반도체·디스플레이 고청정 설비초고율화 기술개발·실증이 본격화되며 반도체 FAB설비 에너지소비의 약 40%를 차지하는 클린룸 공조에너지사용량 절감을 통해 제품경쟁력 향상이 기대된다.

 

지난 7월8일 에너지수요관리핵심기술개발사업 ‘산업용 고청정 설비 초고율화 기술개발’ R&D의 킥오프회의가 개최됐다.

 

반도체, 디스플레이 팹의 클린룸용 공기조화와 에너지계통 등에 활용되는 고효율 핵심기자재가 개발하며 최적설계와 제어기술 등을 적용해 에너지관리 초고율화를 달성할 예정이다.

 

컨소시엄은 총괄기관은 신성이엔지로 클린룸 분야에서 축적된 독자적 설계 기술과 초정밀 제어 역량을 바탕으로 반도체·디스플레이 산업의 핵심 인프라를 이끄는 초격차 기술기업이다.

 

1970년대 말부터 국내 반도체 산업과 함께 성장해온 신성이엔지는 최근 나노 단위의 청정도와 에너지 효율을 동시에 만족시키는 고도화된 시스템을 선도적으로 개발하고 있다.

프로젝트의 총괄 연구책임자인 김동권 신성이엔지 전무는 약 30년간 클린룸 공조시스템과 에너지절감분야에서 다수 연구개발과 산업 프로젝트를 이끌어온 전문가다.

 

컨소시엄은 총괄기관 신성이엔지와 수혜기관 삼성전자를 포함해 △태양전기 △코리아에어텍 △젬벡스앤카엘 △에어랩 △한국기계연구원 △한국전자기술연구원 △국립부경대학교 △중앙대학교 △고려대학교 △성균관대학교 △한국공기청정협회 등이 참여한다.

 

임승빈 에너지기술평가원 실장은 “이번 과제에 에너지기술평가원도 큰 기대를 하고 있다”라며 “전력소모량이 많은 반도체 등의 부문에서 소모량을 감소할 수 있는 기술개발이 이뤄지길  기대한다”고 말했다.

 

신성이엔지의 관계자는 “이번 과제를 통해 첨단산업 클린룸의 에너지효율을 획기적으로 향상시키는 데 나아가 탄소중립과 국내 클린룸산업의 글로벌 경쟁력 강화에 기여할 것”이라며 “성공적인 과제수행을 통해 고청정 설비기술의 새로운 이정표를 세우겠다”고 말했다.

 

4,000CCM 클린룸 공조E 20% 절감 목표
이번 과제의 주요 연구개발 목표는 반도체·디스플레이 클린룸용 공기조화·에너지관리계통의 에너지사용량을 20% 이상 절감하는 것이다.

 

컨소시엄은 △외조기 운전에너지 15% △열관리계통에너지 25% △클린룸 운전에너지 18% 등을 절감을 목표로 설정했다,

 

△고효율 외조기개발 △주요열관리계통 최적화 △클린룸 에너지절감 등 세 개의 워킹그룹으로 구성된 이번 컨소시엄은 △클린룸 공조용 차세대 고효율외조기 개발 △클린룸 에너지관리계통의 최적설계·제어알고리즘 기술개발 △청정도 ISO등급 3이하 유지를 위한 클린룸 순환공조계통설비의 고효율화·운전최적화기술개발 △테스트베드 구축을 통한 기술적 검증 △탄소배출감축 등 환경·경제적 성과발굴·검증을 진행한다.

 

4년간 △시스템 요소설계·시뮬레이션 △시제품 제작·평가 △실증사이트 구축·운전 등을 단계별로 수행하며 클린룸 에너지 사용량을 20% 이상 줄일 예정이다.

 

산업용 고청정설비 초고율화 기술개발 박차

 

주관기관인 신성이엔지는 FFU(Fan Filter Unit) 에너지효율 향상을 위해 △팬 △모터 △에어 △가이드 △필터 등을 개선한다. 이번 과제를 통해 수요기관에 맞춘 부품개선을 통해 최고효율 67% 이상을 달성하는 것이 목표다.

 

1차연도에는 FFU 1차 시작품 제작·평가와 초미세입자경분사 2유체 노즐설계와 필터 차압연동형 FFU 제어기개발을 진행한다. 2차연도에는 FFU 2차효율개선과 시작품 제작·평가와 2유체노즐 시작품 제작·평가를 실시한다.

 

3차연도에는 필터차압연동형 FFU시뮬레이션과 자체실증을 진행하며 4차연도에는 청정도유지·클린룸 순환공조설비 고효율화·운전최적화를 진행하며 실증사이트 실증운전·에너지절감량 평가도 계획됐다.

 

외조기컴포넌트 개선과 열에너지관리계통 최적화를 실시한다. 신성이엔지는 과제를 통해 가습효율 높여 외조기의 기화식 가습효율을 기존 85%에서 95%로 향상시킬 계획이다.

 

수혜기관인 삼성전자는 시작품 평가분석·보완지원과 실증사이트 제공·평가를 담당한다. 성능목표는 △냉방소모전력 5% 절감 △외조기 스팀사용량 80% 절감 △외조기 팬, FFU 소모전력 10% 절감 △풍량당 외조기부피 10% 절감 등이다.

 

실증사이트는 평택 P3외조기실이다. 여유공간에 4,000CMM 외조기를 설치하며 FFU와 관련열원·계통을 근처라인과 지원동에 배치해 과제목표 달성여부를 검증할 예정이다.

 

삼성전자는 올해 외조기와 계통자료를 분석한 뒤 2차연도에 시작품 평가와 보완지원을 실시한다. 이후 3차연도에는 실증품 설계지원과 실증사이트 사전작업을 진행할 예정이며 4차연도에는 실증평가와 횡전개검토를 마칠 것으로 기대된다.

 

태양전기는 120℃ 350kW급 산업용 고온히트펌프 개발에 참여하며 실증지에 산업용 열회수 고온히트펌프를 도입해 화석연료 계통을 대체할 예정이다.

 

1차연도에는 고온용 히트펌프 시스템설계와 고효율 원심압축기 설계·시스템 실증생태계 조성을 진행한다. 2차연도에는 시제품제작을 마친 뒤 3~4차연도에 시스템최적화와 실증을 본격 추진한다.

 

코리아에어텍은 운전에너지 절감을 위한 고효율·저압력 손실필터를 개발한다. 이번 과제를 통해 고효율의 △프리필터 △미디움필터 △HEPA 필터 △ULPA필터 등이 개발될 예정이다. 이때 압력손실을 줄이기 위해 정전포집을 병합할 예정이다.

 

1차연도에는 프리필터와 미디움필터의 효율상승 압력손실 절감을 위한 구조설계를 담당한다. 미디움필터는 컴팩트한 사이즈로 개발될 예정이며 프리필터 부직포에 정전력을 부여할 수 있는 방안을 구상할 방침이다. 또한 HEPA와 ULPA 필터의 경우 여과지 고효율 저압력손실성능을 위한 구조분석을 진행한다.

 

2차연도에는 고효율 저압손 HEPA필터 개발을 위한 여과지의 상호보완성설계를 마칠 예정이며 3차연도에는 시제품 개발과 필터성능평가를 실시한다. 마지막 연차에는 시제품 필터 실증평가와 화재위험성을 평가하며 대량양산을 위한 라인을 구축할 예정이다,

 

김태원 코리아에어텍 이사는 “필터차압을 현재 9.6mmAq에서 6.5mmAq로 낮출 것”이라며 “외조기 미디엄필터효율 95% 외조기 헤파필터 차압 17mmAq 울파피터 5.5mmAq으로 설정할 예정”이라고 말했다.

 

 

젬백스앤카엘은 운영에너지 절감을 위한 고효율·저압력손실프레임 재생필터 개발을 담당한다. 흡착제 성능향상과 필터구조체 변경을 실시할 예정이다. 또한 차압개선을 통해 흡착제 입도다변화와 코팅물질 개선을 개선할 예정이다.

 

올해는 저압손 필터기초설계를 마친 뒤 내년에 2세대 개발·성능최적화가 진행된다. 이를 통해 차압케미컬필터 개발을 위한 핵심기술을 파악하며 설계최적화가 이뤄질 것으로 기대된다. 또한 케미컬필터의 재활용가능여부에 대한 검토를 통해 ESG경영을 실현할 예정이다.

 

3차연도에는 실증환경 파일럿평가를 진행한 뒤 4차연도에 현장실증검증과 공인인증을 진행할 예정이다.

 

에어랩은 외조기열유동 최적화와 에너지최적화기술 실증을 맡는다. 실환경 맞춤형 최적화설계를 통해 팬효율향상기술을 개발하며 CFD기반 외조기설계최적화를 수행한다.

 

이번 과제를 통해 컴포넌트 최적배치로 외조기 소비에너지를 절감하며 차압저감유로설계와 가이드베인을 통해 기류균일도를 확보할 예정이다..

 

1차연도에는 외조기 열유동 시뮬레이션구축과 시뮬레이션결과 검증용 모니터링시스템개발 등 기본모델 구축·시스템개발을 통해 2차연도에 최적화와 실험검증을 실시할 예정이다.

 

3차연도에는 고도화와 성능기선작업을 수행하며 4차연도에는 실증평가와 가이드라인이 개발될 것으로 기대된다.

 

한국기계연구원은 클린룸외조기와 에너지계통 최적설계·실증지원에 나선다. 1차연도에는 클린룸 에너지관리계통 부하분석과 클린룸 외조기 부하분석·시뮬레이션 모델을 개발한다.

 

또한 제습·재열부하 동시저감 시스템설계를 통해 에너지관리계통 부하분석을 실시해 실증데이터 분석과 에너지플로우를 도출할 방침이며 고온수·스팀생산히트펌프 설계용량을 산정할 예정이다.

 

외조기 성능예측시뮬레이션모델 개발을 통해 외조기 부하발생패턴을 분석한다. 제습 열회수기 시스템 설계를 통해 외조기냉방과 제습·재열부하분석도 진행된다.

 

한국전자기술연구원은 외조기용 초고효율모터개발과 FFU용 EC모터 최적설계에 나선다. 모터는 멀티팬구성 IE4급 영구자석 전동기로 24~45kW급 영구자석 전동기가 설계될 예정이다.

 

팬과 모터의 용량에 따라 멀티팬을 8~12세트로 구성하며 부하패턴에 따라 일부 팬만 운용해 에너지지절감효과를 나타낼 예정이다.

 

1차연도에는 산업용 대형팬과 모터의 선진사모델 분석을 수행하며 외조기 멀티팬 구성을 위한 대형 고효율모터설계와 시작품 제작이 이뤄진다.

 

2차연도에는 24KW급 모터 개선설계와 멀티팬 구성성능특성을 도출할 예정이며 45KW급 초고효율 모터 설계를 도출해 3차연도에는 실증과 FFU모터효율극대화설계·부하특성 검증을 진행한다.

 

4차연도에는 외조기 실증적용모델의 소형화와 경량화를 추진하며 FFU용 모터성능시험과 FFU운전시험을 지원할 계획이다.

 

국립부경대학교는 7%의 에너지절감효과를 위한 지능형 최적제어시스템을 개발할 예정이다. 에너지측면 개선을 위해 AI기반 최적제어시스템 개발을 통해 제어최적조건을 자동도출한다.

 

1차연도에는 반도체 클린룸 공조시스템의 최신연구동향을 분석하며 실제 운전데이터 분석을 진행한 뒤 이를 기반으로 클린룸 공조시스템 성능지표를 활용한 효율성을 평가한다. 이 때 국내외 반도체 클린룸 공조시스템 에너지절감사례를통해 에너지성능평가 모델과 AI기반 최적제어 등을 분석할 예정이다.

 

2차연도에는 동적시뮬레이션모델을 개발하며 모델을 통해 공조시스템의 동적거동·성능분석을 실시한다. 3차연도에는 최적제어 알고리즘을 개발하며 에너지절감효과룰 분석할 예정이며 4차연도에는 실증을 통해 에너지절감 효과를 검증한다.

 

 

중앙대학교는 CEMS 개발을 통한 실시간 데이터기반 에너지밸런스와 흐름분석플랫폼 구축을 담당한다. 에너지흐름을 반영가능한 기반을 마련하는 것이 최종목표로 조건에 따른 에너지평가 고도화모델 분석을 실시할 예정이다.

 

1차연도에는 에너지계통 기초분석과 CEMS 설계를 통해 공기조화·에너지계통조사, 외조기 내 아키텍처 조사, 반도체 클린룸 운전데이터 상세분석을 실시한다.

 

이 때 데이터와의 연계가 중요하게 작용할 것으로 예상된다. 부경대는 활용가능한 데이터 수준을 파악하고 계통별 에너지흐름도를 작성할 계획이다.

 

2차연도에는 데이터기반 CEMS 플랫폼을 구축해 3차연도에 현장데이터 활용형 CEMS 플랫폼을 적용할 예정이다. 4차연도에는 CEMS고도화·에너지절감효과 실증에 착수할 예정이다.

 

고려대학교는 고효율 외조기 시뮬레이션과 고온히트펌프와 외조기 코일 데이터베이스 구축을 담당한다.

 

고온히트펌프 시뮬레이션의 경우 히트펌프·압축기 맵데이터를 활용한 시뮬레이션이 개발될 예정이며 외조기 코일설계변수에 따른 성능데이터베이스(DB)구축을 위해 상용소프트웨어를 통해 1차 설계변수 선정를 선정한다.

 

CFD 해석을 통한 설계변수에 따른 성능DB를 구축한 뒤 랩스케일 실험을 통한 DB정확도를 검증할 예정이다.

 

또한 외조기의 여러 컴포넌트가 중 히팅코일과 쿨링코일에 집중해 최적화여부를 확인하며 설계개선과 효율을 높여 에너지절약요소를 만드는 것이 목표다.

 

이 때 여러사양에 대한 설계데이터 필요할 것으로 예상돼 기존 상용소프트웨어를 통해 어떤 설계변수가 중요할지 측정하며 측정데이터 기반 성능예측과 설계를 수행한다. 일부 실험불가능한 부분 CFD해석통해 보완할 예정이다.

 

1차연도에는 성능평가기반구축을 구축하며 고온히트펌프사이클 시뮬레이션 프로그램 개발, 외조기코일 실험장치 구축, 외조기코일 1차 설계변수 선정을 실시한다.

 

이 때 랩스케일 실험데이터기반 시뮬레이션 검증·고도화로 AHRI 기준 ±5% 이내 정확도를 달성할 예정이다.

 

2~3차연도는 랩스케일실험 고온히트펌프 성능DB를 구축하고 외조기 코일헤더설계변수에 따른 성능평가를 실시한다. 고온히트펌프 시뮬레이션 고도화와 외조기 코일 설계변수에 따른 성능평가·최적화도 이뤄질 예정이다.

 

4차연도에는 고온히트펌프시스템 최적운전전략을 도출하며 외조기 코일 실증데이터 검증·개선안을 마련할 방침이다.

 

성균관대학교는 CFD 기반해석을 통한 고청정클린룸 내 유동균일화·에너지효율향상을 담당한다. CFD 관련기술을 적용한 예측·설계뿐 아니라 풀스케일 3D모델을 구축할 예정이다.

 

1차연도에는 FFU·노즐유동해석을 통해 FFU 내부 가이드베인 향상 최적화를 위한 CFD 해석 수행하며 초미세입자분사용 유체 노즐에 대해 유동해석을 통해 분사각과 입자직경분포를 평가한다.

 

2차연도에는 클린룸 해석모델과 반도체 클린룸구조기반 3D전산유체모델을 구축하며 수가습노즐배치설계를 통해 습도편차와 응축가능성을 분석할 예정이다.

 

3차연도에는 정압·온습도해석을 통해 클린룸 내 정압분포를 CFD로 해석하며 청정도·공기흐름안정성을 확보할 예정이며 FFU와 수가습제어를 통한 온습도 균일성향상방안을 도출할 예정이다.

 

4차연도에는 해석모델 실증·검증을 통해 실증현장데이터를 기반으로 해석모델 정합성 검증 제어연계를 위한 물리기반해석데이터셋 구축·활용할 예정이다.

 

한국공기청정협회는 탄소배출감축 등 환경적 경제적 성과발굴과 검증을 담당한다. 1차연도에는 반도체·디스플레이클린룸에너지사용현황 파악을 통해 클린룸 규모를 파악하며 공급풍량·청정도기준, 에너지소비에영향을 주는 주요인자를 도출할 예정이다.

 

2차연도에는 실증대상공간 클린룸에너지관리시스템 측정요인 도출하며 3차연도 에너지절감량산출 M&V에 따른 간이경제성을 도출한다. 마지막 4차연도에는 실증을 실시한다.

 

한편 이번 과제의 총사업비는 총 223억원 규모이며 올해 4월부터 2028년 12월까지 3년9개월간 추진된다.