1. 배 경
 
본고는 Brooks Quantim QM 시리즈 유량 제어기를 사용하여 유체 제어(Flow control) 공정 중 막힘(Clogging) 문제와 서비스, 반출된 제품을 근거로 작성되었다. 막힘(Clogging)에 대한 정보는 고객별로 다루어져선 안 되고, 관련이 있는 모든 사람에게 전달되어야 한다.

Brooks의 Quantim QM 시리즈의 고유한 문제인 것처럼 막힘에 대한 문제가 제기되었으나, 다른 저유량 유체 측정 및 제어 제품들도 동일한 증상을 겪게 될 것이다. 게다가 TMF(Thermal Mass Flow) 가스 컨트롤러의 막힘 또한 문제일 것이다. TMF 가스 컨트롤러의 가장 작은 개소는 리스트릭터(Restrictor)이다. 리스트릭터(Restrictor)가 막히기 시작하면 Bypass 유량이 변하고, 컨트롤러는 부정확하다. (Set point 대비 지속적으로 적은 양을 제어할 것임)

고체 분진(고체 미립자)이 원인이 아닌 가스에 대한 TMF 막힘 문제, 즉 더 이상 실란(Silane) 가스 적용을 살펴볼 필요가 없다. 공기 중의 노출 상태에서 실란 가스는 반응하여 모래를 생성하고, TMF 컨트롤러 내부를 코팅시키기 때문이다. 따라서 시스템 내부의 공기 배출(제거)이 일반적으로 산업 분야에서 사용된다.

2. 적정한 여과(Proper Filteration) 

여과는 유동 물질에 있는 고체 미립자를 제거하는 한 가지 방법이고, 미립자들은 공정 중 어디에서 발행했던 간에 문제가 된다. 이와 같은 맥락에서 미립자가 밸브 오리피스에 걸려 있거나 방해를 받는다. 결국 컨트롤러에서 통과한 미립자는 코팅 공정이나 화학 반응기 같은 생산 공정으로 투입되고, 최종 생산품에 대한 품질의 저하를 초래한다.

필터의 목적은 미립자가 최종 생산품(코팅 표면에 이물질) 또는 공정에 영향(밸브 오리피스 오염)을 미치기 전에 가두는 것. 어느 정도 티끌이 필터에 걸리면 깨끗한 필터로 교환한다. 필터에 어느 정도의 미립자가 걸려 있는지를 확인하는 가장 좋은 방법은 압력 저하를 모니터링 하는 것. 압력 손실이 점점 커진다는 의미는 필터가 점점 막히고, 유동 물질의 흐름을 방해하고 있다는 것이다.

모든 플로우 컨트롤러는 전단에 필터가 구비되어야 한다. 이 필터는 오리피스를 막을 수 있는 티끌을 포집하고, 특히 오염이 심한 어플리케이션의 경우 전단 필터(Pre-filter)는 가장 보편적으로 사용된다. 전형적으로 전단 필터는 큰 구멍의 크기를 가지고 있다. 예를 들어 컨트롤러 전단에 50 마이크론의 전단 필터와 10 마이크론의 인라인 필터(Inline filter)를 사용할 경우, 전단 필터가 50 마이크론보다 큰 이물질을 걸러주므로 인라인 필터의 수명이 길다.

     

3. 막힘(Clogging)의 종류 

시스템(장비) 상에서 발생할 수 있는 여러 가지 막힘의 종류가 있다. 막힘을 초래하는 물질이 어떤 종류인지 확인이 필요하고, 어느 시스템에서 막힘이 발생하는지 찾아야 한다.

막힘을 초래하는 가장 쉬운 물질은 고체 미립자(Solid particulate)이다. 티끌은 자신의 크기보다 큰 어떠한 열린 개소를 통과할 것이다. 직경이 d인 구형의 티끌을 예로 들면, d보다 큰 모든 개소는 티끌이 통과할 것이다. 직경이 d, 길이가 l인 구형 막대기 형태의 티끌을 예로 들어 보자. 유동 상태에서 이러한 형태의 티끌은 흐름 방향으로 일직선에 맞게 정렬된다. 종류의 티끌 또한 d 크기로 보아야 한다.

흔히 발견되는 고체 유형의 티끌 중 한 개는 테프론 테이프이다. 막힘이 발생하는 시스템에는 테프론 테이프의 사용은 권장되지 않고, 파이프 고착제 등을 사용한다.

막힘을 초래하는 물질에는 시스템에서 사용된, 부품이 호환되지 않는 경우이다. 솔벤트는 고무 재질의 오링 및 실(Seal)류를 녹일 수 있다. 이때 오링 및 실(Seal)로부터 고체 형태의 티끌이 발생된다. 이러한 티끌은 여러 개소를 통과하고, 자신의 크기보다 작은 곳에 누적되어 막힌다.

가장 복잡한 형태는 시스템 내에서 오염을 동반하고 반응하는 물질이다. 가장 흔한 오염원이 수분(Moisture)이다. 많은 화학물질이 수분과 반응하여 표면에서 고체 침전물이나 끈적한 제라틴 물질을 형성하는 것으로 알려져 있다. 이러한 고체 침전물이나 제라틴 물질은 그 다음의 가장 작은 개소를 공략할 것이다.

마지막으로, 수성(Aqueous)에 기반하는 유체(예를 들어 DI water)가 다른 유형의 막힘을 유발할 수 있다. 박테리아는 모든 환경에서 존재한다. 박테리아는 공기에 노출되어 있는 표면에 쌓인다. 물이 표면에 뿌려지면 박테리아는 시스템 상으로 유입되고, 시스템이 멈춰 있는 경우 박테리아는 여러 종류의 탄소가 근본이 되는 곳으로 이동한다. 이는 박테리아 군집의 시작이다. 다시 시스템이 가동되더라도 군집된 박테리아는 씻겨나가지 않고 표면에 붙어 있다. 시스템의 가동이 멈춰 있는 시간이 누적될수록 군집의 크기는 개소의 크기까지 자란다. 표백제 종류의 첨가제를 유체에 추가하면 박테리아를 죽일 수는 있으나, 표면에 있는 군집을 제거할 수 없다. 박테리아를 효과적으로 처리할 수 있는 방법은 여과(Filtera tion)이다. 개별적인 박테리아는 0.45 마이크론 정도 크기의 고체 미립자와 같이 처리될 수 있다. 대부분의 필터 제작사는 0.2 마이크론 필터 사용을 권장하고 있다.

필터들은 막힘이 발생할 수 있는 이상적인 위치에 있어야 한다. 앞에서 언급한 여러 종류의 막힘 물질은 필터의 여과 크기보다 작아 필터에 포집되지 않고 통과할 수 있다.

그 다음 막힘 장소는 컨트롤러 내부의 밸브 안쪽이다. 밸브는 두 가지 다른 메커니즘으로 막힐 수 있다.

첫 번째는 오리피스(Orifice)가 이물질로 꽉 메워지는 경우다. 이 경우 컨트롤러가 Full scale에 도달할 수 없도록 방해한다.

두 번째로 오리피스 표면과 플런저(Plunger) 사이의 표면에 첨전되어 샌드위치처럼 이물질이 누적되는 경우다. 이 경우 컨트롤러의 밸브가 이물질로 인하여 완전히 닫히지 않아 유량 이하 범위에서 제어가 불가능하다. 만약 두 가지 증상이 동시에 나타나면, 두 가지 막힘 증상이 동시에 발생한다.

세 번째로, 리스트릭터(Restrictor)가 막히기 시작하면 Bypass 유량이 변하고, 컨트롤러는 부정확하게 된다. (Set point 대비 지속적으로 적은 양을 제어할 것임)

4. 막힘 감지 

대부분 막힘 감지가 쉽다. 컨트롤러가 오염이 되었다면 설정값에 도달하지 않거나, 유량을 잠글 수 없거나, 일정한 구역에서 제어가 불가능한 증상이 발생한다. 그러나 컨트롤러가 설정값에 도달하지 못하는 다른 원인일 수 있다. 인가 압력의 부족이다. 따라서 막힘을 단정하기 전에 컨트롤러에 인가되는 압력 확인 작업이 필요하다.

다음 단계는 매우 중요하다. 컨트롤러를 수리하여 설정값에 도달할 수 있다면 시스템 상에서 막힘을 감지할 수 있는 개소를 확인해야 한다. 필터를 교체할 때가 되었다. 단순히 필터를 제거하는 것이 아니라 교체되어야 한다.

일정 시간 후 컨트롤러가 다시 설정값에 도달할 수 없고, 필터가 막힌 것으로 확인되면 원인에 대한 진단이 필요하다. 가장 손쉬운 진단 방법은 고체 미립자이다. 시스템에서 나오는 공정 유체를 기본적인 하얀 필터종이 또는 카트리지에 걸러 고형 미립자를 현미경으로 검사할 수 있다.

필터종이를 사용하는 방법이 항상 가능한 것이 아니고, 개인적으로 막힘 증상을 많이 볼 것 같지 않다. 다른 문제는 최종 생산품의 품질 저하와 같이 제작 공정의 결과에 문제를 초래하는 것이다. 다음 단계의 검사는 유체(Fluid)를 조사하는 것이다. 많은 유체가 공기 중의 수분과 화학적으로 반응한다. 이러한 반응으로 생성된 물질이 밸브 또는 필터의 막힘을 초래할 수 있다.

필터는 막히지 않았고(필터 전후단의 압력 저하 값에 이상이 없는 것으로 확인했음), 컨트롤러(Clogging Preventative Tips)가 설정값이 도달하지 못할 경우, 필터 후단의 막힘을 의심해야 한다. 이것은 오링 및 실(Seal)류의 퇴화 또는 화학적 반응에 의한 막힘일 수 있다.
유체에 대한 MSDS, Data sheet 또는 유체 공급사로부터 수분과의 가능한 상반 관계를 필히 확인해야 한다. 시스템에 사용되는 유체가 수분과 반응할 때, 시스템에 진공을 가하여 시스템 내의 공기를 완전히 제거하는 것이 가장 일반적 방법이다. 물론 모든 시스템에 접근이 가능하고, 컨트롤러는 진공 시 열려 있어야 한다. 하지만 진공으로 모든 수분이 시스템으로부터 제거되었다고 장담할 수는 없다.

수분은 표면에 붙을 수 있고, 완벽하게 제거하기 위해서는 상당히 높은 진공을 장시간 가하거나, 열을 가할 수 있다. 일반적인 규칙은 시스템의 구멍이 작을수록 수분을 완전히 제거하기 위해서는 시간이 더 길고, 더 높은 온도가 가해져야 한다. 이러한 관점을 필터에 적용하면 필터가 상황을 더 악화시킬 수 있고, 실질적인 막힘을 초래할 수 있다.

필터의 작은 구멍 크기는 진공도를 끌어내기 어렵고, 특정 경우는 수분을 완전히 제거하기 어렵다. 유체가 필터를 통과할 때 화학적 반응이 시작되고, 유체가 밸브에 도달하는 순간 막힘을 초래한다. 만약 유체에 고체 미립자가 포함되어 있지 않다고 가정하면 필터 없이 사용하는 편이 좋고, 시스템 내부 표면에 붙은 수분을 제거하기 용이할 것이고, 수분을 포집할 수 있는 위치 선정을 좁힐 수 있다.

이 시점에서 시스템을 종료(공정 완료)한 후 막힘 방지 방법을 고려한다. 시스템이 종료되었을 때 시스템 내부에 유체가 있도록 놔두는 것은 권장하지 않는다. 시스템에서 유체를 완전히 제거해야 한다. 화학 반응성 유체의 경우 수분이 장시간에 걸쳐 유체와 반응하여 미세한 흔적을 남기는 것을 최소화하지만, 밸브나 필터가 있는 경우 막힐 수 있다. 유체가 수성이라면 박테리아 군집 성장이 고인 물 없이는 성장하지 않기 때문에 박테리아 성장도 막는다.

브룩스인스트루먼트코리아(유)
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