KR100924960B1 - 크린룸내 직접분무식 기화가습장치 및 습도제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 크린룸내의 직접분무식 기화가습장치 및 습도제어방법은, 크린룸내에 정확한 필요 수분량 파악 및 공급을 위한 컨트롤 밸브 제어부와, 파악된 요구 초순수량을 정확히 크린룸내에 기화가습하기 위한 초미립자상태의 초순수를 분무하기 위한 크린룸내에 설치된 매니폴터와, 매니폴더에 초순수를 공급하는 매니폴더에 연결된 초순수공급부와, 상기 매니폴더에 연결되고 초순수를 분무하기 위한 압축공기 발생부를 포함하는 크린룸내의 직접분무식 기화가습장치와; 크린룸내에 적정한 습도 및 온도를 파악하는 단계와, 상기 크린룸내에서 파악된 습도 및 온도가 규정 습도 이하일 경우에는 초순수를 기화가습하는 분무수단에 의하여 크린룸내에 초미립자상태의 초순수를 분무시키는 단계와, 초미립자상태의 초순수가 분무됨과 동시에 크린룸내의 증발잠열을 흡수함으로서 크린룸내의 온도를 저하시키는 단계와, 상기 크린룸내의 습도가 적정하게 되면 초순수의 분무가 정지되는 단계를 포함하는 습도제어방법으로 이루어지고, 정밀 온습도 제어를 요구하는 대형 크린룸 운영 조건에서 초순수를 크린룸내에 직접 분무함으로서 공기의 냉각과 가습 효과를 동시에 만족시키는 것으로, 노즐에 의해 미립화된 초순수입자가 공기와 직접 접촉함으로 서로간의 열전달과 물질전달 작용에 의하여 공기의 냉각과 가습을 목표하는 크린룸내의 공기의 상태량에 효과적이고 정밀한 제어를 할 수 있게 한 것이다.

Description

크린룸내 직접분무식 기화가습장치 및 습도제어방법{ A vaporization humidification device }

본 발명은 크린룸내의 직접분무식 기화가습장치 및 습도제어방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 정밀 온습도 제어를 요구하는 대형 크린룸 운영 조건에서 초순수를 크린룸내에 직접 분무함으로서 공기의 냉각과 가습 효과를 동시에 만족시키는 것으로, 노즐에 의해 미립화된 초순수입자가 공기와 직접 접촉함으로 서로간의 열전달과 물질전달 작용에 의하여 공기의 냉각과 가습을 목표하는 크린룸내의 공기의 상태량에 효과적이고 정밀한 제어를 할 수 있게 한 크린룸내의 직접분무식 기화가습장치 및 습도제어방법에 관한 것이다.

우선, 반도체 장치를 생산하는 환경에 있어서, 크린룸은 웨이퍼의 오염을 초래할 수 있는 먼지의 유입을 예방하기 위하여 외부공기를 헤파필터나 울파필터와 같은 반도체용 필터에 통과시켜 청정화된 프레시에어를 순환시키는 방법으로, 그리고 웨이퍼의 취급 중의 정전기의 예방 및 반도체 생산장치 등의 최적의 운전조건을 형성하기 위하여 외부공기나 프레시에어와 같은 순환공기를 제습기와 가습기에 통과시켜 습도를 조절한 프레시에어를 순환시키는 방법으로 형성되고, 유지되며, 이 러한 먼지의 제거 및 습도의 조절들은 반도체 제조분야에서 사용되는 통상의 공기조화기 등에 어느 정도의 수준까지는 달성될 수 있을 정도로 공지되어 있는 것이다. 상기에서 공기 중의 수분을 제거하여 습도를 낮추는 제습기는 크게 압축형, 냉각형 및 건식흡착형으로 대별될 수 있다. 상기에서 압축형은 공기중의 수분을 압축하고 응축시켜 습도를 낮추는 방식으로서 냉동식과 흡착식이 있고, 냉각형은 압축형의 냉동식과 유사하나, 에너지 관리 비용 절감이 가능하다는 이점이 있으며, 건식흡착형은 콜러게이트(corrugate)형으로 제작되며 염화리튬(Lithium Chloride)이 내장된 로터(rotor)에 수분이 포함된 공기를 통과시켜 제습을 하고, 다시 로터는 재생파트안에서 열풍을 이용, 수분이 탈취되어 재활용되도록 구성되어 있어 폭넓은 풍량에 대응 가능한 외에 습도조절이 간단하고, 유지비용이 경제적이며, 보수 관리가 용이하고 습도범위도 넓은 특징 있어 반도체 생산설비의 크린룸 등에 널리 사용되고 있다. 이들 제습기는 공기 중의 수분을 제거하여 습도를 낮추는 작용을 한다.

또한, 가습기는 상기한 제습기와는 반대로 공기 중에 수증기 등을 가하여 습도를 높이는 작용을 하는 것으로서, 분무형과 투과형으로 대별될 수 있다.

상기에서 분무형은 벤튜리관을 이용하여 물을 분무하여 수증기화하거나, 또는 수정발진자를 사용하는 초음파발생기를 이용하여 공기 중에 미립의 물입자를 강제로 방출시켜 습도를 높이는 방식이고, 투과형은 테프론관과 같은 미세한 기공을 갖는 관속에 탈이온수를 넣고, 일정한 온도를 유지시켜 물분자가 관의 미세한 기공을 투과하여 관밖으로 나와 공기 중으로 증발되도록 함으로써 습도를 높이는 방식이다.

그러나, 이러한 종래의 가습기에서 분무형은 크린룸의 습도관리와 같이 대량의 공기의 습도조절에는 유리하다는 장점이 있기는 하나, 물리적으로 방출되는 미립의 물입자의 입경이 일정하지 않기 때문에 공정튜브나 공정챔버와 같이 닫힌 계(closed system)에서는 정밀한 습도의 조절이 곤란하며, 또한 물입자가 공정튜브나 공정챔버의 벽에 부딛치고, 벽면에 응축되어 잔류할 가능성이 높기 때문에 습도를 일정하게 유지시키기가 어렵다는 단점이 있었다.

또한, 상기 종래의 가습기에서 투과형은 습도를 정밀하게 제어할 수 있으나, 수분의 발생량이 대단히 작기 때문에 습도의 ppm 농도의 조절은 가능하나, 퍼센트(%) 농도의 습도조절에는 적합하지 않다는 문제가 있으며, 더욱 용량이 큰 공정챔버나 계속적으로 높은 습도의 생성이 요구되는 경우에는 적당하지 않다는 문제점이 있었다.

따라서, 종래 상용적으로 제공되는 공기조화기 중의 제습기 및 가습기에 의한 습도의 조절은 대량으로 인하여 매우 부정확하였으며, 그에 따라 크린룸내의 습도의 조절범위 역시 15 내지 50% 정도로 대략적으로 조절되어왔던 것이 사실이다.

또한, 열산화와 같은 산화공정에서는 버블러(bubbler)와 같은 특수한 습도조절장치를 별도로 사용하고 있으나, 상기한 버블러나 건식스팀 또는 열판방식 등의 습도조절장치 등은 고순도의 물을 공정챔버에 제한된 용량으로 공급하는 데에만 사용될 수 있는 것으로서, 크린룸의 습도조절과 같은 대량의 공기의 습도조절에는 적절치 못하다는 단점이 있다.

또한, 이와 같이 종래에 설치된 대부분의 산업용 가습장치는 공기조화 기(AHU)내에 직접 설치되어 습도 조절의 중요한 필수 요소로서 시공되고 운영되어 왔으나, 고유가로 인하여 근래 사회적으로 친환경적이고 고성능, 고품질에 맞는 에너지 절약형 시스템에 대한 관심이 집중되면서 이러한 공기조화기내에 직접 설치 방식은 기술적으로 어느 정도 만족시켜 오고 있으나, 대규모의 공기조화 설비에 있어서 연료비 상승과 효율면에서 문제점을 가지고 있다.

이러한 종래의 대표적인 공기조화기(B)의 구성은, 도 1에 도시된 바와 같이,크린룸내로 공기를 공급하는 덕트(100)의 입구와 출구에 필터(101)가 각기 설치되고, 상기 덕트(100)내에는 동절기에 난방과 가습을 위하여 보일러(102)에 연결된 난방코일(103)과 가습을 위한 가습기(104)가 설치되고, 하절기의 냉방과 감습을 위하여 냉동기(105)에 연결된 냉각코일(106)이 설치되고, 송풍기(107)가 설치되어 있어, 동절기에는 보일러(102)가 가동되어 난방코일(103)이 가동되고 가습기(104)가 가동되면서 크린룸내로 가습된 공기를 공급하는 구조이나, 연료비의 상승으로 인하여 가습기(104)의 보일러(102)에 대한 가열부하에 막대한 운전비용이 소요되고 있다.

본 발명의 목적은, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 겨울철 외부의 건조한 공기를 크린룸내의 목표로 하는 절대습도에 맞게 수증기를 크린룸 내부에서 직접 기화 가습하여 필요한 초순수량을 정확히 공급함으로써 기존 공조기의 가습에 필요한 가열부하를 생략하게 되어 운전비용이 획기적으로 저감되도록 한 본 발명에 따른 크린룸내의 직접분무식 기화가습장치 및 습도제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 물질전달에서 수증기 밀도(분압)가 높은 곳에서 낮은 곳으로 일어나는 원리를 이용한 것으로 초순수를 가열하거나 냉각을 하지 않고, 펌프로 노즐을 통하여 공기중에 분무하여 가습하는 방법으로, 이때 공기를 가습시키는 수분은 초순수가 노즐에 의해 분무된 수증기 상태이며, 수증기 상태로 되기 위해서는 주위 공기로부터 증발잠열을 흡수해야 하므로, 분무로 인한 가습과정은 증발잠열을 얻어서 다시 공기에 되돌려 주는 단열변화이다(즉, 증기상태로 가습하는 것임) 즉, 이 과정은 습공기선도의 각 상태에서 열 함량을 나타내는 엔탈피 변화(h1≒h2)가 거의 없지만, 크린룸내의 온도는 감소하는 효과가 발생하는 원리를 이용한 것이다.

본 발명의 이러한 목적은 크린룸내에 정확한 필요 수분량 파악 및 공급을 위한 컨트롤 밸브 제어부와, 파악된 요구 초순수량을 정확히 크린룸내에 기화가습하기 위한 초미립자상태의 초순수를 분무하기 위한 크린룸내에 설치된 매니폴터와, 매니폴더에 초순수를 공급하는 매니폴더에 연결된 초순수공급부와, 상기 매니폴더 에 연결되고 초순수를 분무하기 위한 압축공기 발생부를 포함하는 본 발명에 따른 크린룸내의 직접분무식 기화가습장치에 의하여 달성된다.

본 발명의 이러한 목적은 크린룸내에 적정한 습도 및 온도를 파악하는 단계와, 상기 크린룸내에서 파악된 습도 및 온도가 규정 습도 이하일 경우에는 초순수를 기화가습하는 분무수단에 의하여 크린룸내에 초미립자상태의 초순수를 분무시키는 단계와, 초미립자상태의 초순수가 분무됨과 동시에 크린룸내의 증발잠열을 흡수함으로서 크린룸내의 온도를 저하시키는 단계와, 상기 크린룸내의 습도가 적정하게 되면 초순수의 분무가 정지되는 단계를 포함하는 본 발명에 따른 습도제어방법에 의하여 달성된다.

본 발명에 따른 크린룸내의 직접 분무식 기화가습장치는 겨울철 외부의 건조한 공기를 크린룸내의 목표로 하는 절대습도에 맞게 수증기를 크린룸 내부에서 직접 기화 가습하여 필요한 초순수량을 정확히 공급함으로서, 기존 공조기의 가습에 필요한 난방부하를 생략함으로 운전비용을 획기적으로 저감하도록 한 것이다.

지금까지 크린룸내의 습도제어를 위해서 적용되어진 운영방법은 크린룸의 외부에서 증기가습이나 수분무가습을 통하여 운영되어 왔다. 그러나 이러한 방법은 보일러에 의한 가열부하를 수반하게 되므로써 많은 운전비용을 감수해야만 하였다. 그러나 본 발명에 따른 크린룸내의 직접 분무식 기화가습장치를 통한 가습방식은 미세 분무만으로 가습효과와 증발잠열을 흡수함으로서 온도 감소의 효과를 동시에 이룰 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 크린룸내의 직접분무식 기화가습장치(A)는 크린룸내의 공기의 온도 및 습도와 같은 현재 상태를 온습도 센서를 통하여 정확히 인지한 후, 부족한 수증기를 요구되는 위치에 기화가습장치를 통하여 필요한 수증기량을 정확히 공급하는데 그 핵심이 있다.

수적의 크기와 기화도의 관계에서 입자의 크기가 커질수록 기화도는 지수함수에서 감소 곡선과 같은 형태로 거동하게 된다. 다시 말하면 액적이 작을수록 대기 중에 기화가 쉽게 발생되고, 액적이 클수록 응축 가능성이 커지게 된다. 또한 수증기가 구조물에 인접할 경우 기화현상이 발생하기 전에 구조물에 응축현상이 발생하게 된다. 이러한 수증기의 입자의 기화도와 응축관계들을 고려하여 본 발명에서는 크린룸내 풍도구간의 최적 조건에서 직접 분사식 기화가습장치를 위치한다.

본 발명의 일실시예에 따른 크린룸내의 직접 분무식 기화가습장치(A)는 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명된다.

본 발명의 일실시예에 따른 크린룸(30)은 공기중의 미립자, 공기의 온도 및 습도, 실내압력 및 기류 등을 일정하게 유지하도록 제어된 공간이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 크린룸(30)의 상부에는 크린룸(30)의 천정에 설치되어 전체적인 공기의 흐름을 유도하여 크린룸(30)에 공급하는 팬필터유닛(32, Fan Filter Unit)이 다수가 설치되고 하부 또는 일측에는 크린룸(30)내의 양압 유지와 프레쉬에어를 공급하는 공기조화기(B)가 설치되고, 정밀한 온도제어를 목적으로 건조냉각코일(33,Dry Cooling Coil)이 크린룸(30)의 내부 공기가 크린룸의 하부에서 상부로 이동하는 통로인 풍도구간(31)의 초입에 설치되어 있고, 본 발명의 직접분무식 기화가습장치(A)는 구조물의 영향을 최소화하고 기화거리를 최대한 확보할 수 있는 크린룸 내부의 공기가 크린룸의 하부에서 상부로 이동하는 통로인 풍도구간(31)에 위치되어 운영된다.

본 발명의 일실시예에 따른 크린룸 내의 직접 분무식 기화가습장치(A)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 크린룸(30) 내에 위치되며 초순수 분무를 위한 노즐(41)이 구비된 매니폴더(40), 크린룸(30) 내의 온도와 습도에 대한 확인을 하는 컨트롤 밸브 제어부(50), 상기 매니폴더(40)에 까지 연결되어 초순수를 공급하는 초순수공급부(60),상기 매니폴더(40)까지 연장된 압축공기 발생부(70)를 포함한다.

본 실시예에서는 각 매니폴더(40)에 4개의 노즐(41)이 설치되어 있다. 각 매니폴더(40)에는 초순수가 저장되는 초순수저장조(42)가 설치되어 있다. 상기 초순수저장조(42)에는 중력에 따라 상하로 이동되는 중공볼(42a)이 설치되어 상기 중공볼(42a)의 상하운동에 따라 초순수공급배관(61a)의 초순수공급을 조절한다. 상기 초순수저장조(42)에는 초순수공급배관(61a)이 연결되어 있으며, 비가습시 초순수의 정체로 인한 초순수공급배관(61a)내의 오염발생과, 미생물발생, 및 화학작용을 예방하기 위하여 중간에 상기 초순수공급배관(61a)에서 분기되어 초순수공급부(60)로 다시 초순수를 회수시키는 초순수회수배관(61b)을 통하여 계속 순환을 하게 된다. 만일, 가습상황이 발생될 경우 압축공기가 분출되면서 초순수저장조(42)내의 초순수가 분무되고, 상기 초순수저장조(42)의 수위가 낮아지면 초순수를 공급하는 초순수공급배관(61a)이 열리면서 초순수저장조(42)의 수위가 일정하게 유지되게 되는 구조이다. 상기 초순수공급배관(61a)은 초순수저장조(42)로 연장되고 상기 초순수저장조(42)에서 매니폴더(40)내로 연장되며 노즐(41)에 연결되어 있고, 초순수회수배관(61b)은 상기 초순수공급배관(61a)의 중간에서 분지되어 초순수공급부(60)로 연장되는 구조이다.

상기 매니폴더(40)는 크린룸(30)에서 약 4m이상의 충분한 기화거리가 확보되도록 설치되어야 하며 구조물에 영향을 최소화 할 수 있도록 공기순환통로인 풍도구간(31)에 설치되어 미세하게 분무된 초순수가 응축현상이 발생되지 않도록 설치되어야 한다.

상기 컨트롤 밸브 제어부(50)는 크린룸(30)의 내부에 설치된 말단의 온습도 센서(51)를 통하여 항상 온습도 상태량을 인식할 수 있다. 만일 제어부(50)에 인식된 노점온도의 제어범위가 하한선에 도달하게 되면 가습신호를 호출하게 되고, 컨트롤 밸브 제어부(50)가 압축공기발생부(70)의 압축공기배관(71)상에 설치된 밸브(72)를 오픈시키면 매니폴더(40)상에 설치된 노즐(41)을 통하여 가습이 이루어지게 되는 것이다. 만일 컨트롤 밸브 제어부(50)에 의하여 인식된 상태값이 제어범위의 상한선에 도달될 경우에는 컨트롤 밸브 제어부(50)가 압축공기발생부(70)의 압축공기배관(71)상에 설치된 밸브(72)를 오프시키면 가습이 종료되고 초순수저장조(42)도 닫히게 되는 것이다.

상기 초순수공급부(60)는 상기 초순수저장조(42)로 유입되는 초순수가 공급되는 초순수공급배관(61a)과 상기 초순수공급배관(61a)상에는 일정압력을 유지할 수 있도록 설치된 초순수순환펌프(61c)와 상기 초순수공급배관(61a)의 상기 순수 저장조(42)의 근처에서 분기되며 초순수공급부(60)로 연장된 초순수회수배관(61b)으로 구성되어 있다.

상기 압축공기발생부(70)는 통상적인 컴퓨레서가 사용되고 상기 매니폴더(40)까지 연장된 압축공기배관(71)이 설치되어 있다. 상기 압축공기배관(71)상에는 일정압력이상일 경우에는 개방되도록 레귤레이터(73)가 배치되어 있다.

본 발명에 따른 습도제어방법은 크린룸내에 적정한 습도 및 온도를 파악하는 단계와, 상기 크린룸내에서 파악된 습도 및 온도가 규정 습도 이하일 경우에는 초순수를 기화가습하는 분무수단에 의하여 크린룸내에 초미립자상태의 초순수를 분무시키는 단계와, 초미립자상태의 초순수가 분무됨과 동시에 크린룸내의 증발잠열을 흡수함으로서 크린룸내의 온도를 저하시키는 단계와, 상기 크린룸내의 습도가 적정하게 되면 초순수의 분무가 정지되는 단계를 포함한다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 크린룸내의 직접분무식 기화가습장치 의 작동 및 습도제어방법을 이하에 상세히 설명한다.

먼저, 크린룸(30)내의 습도가 부족할 경우에는 먼저 컨트롤 밸브 제어부(50)의 온습도 센서(51)에서 이를 인지하고 컨트롤 밸브 제어부(50)로 습도부족의 신호를 발생시킨다. 이와 같은 습도부족의 신호를 컨트롤 밸브 제어부(50)에서 인지하게 되면, 컨트롤 밸브 제어부(50)는 압축공기발생부(70)의 압축공기배관(71)상에 설치된 밸브(72)를 오픈시키는 신호를 보내 밸브(72)를 오픈시켜 압축공기를 송출시키면 매니폴더(40)상에 설치된 노즐(41)이 개방되면서 초순수를 분무하게 되는 것이다. 이와 같이 초순수가 크린룸(30)내로 분무되면 크린룸(30)내의 습도가 높아 지게 됨과 동시에 분무되는 미세입자가 증발되면서 잠열을 흡수하게 되므로 크린룸내의 온도가 낮아지게 되는 것이다. 이상과 같이 크린룸내의 습도가 적정수준에 도달하게 되면 컨트롤 밸브 제어부(50)의 온습도 센서(51)에서 이를 인지하고 컨트롤 밸브 제어부(50)로 신호를 송출하게 되면 컨트롤 밸브 제어부(50)에서는 이를 인지하고 밸브(72)를 폐쇄시키면 압축공기의 송출이 정지되면서 크린룸내의 분무가 정지되게 되는 것이다. 이상과 같이 크린룸내의 습도의 조절을 직접 크린룸내에 설치된 매니폴더(40)의 노즐(41)에 의하여 분무하게 되므로서 용이하게 조절할 수 있게 되며 습도조절의 비용이 대단히 절감될 수 있게 되는 것이다.

본 발명에 따른 크린룸내의 직접분무식 기화가습장치 의 작동 및 습도제어방법은 반복적인 실시가 가능한 발명으로서 산업상 이용가능성이 있는 발명이라고 할 것이다.

도 1은 종래 공기조화장치의 가습 시스템 개략도

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기화 가습 시스템의 개략적인 구성도

도 3은 본 발명의 일실시에에 따른 크린룸내에 설치된 직접 분무식 기화 가습 시스템의 개략적인 구성도

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 기화 가습 시스템의 구성도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

30. 크린룸 40. 분무 매니폴더

50. 컨트롤 밸브 제어부 60. 초순수 공급부

70. 압축공기 발생부 72. 컨트롤 밸브

Claims (1)

1. 크린룸내의 직접분무식 습도제어방법에 있어서,

   상기 습도제어방법은,

   크린룸(30)내의 적정한 습도 및 온도를 크린룸(30)내에 설치된 온습도센서(51)에서 감지하고 이를 컨트롤 밸브 제어부(50)로 송출하는 단계와,

   상기 크린룸(30)내의 상기 온습도센서(51)에서 감지된 습도가 규정습도 이하일 경우 컨트롤 밸브 제어부(50)에서 인지하고 상기 컨트롤 밸브 제어부(50)에서 압축공기발생부(70)의 압축공기배관(71)상에 설치된 밸브(72)를 오픈시켜 매니폴더(40)상의 노즐(41)이 압축공기에 의하여 크린룸(30)내에 초미립자상태의 초순수를 분무시키는 단계와,

   상기 초미립자상태의 초순수가 분무됨과 동시에 초미립자상태의 초순수가 증발되면서 크린룸(30)내의 증발잠열을 흡수하여 크린룸(30)내의 온도를 저하시키는 단계와,

   상기 크린룸(30)내의 습도가 설정된 목표습도에 근접하면 온습도센서(51)에서 이를 감지하고 밸브(72)를 오프시켜 초순수의 분무가 정지되는 단계와,

   상기 초순수의 분무가 정지되면 초순수공급배관(61a)과 초순수회수배관(61b)을 통하여 초순수를 순환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 크린룸내의 직접분무식 습도제어방법

Images