Tech Trend - 이성형 QMS 절대적 정량 분석 시스템
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반도체 디스플레이 산업 온실가스 저감시설 효율측정 관련
▲ 윤석래 (주)이엘 대표이사 jeff@elanalysis.com
기술개발 배경
2009년 코펜하겐에서 이명박 전 대통령이 “My first”라는 표현과 함께 대한민국이 앞장서서 온실가스 감축을 하겠다고 공개선언한 이후 2011년 온실가스 목표관리제를 시행하였고, 이듬해 탄소배출권 거래제가 국회를 통과하여 2015년 1월부터 본격적으로 국내 탄소배출권 거래제를 시행하여 진행 중이다.
탄소배출권 거래제는 산업별로 배출량 산정에 대한 기준들이 마련되어 있으며, 참여대상 업체들의 이해관계에 따라 국가배출계수를 이용하거나 사업장 고유배출계수를 이용한다.
그리고 조건에 따라 반드시 사업장 고유 배출계수를 개발해야 하는 경우도 있다.
이러한 환경 때문에 국내 반도체 디스플레이 생산업체(삼성전자, 삼성디스플레이, LG디스플레이, SK하이닉스 등)들은 제품생산 중에 사용되는 온실가스들을 저감하여 대기로 배출하는 저감시설(POU 스크러버 & 대용량 처리시설) 효율측정을 하여야하게 되었다.
탄소배출권 거래제는 배출권 자체가 현금과 거래되기 때문에 모든 측정은 국제적으로도 인정을 받을 수 있는 분석방법을 이용해야 한다.
따라서 현재 환경부에서 반도체 디스플레이 산업에서 저감시설 효율측정에 대한 온실가스 저감시설 효율측정 관련 가이드라인을 업체에 배포하였다(온실가스 종합정보 센터 홈페이지 www.gir.or.kr 지침 참조).
가이드라인에 의하면, FT-IR과 QMS(사중극자 질량분석기)를 이용하여 저감시설 유입, 유출구에서 온실가스의 농도와 유량을 실시간으로 현장에서 온라인으로 모니터링 하도록 기술되어 있다(그림 1 참조).
이에 FT-IR과 QMS는 기본적으로 이동이 가능해야 하며, 가이드라인에서 요구하는 측정 기준에 부합하는 성능을 보유하여야 한다.
따라서 QMS라는 가스분석 장비를 이용하여 가이드라인 기준에 부합하는 절대적 정량분석 시스템과 측정 결과를 이용한 정확한 계산 절차가 반드시 필요하게 되었다.
반도체 디스플레이 산업은 감축량이 타 산업에 비해 비교적 많기 때문에 신뢰성 있는 측정이 동반되지 않는다면 국내 배출권 거래제 내에서 큰 문제를 야기할 수 있다.
따라서 온실가스 저감시설 효율측정은 신뢰성 있는 측정이 그 무엇보다도 중요하며, 현장에서 온라인 실시간 측정을 요구하고 있기 때문에 현실적으로 이동이 가능하여야 한다.
이에 이엘은 2009년 중소기업 연구소 업그레이드 사업을 통해 개발된 QMS를 이용한 절대적 정량분석 자동화 시스템 기술(2012년 NET 인증)을 기반으로 이동이 가능하면서 실시간으로 온라인 모니터링이 가능하고, 결과값 계산도 자동으로 처리할 수 있는 소프트웨어를 추가로 개발하게 되었다.
기술 개요
온실가스 저감시설 효율측정을 간단하게 설명하자면(그림 1 참조), 저감시설 유입구 및 유출구에서 QMS와 FT-IR 측정을 통해 단위 시간별 저감시설로 유입되는 온실가스의 적산양과 유출구의 적산량을 산출하고, 이 결과값을 바탕으로 저감시설을 저감효율을 측정하는 것이다.
여기서 QMS는 저감시설에서 파괴되지 않는 Kr(He 사용 가능)를 유량제어기(MFC)를 이용하여 일정 양을 주입하고, 주입된 Kr가스의 농도를 유입구와 유출구에서 측정함으로써 유량을 산출하는 역할을 한다.
QMS라는 측정 장비의 특성상 현장에서 교정(Calibration)을 하고, 교정 결과가 가이드라인 기준에 부합되면 측정을 실시해야만 한다.
따라서 시스템의 구성도 중요하지만 측정 결과를 신속하게 분석하는 것도 현실적으로 매우 중요한 요소이다. (* Kr: 원자번호 36번 크립톤, He: 원자번호 2번 헬륨)
교정 방법을 간단하게 설명하자면, 표준물질과 희석용 가스를 가스 희석장치를 이용하여 5점 농도를 QMS로 주입시키면서 측정된 값을 이용하여 QMS를 교정한다.
이때 직선성을 나타내는 R2 Value의 값은 0.98이상이여야 하며, 반복 재현성을 나타내는 σ값은 상대불확도로 ±5% 이내여야 한다(그림 2 참조).
예를 들어, 99.999% Kr를 1분당 1ℓ를 흘리면서 QMS를 이용하여 측정된 유입구의 농도가 교정 곡선을 이용하여 산출된 결과값이 1.00% 일 경우, 유입구의 총 유량은 분당 100ℓ(Kr 가스유량 포함)로 산출된다.
하지만 QMS의 측정 결과를 정확하게 계산하기 위해서는 Raw Data부터 복잡한 계산과정을 거쳐야 한다. 일반적으로 가스 질량분석기의 원리상 반드시 일반화라는 과정을 거쳐야 한다.
QMS로 유입되는 압력의 정보를 이용하여 교정 때와 같은 압력 하에서 계산되어져야 하는 등 사람의 손을 이용하여 결과값을 계산할 경우 길게는 숙련자라하더라도 1∼2시간 이상의 시간이 소요된다.
이엘이 개발한 분석 시스템은 이동성 확보 및 신속 정확한 결과값 계산까지 전자동으로 구동되는 맞춤형 시스템이다.
Kr 가스 농도 측정을 통한 유입구와 유출구의 유량 측정
(1) 자동 교정(Auto Calibration)과 유량 계산
지금부터 구체적으로 QMS 측정에 관해 구체적으로 서술해 보도록 하겠다.
반도체 디스플레이 산업 온실가스 저감시설 효율측정 가이드라인에서 유입구와 유출구의 유량을 측정하는 QMS는 측정 전 현장에서 교정을 실시하도록 규정하고 있다.
QMS의 교정 방법은 앞서 설명한 바와 같이 가스 희석장치(Gas Dilution System)와 표준가스를 이용하여 최소 5점 농도를 생성하여 측정하고, 이를 근거로 교정곡선(Calibration Curve)을 작성한다.
이때 5점 농도는 측정하고자 하는 Kr 가스의 농도를 예측하여 실제 샘플 농도가 교정 곡선을 벗어나지 않도록 하여야 한다.
교정 완료 후 교정 곡선의 R2 값은 0.98 이상 되어야 하며, 중앙 농도값을 5회 반복 측정한 σ 값은 상대불확도로 ±5% 이하여야 한다.
교정 곡선은 y = ax + b 형태의 1차직선 방정식으로 표시된다.
교정 곡선이 산출 되면, QMS를 이용해 측정되는 농도는 반드시 교정 곡선에 대입하여 산출된 결과를 이용하여야 한다.
그 후 산출된 Kr 가스 농도와 주입한 Kr 가스양의 상관 관계식을 이용하여 유량으로 환산한다.
참고로 사람이 직접 수식을 작성하여 계산할 수도 있지만 Origin과 Excel을 이용하여 편리하게 계산할 수 있다.
(2) Online Real Time Mornitoring System
기본 조건 반도체 디스플레이 산업에서 사용되는 온실가스 저감시설의 효율측정을 위에서는 설명한 유량 측정 방법을 이용하여 현장에서 Online Real Time Monitoring을 해야 한다.
따라서 기본적으로 측정에 관련된 장비 및 부품들은 이동이 가능하여야 한다.
하지만 측정 장비가 소형으로 이동 가능하도록 개발된 제품들은 제한적이며, 특히 QMS의 경우에는 더욱 제한적으로 개발되어 있다.
QMS는 고진공 영역에서 작동하는 가스분석 장비이기 때문에 Turbo Pump가 반드시 필요하며, 관련된 부품 및 챔버들 또한 무게가 매우 무거운 고진공용이기 때문에 부피가 작아야 협소한 작업 공간까지 운반이 가능하다.
온실가스 저감시설의 설치 위치는 크게 실내와 실외 옥상으로 나뉘는데, 실내 저감시설의 경우 진입하는 경로가 협소한 경우가 있기 때문에 부피가 작아야 하고, 실외 옥상의 경우 성인 2∼4명이 들어서 운반해야 하는 환경이 있기 때문에 장비의 무게가 가벼워야만 한다.
이러한 이동성이 보장되지 않는다면 사용할 수 없다. 이동되어진 장비는 그림 1 과 같이 현장에 설치하고 테스트를 진행한다.
반도체 디스플레이 생산 공정에서 발생하는 가스들은 대부분 높은 습도와 오염입자를 포함하고 있다.
이러한 환경은 가스분석 장치에 치명적일 수 있는 환경이다.
따라서 가이드라인에 기술된 1시간을 측정하기 위해서는 온실가스 농도에 영향을 미치지 않으면서 습도와 오염입자에 분석 장비가 노출되는 것을 최소화 할 수 있는 여과장치가 필요하다.
이 부분도 매우 중요한 기술이라 할 수 있다. 장비의 오염은 측정 결과에 직접적으로 영향을 주는 요소이다.
측정 결과의 오차값이 커질 경우 저감효율은 신뢰성을 잃게 되고, 이는 배출량 산정에 오류를 낳아 배출권 거래제 내에서 타 업체와의 거래시 많은 문제들이 발생할 수 있다.
(3) QMS를 이용한 유량 측정 시 Data 정리
Sample 주입 압력 실시간 동시 측정 후 보정
QMS는 가스 질량 분석기이며, Sample의 주입 압력에 따라 검출기에서 나오는 신호의 크기가 변한다.
따라서 같은 농도의 측정 대상 물질이 다른 압력으로 주입되는 경우 QMS 검출기에서는 측정되는 이온전류의 값이 변할 수밖에 없다.
다시 말해 주입되는 실제 온실가스 Sample의 주입압력을 모니터링하지 않을 경우 측정된 유량값을 신뢰할 수 없게 되며, 이로 인해 계산된 저감시설의 효율 또한 그 신뢰성을 잃게 되는 것은 자명한 일이다.
Baseline Monitoring 후 보정
QMS라는 측정 장비는 제조사에서 낮은 농도를 신뢰성 있게 절대적인 정량분석을 할 목적을 개발되어진 장비가 아니다.
따라서 낮은 농도의 절대적 정량 분석을 하기 위해 Baseline의 모니터링은 반드시 이루어져야 한다.
이 부분은 상대적으로 오차가 발생하는 것이 아니라 절대적으로 오차가 발생되는 부분이기 때문에 낮은 농도의 모니터링일 경우 매우 중요한 부분이라 할 수 있다.
예를 들어, 실제 Sample의 농도가 200ppm 경우 Baseline 변화의 폭이 ±500ppm이라 가정한다면 실제로 검출이 안 되는 경우와 700ppm으로 검출이 될 수 있는 두 가지 상황이 발생한다.
유입구에서 측정된 Kr 가스의 농도가 200ppm이고 이 때 유량이 200SLM이라고 가정할 경우, Baseline을 보정하지 않아 700ppm으로 측정된다면 유량값은 3.5배 줄어드는 것이다.
유출구에서 이러한 현상이 생겼다면 저감시설의 효율은 실제 값보다 매우 높아지는 것이고, 유입구에서라면 저감시설의 효율은 낮아진다는 의미이다.
이엘 개발 I-sepas란?
주식회사 이엘은 2006년 한국표준과학연구원으로부터 QMS를 이용한 가스 절대적 정량 분석에 대한 기술 노하우를 이전 받아 QMS를 이용한 절대적 정량분석에 대한 연구개발을 시작했다.
2009년 중소기업 ‘기업부설연구소 업그레이드’사업을 통해 전자동으로 측정이 가능한 시스템 개발에 성공하였고, 2010년 8월 신기술 인증도 받았다.
또, 개발된 시스템을 2010년 삼성전자(現삼성디스플레이) SF6 저감 CDM 사업 관련 측정 장비로 납품을 하였다.
이 제품이 I-sepas의 시작이라고 할 수 있다. 단, 처음 개발된 제품은 이동성을 고려하고 개발되지 않은 제품이었다.
(1) 이동성
I-sepas(그림 3)는 2010년 개발된 자동화 측정 S/W에 이동성을 강화시킨 시스템이다.
크기는 600mm(가로)×400mm(세로) ×600mm(높이, 바퀴 포함)이고, 무게는 약 80∼100㎏으로 성인 2∼4명이 운반할 수 있는 무게이다. 바퀴의 지름이 약 100mm 이상 되어 웬만한 높이의 턱을 쉽게 넘을 수 있다.
(2) 전자동 측정 S/W
I-sepas는 왜소한 외형과 달리 질 높은 성능을 보유하고 있는 측정 시스템이다. 특히 반도체 디스플레이 산업 온실가스 저감시설 효율측정에 맞춤형으로 개발된 제품이다.
자체 개발한 가스 희석 장치(Icaly, 그림 4)와 연동하여 Full Auto Calibration이 가능하고, Calibration Curve에 대입하여 농도 산출까지 S/W에서 자동으로 계산된 값을 출력해 주는 시스템이다.
제품의 가장 큰 특징은 탄소배출권 관련 반도체 디스플레이 산업에서 사용되는 온실가스 저감시설 효율측정에 맞춤형으로 개발된 것이다.
교정 후 교정 결과값이 가이드라인 기준에 부합하는지 확인할 수 있도록 적색원 안에 R2과 σ 값이 교정이 끝남과 동시에 화면에 출력된다.
따라서 측정시간을 단축시킬 수 있다.
그리고 교정곡선에 대입하여 일정 간격으로 Kr 가스에 대한 농도 및 실제 유량을 운영자가 실시간으로 볼 수 있도록 되어 있기 때문에 측정과 동시에 유량을 파악할 수 있다(그림 6 참조).
이처럼 결과값을 바로 알 수 있는 장점은 온실가스 저감시설이 정상적으로 작동하고 있는지를 즉각적으로 파악할 수 있기 때문에 배출권 거래제 피 검증 업체 입장을 고려할 때 경제적인 면이 직접적으로 연관되는 중요한 요소라고 할 수 있다.
향후 기술 개발 방향
(1) 관련 산업 중국 동향
얼마 전, 신문기사에 중국 정부가 대기환경 관련으로 20여 조원을 투자하겠다고 발표했다. 중국 입장에서 온실가스 저감을 이용한 경제적 이익 창출은 막대할 것이라는 예측이다.
국내에서 2015년 1월 1일부터 시행 중인 탄소배출권 거래제는 국내 기업들만 대상으로 거래를 할 수 있는 시장이다.
중국도 이미 2개 성은 탄소배출권 거래소가 시범 운행 중이고 올해 5개 성이 더 시행할 계획이다.
하지만 반도체 디스플레이 관련 온실가스 저감시설 효율측정 기술은 현재 우리나라 5년 전 정도 수준으로 파악되고 있다.
온실가스 배출량 산정을 위해 중국 정부가 노력을 하고 있기 때문에 관련 분야 시장 형성은 생각보다 빨리 형성될 것으로 예측된다.
(2) 중국 시장 맞춤형 장비 생산, One Stop Service, Full Auto Mati on System
중국의 온실가스 저감시설 효율측정은 앞서 언급한 바와 같이 아직은 배출권 거래제 내에서 신뢰성 있는 측정을 하기에는 인적, 물적, 기술적 모든 면에서 역부족이라고 판단된다.
필자의 경험으로 미뤄볼 때, 가스분석 특히 온실가스 저감시설 효율측정이라는 기술은 짧은 시간의 교육과 경험으로 해결할 수 있는 기술이 아니다.
따라서 중국에서도 사용할 수 있는 Full Automation System을 개발해야 한다.
QMS 뿐만 아니라 FT-IR까지 모두 연동시켜 사용자 입장에서 기본적인 교육만 이수하더라도 운영이 가능한 분석 시스템을 개발하여야 한다.
그리고 국내 시장에서도 지금보다는 소비자 입장에서 운영이 쉬우면서 정확한 측정을 할 수있는 자동화 시스템이 개발되어질 것으로 예상할 수 있다.
끝으로 반도체 디스플레이 생산 중 사용되는 온실가스들은 GWP(지구온난화지수)가 이산화탄소 대비 많게는 23,000배(SF6)에 이르고 있기 때문에 약 10년 전부터 전 세계적으로 저감에 대한 관심을 지속적으로 가져오고 있는 상황이다.
하지만 지금은 우리나라와 중국이 가장 관심을 가질 수밖에 없는 분야이다.
따라서 우리나라와 중국은 배출을 모니터링 하기 위해 측정에 대한 관심이 점점 높아질 것이며, 관련 시장 규모도 차츰 성장할 것으로 판단된다.
이엘은 이러한 시장 상황을 대비하여 2015년 하반기부터 일체형 분석 시스템 및 측정 관련 S/W 개발을 준비하고 있다.