Chapter 08

배기와 스크러버

반도체 장비는 쓰고 남은 가스와 증기를 끊임없이 내보낸다. 식각 챔버의 불소 화합물, 습식 세정조의 산 증기와 암모니아, 코터의 용제 증기, 확산로의 열기까지 종류도 성질도 제각각이다. 팹은 이것들을 섞지 않고 계통별로 모아, 장비 바로 옆에서 한 번(POU 스크러버), 건물 밖에서 또 한 번(중앙 스크러버·RTO) 처리한 뒤 굴뚝으로 내보낸다. 배기는 공정 장비가 돌기 위한 전제 조건이자, 반도체 공장 온실가스 배출의 큰 몫을 좌우하는 설비다.

배기를 일반 열배기·산성·알칼리·유기(VOC)·독성 계통으로 나누는 이유를 화학 반응·재질·처리 방식으로 설명할 수 있다.
덕트 정압 분포를 계산해 장비 수가 늘 때 말단 장비의 배기 부족을 예측하고, 팬 법칙으로 회전수 제어의 에너지 이득을 계산할 수 있다.
POU 스크러버 네 종류(연소-습식, 습식, 플라즈마, 열분해)의 원리와 대상 가스를 구분할 수 있다.
PFC·NF₃·SF₆의 GWP(IPCC AR5·AR6)와 이용률·분해 효율(DRE)로 CO₂ 환산 배출량을 계산할 수 있다.
충전탑의 NTU·HTU로 흡수 효율을, 농축 로터와 RTO의 열수지로 연료 사용량을 추정할 수 있다.
배기가 멈췄을 때 장비 인클로저 농도가 어떻게 오르는지 계산하고, 인터록이 왜 필요한지 설명할 수 있다.

왜 배기를 나누는가

집의 주방 후드는 하나의 덕트로 모든 냄새를 내보낸다. 반도체 팹은 그렇게 하지 않는다. 배기 덕트는 보통 다섯 계통 안팎으로 나뉘며, 각 장비는 자기가 내보내는 성분에 맞는 계통에만 연결된다.

계통	주요 발생원	대표 성분	덕트 재질 (예)	최종 처리
일반(열) 배기(general / heat exhaust)	확산로·RTP 캐비닛, 전원 랙, 장비 내부 환기	더운 공기, 미량 입자	아연도 강판, 스테인리스	직접 배출(열 회수 가능)
산성 배기(acid exhaust)	습식 세정·식각조, 식각·CVD 장비(POU 처리 후)	HF, HCl, H₂SO₄ 미스트, NOx, Cl₂, HBr	FRP, PP, PVC, 불소수지 코팅 강판	중앙 습식 스크러버(알칼리 세정액)
알칼리 배기(alkaline / ammonia exhaust)	SC1 세정, 현상, 질화막 CVD(POU 후)	NH₃, 아민, TMAH 미스트	FRP, PP, PVC	중앙 습식 스크러버(산성 세정액)
유기(VOC) 배기(solvent / VOC exhaust)	코터·트랙, IPA 건조기, 용제 세정	IPA, PGMEA, 아세톤, 신너	스테인리스(접지, 방폭)	제올라이트 농축 로터 + RTO
독성·특수 배기(toxic / process exhaust)	CVD·식각·이온 주입·에피 장비의 공정 배기	SiH₄, PH₃, AsH₃, WF₆, NF₃, PFC	스테인리스 (장비~POU 구간)	POU 스크러버 → 산성 또는 일반 계통

나누는 이유는 세 가지다.

섞이면 반응한다. 산성 배기의 HCl과 알칼리 배기의 NH₃가 만나면 $\mathrm{NH_3 + HCl \rightarrow NH_4Cl}$ 흰 가루가 덕트 안에 쌓인다. 실레인(SiH₄)은 산소와 만나면 자연 발화해 SiO₂ 가루를 만든다. 용제 증기와 산화성 산 미스트가 같은 덕트에 있으면 화재 위험이 커진다.
재질이 다르다. 산성·알칼리 배기는 금속 덕트를 부식시키므로 FRP·PP·PVC 같은 수지 덕트를 쓴다. 반면 용제 배기는 화재 시 수지 덕트가 불길 통로가 되고 정전기도 쌓이므로 접지된 금속 덕트를 쓴다.
처리 방식이 다르다. 산은 알칼리로, 알칼리는 산으로 중화·흡수하고, 유기물은 태워야 한다. 하나로 섞으면 어느 처리 장치도 효율이 나오지 않는다.

그림 8-1. 배기 계통 분리. 장비는 내보내는 성분에 따라 다섯 계통 중 하나 이상에 연결된다(습식 세정 장비 하나가 산성·알칼리·유기 덕트에 모두 연결되기도 한다). 독성·특수 공정 배기는 장비 바로 옆의 POU 스크러버에서 먼저 처리된 뒤 산성 계통으로 합류한다. 각 계통은 성분에 맞는 중앙 처리 설비를 거쳐 굴뚝으로 나가며, 굴뚝에서는 주요 성분을 연속 측정한다. 배기선은 이 책의 약속대로 회색 점선으로 그린다.

그림 8-2. 배기가 섞이거나 식을 때 생기는 문제. (a) 산과 알칼리 증기가 만나 NH₄Cl이 덕트에 쌓이면 단면이 좁아져 정압이 부족해진다. (b) 처리되지 않은 실레인은 공기와 만나 발화하고 SiO₂ 분진을 만든다. (c) 습한 배기가 식으면 덕트 저점에 산성 응축수가 고인다.

FAB-E의 배기량

FAB-E의 공정 장비 약 1,500대가 대당 평균 1,000~2,000 m³/h를 배기한다고 하면 총 배기량은 약 150만~300만 m³/h다. 이 장에서는 대표값으로 약 200만 m³/h를 쓴다(교육용 가정). 이만큼의 공기가 클린룸에서 빠져나가므로 외기조화기(MAU)가 같은 양의 외기를 데우거나 식히고 가습·제습해 다시 넣어야 한다(3장). 여름철 외기 엔탈피 차를 약 40 kJ/kg으로 잡으면 $2\times10^6/3600 \times 1.2 \times 40 \approx 27$ MW의 냉방 부하다. 배기 1 m³/h를 줄이는 것이 곧 공조 에너지를 줄이는 일이다.

덕트와 정압 밸런싱

배기 팬은 덕트 안을 대기압보다 낮게(음압) 만들어 장비에서 공기를 빨아낸다. 장비는 배기 연결부에서 일정 이상의 흡입 정압(static pressure, 예: −250 Pa 이상)과 유량을 요구하며, 장비 내부의 배기 압력 스위치가 이 값을 감시한다. 덕트를 따라 마찰과 분기·곡관에서 압력이 손실되므로, 팬에서 멀리 떨어진 장비일수록 받을 수 있는 흡입 정압이 작다.

$$\Delta P_{\text{seg}} = \left(f\frac{L}{D} + \sum K\right)\frac{\rho v^2}{2},\qquad S_i = S_{\text{header}} - \sum_{k\le i}\Delta P_{\text{seg},k}$$

$S_i$: $i$번째 장비 분기점의 흡입 정압(양수로 표시), $S_{\text{header}}$: 팬·스크러버를 지난 주 덕트 헤더의 흡입 정압, $K$: 분기·곡관의 국부 손실 계수. 구간 유량은 그보다 먼 장비들의 배기량 합이므로, 팬에 가까운 구간일수록 유량이 크고 손실도 크다.

그림 8-3. 주 덕트를 따라 분기점의 흡입 정압이 줄어드는 모습. 팬 쪽(오른쪽)은 정압이 넉넉하고 말단(왼쪽)으로 갈수록 작아진다. 장비를 덕트 말단에 계속 추가하면 전체 유량이 늘어 모든 구간의 손실이 커지고, 팬의 운전점도 곡선을 따라 내려가 헤더 정압 자체가 줄어든다. 결국 말단 장비부터 배기 부족 알람이 뜬다.

SIMULATOR

배기 덕트 정압 밸런싱: 장비를 더 붙이면

상황

연결 장비 수 장비당 배기량 장비 요구 흡입 정압 주 덕트 지름 팬 회전수

요구 정압 충족미달 (유량 감소)요구 정압

총 배기량—

팬 정압 / 헤더 정압—

최소 분기점 정압—

배기 부족 장비—

팬 축동력—

—

해볼 것: ① "설계 상태"에서 장비를 하나씩 늘려 보자. 어느 순간 말단(왼쪽) 장비부터 빨간 막대가 나타난다. ② "증설 + 팬 회전수 ↑"는 팬 법칙대로 정압을 회전수의 제곱으로 올리지만 동력은 세제곱으로 는다. ③ "증설 + 덕트 확대"는 같은 유량에서 유속을 줄여 손실을 $D^{-5}$ 가깝게 줄인다. 처음부터 덕트와 팬에 증설 여유를 두는 이유다. 모델: 팬 곡선 $P = P_0 s^2[1-(Q/sQ_{\max})^2]$, $P_0$ = 3,500 Pa, $Q_{\max}$ = 90,000 m³/h, 스크러버 손실은 45,000 m³/h에서 700 Pa(유량 제곱 비례), 분기 간격 8 m, 헤더 50 m(교육용 가정). 정압이 부족한 장비는 $q = q_0\sqrt{S_i/S_{\text{req}}}$로 유량이 줄어든다고 둔다.

밸런싱 댐퍼와 일정 풍량 장치

설계 단계에서는 각 분기에 수동 댐퍼를 두고 시운전 때 정압을 맞춘다(TAB, Testing·Adjusting·Balancing). 하지만 장비가 수시로 바뀌는 팹에서는 한 장비의 변경이 같은 덕트의 다른 장비 정압을 흔든다. 그래서 주 덕트 헤더 정압을 일정하게 유지하도록 팬 회전수를 제어하고, 분기에는 자동 일정 풍량 장치(VAV/CAV damper)를 달기도 한다. 장비 쪽에서는 공정이 쉬는 동안 배기량을 줄이는 기능도 쓰인다.

팬 법칙과 에너지

원심 팬은 회전수를 바꾸면 성능 곡선 전체가 일정한 규칙으로 움직인다. 같은 팬, 같은 공기 밀도에서 회전수 $N$에 대해 유량은 1제곱, 압력은 2제곱, 동력은 3제곱으로 변한다. 이것을 팬 법칙(fan affinity laws)이라 한다.

$$\frac{Q_2}{Q_1}=\frac{N_2}{N_1},\qquad \frac{\Delta P_2}{\Delta P_1}=\left(\frac{N_2}{N_1}\right)^2,\qquad \frac{W_2}{W_1}=\left(\frac{N_2}{N_1}\right)^3$$

$W$: 축동력 $= Q\,\Delta P/\eta$. 시스템 저항이 $\Delta P = kQ^2$(고정 정압 없음)이면 운전점도 이 비례를 그대로 따른다. 유량을 80 %로 줄이면 동력은 $0.8^3 = 51$ %가 된다. 고정 정압(스크러버 세정액 수두, 헤더 최소 정압)이 있으면 절감 폭은 그보다 작다.

유량을 줄이는 다른 방법은 회전수는 그대로 두고 댐퍼를 조여 저항을 늘리는 것이다. 이때 팬은 같은 곡선 위에서 유량이 줄고 압력이 오른 점으로 옮겨 가므로, 동력이 조금밖에 줄지 않는다. 남는 압력은 댐퍼에서 열로 버려진다. 인버터(VFD, Variable Frequency Drive)로 회전수를 바꾸는 것이 배기 계통 에너지 절감의 기본이다.

SIMULATOR

팬 곡선·시스템 곡선: 인버터 vs 댐퍼

목표 유량 (설계 대비) 고정 정압 비율 설계 유량 설계 정압 전기료

팬 곡선 (100 %)팬 곡선 (인버터 회전수)시스템 곡선댐퍼로 조인 시스템 곡선

필요 회전수—

인버터 동력—

댐퍼 동력—

연간 절감 전력—

연간 절감액—

—

해볼 것: ① 고정 정압을 0 %로 두고 목표 유량을 50 %로 하면 인버터 동력은 설계의 1/8(12.5 %)이 된다. 팬 법칙의 세제곱이다. ② 고정 정압을 40 %로 올리면 같은 50 % 유량에서도 회전수를 많이 낮출 수 없어 절감이 줄어든다. ③ 목표 유량을 100 % 넘게 올리면 회전수도 100 %를 넘어야 한다. 모터·팬 정격을 넘는지 확인해야 한다. 팬 곡선은 $P_0 = P_d/0.75$, $Q_{\max} = 2Q_d$, 효율 70 % 일정, 연중 상시 운전으로 가정했다.

FAB-E 배기 팬 동력

FAB-E 배기량 약 200만 m³/h(약 556 m³/s)를 평균 정압 약 3 kPa, 팬 효율 70 %로 뽑는다면 축동력은 $556 \times 3000 / 0.7 \approx 2.4$ MW다. 연간 약 21 GWh로, FAB-E 전력(연 약 1.8 TWh)의 1 % 남짓이다. 배기 팬 동력 자체보다 그만큼의 외기를 조화하는 MAU 에너지가 몇 배 크다는 점을 기억하자. 모두 교육용 추정이다.

POU 스크러버

식각·CVD·확산·이온 주입 장비의 진공 펌프 배기에는 독성(AsH₃, PH₃), 자연발화성(SiH₄), 부식성(Cl₂, HBr, WF₆, HF), 온실가스(CF₄, NF₃, SF₆) 성분이 남아 있다. 이것을 중앙 덕트에 바로 보내면 덕트 안에서 반응하거나 처리되지 않은 채 굴뚝으로 나간다. 그래서 장비 바로 옆 서브팹에 POU 스크러버(Point-of-Use abatement, local scrubber)를 두고 위험 성분을 먼저 없앤다. 진공 펌프와 POU 스크러버는 보통 장비 한 대(또는 챔버 몇 개)에 하나씩 붙는다.

그림 8-4. 연소-습식(burn-wet) POU 스크러버의 구조. 진공 펌프 배기를 연료·산소 화염 속 고온 연소실에 통과시켜 실레인을 산화하고 PFC를 분해한다. 불소는 대부분 HF가 되므로 바로 뒤에서 물로 급랭하고 습식 충전부에서 흡수한다. 연소 생성물인 SiO₂ 가루는 순환수에 잡혀 폐수로 간다. 반응식은 대표적인 경로만 단순화해 적은 것이다.

방식	원리	잘 맞는 가스	장점	약점
연소-습식(burn-wet)	연료 화염으로 산화·분해 후 물 흡수	SiH₄, PFC(CF₄ 포함), NF₃, 유기 전구체	범용, CF₄도 고온에서 분해	연료 사용(CO₂), 열적 NOx, 분진 관리
습식(wet)	물·약액에 흡수	HF, HCl, Cl₂, NH₃, BCl₃ 등 수용성	단순, 저렴	PFC·SiH₄ 처리 불가
플라즈마-습식(plasma-wet)	대기압 플라즈마(아크·마이크로파)로 분해 후 흡수	CF₄, SF₆, NF₃, C₂F₆	연료 불필요, 고온·고에너지 밀도	전력 소모, 전극 수명, 처리 유량 제한
열분해(전기 히터)-습식(thermal / heated)	전기 가열 반응기에서 산화·분해	NF₃, SiH₄, 일부 PFC	연료 불필요	CF₄처럼 안정한 분자는 고온 한계로 효율 낮음
건식 흡착(dry bed)	반응성 흡착제(산화물·활성탄) 충전층	AsH₃, PH₃, 저유량 독성 가스	배수 없음	흡착제 교체·폐기, 대유량 불리

그림 8-5. POU 스크러버 방식 비교. 분해가 필요한 가스(PFC, SiH₄)는 연소·플라즈마·열분해 같은 에너지 공급 방식이, 수용성 가스(HF, HCl, NH₃)는 습식이 맞다. 실제 제품은 대부분 분해부 뒤에 습식부를 붙인 2단 구조다. 장비가 쓰는 가스 조합에 따라 방식을 고른다.

POU가 멈추면 장비도 멈춘다

POU 스크러버가 고장 나면 독성·발화성 가스가 처리되지 않은 채 덕트로 들어간다. 그래서 스크러버의 운전 상태(화염 감지, 온도, 순환수 유량, 입구 압력)가 장비 인터록에 묶여 있어, 스크러버 이상 시 장비는 공정 가스 공급을 멈춘다. 스크러버 입구 배관의 분진 막힘은 진공 펌프 배압을 올려 공정을 흔들므로, 입구 히터와 주기적인 청소가 중요하다. 스크러버 가동률이 곧 장비 가동률의 상한이다.

PFC와 지구온난화지수

식각과 CVD 챔버 세정에 쓰는 과불화화합물(PFC, perfluorocompounds)과 NF₃, SF₆는 대기 중에서 거의 분해되지 않고 적외선을 강하게 흡수한다. 그 효과는 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential)로 나타낸다. GWP100은 같은 질량의 CO₂ 대비 100년 동안의 누적 복사강제력 비다. 값은 IPCC 평가 보고서마다 갱신되며, 온실가스 인벤토리는 어느 보고서의 값을 쓰는지 밝혀야 한다.

가스	주 용도	GWP100 (IPCC AR5)	GWP100 (IPCC AR6, 약)	대기 수명 (약)
CF₄ (PFC-14)	산화막 식각, C₂F₆·CHF₃의 부생성물	6,630	7,380	~50,000년
C₂F₆ (PFC-116)	CVD 챔버 세정(구형), 식각	11,100	12,400	~10,000년
C₃F₈ (PFC-218)	챔버 세정, 식각	8,900	9,290	~2,600년
c-C₄F₈ (PFC-318)	고종횡비 식각(측벽 보호)	9,540	10,200	~3,200년
CHF₃ (HFC-23)	산화막 식각	12,400	14,600	~230년
SF₆	실리콘 식각, (전력 설비 절연)	23,500	25,200	~1,000~3,200년
NF₃	CVD 챔버 세정(원격 플라즈마)	16,100	17,400	~500년
N₂O	산화막·산질화막 CVD	265	273	~110년

AR5 값은 IPCC 제5차 평가보고서(2013/2014) WG1 8장 표 8.A.1의 GWP100(기후-탄소 피드백 미포함)이다. AR6 값은 제6차 평가보고서(2021) WG1 7장과 보충자료 표 7.SM.7의 GWP100을 반올림한 것으로, 이 책에서는 "약"으로 표시한다. 국가 인벤토리·배출권 제도는 적용 시점에 따라 AR4·AR5·AR6 중 하나를 지정하므로 보고 목적에 맞는 값을 확인해야 한다. 대기 수명은 대략값이며 SF₆는 최근 연구에서 기존 추정(약 3,200년)보다 짧게 보는 결과가 있다.

1 kg의 CF₄ 배출은 약 6.6~7.4 t의 CO₂ 배출과 같다. 반도체 공장의 직접 배출(Scope 1, 16장)은 대부분 이 공정가스에서 나온다. 배출량은 투입량이 아니라, 투입된 가스 중 공정에서 쓰이지 않고 남은 부분과 스크러버를 빠져나간 부분으로 계산한다. IPCC 지침의 반도체 산정식(Tier 2 계열)을 단순화하면 다음과 같다.

$$E_i = FC_i\,(1-h)\,(1-U_i)\,(1-a\,d_i),\qquad E_{\mathrm{CF_4,by}} = \sum_j B_j\,FC_j\,(1-h)\,(1-a\,d_{\mathrm{CF_4}})$$

$FC_i$: 가스 $i$ 구입·투입량, $h$: 실린더에 남겨 반납하는 잔량 비율(heel, 예: 10 %), $U_i$: 공정 이용률(챔버에서 분해·소비된 비율), $a$: 저감 장치가 연결·가동된 비율, $d_i$: 저감 장치의 분해·제거 효율(DRE, Destruction and Removal Efficiency), $B_j$: 가스 $j$를 쓸 때 부생되는 CF₄의 비율. CO₂ 환산 배출은 $\sum_i E_i \cdot GWP_i$.

그림 8-6. PFC 물질 흐름. 실린더 투입량 중 일부는 잔량으로 반납되고, 챔버에 들어간 양 중 일부만 공정에서 분해된다. 남은 가스와 공정 중 새로 생긴 CF₄는 POU 스크러버로 가는데, 스크러버가 꺼져 있거나 우회된 시간(1 − a)과 분해되지 않은 비율(1 − d)만큼 대기로 나간다. 배출을 줄이는 손잡이는 세 개다. 이용률을 올리고(원격 플라즈마 NF₃), 가동률을 올리고, DRE를 올린다.

SIMULATOR

FAB-E 공정가스 CO₂ 환산 배출 계산기

GWP 기준

상황

저감 장치 가동률 a CF₄ 분해 효율 기타 PFC·NF₃·SF₆ 분해 효율 NF₃ 원격 플라즈마 비중 투입량 배율 (FAB-E 기준) N₂O도 저감 장치로 처리

저감 없을 때현재 조건 배출

연간 배출 (CO₂e)—

저감 없을 때—

감축률—

최대 기여 가스—

전력 간접 배출 대비—

—

해볼 것: ① "저감 없음"과 "기본 저감"을 번갈아 눌러 보자. 저감 장치가 직접 배출을 수 배 줄인다. ② 기타 PFC 분해 효율을 99 %로 올려도 CF₄ 효율이 90 %에 머물면 CF₄가 최대 기여 가스로 남는다. CF₄는 C–F 결합이 가장 안정해 분해가 가장 어렵다. ③ NF₃ 원격 플라즈마 비중을 0 %로 낮추면(챔버 내 플라즈마 세정) 이용률이 떨어져 NF₃ 배출이 커진다. ④ AR5와 AR6를 바꿔 보면 같은 물리 배출이라도 보고되는 CO₂e가 약 5~15 % 달라진다. 투입량(t/년)·이용률·부생 계수는 FAB-E 교육용 가정값이고(IPCC 지침 기본값과 비슷한 크기), 실린더 잔량 h = 10 %, 전력 배출계수는 약 0.45 kgCO₂/kWh로 두었다.

FAB-E 가정	투입 FC (t/년)	미이용률 1−U	부생 CF₄ B
NF₃ (원격 플라즈마 / 챔버 내)	400	0.02 / 0.20	0.02
CF₄	40	0.90	—
CHF₃	15	0.40	0.07
SF₆	15	0.20	—
C₂F₆	10	0.60	0.10
c-C₄F₈	8	0.10	0.10
C₃F₈	2	0.40	0.10
N₂O	100	0.80	—

FAB-E의 투입량은 교육용으로 만든 가상의 값이다. 실제 팹의 가스 사용량은 제품·공정 구성에 따라 몇 배씩 다르다.

열분해 효율: 온도와 체류시간

연소·열분해 스크러버의 DRE는 무엇이 정할까? 가장 단순한 모델은 반응기 안에서 가스가 1차 반응으로 분해된다고 보는 것이다. 반응 속도 상수는 아레니우스 식으로 온도에 지수적으로 의존하고, 반응기를 지나는 시간(체류시간 $\tau$) 동안 분해가 진행된다.

$$DRE = 1 - e^{-k(T)\,\tau},\qquad k(T) = A\,e^{-E_a/RT}$$

$E_a$: 유효 활성화 에너지, $A$: 빈도 인자, $\tau$: 체류시간(반응기 부피 ÷ 실제 온도의 가스 유량). 플러그 흐름을 가정한 식이며, 실제로는 혼합 불균일·온도 분포·라디칼 반응 때문에 이보다 복잡하다. 아래 시뮬레이터의 $A$, $E_a$는 "체류시간 1 s에서 90 % 분해되는 온도"가 대략 NF₃ 650 °C, C₂F₆ 1,000 °C, SF₆ 1,100 °C, CF₄ 1,300 °C가 되도록 맞춘 교육용 값이다.

이 식에서 두 가지를 읽을 수 있다. 첫째, DRE를 90 %에서 99 %로 올리려면 $k\tau$를 2.3에서 4.6으로 두 배 늘려야 하고, 99.9 %는 6.9로 세 배다. "9 하나"를 더할 때마다 같은 양의 $k\tau$가 더 필요하다. 둘째, $k$는 온도에 지수적으로 민감하므로 체류시간을 늘리는 것보다 온도를 조금 올리는 편이 효과가 크다. 다만 온도를 올리면 연료와 함께 공기 중 질소가 산화되는 열적 NOx가 급증하고(대략 1,300 °C 이상), 반응기 재질 부담도 커진다.

SIMULATOR

분해 효율 곡선: 온도·체류시간·가스 종류

반응기 온도 체류시간 τ

관심 가스

세로축

NF₃C₂F₆SF₆CF₄

선택 가스 DRE—

"9"의 개수—

99 %에 필요한 온도—

CF₄ / NF₃ DRE—

—

해볼 것: ① 1,100 °C, 1 s에서 NF₃는 사실상 100 %, CF₄는 한참 낮다. 같은 스크러버에서도 가스마다 DRE가 다르다. ② CF₄를 고르고 체류시간을 1 s에서 2 s로 늘린 효과와, 온도를 50 °C 올린 효과를 비교해 보자. ③ "미분해율(로그)" 축으로 바꾸면 99 %, 99.9 %의 차이(10배)가 잘 보인다. 배출량은 DRE가 아니라 미분해율 $1-DRE$에 비례한다.

중앙 스크러버: 충전탑 흡수

산성·알칼리 배기는 건물 지붕이나 옥외의 대형 습식 스크러버에서 처리한다. 가장 흔한 형태는 충전탑(packed tower)이다. 탑 안에 표면적이 큰 플라스틱 충전물(packing)을 채우고, 위에서 세정액을 뿌려 충전물 표면에 얇은 액막을 만든다. 배기는 아래에서 위로 올라가며 액막과 만나 오염 성분을 액으로 넘겨준다(향류 흡수). 산성 배기 스크러버는 NaOH 수용액으로, 알칼리 배기 스크러버는 묽은 H₂SO₄로 세정해 흡수된 성분을 즉시 중화한다.

그림 8-7. 향류 충전탑 스크러버. 배기는 아래에서 위로, 세정액은 위에서 아래로 흐르며 충전물 표면에서 접촉한다. 세정액은 저수조와 탑 사이를 순환하고, 흡수된 산·알칼리를 중화하도록 pH를 제어해 약품을 주입한다. 염이 쌓이면 일부를 버리고(블로다운) 보충수를 넣는다. 위쪽의 미스트 제거기는 액적이 배기와 함께 날아가는 것을 막는다.

충전탑 높이 $Z$는 "필요한 분리의 어려움(이동 단위 수 NTU)"과 "충전물 한 단위가 해내는 분리의 높이(이동 단위 높이 HTU)"의 곱이다. 세정액에 처음 오염 성분이 없고 평형 관계가 $y^* = m x$인 묽은 계에서, 기상 기준 이동 단위 수는 Colburn 식으로 쓸 수 있다.

$$Z = H_{OG}\,N_{OG},\qquad N_{OG} = \frac{\ln\!\left[\left(1-\frac{1}{\mathcal{A}}\right)\frac{y_1}{y_2} + \frac{1}{\mathcal{A}}\right]}{1-1/\mathcal{A}},\qquad \mathcal{A} = \frac{L}{mG}$$

$\mathcal{A}$: 흡수 인자(세정액이 성분을 얼마나 많이 담을 수 있는지), $m$: 평형 기울기(작을수록 잘 녹음), $L/G$: 액/기체 몰유량비, $y_1,y_2$: 입구·출구 몰분율. 흡수와 동시에 빠른 중화 반응이 일어나면 $m \to 0$($\mathcal{A}\to\infty$)이 되어 $N_{OG} = \ln(y_1/y_2)$, 즉 제거 효율 $\eta = 1-e^{-Z/H_{OG}}$이다. 반대로 $\mathcal{A}<1$이면 탑을 아무리 높여도 $\eta$는 $\mathcal{A}$를 넘지 못한다.

그래서 산성 배기를 그냥 물로 씻으면 HCl·HF는 잘 잡히지만 Cl₂는 물에 잘 녹지 않아(큰 $m$) 거의 빠져나간다. NaOH를 넣으면 Cl₂가 즉시 반응해 $m$이 사실상 0이 된다. 암모니아는 물에도 녹지만 평형 압력이 커서, 산성 세정액을 써야 높은 효율이 나온다.

SIMULATOR

충전탑 높이·L/G·세정액에 따른 제거 효율

대상

충전층 높이 Z L/G (몰비) 공탑 가스 속도 입구 농도 출구 목표

선택 대상다른 대상출구 목표

흡수 인자 𝒜—

H_OG / N_OG—

제거 효율—

출구 농도—

충전층 압력 손실—

—

해볼 것: ① HCl은 높이 2 m에서 이미 99 %를 넘는다($\eta = 1-e^{-Z/H}$). ② "Cl₂ (물)"로 바꾸면 L/G를 20까지 올려도 효율이 낮다. 𝒜 < 1이면 높이가 소용없다. NaOH로 바꾸면 해결된다. ③ 가스 속도를 올리면 탑 단면적을 줄일 수 있지만 HTU가 커지고 압력 손실이 속도의 제곱으로 늘어 팬 동력이 커진다. 너무 빠르면 액이 넘쳐 오르는 범람(flooding)이 생긴다. 모델: $H_{OG}$ = 0.35 m × (u/1.5)^0.3, 압력 손실 150 Pa/m × (u/1.5)², 평형 기울기 m은 대상별 교육용 대표값(HCl 0.01, NH₃–물 1.0, NH₃–산 0.01, Cl₂–물 50, Cl₂–NaOH 0.02).

세정액 관리가 효율을 정한다

설계 효율이 높아도 운영에서 효율이 떨어지는 흔한 원인은 세정액이다. pH 제어가 흔들리면 중화가 늦어져 $m$이 커지고, 블로다운이 부족하면 염 농도가 올라 결정이 충전물과 노즐을 막는다. 노즐이 막히면 액이 고르게 퍼지지 않아 일부 충전층이 마른 채로 남고(채널링), 가스가 그쪽으로 빠져나간다. 그래서 순환 유량, pH, 전도도(염 농도), 탑 차압을 연속 감시한다.

VOC: 농축 로터와 RTO

코터·현상 트랙과 용제 세정에서 나오는 유기 배기는 유량은 크지만 VOC 농도는 수십~수백 ppm으로 묽다. 묽은 VOC를 바로 태우면 공기 대부분을 데우는 데 연료를 쓰게 된다. 그래서 먼저 제올라이트 농축 로터(zeolite rotor concentrator)로 VOC를 흡착해 작은 유량의 진한 가스로 바꾼 뒤, RTO(Regenerative Thermal Oxidizer, 축열식 연소 산화 장치)에서 태운다.

그림 8-8. 제올라이트 농축 로터와 RTO. 천천히 도는 벌집 모양 로터의 대부분(흡착 구역)을 대유량 배기가 지나며 VOC가 제올라이트에 흡착된다. 로터가 돌아 탈착 구역에 오면 소량의 고온 공기가 VOC를 떼어 내 진한 가스(농축비 CR = 보통 10~20배)로 RTO에 보낸다. RTO는 세라믹 축열 베드로 배출 가스의 열을 회수해 들어오는 가스를 예열하므로, VOC 농도가 충분하면 연료 없이 연소가 유지된다.

RTO의 연료 사용량은 열수지로 계산한다. 축열 베드가 회수하지 못한 열($1-\varepsilon$)만큼을 VOC 연소열이 메워 주면 연료가 필요 없다(자립 연소). 농축비를 높일수록 같은 VOC를 더 작은 유량으로 태우므로 유리하지만, 농도가 폭발 하한(LEL)에 가까워지면 위험하다. 일반적으로 RTO 입구 농도를 LEL의 약 25 % 이하로 제한한다.

$$\dot Q_{\text{loss}} = \dot m_d\,c_p\,(T_c - T_{\text{in}})(1-\varepsilon),\qquad \dot Q_{\text{VOC}} = \dot m_{\text{VOC}}\cdot LHV\cdot DRE,\qquad \dot Q_{\text{fuel}} = \max(0,\ \dot Q_{\text{loss}} - \dot Q_{\text{VOC}})$$

$\dot m_d$: RTO로 가는 탈착 가스 질량유량(= 배기량/CR), $T_c$: 연소실 온도(약 800 °C), $\varepsilon$: 축열 열회수율, $LHV$: VOC의 저위발열량. 벽면 열손실은 무시했다. 전체 VOC 제거율은 로터 효율 × RTO DRE다.

SIMULATOR

농축 로터 + RTO 열수지와 LEL

용제

VOC 배기량 VOC 농도 농축비 CR 로터 흡착 효율 RTO 분해 효율 축열 열회수율 ε

보조 연료 (kW)RTO 입구 25 % LEL 초과 구간

탈착(농축) 유량—

RTO 입구 농도 / LEL—

VOC 연소열—

보조 연료—

로터 없이 직접 RTO—

총 제거율 / 배출—

—

해볼 것: ① 기본값에서 보조 연료가 0인지 확인하자(자립 연소). 로터 없이 15만 m³/h를 직접 태우면 연료가 MW 단위로 든다. ② VOC 농도를 10 ppm으로 낮추면 자립 연소가 깨진다. 이때 CR을 올리면 다시 연료가 줄지만, 농도를 300 ppm으로 올린 상태에서 CR을 키우면 LEL 25 %를 넘는다(빨간 구간). ③ 총 제거율은 로터 효율이 지배한다. RTO를 99.9 %로 올려도 로터에서 5 %가 빠져나가면 총 95 % 근처다. 계산 가정: 연소실 800 °C, RTO 입구 60 °C, 공기 1.293 kg/Nm³·1.05 kJ/kg·K, IPA(분자량 60.1, LHV 약 30.5 MJ/kg, LEL 2.0 %), 아세톤(58.1, 약 28.6 MJ/kg, 2.5 %).

배기가 멈추면

배기는 공정 장비의 필수 유틸리티다. 가스 캐비닛, VMB, 웨트벤치, 공정 챔버의 펌프 배기 라인은 모두 "혹시 새더라도 배기가 빨아내 사람 쪽으로 오지 않는다"는 전제로 설계된다. 그래서 장비에는 배기 정압·풍량을 감시하는 스위치가 있고, 배기가 일정 시간 이상 기준 아래로 떨어지면 장비가 공정 가스 공급 밸브를 닫고 공정을 멈추는 인터록(interlock)이 걸린다. 배기 팬 하나가 서면 그 덕트에 물린 장비 수십 대가 한꺼번에 멈추는 이유다.

그림 8-9. 배기 상실 인터록 체인. 배기 팬이 서면 덕트 정압이 수 초 안에 떨어지고, 각 장비의 배기 압력 스위치가 지연 타이머를 거쳐 공정 가스 밸브를 닫는다. 배기 계통은 이중화와 비상 전원으로 상실 자체를 막고, 인터록은 상실이 일어났을 때의 마지막 방어선이다.

인클로저(가스 캐비닛, 밸브 상자, 웨트벤치) 안에 작은 누출원 $G$가 있다고 하자. 내부가 잘 섞인다고 보면 농도 $C$는 다음 식을 따른다.

$$V\frac{dC}{dt} = G - Q(t)\,C,\qquad C_{ss} = \frac{G}{Q},\qquad \tau = \frac{V}{Q}$$

$V$: 인클로저 부피, $Q$: 배기 유량. 정상 상태 농도는 누출량을 배기량으로 나눈 값이다. 배기가 정상의 일부 $r$로 줄면 정상 상태 농도는 $1/r$배로 뛰고, 거기에 다가가는 시간 상수는 $1/r$배로 길어진다. 인터록이 누출원(가스 공급)을 끊으면 $G = 0$이 되어 농도가 더 오르지 않는다.

SIMULATOR

배기 상실 시 인클로저 농도와 인터록

예

인클로저 부피 V 정상 배기량 Q 누출량 G 상실 후 잔류 배기 r 인터록 지연 (감지 + 밸브) 경보 농도 인터록 없음 (비교용)

인클로저 농도경보 농도배기 상실 / 인터록 시점

정상 운전 농도—

상실 후 최고 농도—

경보 도달 시간—

상실 시 시간 상수—

—

해볼 것: ① 기본값(1 m³ 캐비닛, 600 m³/h, 누출 100 sccm)에서는 정상 농도가 10 ppm이고, 배기가 5 %로 떨어지면 10초 사이에 약 25 ppm까지 오르지만 인터록이 누출원을 끊어 그 이상은 오르지 않는다. ② "인터록 없음"을 켜면 농도가 정상의 20배(200 ppm)를 향해 올라간다. ③ 지연을 30초 안팎 이상으로 늘리면 경보 농도(50 ppm)를 넘는다. 지연 타이머는 오작동(불필요한 정지)과 안전 사이의 절충이다. 누출량은 sccm(표준 cm³/min) 단위의 로그 눈금이다. 실제 가스별 노출 기준과 감지·대응은 14장에서 다룬다.

배기 이중화의 수준

배기 팬을 N+1로 두면 팬 하나가 고장 나도 나머지가 용량을 메운다. 그러나 팬 여러 대가 같은 전원 모선이나 같은 제어기에 물려 있으면 정전·제어 고장 한 번에 모두 멈춘다(공통 원인 고장). 그래서 배기 팬은 서로 다른 전원 계통으로 나누고 비상 발전기 부하로 지정하며, 팬 정지 시 예비 팬이 자동으로 기동되는지 정기적으로 시험한다. 가용도 계산은 15장에서 한다.

핵심 정리

팹 배기는 일반(열)·산성·알칼리·유기(VOC)·독성 계통으로 나눈다. 섞이면 반응하고(NH₄Cl, SiO₂ 분진, 화재), 덕트 재질과 처리 방식이 다르기 때문이다.
덕트 손실은 유속의 제곱에 비례하므로 장비를 덕트 말단에 추가하면 전체 손실이 커지고 팬 운전점도 내려가 말단 장비부터 배기 정압이 부족해진다.
팬 법칙: 유량 ∝ N, 압력 ∝ N², 동력 ∝ N³. 유량을 줄일 때 인버터는 댐퍼보다 훨씬 적은 동력을 쓴다. 고정 정압이 크면 절감 폭은 줄어든다.
배기량은 그만큼의 외기를 조화해야 한다는 뜻이다. FAB-E 약 200만 m³/h의 배기는 팬 동력보다 MAU 공조 부하가 더 크다.
POU 스크러버는 장비 옆에서 독성·발화성·온실가스를 먼저 처리한다. 분해가 필요한 가스는 연소·플라즈마·열분해, 수용성 가스는 습식이 맞고, 대부분 2단 구조다.
PFC·NF₃·SF₆의 GWP100은 수천~2만 이상이다(AR5: CF₄ 6,630, SF₆ 23,500, NF₃ 16,100 / AR6 약 7,380, 25,200, 17,400). 배출 = 투입 × (1−잔량) × (1−이용률) × (1−가동률×DRE).
열분해 DRE = 1 − e^(−kτ)이고 k는 온도에 지수적으로 의존한다. CF₄가 가장 분해하기 어렵고, 고온은 열적 NOx를 늘린다.
충전탑 높이 = HTU × NTU. 반응성 세정액(m → 0)이면 η = 1 − e^(−Z/H)이고, 흡수 인자 𝒜 < 1이면 높이를 늘려도 효율이 𝒜를 넘지 못한다.
묽은 VOC는 제올라이트 로터로 10~20배 농축한 뒤 RTO에서 태운다. 축열로 열을 회수하면 자립 연소가 가능하지만, 입구 농도는 LEL의 약 25 % 이하로 제한한다.
배기는 장비의 필수 유틸리티다. 배기 상실 시 인클로저 농도는 G/(rQ)를 향해 오르므로, 배기 압력 인터록이 가스 공급을 끊고 공정을 멈춘다. 팬 이중화와 비상 전원이 상실 자체를 막는다.

확인 퀴즈

Q1. 산성 배기와 알칼리 배기를 같은 덕트로 모으면 생기는 대표적인 문제는?

산 증기와 암모니아는 기상에서 바로 반응해 염화암모늄 같은 고체 염을 만든다. 쌓인 가루는 덕트 단면을 줄여 정압 부족을 일으키고, 청소도 어렵다. 그래서 두 계통을 분리하고 각각 반대 성질의 세정액으로 처리한다.

Q2. 배기 팬 회전수를 80 %로 낮췄다. 시스템에 고정 정압이 없다면 축동력은 원래의 약 몇 %인가?

팬 법칙에서 동력은 회전수의 세제곱에 비례한다. 0.8³ = 0.512. 같은 유량을 댐퍼로 줄이면 팬은 원래 곡선 위에서 압력이 오른 점으로 가므로 동력이 훨씬 덜 준다.

Q3. 다음 중 GWP100이 가장 큰 가스는? (IPCC AR5 기준)

AR5 GWP100은 SF₆ 23,500, NF₃ 16,100, CF₄ 6,630, N₂O 265다. AR6에서도 SF₆가 가장 크다(약 25,200). 보고서마다 값이 바뀌므로 인벤토리에서는 어느 보고서 값을 쓰는지 명시한다.

Q4. 어떤 PFC를 100 kg 투입했다. 잔량 10 %, 공정 이용률 50 %, 저감 장치 가동률 100 %, DRE 90 %일 때 대기 배출량은? (부생 가스 무시)

100 × (1 − 0.1) × (1 − 0.5) × (1 − 1.0 × 0.9) = 100 × 0.9 × 0.5 × 0.1 = 4.5 kg. 가동률이 95 %로 떨어지면 (1 − 0.855) = 0.145가 되어 6.5 kg으로 늘어난다. DRE만큼 가동률도 중요하다.

Q5. 1차 분해 모델에서 DRE 90 %를 얻는 조건(kτ = 2.3)으로 운전 중이다. 온도는 그대로 두고 체류시간만 두 배로 늘리면 DRE는?

DRE = 1 − e^(−kτ). kτ가 2.3에서 4.6이 되면 미분해율은 e^(−4.6) ≈ 0.01, 즉 DRE 99 %다. 미분해율이 10 %에서 1 %로 10배 줄어든다. 99.9 %에는 kτ ≈ 6.9가 필요하다.

Q6. 물로 세정하는 충전탑에서 Cl₂ 제거 효율이 낮다. 탑 높이를 두 배로 늘려도 거의 개선되지 않는 이유와 해결책으로 옳은 것은?

𝒜 < 1이면 세정액이 담을 수 있는 양이 부족해 높이를 무한히 늘려도 효율이 𝒜를 넘지 못한다. 가성소다를 쓰면 Cl₂가 즉시 반응해 액 중 평형 분압이 사실상 0(m → 0)이 되어, 높이에 따라 효율이 지수적으로 올라간다.

Q7. VOC 배기를 제올라이트 로터로 농축한 뒤 RTO에 보내는 주된 이유는?

RTO 연료는 대부분 공기를 연소 온도까지 데우는 데 쓰인다(회수 못 한 열 1 − ε 만큼). 농축하면 같은 VOC를 1/CR의 유량으로 태우므로 손실 열이 줄고, VOC 연소열이 그것을 메워 자립 연소가 가능해진다. 다만 LEL에 가까워지면 위험하므로 보통 25 % LEL 이하로 제한한다.

Q8. 부피 1 m³ 가스 캐비닛의 정상 배기량이 600 m³/h이고 누출원이 있어 내부 농도가 10 ppm이다. 배기가 정상의 5 %로 떨어지고 누출이 계속되면 농도는 결국 얼마를 향해 오르는가?

정상 상태 농도는 G/Q이므로 Q가 1/20이 되면 농도는 20배인 200 ppm을 향한다. 시간 상수도 V/Q = 1/30 h = 2분으로 늘어난다. 인터록이 가스 공급을 끊어 G를 0으로 만드는 것이 농도 상승을 막는 방법이다.