Chapter 03

공조: 온도·습도·압력

클린룸 공조는 사무실 냉난방과 같은 원리를 쓰지만 요구 수준이 다르다. 축구장 여덟 개 넓이의 공간을 23 °C ± 0.5 °C, 45 % ± 5 %RH로 일 년 내내 붙잡아 두고, 노광 구역은 ±0.1 °C까지 조인다. 온도가 0.1 °C만 흔들려도 300 mm 실리콘 웨이퍼는 지름 방향으로 수십 nm 늘었다 줄어든다. 습도가 낮으면 정전기가, 높으면 부식과 레지스트 문제가 생긴다. 실과 실 사이에는 수 Pa의 압력 차를 두어 더러운 공기가 깨끗한 쪽으로 넘어오지 못하게 한다. 이 장에서는 외기조화기(MAU)와 순환 공조의 구조를 보고, 습공기선도 위에서 공기의 상태가 어떻게 바뀌는지 계산하며, 온도·습도·압력을 붙잡는 제어와 그 에너지 비용을 따져 본다.

외기조화기(MAU), 순환 공조(RCU·DCC), FFU의 역할 분담과 공기 수지(외기량 = 배기 + 누설)를 설명할 수 있다.
습공기선도에서 건구 온도·절대습도·상대습도·엔탈피·노점을 읽고, 냉각·제습·재열·가습 과정의 에너지를 계산할 수 있다.
노점과 표면 온도로 결로 여부를 판정하고, 순환 냉각코일이 왜 “건식”이어야 하는지 설명할 수 있다.
현열·잠열 부하를 구하고, 큰 순환 풍량이 실내 온도차를 작게 만드는 원리를 계산할 수 있다.
열팽창 $\Delta L = \alpha L \Delta T$로 ±0.1 °C 요구가 오버레이 예산과 어떻게 연결되는지 정량화할 수 있다.
PID 제어 응답, 실간 차압 계층과 누설 유량 $Q = C A \Delta P^n$, 계절별 외기 처리 에너지를 시뮬레이터로 따져 볼 수 있다.

클린룸 공조의 네 가지 임무

클린룸 공조(HVAC, Heating, Ventilation and Air Conditioning)는 동시에 네 가지를 해야 한다. ① 청정도: 막대한 공기를 필터로 돌려 입자를 쓸어 낸다(2장). ② 온도: 장비·조명·팬·사람이 내는 열을 걷어 내 설정값을 지킨다. ③ 습도: 외기의 수분을 빼거나 더해 상대습도를 일정하게 한다. ④ 압력: 깨끗한 실을 주변보다 높은 압력으로 유지해 공기가 항상 깨끗한 쪽에서 더러운 쪽으로만 흐르게 한다. 여기에 공정 장비가 끊임없이 빨아 내는 배기를 보충하는 일과, 외기에 섞인 분자 오염(4장)을 거르는 일이 더해진다.

그림 3-1. 클린룸 공조 계통(개념도). 공기의 대부분은 FFU → 클린룸 → 서브팹 → 리턴 샤프트(DCC) → 플레넘을 끝없이 돈다. 외기조화기(MAU)는 공정 배기와 누설로 빠져나간 만큼의 외기를 온도·습도를 맞춰 보충한다. 습도 제어는 MAU가, 현열(장비 열) 제거는 DCC가 맡는 분업이 핵심이다.

항목	일반 사무실(대략)	클린룸 일반 구역(대략)	노광·계측 구역(대략)
온도	여름 24~26 °C, 겨울 20~22 °C	22~23 °C ± 0.5 °C, 연중 일정	±0.1 °C 이하(장비 내부는 더 엄격)
상대습도	30~60 %(느슨)	40~45 % ± 3~5 %	±2~3 % 수준
환기 횟수	수 회/h	수십~수백 회/h	수백 회/h
실 압력	관리 안 함	주변 대비 +5~15 Pa	인접 구역보다 한 단계 높게
운전	업무 시간	24시간 365일	24시간 365일

표 3-1. 환경 조건 비교(교육용 일반화). 설정값은 팹·공정마다 다르며, 첨단 노광기는 장비 내부에 자체 온도 제어 챔버를 두어 그보다 훨씬 엄격하게 관리한다.

FAB-E의 설정값FAB-E 공정층은 23 ± 0.5 °C, 45 ± 5 %RH, 노광 구역은 ±0.1 °C로 가정한다. 이 상태는 겨울 −15 °C 건조 외기와 여름 35 °C 습한 외기를 똑같이 받아들여 만들어야 한다. 사무실처럼 “여름엔 조금 덥게” 같은 타협이 없으므로, 외기 처리 설비의 용량은 일 년 중 가장 가혹한 시간을 기준으로 정한다.

MAU, 순환 공조, FFU: 공기 수지

클린룸 공기는 두 종류로 나눠 생각하면 쉽다. 방 안을 계속 도는 순환 공기와 바깥에서 새로 들어오는 외기다. 순환 공기는 양이 엄청나게 많고(2장의 FFU 공급량), 할 일은 입자를 거르고 장비 열을 빼는 것뿐이다. 외기는 양이 훨씬 적지만 계절에 따라 온도와 습도가 크게 달라 처리가 까다롭다. 그래서 둘을 다른 장비에 맡긴다.

외기조화기(MAU, Make-up Air Unit; OAC, Outdoor Air Conditioner라고도 함): 외기를 받아 필터링, 예열, 냉각·제습, 가습, 재열을 거쳐 노점(절대습도)을 정확히 맞춘 공기를 플레넘에 넣는다. 클린룸 습도는 사실상 MAU가 정한다.
순환 공조(RCU, Recirculation Unit / DCC, Dry Cooling Coil): 리턴 공기의 현열(온도)만 덜어 낸다. 코일 표면 온도를 노점보다 높게 유지해 물이 맺히지 않게 하므로 “건식” 코일이라 부른다. 리턴 샤프트나 플레넘에 넓게 깔린다.
FFU(Fan Filter Unit): 순환 공기를 밀어 클린룸으로 내려보내며 ULPA로 거른다. 팬 열(수 MW)이 그대로 공기를 데우므로, DCC가 이 열도 함께 빼야 한다.

그림 3-2. MAU 내부 구성(대표 예). 여름에는 냉각코일에서 공기를 노점 아래로 식혀 수분을 응축시켜 빼고(제습), 너무 차가워진 공기를 재열로 데운다. 겨울에는 예열과 가습이 일한다. 외기의 분자 오염을 씻어 내기 위해 물 분무식 에어워셔를 두는 설계도 있다.

MAU가 얼마만큼의 외기를 들여와야 하는지는 질량 보존이 정한다. 건물에서 빠져나가는 공기는 공정 장비의 배기(8장)와 문틈·벽 틈 누설이다. 실을 양압으로 유지하려면 들어오는 외기가 이 둘의 합과 같아야 한다.

$$Q_\text{MAU} = Q_\text{exhaust} + Q_\text{leak},\qquad \text{외기 비율} = \frac{Q_\text{MAU}}{Q_\text{circ}},\qquad Q_\text{circ} = A\,\phi\,v_\text{face}$$

$Q_\text{exhaust}$는 장비 배기 합, $Q_\text{leak}$는 양압 때문에 틈으로 새는 양(8절), $Q_\text{circ}$는 순환 풍량이다. 배기가 늘면(장비 증설) 외기량이 같이 늘어야 하고, 그렇지 못하면 실압이 떨어진다.

SIMULATOR

클린룸 공기 수지

공정층 면적 FFU 커버리지 면 풍속 장비 대수 장비당 평균 배기 누설·여유 (배기 대비)

순환 풍량—

공정 배기—

필요 외기량 (MAU)—

외기 비율—

MAU 대수 (대당 10만 m³/h)—

해볼 것: ① FAB-E 기본값에서 외기는 순환 풍량의 몇 %인가? 클린룸 공기의 대부분은 “재사용 공기”다. ② 장비를 1,500 → 2,500대로 늘리면 MAU 용량이 같은 비율로 늘어야 한다. 배기와 MAU는 늘 함께 설계한다. ③ 커버리지를 낮추면 순환 풍량은 줄지만 외기량은 그대로다. 외기 처리 에너지는 순환 풍량이 아니라 배기량이 정한다. 대당 배기량과 MAU 대당 용량은 교육용 가정이다.

FAB-E의 외기량장비 1,500대 × 평균 배기 약 1,200 m³/h = 약 180만 m³/h, 누설·여유 10 %를 더하면 MAU 외기량은 약 200만 m³/h다. 순환 풍량(커버리지 50 %, 0.4 m/s)이 약 4,300만 m³/h이므로 외기는 약 4~5 %에 불과하다. 그러나 이 4~5 %가 여름철 냉방·제습 부하의 큰 몫을 차지한다(9절).

습공기선도 읽기

공기는 건공기와 수증기의 혼합물이다. 공조 엔지니어는 이 혼합물의 상태를 한 장의 그림, 습공기선도(psychrometric chart)로 다룬다. 가로축은 건구 온도, 세로축은 절대습도(건공기 1 kg당 수증기 질량), 위로 휘어진 곡선들이 상대습도, 비스듬한 직선들이 엔탈피다. 맨 위 100 % 곡선(포화 곡선)에서 공기는 더 이상 수증기를 품지 못한다.

$$p_{ws}(T) \approx 610.94\,\exp\!\left(\frac{17.625\,T}{T+243.04}\right)\ [\text{Pa}],\qquad w = 0.622\,\frac{\phi\, p_{ws}}{p - \phi\, p_{ws}},\qquad h = 1.006\,T + w\,(2501 + 1.86\,T)\ [\text{kJ/kg}]$$

$T$는 건구 온도(°C), $p_{ws}$는 포화 수증기압(Magnus 형 근사, 물 표면 기준), $\phi$는 상대습도(0~1), $p$는 대기압(101,325 Pa), $w$는 절대습도(kg/kg), $h$는 건공기 1 kg 기준 엔탈피다. 노점 $T_d$는 $p_{ws}(T_d) = \phi\,p_{ws}(T)$를 만족하는 온도다.

예를 들어 클린룸 23 °C, 45 %RH는 $p_{ws}$ ≈ 2.80 kPa, 수증기 분압 ≈ 1.26 kPa, 절대습도 ≈ 7.8 g/kg, 노점 ≈ 10.4 °C, 엔탈피 ≈ 43 kJ/kg이다. 여름 외기 33 °C, 70 %RH는 절대습도 ≈ 22 g/kg, 엔탈피 ≈ 90 kJ/kg로, 같은 공기 1 kg에 수분이 세 배 가까이 들어 있다. MAU는 이 수분 약 14 g/kg을 걷어 내야 한다.

그림 3-3. 습공기선도의 기본 과정(개념도). 수분을 더하거나 빼지 않는 가열·냉각은 수평 이동이다. 노점 아래로 식히면 포화 곡선을 따라 수분이 응축되며 내려간다. 증기 가습은 거의 수직으로, 물 분무 가습은 물이 증발하며 공기의 현열을 빼앗아 등엔탈피선을 따라 움직인다.

MAU의 계절 운전은 이 네 가지 과정의 조합이다. 여름: 외기 A를 냉각코일로 식혀 노점에 이르면(포화선 도달) 그때부터 수분이 응축되며 목표 노점까지 내려간다. 목표 노점이 10 °C 근처라 공기가 너무 차가우므로 재열로 공급 온도까지 데운다. 겨울: 영하의 외기는 절대습도가 1~2 g/kg에 불과하다. 예열로 데우고 가습으로 수분을 더한다. 증기 가습은 에너지(증기)를 쓰고, 물 분무 가습은 공기를 식히므로 예열을 더 해야 한다. 봄·가을: 외기가 목표에 가까워 처리량이 가장 적은 계절이다.

SIMULATOR

습공기선도 위의 MAU 공정

외기 건구 온도 외기 상대습도 목표 공급 노점 MAU 공급 온도

가습 방식

외기 프리셋

외기 w / 노점—

냉각(제습) 열량—

응축수—

예열 + 재열—

가습량—

총 처리 열량 (kJ/kg)—

그래프: 가로 건구 온도, 세로 절대습도. 회색 곡선은 상대습도 10~100 %, 점선은 엔탈피 20 kJ/kg 간격. O = 외기, S = MAU 공급, R = 클린룸(23 °C·45 %RH). 해볼 것: ① “한여름”에서 냉각 열량 대부분이 수분 응축(잠열)에 쓰인다는 점을 응축수 양으로 확인하자. ② “한겨울”에서 가습 방식을 물 분무로 바꾸면 예열이 크게 늘어난다(증발 냉각을 보상해야 하므로). ③ 목표 노점을 낮추면 여름 냉각 열량이 늘고 재열도 늘어난다. 단위는 건공기 1 kg당이며, 냉각코일 출구는 목표 노점의 포화 상태로 단순화했다.

노점과 결로

노점(dew point)은 공기를 수분 변화 없이 식혔을 때 포화에 이르는 온도다. 노점보다 차가운 표면에 공기가 닿으면 그 표면에 물이 맺힌다. 클린룸에서 결로는 단순한 물방울 문제가 아니다. 천장 플레넘의 냉수 배관이나 DCC 코일에서 물이 떨어지면 그 아래 장비와 웨이퍼가 망가지고, 젖은 표면에는 미생물이 자라며 필터가 젖으면 압력 손실이 커지고 오염이 새어 나온다.

$$T_d = \frac{243.04\,\gamma}{17.625 - \gamma},\qquad \gamma = \ln\frac{\phi\,p_{ws}(T)}{610.94}$$

Magnus 근사의 역함수다. 23 °C, 45 %RH이면 $\gamma$ ≈ 0.725, $T_d$ ≈ 10.4 °C. 이 방 안의 어떤 표면도 10.4 °C 아래로 내려가면 젖는다.

그래서 순환 공조의 냉각코일은 건식이어야 한다. DCC에 7 °C 냉수를 그대로 넣으면 코일 표면이 노점 아래가 되어 응축이 일어나고, 동시에 클린룸 습도를 MAU와 DCC가 서로 다르게 건드려 제어가 엉킨다. 그래서 DCC에는 노점보다 몇 °C 높은 12~15 °C 수준의 중온 냉수를 쓰고(11장), 냉수 공급 온도를 실내 노점에 연동해 여유를 유지한다. 7 °C 저온 냉수 배관은 보온재로 감싸 표면 온도가 노점 아래로 내려가지 않게 한다.

그림 3-4. 표면 온도와 실내 노점 비교(예시값). 막대 끝이 붉은 점선(노점) 아래이면 결로한다. 냉수 배관은 보온, 외벽은 단열과 이중 외피, DCC는 중온 냉수로 대응한다. 실내 습도를 올리면 노점선이 올라가 위험이 커진다.

SIMULATOR

노점 계산과 결로 판정

실내 온도 실내 상대습도 표면 온도

표면 프리셋

노점 T_d—

절대습도—

표면 − 노점 여유—

표면에서의 상대습도—

판정—

그래프: 현재 실내 온도에서 상대습도에 따른 노점 곡선(파랑)과 표면 온도(주황 수평선). 교차점의 상대습도를 넘으면 그 표면에 결로가 생긴다. 판정 기준: 여유 0 °C 미만 결로, 0~2 °C 위험(센서 오차·국소 저온 고려), 2 °C 이상 안전(교육용 기준). 해볼 것: DCC 코일 14 °C에서 습도를 몇 %까지 올리면 위험해지는가?

현열 부하와 잠열 부하

공조가 걷어 내야 하는 열은 두 종류다. 공기 온도를 올리는 현열(sensible heat)과, 공기에 수분을 더해 그 수분이 다시 응축될 때 내놓을 잠열(latent heat)이다. 사무실에서는 사람과 외기 때문에 잠열 비중이 꽤 크지만, 클린룸은 장비·팬이 내는 현열이 압도적이다. 공기량 $Q$(m³/s)가 온도차 $\Delta T$, 절대습도차 $\Delta w$를 가질 때 열량은 다음과 같다.

$$\dot Q_s = \rho\,c_p\,Q\,\Delta T \approx 1.21\,Q\,\Delta T\ [\text{kW}],\qquad \dot Q_l = \rho\,h_{fg}\,Q\,\Delta w \approx 3010\,Q\,\Delta w\ [\text{kW}],\qquad \text{SHR} = \frac{\dot Q_s}{\dot Q_s + \dot Q_l}$$

$\rho$ ≈ 1.2 kg/m³, $c_p$ ≈ 1.006 kJ/kg·K, $h_{fg}$ ≈ 2,500 kJ/kg(0 °C 기준 증발 잠열), $\Delta w$는 kg/kg 단위다. SHR(현열비)이 1에 가까울수록 현열 위주 부하다. 3010은 ASHRAE 핸드북의 간이 계수와 같은 크기다.

여기서 클린룸의 특징이 하나 더 보인다. 순환 풍량이 워낙 커서, 수십 MW의 현열을 빼면서도 공기의 입·출구 온도차는 1~2 °C밖에 안 된다. 같은 열을 사무실 풍량으로 빼려면 10 °C 넘는 온도차가 필요하다. 온도차가 작으니 방 안의 위치별 온도 차이도 작아지고, 이것이 ±0.5 °C를 쉽게 만드는 숨은 공신이다. 반대로 잠열은 사람과 습식 장비 정도로 작아서, MAU가 실내보다 아주 조금 더 건조한 공기를 넣는 것만으로 처리된다.

SIMULATOR

클린룸 현열·잠열 부하 계산기

공정층 면적 장비 → 공기 방열 FFU·팬 발열 조명 인원 밀도 습식 장비 증발 순환 풍량 (커버리지×0.4 m/s)

현열 부하—

잠열 부하—

SHR—

DCC 용량—

순환 공기 ΔT—

MAU 공급 Δw (실내보다 건조)—

사람 1명은 현열 약 75 W, 잠열 약 55 W(가벼운 작업, 대략)로 두었다. 인원 밀도는 1,000 m²당 명, 습식 장비 증발은 m²당 g/h, 외피(지붕·벽) 열은 5 W/m²로 고정했다. MAU 외기량은 FAB-E 기준(60,000 m²에 200만 m³/h)을 면적 비례로 잡았다. 해볼 것: ① SHR이 0.99 이상인 것을 확인하자. ② 커버리지를 20 %로 낮추면 순환 공기 ΔT가 커진다. 공급 공기와 리턴 공기의 차이가 커지면 방 안 온도 분포도 나빠지기 쉽다. ③ 장비 방열은 전체 장비 전력 중 공기로 나오는 일부(나머지는 PCW와 배기로 빠짐)라는 점에 주의하자.

손계산 확인60,000 m² × (장비 250 + FFU 75 + 조명 15 + 외피 5) W/m² ≈ 20.7 MW, 사람 300명 × 75 W ≈ 0.02 MW를 더하면 현열 ≈ 20.7 MW다. 순환 풍량 60,000 × 0.5 × 0.4 = 12,000 m³/s이므로 $\Delta T = 20{,}700/(1.21 \times 12{,}000) \approx 1.4$ °C. DCC 용량은 20,700 kW ÷ 3.517 ≈ 5,900 RT로, FAB-E 칠러 용량(약 60,000 RT)의 10 % 정도다. 칠러의 나머지 대부분은 공정 냉각수(PCW)와 MAU 외기 처리가 쓴다.

왜 ±0.1 °C인가: 웨이퍼 열팽창과 오버레이

노광 공정은 웨이퍼 위 이미 있는 패턴 위에 새 패턴을 겹쳐 찍는다. 두 층의 위치 어긋남을 오버레이(overlay)라 하는데, 첨단 공정에서 허용되는 오버레이 오차는 수 nm 수준이다(자세한 예산은 LithoBook). 그런데 물질은 온도에 따라 늘었다 줄어든다.

$$\Delta L = \alpha\,L\,\Delta T$$

$\alpha$는 선팽창 계수(실리콘 약 2.6×10⁻⁶ /K, 상온), $L$은 길이, $\Delta T$는 온도 변화다. 300 mm 웨이퍼가 0.1 K 변하면 $\Delta L = 2.6\times10^{-6} \times 0.3\ \text{m} \times 0.1 = 7.8\times10^{-8}$ m = 78 nm, 중심에서 가장자리까지는 39 nm 움직인다.

그림 3-5. 웨이퍼 열팽창과 오버레이. 웨이퍼 전체가 고르게 팽창하면 노광기는 정렬 측정으로 배율을 재서 대부분 보정한다. 그러나 측정과 노광 사이의 온도 변화, 웨이퍼 안의 온도 불균일, 레티클·투영 렌즈·스테이지 계측계의 온도 변화는 보정 모델에 잘 잡히지 않는 잔류 오차로 남는다.

그래서 노광 구역의 공기, 웨이퍼를 미리 온도에 맞추는 프리얼라이너·쿨링 플레이트, 노광기 내부 챔버, 렌즈와 스테이지의 냉각수가 모두 엄격하게 관리된다. 클린룸 공조가 맡는 것은 그 바깥 껍질이다. 노광기 주변 공기가 ±0.1 °C로 안정해야 장비 내부 온도 제어가 감당할 수 있는 범위 안에 외란이 들어온다.

SIMULATOR

온도 변화 → 열팽창 → 오버레이 예산

온도 변화 ΔT

재료

길이 기준

보정 후 잔류 비율 열팽창에 할당한 오버레이 예산

전체 길이 변화 ΔL—

중심 → 끝 변위—

보정 후 잔류—

허용 ΔT (잔류 = 예산)—

판정—

그래프: 가로 ΔT(mK), 세로 중심 → 끝 변위(nm). 실선은 보정 전, 점선은 보정 후 잔류, 수평선은 할당 예산이다. 잔류 비율은 “배율 보정이 못 잡는 몫”을 뭉뚱그린 교육용 가정이다. 해볼 것: ① 실리콘 300 mm, 잔류 10 %, 예산 3 nm에서 허용 ΔT는? ② 재료를 초저팽창 유리(노광기 구조·레티클 스테이지 등에 쓰이는 계열)로 바꾸면 같은 ΔT의 영향이 거의 사라진다. ③ 1 m 크기의 알루미늄 구조물은 0.01 K만 변해도 수백 nm 움직인다. 정밀 장비가 구조재 선택과 냉각에 공을 들이는 이유다. 선팽창 계수는 상온 대략값이다.

공기 굴절률도 온도를 탄다노광기 스테이지 위치를 레이저 간섭계로 재는 경우, 빛이 지나는 공기의 굴절률이 온도에 따라 대략 $dn/dT \approx -9\times10^{-7}$ /K 변한다. 광로 0.5 m에서 0.1 K 변하면 측정 길이가 약 45 nm 틀어진다. 그래서 간섭계 광로를 온도 제어된 공기로 감싸거나, 공기 영향을 덜 받는 인코더 방식으로 바꾸는 흐름이 있었다. 온도 안정은 웨이퍼만이 아니라 “자(ruler)”를 위한 것이기도 하다.

제어: 설정값을 붙잡는 PID

장비가 켜지고 꺼질 때마다, 사람이 드나들 때마다, 외기 조건이 바뀔 때마다 열 부하는 출렁인다. 공조 제어기는 온도 센서 값을 읽어 냉수 밸브(또는 재열기, 팬 속도)를 움직여 설정값으로 되돌린다. 가장 흔한 알고리즘이 PID 제어(Proportional–Integral–Derivative)다.

$$u(t) = K_c\left[e(t) + \frac{1}{T_i}\int_0^t e\,d\tau - T_d\,\frac{dy}{dt}\right],\qquad \tau_p\,\frac{dy}{dt} = -y + K\,u(t-\theta) + d(t)$$

$e = r - y$는 오차, $K_c$는 비례 이득, $T_i$는 적분 시간, $T_d$는 미분 시간이다(미분은 설정값 급변에 튀지 않도록 측정값에 건다). 오른쪽은 공간 온도를 1차 지연 + 낭비 시간 $\theta$로 근사한 공정 모델로, $\tau_p$는 시간 상수, $K$는 공정 이득, $d$는 외란(예: 장비 가동에 따른 열)이다.

비례 제어만 쓰면 외란이 계속되는 한 오차가 남는다(정상상태 오차 $= d/(1+K_cK)$). 적분 항이 이 오차를 0으로 끌어내리고, 미분 항은 변화를 미리 읽어 오버슈트를 줄인다. 공조 루프의 어려움은 낭비 시간이다. 밸브를 움직여도 냉수가 코일에 닿고, 공기가 덕트를 지나 센서까지 오는 데 수십 초가 걸린다. 이득을 너무 올리면 늦게 도착한 정보에 과하게 반응해 진동한다.

그림 3-6. 공조 온도 피드백 루프. 클린룸에서는 MAU의 노점 제어, DCC의 온도 제어, 실압 제어가 각각 이런 루프로 동시에 돈다. 루프끼리 서로 간섭하지 않도록 역할(MAU = 습도, DCC = 온도)을 나누는 것이 설계의 요령이다.

SIMULATOR

PID 온도 제어 응답

제어 방식

비례 이득 K_c 적분 시간 T_i 미분 시간 T_d 낭비 시간 θ 외란 크기 (장비 가동) 센서 잡음 (σ 0.01 °C)

프리셋

최대 편차—

±0.1 °C 복귀 시간—

정상상태 오차—

IAE (°C·s)—

밸브 포화 시간—

공정 모델: τ_p = 240 s, K = 1, 외란은 t = 120 s에 계단으로 들어온다(예: 큰 장비 가동, 크기는 “제어 없을 때 최종 온도 상승”으로 표시). 밸브 출력은 ±3 °C 상당에서 포화하고, 포화 중에는 적분을 멈춘다(anti-windup). 녹색 띠는 ±0.1 °C. 해볼 것: ① “P만”에서 정상상태 오차 = 0.6/(1+4) = 0.12 °C로 띠를 벗어난다. ② PI로 오차가 0이 된다. ③ “과도 이득”은 진동한다. 같은 이득에서 낭비 시간을 15 s로 줄이면 안정해진다. 낭비 시간이 제어 성능의 한계를 정한다.

제어보다 먼저: 외란을 작게±0.1 °C 구역은 제어기 튜닝만으로 만들지 않는다. 열을 많이 내는 장비는 공기 대신 PCW로 직접 냉각하고, 장비 배기를 늘려 열을 공기로 퍼뜨리지 않으며, 노광 구역에 전용 순환 공조를 따로 두고, 센서는 여러 개를 평균해 국소 잡음을 줄인다. 피드포워드(장비 가동 신호를 받아 미리 밸브를 여는 방식)도 쓴다. 공조 엔지니어의 첫 번째 도구는 제어 알고리즘이 아니라 외란을 줄이는 배치와 분리다.

실간 차압 계층과 누설

클린룸 문은 하루에 수없이 열리고, 벽에는 배관·케이블 관통부와 틈이 있다. 공기는 항상 압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐르므로, 깨끗한 실의 압력을 높게 두면 틈을 통한 흐름은 언제나 “깨끗한 쪽 → 더러운 쪽”이 된다. 이렇게 단계적으로 압력을 두는 것을 차압 계층(pressure cascade)이라 한다. ISO 14644-4는 청정도가 다른 인접 구역 사이에 대략 5~20 Pa의 차압을 권한다. 5 Pa는 0.5 mm 수주, 대기압의 2만분의 1에 불과한 아주 작은 압력이다.

그림 3-7. 차압 계층(교육용 예시값). 깨끗한 실일수록 압력을 높게 두되, 독성·부식성 케미컬을 다루는 실은 오히려 주변보다 낮게 두어 누출된 증기가 밖으로 퍼지지 않게 한다. 청정과 격리는 반대 방향의 차압을 요구한다.

틈을 지나는 누설 유량은 압력차의 거듭제곱으로 근사한다.

$$Q = C\,A\,\Delta P^{\,n},\qquad \text{오리피스}(n = 0.5):\ \ Q = C_d\,A\sqrt{\frac{2\,\Delta P}{\rho}}$$

$A$는 유효 누설 면적, $C_d$는 유량 계수(날카로운 틈 약 0.6), $n$은 흐름 지수(큰 개구부·짧은 틈 0.5, 좁고 긴 틈은 층류에 가까워 1에 접근, 건물 외피는 보통 0.6~0.7)다. 실압을 유지하려면 공급량 − 배기량(잉여 공기량)이 이 누설량과 같아야 한다.

이 식에서 문을 여는 순간의 문제가 보인다. 문틈 누설 면적이 수백 cm²인 방에 2 m²짜리 문이 열리면 유효 면적이 수십 배가 되고, 같은 잉여 공기량으로 유지되는 차압은 그 제곱에 반비례해 사실상 0이 된다. 이때 문을 통한 바깥 방향 풍속이 너무 느리면 사람의 움직임과 온도차가 만드는 흐름에 밀려 더러운 공기가 들어온다. 문 개방 시 바깥 방향 평균 풍속 약 0.2 m/s 이상을 하나의 기준으로 쓰는 지침이 있다. 그래서 등급 차이가 큰 경계에는 양쪽 문이 동시에 열리지 않는 에어록과 에어샤워를 둔다.

SIMULATOR

잉여 공기량·누설 면적과 실압

잉여 공기량 (공급 − 배기) 유효 누설 면적 흐름 지수 n

문 (1.0 × 2.1 m)

실 차압 ΔP—

10 Pa 유지에 필요한 잉여량—

문 통과 풍속—

판정—

그래프: 차압에 따른 누설 유량 곡선(문 닫힘 = 실선, 열림 = 점선)과 잉여 공기량(수평선). 교차점이 운전점이다. 틈새 누설은 기준 10 Pa에서 오리피스식(C_d 0.6)과 같아지도록 맞춘 멱법칙 $Q = C_dA\sqrt{2\cdot10/\rho}\,(\Delta P/10)^n$, 열린 문은 n = 0.5 오리피스로 계산했다. 판정: 닫힘 상태 5~20 Pa 적정, 문 열림 시 문 통과 풍속 0.2 m/s 이상이면 역류 방지 유지(교육용 기준). 해볼 것: 문을 연 상태에서 0.2 m/s를 지키려면 잉여 공기량이 얼마나 필요한가? 그만큼을 늘 공급하면 닫혔을 때 차압은 얼마가 되는가?

배기 변동이 실압을 흔든다장비 PM으로 배기 댐퍼가 닫히거나, 새 장비가 배기를 연결하면 실의 공기 수지가 바뀐다. 잉여 공기량이 수백 m³/h만 달라져도 차압은 몇 Pa씩 움직인다. 그래서 실압 제어 루프는 MAU 공급량이나 리턴 댐퍼를 자동으로 조절하고, 차압 경보를 FMCS(15장)로 감시한다. 배기 계통이 멈추면 실압이 순간적으로 올라 문이 잘 열리지 않는 일도 생긴다.

외기 조건과 공조 에너지

공조 에너지는 크게 세 덩어리다. 순환 공기를 돌리는 팬(FFU·순환 팬·MAU 송풍기), 열을 빼는 냉동(DCC·MAU 냉각코일이 쓰는 냉수를 만드는 칠러), 그리고 가열·가습(겨울 예열, 여름 재열, 증기 가습)이다. 팬과 DCC 냉방은 계절과 거의 무관하게 일정하지만, MAU의 외기 처리는 날씨를 그대로 따라간다. 같은 팹이라도 어느 기후에 짓느냐에 따라 공조 에너지가 크게 달라진다.

그림 3-8. 팹 전력 사용 비중의 대략적인 예. 공조와 직접 연결된 몫(냉동 일부 + 공조 팬 + 외기 처리)을 합치면 팹 전력의 약 20~30 %에 이른다고 보는 자료가 많다. 비중은 공정 구성, 기후, 설비 효율에 따라 크게 다르며, 냉동 에너지는 공정 냉각수와 공조가 나누어 쓴다(11장, 16장).

아래 시뮬레이터는 월별 기후 평년값을 바탕으로 매시간 외기 상태를 합성한 뒤, 매시간 MAU가 해야 할 냉각·제습, 예열·재열, 가습 열량을 습공기선도 계산으로 더한다. 냉각은 칠러 COP로 나누어 전력으로, 가열·가습은 폐열 회수분을 빼고 보일러(효율 90 %) 연료 환산으로 본다.

SIMULATOR

계절별 MAU 외기 처리 에너지

기후

MAU 외기량 목표 공급 노점 MAU 공급 온도 칠러 COP 재열·예열 폐열 회수

연간 냉각·제습 열량—

연간 예열·재열—

연간 가습—

칠러 전력—

연료 환산 (회수 후)—

최대 냉각 부하—

기후 데이터는 각 기후형의 대표 도시 월평균 기온·습도 평년값을 대략 반영해 만든 교육용 합성값이다(일교차·날씨 변동을 단순 분포로 생성, 월내 절대습도는 일정 가정). 해볼 것: ① 온대 계절풍형에서 여름(6~9월)의 냉각과 겨울의 가습·예열이 모두 큰 것을 확인하자. ② 아열대 습윤형은 가습이 거의 없지만 일 년 내내 제습 냉각이 필요하다. ③ 고온 건조형은 기온은 높지만 수분이 적어 제습 부하가 작다. 대신 가습이 필요하다. ④ 폐열 회수를 0 → 100 %로 올리면 재열 연료가 거의 사라진다. 칠러 응축열이나 공정 냉각수의 폐열을 히트펌프로 재열에 쓰는 이유다(11장).

FAB-E의 외기 처리 에너지온대 계절풍형 기후, 외기 200만 m³/h, 노점 10.4 °C를 가정하면 이 모델로 연간 냉각·제습 열량은 약 60 GWh(열), COP 5 칠러 전력은 약 12 GWh로 FAB-E 연간 전력 1.8 TWh의 1 % 미만이다. 한여름 최대 냉각 부하는 약 30 MW(약 8,700 RT)로 칠러 용량을 정하는 데 쓰인다. 여기에 겨울 가습·예열과 여름 재열 열량(합계 약 100 GWh, 열)이 더해지며, 이것을 폐열로 충당하느냐에 따라 연료 사용이 크게 갈린다. 외기량(= 배기량)을 줄이는 것이 근본적인 절감 수단이라는 점도 기억하자.

핵심 정리

클린룸 공조는 청정도·온도·습도·압력을 동시에 지킨다. 공기의 대부분은 FFU → 클린룸 → 리턴(DCC) → 플레넘을 순환하고, MAU는 배기와 누설로 빠진 만큼($Q_\text{MAU} = Q_\text{exhaust} + Q_\text{leak}$)만 외기를 보충한다. 외기는 순환 풍량의 수 % 수준이다.
역할 분담: MAU는 노점(절대습도)을 맞춰 습도를 책임지고, DCC는 노점보다 높은 중온 냉수로 현열만 뺀다(건식 코일).
습공기선도에서 현열 가열·냉각은 수평 이동, 냉각 제습은 포화 곡선을 따라, 증기 가습은 수직, 물 분무 가습은 등엔탈피선을 따라 움직인다. 23 °C·45 %RH의 노점은 약 10.4 °C, 절대습도 약 7.8 g/kg이다.
노점보다 차가운 표면에는 결로가 생긴다. 냉수 배관 보온, DCC 냉수 온도의 노점 연동이 필요하다.
클린룸 부하는 장비·팬 현열이 대부분이라 SHR이 1에 가깝고, 큰 순환 풍량 덕분에 공기 온도차가 1~2 °C로 작다($\dot Q_s \approx 1.21\,Q\,\Delta T$ kW).
실리콘 300 mm 웨이퍼는 0.1 K에 약 78 nm(가장자리 39 nm) 늘어난다. 균일 팽창은 정렬로 보정하지만 잔류 오차가 수 nm 오버레이 예산을 잠식하므로 노광 구역은 ±0.1 °C를 요구한다.
PID 제어에서 P만 쓰면 정상상태 오차가 남고, 적분이 이를 없애며, 낭비 시간이 달성 가능한 이득과 속도를 제한한다. 외란을 줄이는 배치(PCW 직접 냉각, 전용 공조)가 먼저다.
차압 계층(인접 구역 간 약 5~20 Pa)은 누설 방향을 정한다. 누설은 $Q = CA\Delta P^n$이고, 문이 열리면 차압은 사라지므로 에어록과 문 통과 풍속이 중요하다. 케미컬룸은 반대로 음압으로 격리한다.

확인 퀴즈

1. 클린룸의 상대습도를 주로 결정하는 설비는?

순환 공기는 DCC가 현열만 빼므로 수분이 바뀌지 않는다. 수분이 들어오는 통로는 외기뿐이고, MAU가 외기의 노점(절대습도)을 맞춰 넣기 때문에 실내 습도는 사실상 MAU 공급 노점과 실내 잠열 발생이 정한다.

2. 23 °C, 45 %RH 클린룸의 노점에 가장 가까운 값은?

$p_{ws}(23\,°\text{C}) \approx 2.80$ kPa, 수증기 분압 = 0.45 × 2.80 ≈ 1.26 kPa. 포화 수증기압이 1.26 kPa인 온도가 약 10.4 °C다. 이 방에서 10.4 °C보다 차가운 표면은 결로한다.

3. DCC(건식 냉각코일)에 7 °C 냉수 대신 12~15 °C 냉수를 쓰는 주된 이유는?

코일 표면이 노점(약 10 °C)보다 차가우면 물이 맺혀 미생물·물 떨어짐 위험이 생기고, 습도 제어가 MAU와 DCC로 갈려 서로 간섭한다. 중온 냉수는 칠러 효율도 높여 주는 부수 효과가 있다.

4. 순환 풍량 12,000 m³/s로 20 MW의 현열을 뺄 때 공급·리턴 공기 온도차는 약 얼마인가? ($\dot Q_s \approx 1.21\,Q\,\Delta T$ kW)

$\Delta T = 20{,}000 / (1.21 \times 12{,}000) \approx 1.38$ °C. 순환 풍량이 크기 때문에 온도차가 작고, 이것이 방 안 온도 균일성에 도움이 된다.

5. 실리콘(α = 2.6×10⁻⁶ /K) 300 mm 웨이퍼가 0.1 K 데워졌다. 중심 기준 가장자리 변위는?

반지름 150 mm × 2.6×10⁻⁶ × 0.1 = 3.9×10⁻⁸ m = 39 nm. 지름 전체로는 78 nm다. 대부분 배율 보정으로 잡히지만 잔류분만으로도 수 nm 오버레이 예산을 위협한다.

6. 비례(P) 제어만으로 운전하는 온도 루프(공정 이득 K = 1, $K_c$ = 4)에 0.6 °C 상당의 계단 외란이 들어왔다. 정상상태 오차는?

정상상태 오차 = d/(1 + K_cK) = 0.6/5 = 0.12 °C. ±0.1 °C 띠를 벗어난다. 적분 항을 더하면(PI) 오차가 0으로 수렴한다.

7. 오리피스 누설(n = 0.5)인 방에서 차압을 10 Pa에서 20 Pa로 올리려면 잉여 공기량을 몇 배로 늘려야 하는가?

$Q \propto \Delta P^{0.5}$이므로 $\sqrt{2} \approx 1.41$배. 거꾸로 말하면 공기량이 조금만 변해도 차압은 그 제곱으로 변한다. n이 1에 가까운 좁은 틈이면 거의 2배가 필요하다.

8. 독성 케미컬을 공급하는 케미컬룸의 압력을 인접 구역보다 낮게(음압) 두는 이유는?

차압은 누설 방향을 정한다. 청정이 목적이면 양압(밖으로 밀어냄), 격리가 목적이면 음압(안으로 빨아들임)을 쓴다. 독성 가스 캐비닛과 케미컬룸은 격리가 우선이다(14장).