에서의 VVC 사용량도 꾸준히 증가하고 있다. 하지만 진공커패시터는 컴팩트한 사이즈에서 요구성능을
구현해야 하므로 설계 및 제조에 대한 난이도가 매우 높고, 부품의 품질관리가 어려워 국내에서는 지금까지 제품 개발에 대한 시도가 거의 없었다. 또한
개발품에 대한 수요처에서의 진입장벽도 높아 현재 국내에는 VVC의 제조사가 전무하며, 전량 해외수량에 의존하고 있는 상황이다.
본 연구에서는 RF matcher에서 주로 사용하고 있는 사양인 AC내전압 12kV, 커패시턴스 가변량 50~500pF의 VVC의 성능을 구현하기
위해 전극부 설계 및 해석을 진행하였고, 최종적으로 시작품을 제작하여 성능을 확인하였다.
2. 가변형 진공커패시터
그림 1은 VVC의 대표적인 제조사인 M社(일본) 제품의 외관과 내부 구조이다. (6)
그림. 1. M사(일본) VVC(좌) 및 내부구조(우)
Fig. 1. VVC (Meiden, Japan) and inner structure
VVC는 세라믹 절연통 내부에 벨로우즈, 전극이 배치되어 있으며, 상부 및 하부에 플렌지 외 부품들이 브레이징 접합되어 진공 기밀 상태를 유지하고
있다. 벨로우즈는 진공기밀을 유지함과 동시에 가동측 전극이 상하로 운동할 수 있는 역할을 한다. 전극은 수 겹의 크기가 다른 원통형 박막으로 되어
있다. 특히 조정볼트를 회전시켜 가동부를 상하로 동작시킴으로써 각 전극들이 대면되는 면적의 변화가 가능하며, 이를 통해 커패시턴스를 가변시킬 수 있다.
보통 전극간 간격은 수mm 미만으로 아주 작으나 구동시에도 간격이 일정하게 유지되어 있고 내부가 진공 상태이므로 높은 절연내력을 확보하고 있다.
3. 가변형 진공커패시터 설계 및 해석
3.1 개발목표 사양
본 연구에서 구현하고자 하는 VVC의 목표사양은 표 1과 같다. 최대전압은 1분간 내부 절연파괴없이 견딜 수 있는 60Hz 상용주파내전압으로써 12kV.rms를 목표로 하였다. 또한 조정볼트의 11회
회전동안 커패시턴스가 50pF에서 약 500pF까지 가변되어야 하며, 조정볼트 1회전 당 커패시턴스 가변량은 42pF로써, 특히 각 가변량에서 오차를
5% 미만으로 하여 가변시 선형성이 확보될 수 있도록 하였다.
표 1. VVC 목표사양
Table 1. Target specification of VVC
|
항목
|
목표값
|
|
최대전압
|
12kV.rms
|
|
최소 커패시턴스
|
50pF 이하
|
|
최대 커패시턴스
|
500pF 이상
|
|
커패시턴스 변화 선형성
|
42pF/turn (±5%)
|
|
조정볼트의 총 회전수
|
약 11 turns
|
3.2 VVC 전극 설계
VVC는 작은 공간에서 수~수십 kV의 높은 절연성능을 확보해야 하며 큰 폭의 커패시턴스 가변이 가능해야 한다. 특히 전극은 절연성능과 커패시턴스에
영향을 미치고 있으므로 VVC에서 가장 중요한 부품 중 하나이다. 보통 전극은 얇은 박판을 사용하고 있고, 높은 커패시턴스를 구현하기 위해 전극간
거리가 매우 작으며, 대면되는 면적을 넓혀야 하므로 여러 장의 전극들을 일정한 간격으로 서로 겹쳐서 사용하고 있다.
일반적으로 사용되는 전극의 형상은 그림 2와 같이 박판을 일정한 간격으로 둥글게 회전시켜 제작하는 spiral 타입과 사이즈가 서로 다른 원통 여러 장을 이용한 pipe 타입이 사용되고 있다.
본 연구에서는 설계 및 제작의 편의를 위해 pipe 타입 전극형상을 이용하여 전극을 설계하였다. 주요 설계인자를 전극 내경, 전극간 거리, 전극 두께,
전극 높이, 전극 수로 선정하였으며, 각각의 인자를 가변시켜 목표사양을 만족할 수 있도록 설계하였다. 특히 전극의 간격을 조밀하게 하는 경우, 보다
더 콤팩트한 설계가 가능하며 작은 동작범위만으로도 커패시턴스의 큰 가변량을 확보할 수 있으나, 제품의 제조가 극히 어려워 적절한 전극간 거리의 선정이
매우 중요하다. 전극 설계를 위해 먼저 제작 가능한 전극판의 두께를 선정하였고, 조립이 가능한 범위의 전극간 거리와 높이를 결정하였다. 이후 각 전극의
겹침량(대향되는 면적), 전극 수를 가변시켜가며 설계 및 해석을 진행하였다. 설계 및 해석의 타당성은 간단한 형상으로 전극부만을 제작하여 커패시턴스의
측정결과와의 비교를 통해 검증하였다.
여러 시행착오 결과, 최종 설계된 전극은 전극판의 두께 0.2mm, 전극간 거리 0.8mm이고, 전극은 고정/가동부 모두 10장의 박판을 사용하였다.
또한 최소 커패스턴스에서는 0.5mm가 겹쳐지도록, 최대커패시턴스에서는 21mm가 겹쳐지도록 전극의 길이를 설계하였으며, 전극부는 20.5mm가 이동된다.
그림. 2. Sprial 타입 전극(좌) 및 Pipe 타입 전극 (우)
Fig. 2. Sprial-type electrode (left) and Pipe-type electrod (right)
그림. 3. Pipe 타입 전극 설계
Fig. 3. Design of pipe-type electrode
3.3 해석
최종 설계된 전극의 타당성은 Ansys社의 Maxwell v19 프로그램을 사용하여 해석을 통해 검증하였다. 커패시턴스 최소값을 확인할 수 있는 전극의
최소 겹침 지점 및 커패시턴스 최대값인 전극의 최대 겹침 지점에서 각각 전계해석을 하고, 커패시턴스값을 확인하였다. 목표 최대전압인 12kV를 인가하여
해석한 결과, 최소 커패시턴스 상태에서 최대전계는 41.5kV/mm, 커패시턴스 37pF, 최대 커패시턴스 상태에서 각각 26.4kV/mm, 508pF을
나타내었다. 최대 전계는 전극의 각 끝단부에서 발생되며, 그 값이 진공의 절연내력인 30kV/mm를 상회하나, 컨디셔닝 공정을 통해 목표 절연성능을
확보할 수 있을 것으로 판단한다.
그림. 4. 전극부 전계해석 (좌 : 최소 커패시터 조건, 우 : 최대 커패시턴스 조건)
Fig. 4. Electric field analysis on electrode (Left : min. capacitance position, Right
: max. capacitance position)
4. 가변형 진공커패시터 제작 및 시험
4.1 시작품 제작
해석을 통해 설계의 타당성이 확인되었으므로, 실제 VVC를 제작하여 설계와 차이를 비교하였다. 먼저 전극을 제작할 수 있는 금형설계 및 가동부가 구동될
수 있도록 동작장이 21mm이상인 벨로우즈를 설계하였다. 기타 부품으로 플랜지, 세라믹, 스토퍼, 조정볼트 등을 설계하여 최종 내부조립도를 완성하고,
각각의 부품을 제작하였다.
VVC의 제작은 진공 브레이징 방식을 이용하였다. 브레이징은 모재의 손상없이 필러를 사용하여 용접하는 방법으로써, 각 부품을 조립하는 과정에서 기밀이
요구되는 부위에 적당량의 필러를 삽입하여 최종조립 후, 고온의 진공가열로에서 진공배기와 브레이징을 동시에 진행하였다. 특히 전극부는 얇은 박판이 사용되므로
약간의 충격에 의해서도 변형이 발생될 수 있고, 개별 전극간 간격 및 고정부와 가동부 전극간 간격이 일정하지 않는 경우 제품의 성능이 저하될 수 있다.
따라서 전용지그를 제작하여 전극부를 별도로 조립하였으며 850℃의 고온에서 전극부에 대한 서브-브레이징을 실시하였다. 이후 완성품을 조립하여 720℃에서
메인-브레이징을 진행하였다.
그림. 5. 서브-브레이징 전(좌)과 후(우)의 전극
Fig. 5. Electrode before sub-brazing (left) and after sub-brazing (right)
그림. 6. 서브-브레이징(좌) 및 본 브레이징(우)
Fig. 6. Sub-brazing and main brazing
그림. 7. 최종 제작 완료된 VVC
Fig. 7. Prototype sample VVC
4.2 시작품 평가
총 5대의 시작품을 제작하였으며, 자체 설비를 이용하여 AC 내전압시험과 커패시턴스 시험을 진행하였다. 먼저 절연성능의 경우, VVC는 운전전압(Working
voltage) 및 최대전압(Max. voltage)을 만족해야하며, 보통 운전전압은 최대전압의 60% 수준이다. RF, AC, DC 내전압성능 모두를
만족해야 하나, 설비 문제로 AC 내전압 성능만 확인하였다. 특히, 내전압 시험은 VVC 내부의 진공이 양호한지 여부도 판별할 수 있는 시험이며,
1x$10^{-3}$ torr 이하의 고진공이 유지되면 높은 절연내력을 확보할 수 있다. 또한 컨디셔닝 공정을 통해 내전압 성능을 향상시킬 수 있다.
컨디셔닝은 전극의 돌기 및 전극에 부착된 불순물 등을 고에너지로 제거하는 것으로써 일반적으로 높은 AC 전압을 양 극간에 1분 이상 인가하는 방법이
적용되고 있다 (7). 본 연구에서는 전용설비를 이용하여 AC 내전압 시험 전 충분한 컨디셔닝을 진행한 후, 본 시험을 진행하였다. 시험결과, 시작품 5대 모두에서 AC
12kV의 전압을 1분간 절연파괴 없이 견딜 수 있었으며, 절연성능에 문제가 없음을 확인하였다.
그림. 8. AC 컨디셔닝
Fig. 8. AC spark conditioning
그림. 9. AC 내전압 시험 (12kV/60초)
Fig. 9. AC withstand voltage test (12kV/60sec)
그림. 10. 커패시턴스 측정결과 (최소 커패시턴스 : 28.1pF, 최대 커패시턴스 : 532.7pF)
Fig. 10. Measurement results of the capacitance (Min. capacitance : 28.1pF, max. capacitance
: 532.7pF)
다음으로 LCR 미터(Proteck사, 9216A 모델)를 이용하여 커패시턴스를 측정하였다. 먼저 각 시작품의 최소 커패시턴스와 최대 커패시턴스를
측정하였으며, 측정결과, 그림 10과 같이 제작된 5대 모두에서 최소 커패시턴스는 28~35pF, 최대 커패시턴스는 515~533pF이 측정되어 목표했던 최소값 50pF 이하, 최대값
500pF 이상을 나타내었다. 각 시작품마다 최소 및 최대 커패시턴스에서 차이를 보이는 이유는 내부 스토퍼의 치수문제 및 커패시턴스 조정볼트의 회전수를
정확히 맞추지 못한 것으로 판단한다.
표 2. 커패시턴스 측정결과
Table 2. Measurement results of capacitance
|
조정볼트
회전수
|
커패시턴스 측정결과[pF]
|
|
VVC #1
|
VVC #2
|
VVC #3
|
VVC #4
|
VVC #5
|
|
0
|
50.0
|
50.0
|
50.0
|
50.0
|
50.0
|
|
1
|
92.7
|
93.0
|
93.6
|
93.3
|
93.0
|
|
2
|
135.4
|
136.8
|
137.5
|
137.2
|
136.9
|
|
3
|
179.1
|
180.7
|
181.0
|
181.4
|
180.0
|
|
4
|
222.5
|
224.4
|
224.1
|
224.9
|
223.0
|
|
5
|
265.4
|
268.0
|
267.2
|
268.5
|
266.2
|
|
6
|
308.6
|
311.0
|
311.1
|
311.8
|
308.9
|
|
7
|
352.0
|
354.4
|
353.9
|
355.0
|
352.2
|
|
8
|
394.8
|
397.9
|
396.5
|
398.5
|
394.8
|
|
9
|
437.8
|
441.1
|
439.4
|
441.2
|
437.3
|
|
10
|
480.8
|
484.2
|
481.9
|
484.1
|
480.7
|
커패시턴스 가변량의 선형성 평가는 커패시턴스를 50pF이 되도록 조정한 후, 조정볼트를 회전시켜가며 매 1회전시마다 커패시턴스를 측정하여 확인하였다.
총 10회전까지 측정한 결과, 조정볼트 1회전당 커패시턴스 가변량은 최소 42.5pF/turn에서 최대 44.2pF/turn이며, 평균 43.2pF/turn로써
최초 목표사양을 만족하고 있다. 특히 5개의 시작품 모두 전 구간에서 커패시턴스의 실측값과 해석값이 1% 미만의 차이를 보이고 있어, 매우 높은 선형성을
확보하고 있다.
일반적으로 선진사에서는 커패시턴스 가변량의 선형성을 5% 미만으로 제시하고 있으나, 본 연구를 통해 설계 및 제작된 제품은 이보다 훨씬 정밀한 결과를
보이고 있으므로 전극부 설계 및 해석결과는 매우 정확성이 높다고 판단한다.
표 3. 커패시턴스 측정값의 평균과 해석결과의 비교
Table 3. Comparison of the average of the measured capacitance and the analysis result
|
조정볼트
회전수
|
커패시턴스 [pF]
|
|
측정값 (평균)
|
해석값
|
오차
|
|
0
|
50.0
|
50.0
|
0.00%
|
|
1
|
93.1
|
93.2
|
0.09%
|
|
2
|
136.8
|
136.4
|
0.26%
|
|
3
|
180.4
|
179.6
|
0.47%
|
|
4
|
223.8
|
222.8
|
0.44%
|
|
5
|
267.1
|
266.0
|
0.40%
|
|
6
|
310.3
|
309.2
|
0.35%
|
|
7
|
353.5
|
352.4
|
0.31%
|
|
8
|
396.5
|
395.6
|
0.23%
|
|
9
|
439.4
|
438.8
|
0.13%
|
|
10
|
482.3
|
482.0
|
0.07%
|
그림. 11. 커패시턴스 가변량에 대한 측정값 및 해석값 비교
Fig. 11. Comparison of measured and analyzed results of the capacitance change according
to the rotation of the adjustment nut
5. 결 론
AC 내전압 12kV, 커패시턴스 50~500pF 사양의 VVC를 설계, 제작한 후 성능을 평가하였다. 시험결과, 제작된 VVC는 절연성능, 커패시턴스
변화량, 선형성 모두 요구사양을 만족하였다. 비록 제작공정에서 다양한 시행착오(가동부의 직진성, 전극 취급문제, 브레이징 조건 등)가 발생하였지만,
제품의 기초 성능 구현이 가능함을 확인하였기에 추가적인 성능(전류, 내구성) 확보가 가능하다면 향후 국산화 가능성은 충분할 것으로 판단한다.
또한, 금번 시작품 제작시 사용된 전극의 설계 및 해석 방법은 향후 다른 사양의 VVC를 설계할 때 기준이 될 수 있을 것이다.
Acknowledgements
This work was supported by the Technology development Program(S2830892) funded by
the Ministry of SMEs and Startups(MSS, Korea).
References
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Variable Time in RF Impedance Matcher, Proc. of the KIPE Conf., pp. 193-195
2019, Large-Current Variable Vacuum Capacitor (VVC), MEIDEN Review Series, Vol. 177,
No. 3
2019, Vacuum Capacitor (VC), MEIDEN Review Series, Vol. 177, No. 3
2014, Vacuum Capacitro with Higher Current and Larger Capacitance (VP150 Type 5kVp-6000pF),
MEIDEN Review Series, Vol. 161, No. 2
Comet, Service Bulletins Capacitors, SB-12, Introduction to Design, Rating and
Installation of Variable VC, https://www.comet-pct.com/en/services#secondDivHref
https://www.meidensha.com/meg/products/vacuum
H. Kojima, T. Takahashi, M. Noda, K. Hasegawa, M. Sakaki, N. Hayakawa, 2016, Optimum
Breakdown Charge for Spark Conditioning in Vacuum under Non-uniform Electric Field,
Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, pp. 9
저자소개
He received M.S degree in electrical engineering from ChungBuk university.
His research interests are insulation design, vacuum technology.
He is researching and developing medium/high voltage vacuum interrupters, vacuum capacitors
at VIZTROEM R&D Center.
He received M.S degree in electronic meaterials engineering from Suwon university.
He is researching and developing surge protected divices and medium/high voltage vacuum
interrupter, vacuum capacitor at VIZTROEM R&D Center.
He received B.S degree in electrical engineering from soongsil university.
He is researching and developing medium/high voltage vacuum interrupters, vacuum capacitors
at VIZTROEM R&D Center.
He received B.S degree in mechanical engineering from Sejong university.
He is researching and developing medium/high voltage vacuum circuit breakers and interrupters
at VIZTROEM R&D Center.
He received the M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from Hanyang University,
Seoul, Korea, in 1998 and 2007, respectively.
He worked as a BK21 assistant professor at the department of electrical engineering
in Hanyang University from 2009 to 2013.
He currently works as a R&D center in Vitzroem Co., LTD.. His present work focuses
on vacuum application.