5. 필터, 오리피스 및
티끌의 치수에 대한 이해 

고체 미립자(티끌)로 다시 돌아와 필터의 기공, 오리피스 및 티끌의 크기에 대해 이해할 필요가 있다. 필터는 두 가지 중 하나로 표현된다. 일반적인 것은 통과할 수 있는 가장 큰 티끌의 크기이다. 이것은 인라인 필터를 묘사하는 방법으로 1, 10, 20, 30 또는 40마이크론과 같이 통과할 수 있는 티끌의 특성 치수이다.

마이크론이 무엇일까? 1미터는 1,000,000마이크로, 0.001인치는 25.4마이크로이다. 1마이크론 필터는 1마이크론 크기 이하의 입자가 통과될 수 있다. 그럼 오리피스와 비교해 보자.

가장 작은 사이즈의 오리피스는 0.001″(inch)의 직경을 가지고 있다. 이는 25.4마이크로미터로 1마이크론 필터를 통과할 수 있는 가장 큰 티끌보다 크다.

표 1은 필터, Brooks에서 사용하는 오리피스 및 그에 대한 티끌 치수를 표기하였다.

0.007″보다 작은 오리피스가 사용될 경우 최소 10마이크론 필터를 사용할 것을 권장한다. 0.007″보다 큰 오리피스가 사용되는 경우 최악의 시나리오는 0.010″ 오리피스에 40마이크로 필터가 사용되는 경우다. 필터를 통과할 수 있는 티끌의 가장 큰 직경과 오리피스 직경의 비율은 254.0 / 40 = 6.35이다. 다시 말해, 오리피스가 한 축에서 막히기 전에 오리피스에 6개 이상의 티끌(입자)이 들어가야 한다.

그러나 오리피스는 원형의 단면적인 π(D/2)2 = π(254/2)2 = 50670.7㎛2이다. 티끌(입자)이 차지하는 단면적은 π(40/2)2 = 1256.6㎛2이다. 오리피스를 완벽하기 막기 위해서는 50670.7 / 1256.6 = 40개의 티끌이 있어야 한다. 표 2에 오리피스 단면적을 완벽하게 채울 수 있는 티끌(입자)의 개수를 산출했다.

표 2에서 볼 수 있듯 적정한 필터가 사용될 경우 고체 미립자(티끌)로 인해 밸브 오리피스가 막히지 않는다. 막힘 문제가 있는 고객을 도울 경우 다른 메커니즘의 오리피스 막힘에 초점을 맞춰야 한다. (수분과의 화학적 반응 또는 오링의 호환성)
 
하얀 부분은 원형이 들어갈 수 없다. 따라서 분포 효율은 1보다 적다. 그러나 오리피스를 가로질러 연결되어 있는 티끌로 인해 산술식은 더욱더 복잡해진다. 상기의 숫자는 이해를 증진시키고자 제시되었으며, 정보를 공유하기에 충분한 근사치이다.

6. 화학반응에 의한 막힘 
 본고에서는 유체가 수분과 화학적으로 반응하는지를 명쾌하게 서술하겠다. 이 문제는 Brooks의 QM 시리즈 컨트롤러가 직면하는 가장 해결하기 어려운 상황이다. Brooks의 QM 시리즈 제품 라인의 문제가 아니고, 플로우 컨트롤러도 해당될 수 있는 일반적인 유체 적용에 해당된다.

많은 유체가 물의 극지성(The polar nature of water)으로 인해 물과 화학적으로 반응한다. 시스템 상의 가장 흔한 물의 원인은 습도와 관련된 대기로부터 기인한다. 따라서 유체를 적절하게 유동시키기 위해서는 시스템 내의 모든 수분이 제거되어야 한다. 유체 반응률은 유체의 화학 성질에 따라 다르고, 반응을 위해 얼마만큼의 수분량이 필요한지에 따라 다르다.

시스템 작동 중 수분이 유체와 접촉할 수 있는 두 가지 심각한 경우가 있다. 초기 가동 및 조업 정지 후의 기간이다. 장비의 초기 가동 및 조업 정지 절차는 고객의 책임하에 있다. 오늘날 세계에 존재하는 많은 유체에 대해 Brooks Instrument는 전문가가 된다. 또 여러 종류의 시스템에 요구되는 초기 가동 및 조업 정지 절차의 정확한 조건은 어떤 개별 구성 요소로 제작되었는지, 어떤 시스템인지에 따라 다르다.

초기 가동 및 조업 정지 프로세스 개발을 위해 몇 가지 일반적인 지침을 제공하겠다. 반드시 이해할 사항은, 컨트롤러는 유체 흐름을 다루기 위해 단순히 설계된 밸브라는 것이다. 컨트롤러는 유체의 오염을 최소화한다. 유체와의 노출 최소화를 기대해서는 안 된다.

시스템에 장착된 시점에서 필터 및 컨트롤러는 유체가 지나가는 개소 중 가장 작은 곳에 해당된다. 따라서 유체가 수분과 화학적으로 반응하기 시작하는 가장 민감한 부품이다. 컨트롤러를 지나가고 화학적 반응을 일으킨 경우, 이 물질은 최종 생산품의 합격률 및 제품 성능을 저하시킬 것이다.

초기 가동의 목적은 시스템 내의 수분을 완전히 제거하는 것이고, 조업 정지의 목적은 시스템 내의 모든 유체를 완전히 제거하는 것이다. 초기 가동 시 수분을 제거하는 실질적인 방법은 시스템에서 공기를 제거할 수 있는 진공 단계까지 당기거나 시스템 표면에 붙어 있는 수분을 증발시키는 것이다. 작은 개소구는 진공 펌프가 시스템을 필요한 진공도 아래로 끌어내리는 능력을 제한할 것이다(전반적인 시스템은 모두 열려 있는 상태여야 함. 밸브 및 컨트롤러 등).

(시스템 전반에) 물의 증발 압력 이하로 진공이 도달하면 증발이 시작된다. 시스템이 완전히 건조되지 않으면 시스템의 압력이 안정화되지 않는다. 이를 확인하기 위해 시스템을 잠그고 진공 펌프를 끈다. 그리고 압력 변화를 일정 기간 관찰한다. 만약 압력이 증가하기 시작하면 어느 개소에서 리크가 생겼거나 수분이 완전이 증발한 것이 아니고, 모든 시스템의 유체가 완전히 건조된 것이 아니다.

7. Brooks Instrument의 제안 

앞에서 살펴본 바와 같이 시스템 내에는 여러 가지 원인으로 인하여 티끌 및 수분이 존재하고 발생한다. 적정한 위치에 필터 및 트랩이 설치되어 있더라도 컨트롤러 전단에 컨트롤러를 보호할 수 있는 필터 사용을 강력히 추천 드린다. 컨트롤러 전단에 필터가 설치되어 있더라도 컨트롤러와의 거리는 고려되어야 하고, 필터의 불량이 발생할 경우를 대비하는 것이 바람직하다.

컨트롤러 불량으로 인한 점검 의뢰 건들을 조사해 보면, 컨트롤러의 내부 오염이 90%를 차지할 정도로 빈번하게 발생하고 있다.
•센서 내부의 오염(막힘)으로 설정값 제어 불가
•Restrictor의 오염으로 실제 유량값과 설정값의 차이 발생(Accuracy failure)
•Orifice 및 Valve seal(Plunger) 오염
- Full scale flow 불가
- 측정 범위에서 제어 불가(Hunting 발생)
- Internal leak 발생

컨트롤러 작동 불량은 최종 생산품의 품질 및 제조 공정상에 지대한 영향을 미치고, 막대한 금전적 손실을 초래할 수 있다. Brooks Instrument는 문제점 해결 방안으로 Integrated type의 Inline filter를 Option으로 제공한다. 컨트롤러에 직접적인 영향을 줄 수 있는 오염물질을 제거하고, 안정적이고 경제적인 시스템을 운영하기 바란다.

브룩스인스트루먼트코리아(유)
cs.park@brooksinstrument.com