★..한국실내환경학회 KOSIE

반도체 클린룸용 에어와셔 시스템의 열회수, 집진 및 가스제거 특성

여 국 현 유 경 훈⋅ ^*

한국생산기술연구원 에어로졸오염제어연구실․

Kuk-Hyun Yeo Kyung-Hoon Yoo⋅ ^*

Aerosol and Contamination Control Laboratory, Korea Institute of Industrial Technology(KITECH)

Abstract

In recent models of semiconductor manufacturing clean rooms, air washers are used to remove airborne gaseous contaminants such as NH

, SO

and organic gases introduced from outdoor air into clean room.

Meanwhile, there is a large quantity of exhaust air produced from clean room. It is desirable to recover heat from exhaust air and use it to reheat outdoor air. In the present study, an experiment was conducted to investigate heat recovery, particle collection, and gas removal in a heat recovery type air washer system for semiconductor manufacturing clean rooms.

Keywords ： Air washer, Semiconductor clean room, Heat recovery, Particle collection, Gas removal

서론 1.

최근에 지구온난화 문제가 대두되면서 기업의 지구 환경에 대한 고려가 사회적 의무로서 넓게 인식되기 시작하고 있다 특히. 1997년의 교토의정 서에 의한 지구온난화 방지의 적극적인 대책인 이 산화탄소와 같은 온실가스의 저감을 목적으로 에 너지 사용량의 절감에 직면하고 있다 온실가스의. 대부분은 경제의 원동력인 에너지 소비에서 비롯 되기 때문에 이에 따른 경제적 부담은 매우 크다 고규용 우리나라는 개도국 유보조항의 적 ( , 2005).

용을 받아 규제 일정이 차 이행기간인3 2018 년으로 상당기간 유예되어 있었으나 국내총

2022 ,

생산(GDP)이 세계 10 (2002위 년 기준 온실가스), 배출량이 세계 위9 (2002년 억4 5155만톤 배출 이) 며 경제협력개발기구(OECD) 회원국이라는 점을 고려한다면 차 이행기간인2 2013 2017년의 적용

을 받을 수도 있는 상황에 처해있다 한편 배럴당. , 달러가 넘는 고유가 사태가 출현하면서 향후 석 70

유 파동 뿐만 아니라 고유가 시대가 도래할 가능 성도 배제할 수 없는 실정이다 이러한 상황에서. 우리나라의 수출주력품목인 반도체 디스플레이, 등의 첨단 전자산업에서는 대규모 클린룸을 가지 는 공장이 많으며 이러한 클린룸에서는 배기량이, 막대하기 때문에 도입되는 외기량도 많아서 이에 동반되는 에너지 소비량이 시설전체 소비량에서 차지하는 비율이 매우 높다 유경훈( , 2004). 따라서, 반도체 공장의 배기로부터 열을 회수해서 도입 외 기의 예열 예냉에 이용하는 것은 에너지절약적, 측면에서 상당히 유효한 기술이라고 판단된다.

한편 반도체 공장의 클린룸 시스템에서는 공기, 중의 가스상 오염물(SOx, NOx, NH3등 에 의한 영) 향으로 제품 수율 및 품질이 저하되는 것을 방지 하기 위해 케미컬필터와 에어와셔(air washer)를

공조 계통에 장착해 운전하고 있다 특히 외기처. 리 공조기(outdoor AHU)에서 종래의 가습수단으 로 사용하던 에어와셔를 외기의 케미컬 가스오염 물을 제거하는 시스템으로 고안하여 가스상 오염 물의 제거성능에 대한 연구결과들이 보고되고 있 다(Watanabe et al., 1998; Nakajima and Honda, 또한 에어와셔의 가 1998; Yoshizaki et al., 1999).

스상 오염물에 대한 제거 성능을 향상시키기 위한 연구도 진행되었다(Hosoya et al., 1999). 최근 Fujisawa et al.(2001, 2002), Yamamoto et al.(2003) 은 클린룸에서 발생하는 배기로부터 열을 회수할 수 있는 에어와셔에 대한 기술을 보고하였다.

본 연구에서는 반도체 클린룸에 도입되는 외기내 의 가스상 오염물을 제거하고 동시에 반도체 공장 등의 생산 장비로부터의 다량의 배기로부터 열회

수를 실시하는 가지의 기능을 겸비한 외기공조2 시스템내의 열회수식 에어와셔에 대한 열회수 집, 진 및 가스제거 성능에 대한 특성 실험을 수행하 였다.

실험장치 및 방법 2.

실험장치 2.1

은 열회수식 에어와셔가 장착된 외기공조 Fig. 1

기를 가진 반도체 클린룸의 전체적인 시스템 개략 도이다 클린룸 안에 반도체 생산기기가 있으며. , 생산기기에서 발생되는 고농도 케미컬 가스는 세 정집진기(wet scrubber)로 투입되어 세정수에 의해 정화된 뒤 대기로 배출된다. Fig. 2는 본 연구의 열회수식 에어와셔 시스템의 개념도이다 세정집. 진기에서 세정수에 의해 회수된 열은 중간 열교환 기(heat exchanger)에서 이 세정수와 외기공조기 내의 에어와셔 열교환기 순환수와의 간접 (AHU)

열교환에 의해 다시 회수된다(Yamamoto et al., 실외에서 도입되는 외기는 에어와셔 열교 2003).

환기에 의해 예냉 예열되어 열회수가 이루어지는, 동시에 에어와셔 분무수에 의해 가스상 오염물이 제거된다 외기공조기를 통과한 외기는 하류에 있. 는 내조기를 통과하여 적정의 온습도 조건을 갖춘 청정한 공기가 되어 클린룸으로 도입된다. Experiment content Experimental condition

Air volume 810CMH(m3/h) Inlet air

temperature

Summer Midterm Winter

35oC, RH 55%

25oC, RH 55%

8oC, RH 50%

Spray water One pass Water temp. for coil 21oC Water volume for coil 40L/min

Model

Water flow(L/min) Spray angle( o) 0.15

(MPa)

0.3 (MPa)

0.7 (MPa)

1.0 (MPa)

1.4 (MPa)

0.3 (MPa)

0.7 (MPa)

1.4 (MPa) 1/8in OD

SM-CE2 0.092 0.13 0.2 0.24 0.28 80 75 75

은 본 연구에 사용된 반도체 클린 Fig. 3 class 1

룸의 바닥면적 평 정도를 처리할 수 있는 처리풍1 량인800CMH(m³/h)급 열회수식 에어와셔 시스템 에 대한 실험장치를 나타내고 있다 본 에어와셔. 는 단면적0.3m×0.3m의 풍동 내에 열회수용 열교 환기를 단으로 투입하고 각각의 상류 측에 에어2 와셔용 분무노즐을 배치한 뱅크 방식이다 분무2 . 노즐 분사방향은 유동방향에 대해 향류와 동류로 양방향으로 분사하였다 실험조건은. Table 1에 나 타내었다 풍동내의 공기속도는. 2.5m/s이고 입구, 공기의 온도 조건에 대해서 연간의 외기 조건을 고려하여 동기(winter)는 8^oC(RH 50%), 중간기 (mid-term)는25^oC(RH 55%), 하기(summer)는35^oC

로 하였다 공기의 온도 및 습도는

(RH 55%) . Fig. 3

에 도시된 바와 같이 에어와셔의 입구 및 출구의 곳에서 측정하였다 열회수용 열교환기의 코일내

2 .

의 순환수는 항온조를 이용하여21^oC로 공급하였 고 이는Fig. 2의 중간 열교환기에서 세정집진기 세정수와 간접 열교환되는 에어와셔 열교환기 순 환수의 온도에 해당한다 코일 순환수 온도는 그. 림과 같이 개의 열회수용 열교환기의 각각의 입2 구 및 출구의 총 곳에서 측정하였고 에어와셔 분4 무수의 온도는 분무노즐 배관 입구에서 측정하였 다 측정 데이터는. Data Translation사의5B Series 를 사용하여 실시간으로 측정하였다 실험에 사용. 된 에어와셔 분무수는 수도수(city water)를 사용하 여 순환하지 않고1 패스로 배수하였다.

에어와셔의 분사노즐은 일본의Uni-Jet사의Model 외경 를 사용하였고 노즐의 작동 SM-CE2 (1/8in ) ,

압력에 대한 분무수량 및 분무각도는 Table 2에 나타내었다 정격 작동압력은. 0.7MPa의 압력으로 하였으며 노즐의 개수는 향류방향24 ,개 동류방향 개로 하여 총 개 당 개 의 노즐이 사 24 48 (1 bank 24 )

용되었다 수도수는 약. 19^oC로 공급하였으며 이는 일반적인 반도체 클린룸의 경우 초순수 제조장치 로부터 에어와셔로 공급되는 약20^oC의 초순수 온 도를 고려한 것이다 반도체 클린룸의 경우에는. 초순수의 온도가 고정되어 있으므로 수도수 온도 의 변화에 따른 에어와셔의 열회수 성능 변화보다 는 수도수의 영향이 포함되어 나타나는 총체적인 열회수 성능이 더 중요하므로 수도수 온도의 변화 는 본 연구에서는 고려하지 않았다.

실험방법 2.2

의 실험장치를 사용하여 에어와셔의 열회 Fig. 3

수용 열교환기 코일의 외기의 변화에 따른 열회수 량을 산출하였다 이를 위하여 공기의 입구 조건. 은 실험장치의 상류에 공조기를 설치해서 건구온 도 35^oC(하기), 25^oC(중간기), 8^oC(동기 의 공기를) 발생시켰다 열교환기와 공기간의 열회수량. 는 공기측의 온도 및 습도 상태를 실측해서 아래 의 식에 의해 산출하였고 코일 통과수의 열이동량 에 의한 확인을 실시하였다.



 

 

  



여기서, 는 공기측 열회수량[kW], 는 에어와셔 입구공기의 엔탈피[kJ/kg], 는 에어 와셔 출구공기의 엔탈피[kJ/kg], 는 에어와셔 풍 량[m³/h], 는 공기 밀도[1.2kg/m³]이다.

가스제거율 실험은 가스 확산이 가장 활발한 여 름철을 고려하여 하기조건인 입구 공기온도35^oC 에서 암모니아 가스에 대해 수행하였다. Fig. 3에 도시된 바와 같이 암모니아 압력용기에 장착된 미 세한 압력조절기를 사용하여 에어와셔 입구에서 의 암모니아 농도가20ppm이 되도록 하였다 암모. 니아 측정을 위하여 가스텍의GV-100S형의 가스 채취기와 가스텍의 No. 3L(감지농도범위 1

검지관을 사용하였다 에어와셔의 가스제

30ppm) .

거율 는 다음과 같이 산출하였다.

(2)

여기서, 과 는 각각 에어와

셔의 입구와 출구에서의 암모니아 농도이다. 집진효율 실험은 가스제거율 실험과 마찬가지 로 하기조건인 입구 공기온도 35^oC에서 입자에 대해 수행하였다 DOS(Di-Octyl Sebacate) . 입자발생장치는Fig. 3에 도시된 바와 같이 응축 식 단분산 에어로졸발생기 이하( CMAG; Con- densation Monodis- perse Aerosol Generator, Model 를 사용하였고 3470, TSI, Inc., St. Paul, MN, USA)

기하평균지름(GMD) 0.6 2.5 m,μ 기하표준편차 (GSD) 1.2 1.3의 비교적 단분산의DOS 에어로졸 을 발생시켰다 입자크기분포 측정장치는 공기역. 학적 입자크기측정기 이하( APS; Aerodynamic Particle Sizer, Model 3310A, TSI, Inc., St. Paul, 를 사용하였다 유경훈 등 한편 MN, USA) ( , 2003). , 공기유동에 부유하는 입자들을 정확히 샘플링하 기 위하여 공기유동내의 난류의 영향을 배제할 수

0 20 40 60 80 100

With water spray Without water spray

Outdoor air (

C)

T o ta l h eat re co ve ry e fficien cy

Winter Midterm Summer

4 8 12 16 20 24 28 32 360

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

Hum id ity r a ti o ( kg (moi stu re )/kg(dr y air))

Dry bulb temperature (

C)

30 40

50 60

70 80

90

Enthalpy(kJ/kg) Inlet 100 Outlet

With water spray Without water spray

있는 덮개장착 윌리크형(shrouded Willeke-type)샘 플링 프로브 유경훈 등( , 2004)를 제작하였다 이. 샘플링 프로브로 에어로졸을 정확히 샘플링한 뒤 샘플링된 입자들을 샘플링 튜브를 통하여 입자크 기분포 측정장치로 전달하였고 측정된 입자크기 분포는 샘플링 라인상의 샘플링 프로브 및 샘플링 튜브의 전달효율이 모두 보정되었다 유경훈( ,

에어와셔의 집진효율은

1996). 는 다음과 같이

산출하였다.

(3)

여기서 _{}과 _{}은 각각 에어와셔 입구와 출구에서의 총입자수 농도이다.

실험결과 및 검토 3.

열회수량 및 전열회수효율 3.1

는 공기와 열회수용 열교환기가 서로 열 Fig. 4

교환을 하는 동시에 에어와셔 분무노즐에서 물을 분무하는 경우와 분무하지 않는 경우의 에어와셔 입구 및 출구에서의 공기 상태의 변화에 대한 측 정 결과를 각각 보여주고 있다 이때 수공기비.

는 이다 그림에서

L/G 0.4 . 축은 건구온도, 축

은 절대습도이다. Table 3은 이러한 공기상태 변화 로부터 산출한 열회수량의 결과를 나타낸다 그림. 과 표로부터 입구 공기가8^oC인 동기 조건의 경우 가 열회수량이 가장 높고 물을 분무하였을 경우가 분무하지 않는 경우보다 열회수량의 차이가 가장 크게 증가한다는 것을 알 수 있다 이는 물 분무를. 실시했을 경우 물의 증발 잠열에 의해 통과 공기 의 건구온도가 감소하여 열교환기 코일과의 열교 환 온도차가 확대되어서 열이동량이 크게 증가하 기 때문인 것으로 판단된다.

입구 공기가 하기 조건인35^oC인 경우 물을 분 무하였을 경우가 분무하지 않았을 경우보다 열회 수량이 약간 증가하는 결과를 보여주고 있다 이. 는 분무수의 증발잠열에 의해 통과 공기의 건구온 Inlet air temperature Air side heat transfer(kW)

With water spray Without water spray

Summer(35oC) 4.59 2.70

Midterm(25oC) 0.27 0

Winter(8oC) 5.67 1.35

Inlet air temperature Total heat transfer

With water spray Without water spray

Summer(35 oC) 31.25 27.9

Midterm(25 oC) 9.09 0

Winter(8 oC) 67.74 16.12

도가 저하하여 열교환기 코일과의 열교환 온도차 가 축소되어서 열이동량이 감소한 것으로 판단된 다 입구 공기가 중간기 조건인. 25^oC의 경우 물 분 무시에 열이동량이 거의 없음을 알 수 있다 이러. 한 중간기에는 배기와 외기와의 온도차가 적어서 열회수 시스템을 정지하는 것을 고려해야 한다.

는 동기 중간기 하기 조건에 대한 실험결 Fig. 5 , ,

과들로부터 산출한 전열회수효율 결과들을 보여 주고 있고Table 4는Fig. 5에 대한 수치를 보여주 고 있다 전열회수효율. [%]은 다음과 같이 계산되었다.

(4)

여기서, 는 외기의 엔탈피[kJ/kg], 는 에어와셔 출구 공기의 엔탈피[kJ/kg], 는 클린룸 배기 공기의 엔탈피[kJ/kg]이다 일반적으. 로 반도체 클린룸의 배기공기는 건구온도 23^oC, 상대습도 45%이므로 본 연구에서는 의 값

을 그 온습도 조건에 해당하는48kJ/kg으로 가정 하였다 그림으로부터 동기의 경우 에어와셔 분무. 노즐에서 물을 분무하는 경우 약68%의 높은 전 열회수효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

한편, Fig. 2에 도시된 바와 같이 본 연구의 열 회수 시스템이 가동되기 위하여 추가적으로 투입 되는 설비인 차펌프1 (primary pump) 및 차펌프2 로 인해서 추가적인 에너지 소비 (secondary pump)

가 발생하게 된다 향후 연구에서는 이러한 추가. 적인 에너지 소비량과 순수한 열회수량과의 비교 를 통한 본 열회수식 에어와셔의 에너지절약 측면 에서의 분석이 요구된다.

가스제거율과 집진효율 3.2

은 분무수량과 처리공기량의 중량비인 Fig. 6

액기비 수공기비 에 대한

L/G( , ) NH3가스제거율 실 험 결과를 보여주고 있다. L/G가 증가함에 따라 가스제거 성능이 조금씩 향상됨을 알 수 있다. 가 이상이 되면 가스제거율이 를 초

L/G 0.3 80 %

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

R emo val ef fi c ie n cy

L/G

0 200 400 600 800 1000

0.1 1 10

GMD=0.64 GSD=1.2 GMD=1.64 GSD=1.26 GMD=2.06 GSD= 1.23 GMD=2.45 GSD=1.27

N u mber c o nc en tr ation (p arti cles/c m

)

Particle size(µm)

과함을 알 수 있다.

은 본 집진효율실험에 사용된 에어

Fig. 7 DOS

로졸의 에어와셔 입구에서의 입자크기분포를 보 여주고 있다. Table 5는Fig. 7의 입자크기분포에 대한 기하평균지름(geometric mean diameter,

총입자수농도

GMD), (total number concentration, 기하표준편차

TNC), (geometric standard deviation, 를 수록하고 있다

GSD) .

은 에 대한 집진효율실험 결과를 보여주 Fig. 8 L/G

고 있다. L/G가 증가함에 따라 집진 성능이 향상

됨을 알 수 있다 또한 입자크기에 대한 집진효율. , 의 거동이1 mμ 근처에서 급격히 감소하는 양상 을 보이고 있어 기계식 세정집진기와 동일한 특성 을 가지고 있음을 알 수 있다 유경훈 등( , 2003).

결론 4.

처리공기유량800m³/h급 반도체 클린룸용 열회 수식 에어와셔 실험장치를 제작하여 하기 중간기, , 동기의 열회수량과 전열회수효율 가스제거율 집, , 진효율에 대한 성능평가실험을 수행하여 다음과 같은 사항들을 관찰할 수 있었다.

입구 공기가

(1) 8^oC인 동기 조건일 때 물을 분 무하면 열회수량이 가장 크게 나타남을 알 수 있 었다 이는 물 분무를 실시했을 경우 물의 증발 잠. 열에 의해 통과 공기의 건구온도가 낮아져 에어와 셔 열교환기 코일과의 열교환 온도차가 확대되어 서 열이동량이 크게 증가하기 때문인 것으로 판단 된다.

입구 공기가 중간기 조건인

(2) 25^oC의 경우 물

분무시에 열이동량이 거의 없음을 알 수 있었다. 이러한 중간기에는 배기와 외기와의 온도차가 적 어서 열회수 시스템을 정지하는 것을 고려해야 한다.

GMD( m)μ TNC(particles/cm³) GSD Tb=150^oC,Tr=130^oC 0.64 1083.139 1.2 Tb=170^oC,Tr=150^oC 1.64 2407.524 1.26 Tb=230^oC,Tr=180^oC 2.06 2291.961 1.23 Tb=240^oC,Tr=200^oC 2.45 1251.66 1.27

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.1 1 10

L/G(0.5) L/G(0.4) L/G(0.3) L/G(0.2) L/G(0.1)

C o ll ec ti o n ef fi ci en c y

Particle size(µm)

암모니아에 대한 가스제거율은 가 높아

(3) L/G

질수록 증가함을 알 수 있었고L/G가0.3 이상이 되면 가스제거율이80%를 초과함을 알 수 있다.

집진효율은 근처에서 급격히 감소하 (4) 1 mμ

는 양상을 보이고 있어 기계식 세정집진기와 동일 한 특성을 가지고 있음을 알 수 있었다.

향후 열회수 시스템이 가동되기 위하여 추 (5) ,

가적으로 투입되는 펌프들로 인한 추가적인 에너 지 소비량과 순수한 열회수량과의 비교를 통한 본 열회수식 에어와셔의 에너지절약 측면에서의 분 석이 요구된다.

감사의 글

본 연구는 산업자원부가 주관하고 에너지관리 공단이 지원한 에너지 자원기술개발사업 선행연⋅ 구과제 열회수식 에어와셔 시스템 선행연구의 일환으로 수행되었으며 이에 대해 관계자들께 감 사드립니다.

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