KR20240068580A - Cda 순환형 하이브리드 제습을 위한 공기정화장치 및 이를 적용한 밀폐형 efem - Google Patents

Cda 순환형 하이브리드 제습을 위한 공기정화장치 및 이를 적용한 밀폐형 efem Download PDF

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Abstract

본 실시예는 EFEM(Equipment Front End Module)으로 공기를 필터링하여 투입하는 공기정화장치에 있어서, 상기 공기정화장치의 전단부에 배치되어 기체막 분리를 통해 수분을 제거하는 멤브레인; 및 상기 멤브레인에서 전달된 공기의 수분을 응축하여 제거하는 응축조를 포함하고, 상기 응축조에는 상기 EFEM으로 건조공기를 회수하는 재생라인이 결합되어 있는, 공기정화장치를 제공할 수 있다.

Description

CDA 순환형 하이브리드 제습을 위한 공기정화장치 및 이를 적용한 밀폐형 EFEM {Air Purifier Device for Hybrid Dehumidification for Circulating Clean Dry Air and EFEM including the same.}
본 실시예는 수분 제거용 멤브레인 및 열전소자를 구비하여 하이브리드 제습이 가능한 CDA(Clean Dry Air) 순환형 공기정화장치 및 이를 적용한 밀폐형 EFEM(Equipment Front End Module)에 관한 것이다.
또한, 본 실시예는 멤브레인 전단에 습도 건조공기(CDA: Clean Dry Air)를 0 공급하여, 멤브레인 내부에서 물 분자는 외부로 분리되고, 이보다 큰 산소 및 질소 분자는 멤브레인 출력 단부로 통과하여 물 분자가 제거된 저습의 건조공기를 열전소자가 장착된 응축부로 통과시켜 보다 더 건조한 상태의 건조공기를 제습을 요하는 장치-예를 들어, 반도체 EFEM 등-의 내부공간에 건조공기를 투입, 순환시켜주는 제습이 가능한 공기정화장치에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에 있어서 웨이퍼 및 이에 형성되는 반도체 소자는 고정밀도의 물품으로, 보관 및 운반 시 외부의 오염 물질과 충격으로부터 손상되지 않도록 주의해야 한다. 특히, 웨이퍼의 보관 및 운반의 과정에서 그 표면이 먼지, 수분, 각종 유기물 등과 같은 불순물에 의해 오염되지 않도록 관리가 필요하다.
종래에는 반도체의 제조 수율 및 품질의 향상을 위하여, 클린룸(clean room) 내에서의 웨이퍼의 처리가 이루어지곤 하였다. 그러나 소자의 고집적화, 미세화, 웨이퍼의 대형화가 진행됨에 따라, 비교적 큰 공간인 클린룸을 관리하는 것이 비용적으로도 기술적으로도 곤란해져 왔고, EFEM(Equipment Front End Module)을 포함하는 반도체 공정장치는 로드포트모듈(LPM; Load Port Module), 웨이퍼 용기(FOUP; Front Opening Unified Pod), 팬필터유닛(FFU; Fan Filter Unit) 및 웨이퍼 이송챔버 등을 포함하여 이루어질 수 있다.
특히, 최근 반도체 공정에서 습도의 중요성이 강조 되고 있는데, EFEM 설비의 풉 내부의 웨이퍼는 공정 대기 또는 공정 진행 중에 있어서 작업환경 내의 수분(H2O)와 산소(O2) 등로 인해 웨이퍼 표면에 자연 산화막을 성장시켜 반도체 소자 특성에 해를 끼치고 생산성을 저하시키는 등의 악영향을 끼친다.
이에 따라 EFEM의 내부 공간을 밀폐함과 함께 내부 공간의 분위기를 질소(불활성 가스)로 치환함으로써, 내부 공간으로부터 산소나 수분을 제거하는 방법이 제안되었으나, 질소를 대량으로 소비하면 러닝 코스트가 높아지므로, 질소를 내부 공간에서 순환시킴으로써 질소의 소비를 억제하고 있다.
EFEM의 공기 정화를 위해서는 EFEM 내부에 공기정화장치를 설치할 수 있으나, 이송로봇 등의 구조물에 의한 공간 제약이나, 웨이퍼 이송 및 반송 경로를 확보하기 위하여 공간의 제약이 발생할 수 있다. 이에 따라, EFEM 외부에 별도의 공기정화장치에 의해 정화된 공기를 EFEM으로 재투입하는 구조를 가질 수 있다.
하지만, 종래의 공기정화장치에서 습기 제거를 위한 흡습제를 사용하는 경우 흡습제의 반복 교체의 불편함이 있고, 교체 과정에서 공정이 중단되는 문제가 발생하게 되고, 흡습제의 흡습 용량에 따라 습도 제거 성능에 한계가 있게 된다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 전술한 기술적 문제점을 해결하기 위해, EFEM 내부공간 분위기를 조절하도록 공기에 포함된 수분을 응축시켜 제습 정화하여 순환류로 사용하고, CDA 컨트롤으로 N2 콘트롤 대비 작업자의 안전성 확보, 운용비용 절감할 수 있는 CDA 순환형 공기정화장치 및 이를 적용한 밀폐형 EFEM을 제공하는 것이다.
또한, 본 실시예의 목적은, N2 GAS 사용대비 습도 및 온도 조절이 신속한 CDA로 사용을 전환함으로써, 종래의 N2 GAS의 사용 비용을 절감해서 운영할 수 있는 CDA 순환형 공기정화장치 및 이를 적용한 밀폐형 EFEM을 제공하는 것이다.
또한, 본 실시예의 목적은, 필터 및 흡착부에 의해 습기제거와 동시에 흄성분도 함께 제거함으로써, 별도의 추가적인 흄제거 장치의 장착이 불필요하여 설치공간이나 설치비용을 절감할 수 있는 멤브레인을 구비한 CDA 순환형 공기정화장치 및 이를 적용한 밀폐형 EFEM을 제공하는 것이다.
또한, 본 실시예의 목적은, 또한, 본 실시예의 목적은 멤브레인(Membrane)을 전단부에 적용하여 공간구조의 소형화가 가능하게 함으로써, 멤브레인을 통과한 공기에 대해서는 열전소자 및 초음파 진동자를 설치하여 제습 성능을 극대화한 CDA 순환형 공기정화장치 및 이를 적용한 밀폐형 EFEM을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 실시예는, 일 측면에서, EFEM(Equipment Front End Module)으로 공기를 필터링하여 투입하는 공기정화장치에 있어서, 상기 공기정화장치의 전단부에 배치되어 기체막 분리를 통해 수분을 제거하는 멤브레인; 및 상기 멤브레인에서 전달된 공기의 수분을 응축하여 제거하는 응축조를 포함하고, 상기 응축조에는 상기 EFEM으로 건조공기를 회수하는 재생라인이 결합되어 있는, 공기정화장치를 제공할 수 있다.
공기정화장치에서 상기 응축조는 내부로 연장되어 상기 공기의 수분 응축을 유도하는 흡열핀을 더 포함할 수 있다.
공기정화장치에서 상기 흡열핀은 가열 및 냉각 반응을 위한 열전소자와 결합되어 있을 수 있다.
공기정화장치에서 상기 열전소자는 상기 응축조의 외부에서 방열을 수행하는 방열판과 결합되어 있을 수 있다.
공기정화장치에서 상기 멤브레인을 통과한 공기는 상기 응축조의 상부로 공급되어 상기 응축조의 하부로 전달되고, 상기 응축조는 응축된 수분을 하부의 배출구를 통해 배출할 수 있다.
공기정화장치에서 상기 응축조의 상기 배출구를 통해 수집된 수분은 별도로 형성된 냉각수탱크에 저장될 수 있다.
공기정화장치에서 상기 냉각수탱크에 저장된 응축수는 쿨링라인을 통해 상기 응축조의 외부로 전달되어 열교환을 수행할 수 있다.
공기정화장치에서 상기 냉각수탱크에서 상기 쿨링라인으로 냉각수를 펌핑하는 펌프를 더 포함할 수 있다.
공기정화장치에서 상기 냉각수탱크의 내부에 투입되어 초음파 진동을 수행하는 초음파진동자를 더 포함할 수 있다.
공기정화장치에서 상기 초음파진동자에 의해 증발된 수증기가 배출되는 수증기배출라인을 더 포함할 수 있다.
공기정화장치에서 상기 냉각수탱크와 연결되고, 상기 냉각수탱크에 저장된 액상의 응축수를 배출하는 응축수배출라인을 더 포함할 수 있다.
공기정화장치에서 상기 배출구에 결합되어 유체의 흐름을 조절하는 응축조밸브를 더 포함할 수 있다.
공기정화장치에서 상기 응축조의 내부에서 공기의 하강 기류를 형성하는 블로어를 더 포함할 수 있다.
공기정화장치에서 상기 멤브레인의 전단부에 배치되어 상기 멤브레인으로 전달되는 공기의 유량을 조절하는 멤브레인팬을 더 포함할 수 있다.
공기정화장치에서 상기 멤브레인의 입구 및 출구와 연결된 바이패스라인을 더 포함할 수 있다.
공기정화장치에서 상기 멤브레인의 입구 및 바이패스라인의 입구에는 각각 독립적으로 구동하는 멤브레인밸브 및 바이패스라인밸브 더 포함할 수 있다.
공기정화장치에서 제1 시구간에는 상기 EFEM에서 공급되는 공기가 상기 멤브레인으로 공급되고, 제2 시구간에는 상기 EFEM에서 공급되는 공기가 상기 바이패스라인으로 공급될 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 실시예는, 공기정화장치에 있어서, 상기 공기정화장치의 전단부에 배치되어 수분을 제거하는 멤브레인; 상기 멤브레인에서 전달된 공기의 수분을 응축하여 제거하는 응축조; 및 상기 멤브레인의 전후단과 연결되어 공기를 통과시키는 바이패스라인를 포함하고, 제1 시구간에는 상기 멤브레인으로 공기가 통과하고, 상기 바이패스라인으로 공기가 통과하지 않고, 제2 시구간에는 상기 멤브레인으로 공기가 통과하지 않고, 상기 바이패스라인으로 공기가 통과하는, 공기정화장치를 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의하면, EFEM의 내부공간의 분위기를 조절하도록 공기-예를 들어, 건조공기-를 정화하여 순환류로 사용함으로써, CDA의 콘트롤으로 N2의 콘트롤 대비 작업자의 안전성을 확보하는 동시에 운영 비용을 저감할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, N2 GAS 사용대비 습도 및 온도 조절이 신속한 CDA로 사용을 전환함으로써, 종래의 N2 GAS의 사용 비용을 절감해서 운영할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, CDA 순환만으로 EFEM내의 습도를 1% 이하 유지 가능한 시스템을 구현할 수 있고, 반도체 공정 라인에서 습도 10%의 CDA를 투입해서 노점 -20 ~ -40℃로 처리 가능한 멤브레인(Membrane)을 거치면서 물(H2O) 분자가 외부로 분리되고, 습도 3%수준의 CDA를 획득할 수 있게 된다. 공기정화장치는 멤브레인(Membrane)을 통과한 3% 수준의 CDA를 내부의 응축조로 통과시킴으로써 열전소자 및 초음파 진동자 등에 의해 최종 1% 이하의 아주 건조한 CDA를 생성할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에 의하면 발생된 응축수를 이용, 열전소자의 과열현상을 방지하기 위해 열전소자 외부에 부착된 방열판을 냉각하는 냉각 순환수로 활용할 수 있어 에너지 효율을 개선할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면 제습제 미사용에 따른 경제적 비용이 절감되고, 고온의 배기가스가 배출되지 않을 수 있다.
도 1은 공기정화장치 및 EFEM의 내부 공기 순환을 예시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 공기정화장치의 내부 구조를 예시한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 공기정화장치의 내부에서 유체 흐름을 예시한 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 공기정화장치 및 EFEM의 구성도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 제어장치의 제어계통을 예시한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 공기정화장치 및 EFEM의 공기 순환 흐름을 설명하는 제1 예시 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 공기정화장치 및 EFEM의 공기 순환 흐름을 설명하는 제2 예시 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들은 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 공기정화장치 및 EFEM의 내부 공기 순환을 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, EFEM(110)은 팬필터유닛(111), 이송로봇(112), 이송챔버(113) 등을 포함할 수 있다.
EFEM(100)의 프레임은 EFEM(100)의 내부 이송챔버(113)를 형성하고, 팬필터유닛(111)으로부터 기체를 공급받을 수 있다.
팬필터유닛(111)은 이송챔버(113)의 상부에 배치되고, 이송챔버(113)의 내부로 기체를 필터링하여 공급할 수 있다.
이송로봇(112)은 이송챔버(113)를 통해 웨이퍼의 식각 공정 등을 위해 다른 장비로 이송 및 반송할 수 있다.
풉(30)은 로드포트모듈(LPM: Load Port Module) 등에 결합되어 웨이퍼 이송 및 반송 공정 이외의 시간에 웨이퍼를 저장하는 장치일 수 있다.
풉(30)은 EFEM(100)의 일 측면에 결합되고, 웨이퍼 이송을 위한 이송 경로를 형성할 수 있다.
EFEM(100)의 내부의 공기는 풉(300)에서 웨이퍼가 이송 및 반송되는 과정에 풉(30)의 내부로 전달될 수 있고, 이로 인해 풉(130) 내부 공간으로 파티클을 전달하거나 습도를 상승시키게 되므로 EFEM 내부 공기의 청정도 및 습도를 적절하게 조절할 필요가 있다.
이를 위해 공기정화장치(200)를 결합하여 EFEM(100)의 내부 기체의 순환 과정에서 파티클, 흄, 수분 등을 필터링하고 재공급하는 구조를 가질 수 있다. EFEM(100)은 외부에서 도관(1, 2)에 의해 연결된 공기정화장치(200)에 의해 건조공기의 수분, 파티클, 흄 등의 제거를 수행하여 재투입하는 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, EFEM(100)에는 기체의 배출을 위한 도관(1) 및 공기정화장치(200)를 통해 정화된 기체의 재공급을 위한 도관(2)과 연결될 수 있다. 필요에 따라, EFEM(100)으로 건조공기를 직접 투입하기 위한 도관(3)과 연결될 수 있다.
공기정화장치(200)는 건조공기(CDA; Clean Dry Air)를 인입하는 인입구와 건조공기를 배출하는 배출구와 건조공기를 재투입하는 재투입구 등을 구비하는 EFEM(Equipment Front End Module)에 연결되어 건조공기를 순환시켜 EFEM의 내부공간의 분위기를 조절할 수 있다.
공기정화장치(200)에는 수분(H2) 제거를 위한 멤브레인(Membrane)이 전단부에 결합되어 있을 수 있고, 멤브레인을 구비한 CDA 순환형 공기정화장치는 멤브레인 전단에 RH 10% 수준의 건조공기(CDA: Clean Dry Air)를 0.3~1MPa의 압력으로 공급하여, 멤브레인 내부 분리막의 용해확산 원리를 이용하여, 운동 직경(Kinetic diameter)가 약 2.65Å인 물(H2O) 분자는 가장 빠르게 용해 확산되어 외부로 분리되고, 상대적으로 투과속도가 느린 운동 직경이 약 3.64Å인 질소(N2) 분자 및 운동 직경이 약 3.46Å의 산소(O2) 분자는 멤브레인의 출구로 통과하는 중공사형 분리막을 적용할 수 있다.
공기정화장치(200)는 멤브레인에 의해 수분이 10%보다 낮은 수준의 건조공기를 제습기 전단부로 공급해주는 전처리부와 전처리부를 통과한 보다 더 건조한 상태의 건조공기를 공기정화장치 내부로 순환시켜 EFEM 또는 제습을 요하는 장치의 내부공간의 습도와 청결도를 조절할 수 있다.
공기정화장치(200)는 멤브레인을 통과한 공기를 장착된 응축부 내부로 통과시켜 노점 -20℃ 수준의 열전소자의 흡열핀(응축핀)에서 응축반응이 일어나 수분 입자를 응축시켜 물방울 형태(응축수)로 제거하고, 최종 1% 이하의 아주 건조한 CDA를 생성하여 EFEM 내부공간으로 공급하는 제습 동작을 수행할 수 있다.
EFEM(100) 내부에는 이송로봇(112)에 의한 부피를 차지하거나, 웨이퍼 이송 및 반송을 위한 경로를 형성하기에 공기정화장치의 배치를 위한 공간을 확보하지 못할 수 있고, 유지 보수의 용이성을 위해 공기정화장치(200)는 EFEM(100)의 외부에 설치될 수 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 공기정화장치의 내부 구조를 예시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 공기정화장치(200)는 멤브레인(210), 응축조(230), 냉각수탱크(240), 응축유닛(250), 제어장치(260), 펌프(270) 등을 포함할 수 있다.
멤브레인(210)은 EFEM에서 공기가 유입되는 도관(201)과 연결되어 공기정화장치(200)의 전단부에 설치됨으로써, 공기 내의 수분 제거를 수행하는 제습-예를 들어, RH 10%의 공기를 RH 1% 공기로 제습- 공정의 속도를 단축시키는 역할을 수행할 수 있고, 사전적으로 신속하게 제습된 공기를 제습이 필요한 공간에 투입하는 역할을 수행할 수 있다.
멤브레인(210)은 고분자 소재 등으로 이루어진 기체 분리막에 의한 멤브레인일 수 있고, 중공사형 분리막으로서 가운데가 비어있는 실 형태의 분리막을 포함할 수 있다.
멤브레인(210)에서 기체 분리막의 가스투과 메커니즘은 용해확산모델 (Solution-Diffusion model)로 설명될 수 있고, 공급단측에서 가스가 분리막에 용해되는 단계, 분리막 내에서 투과측으로 확산되는 단계, 투과측에서 기체가 탈착되는 단계로 설명될 수 있다. 이 경우 투과추진력은 공급측과 투과측의 농도 차이에 기인할 수 있다.
멤브레인(210)의 기체분리막의 경우 용해와 확산단계 중에서 확산에 지배적인 영향을 받을 수 있고, 이로 인해 기체가 분리막을 투과하는 기체의 운동반경(Kinetic diameter)에 의존하여 투과속도가 차이가 발생할 수 있다.
예를 들어, 물(H2O)의 경우는 운동반경이 약 2.65Å로 일반 대기의 공기 조성비를 압축하여 공급하게 되면 가장 빠르게 용해 확산되어 분리될 수 있다. 이 경우 일부 산소(O2)도 분리 배출될 수 있다.
멤브레인(210)은 물(H2O) 분자를 외부로 탈출시키기 위해 일정한 인가 압력으로 건조공기(CDA)를 공급해야 하고, 사용 압력 범위는 3~8 bar 사이로 운영될 수 있다.
공기정화장치(200)에서 멤브레인(210)을 구비함으로써, 응축조(230)의 제습 부하 및 재생 빈도를 줄임으로써, 응축조(230)의 크기를 줄이고 제습 성능을 증가시키는 역할을 수행할 수 있다.
다만, 멤브레인(210)은 100% 유량 흡입시 약 10~20%는 외부로 Purge(손실) 되는 구조를 가지기 때문에, 전 기간에 대해 멤브레인(210)을 구동하게 되면 유량 손실이 발생하게 된다. 따라서, EFEM 또는 공기정화장치의 기체의 습도가 일정 습도-예를 들어, 1%-에 도달시 멤브레인 공급라인을 클로즈(Close)하고 바이패스라인으로 순환시켜 유량 손실을 방지할 필요가 있다.
공기정화장치(200)은 멤브레인(210)의 전단부에 배치되어 공기정화장치(200)의 공기 순환을 촉진시키기 위해 공기의 유량을 조절하는 멤브레인팬(281)을 포함할 수 있다. 멤브레인팬(281)은 기체 흡입을 수행하고, 풍속이 조절가능한 팬일 수 있다.
멤브레인(210)을 통과한 공기는 하부에서 상부로 이동하고, 응축조(230)의 상부에 공급될 수 있다.
멤브레인(210)이 배치됨에 따라 전처리로 수분을 제거하여 열전소자(252) 부하용량(크기, 전력소모량 등) 최적화가 가능하게 된다.
응축조(230)는 상부에서 하부로 이동하는 과정에 내부 습공기의 응축을 수행하여 제습 동작을 수행할 수 있다.
응축조(230)는 멤브레인에서 전달된 공기의 흡열 반응을 발생시켜 수분을 응축시킴으로써 공기 중의 수분을 제거 또는 감소시키는 제습 동작을 수행할 수 있다.
응축조(230)의 내부에서 제습 동작을 수행한 이후 응축된 수분은 하부의 배출구를 통해 배출 및 저장될 수 있다. 제습 과정에서 획득된 수분은 중력에 의해 무동력으로 하강운동할 수 있으나, 응축조(230)의 내부에서 공기의 하강 기류를 형성하는 블로어(282)의 동작에 의해 응축조(230) 내부의 응축수 및 건조공기의 순환 속도를 향상시킬 수 있다.
응축조(230)를 통과하여 생성된 응축수는 배출구를 통해 냉각수탱크(240)으로 전달되어 저장될 수 있다. 여기서 응축수는 내부 순환을 통해 응축조(230)의 냉각수로 재활용될 수 있다.
응축조(230)를 통과하는 공기의 제습 및 응축은 응축유닛(250)에 의해 수행될 수 있다.
응축유닛(250)는 흡열핀(251), 열전소자(252), 방열판(253), 쿨링팬(254) 등을 포함할 수 있다.
흡열핀(251)은 휜(fin) 형상을 가지고 응축조(230)의 내부의 표면에서 연장되어 응축조(230)를 통과하는 공기의 수분을 응축을 발생 또는 유도시키는 구조일 수 있다. 흡열핀(251)은 -30℃ 내지 -35℃의 온도 범위 내로 유지될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
흡열핀(251)은 연장된 복수의 돌출된 형상을 가질 수 있고, 응축조(230)의 내부 공기 흐름을 제한하지 않기 위하여, 응축조(230)의 중앙부는 개방된 상태로 유지시킬 수 있다.
열전소자(252)는 가열 및 냉각 반응을 위한 소자로서, 흡열핀(251)과 결합되어 연결된 구조를 가질 수 있다.
열전소자(252)는 열전소자 제습 원리로서 펠티어 효과(Peltier Effect)를 이용할 수 있다. 펠티어 효과는 온도차에 의해 폐회로 상에서 전위차가 발생되는 효과로서 저온냉각을 필요로 하는 반대편의 고온 부분을 강제 냉각시키면 저온부의 열이 고온쪽으로 전달되는 시벡(Seebeck) 효과를 이용하여 가열 및 냉각 반응을 수행할 수 있다. 열전소자(252)는 냉각시 약 -50℃의 온도 범위, 가열시 약 150℃ 온도 범위로 유지될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
열전소자(252)는 응축조(230)의 외부에 배치되고, 방열을 수행하는 방열판(253)과 결합되어 있을 수 있다. 방열판(253)은 약 50℃의 온도 범위 내로 유지될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
냉각팬(254)는 방열판(253)의 인근에서 발열부를 냉각하기 위한 팬일 수 있다. 냉각팬(254)을 설치함으로써 응축조(230)에서 교환된 열을 효과적으로 배출 및 냉각시킬 수 있다.
냉각수탱크(240)에 저장된 응축수는 쿨링라인(CL)을 통해 응축조(230)의 외부로 전달되어 열교환을 수행할 수 있고, 방열판(253)의 내부를 통과 및 접촉하여 방열판(253)의 방열 성능을 개선할 수 있다.
쿨링라인(CL)은 냉각수탱크(240)와 연결되어 펌프(270)에 의해 상부로 이동할 수 있고, 응축조(230)의 내부 또는 외부의 열교환을 추가로 수행하고, 반대편에 위치한 방열판(253)에 열교환을 다시 수행하는 3중 열교환 구조를 가질 수 있다. 이러한 방법으로 방열 성능을 개선함으로써, 응축조(230) 내부에서의 습공기의 제습 성능을 향상시킬 수 있다. 쿨링라인(CL)을 통해 순환을 완료하여 온도가 상승한 냉각수는 냉각수탱크(240)로 회수되거나, 필요시 외부로 배출될 수 있다.
쿨링라인(CL)이 블로어(282)의 하부를 통과하며, 블로어(282)에 의한 방열 냉각 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 블로어에 의한 공기는 약 23~25℃ 공기에 의한 방열 냉각 효과를 발생시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 블로어(282)는 인버터 타입 팬을 적용할 수 있고, 사용환경에 맞는 풍량 조절이 가능하다.
펌프(270) 및 쿨링라인(CL)에 의해 냉각수가 순환하게 되면서, 냉각팬(254)에 의한 공냉 및 쿨링라인(CL)에 의한 수냉의 2중 냉각 방식으로 효과적인 냉각이 가능하게 된다.
냉각수탱크(240) 내부에는 초음파 진동자(290)가 배치되어 냉각수의 초음파 진동을 발생시킬 수 있다. 본 실시예는 열전소자의 흡열핀에서 발생되는 응축수를 이용, 열전소자 방열판을 순환 냉각하고, 응축수 양이 일정 수위 이상 감지시 초음파 진동자를 이용 미세 분무형태로 외부로 배출할 수 있다. 이 과정에서 미세 분무형태로 증발시키는 과정에서 잠열에 기초하여 냉각수의 온도를 낮추는 효과를 얻을 수도 있다.
냉각수탱크(240)에는 냉각수 공급라인 및 밸브(V3)의 개폐에 의해 필요시 저온의 냉각수를 공급받을 수 있다. 냉각수탱크(240)에서 응축수 양이 일정 수위 이하로 떨어지면 부착된 수위 센서가 이를 감지하여, 별도로 구비된 PCW 공급 포트로 냉각수를 공급할 수 있다. 초기 냉각수 충진 상태에서 상시 PCW 라인의 연결 불필요 구조를 가짐에 따라, 공간적 제약에서 자유로울 수 있다.
전술한 방법으로 공기정화장치(200)는 CDA를 열전소자가 장착된 응축부 내부로 통과시키면 노점 -20℃ 수준의 열전소자의 흡열핀(응축핀)에서 응축반응이 일어나 수분 입자를 응축시킬 수 있고, 물방울 형태(응축수)로 제거하고, 최종 1% 이하의 아주 건조한 CDA를 생성하여 EFEM 내부 공간으로 공급할 수 있다.
전술한 방법으로 공기정화장치(200)는 발생된 응축수를 이용, 열전소자의 과열현상을 방지하기 위해 열전소자 외부에 부착된 방열판을 냉각하는 냉각 순환수로 활용하며, 생성된 응축수가 일정 수위 이상일 경우 응축수가 저장된 냉각수탱크(240) 내부에 장착된 초음파 진동자를 이용, 물방울을 1~10um 수준의 분무 형태로 외부로 배출 할 수 있다.
전술한 방법으로 공기정화장치(200)는 재생을 위한 히터가 필요 없고, 전처리부에서 노점 -20 ~ -40℃의 멤브레인으로 H2O분자를 97% 제거하여, 재생히터 전력 소모량 대비 열전소자 크기, 및 성능 부하를 줄일 수 있다.
재생라인(202)는 제습된 공기를 EFEM으로 공급하는 라인일 수 있고, 제습공기 공급부의 블로어(283)의 전단에 설치된 카본필터(285)로 흄성분을 제거할 수도 있다.
또한, 수증기배출라인(203)에도 초음파진동자(290)에 의해 증발된 수증기가 배출되기 위해 블로어(284)가 설치될 수 있고, 그 전단에는 ULPA 필터(286)이 배치될 수 있다.
응축조(230) 및 냉각수탱크(240)에는 밸브(V1)이 설치되어 통과되는 유량이 조절될 수 있고, 냉각수탱크(240) 및 수증기배출라인(203) 사이에도 밸브(V2)가 설치되어 통과되는 유량이 조절될 수 있다.
배출구에 결합되어 유체의 흐름을 조절하는 밸브(V1)는 응축조밸브로 정의될 수 있다.
도 3은 본 실시예에 따른 공기정화장치의 내부에서 유체 흐름을 예시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 멤브레인(210)을 통과한 공기는 응축조(230)의 내부로 공급되어 일부 수분이 응축되어 하부의 냉각수탱크(240)로 전달되고, 습도가 감소한 건조공기는 재생라인으로 전달되어 EFEM으로 공급될 수 있다.
냉각수탱크(240)는 도 3과 같이 초음파 진동자(290)에 의해 진동하여 생성된 1~10um 워터 포그(Water Fog) 형태로 응축수를 외부로 배출할 수 있고, 별도의 물배출 라인을 형성하지 않아, 공간적 제약에서 자유로울 수 있다.
필요시, 냉각수탱크(240)는 냉각수탱크와 연결되고, 냉각수탱크에 저장된 액상의 응축수를 직접 배출하는 응축수배출라인(미도시)를 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4는 본 실시예에 따른 공기정화장치 및 EFEM의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 공기정화장치(200)는 바이패스라인(220)을 더 포함할 수 있다.
바이패스라인(220)는 멤브레인(210)의 입구 및 출구와 연결될 수 있고, 공기정화장치(200)는 멤브레인(210)의 입구 및 바이패스라인(220)의 입구에는 각각 독립적으로 구동하는 멤브레인밸브(V4) 및 바이패스라인밸브(V5)를 더 포함할 수 있다.
제1 시구간에는 EFEM에서 공급되는 공기가 멤브레인(210)으로 공급되고, 바이패스라인(220)으로 공급되지 않을 수 있다. 제2 시구간에는 EFEM에서 공급되는 공기가 멤브레인(210)으로 공급되지 않고, 바이패스라인으로 공급될 수 있다.
이러한 방법으로 내부 순환하는 공기의 상태-예를 들어, 습도의 정도-에 따라 멤브레인의 구동 여부를 선택적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 내부 순환 공기의 습도가 기준 습도-예를 들어, 습도 1%-에 도달시 멤브레인(210) 통과 없이 바이패스라인(220)으로 순환 경로가 전환될 수 있다.
멤브레인의 수분 제거 동작 과정에서 유량 손실이 발생할 수 있으므로, 저습의 공기의 경우 유량 손실을 최소화하기 위하여 바이패스라인(220)을 이용할 수 있다.
도 5는 본 실시예에 따른 제어장치의 제어계통을 예시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 제어장치(260)는 EFEM 및 공기정화장치의 상태를 측정하고 제어할 수 있고, 컨트롤러 등의 형태로 구현될 수 있다.
CDA 유량 결정부는 CDA 공급 유량을 결정할 수 있다.
압력 취득부는 기류 압력 신호를 수신하고, EFEM 내부 및 제습기 필터차압을 전송할 수 있다.
습도 취득부는 EFEM, 제습기 내 멤브레인 전/후단, 최종 배기 출구단 습도를 취득할 수 있다.
온도 취득부는 EFEM, 제습기 내 멤브레인 전/후단, 열전소자 방열판, 최종 배기 출구단 온도를 취득할 수 있다.
초음파 모듈 컨트롤러는 냉각수 탱크 내 초음파 진동자 세기를 조절할 수 있다.
브로워 동작 명령부는 블로어 팬 스피드(RPM), 정압 등의 제어하고, 풍량을 취득할 수 있다.
밸브 동작 명령부는 기체 또는 유체의 온/오프 컨트롤러일 수 있다.
*물순환 펌프 컨트롤러는 냉각수 순환용 펌프의 동작을 제어할 수 있다.
통신 모듈은 장비의 통신을 수행할 수 있다.
기타 동작 명령부는 정전기 제거, 기타 제어 동작을 수행할 수 있다.
기억부는 동작 기억부, 공정 레시피 등을 저장할 수 있다.
입력부는 장비 조작, 레시피 명령 입력 등을 수행할 수 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 공기정화장치 및 EFEM의 공기 순환 흐름을 설명하는 제1 예시 도면이다.
도 6을 참조하면, 내부순환라인(ICL)에 건조공기공급장치(300)이 연결될 수 있고, 건조공기가 투입될 수 있다. 건조공기(CDA)는 습도 10%일 수 있고, 수분 분리를 통해 멤브레인(210)을 통과할 수 있다. 멤브레인(210)을 통과한 공기는 -20 ~ -40℃ 노점 및 습도 3%에 도달할 수 있다. 멤브레인(210)을 통과하는 공기는 블로어를 통과하고, 열전소자 응축부를 통과함으로써 DP -30℃, 습도 1% 이하에 도달할 수 있다. 배기를 위해 블로어를 통과한 건조공기는 재생라인(RCL)을 통과하여 EFEM 내부를 순환하고, 다시 공기정화장치로 공급될 수 있다. EFEM에서 배출되는 공기는 내부순환라인(ICL)을 통해 블로어에 의해 흡입되어 멤브레인(210)에 재투입되는 순환 과정을 거칠 수 있다.
도 7은 본 실시예에 따른 공기정화장치 및 EFEM의 공기 순환 흐름을 설명하는 제2 예시 도면이다.
도 7을 참조하면, 바이패스라인 순환 방식은 내부 공기의 습도가 일정 기준치에 도달한 경우에 수행될 수 있다.
예를 들어, EFEM에서 기류를 흡입한 경과 습도가 1% 초과인 경우에 멤브레인(210)을 통과하지 않고 바이패스라인(220)을 통과시킬 수 있고, 곧바로 블로어를 통과하여 열전소자 응축부에서 공기가 응축될 수 있다. 이 경우 DP -30℃, Rh 1% 이하에 도달에 도달한 공기는 재생라인(RCL)을 통과하여 EFEM 내부를 순환하고, 다시 공기정화장치로 공급될 수 있다. EFEM에서 배출되는 공기는 내부순환라인(ICL)을 통해 블로어에 의해 흡입되어 멤브레인(210)에 재투입되는 순환 과정을 거칠 수 있다.
전술한 공기정화장치는 외부에서 0.3~0.8MPa의 압력으로 CDA(10%수준의 저습 공기)를 전단부에 설치된 프론트 블로어로 흡임, 멤브레인으로 공급하여, 물 분자를 분리 배출하는 구조로 구비된 전 처리부를 포함할 수 있다. 전 처리부 멤브레인을 지나, 설치된 메인 블로어에서 공기를 흡입하여 응축조로 투입하고, 투입된 공기가 응축조 내부에 설치되어 열전소자의 흡열핀과 반응하여 수분입자는 응축되어 물방울 형태로 하부로 낙하하고, 제습 건조된 건조공기는 하측부에 설치된 건조공기 배기 블로어를 통해 제습이 필요한 외부의 일정 공간-예를 들어 EFEM-으로 투입하는 하이브리드 제습 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 전술한 공기정화장치는 습도가 일정 기준치에 도달시 바이패스라인으로 유로를 전환하여 멤브레인 통과에 따른 유량 손실 없이 제습공간에 건조 공기 투입 가능하게 된다.
전술한 공기정화장치는 열전소자의 발열부(방열판) 냉각을 2중으로 적용, 효율적 냉각을 가능케 한다. 방열판의 온도를 냉각수 순환 및 공냉식 팬 작동하여 일정 수준으로 관리할 수 있고, 열전소자 방열판과 흡열핀의 온도차를 일정 수준으로 관리하여 흡열핀의 수분 분자 노점을 원하는 수준으로 타겟으로 관리하는 온도 관리 시스템을 구현할 수 있다.
전술한 공기정화장치는 냉각수 순환 방식에 있어서, 최초 냉각수 탱크에 충진된 냉각수로 냉각수 순환을 진행하고, 열전소자 흡열핀에서 응축된 응축수가 하부 냉각수 탱크로 포집되어 함께 냉각수로 순환 될 수 있다. 냉각수 라인은 수분 응축조를 통과하며 메인 블로어 팬과 내부 저온 분위기 응축조에서 냉각되어 순환되므로, 별도의 외부 냉각수 라인 연결이 필요 없을 수 있다.
전술한 공기정화장치는 냉각수 탱크의 관리에 있어서도, 응축조에서 응축되어 포집되는 수분의 양이 많아져 냉각수 탱크의 수위 센서 상한선에 도달시 냉각수 탱크 내부 하단에 장착된 초음파 진동자에 의해 포그 형태의 수분 입자(1~10um)로 외부 배출하는 배출 구조를 형성할 수 있고, 외부에서의 별도 응축수 배출 라인이 필요 없어 공간적 제약에서 자유로울 수 있다.
전술한 공기정화장치는 내부 장착된 순환 팬에 의해 풍속 조절이 가능한 인버터 타입으로 적용하여 사용 환경에 맞게 조정이 가능하다.
전술한 공기정화장치는 제습제 미사용에 따른 공간적 감소, 경제적 절감 효과를 발생시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 문제들을 해결하거나 최소한 그러한 문제를 완화시켜줄 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과 한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (1)

  1. EFEM(Equipment Front End Module)으로 공기를 필터링하여 투입하는 공기정화장치에 있어서,
    기체막 분리를 통해 수분을 제거하는 멤브레인; 및
    상기 멤브레인에서 전달된 공기의 수분을 응축하여 제거하는 응축조를 포함하고,
    상기 응축조에는 상기 EFEM으로 건조공기를 회수하는 재생라인이 결합되어 있는, 공기정화장치.
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