질소 기준 MFC를 아르곤에 사용할 때의 환산법 완벽 정리

질소 기준으로 교정된 MFC를 아르곤 가스에 그대로 사용할 때 발생하는 유량 오차와 실전 환산법을 알려드리려 합니다. 가스 변환 계수 1.4를 적용하는 계산 원리와 목표 유량 설정 팁을 본문에서 확인해보실 수 있습니다.

질소 기준 MFC에서 아르곤 가스 사용 시 오차가 발생하는 원인

반도체, 디스플레이, 진공 코팅 장비나 실험실에서 사용하는 질량 유량 제어기인 MFC는 대부분 제조사 공장에서 출고될 때 가장 안전하고 다루기 쉬운 질소 가스를 기준으로 센서와 유량을 맞추어 출고됩니다.

질소 기준 MFC에서 아르곤 가스 사용 시 오차가 발생하는 원인

하지만 실제 공정 현장에서는 산화를 막거나 플라즈마 방전을 일으키기 위해 불활성 가스인 아르곤 가스를 주입해야 하는 일이 매우 흔하게 일어납니다. 또는 퍼지 공정에서도 아르곤 가스를 사용합니다. 이 때 질소 전용으로 맞춰진 MFC에 아르곤을 그대로 흘려보내면 화면에 찍히는 유량 숫자와 실제로 배관을 지나가는 가스의 양 사이에 약 40%에 달하는 커다란 오차가 발생합니다. 이러한 유량 차이가 발생하는 근본적인 이유는 열식 질량 유량계가 가스가 지나가며 센서의 열을 빼앗아 가는 정도를 측정하여 유량을 계산하기 때문입니다. 질소와 아르곤은 눈에 보이지 않는 기체라는 점은 같지만 분자의 구조와 열을 머금는 물리적 성질이 완전히 다릅니다. 질소의 특성은 질소는 2개의 질소 원자가 단단하게 결합한 이원자 분자입니다. 분자 내부에 회전 운동이나 진동 운동으로 열에너지를 저장할 수 있는 공간이 많기 때문에, 가스 분자 1개가 지나갈 때 비교적 많은 양의 열을 뺏어갈 수 있습니다. 아르곤의 특성은 아르곤은 1개의 원자만으로 독립적인 기체 상태를 유지하는 단원자 분자입니다. 내부 결합이 없는 단순한 공 모양 구조여서 열을 머금을 수 있는 능력인 비열과 열용량이 질소에 비해 상대적으로 작습니다. 따라서 동일한 개수의 가스 분자가 센서 유로를 통과해 지나갈 때 아르곤은 질소보다 센서 와이어의 열을 훨씬 적게 빼앗아 갑니다. 열이 조금밖에 빠져나가지 않았기 때문에, 질소 기준으로 세팅된 센서 회로는 가스가 아주 조금만 흐르고 있다고 잘못 판단하게 됩니다. 센서가 덜 차가워졌으니 가스가 적게 흐른다고 착각하는 것입니다. 결과적으로 질소 전용 MFC에 아르곤 가스를 흘리면, 장비 화면에 표시되는 유량 숫자보다 실제 배관을 통과해 반응기 안으로 들어가는 아르곤 가스의 실제 양이 약 1.4배 훨씬 더 많이 흘러나가게 되는 현상이 발생합니다. 이 오차를 바로잡아 주기 위해 두 가스 사이의 열전달 차이를 수치로 나타낸 환산 도구가 반드시 필요합니다.

변환 계수 1.4를 활용한 실전 유량 환산법

질소 기준의 MFC로 아르곤 가스를 오차 없이 정확하게 다루기 위해 사용하는 것은 가스 변환 계수(1.4)입니다. 일반적인 열식 질량 유량계에서 질소의 변환 계수를 1.0으로 놓았을 때, 아르곤의 변환 계수는 대략 1.4(정밀하게는 1.39에서 1.41 사이)의 값을 가집니다.

변환 계수 1.4를 활용한 실전 유량 환산법

이 1.4라는 숫자는 아르곤이 질소와 똑같은 양의 열을 빼앗아 가려면 질소보다 약 1.4배 더 많은 양이 흘러가야 한다는 물리적 비율을 의미합니다. 현장에서 이 변환 계수를 적용할 때는 상황에 따라 곱셈을 할지, 아니면 나눗셈을 할지 그 방향을 정확하게 구분하는 것이 가장 중요합니다. 첫 번째 상황은 '현재 배관에 흐르고 있는 실제 아르곤 유량을 확인할 때(곱하기)'입니다. 장비 화면이나 컴퓨터 모니터에 표시된 숫자는 여전히 질소를 기준으로 계산된 눈금입니다. 따라서 실제 배관을 통과하고 있는 아르곤 가스의 진짜 유량을 알고 싶다면, 화면에 찍힌 숫자에 1.4를 곱해주면 됩니다. 예를 들어 장비 화면에 질소 기준으로 100 sccm이 표시되고 있다면, 실제로는 100에 1.4를 곱한 140 sccm의 아르곤 가스가 시원하게 흘러가고 있는 상태입니다. 화면에 50 sccm이 찍혀 있다면 실제 아르곤 유량은 70 sccm이 됩니다. 두 번째 상황은 '원하는 목표 아르곤 유량을 장비에 입력하여 제어할 때(나누기)'입니다. 공정 작업 레시피에서 "아르곤 가스를 정확하게 140 sccm 공급하라"고 지시가 내려왔다고 가정해 보겠습니다. 이때 장비 설정 창에 그대로 140을 입력하면, 실제로는 140에 1.4가 곱해진 196 sccm의 과도한 아르곤이 쏟아져 들어가 공정을 망치게 됩니다. 따라서 원하는 목표 아르곤 유량에 맞추려면, 원하는 수치를 1.4로 나눈 값을 제어 목표값으로 입력해야 합니다. 즉 140 sccm의 아르곤을 흘리고 싶다면, 140을 1.4로 나눈 100 sccm을 설정값으로 입력해야 밸브가 정확한 위치를 찾아 완벽하게 140 sccm의 아르곤을 흘려보냅니다. 만약 70 sccm의 아르곤이 필요하다면 장비에는 50 sccm을 입력해야 합니다. 마지막으로 주의해야 할 점은 장비의 최대 허용 유량 범위입니다. 질소 기준으로 최대 100 sccm까지 흘릴 수 있는 MFC라면, 아르곤 가스를 흘릴 때는 최대 140 sccm까지 제어가 가능해집니다. 반대로 최소 제어 유량 역시 1.4배 커지므로 아주 미세한 극소량 제어가 필요한 공정이라면 오차가 커질 수 있음을 미리 감안해야 합니다. 결론적으로 "실제 유량을 읽을 때는 화면 값에 1.4를 곱하고, 목표값을 장비에 넣을 때는 원하는 값에서 1.4를 나눈다"는 두 가지 규칙만 완벽하게 숙지하면, 고가의 전용 장비를 새로 사거나 공장 재교정을 받지 않고도 질소 기준 MFC를 활용해 아르곤 가스를 완벽하게 통제할 수 있습니다.