2.1 실험 장치

Fig. 1은 본 연구에서 구축한 증기가습 방식 클린룸과 실내 수분무가습 방식 클린룸으로 이루어진, 외기 공조시스템을 결합한 FFU 방식 트윈(twin) 클린룸 실험설비에 대한 개략도를 나타낸다. 클린룸의 면적은 14.11 m², 높이는 2.5 m이며, 리턴샤프트(return shaft)의 면적은 2.52 m², 높이 4.2 m이다. 또한 반도체 제조장비의 발열⁽¹⁵⁾을 모사하기 위하여 클린룸 실내에 8.5 kW의 발열량을 발생하는 발열체를 설치하였다.

증기가습 방식 클린룸은 Fig. 1에 도시된 바와 같이 크게 외기공조시스템, 냉각시스템, FFU(Fan Filter Unit) 시스템, 드라이코일(Dry Cooling Coil, DCC)로 구성된다. 외기공조시스템은 에어필터(Air filter), 예열코일(Pre- heating coil), 냉각코일(Cooling coil), 재열코일(Re-heating coil), 증기가습기, 송풍기(Air blower)로, 냉각시스템은 냉동기(Chiller), 냉각탑(Cooling tower), 냉수펌프(chilled water pump), 냉각수펌프(cooling water pump)로 구성 된다. 본 실험을 위하여 온습도 센서 및 데이터로거, 전력량계, 실내 발열체가 추가로 투입되고 20 USRT의 스크류 냉동기와 개방형 냉각탑이 사용되었다. 증기가습 방식 클린룸에서 도입된 외기(outdoor air, OA)는 외기 공조시스템에서 12℃, 90%RH의 상태로 공조되어 클린룸 하부플레넘(lower plenum)로 공급된다. 이 공급된 급기 (supply air, SA)는 순환공기(return air, RA)와 클린룸 하부플레넘에서 혼합된 후 드라이코일과 리턴샤프트, FFU를 거쳐 클린룸 실내로 공급되고 클린룸 실내는 23℃, 45%RH의 일정한 온·습도로 유지된다.

실내 수분무가습 방식 클린룸은 전술한 증기가습 방식 클린룸과 모든 사항들이 동일하나 Fig. 1과 같이 외기공조시스템의 증기가습기를 삭제시킨 대신에 클린룸 실내의 순환공기 계통인 리턴샤프트(return shaft)에 수분무가습 노즐들이 편성되는 것이 다른 점이다. 그리하여 이 클린룸은 동계와 중간기에 도입한 외기를 외기 공조시스템에서 가습하지 않고 외기의 절대습도를 그대로 유지한 채 12℃까지만 가열한 뒤 하부플레넘에 공급 한다. 이 급기는 하부플레넘에서 순환공기와 단순혼합을 하고 이 혼합 공기는 드라이코일을 지나 수분무가습 노즐 영역을 지나면서 희망하는 습도로 공조되고 FFU를 거쳐 클린룸 실내로 공급된다. 본 연구의 실내 수분 무가습 시스템은 일유체 노즐, 물펌프, 배관, 제어반으로 구성되었고 클린룸 실내의 자체 온습도 센서를 통하여 독립적인 운전제어를 실시하였다. 사용된 일유체 노즐은 총 10개이고 0.7 MPa의 펌프 압력으로 평균 입자 크기 50 μm의 수액적을 리턴샤프트에서 분사하였다.

본 연구의 클린룸들의 공조에너지 소비량을 전력량으로 통일하기 위하여 모든 가열코일을 전기히터로, 증기가습기를 보일러 대신 전극봉식 증기가습기로 대체하였다.

2.2 실험 방법

본 연구에서 실시한 실험조건들을 Table 1에 수록하였다. 가습방식이 다른 각각의 클린룸에 2,300 m³/h의 외기량을 공급하여 각각의 순환공기량 20,000 m³/h에 대해 11.5%의 외기공급비율을 형성하여 일반적인 반도체 클린룸의 조건을 달성하였다. 또, 클린룸 환기회수는 약 567 ACH(air changes per hour)이므로 청정도는 class 1의 초청정 클린룸에 해당한다. 클린룸 실내는 반도체 제조공정에 최적인 0.0078 kg/kgDA 근처의 절대습도를 가지는 23℃, 45%RH의 조건이 유지되도록 PID 운전제어를 실시하였다. 전기히터와 냉동기는 On/Off 제어를 실시하였고, 냉수 밸브는 비례 제어를 실시하였다. 클린룸의 공조에너지 소비전력량은 편의를 위하여 제 2.1절 에서 언급한 외기공조시스템, 냉각시스템, FFU 시스템으로 분류하여 측정하였고, 이때 외기공조시스템의 경우 Table 2와 같이 전기히터, 증기가습기, 송풍기를 각각 측정하였고 실내 수분무가습을 위한 일유체 노즐용 펌프시스템의 경우도 독립적으로 측정하였다. 냉각시스템의 경우 냉동기, 냉각탑, 2개의 펌프를 각각 측정하였고 이때 드라이코일(DCC)과 외기공조시스템의 냉각코일에 사용되는 냉수의 소비전력량은 모두 냉각시스템의 전력량에 포함된다.

가습방식에 따른 클린룸 공기의 공조프로세스를 구하기 위해 Fig. 1에 도시된 바와 같이 각각 외기(OA) 지점 1, 급기(SA) 지점 2, 클린룸 하부플래넘 지점 3, FFU 상부 지점 4, 클린룸 실내 지점 5에서의 공기의 온·습도를 동시에 측정하였다. 본 트윈 클린룸 실험에서 얻은 모든 실험 결과들은 클린룸 시스템의 모든 부분들이 정상 상태에 도달한 후 1시간 동안 측정한 데이터를 이용하여 산출하였다. 각 계절별 외기조건에 따른 공조프로세스 및 전력소비량을 구하기 위하여 동계와 하계의 피크 부하조건에 실험을 실시하는 것이 바람직하나 동파 회피, 운전비용 절감 등 실험의 편의를 위하여 Table 1과 같이 각 계절별 외기 온·습도 특성을 어느 정도 대표적으로 나타낼 수 있는 조건으로 선정하여 실험을 실시하였다.

3.1 공조프로세스

Fig. 2는 동계의 외기조건에서 트윈 클린룸의 공조프로세스에 대한 실험결과를 나타내고 있다. 그림에서 숫자들은 Fig. 1에 도시된 온습도 측정 지점들에 대한 측정된 공기 상태를 나타내고 프라임 심볼(prime)이 표시된 숫자는 실내 수분무가습의 경우이다. 또한 그림에는 주어진 외기 조건에 대한 두 가습방식의 이상적인 공조프로세스 설계 경로가 증기가습의 직선과 실내 수분무가습의 점선으로 각각 표시되어 있다. 두 가지 가습 방식 클린룸 모두 동계 조건인 5.3℃, 65.2%RH의 외기 상태 1이 유입되고 외기공조시스템에서 전기히터를 통해 12℃까지는 가열되고 있음을 알 수 있다. 이로부터 증기가습 방식 클린룸의 경우 외기공조시스템에서 증기 가습을 통하여 12℃, 90%RH의 공기 상태 2로 가습된 후 클린룸 하부플레넘으로 공급된다. 이 공급된 급기와 클린룸의 순환공기가 하부플레넘에서 혼합되어 상태 3이 되고 DCC를 지나 상태 4가 된 후 FFU를 거쳐 클린룸 실내로 공급되고 클린룸 실내를 반도체 제조공정에 최적인 조건인 절대습도 0.007863 kg/kgDA의 23℃, 45%RH의 상태 5로 유지시키고 있음을 알 수 있다. 반면에 실내 수분무가습 방식 클린룸의 경우 도입 외기는 외기공조 시스템에서 12℃로 가열만 되어 상태 2가 되어 절대습도는 변화 없이 클린룸 하부플레넘으로 공급되고 있다. 공급된 급기는 클린룸의 순환공기 상태 5와 외기량/순환량이 1.15/8.85의 비율로 혼합되어 상태 3이 되고 이후 DCC를 거쳐 리턴샤프트에서 수분무가습에 의한 등엔탈피 과정을 거친 후 상태 4가 된 후 FFU를 거쳐 클린룸 실내로 공급되고 클린룸 실내를 23℃, 45%RH의 상태 5로 유지하고 있음을 알 수 있다.

따라서 외기의 상태에서 클린룸 실내공기 상태 23℃, 45%RH로의 공조프로세스가 가습 방식에 의존하여 서로 상이하다는 것을 확인할 수 있다. 동일한 외기 조건에서 실시간으로 동시적인 클린룸 실험을 하였으므로 두 가지 가습방식에 대한 외기부하와 실내부하는 동일하지만 공조프로세스 상의 경로가 서로 다르기 때문에, 각각의 공조프로세스를 구현하는 소비전력량은 차이가 발생하게 된다. 또한 그림으로부터 두 가습방식의 측정된 공기 상태들이 이상적인 공조프로세스 설계 경로로부터 미세한 이탈들은 보이나 각각의 공조프로세스를 잘 따라가고 있음을 알 수 있다.

Fig. 3은 중간기의 외기조건에서 트윈 클린룸의 공조프로세스에 대한 실험결과를 나타내고 있다. 그림으로 부터 두 가지 가습 방식의 클린룸은 모두 중간기 조건인 15.9℃, 52.6%RH의 상태 1의 외기를 유입하고 이 유입된 외기를 외기공조시스템에서 냉각코일을 통해 12℃까지 냉각하고 있음을 알 수 있다. 이 냉각된 외기는 전술한 동계의 경우와 동일한 공조프로세스를 각각 거쳐서 클린룸 실내로 공급되고 결국 두 가습방식 클린룸의 실내를 23℃, 45%RH의 상태 5와 5´로 각각 유지하고 있음을 알 수 있다. 따라서 중간기의 공조프로세스가 동계의 경우에 비해 유일하게 다른 점은 상태 1에서 상태 2 또는 2´로의 경로가 가열이 아니라 냉각이 이루지고 있다는 것이고 이외의 경로들의 프로세스들은 동일하다. 또한 그림에는 주어진 외기 조건에 대한 두 가습방식의 이상적인 공조프로세스 설계 경로가 증기가습의 직선과 실내 수분무가습의 점선으로 각각 표시되어 있는데 측정된 공기 상태들이 미세한 이탈은 보이나 각각의 공조프로세스를 잘 따라가고 있음을 알 수 있다.

Fig. 4는 하계의 외기조건에서 트윈 클린룸의 공조프로세스에 대한 실험결과를 나타내고 있다. 하계의 경우는 일반적으로 가습이 불필요하기 때문에 두 가지 가습 방식 클린룸은 모두 가습 운전을 중지하게 되고 따라서 동일한 공조프로세스를 가동하게 됨을 알 수 있다. 따라서 하계의 경우는 전술한 동계와 중간기의 경우와는 달리 가습 방식에 따른 소비전력량의 차이는 발생하지 않을 것임을 짐작할 수 있다. 그림으로부터 두 가지 가습 방식의 클린룸은 모두 하계 조건인 28.6℃, 76.1%RH의 상태 1의 외기를 유입하고 이 유입된 외기를 외기 공조시스템에서 냉각코일을 통해 냉각과 제습을 실시하여 10.4℃, 100%RH로 만든 후 재열을 통하여 12℃, 90%RH의 상태 2로 만든 후 클린룸 하부플레넘으로 공급하고 있음을 알 수 있다. 또한 그림에는 주어진 외기 조건에 대한 두 가습방식의 이상적인 공조프로세스 설계 경로가 표시되어 있는데 각 지점의 측정된 공기 상태들이 약간의 이탈은 보이나 공조프로세스를 잘 따라가고 있음을 알 수 있다.

3.2 소비전력량

Table 3은 본 연구의 증기가습 방식 클린룸과 실내 수분무가습 방식 클린룸의 소비전력량의 실험결과를 자세하게 수록하고 있다. 본 연구의 트윈 클린룸 공조설비의 에너지 소비구조의 파악을 위한 이해를 돕기 위하여 Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7에 Table 3의 동계, 중간기, 하계 조건들에 대한 증기가습 방식 클린룸과 실내 수분무가습 방식 클린룸의 부분별 소비전력량을 각각 도시하고 있다. 또한 그림에는 총 소비전력량의 값이 막대그래프 상단에 표시되어 있다. Fig. 5의 동계 실험의 경우, 증기가습 방식 클린룸은 32.22 kW의 총 소비전력량을 보여주고 있는데 이는 모든 계절별 실험결과 중에서 가장 높은 값임을 알 수 있다. 이에 비해 동계의 실내 수분무가습 방식 클린룸은 33.7 %인 10.86 kW만큼 절감된 21.36 kW의 총 소비전력량을 보여주고 있다. 이는 Fig. 5의 부분별 소비전력량 분포를 자세히 살펴보면 증기가습을 수분무가습으로 완전히 대체함에 따른 가습 부분 소비전력량의 큰 감소에 기인한 것임을 알 수 있다. 즉, Humidifier의 경우 증기가습 방식은 12.42 kW의 전력량을 소비하였지만 실내 수분무가습 방식은 0.94 kW의 미미한 전력량을 소비하여 증기가습에 의한 소비전력량이 상당부분 절감되었기 때문이다. 이외의 FFU, Cooling system, Heater, Fan에서의 부분별 소비전력량을 살펴보면 실내 수분무가습 방식 클린룸의 경우가 증기가습 방식 클린룸의 경우에 비해 0.001 kW, 0.31 kW, 0.07 kW, 0.23 kW만큼 미미하게 상승하였음을 알 수 있다. 이는 동일한 기상 조건에서 동일한 장치를 사용 하였음을 고려하면 실험적인 오차에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 6의 중간기 실험의 경우, 실내 수분무가습 방식 클린룸의 총 소비전력량이 증기가습 방식 클린룸의 경우에 비해 16.5%인 3.31 kW만큼 감소하였음을 알 수 있다. 이는 부분별 소비전력량을 살펴보면, 증기가습 방식과 실내 수분무가습 방식의 Humidifier에서의 소비전력량이 각각 4.11 kW, 0.1 kW로 얻어졌고 이로부터 실내 수분무가습 방식의 경우가 4.01 kW만큼 감소하였기 때문인 것으로 판단된다. FFU, Cooling system, Heater, Fan에서의 부분별 소비전력량을 살펴보면 실내 수분무가습 방식의 경우가 증기가습 방식의 경우에 비해 -0.002 kW, 0.29 kW, -0.01 kW, 0.42 kW만큼의 미미한 변화를 보여주고 있다.

Fig. 7의 하계 실험의 경우, 실내 수분무가습 방식 클린룸의 총 소비전력량이 증기가습 방식 클린룸의 경우에 비해 1.12 kW만큼 증가하였음을 알 수 있다. 하계의 경우는 외기에 대해 제습을 실시하므로 공조프로세스에서 가습이 불필요하기 때문에 증기가습과 실내 수분무가습을 중지하게 되고 따라서 증기가습 방식과 실내 수분 무가습 방식의 Humidifier에서의 소비전력량은 모두 0 kW가 된다. 이외의 FFU, Cooling system, Heater, Fan 에서의 부분별 소비전력량을 살펴보면 실내 수분무가습 방식의 경우가 증기가습 방식의 경우에 비해 0.004 kW, 0.74 kW, 0 kW, 0.38 kW만큼 미세한 증가를 보여주고 있다. 이는 동일한 기상 조건에서 동일한 장치를 사용 하였음을 고려하면 실험적인 오차에 기인한 것으로 판단된다.

연간 사계절의 관점에서 보면 증기가습 방식 클린룸은 하계, 중간기, 동계 조건으로 갈수록 외기의 가습이 필요 없는 하계의 경우에 비해 중간기 약 1.2배, 동계 약 2.0배 만큼의 총 소비전력량이 증가하는 것을 알 수 있다. 반면에 실내 수분무가습 방식 클린룸은 하계, 중간기, 동계 조건으로 갈수록 하계의 경우에 비해 약 0.96배, 1.2배 만큼의 총 소비전력량의 변화를 보이는데 증기가습 방식의 경우에 비해 계절에 따른 소비전력량의 증가가 그다지 크지는 않다는 것을 알 수 있다. 이는 하계에서 동계로 갈수록 소비전력량의 상당한 부분을 차지하는 증기가습을 실내 수분무가습으로 대체하였기 때문이다. 따라서 실내 수분무가습 방식 클린룸이 증기가습 방식 클린룸보다는 에너지 절약적인 시스템이라는 것을 알 수 있고 본 실험에서 3가지 계절별 소비전력량들의 단순 합산으로 약 19%만큼의 총 소비전력량의 절감을 획득할 수 있음을 알 수 있다.

3.3 에너지환산계수

전술한 공조프로세스 및 소비전력량의 실험결과를 바탕으로 본 연구의 증기가습 및 실내 수분무가습 방식 클린룸의 에너지환산계수를 산출하였다. 에너지환산계수란 반도체 공장의 유틸리티에 필요한 에너지를 전력량으로 환산하는 계수이며 공조설비기기의 경우 어떤 공조프로세스에 대한 공조부하당 소비전력량을 나타낸다.^(4,15) 즉 에너지환산계수는 투입된 소비전력량을 처리된 공조부하량으로 나눈 값이며 반도체공장의 소비에너지의 상대평가를 목적으로 사용할 수 있다.

먼저 증기가습 방식 클린룸에서 증기가습의 에너지환산계수를 구하기 위해 Fig. 2의 동계 공조프로세스를 살펴보면 도입된 외기의 가열 후 지점인 11.6℃, 43.4%RH에서 11.9℃, 93.9%RH 까지가 증기가습을 실시하고 있으므로 증기가습에 의한 가습량은 (1.2 kg/m³)×(2,300 m³/h)×(0.0081866-0.0036646 kg/kg)×(1 h) = 12.48 kg이 된다. 증기가습부하(kg)당의 소비전력량은 Table 3의 이 증기가습에 소모된 전력량 12.42 kWh을 가습량으로 나누면 0.994 kWh/kg이 얻어진다. 즉 본 연구에 사용된 전극봉식 증기가습기의 에너지환산계수에 해당된다.

실내 수분무가습 시스템에 의한 수분무가습의 에너지환산계수를 구하기 위해 Fig. 2의 동계 공조프로세스를 살펴보면 하부플레넘에서 단순혼합 후에 20.8℃, 47.1%RH에서 17.3℃, 62.6%RH까지 수분무가습을 실시하고 있으므로 실내 수분무가습에 요구되는 가습량은 (1.2 kg/m³)×(20,000 m³/h)×(0.0076830-0.0071865 kg/kg)×(1 h) = 11.916 kg이 된다. Table 3의 수분무가습에 소모된 전력 0.94 kW를 이 가습량으로 나누면 실내 수분무가습 부하 (kg)당의 소비전력은 0.079 kWh/kg이 얻어진다. 즉 본 연구에 사용된 실내 수분무가습 시스템의 에너지 환산 계수에 해당된다.

다음으로 가열에 대한 에너지환산계수를 구하기 위해 Fig. 2의 동계 공조프로세스에서 가열 과정에 해당하는 부분인 외기 상태 5.3℃, 65.2%RH에서 11.6℃, 43.4%RH까지의 가열에 필요한 열량은 (1.2 kg/m³)×(2,300 m³/h) × (20.91-14.34 kJ/kg) = 1.81×10⁴ kJ/h = 5.03 kW가 된다. Table 3의 가열에 소모된 전력 5.99 kW를 이 열량으로 나누면 가열부하(kW)당의 소비전력은 1.19 kW/kW가 얻어진다. 마찬가지로 냉각에 의한 에너지환산계수를 구하기 위하여 Fig. 4의 공조프로세스에서 냉각제습과정에 해당하는 부분인 외기 상태 28.6℃, 76.1%RH에서 냉각제습의 마지막 상태인 10.4℃, 100%RH까지의 냉각제습에 필요한 열량은 (1.2 kg/m³)×(2,300 m³/h)×(76.94-30 kJ/kg) = 1.29×10⁵ kJ/h = 35.99 kW가 된다. Table 3의 해당 소비전력 11.63 kW를 나누면 냉각부하(kW)당의 소비전력은 0.32 kW/kW가 얻어진다.

본 트윈클린룸 실험에서 산출한 에너지환산계수들을 Table 4에 모두 정리하였다. 표로부터 전극봉식 증기가습의 경우가 일유체 노즐을 이용한 실내 수분무가습의 경우보다 약 12.6배의 소비전력을 보여주고 있으므로 실내 수분무가습 방식이 증기가습 방식보다 훨씬 더 에너지절약적인 가습 방법임을 알 수 있다. 또한 가열의 경우 본 연구에 사용된 전기히터는 1.19 kW/kW의 에너지환산계수를 보여주고 있는데 전기히터의 COP는 1보다 작기 때문에 에너지환산계수가 1보다 크게 얻어짐을 알 수 있고 냉각의 경우 냉동기의 COP가 1보다 크기 때문에 에너지환산계수가 1보다 작은 0.32 kW/kW가 얻어짐을 알 수 있다.

3.4 연간 소비전력량

본 연구에서의 증기가습 및 실내 수분무가습 클린룸의 연간 소비전력량을 평가하기 위하여 클린룸은 24시간 1년 내내 운전하는 것으로 가정하였고 계산 조건은 본 트윈 클린룸 실험에 사용된 실험조건을 사용하였다. 연간 소비전력량의 계산은 Kim et al.⁽⁸⁾의 연구에서 제시한 에너지환산계수를 이용하는 계산방법을 도입하였고 이때 필요한 에너지환산계수는 Table 4의 값을 이용하였다. 연간 소비전력량을 평가하기 전에 우선 본 연구의 계산 방법의 타당성을 검토하기 위해 소비전력량의 계산 결과를 본 연구의 실험 결과와 비교하여 보았다. Table 5는 그에 대한 계산 및 실험 결과를 수록하고 있다. 표에서 “Proportion [%]” 항목은 오차를 백분율로 알아볼 수 있도록 실험값을 100%로 보았을 때의 계산값의 백분율을 나타낸다. 증기가습 방식 클린룸의 경우 총 소비전력량의 실험값은 동계 32.221 kW, 중간기 20.006 kW, 하계 16.339 kW이고 계산값은 동계 32.358 kW, 중간기 20.73 kW, 하계 16.572 kW이다. 따라서 동계와 중간기, 하계의 경우 각각 0.4%, 3.6%, 1.4%의 오차로 과대 예측을 하였다. 실내 수분무가습 방식 클린룸의 경우 실험값은 동계 21.355 kW, 중간기 16.698 kW, 하계 17.463 kW이고, 계산값은 동계 22.37 kW, 중간기 17.53 kW, 하계 17.86 kW이다. 따라서 하계와 중간기의 경우 2.3%, 4.9%로 과대 예측을 하였고 동계의 경우 4.5 %로 과소예측을 하였다. 전체적으로 총 전력소비량의 계산 오차는 최대 5% 이하로 제어되었음을 알 수 있다.

반도체 제조공장의 메카인 기흥지역의 외기 조건은 기상청 외기 데이터가 부재하여 그 근교인 수원지역의 2016년도 기상청의 1시간마다의 외기 온습도 데이터를 이용했다. 본 연구에서 사용된 외기량 2,300 m³/h의 증기가습 방식 및 실내 수분무가습 방식 클린룸의 연간 소비전력량을 본 수치계산 방법을 이용하여 산출한 계산 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 그림으로부터 증기가습 방식 클린룸의 연간 소비전력량은 262.92 MWh, 실내 수분무가습 방식 클린룸의 연간소비전력량은 191.50 MWh임을 알 수 있다. 이는 실내 수분무가습 방식 클린룸이 증기가습 방식 클린룸에 비해 약 27.2%의 공조 소비에너지를 절감하고 실내 수분무가습 방식이 증기가습 방식에 비해 에너지절약적인 가습 방식임을 보여주는 것이다. 또한 Fig. 8을 통해 6월, 7월 8월의 하계를 제외하고 가습이 필요한 중간기와 동계에 해당하는 9월부터 5월까지는 실내 수분무가습 방식 클린룸이 증기가습 방식 클린룸에 비해 에너지절약적인 클린룸임을 알 수 있다.