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문제 정의
- 따라서 본 연구는 반도체 디스플레이 장비 및 생산제품의 불량률을 최소화하기 위해서는 클린룸 내의 제조공간에서의 최적 장비 배치 조건을 도출할 필요가 있다고 판단하여, 난류 방식 클린룸의 기준에 도달하는 축소모델을 구축하여 클린룸 내의 장비 및 기기의 배치조건에 따른 미세입자의 제어 효율을 실험적으로 고찰하고자 하였다.
- 본 연구에서는 클린룸의 레이아웃 변화에 따른 분진 제거 특성을 고찰하여 클린룸 내 설비 및 기계장치의 최적의 레이아웃과 유속을 제시하고자 하는 바 이를 변화 시켜 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 4]와 같이 일정한 압력과 일정한 시간을 조절할 수 있도록 Solenoid Val.,e와 Timer를 사용하여 제작하였으며, 또한 실내에 균일한 분진량을 얻을 수 있는 실험치 인 5kg/前의 압력을 사용하였다. 분진 입자측정을 위하여 Dust Counter Model GEQ-o(Kanomax)를 사용하여 0.
- Inlet 조건으로서 실험을 통하여 구한 유체의 평균 유속인 Q22m/s와 Q44m/s를 주었으며 또한, GAMBIT 을 이용하여 모델을 구축하여 각 모델에 10만개 이상의 격자 단원을 생성하였다.7)
- 각 Layout과 유속에 대한 분진제거 시간을 매회 동일한 격자형의 4지점에서 10초 간격으로 10분 동안 연속측정하였으며 이를 5회 반복하여 분 진입자의 제거 시간을 측정하였다. 측정위치는 중앙부의 분진부유기에서 50cm 떨어진 위치에 격자로 4군데를 임의로 설정하였다.
- 기체 유속은 실제 운용되고 있는 대부분의 클린룸에 사용되고 있는 유속 0.22m/sec, 0.44m/sec를 사용하였으며 유속별 경향을 확인해보고자 인위적으로 기체유속을 0.80m/sec를 발생시킬 수 있도록 제작하여 각 유속별 Layout에 따른 분진제거 시간을 측정하였다.
- 클린룸 내의 장애물이 전혀 없는 경우와 장애물의 배치를 벽면형, 중앙 2 열형, 중앙집중형으로 배치하였다. 또한 기체의 유속 변화는 0.22m/s, 0.44m/s, 0.80 m/s로 변화시켜 클린룸 내의 분진 개수가 10, 000 Class에 만족되는 평균 시간을 측정하였다.
- 또한, CFD (Compu -tational Fluid Dynamics)를 人 사용하여 클린룸 내의 레이아웃의 변화에 따른 미세입자의 기류 거동을 분석하였다.6)
- 또한, 유체유동을 해석하기 위하여 상용 CFD 소프트웨어의 하나인 FLUENT 6.0을 사용하여 실험에 의한 결과와 비교하고자 하였다.
- 80m/sec으로서 발생되는 기압에 의해 벽면 하단부의 개구부로 흘러가도록 제작하였다. 또한, 클린룸내의 Layout을 변화시키기 위해 작업대와 책상 등도 동일한축소비율로 모형을 제작하여 사용하였다.
- CFD 시뮬레이션의 기본적인 원리는 작은 셀 범위 내에서의 연속성, 운동량, 그리고 에너지 평형을 수치적으로 풀어서 유동영역의 보존법칙을 알기 위한 것이다. 보존법칙 과정, 흔히 Meshing과정이라고 하며 셀 개수를 나누는 과정으로 본 시뮬레이션에서는 37, 000개의 셀이 생성되었다.
- 본 실험의 결과를 확인하기 위해 CFD로서 클린룸 내의 유동 영역을 모사(simulation)하여 실험에 의한 연구로서 얻어진 결과와 비교 분석하였다 본 모델링은 실험과 동일한 레이아웃과 유속을 사용하여 모사하였다. CFD 시뮬레이션의 기본적인 원리는 작은 셀 범위 내에서의 연속성, 운동량, 그리고 에너지 평형을 수치적으로 풀어서 유동영역의 보존법칙을 알기 위한 것이다.
- ,e와 Timer를 사용하여 제작하였으며, 또한 실내에 균일한 분진량을 얻을 수 있는 실험치 인 5kg/前의 압력을 사용하였다. 분진 입자측정을 위하여 Dust Counter Model GEQ-o(Kanomax)를 사용하여 0.5皿 1皿 3皿 5(加 크기의 입자를 측정하였다
- 6(加로 측정되었다. 시료로 사용한 분진의 양은 클린룸 내에서의 오염이 일반 공간을 상회하는 오염 발생이 불가능하다고 판단하여 클린룸내 오염은 일반 공간과 동일한 조건으로의 노출로 보아 대기 중이나 실험실의 일반 공간에서 분진량을 측정하여 평균적으로 나타나는 분진량이 약 2, 300, 000개가 측정되어 동일한 분진량을 발생하는 분진Q1g을 결정하였다.
-
2. 실험기기
실험장치는 이미 운용되고 있던 비층류방식(난류방식) 의 클린룸(12m*10m*3.7m)을 모델로 하였으며 1/6배로 축소시킨 모형 클린룸을 제작하여 사용하였다 BFU type으로 클린룸 내 천정의 HEPA Filter를 통해 발생되는 기체의 유속은 0.22 m/sec, 0.44m/sec 및 0.80m/sec으로서 발생되는 기압에 의해 벽면 하단부의 개구부로 흘러가도록 제작하였다
. 또한, 클린룸내의 Layout을 변화시키기 위해 작업대와 책상 등도 동일한축소비율로 모형을 제작하여 사용하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 클린룸 내 오염 제거 에 대한 효율을 알아보는 것으로서 클린룸 내에 인위적인 오염원으로 사용한 분진은 실제 클린룸 내에서 측정하는 Q1~5.0即정도의 크기를 나타내는 표준분진을 구하여 사용하였다. 본 연구에 사용한 표준 분진의 크기별 구성은 [Table 1]과 같다.
- 사용된 Layoute 산업용 클린룸에 대표적으로 사용되고 있는 3가지 형태인 중앙집중형, 중앙2열형, 벽면 배치형으로 하였다.
- 측정하였다. 측정위치는 중앙부의 분진부유기에서 50cm 떨어진 위치에 격자로 4군데를 임의로 설정하였다. 본 실험에서 사용한 Layout별 형태는 [Fig.
이론/모형
- 벽면 근처 구역의 처리는 어느 모델에 든 피할 수 없는 문제이므로 난류 모델은 주로 high Reynolds number 유동에 적응하므로 난류의 핵심 구역에만 적용하였다.
- 일반적으로 벽면 근처의 유동을 계산할 때는 low Reynolds number 모델 혹은 벽면 함수기법을 이용하였다. 본 연구에서는 표준 벽면함수 기법을 이용하였다 8)
- 일반적으로 벽면 근처의 유동을 계산할 때는 low Reynolds number 모델 혹은 벽면 함수기법을 이용하였다. 본 연구에서는 표준 벽면함수 기법을 이용하였다 8)
성능/효과
- 22m/s에서 벽면형의 경우 기준 10000 class에 도달되는 시간이 151초로서 레이아웃이 없는 경우 110초보다 분진제거 효율이 37% 감소함을 알 수 있었으며, 132초가 소요된 중앙집중형은 분진 제거효율이 20% 감소하였으며 중앙2열형은 31% 감소함을 알 수 있었다. 0.44m/s에서는 벽면형이 42%, 중앙 2열 형이 22%, 중앙집중형이 8%가 감소하는 것을 알 수 있었다. 유속 Q80m/s에서는 각각 20%, 18%, 10% 감소를보였다.
- 1) 클린룸 내에서 발생된 분진의 제거시간은 설비 및 기계장치의 레이아웃과 기체의 유속에 의해 영향을 받는 것을 알 수 있었으며, 레이아웃 변화에 따른 분진제거 효율은 모든 기체 유속에서 중앙집중형> 중앙2열형 > 벽면형 순으로 나타났다.
- 2) 기체 유속의 변화에 따른 분진 제거 시간을 측정한 결과 분진 제거효율은 0.22m/s, 0.44m/s, 0.80m/s의 유속에서 동일하게 중앙집중형> 중앙2열형 > 벽면 배치형 순으로 나타났으며, 0.22m/s에서는 설비의 유무에 의해 분진 제거효율이 큰 차이를 보였다. 또한 0.
- 3) CFD 프로그램에 의한 클린룸 내 유동장을 해석한 결과, 실험에 의해 측정된 결과와 유사하게 나타났으며 벽면 배치형의 경우 클린룸 내 중앙부에 큰와류현상이 발생하여 기류의 흐름을 방해하고 있음을 알 수 있었다. 또한, 각각의 레이아웃에 있어서 설비나 기계장치 주변에서와 류현상이 발생하여 분진 제거 효율을 감소시키는 것으로 관찰되었다.
- Layout에 따른 해석에 의하면 모든 layout에서 클린룸 내부에 크기가 서로 다른 와류 현상이 존재하였고 분진 제거 효과를 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 같은 위치의 단면에 y방향의 속도분포는 크면 클수록 분진 제거에 더 유리하므로와류의 크기 및 같은 위치의 속도분포를 근거해서 어느 배치 방안이 분진 제거에 더 유리한지를 판단할 수 있다.
- [Table. 2]와 같이 0.22m/s에서 벽면형의 경우 기준 10000 class에 도달되는 시간이 151초로서 레이아웃이 없는 경우 110초보다 분진제거 효율이 37% 감소함을 알 수 있었으며, 132초가 소요된 중앙집중형은 분진 제거효율이 20% 감소하였으며 중앙2열형은 31% 감소함을 알 수 있었다. 0.
- 44m/s 이상의 유속에서 기계장치나 설비의 방해 현상에 의한 유속감 속을 상쇄하는 것으로 나타났으나 높은 유속을 유지해야 하는 경제적인 문제점이 있다. 그러므로 클린룸 내기체 유속을 Q44m/s로 사용하여 제거효율을 높여야 하며 현재 가장 많이 사용되는 기체 유속 0.22m/s에서는 레이아웃 자체가 제거 효율에 영향을 미치므로 처음 설계 시 배치되는 설비 및 기계장치를지속적으로 유지해야 하며 중앙집중형으로 배치하는 것이 보다 빠른 분진의 제거를 위해 더 효과적임을 알 수 있었다.
- 기체의 유속이 0.22m/s인 경우 장애물이 없을 때와 장애물이 존재할 때의 분진 제거 시간에 구별이 뚜렷한 반면 기체의 유속을 Q44m/s로 증가시켰을 때 장애물의 유무에 의한 구별은 작았으나 각각의 레이아웃별 분진의 제거시간은 구별이 뚜렷하게 증가함을 알 수 있었다 이는 유속 0.22m/sec보다는 유속 0.44m/sec에서 장애물 주변의 분진 제거를 위한 유속에 근접함을 알 수 있었다. 그러므로 클린룸 내기 계장 치나 설비의 사용을 위하여 유속 022m/sec보다 0.
- 12]와 같이 중앙집중형과 유사한 속도 저하와 와류현상을 볼 수 있으며 벽면의 상단부에 큰 와류현상을 확인할 수 있었다. 또한 기계장치 및 설비 간의 증가된 기류 흐름과 개구부에 가까울수록 기류의 흐름이 증가되는 것을 확인할 수 있었다.
- 유속 Q80m/s에서는 각각 20%, 18%, 10% 감소를보였다. 또한 유속 0.22m/s에서의 분진 제거시간은 유속 0.44m/s에 비해 레이아웃의 형태에 영향을 적게 받는 것으로 나타났으며 이는 일정한 규모 이상의 유속에서 레이아웃 별 분진제거 시간이 영향을 받는 것으로 사료된다.
- 방해하고 있음을 알 수 있었다. 또한, 각각의 레이아웃에 있어서 설비나 기계장치 주변에서와 류현상이 발생하여 분진 제거 효율을 감소시키는 것으로 관찰되었다.
- 13]과 같이 기류 입구와 마주치는 하부에 흐름이 좋은 공기유동을 볼 수 있었으나 벽면형의 방해 현상으로 인하여 클린룸 내 중앙부에 큰 와류현상이 발생되는 것을 알 수 있었다. 또한, 규모가 큰 장애물이 있는 경우 와류가 장애물의 영향으로 증가되며 유속이 큰 지역의 와류현상이 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는 분진제거에 있어서 불리한 요소로 작용하여 기류 흐름의 방해 현상이 다른 레이아웃에 비해 가장 나쁜 것으로 나타났다.
- 벽면 배치형은 설비 및 장비의 배치가 기류의 흐름을 방해하여 중앙집중형이나 중앙2 열형에 비해 제거 효율이 낮음을 알 수 있었다. 또한, 벽면 배치형이 다른 형태에 비해 거동의 변화가 크게 나타났고 기류 흐름의 방해가 다른 배치 형태보다 크게 받고있는 것으로 나타났다.
- 44m/sec에서의 장애물의 배치 형태를 고려하여야 한다. 또한, 장애물이 존재하는 경우에 기체의 유속 변화에 따른 분진 제거 시간을 측정한 결과 중앙집중형 > 중앙2열형 > 벽면형의 순서로 나타났다.
- 동일한 결과이다. 벽면 배치형은 설비 및 장비의 배치가 기류의 흐름을 방해하여 중앙집중형이나 중앙2 열형에 비해 제거 효율이 낮음을 알 수 있었다. 또한, 벽면 배치형이 다른 형태에 비해 거동의 변화가 크게 나타났고 기류 흐름의 방해가 다른 배치 형태보다 크게 받고있는 것으로 나타났다.
- 본 실험의 결과 분진 제거시간은 벽면 배치형, 중앙 2 열형, 중앙집중형 순서로 나타났으며 이는 레이아웃 별 최대치와 동일한 결과이다. 벽면 배치형은 설비 및 장비의 배치가 기류의 흐름을 방해하여 중앙집중형이나 중앙2 열형에 비해 제거 효율이 낮음을 알 수 있었다.
- 사용된 변진을 HELOS dust size Analysis WINDOX 4에 의해입도 측정해본 결과는 Fig. 1과 같이 입도 분포가 나타났으며 평균입도는7.6(加로 측정되었다. 시료로 사용한 분진의 양은 클린룸 내에서의 오염이 일반 공간을 상회하는 오염 발생이 불가능하다고 판단하여 클린룸내 오염은 일반 공간과 동일한 조건으로의 노출로 보아 대기 중이나 실험실의 일반 공간에서 분진량을 측정하여 평균적으로 나타나는 분진량이 약 2, 300, 000개가 측정되어 동일한 분진량을 발생하는 분진Q1g을 결정하였다.
- 클린룸 내부에 설비 또는 기계장치가 없는 상태와 비교해 보면 0.22m/s에서 장애물의 존재에 의한 분진 제거 시간이 가장 많은 영향을 받는 것을 알 수 있으며 0.44m/s에서는 장애물의 존재에 의한 영향은 감소하나 각 레이아웃 별 차이가 증가함을 알 수 있었고, 0.80m/s 에서는 장애물과 관계없이 유사한 제거 효율이 나타났다. 이는 0.
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