A CFD-Free Equation-Based Temperature Estimation Model for Ceramic Sintering Using Real Process Data

첨단 세라믹 제조 공정은 볼밀, 분무건조, 성형, 소결의 4대 공정으로 구성되며, 이 중 소결 공정이 최종 품질과 에너지 효율을 결정한다. 소결은 온도 스케줄에 따라 진행되지만 전기 소결로 내부에서 성형체가 받는 열을 직접 측정하기 어렵고, 기존 CFD(전산유체역학) 기반 해석은 높은 계산 비용과 복잡한 설정으로 현장 적용에 한계가 있다. 본 논문에서는 실공정 데이터를 이용하여 CFD 해석 없이 소결 공정의 온도 거동을 예측하는 수식 기반 온도 추정 모델을 제안한다. 제안 모델은 복사, 대류, 전도 열전달 항을 포함하며, 소결로 규격으로부터 자동 생성된 기하 좌표 데이터를 입력으로 사용하여 히터와의 거리, 배치, 인접 붕판 간 열 교환을 고려하여 붕판 온도를 계산한다. 시뮬레이션 결과 붕판 온도는 히터로부터의 거리에 따라 감소하였고, 그룹별 온도 분포는 소결로 내부의 열 분포 특성과 부합하였다. CFD 해석 및 실측 시편 온도와 비교한 결과, 모델 보정에 사용하지 않은 두 개의 검증 데이터 세트에서 제안 모델은 MAE 2.63℃, RMSE 3.00℃를 나타냈으며, 동일 측정점에 대한 CFD 해석은 각각 2.73℃와 3.76℃를 나타냈다. 또한 제안 모델의 계산 시간은 약 2분으로 CFD의 약 3시간 대비 크게 단축되었다. 열전달 항별 기여도 분석을 통해 배기구 폐쇄 이후 복사 입열이 증가하고 붕판 간 전도가 위치별 복사 비대칭을 상쇄하여 온도 균일성이 확보됨을 확인하였다. 제안 모델은 물리적 타당성을 유지하면서 계산 효율이 높아 다양한 소결로 조건에 유연하게 적용 가능한 실용적인 온도 예측 방법을 제공한다. 향후 연구에서는 소결 품질 데이터와의 연계를 통해 공정 최적화 및 품질 예측으로 확장하고, 전체 붕판 층을 고려한 3차원 소결로 시뮬레이션으로 고도화할 계획이다.