지멘스는 폴리실리콘 생산, 실리콘 잉곳 및 웨이퍼 생산, 태양전지 및 패널 제조, 태양광 발전소까지 모든 태양광 밸류체인에 관한 자동화 솔루션을 제공하고 있다(그림 1). 지멘스가 태양광 및 반도체 산업에 최초로 기여한 것은 초고순도 단결정 실리콘을 생산했던 1950년대로 거슬러 올라간다. 이러한 혁신은 새로운 발명으로 이어져, 다결정 실리콘 생산용 열분해로인 지멘스 반응기를 탄생시켰다. 현재까지 양산되고 있는 고순도 폴리실리콘의 90% 이상이 지멘스 반응기에서 생산되고 있다. 오늘날, 지멘스는 분산제어시스템, 고장안전시스템, MES, 산업용 센서 및 가스 분석기와 가스 크로마토그래피, 모터와 드라이브, 전기설비 등의 산업에 특화된 포트폴리오를 공급함으로써 폴리실리콘 산업에 선도적인 역할을 담당하고 있다(그림 2).

CVD 반응기 운전을 위한 공정제어시스템

CVD 반응기는 고순도 폴리실리콘 생산의 핵심 공정으로 다음처럼 운영된다. 청정분위기로 유지되는 반응기 내부에 직경 8mm 내외의 실리콘 막대를 ∩형으로 연결해 전극에 고정한다. 실리콘 막대에 전류를 흘리면서 반응기 내부로 반응가스를 공급하면 실리콘 막대 표면에서 실리콘이 증착되는 CVD 반응으로 인해 막대의 직경이 증가하게 된다. 약 6일간 반응이 진행되어 막대의 직경이 150~200mm 정도로 증가하면 반응을 종료한다. 이 기술은 반응기의 스타트업, 증착반응, 셧다운을 짧은 시간에 반복하는 회분식 공정이라는 것과 전력 사용량이 많다는 단점에도 불구하고, 기술적으로 성숙된 방법이기 때문에 폴리실리콘 시장에 진입하기 위해서 우선적으로 고려되는 방법이다. 지멘스는 폴리실리콘 CVD 반응기에 특화된 자동화 및 전기 설비를 공급하고 있으며, 이 제품군은 SIMATIC PCS 7 공정제어시스템, 계기 및 온라인 가스 크로마토그래피를 포함한다.

프로세스 산업을 위해 특별히 설계된 지멘스의 SIMATIC PCS 7 공정제어시스템은 CVD 반응기 제어의 핵심 요소이다. CVD 반응기 운전을 위한 SIMATC PCS 7 화면의 예를 그림 3에 표시했다. SIMATC PCS 7은 반복되는 스타트업-증착반응-셧다운 싸이클의 자동화를 위해 Sequential Function Chart(SFC)를 적용했다. 지멘스의 SFC는 플로우차트 형태이기 때문에 회분식 반응기의 자동화에 적합하며, 직관적인 인터페이스를 갖고 있어 작업자들이 직관적으로 이해할 수 있는 장점을 갖고 있다.

한편 반응기의 스타트업과 셧다운에 사용되는 설정값들을 파라미터셋으로 관리해, 레시피에 따라 다른 운전 조건을 관리하기 쉽게 구성했다. 또한 작업자들이 최적 스타트업과 셧다운 온도 프로필을 찾아 입력하고 운영할 수 있는 시각적 도구를 개발해 적용했다.

CVD 반응의 특징 중 하나는 고체상 표면에서 일어나는 Gas-Solid 반응이다. 따라서 반응 초기에 표면적이 작아 필요한 원료기체의 양이 적고, 반응이 진행됨에 따라 표면적이 커지면서 원료기체의 양도 커지게 된다.

지멘스는 시간에 따른 최적의 원료 기체 공급량을 입력할 수 있는 시각적 도구를 개발해 제공한다. 이와 같은 폴리실리콘 라이브러리 이외에 지멘스의 SIMATIC PCS 7은 화학 라이브러리, 수처리 라이브러리, APC 라이브러리 등을 제공해 고객의 다양한 요구사항을 충족할 수 있다.

CVD 반응기에 적용할 수 있는 전형적인 SIMATIC PCS 7 아키텍처 중 하나를 그림 4에 표시했다. 여러 종류의 CPU 중에서 중간급 용량의 414F 1대로 반응기 1대의 제어 시스템 및 안전 시스템을 구축했다. 전력제어기와 같은 패키지 유닛은 PROFIBUS-DP를 통해 인터페이스 한다. 이와 같은 아키텍처는 유지보수 및 수평 확장이 용이한 장점을 갖고 있으며, 독일 및 유럽의 폴리실리콘 제조사들이 선호하는 방식이다.

CVD 반응기를 위한 다른 SIMATIC PCS 7 아키텍처를 그림 5에 표시했다. 고용량의 417H 이중화 CPU로 여러 대의 반응기를 제어하는 구조이다. 자동 이벤트 동기화를 통한 ‘Bumpless Switchover’ 기능으로 시스템의 가용성 측면에서 장점을 갖고 있다.

최적의 폴리실리콘 생산 공정을 위한 지멘스의 솔루션

지멘스는 전 세계에서 유일하게 폴리실리콘에 특화된 온라인 가스 크로마토그래피를 제공한다. 지멘스의 MAXUM ed II 온라인 가스 크로마토그래피를 이용해 SiH4, H3SiCl, H2SiCl2, HSiCl3, SiCl4, HCl, H2, N2, CO2, PCl3 와 같은 기체의 농도를 측정할 수 있다. 이 농도 데이터를 공정 제어 시스템과 연계할 경우, 최적의 운전 조건을 빠른 시간에 찾을 수 있도록 한다.

지멘스는 폴리실리콘 생산 공정의 자동화 시스템에 관한 많은 레퍼런스를 갖고 있다. 지멘스가 공급하는 전기설비는 폴리실리콘 공정을 위해 맞춤형으로 제작되어 고객이 우수한 품질의 제품을 생산할 수 있도록 한다. 지멘스의 SIMATIC PCS 7을 이용하면 검증된 폴리실리콘 라이브러리와 개발 템플릿을 이용해 빠른 시간에 최적의 폴리실리콘 공정자동화 시스템을 구축할 수 있다.

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