반도체 클린룸용 에어와셔의 암모니아 제거성능 개선 연구
송근수⋅유경훈*⋅손승우1)
한국생산기술연구원 에어로졸⋅오염제어 연구실, 1)(주)성림피에스
A Study on Ammonia Removal Performance Improvement of an Air Washer for Semiconductor Manufacturing Clean Rooms
Gun-Soo Song⋅Kyung-Hoon Yoo*⋅Seung-Woo Son1)
Aerosol and Contamination Control Laboratory, Korea Institute of Industrial Technology(KITECH)
1)
Sunglim PS Co.
Abstract
In recent semiconductor manufacturing clean rooms, air washers are used to remove airborne gaseous contaminants such as NH
3, SOx and organic gases from outdoor air introduced into clean room. In order to improve the gas removal performance of the air washers, a hot water contact heat exchanger can be installed upstream of an air washer, heating and humidifying the incoming outdoor air before entering the air washer. In the present study, an experiment was carried out to examine closely the improvement of gas removal efficiency by the insertion of the hot water contact heat exchanger. The experiment showed that the gas removal efficiency was increased by the water vapor condensation effect.
Keywords : Air washer, Hot water contact heat exchanger, Gas removal efficiency, Water vapor condensation
최근 반도체/디스플레이 산업 등의 첨단 전자산 업용 클린룸 시스템에서는 공기 중의 가스상 오염 물(SOx, NOx, 암모니아, 유기물)에 의한 영향으로 제품의 생산수율이 저하되는 것을 방지하고 있다.
이러한 가스상 오염물의 허용 수준은 반도체/디스 플레이 제품의 집적도가 증가함에 따라 더욱더 엄 격해지고, 오염물의 종별에 따라서는 수 ng/m3 수 준에 이르고 있다. 가스상 오염물은 건축내장재, 기계 및 자재, 도입 외기 등으로부터 클린룸으로 침입하여 클린룸 실내의 가스농도를 상승시키게 된다. 가스상 오염물 중에서 SOx, NOx, 암모니아 는 도입 외기에 특히 많이 포함되어 있으며 암모 니아는 대기중에 약 6～20ppb 수준의 농도를 형성 하고 있다. 이러한 가스상 오염물들이 외기로부터 클린룸에 침입하는 것을 방지하기 위하여 외기처 리 공조기(이하 외기공조기)에 가스상 오염물 제 거 여재필터(이하 케미컬 필터)를 장착하여 운전 하고 있다. 또한 클린룸 내에서 발생하는 가스상 오염물을 제거하기 위해 클린룸 내 순환 공조계통 에도 케미컬 필터가 장착되어 클린룸 실내공기의 청정화를 실시하고 있다.
케미컬 필터는 가격이 고가이고 그 수명은 0.5
～1년 정도로 짧기 때문에 최근에는 케미컬 필터 의 대체 또는 수명 연장을 도모하여 케미컬 필터 에 의한 운전비용을 절감하기 위한 노력들이 진행 되고 있다. 그러한 노력의 일환으로 외기공조기내 의 케미컬 필터의 전단부에 에어와셔(air washer) 를 편성한 외기공조 시스템이 고안되었다(Wata- nabe et al., 1998; Nakajima and Honda, 1999). 이 에어와셔는 외기의 전처리로서 종래의 가습수단 으로 사용되던 것을 외기중의 가스상 오염물의 제
와셔는 분무수와 통과공기의 중량비(수공기비, L/G)가 대체로 1.0 정도였으나, 에너지자원 절약의 관점으로부터 L/G가 저감된 고효율 에어와셔 시 스템의 개발도 요구되고 있다(Hosoya et al., 1999;
여국현 등, 2006).
본 연구에서는 에어와셔에서의 가스상 오염물 제거 성능을 향상시키기 위하여 기존의 에어와셔 의 상류에 온수접촉 열교환기(hot water contact heat exchanger)를 신규로 투입하여 유입된 외기를 1차로 가열가습시키고 2차로 에어와셔에서 냉각 응축을 실시하도록 하는 수증기 응축식 에어와셔 시스템을 구성하고 이 시스템의 수용성 가스 제거 성능에 대한 실험을 수행하였다. 본 연구의 제거 대상 가스는 암모니아(NH3)이고 에어와셔 노즐에 서 분무된 수미스트(water mist)외에 추가로 수증 기 응축에 의한 부가적인 가스제거성능 개선효과 를 관찰하였다.
2. 실험 장치 및 방법
2.1 실험 장치
본 연구에 사용된 수증기 응축식 에어와셔 실험 장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 본 연구에 사용된 실험장치는 크게 청정시험덕트, 고성능 에 어필터(HEPA filter), 가스발생기, 온수접촉 열교환 기(Hot water contact heat exchanger), 에어와셔(Air washer), 엘리미네이터(Eliminator), 센서 및 계측기 로 구성된다. 온수접촉 열교환기는 일정 온도의 온수를 유입된 공기에 분사하여 가열가습하는 장 치이며 온수와 공기의 접촉면적을 증가시키기 위 하여 폴리프로필렌 재질의 충진층(열교환 효율:
Fig. 1. Schematic diagram of the present experimental apparatus.
Temperature Measuring Circuit
Sensor : NTC type N Accuracy : -20 - 0℃ : ±0.4℃
0 - 70℃ : ±0.1℃
70 - 80℃ : ±0.6℃
Reproducibility : 0.1℃
Humidity Measuring Circuit
Sensor : FHA646-E2C Measuring range : 5 - 100% RH Accuracy : ±2% RH at nominal temperature Reproducibility : < 1% RH at nominal temperature Table 1. Temperature and humidity measurement apparatus.
90%)을 가지고 있다. 에어와셔는 가열가습된 공기 를 냉각응축하는 장치이며 단면적 0.3m × 0.3m의 시험덕트내에 분무노즐들을 장착한 원관들로 배 치된 2뱅크 방식이다. 분무노즐 분사방향은 유동 방향에 대해 향류와 동류로 양방향으로 분사하였 다. 시험챔버 내 유속을 2.5m/s로 유지시키기 위해 인버터가 장착된 터보팬을 사용하였다. 본 실험에 서 사용한 가스농도 측정장치는 가스텍의 GV- 100S 기체채취기이며 검지관은 암모니아용으로 가스텍의 No. 3L(감지농도 1～30ppm, 오차범위 3%)을 사용하였다. 시험덕트내의 공기의 온습도 측정은 독일 AHLBORN사의 ALMEMO-MA5990-2 데이터로거를 사용하여 Table 1에 수록한 ALMEMO
센서들을 통하여 측정하였다.
2.2 실험 방법
본 연구의 실험조건을 Table 2에 나타내었다. 시 험 가스는 Fig. 1에 도시된 바와 같이 HEPA 필터 를 통과한 직후인 시험덕트의 상류에 투입되었다. 시험가스의 농도 측정은 온수접촉 열교환기의 상 류와 에어와셔의 하류에서 이루어졌다. 가스제거 효율은 이러한 상류측과 하류측에서 각각 3회씩 측정된 가스농도를 산술평균하여 다음과 같이 구 하였다.
×
(1)Fig. 2. Variation of air temperature and humidity through the air washer.
Air flow 1000 CMH(m3/h)
Temperature of hot water for contact heat exchanger 40, 50, 60 ℃
Flow of hot water 8 ℓ/min
Spraying water for air washer City water Temperature of spraying water for air washer 5 ℃
Flow of spraying water for air washer 8 ℓ/min Number of nozzle in air washer 48
L/G 0.4
여기서, C은 상류의 가스농도, C
은 하 류의 가스농도이다. 에어와셔 상류농도가 25ppm 이 되도록 암모니아를 공급하였고 시험 개시전과 종결후의 상류농도 차이가 ±1% 이내임을 확인하 였다.본 연구에서는 이전 연구(Hosoya et al., 1999; 여 국현 등, 2006)의 결과로부터 온수접촉 열교환기 와 에어와셔 사이에 설치되는 기존의 냉각코일 (cooling coil)의 영향이 거의 없는 점을 고려하여 온수접촉 열교환기에 의해 가열가습된 포화공기 를 에어와셔 단독에 의해 물과 직접 접촉시켜 냉 각응축하는 것을 자세하게 관찰하였다. 또한 에어 와셔의 분무수 온도에 따른 에어와셔 자체의 가스 제거 성능을 살피기 위해 분무수 온도를 5～35℃
범위에서 변화시키는 가스제거 실험도 수행하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 에어와셔 분무수 온도에 대한 가스제거율의 변화
Fig. 2는 온수접촉 열교환기의 작동없이 에어와 셔만 단독으로 가동하여 에어와셔 분무수 온도를
각각 5℃, 10℃, 15℃, 20℃, 25℃, 30℃, 35℃로 하 여 수분무를 실시하였을 경우 16℃, 30%RH의 유 입 공기에 대해 에어와셔를 통과한 공기의 온습도 를 측정한 값을 각각 나타내고 있다. 그림에 표시 된 온도는 에어와셔 분무수 온도를 나타낸다. 그 림으로부터 대부분의 경우 에어와셔를 통과한 공 기는 포화에 가까운 상태에 도달함을 알 수 있다. 실험상의 유입 공기의 습구온도가 8.6℃이므로 분 무수의 온도가 5℃와 10℃ 사이에서 단열가습의
0 20 40 60 80 100
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Temperature of spray water( o C)
FIg. 3. Variation of NH3 removal efficiency withrespect to spraying water temperature in the air washer.
Fig. 4. Variations of air temperature and humidity with respect to hot water temperature.
등엔탈피 변화를 보여줌을 알 수 있다.
Fig. 3은 이러한 에어와셔 분무수의 온도 변화 에 따른 암모니아 제거효율의 변화를 나타내고 있 다. 분무수의 온도가 증가할수록 가스제거효율이 점차적으로 감소하고 있음을 알 수 있다. 이로부 터 반도체/디스플레이 클린룸용 외기공조기내의 에어와셔 분무수 온도를 저온으로 하게 되면 수용 성 가스의 제거성능에 있어 다소의 이득을 볼 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 에너지의 추가적인 소비를 동반하기 때문에 경제성을 고려한 검토가 필요하다.
3.2 가열가습에 의한 가스제거율의 변화 Fig. 4는 온수접촉 열교환기와 에어와셔가 모두 가동될 경우 온수접촉 열교환기의 온수온도를 40
℃(case 1), 50℃(case 2), 60℃(case 3)로 하였을 때 일정한 온습도(21℃, 45%RH)의 유입공기에 대해
온수접촉 열교환기를 통과한 후와 연이어 에어와 셔를 통과한 후의 공기 상태 변화를 각각 나타내 고 있다. 온수접촉 열교환기를 통과한 공기는 높 은 엔탈피를 가지게 되며 연이어 에어와셔를 통과 하면서 5℃의 저온의 수분무에 의해 다시 낮은 엔 탈피의 상태로 된다. 이때 공기가 냉각되어 수증 기 응축이 공기중에서 발생되고 이 수증기가 암모 니아를 제거하게 된다. 즉, 에어와셔의 상류에 온 수접촉 열교환기를 투입하여 유입된 공기에 1차 로 가열가습을 행하고 2차로 에어와셔에서 냉각 응축시켜 줌으로써 노즐에서 분무된 물 미스트 (mist) 외에 수증기 응축의 부가적인 제거효과로 인한 가스상 오염물의 제거율이 높아지는 효과를 가져오게 된다.
Fig. 5는 온수접촉 열교환기의 온수온도의 변화 에 따른 암모니아의 제거효율의 변화를 나타내고 있다. 그림에서 case 0은 에어와셔 단독가동인 경
Fig. 5. Variation of gas removal efficiency with respect to spraying water temperature.
우이고 case 1, 2, 3은 온수접촉 열교환기와 에어 와셔를 동시가동하면서 온수온도를 각각 40℃, 50
℃ 60℃로 한 경우이다. 그림으로부터 에어와셔 단독가동의 경우(
=68%)보다 온수접촉 열교환기 와의 동시가동의 3가지 경우(
=72%, 82%, 78%)가 모두 더 높은 가스제거효율을 보여주고 있음을 알 수 있다. 특히, 온수온도 50℃인 case 2의 경우가 가장 높은 가스제거효율인 82%를 보여주고 있는 데 이것이 본 연구에 도입된 가스텍 검지관의 불 확실성(3%)에 의한 것인지도 생각해 볼 수 있다.그러나 온수온도 50℃와 60℃인 경우간의 가스제 거효율의 차이가 4%라는 사실을 고려하면 다른 원인을 생각해볼 수 있다. 즉, 에어와셔에서의 수 증기 응축량
와 평균공기온도
(
= 에어와셔 입구 공기온도,
= 에어와셔 출구 공 기온도)를 살펴보면 온수온도 40℃인 case 1의 경 우 0.0123kg/kg‘, 18.7℃, 온수온도 50℃인 case 2의 경우 0.0151kg/kg’, 21.0℃, 온수온도 60℃인 case 3 의 경우 0.0169kg/kg‘, 23.3℃이다. 따라서, 온수온낮아지는 경향을 보이고 있는 것은 수증기 응축량 은 가장 높지만 평균공기온도가 가장 높아서 제거 효율이 낮게 나오는 것이라고 생각할 수 있다. 이 때는 에어와셔 분무수를 더욱 저온화하여 수증기 응축량을 더욱 높이고 평균공기온도를 더욱 감소 시켜서 가스제거효율을 향상시킬 수 있다고 판단 된다.
4. 결론
처리공기유량 1,000m3/h의 반도체 클린룸용 수 증기 응축식 에어와셔 실험장치를 제작하여 온수 접촉 열교환기와 에어와셔의 동시가동에 의한 암 모니아 가스제거 실험을 수행하고 다음과 같은 사 항들을 관찰할 수 있었다.
(1) 에어와셔 단독의 암모니아 가스제거 실험으 로부터 분무수 온도가 5～35℃의 범위에서 증가 함에 따라 가스제거효율이 점차적으로 감소함을 확인할 수 있었다.
(2) 온수접촉 열교환기를 동시가동할 경우 온수 접촉 열교환기에 의한 가열가습과 에어와셔에 의 한 냉각응축이 연속적으로 일어나게 됨으로써 수 증기응축 현상에 의한 부가적인 가스제거효과가 발생하여 가스제거효율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
(3) 동시가동의 경우 에어와셔 분무수 온도 5℃
에 대해 온수접촉 열교환기의 온수온도를 40℃, 50℃, 60℃로 증가시키면 50℃의 경우가 가장 높 은 제거효율을 보임을 관찰할 수 있었다. 이는 에 어와셔에서의 수증기 응축량과 평균공기온도가 각각 가스제거에 미치는 상반된 특성에 기인한 것
이라고 생각할 수 있다.
후기
본 연구는 산업자원부가 주관하고 에너지관리 공단이 지원한 에너지․자원기술개발사업 중대형과 제 “반도체/LCD 클린룸 에너지절약기술 개발”의 세부과제 “열회수식 에어와셔 시스템 개발”의 일 환으로 수행되었으며 이에 대해 관계자들께 감사 드립니다.
참고문헌
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