커미조아, 초음파 유량계, 산업 현장의 ‘보이지 않는 혈관’을 측정하다

유량계는 산업 현장에서 기체와 액체의 흐름을 실시간으로 측정해 공정의 안정성과 효율성을 보장하는 핵심 장치다. 단위 시간 동안 흘러가는 양을 질량이나 체적으로 계량하며, 생산 라인의 최적화와 품질 관리, 안전 확보에 중요한 역할을 한다. 산업 현장에서 유량계는 흔히 ‘보이지 않는 혈관’을 측정하는 도구로 불린다.

유량계의 종류는 다양하다. 마그네틱 유량계는 전도성 액체의 흐름을 정밀하게 잡아내고, 코리올리 유량계는 진동관에 가해지는 힘을 이용해 질량 유량을 직접 측정한다. 초음파 유량계는 신호 전달 시간을 활용해 비접촉식 측정을 구현하며, 차압 유량계는 간단한 구조와 범용성으로 널리 쓰인다. 이 밖에도 용적식 유량계는 저유량이나 점도가 높은 액체에 적합하고, 터빈 유량계는 높은 정확도로 다양한 산업군에서 사용된다.

최근에는 유지보수가 용이한 와류 유량계, 열전달 원리를 활용한 열식 유량계 등 새로운 기술들도 각광받고 있다. 커미조아가 반도체 제조 현장에 특화된 초음파 유량제어기 ‘COMI-ULFC’를 공개했다. 이 제품은 한 쌍의 초음파 센서를 기반으로 유량 측정과 제어 기능을 통합한 솔루션으로, 반도체 제조공정에서 사용되는 다양한 약액의 정밀한 유량 계측과 안정적 제어를 가능하게 한다. 센서부는 약액과 직접 접촉하지 않는 구조로 설계되어, 미세 공정에서 치명적인 파티클 오염 문제를 원천적으로 차단한다. 소재는 내열성과 내화학성이 뛰어난 PFA(Perfluoroalkoxy)를 적용해 안정성을 높였다.

계측 및 제어부에는 초음파 구동 신호 발생, 수신 신호 ADC 변환, TOF(Time of Flight) 기반 신호 처리까지 모든 과정을 담았다. 기존 시스템과 달리 원칩(one-chip) 솔루 션으로 구현해 개별 회로 사용 시 발생할 수 있는 노이즈와 타이밍 문제를 효과적으로 해소했다.

COMI-ULFC는 아날로그 출력 기반 공압 밸브 제어와 스텝드라이버 기반 스텝모터 구동 밸브 제어를 모두 지원해, 사용자가 원하는 방식에 따라 유연하게 유량을 조절할 수 있다. 인터페이스는 EtherCAT 및 RS485 통신을 지원하여 상위 컴퓨터와 연결된다. 이를 통해 파라미터 설정, 제어, 실시간 모니터 링까지 가능해, 반도체 공정 자동화와 스마트 제조 환경에서 높은 호환성과 확장성을 보여준다.

▲초음파 유량계 제어 시스템 구성

유량계 센서부
 

유량계의 핵심은 초음파 센서다. 계측부에서 발진 신호를 가하면 전기적 에너지가 기계적 에너지로 바뀌어 반대쪽 센서로 전달되고, 다시 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환된다. 이 과정에서 계측부는 수십에서 수백 mV 크기의 신호를 검출한다. 또한 초음파 TOF(Time of Flight) 계측 시에는 최적의 수신파형 강도와 형상을 확보하기 위해 센서 임피던스 매칭과 내부 관로 형상을 정밀하게 설계했다. 이를 통해 안정적이고 정확한 계측이 가능하다.

유량계의 계측 및 제어부
 

초음파 센서에 발진 신호를 인가하고, 수신된 신호를 고속 ADC (Analog Digital Conversion)로 변환해 처리하는 과정을 거친다. 이렇게 획득된 Upstream과 Downstream 데이터는 실시간 으로 파형 분석이 진행되며, 이를 통해 초음파의 TOF(Time of Flight)를 계산하고 최종적으로 유량 값을 산출한다. 계측 과정 에서는 단순한 유량 계산에 그치지 않고, 온도 변화나 유량 조건에 따른 보정 알고리즘을 적용해 정확도를 높인다.

산출된 유량 데이터는 목표 유량에 맞게 공압 밸브 또는 스텝모터 밸브를 제어하는 신호로 전환된다. 이를 통해 실시간 계측과 제어가 동시에 이루어져, 정밀한 유량 관리가 요구되는 반도체 공정에서 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있다.

▲ 초음파 유량계 계측 및 제어 모듈. 유체의 유속에 비례하여 초음파 전달의 시간차가 증가함

유량계 인터페이스부
 

가장 큰 특징은 국내 최초로 ETG.5003 표준 EtherCAT 통신을 적용했다는 점이다. 현재 반도체 장비 제조사들은 산업용 통신 프로 토콜의 사실상 표준으로 EtherCAT을 채택하고 있으며, Applied Materials, ASML, Lam Research, Tokyo Electron과 같은 글로벌 선도 기업들이 EtherCAT Technology Group(ETG)과 협력해 이표준화를 주도하고 있다.

이 표준화는 장비 간 데이터 구조와 동기화 모드를 일치시켜, 서로 다른 제조사의 장치를 보다 손쉽게 교체하고 유지•보수할 수 있도록 돕는다. 다시 말해, 반도체 제조 장비 시장에 진입하려는 모든 자동화 장치 제조업체가 EtherCAT 기능을 반드시 구현해야 한다는 것을 의미한다.

커미조아는 국내 최초로 ETG.5003 표준을 충족한 초음파 유량제 어기를 개발해 글로벌 반도체 장비와의 호환성을 확보했다. COMIULFC는 정밀 계측, 안정 제어, 국제 표준 통신을 모두 지원하는 솔루션으로, 국내 반도체 장비 산업의 경쟁력 강화와 글로벌 시장 진출에 기여할 것으로 기대된다.

▲초음파 유량계 인터페이스 모듈

자료제공: 커미조아(www.comizoa.com)