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문제 정의
- 여기에서는 그동안 일본의 “공기청정 및 contamination control 대회”에 발표된 관련 논문을 검토하여 내용을 정리하여 보았다.
- 연구되고 클린룸에 적용되어 왔다. 본 연구에서는 반도체, FPD 산업 및 정밀제품 제조 분야에서 황사와 같은 외부 환경에 의해 발생되는 입자 (particle) 상태나 가스(gas) 상태의 오염물질을 동시에 제거할 수 있는 장비를 개발하고자 하였다. 따라서 가스상 오염물질과 입자상 오염물질로부터 발생되는 제품의 수율저하를 방지하기 위한 청정공기 공급 시스템을 설계하고 풍동시스템을 제작하여 입자/가스상 오염물질 제거에 대한 성능평가를 수행하였다.
- 1 ㎛기준)의 효율을 보여야 제품화가 가능할 것으로 예상한다. 따라서 향후 연구목표는 일반적인 공조기의 풍속에서 80% 이상(0.1 ㎛기준)효율을 달성하는 것이다.
- 그러나 외기의 상황이 계절별로 변동하고 특히 외기 중에 알칼리성 가스보다는 산성 가스가 다량 포함되어 있어 에어와셔를 순환하는 물은 pH가 낮은 쪽으로 변화할 가능성이 높다. 따라서 이러한 경우에 대비하여 pH 변화에 따른 제거 대상 가스의 제거성능에 대한 기초자료를 확보할 필요성이 있는 것이다. 본 실험결과에 의하면 에어와셔에서 제거대상가스인 NH& SOx, NOx 에 대하여 총괄제거효율을 높이기 위해서는 pH 를 6~6.
제안 방법
- 에어와셔 후단부에 설치한 송풍기의 풍량측정 장치로부터 일정량의 공기를 실험장치 입구까지 공급하고 장치의 입구에서 각종 실험가스를 20ppb~150ppb 의 농도가 되도록 가스통으로부터 공급하여, 입구 Cn) 및 출구(Cut) 의 농도를 측정하여 제거량을 측정하였다. 제습에 의한 가스제거 효과는 에어 와셔를 운전함과 동시에 에어와셔의 후단부에 설치된 냉각 코일에 약 10℃ 의 냉수를 흘려보내 공기를 냉각 제습하고, 이 코일을 통과한 기류에서 가스농도를 측정하여 제거량을 검토하였다.
- 에어와셔 후단부에 설치한 송풍기의 풍량측정 장치로부터 일정량의 공기를 실험장치 입구까지 공급하고 장치의 입구에서 각종 실험가스를 20ppb~150ppb 의 농도가 되도록 가스통으로부터 공급하여, 입구 Cn) 및 출구(Cut) 의 농도를 측정하여 제거량을 측정하였다. 제습에 의한 가스제거 효과는 에어 와셔를 운전함과 동시에 에어와셔의 후단부에 설치된 냉각 코일에 약 10℃ 의 냉수를 흘려보내 공기를 냉각 제습하고, 이 코일을 통과한 기류에서 가스농도를 측정하여 제거량을 검토하였다. 실험대상물로 사용했던 가스는 이산화유황(SO2), 암모니아(NH3), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2)의 4 종류를 사용하였다.
- 0 으로제작하여 실험을 실시하였다. 에어와셔의 수질에 따른 제거성능의 차이를 확인하기 위하여 시수 및 순수 2종류의 보급조건을 선정하여 반도체 제조공장의 에어와셔가 있는 외조기에서 수용성 물질의 제거성능을 실측하고, 이의 효과에 대해서 검토한 결과, 에어와셔에 의하여 외기 중의 무기.금속유기물질이 저감되었으며, 후단에 설치된 냉각 코일에도 냉각응축 효과에 의하여 수용성 물질이 저감되었다.
- 다시 한번 시험 가스를 소정의 농도가 되기 위하여 일정량의 보충가스를에어와셔 입구부분에 주입하였다. 에어와셔의 입구와 출구의 공기를 샘플 채취하여 시험가스 농도를 측정하고, 제거율을 산출하였다. 또한 정기적인 에어와셔의 순환수를 샘플 채취하여 수중의 각 물질의 농도를 측정하고, 제거율과의 관계를 검토하였다.
- 에어와셔의 입구와 출구의 공기를 샘플 채취하여 시험가스 농도를 측정하고, 제거율을 산출하였다. 또한 정기적인 에어와셔의 순환수를 샘플 채취하여 수중의 각 물질의 농도를 측정하고, 제거율과의 관계를 검토하였다. 공기 중의 SO2 가스를 에어와셔로 제거하는 경우에 관해서, 분무용 물을 순수를 사용하는 경우와 수도 수를 사용하는 경우를 비교하고, 이에 대해 수중의 SO42- 이온농도가 미치는 영향 및 Ca2+ 등의 양이온의 영향에 관하여 조사하여 다음의 결과들이 확인되었다.
- 또한 정기적인 에어와셔의 순환수를 샘플 채취하여 수중의 각 물질의 농도를 측정하고, 제거율과의 관계를 검토하였다. 공기 중의 SO2 가스를 에어와셔로 제거하는 경우에 관해서, 분무용 물을 순수를 사용하는 경우와 수도 수를 사용하는 경우를 비교하고, 이에 대해 수중의 SO42- 이온농도가 미치는 영향 및 Ca2+ 등의 양이온의 영향에 관하여 조사하여 다음의 결과들이 확인되었다. 순수만으로 SO2 가스를 주로 함유한 공기를 흡수하는 경우에 순수의 보급수량과 제거율의 관계를 얻을 수 있었으며, 수도수를 사용한 경우에는 순수를 사용하는 경우와 비교하여 보급 수량은 적은 수량 사용이 가능하여 경제적이다.
- 본 연구에서는 반도체, FPD 산업 및 정밀제품 제조 분야에서 황사와 같은 외부 환경에 의해 발생되는 입자 (particle) 상태나 가스(gas) 상태의 오염물질을 동시에 제거할 수 있는 장비를 개발하고자 하였다. 따라서 가스상 오염물질과 입자상 오염물질로부터 발생되는 제품의 수율저하를 방지하기 위한 청정공기 공급 시스템을 설계하고 풍동시스템을 제작하여 입자/가스상 오염물질 제거에 대한 성능평가를 수행하였다.
- 입자/가스상 오염물질 제거성능을 평가하기 위해 3, 200CMH 급 풍동시스템을 설계 제작하였다. 본 연구에 사용된 풍동은 각 부품의 위치변경이 용이하도록 설계하였고, 특히 주요 핵심부품인 엘리미네이터를 설치하는 덕트는 무정전 아크릴로 제작하여 가시화가 가능하도록 하였다.
- 제작하였다. 본 연구에 사용된 풍동은 각 부품의 위치변경이 용이하도록 설계하였고, 특히 주요 핵심부품인 엘리미네이터를 설치하는 덕트는 무정전 아크릴로 제작하여 가시화가 가능하도록 하였다.
- 본 연구에서는 기존의 전기집진방식인 대전㊉집진하는 방식을 응용하였다. 대전부는 기존의 공기청정기 등에서 사용하는 대전방식과 같지만 집진 부는 엘리미네이터 자체에 (-) 전하를 띄게하는 방식을 채택하여 입자/가스상 오염물질을 엘리미네이터에서 동시에 제거할 수 있도록 하였다.
- 그림에서 보는 바와 같이 엘리미네이터 낱장을 번갈아 가며 (-), (접지), (-), (접지) 설치하는 방법이다. 설치를 쉽게하기 위해 엘리미네이터의 높이차를 두고 상부, 하부에 각각 STS 판을 두어 STS 판으로 (-), (접지) 결선이 용이하도록 하였다.
- 가스상 오염물질의 제거성능은 액기비를 변화시키며 측정하였고 액기비의 범위는 0.03~0.07 범위에서 수행하였다. 표 1은 실험 중 기본적인 입구 공기 온습도 및 분무수의 온도, 전도도 그리고 pH 를 나타내었다.
- 기존의 입자상 오염물질을 측정하는 파티클 카운터의 경우 측정 가능한 입자의 크기나 양이 제한적이어서 일반 대기 중의 입자상 오염물질을 측정하기에는 부적절하다. 따라서 본 연구에서는 Diluter(희석기)를 설계 제작하여 입자상 오염물질 측정시 사용하였다. 희석기의 희석비는 1:200으로 인입되는 입자상 오염물질의 개수를 1/200으로 줄게하는 효과가 있다.
- 가스상 오염물질을 포집한 흡수용액을 IC(이온크로마토그래피)로 분석하면 각 성분의 정성, 정량 분석이 가능하다. 분석 대상 물질은 이온교환수지에 포함된 분리칼럼의 리텐션타임 (Retention time) 의 차이에 따라 분리되며 전기 전도도 검출기에서 각 성분의 전도율을 검출한다. 정량은 표준용액으로부터 검량선을 작성하여 수행한다.
- 정량은 표준용액으로부터 검량선을 작성하여 수행한다. 본 연구에서는 100ml 초순수에 2LPM 의 유량으로 2시간의 샘플링을 통해 오염가스 분석을 수행하였다. 표 3에 분석에 사용된 이온 크로마토그래피의 사양을 나타내었다.
대상 데이터
- 제습에 의한 가스제거 효과는 에어 와셔를 운전함과 동시에 에어와셔의 후단부에 설치된 냉각 코일에 약 10℃ 의 냉수를 흘려보내 공기를 냉각 제습하고, 이 코일을 통과한 기류에서 가스농도를 측정하여 제거량을 검토하였다. 실험대상물로 사용했던 가스는 이산화유황(SO2), 암모니아(NH3), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2)의 4 종류를 사용하였다. 실험결과 에어와셔에 공급되는 분무수는 공업용수를 그대로 사용하여도 ppb Leve로 외기에 포함된 화학물질의 일부를 제거할 수 있다는 것이 명확하게 밝혀져 유효성이 입증되었으며, 에어와셔 후단에 냉각코일을 설치하여 제습하는 것은 가스 제거 효과를 높이기 때문에 유효하며, 암모니아에 대해서 에어와셔 수중의 농도와 제거율과의 관계를 구하여 필요한 제거율을 유지하기 위한 공급 수량을 계산하였고, 에어와셔에 사용하는 수중의 칼슘, 나트륨 등의 불순물의 수중농도에는 커다란 변화가 나타나지 않음을 밝혔다.
이론/모형
- 순환 수통의 순환수는 엘리미네이터 상부에 위치한 노즐 뱅크를 통해 분무되며, 공기중의 가스상 오염물질인 NH3, SOx, NOx 등은 엘리네이터에서 제거된다. 에어와셔의 가스 제거성능을 측정하기 위해 임핀저 (Impinger)법을 사용하였다. 임핀저법을 이용한 가스분석은 1회 포집으로 여러가지 이온 분석이 가능하며, 최적의 조건에서는 99% 이상의 포집 효율을 가질 수 있는 것으로 알려져 있다.
성능/효과
- 실험대상물로 사용했던 가스는 이산화유황(SO2), 암모니아(NH3), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2)의 4 종류를 사용하였다. 실험결과 에어와셔에 공급되는 분무수는 공업용수를 그대로 사용하여도 ppb Leve로 외기에 포함된 화학물질의 일부를 제거할 수 있다는 것이 명확하게 밝혀져 유효성이 입증되었으며, 에어와셔 후단에 냉각코일을 설치하여 제습하는 것은 가스 제거 효과를 높이기 때문에 유효하며, 암모니아에 대해서 에어와셔 수중의 농도와 제거율과의 관계를 구하여 필요한 제거율을 유지하기 위한 공급 수량을 계산하였고, 에어와셔에 사용하는 수중의 칼슘, 나트륨 등의 불순물의 수중농도에는 커다란 변화가 나타나지 않음을 밝혔다.
- 실험에서는 암모니아(NH3) 가스를 에어 와셔 흡입가스로 사용하고, 변수로서는 수량, 풍량, 수질, 수온, 분무 단수, 냉수코일의 유무를 고려하여 실험한 결과 액 중 전도도는 시간경과에 대해 거의 직선적으로 상승하며, 액 중 NH3 농도는 시간경과에 대해 지수함수적으로 상승한다. 그리고 분무수량 상승은 공기 중 NH3 제거에 유리하지만, 그것에도 한계가 있다.
- 냉수(약 6C) 는 온수(약 30C) 에 비해 약 2배의 효과가 나타났으며, 2단(병렬) 에어와셔의 공기 중 NH3 의 제거는 1단으로 수량을 2배로 사용하는 것보다 높게 나타나고, 액 중 NH3 의 농도 상승에 비해서 이것의 우위성은 높게 나타나고 있다. 냉수 코일을 에어와셔 입구측에 사용한 경우 공기 중 NH3 제거효과는 상승하였다.
- 코일의 효과에 비하여, 외기보다도 저농도인 기간에는 안정한 농도의 공기가 얻어졌다. 특히 NH广 농도는 년간 안정적으로 2“以m3 이하로 유지할 수 있었으며, 에어와셔 보급수를 상수(시수)에서 회수 순수로 변경하면 암모니아의 에어와셔용 물로의 흡수 효과가 증대함을 밝혔다.
- 에어와셔의 수질에 따른 제거성능의 차이를 확인하기 위하여 시수 및 순수 2종류의 보급조건을 선정하여 반도체 제조공장의 에어와셔가 있는 외조기에서 수용성 물질의 제거성능을 실측하고, 이의 효과에 대해서 검토한 결과, 에어와셔에 의하여 외기 중의 무기.금속유기물질이 저감되었으며, 후단에 설치된 냉각 코일에도 냉각응축 효과에 의하여 수용성 물질이 저감되었다. 이것은 코일에 응축된 응축수를 분석한 결과 확인되었으며, 하절기 제습 시기에 효과가 더 크게 나타났다.
- 따라서 클린룸용 공급공기의 허용 NH4+ 농도가 2 阐m 정도인 경우 에어와셔를 채용한 외조기로 외기처리를 하면 NH4+ 와 같은 유기이온 제거용 케미컬 필터를 설치할 필요가 없다고 생각된다. 에어와셔 보급수를 시수에서 순수로 변경하면 에어와셔의 물로부터 암모니아 흡수효과가 증가함을 밝혔다.
- 1, 크기의 입자상 오염물질 제거율은 약 39% 임을 알 수 있다. 즉, (+)대전부의 전압이 4.8kV 에서 6.0kV 로 증가할수록 입자상 오염물질의 제거성능은 약 25% 향상됨을 보이며, 엘리미네이터에 인가한 (-) 전압 증가에 따른 입자상 오염물질 제거성능은 약간 상승하는 경향은 있지만 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다. 즉, 본 연구를 통해 입자상 오염물질 제거성능은 (+)대전에 의한 영향이 크며 제거효율 향상을 위해 (+)대전을 보다 효과적으로 해야 함을 알 수 있다.
- 0kV 로 증가할수록 입자상 오염물질의 제거성능은 약 25% 향상됨을 보이며, 엘리미네이터에 인가한 (-) 전압 증가에 따른 입자상 오염물질 제거성능은 약간 상승하는 경향은 있지만 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다. 즉, 본 연구를 통해 입자상 오염물질 제거성능은 (+)대전에 의한 영향이 크며 제거효율 향상을 위해 (+)대전을 보다 효과적으로 해야 함을 알 수 있다.
- 결과적으로 공조기 등에 적용하는 미디엄 필터 이상의 제진효과를 얻기 위해서는 일반적인 풍속 조건인 2.5m/s 내외에서 80% 이상(0.1 ㎛기준)의 효율을 보여야 제품화가 가능할 것으로 예상한다. 따라서 향후 연구목표는 일반적인 공조기의 풍속에서 80% 이상(0.
- 이때 가스의 제거 효과는 분무수에 대한 대상가스의 이온해리도 및 물질 전달계수와 관련되는 것으로 판단된다. 본 연구에서 분무수의 pH가 7이상이 되면 알칼리성을 띄기 때문에 알칼리성 가스인 NH3 의 분무수에 대한 이온해리도가 낮아져서 제거성능이 감소하는 결과로 나타난다. 이를 뒷받침하는 연구결과로서 그림 10 의 pH 에 따른 이온해리도의 계산결과를 들 수 있다.
- 이는 그림 10에서 pH 에 따른 SOx 의 이온해리도가 pH 6을 기준으로 pH 4까지 완만하게 떨어지는 것과 관계가 있다. 즉 pH 에 대한 이온해리도의 감소율에 있어서, pH 6을 기준으로 pH 가 증가하는 경우의 NH3 의 이온해리도 감소율보다 pH가 감소할 때의 SOx 의 이온해리도 감소율이 더 작아 SOx 의 제거효율이 pH 4.7 인 경우에도 70% 이상의 결과를 나타내고 있다고 판단된다.
- 임핀저법은 산성가스에 대해서 사용하는 일반적인 방법이나 NOx 계를 사용하는 경우와 비교하면 대기 중 NOx 의 80~90%를 차지하는 NO2 에 대하여 전체 양 중의 10~30%만 포집하고 있는 것으로 발표되었다. 이러한 결과를 토대로 볼 때 NOx 의 물에 대한 용해도 및 이온해리도가 NH3 와 SOx 에 비해서는 매우 낮다는 것을 알 수 있다. 따라서 에어와셔에 있어서 NOx 의 제거성능이 NH3 와 SOx 의 제거 성능보다 현저히 낮게 나타남을 알 수 있다.
- 따라서 이러한 경우에 대비하여 pH 변화에 따른 제거 대상 가스의 제거성능에 대한 기초자료를 확보할 필요성이 있는 것이다. 본 실험결과에 의하면 에어와셔에서 제거대상가스인 NH& SOx, NOx 에 대하여 총괄제거효율을 높이기 위해서는 pH 를 6~6.5 의 범위에서 운전하는 것이 최적임을 도출해 내었다.
- (1) 입자상 오염물질 평가 결과, 전면풍속 2.5m/s, 액기비 0.05, 대전부 (+)5.8kV, 엘리미네이터에 (-)3.5kV 하전하였을 때 제거효율이 0.1 ㎛1 기준으로 약 40%이며, 입자상 오염물질 크기에 따른 제거성능 변화는 10% 내외로 큰 차이가 없음을 확인하였다.
- (2) 가스상 오염물질 평가 결과, 액기비 0.05 이상에서는 액기비 증가에 따른 제거효율의 증가가 크지 않음을 확인하였다.
- (3) 순수를 분무수로 사용하는 에어와셔에 있어서, 제거대상가스인 NH3, SOx, NOx의 제거효율을 최적으로 제어하기 위해서는 분무수의 pH를 6.0~6.5의 범위에서 조절해야 함을 알 수 있었다.
후속연구
- 기존의 연구에서 나타나는 바와 같이 기본적인 가스상 오염물질 제거 시스템에 대한 연구를 수행하여 가스상 오염물질의 제거성능에 관련된 결과를 밝히고 있으나, 입자상 오염물질의 성능에 대한 연구 결과나 언급이 없으므로 이와 관련된 연구가 병행될 필요가 있음을 알 수 있다.
- 기존의 가스상 오염물질만 제거하는 기능으로서의 에어와셔 시스템과 다르게 입자상 오염물질의 제거성능이 중성능 필터의 기능을 수행할 수 있다면 후단에 설치된 필터 (HEPA, ULPA) 의 수명은 한층 연장할 수 있기 때문에 매우 중요한 역할을 수행할 수 있다고 판단된다. 따라서 향후 좀 더 기능을 보완하여 입자제거성능을 개선할 수 있는 추가적인 연구를 수행하고 있다. 또한 By-product 의 적절한 제어방법도 해결해야할 과제로 남아 있으므로 함께 진행예정이다.
- 따라서 향후 좀 더 기능을 보완하여 입자제거성능을 개선할 수 있는 추가적인 연구를 수행하고 있다. 또한 By-product 의 적절한 제어방법도 해결해야할 과제로 남아 있으므로 함께 진행예정이다.
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