서강대학교

초록 (요약문)

본 연구에서는 반도체 제조 공정 등에서 응용이 되는 액체 jet이 rotating disk 위에서 액막으로 발달하는 two-phase 유동 현상에 대해 고해상도 direct numerical simulation (DNS) 해석을 수행하였다. Adaptive mesh refinement (AMR) 기법을 사용하여 multi-scale 문제를 해결하였고, 액막 전파 중 발생하는 break-up, spiral wave 등 instability 들을 분석하였다. 이에 실험의 측정 한계를 극복하는 방식으로 연구를 진행할 수 있게 되었다. 회전 속도 (RPM), 유량, 점도, 표면장력, 접촉각에 따른 유동 특성을 관찰했으며, instability 발생 원인을 이해하기 위해 주요 force 항들을 근사하여 상대적인 차이를 분석하고 무차원 수를 평가했다. Instability 발생 관련 적절한 무차원화를 통해 여러 케이스들에 대한 상사성 및 universal solution 예측식을 도출했다. 이에 무차원화 기반 일반화된 관계식을 도출했으며, 시뮬레이션 없이도 반도체 제조 공정에 instability 예측 가능성을 확인했다. 또한 multi-scale issue를 가지며 실험적 측정 및 simulation의 난이도가 높은 점을 고려하여 Nusselt, Pigford model 등의 Low-dimensional models로 film thickness, film velocity를 간단하게 예측하였다. Pigford model의 경우 empirical parameter를 통해 보다 정확한 결과를 보여주었지만, empirical parameter 설정 관련 부족한 기존 연구 자료와 film velocity 및 film thickness의 공간 분포에 대한 검증이 부족하다. 그러므로 Pigford model의 empirical parameter에 대한 실질적으로 유용한 특징들을 제시하며, 이는 film velocity 및 film thickness 분포를 정확히 예측하기 위한 empirical parameter model로 이어진다. 분석을 위해 film velocity 및 film thickness 분포에 대한 정확한 데이터가 필요하므로 본 연구에서는 operation parameter 및 물성치에 따라 고해상도 DNS을 진행한다. 이를 바탕으로 기존 연구(Burns.)에서 사용된 empirical parameter 값의 유효성 평가 및 특징을 분석하여 Pigford model의 정확도 및 유용성을 높일 수 있다. 개선된 Pigford model의 결과는 rotating disk flow 시스템에 대한 정확한 설명과 insights를 제공하며 wafer 제조 공정에서 다양하고 유용하게 활용될 것이다.