1. 서 론

이번 회에서는 필자 개인의 ‘지식에 대한 욕구’를 주제로 이야기를 풀어보고자 한다. 과거에 한 차례 소개한 바 있는, ‘압력식’ 매스플로우 컨트롤러(MFC)는 최근 반도체 제조 장비 시장에서 다시금 주목받고 있는 기술이다. 반도체용 MFC 분야에서 기존의 열식(Thermal type) 대신 압력식(Pressure-based type)이 관심을 받기 시작한 것은 오래전 일이지만, 그 초기 단계에서 등장했던 다소 이단아적인 존재가 바로 이번에 소개할 ‘MACH ONE’이다. ‘MACH ONE’은 매우 독특한 발상에서 출발한 제품으로, 전통적인 의미의 플로우 컨트롤러라기보다는 오히려 ‘플로우 제너레이터’에 더 가까운 개념으로 고안된 장비가 아닐까 하는 것이 필자의 생각이다.

2. MACH ONE의 유량 측정 원리

MACH ONE의 유량 측정 원리를 분류하자면 압력식에 해당한다. 압력식 유량계는 이미 오래전부터 사용되어 온 방식으로, 차압식 유량계에 속한다(표 1). 차압식 유량계는 발생하는 압력 차를 이용해 유량을 산출하는 방식이며, 대표적으로 오리피스식, 피토관식 그리고 층류식으로 구분된다. 우선 오리피스식의 측정 원리는 그림 1과 같고, 피토관식의 측정 원리는 그림 2와 같다. 이들 차압식 유량계의 이론적 기반은 베르누이 정리(Bernoulli’s principle)에 있다. 베르누이 법칙은 유체의 에너지 보존 법칙으로, 유체가 흐르는 동안 특정 지점에서의 전체 에너지(압력 에너지, 운동 에너지, 위치 에너지)의 합은 일정하다는 내용을 담고 있다.

그림 1과 같이 배관 내 유체 흐름에 ‘조리개(오리피스)’를 설치하면, 조리개 전단의 유속 V1에 비해 후단의 유속 V2는 증가한다. 그러나 에너지 보존 법칙이 성립하는 한, 해당 지점에서의 전체 에너지 총합은 일정하게 유지되어야 한다. 배관이 수평으로 설치되어 상·하류의 높이 차가 없다면 위치 에너지의 변화는 없다고 볼 수 있다. 따라서 유속이 증가한 만큼, 그에 상응하여 압력 에너지는 감소하게 된다. 이때 발생하는 상·하류의 압력 차(P1‑P2)를 측정하면 유속을 계산할 수 있다. 그리고 여기에 배관의 단면적(S)을 곱하면 최종적으로 유량을 산출할 수 있다. 즉 차압을 통해 유속을 구하고, 유속으로부터 유량을 도출하는 것이 차압식 유량계의 기본 원리이다.
그림 3은 층류식 유량계이다. 층류식 유량계는 층류 소자인 세관(細管) 내부를 흐르는 유체가 층류 상태를 유지한다는 전제하에, 세관 상류와 하류 사이에 발생하는 압력 차를 측정하여 유량을 계산하는 방식이다. 이때 적용된 이론이 하겐–푸아즈이유(Hagen –Poiseuille) 흐름에 관한 정리이다. “배관 내부가 층류 조건을 만족할 때, 유체의 점성과 배관 저항으로 인해 배관 양 끝에 발생하는 차압(P1‑P2)은 유체의 체적 유량에 비례한다”는 것이 층류식 유량계의 기본 원리이다. 이를 설명하면 “체적 유량은 배관 반경의 4제곱에 비례, 배관 입구 압력-출구압 = 차압에 비례, 배관 길이에 반비례, 유체의 점성에 반비례한다”이다. 하겐–푸아즈이유 흐름은 바로 층류 상태의 흐름을 나타내므로 ‘층류식 유량계’라고 부른다.

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⇒ 본고는 월간지 ‘計測技術’(일본, 일본공업출판주식회사 발행)
2026년 1월호(연재)를 번역·전재한 것입니다. 본 기사의 무단 전재 및 복사는 저작권법상 금지되어 있습니다.