집중기획 초저습드라이룸 제습기 설계 및 적용사례
박 승 태 (주)에이티이엔지 기술연구소 [email protected]
머리말
최근 생산과정에서 점점 저습도 환경의 수요가 높아지고 있다. 저 습도 환경 즉 “공기 중의 수분이 최소화된 상태”는 주로 리튬이온전지 제조에 빠지지 않는 환경으로서 이용되어 왔다.
리튬이온전지는 1990년대에 상품화된 2차전지로서 휴대전화, 비 디오, 카메라, 노트북 등의 전원 공급용으로 널리 사용되고 있다. 최근 에는 환경 면에서 주목받고 있는 연료전지 자동차나 하이브리드 자동 차용 리튬이온전지의 수요가 크게 증가할 것으로 예상되어 수년 내에 큰 시장이 형성될 것으로 기대되고 있다.
그렇지만, 이 저습공기를 발생시키는 공조설비는 일반 공조설비와 비교하면 설비비와 운전비 모두 대폭 상승한다는 것은 부정할 수 없다.
따라서 어떠한 방법으로 저비용, 저에너지로 저노점 발생 설비를
[그림 1] 드라이룸
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설계하는지가 과제이고 목표이다.
이 저습도 환경이 필요한 용도도 다양화해 유 기 EL제조 등 지금까지와는 다른 분야나 종래보 다도 더욱 습도가 낮은 환경의 요구도 높아지고 있다.
초저노점 드라이룸 제습기
제품의 수율(yield, productivity) 향상을 위해 공기 중의 수분량을 일정한 값 이하로 제어하는 저습도실 중 실내노점온도가 -10℃ 이하인 경우 를 특히 드라이룸(Dry Room)이라고 하며 상대습 도 10%~30% 정도인 저습도실과 구별하고 있다.
드라이룸의 습도조건은 최대 수분량을 억제하 는 것으로 일정한 제어 폭을 요구하지는 않는다.
단 그 최대 수분량은 실내조건에서 노점 -32℃(절대습도 0.189 g/kg') 정도의 요구는 보 통이며 통상 클린룸의 온습도조건 23℃ DB, 45%
RH(절대습도 7.86 g/.kg')와 비교하면 1/40로 감 소시킨 것이 된다. 드라이룸에서는 청정도 유지 요구가 있는 경우도 많으며 이 경우에는 클린룸 의 기능도 함께 갖추고 있다. 이것을 클린 드라이 룸이라고 부른다. 그러나 전지제조 용도로 제한 하면 온도 제어폭 ±3℃ DB 정도, 청정도 CLASS 10,000~100,000 정도로 그레이드는 그리 높지 않다.
드라이룸을 구성하는 설비의 개요를 그림 1에 나타내었다. 일반 건물내에 강판제 샌드위치 패 널 등 투습이 없는 부재를 이용해 드라이룸을 구 성하고 출입구에는 전실을 설치한다. 또 제품의 출입을 위한 패스박스를 설치하는 경우도 많다.
저습도 공기는 데시칸트제습기에서 제조하고 공 조덕트로 급기 및 환기를 한다. 단 현열부하가 많 은 경우에는 제습기의 급기만으로는 부족하게 되 어 공조기나 패키지유닛을 별도로 설치하는 경우
도 있다. 그 외에 조명이나 콘센트 등 통상의 실로 서 기능상 필요한 설비가 설치된다.
드라이룸의 용도
드라룸의 공기조건은 제품이 필요로 하는 습도조건과 작업원을 위한 작업환경의 유지조건 에서 대개 다음과 같은 조건으로 계획되고 있다.
건구온도 : 20~25℃
노점온도 : -10~-50℃(상대습도 : 10~0.1%) 드라이룸의 실내노점온도는 비용 면을 고려 해 보면 DP -40℃ 이상이 현실적이다.
드라이룸은 그림 2에 나타낸 것과 같이 리튬 이온전지의 제조공정이 많고 리튬폴리머전지, 전 지재료, 제약, 카패시터(Capacitor) 등에도 이용 된다. 리튬이온전지의 제조에 이용되는 드라이룸 의 요구조건을 표 1에 나타내었다.
이중에서 대표적인 용도인 리튬이온의 전지 제조공정의 예를 그림 3에 나타내었다. 리튬이온 전지 제조공정에서는 공기중에 존재하는 수분이 리튬이온이나 전지액과 반응해 제품의 수율을 저 하시키므로 제조라인을 저습도 환경으로 설치할 필요가 있다. 단 저습도 환경으로 하는 라인의 부 위, 저습도 비율(노점온도) 및 저습도 환경으로
[그림 2] 드라이룸 용도
하는 방법 등은 전지메이커 각사의 제조 노하우 라 제각각 다르다. 단 어느 경우라도 가장 수분을 꺼리는 것은 조립 공정이며 그 중에서도 전해액 주입공정의 저습도 관리는 가장 중요하다.
제습기의 선정
제습기를 선정할 때에 비교 대조해야 할 사항 에 대해서는 다음과 같은 것들이 있다.
①노점온도와 처리풍량 ②처리공기의 온도
③사용 열원 ④설비비, 운전비
⑤운전, 보수 ⑥에너지 절약
노점온도와 처리풍량
그림 4는 각 제습기가 실제로 사용되고 있는 범위를 나타낸 것이다.
각 제습기의 노점온도를 기준으로 하여 보면, 일반적으로 노점 10℃ 이상이면 냉각식이나 흡 수식, 노점 10～-40℃ 에서는 데시칸트제습기에 냉동기를 병용한 것, -40～-70℃ 노점에서는 데 시칸트 2로터에 냉동기를 병용한 것과 -100℃ 이 하에서는 데시칸트 3로터를 이용하여 사용하고
있다.
한편 처리풍량을 기준으로 하여 보면, 대부분 의 시스템이 대당 약 1,000 m³/min 전후까지 처 리가 가능하나, 저노점형 냉각식 제습기는 300 m³/min 정도가 최대이며, 초저노점형 다단 데시
[그림 3] 리튬이온 전지의 제조공정 일례
대상 건구온도(℃) 실내노점온도(℃)
리튬이온 전지 23 -32
리튬폴리머 전지 23 -32~-40
카패시터 전지 23 -32
<표 1> 용도별 드라이룸의 실내온습도 조건
[그림 4] 제습기의 제습공기 노점온도와 처리공기량
[그림 5] 드라이룸 설계 Concept
칸트 제습기는 100 m³/min 정도가 한도이다. 한 편 액체흡수식은 대풍량에 적합하고, 보수면에서 어려움이 있으므로 500 m³/min 이하에서는 많 이 사용되지 않는다.
드라이룸 설계상의 유의점
드라이룸 설비설계의 기본조건은 실내에서의 수분 발생량에 있고, 그 수분량의 많고 적음에 따 라 장치용량이 결정된다. 이것과 관련한 설비설 계 및 시공에 따른 유의점에 대하여 설명한다.
드라이룸의 에너지 절약
드라이룸 공조설비는 계통 전체에 저습 조작 이 필요하기 때문에 제습수분량이 적음에도 불구 하고 냉각·가열열량이 크고 많아져, 일반 제습 조작에 비해 에너지 소비량은 몇 배로 커진다. 이 때문에 제습방식의 결정에 있어서는, 특히 에너 지절약 방식이 되도록 고려하여, 장치 전체의 시 스템 구성을 검토할 필요가 있다. 또, 시스템내의 고저온 온도차를 이용하는 열교환기를 설치하여 열회수를 하는 등 치밀한 에너지절약 대책에 의 해 운전비용 감소를 꾀하는 것이 중요하다. 그림 5는 드라이룸 설계 개념에 대해 나타내었다.
드라이룸의 기밀성
설비계 내는 모두가 저습도로 되기 때문에 제 습장치계, 덕트계, 드라이룸계로의 외기의 침입 은 송풍 습기의 상승으로 이어지고, 실내 습도 유 지가 곤란하게 된다. 이 침입수분을 제습장치 능 력에 전가하는 경우에는 설비비 및 운반비의 상 승으로 이어지기 때문에, 각 계의 기밀화가 필요 하다. 이 때문에 제습장치의 구조설계시에 기밀 화를 고려하는 것은 물론, 장치제작 완료 후에도 기밀검사를 실시해서 누설개소가 없는 것을 확인
할 필요가 있다.
또, 현장시공에 있어서는 드라이룸을 관통하 는 각종 배관·배선의 관통부 및 덕트 접속부에 공기의 누설이 없도록 완전히 밀봉하는 것이 중 요하다.
드라이룸의 정전기 발생방지
드라이룸 내는 저습도 환경이기 때문에, 정전 기가 발생하기 쉬우며, 이로 인해 생산기기로의 영향방지 및 작업의 안전대책상 정전기 방지 대 책을 세울 필요가 있다. 정전기 방지대책으로는 전 바닥면을 전도바닥으로 하는 경우가 많은데, 전도바닥의 시공 회사마다 각각의 방식이 있기 때문에 사용조건에 따라 시공법, 비용 등을 검토 해 제원을 결정해야 한다.
습도계의 선정
저습 공기의 측정계기로서 여러 가지 습도계 (노점계)가 시판되고 있지만, 각각의 장·단점이 있으므로, 선정에 있어서는 충분한 검토가 필요 하다.
자동제어
드라이룸과 같은 저습 장치의 경우 실내의 노 점온도를 일정하게 유지하기 위해 제습기의 제습 능력을 제어하는 것은 곤란하고, 통상 어떤 설정 노점온도 이하의 조건으로 운전된다. 따라서 자 동제어에서는 제습기의 능력을 유지하기 위한 제 어가 중심이 되고, 다음과 같은 3항목이 대표적인 것이다.
(1) 제습기 입구공기 온도제어
데시칸트제습기 조작에 있어서는 입구 공기 온도가 낮을수록, 제습능력이 증대한다. 제습능 력을 안정하게 유지하기 위해, 제습기 입구공기 를 일정 수준까지 냉각하는 제어를 한다.
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(2) 제습기 재생 온도제어
데시칸트제습기 조작에 있어서는, 흡착한 수 분을 방출하기 위해 흡착제를 가열재생할 필요 가 있다. 흡착수분과 방출수분의 양을 균형 있게 하기 위해, 재생공기온도를 일정 수준으로 제어 한다.
(3) 드라이룸 내 실온제어
드라이룸 내의 작업환경을 유지하기 위해, 실 내온도를 일정하게 유지하는 제어를 한다.
설비의 관리와 보수
드라이룸 시스템이 제품생산에 있어서 매우 중요한 시설이기 때문에 제습기를 포함한 대부분 의 드라이룸용 설비는 백업기능을 갖추고 예비용 기기를 이중으로 설치하는 것이 일반적이지만, 오랜 기간에 걸쳐 드라이룸의 온습도 조건을 유 지하기 위해서는 설비에 대한 충분한 보수와 관 리가 필요하다.
특히, 장기운전을 계속함으로써 장치의 고장 혹은 경년 열화가 진행되고, 장치의 성능이 저하 하는 것은 부정할 수 없다.
따라서 당초 운전계획을 세우는 데에 있어서 는 이 성능저하 시기를 정확하게 예측하는 것이
중요하고, 일상의 보수관리 체제를 갖추어 두는 것이 중요하다.
(1) 제습기의 성능저하와 대책
로터 소자에 대해 정기적으로 견본 추출을 하 고, 화학분석을 하여 성능저하의 진행과정을 알 고, 드라이룸내 공기조건의 변화와 로터와의 관 계를 충분히 파악하여 로터 소자를 교환하는 시 기를 예측한다.
(2) 냉동기의 정기점검 및 수질관리
냉동기는 제습기의 보조 장치이지만 제습기 의 운전에 많은 영향을 미치고, 드라이룸 내의 온 습도 유지에 빠뜨릴 수 없는 기기이다.
따라서 냉동기의 연간 정기점검은 물론 매일 브라인 농도 및 부식 억제제의 관리, 수질관리 등을 하고, 치명적 고장을 사전에 방지할 필요가 있다.
(3) 그 외의 기기
전체 장치 중 하나라도 문제가 발생하면 드라 이룸내의 온습도를 유지할 수 없게 된다.
전 항의 주요기기 고장에 비해 치명적이지는 않지만, 일상의 보수점검은 물론 예비품 혹은 예 비용 기기의 준비 등 고장시에 있어 민첩한 대응 이 필요하다.
냉각제습 6.9 g/kg'+드라이룸 0.189 g/kg'(DP-32℃)⇨
제습기입구3.0 g/kg'⇨제습기출구 0.01 g/kg'(DP-57℃) 제습기 절대습도차 △X 2.99 g/kg'
[그림 6] 2세대 저노점(-57℃) 제습기 흐름도
냉각제습 6.9 g/kg'⇨ 제습로터 3.0 g/kg'+드라이룸 0.189 g/kg'(DP-32℃)
⇨ 제습기입구1.5 g/kg' ⇨ 제습기출구 0.01 g/kg'(DP-57℃) 제습기 절대습도차 △X 1.49 g/kg'
[그림 7] 저노점(-57℃) 트윈로터제습기 흐름도
드라이룸 트윈로터제습기
드라이룸은 노점온도 -10℃ 이하의 공조시스템 으로 공조분야의 최고기술 이라고 불리어지는 기술로 서 리튬전지 생산라인 등 앞으로 수요가 급증할 것 으로 보인다. 드라이룸은 초저습노점으로 운전되기 때문에 운전비 절감에 등 한시 하는 경향이 있으나 세계적인 국가경쟁력을 갖 추기 위해서는 에너지절감 이 필수적인 때가 되었다.
2세대 제품인 기존의 1로터 드라이룸 제습기 는 약 20년 전에 개발된 기술이며, 현재 새로이 개발된 트윈로터제습기는 데시칸트제습기의 재 생배기공기를 이용하여 기존의 400 t 제습기로 터를 200 t 제습기로터 2대로 분할 적용함으로써 25% 이상의 에너지절감이 가능한 세계적인 제품 으로 저탄소녹색성장 시대에 걸맞은 제품이다.
드라이룸에 적용하는 제습시스템
1980년대 일본 드라이룸 시스템
일본에서는 2차리튬전지가 1970년도에 개발 되어, 일본에서 특허 출원된 2대의 데시칸트로터 를 사용하는 데시칸트제습기로 설계된 것을 “항 온항습의 실제”에서 소개하고 있으며, 이에 대한 시스템 흐름과 공기선도는 그림 8~9를 참조한 다.
1990년대부터 보급중인 드라이룸 시스템
국내에서는 1980년대에는 미국, 일본 등지에
서 수입하여 연구소 등에 설치되었으며 1990년 대 리튬전지 개발에 의해 파이로트 생산을 의한 소규모 드라이룸 제습기를 퍼지시스템을 이용하 여 국내최초로 1로터 시스템으로 개발보급하게 되었다. 이를 그림 6에 나타내었다.
2010년부터 보급중인 드라이룸 트윈로터제습기 기존의 드라이룸 데시칸트제습기는 재생배기 공기가 80℃ 10 g/kg' 내외로 양질의 고온에너지 가 버려지는 에너지 다소비시설로, 이를 재활용
[그림 9] 1세대 드라이룸 공기선도 [그림 8] 1세대 드라이룸 흐름도
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하는 에너지절약형 트원로터제습기가 개발되었 다. 트원로터제습기의 특징은 2차 데시칸트제습 기의 재생공기를 1차 데시칸트제습기의 재생열 원으로 사용함으로써 15% 이상의 전기용량이 절 감되어 연중 25% 이상의 에너지절감이 가능하다 는 점이다.
그림 7의 특허등록된 트윈로터제습기는 냉각 제습기에 의해 6.9 g/kg'의 상태로 제습된 공기 를, 메인제습기(2차)의 재생배기를 이용하는 1 차 데시칸트제습기에서 3 g/kg'이하로 2차 제습 한 후, 드라이룸의 리턴공기와 혼합, 냉각하여 2 차 데시칸트제습기를 통해 0.001~0.002 g/kg'으 로 최종 제습함으로써 기존 제습기보다 쉽게 낮 은 노점을 얻으면서도 안정된 제습이 가능하며, 25% 이상의 에너지절약이 이루어지는 시스템이 다.
초저습 DP -100℃ 드라이룸 제습기
초저습용으로 하여 DP -100℃ 이하에서 사 용하는 3cycle 제습기를 그림 10에 나타내었다.
전주 B사 드라이룸 제습기 설계비교
전주에 신축한 드라이룸에 대해 표 2에서는 기 존 1로터제습기와 신규 2로터제습기의 비교를, 표 3에서는 기존 드라이룸 제습기 2,000 CMH와 신 규 드라이룸 4,000 CMH의 실제 운전 상태를 볼 수 있다. 신규 2로터제습기가 보다 악조건에서 운전 되어도 운전전류는 기존 시스템과 비슷하므로 트 윈로터제습기의 성능이 매우 우수함을 알 수 있으 며 실증실험을 통해 연간 운전 성능을 측정할 예 정에 있다.
드라이룸 트윈로터제습기 실험용 제작
드라이룸 트윈로터제습기를 제작하여 이를 입 증하기 위해 실험실에 설치하였으며 표 4는 제원
[그림 10] 3단 초저노점(-100℃) 로터 구성
드라이룸 제습기 시스템 비교 (풍량 4,000 CMH) 구분 신형 2로터시스템 구형 1로터시스템
급기 풍량 CMH 4,000 4,000
양압용 CMH 400 400
환기 CMH 3,600 3,600
급기공기조건 DB15℃ x 0.01 g/kg' DP-57℃
압축기소요동력 kW 16.8 20.7
재생히터 kW 28.0 42.0
팬동력 kW 6.35 6.35
동력합계 kW 51.15 (74.1%) 69.05 (100%) 드라이룸 조건 DB 22℃ RH 0.5% x 0.08 g/kg'
DP-39.4℃
데시칸트로터 1 mm ∅550 * 200 t - 데시칸트로터 2 mm ∅965 * 200 t ∅965 * 400 t
비 고 *2로터 시스템은 같은 동력일 때 20%여유 있음
<표 2> B사 드라이룸 제습기 설계 비교
드라이룸 제습기 시스템 운전 비교
구분 신형 2로터시스템 기존1로터시스템
드라이룸 25평 15평
급기 풍량 CMH 4,000 2,000(600)
양압용 CMH 400 350(950)
환기 CMH 3,600 1,650
급기 공기 조건 DB15℃ x 0.01 g/kg' DP-57℃
작업인원 6명 3명
운전시간 2012년 1월 27일 15:55~18:00 운전전류치 (A) 40~75 40~80
평균운전전류 (A) 61 64
드라이룸 조건
DB 22℃ RH 0.5%
x 0.08 g/kg' DP-50℃
DB 22℃ RH 0.5%
x 0.08 g/kg' DP- 46℃
데시칸트로터 1 mm ∅550 * 200 t - 데시칸트로터 2 mm ∅965 * 200 t ∅770 * 400 t
비 고 중간기운전, 하절기운전 생기원 측정예정
<표 3> B사 드라이룸 제습기 운전 비교
구분 초저습 그린 드라이룸
실험용최소용량(국소공조) 비고 급기 풍량 (CMH) 500
양 압 용 (CMH) 50 배기공기
환 기 (CMH) 450 급기공기조건 DB15℃ x 0.01 g/kg'
DP-57℃
프리쿨러 (HP) 1
중간쿨러 (HP) 1
애프터쿨러 (HP) 1
가온히터 (kw) 3
재생히터 (kW) 6
동력합계 (kW) 13.0 드라이룸 조건 DB 22℃ RH 1.0%
x 0.16 g/kg' DP-33.4℃ 조정가능
데시칸트로터 1 저온재생형 로터 폐열재생
데시칸트로터 2 초저습용 로터 ∅450
작업인원 1 인(국소)
전원 1∅×220 V×60 Hz
보증기간 1년(무상서비스)
제품 크기 (mm) 2,900 L×770 D×2,200 H
실험실 크기 협의
비 고 실외기 일체형 실내 설치용
NO 계약
년월 납 품 처 장소 ITEM 용도
조건 비 고 1 2009.04 테크노세미캠 공주 드라이룸 전지 1R 2 2009.05 LS산전 부산 드라이룸 -50℃ 1R 3 2009.06 자동차성능
연구소 화성 로터교체 챔버 1R
2010년 4월 이후에 설계되는 드라이룸제습기는 Twin Rotor로 설치하여 에너지절약 25% 이상 실현
4 2010.04 테크노세미켐 신갈 드라이룸 전지 2R 5 2010.11 자동차성능
연구소 화성 드라이룸 챔버 2R 6 2010.12 대림산업 사우디 드라이룸 생산 2R 7 2011.03 에이티이엔지 화성 드라이룸 실험 2R 8 2011.03 조인
엔터프라이즈 용인 드라이룸 생산 2R 9 2011.04 비나텍 전주 드라이룸 전지 2R 10 2011.04 솔브레인 신갈 드라이룸 전지 2R 11 2011.08 SK 에너지 서산 드라이룸 전지 2R
12 2011.11 구미 드라이룸
<표 4> 드라이룸 트윈로터제습기 실험용 제원 <표 5> 초저습 트윈로터 드라이룸 제습기 사례
[그림 11] 최소형 그린 드라이룸 트원로터제습기
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을, 그림 11은 제작외형도와 사진을 나타내었다.
맺음말
드라이룸제습기는 1990년대에 시작되어 많 은 부분이 개발 개선되었으며, 특히 급기팬의 가 압시스템과 기밀 덕트 등 많은 시행착오들을 통 해 현재에 이르렀다. 그러나 세계적인 화두인 에 너지 절감에 대해서는 전혀 고려하지 못하고 있 는 것이 현실이다.
트윈로터 드라이룸제습기는 획기적인 에너지 절감이 가능한 제품이나, 신제품의 초기 적용은 설치 사례를 통한 검증을 원하는 고객의 안전지 향적인 성향으로 인해 손쉬운 일은 아니다.
드라이룸제습기는 한번 구입하면 10년 이상 사용해야 하고 드라이룸 트윈로터제습기는 25%
이상의 에너지절감이 되므로 사용 후 5년 정도면
제습기 구입금액에 해당하는 금액을 에너지절감 을 통해 절약 가능하므로 트윈로터제습기가 수명 을 다하는 동안 2~3대의 금액을 회수할 수 있는 경제성을 갖춘 에너지절약 시스템이다.
드라이룸을 운영하는 회사의 운전비 절감을 통한 생산원가 절감 이외에도 세계가 지향하는 저탄소녹색성장과 기후변화협약 등의 에너지와 환경문제를 고려한다면 현명한 선택이 필요하다.
참고문헌
1. 사단법인 대한설비공학회, 설비공학편람 제2 권 공기조화, 2011. 11
2. 高砂熱學工業(株), 드라이룸, 월간설비기술 제 19권 7호 통권215호, 도서출판한미, 2007. 07 3. (주)신성이엔지, 항온항습의 실제, 2000. 08
