대한설비공학회(회장 정재동) 클린룸설비전문위원회와 성균관대학교 LINC 사업단이 주최한 ‘클린룸설비 전문과정’이 5월12일 서울 코엑스 A홀 세미나실 2에서 대한민국 기계설비전시회(HVAC KOREA) 부대행사로 개최됐다.
이날 행사에는 정재동 대한설비공학회 회장(세종대 교수)을 비롯해, 김학준 삼성전자 HVAC 마에스트로, 김성연 한국캠브리지필터 공장장, 박일한 성균관대 교수, 권순박 나옴 대표, 김남욱 신성이엔지 팀장, 김성호 HCT 부장, 원영재 기후변화실천연대 회장 등 연사 및 관련 업계 종사자 등 약 60여명이 참석했다.
정재동 설비공학회 회장은 환영사를 통해 “다른 분야도 그렇지만 전문가의 필요성이 느껴지는 일이 많아지는 것 같다”라며 “내 은사 중 한분은 ‘전문가가 침묵하면 범죄다’라고 표현했는데 다소 과격한 표현이지만 시간이 가면서 참 몸에 와닿는 느낌이 강하다”고 말했다.
이어 “전문가가 없는 정책은 왜곡되고 전문가가 없는 이익단체들이 애써 만들어진 열매를 가져가는 등이 반복되는 상황에서 위원회를 통해 전문가들이 모여서 공부도 열심히 하겠지만 목소리를 낼 수 있는 계기가 됐으면 좋겠다”고 덧붙였다.
반도체클린룸, 친환경‧E절감 기여
김학준 삼성전자 HVAC 마에스트로는 ‘반도체클린룸의 현재와 미래’를 주제로 삼성전자 반도체 라인을 소개했다. 삼성전자는 클린룸 환경 유지를 위한 주요 설비로 △외부 공기를 정제, 입자 및 온‧습도를 일정하게 제어하는 외조기 클린룸 △특정구간 입자와 온도 제어를 위한 패키지 설비인 공조기‧냉동기 △저온의 냉수를 생산해 온‧습도 제어 목적으로 사용하기 위한 냉동기‧냉각탑 △스팀을 생산해 온도 상승‧가습 목적으로 사용하는 보일러 △생산설비 내부 발열 제거용 냉각수인 PCW 등을 설치했다.
이어 기흥, 화성, 평택 등지의 삼성전자 캠퍼스에 대한 영상을 기반으로 소개했다.
반도체 클린룸에는 크게 난류와 층류가 존재한다. 난류는 △공기 흐름이 불규칙 △AHU 및 BFU 등 적용 방식 △청정도가 낮은 곳에 적용되는 등 성격을 띤다. 층류는 공기 흐름이 일정하며 유체 입자끼리 충돌없이 규칙적(유선형)으로 층을 이뤄 기동한다. 또한 청정도가 높은 곳에서 적용된다.
AHU(Air Handling Unit)는 1980년대 당시 지어진 소규모 Fab에 적용됐으며 Class 100, 1000 @0.3㎛의 청정도를 자랑한다. CTM(Clean Tunnel Module) 역시 같은 시기 지어진 중규모 FAB에 적용돼 Class 1, 10, 1000 @0.3㎛ 청정도를 만족시켰다.
1990년대 이후 도입된 Axial Fan은 천장 양압을 위해 도입됐으며 대규모 Fab시설에 Class 1, 10, 1000 @0.1㎛의 청정도를 선보인다. 2000년대부터 Fan Filter Unit이 대규모 Fab에 설치돼 Axial Fan과 동일한 수준의 청정도를 충족한다.
클린룸에서 중요한 작업 중 하나인 필터링 시 △Roll Filter(Demister) △Pre Filter(Medium Filter) △WSS(Water Showering System) △2nd Demister △Chemical Filter △HEPA Filter △ULPA Filter 등을 통해 청정도를 유지한다.
향후 확장되는 반도체시장 규모에 비례해 클린룸 역시 대규모 시설을 관리할 수 있도록 대규모화될 것이 하나의 거부할 수 없는 추세로서 확실시되고 있다. 실제 삼성전자는 평택 고덕에 위치한 캠퍼스에 세계 최대 규모 반도체공장을 건설 중이며 SK하이닉스, 대만의 TSMC 등 세계적인 기업들 역시 Fab의 크기를 대형화하고 있다.
클린룸은 단순히 반도체 생산에만 국한되지 않으며 △온실가스 감축 △재생에너지 사용량 증가 △폐전자제품 회수 △사업장 폐기물 리싸이클링 등을 통해 친환경 및 에너지절감을 이뤄내고 있다. 삼성전자 역시 △온실가스 배출 지속 감축 △지역별 재생에너지 사용 지속 확대 △주요 제품 소비‧대기 전력 지속 절감 △2030년까지 최대 750만톤에 이르는 폐전자제품 회수 등을 지속할 예정이다. 또한 모든 제조사업장 폐기물 매립 제로 인증 획득 등 목표를 세웠다.
공조기필터, E효율‧차압 저감 추세 확인
김성연 한국캠브리지필터 공장장은 ‘MB/GF 적용 저정압 HEPA성능 비교’라는 주제 발표를 통해 △라미네이션 공정 △여과 △메카니즘 △테스트 방법 △메디아 △필터성능 △실증테스트 등을 소개했다.
공조기필터 가운데 프리필터나 미디엄필터의 경우 에너지효율을 올리기 위해 개발이 진행되고 있으며 헤파필터와 울파필터의 경우 효율은 유지하면서 차압을 많이 낮추는 방향으로 개발이 진행되고 있다.
김성연 공장장은 “메디아 같은 경우는 MB부분에서 한 벨트부분을 도포해 섬유를 탑재한 여제이며 현재 필터레이션은 공조기필터의 세퍼레이터(Separator)타입으로 필터를 만들었다”라며 “에어부분에서는 유리섬유를 거쳐 MB를 지나가고 가운데 한 벨트로 돼 있는데 일반적으로 한 벨트부분이 에어포켓을 형성해 그 부분을 에어포켓으로 폴딩 캐퍼시티(Folding capacity)를 약간 올린다는 부분도 간혹 있긴하다”고 말했다.
이어 “한 벨트부분이 차압에 영향을 많이주는 것이 있어 그 부분에 착안해 차압을 최소화하려고 노력했다”고 덧붙였다.
이 매커니즘은 일반적인 헤파필터같은 경우 LPPS가 0.32인데 입자 크기별로 차단이나 충동, 중력 등에 대해 지금 진행되고 입자가 작아지면 브라우닝 운동에 대한 확산 그리고 MB를 함께 사용함으로써 정전유도도 같이 진행된다. 필터는 데스필터와 스타페이스필터로 나뉘는데 MB라던가 나무섬유, PTFE 등은 표면으로 진행되는 서피스필터로 분류할 수 있다.
유리섬유가 뎁스필터로 분류되는데 이 뎁스필터를 이용해 폴딩 캐퍼시티가 상당한 부분을 차지하며 서피스필터는 표면으로만 진행된다.
공조형은 서피스필터들이 대체적으로 차압이 낮다. 버스 홀딩 클러스트가 많이 낮다보니 수명이 많이 짧은 경향이 있다. MB필터 같은 경우도 정전력이 상당히 떨어져 공기조화기로 이용하는 경향이 있다.
김성연 공장장은 “이번 HVAC KOREA를 보니 MB필터도 헤파단쪽에 설치되는 경향이 발견되는데 공조필터 같은 경우에는 시피스필터를 갖고 이 뎁스부분을 어떻게 조금씩 밀려감으로 인해 필터 차압을 낮추느냐가 관건”이라고 밝혔다.
공조기 필터는 절곡을 할 때 U자형으로 많이 절곡을 한다. 공기청정기는 주로 V자로 하는 추세인데 MB필터의 경우 V자가 되면 상당히 차압이 구조적 저항이 많이 걸린다. V자로 만드는 것보다 U자형으로 만들었을 때 구조적 저항이 적게 걸리는 부분에 있어 한국캠브리지필터는 공조기필터 제작 시 U자형으로 만든다.
유전영동기술, 기존 필터 한계 극복
박일한 성균관대 교수는 ‘유전영동필터 기술’을 주제로 자신이 대표로 이끌고 있는 피엠랩의 유전영동기술 원리를 소개했다.
대표직인 미세먼지 처리기술로는 △전기집진기술 △여과집진기술 △바이오월(BioWall) △정전분무 공기청정 △원심력 이용 싸이클론 집진 △촉매 이용 광산화 분해 △세정탑, 분무조, 스크레이퍼 등 습식 집진장치 등이 있다. 전기집진기술은 정전기력을 이용하는데 코로나 방전으로 입자 하전 후 집진전극판의 전계를 이용해 포집하는 방식이다. 낮은 압력손실과 높은 포집용량이 두드러진다. 실제 적용되는 사례로는 발전소, 제강로, 소각로 등 다량의 먼지가 배출되는 산업분야에서 널리 사용된다.
여과집진기술은 공기가 여과제를 통과할 때 입자의 관성충돌, 차단, 확산 정전유도 등에 의해 포집되는 원리다. 높은 포집효율과 가격이 저렴하다. 여과재 섬유의 종류, 형태 등에 따라 다양한 용도의 필터(헤파필터, 미디움필터, 백필터, 마스크 등)로 적용될 수 있다.
초기 압력손실이 낮으며 입자 누적에도 낮은 압력손실 유지를 통한 기술적 요구를 만족하며 △압력손실 감소 △구동모터 용량‧크기 감소 △팬 소비전력 감소 △모터 소음 감소 등의 순으로 효과를 볼 수 있다. 기존 헤파필터는 포집입자 누적에 따른 압력손실이 급격히 증가하는데 팬 전력소비‧소음 저감을 위한 저압력손실 집진필터와 낮은 압력손실을 유지할 수 있는 유로구조 등이 필요하다.
고속 유동에서 집진효율을 유지하는 기술이 필요하다. 이를 만족하면 △동작유속 증가 △처리 유량 증가 △고속 처리‧필터 사이즈 감소 △대규모 공간 처리‧비용 축소 등을 유도할 수 있다. 기존 헤파필터는 1m/s 이하로 유속이 제한되는데 고속 유동에서 미세먼지 포집이 가능하며 고유속에서도 높은 포집비율을 보여야 한다.
유전영동은 불균등 전계(Non-uniform electric field)에서 중성입자가 유전영동력에 의해 이동하는 현상을 뜻한다.
박일한 교수 연구팀은 유전영동 원리를 활용해 공기 중 미세입자 포집의 원천기술과 인쇄전자기술과 전극 최적설계기술을 이용해 상용화 기술 등을 개발했다. 유전영동은 크게 입자에 작용하는 전기력과 유전영동력으로 집진되는 원리다. 입자 작용 전기력은 균등 전계(Electric field) 상 하전입자 운동과 균등, 불균 등 전계상 중성입자 운동 등 3가지다.
유전영동 집진필터는 폴딩방식의 오픈형 필터구조로 크게 △고유속에서도 포집효율이 우수한 유전영동력 △낮은 압력손실과 막힘현상 없는 개방형 유로구조 △집진 유효면적‧포화집진량 등을 증가시킬 수 있는 적층형 필터구조 등이 장점이다. 유전영동 집진필터는 △큰 포화포집량 △코로나방전 없음 △저압력손실 △빠른 공기정화 △바이러스, 세균 제거 △폐기물 저감 등 기존 필터가 가진 한계를 다수 극복할 수 있는 우수한 성능을 지녔다.
이렇게 우수한 성능을 자랑하는 유전영동 집진기술을 실제로 적용한 사례가 늘어나고 있다. 지난 2019~2020년 서울지하철 미세먼지 저감 혁신기술 공모전 출품을 통해 지하철 터널, 승강장, 전동차 등의 혁신기술적용 미세먼지 저감 제품으로 선정된 바 있다.
박일한 교수는 “유전영동기술을 이용해 먼지 차단 집진기(Dust Trap Collector) 개발했다”라며 “이는 LCD 판넬 픽셀 인쇄 시 미세먼지에 의한 불량 저감 목적 미세입자 차단기술로 삼성전자 LCD 사업부인 탕정공장 등에서 운용하고 있다”고 밝혔다.
DEMC, E손실 저감‧미세먼지 차단 우수
권순박 나옴 대표는 ‘클린룸 급기구 미세먼지 관리를 통한 에너지효율 향상 기술’을 주제로 강연해 제조공장의 에너지소비량과 클린룸을 구성하는 공조설비를 통해 클린룸 외기 도입량과 외기로부터 유입되는 먼지량 등을 소개했다.
이어 “많은 외기량과 먼지를 처리하기 위해 나옴에서 개발한 DEMC필터를 이용해 이를 처리할 수 있다”고 밝혔다.
클린룸의 경우 시간당 외기 도입량이 평균 2,400만m³/h, 연간 유입되는 부유먼지 총량은 15,264kg에 달한다.
기존 프리필터는 차압 증가 및 필터 막힘 현상으로 추가 에너지소비량이 상당히 증가하며 차단할 수 있는 먼지량도 도입 먼지량대비 절반 수준에 불과하다. 나옴이 개발한 필터는 프리/미디엄/헤파필터 등을 순차적으로 설치해 클린룸을 청정하게 유지할 수 있도록 돕는다.
나옴이 개발한 DEMC기술은 3년 분량 미세먼지 투입 가혹시험에서도 우수한 성능을 선보였다. 일반 헤파필터가 테스트 중 미세먼지 뭉침 현상으로 필터 자체 기능을 상실한 반면 DEMC기술적용필터는 테스트 이후에도 PM2.5 저감률 87% 확보 및 일정한 차압을 유지했다.
일반적인 프리필터의 성능은 60~80%, 초기 압력손실이 100Ph 이상이지만 DEMC필터는 미세먼지 저감성능이 90% 이상, 초기 압력손실이 100Ph 이하에 불과하다. 프리필터는 60일 사용 시 압력손실이 초기보다 2배 이상으로 증가해 필터 교체가 필요하나 DEMC필터는 100일 사용 시 초기 압력손실의 20% 정도 증가에 불과한 수준으로 기술경쟁력을 갖췄다.
DEMC필터의 성능은 △후단부 미디엄 필터 교체주기 증대 △공조기 소비전력 감소 △필터막힘에 따른 에너지손실 저감 △필터 운영비용 30% 감소 등 효과를 입증했다.
신성ENG, 안전성 확보 모듈화 시공법 개발
김남욱 신성이엔지 팀장은 ‘HPL을 이용한 클린룸 실링시스템 모듈화 시공법 개발’ 주제 발표에서 △모듈화 시공법 개발 배경 및 목적 △시스템 실링 △모듈화 공법 동향 △시스템 실링 모듈화 시공법 △결과 및 고찰 등을 소개했다.
2022년 재해유형조사에 따르면 ‘떨어짐’에 의한 작업자 사망이 전체의 36.8%로 가장 많이 발생한 것으로 나타났다. 기존 클린룸 시스템 실링 공사는 높은 층고, 하부 조립, 상부 조립, 및 설치 공종이 동시 진행됐다. 상부 조립 시 낙하물에 대한 인명사고 위험과 2016년 상부 조립 공사 도중 추락사고가 발생한 바 있다. 안전사고 예방에 대한 인식이 강화돼 고객사의 고소 작업 방안 및 안전한 시공 방법이 필요하다.
김남욱 팀장은 “클린룸의 시스템 실링 시공에 대해 고소작업 시 안전성이 강화된 모듈화 시공법을 개발했다”라며 “기존 시공법과 비교해 시공 시간 단축 효과와 안전성 확보가 가능한지 확인할 필요가 있다”고 말했다.
시스템 실링이란 반도체, LCD 등 제조라인의 클린룸 내 청정도를 유지하고자 천장부에 무진장지 및 기타 장비 등을 설치하기 위한 천정 시스템을 의미한다. 시스템 실링 허용 기준 조건은 반송장비 및 타공종 설치 후 시스템 전체 누적 처짐량 2mm 이내로 반송장비 이동 원활성, 클린룸 내 청정도 유지를 위한 누수 방지가 가능하다.
특히 시스템 실링은 하부에 제조 반송장비 설치가 가능하며 레이아웃 변경에 따른 설치 및 보강이 자유롭다. 또한 무진장비 외 Sprinkler, duct 등 타 공종 설치가 용이하다.
모듈화 시공이란 조립식과 모듈화는 현장에서 작업의 일정량을 조립공장이나 야외에서 작업하는 방법 중 하나로 △생산성 향상 △원가절감 △공기단축 △품질향상 △사고율을 낮춰 안전성 증가 등의 효과가 있다.
모듈화 시공은 △복합공종 모듈화 △장비+장비 모듈화 △파이프 랙+배관 모듈화 등으로 나눌 수 있다. 모듈화 시공 프로세스는 △모듈화 설계 △공장 제작 △운송 △현장설치 등의 순으로 진행된다.
모듈화 시공법은 천정에 설치되는 모든 부품을 하부에서 일괄 조립해 모듈 형태로 설치한다. 또한 개별적인 자재의 수직 운반이 필요치 않아 인원 및 공기를 단축할 수 있으며 자재 및 작업인원의 추락 위험이 감소될 것으로 판단한다.
김 팀장은 “고소 작업을 최소화하기 위해 모듈화 시공법을 적용해 Ceiling Grid, 자동제어, 소방, 덕트 및 배관 작업의 일괄 시공이 가능하다”라며 “사고 위험 예방 및 시공 안전성 확보가 가능하며 A/Floor 상부에서의 모듈장비 작업가능 높이를 최대화할 계획”이라고 밝혔다.
클린룸, 분야별 인증 획득 조건 고려 必
김성호 HCT 부장은 ‘클린룸과 클린룸 인증’ 주제 발표에서 △클린룸 소개 △클린룸 인증 △클린룸 계획 등을 소개했다.
HCT는 한국공기청정협회 클린룸 인증 시험기관으로서 ISO-14644에 근거한 클린룸 성능평가 시험 및 클린룸 환경 개선 컨설팅 및 성능평가 이론‧실습 교육 등을 실시한다.
클린룸은 제품이나 대상에 필요에 따라 다양한 환경 인자가 정밀하게 제어되는 공간을 말한다.
클린룸 등급 기준에 중요한 GMP(Good Manufacturing Practice)는 제조소 구조 및 설비 기준과 더불어 원자재 구입‧제조‧포장‧보관‧출하 전 공정에 걸친 제조관리 및 품질관리 시행 기준을 뜻한다. GMP와 유사한 클린룸 운영 기준은 △현대적이며 혁신적인 시스템을 추구하는 cGMP(Current GMP) △실험실에 대한 조직적이며 체계적 기준인 GLP(Good Laboratory Practice) △식품위해요소중점관리기준인 HACCP △의약품이면서 식품인 Cosmetic GMP(CGMP) 등으로 분류된다.
클린룸 인증은 국내의 경우 식품의약품안전처가 부여하는 MFDS가 있으며 HCT의 주력 분야인 의약품분야 GMP 인증을 받기 위해서는 △의약품 제조 품질관리 규정 △완제의약품 제조 및 품질관리 가이던스 △RA 업무 △검증 전문기업 등을 통한 작업이 필요하다.
클린룸은 산업용과 바이오분야로 크게 나눌 수 있다. 산업용 클린룸은 사전 계획에 따른 비용 절감 효과와 복합적 환경 인자 관리가 중요하다. 화학제품 사용 예측과 관련 제품 측면과 안전 측면을 모두 고려해야 한다.
바이오용 클린룸은 이상 발생이 용납되지 않는 초고정밀분야로서 제품이 아닌 생명에 초점을 맞춘다. 교차 오염을 방지해야 하며 구역에 대한 레이아웃 및 운영계획이 필요하다.
중국, 전자공장 수율 향상 노력 ‘최선’
원영재 기후변화실천연대 회장은 ‘중국 전자공장의 운영관리 특성과 수율개선 사례’를 소개했다.
전자 공장의 운전은 △무중단운전 △순환풍량 과다 △외기도입량 과다 △에너지사용량 과다 △화학제품 및 배기가스 노출 △환경조건 민감 등에 민감하다.
중국의 전자공장산업은 세계 최대 규모를 자랑하고 있지만 산업 특성상 대량 생산과 에너지소비, 폐수배출, 폐기물처리 등으로 인해 환경 문제를 일으키고 있다. 이를 극복하기 위해 에너지효율 향상 대책 마련, 폐기물 처리방식 개선 등 운영관리 측면과 자원 재활용 체계 구축을 바탕으로 한 자원 재이용, 국제 협력 등이 요구된다.
중국의 LCD 제조공정 상 청정도에 영향을 주는 요인으로 △공기오염 △인적오염 △장비오염 △물질오염 등이 꼽힌다. 또한 중국 내 LCD공장의 수율 향상을 위한 노력으로는 △청결유지 △공정 제어 △인력 교육 △불량분석, 공정 최적화 등을 들 수 있다.
중국 전자공장의 탄소 배출 저감과 관련 기후 환경에 대한 국제 사회의 요구와 함께 중국 전자공장들도 환경문제에 대한 인식이 높아지면서 탄소배출 저감에 대한 노력을 강화하고 있다. 이를 위해 △에너지효율 향상 기술 도입 △신재생에너지 사용 △녹색 기술 적용 △탄소배출권 거래 시스템 도입 등을 통해 체계적으로 관리하고 있다.
중국의 전자공장은 탄소배출 저감을 위해 연중 무중단 운전과 대형 플랜트시설로 인한 대량의 에너지소비와 높은 청정도 유지를 위한 풍량 및 전력 소모가 많은 특성으로 공정 최적화, 고효율 장비, 자원 재이용, 신재생에너지 활용 등이 필수적이다.
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