박재봉 HNC 엔지니어링사업관리 상무

공조기술과 크린룸 분야에 20여년 가까이 몸담아온 필자는 현재 크린룸 전문기업 HNC에서 태양광 사업 영역을 전담하고 있다. 그동안 오랜 실전에서의 경험을 바탕으로 국내 유수의 여러 기업들과의 사업 또한 성공적으로 이끌어 온 이력을 갖고 있다

일본 원전의 폭발 원인은 강진과 쓰나미에 의해 전력공급이 중단되어 냉각수 공급 시스템이 정상적으로 작동되지 않은 데에 있었다. 그로 인해 노심의 온도가 비정상적으로 높아지면서 노심 용해가 발생하고, 결국은 원전이 폭발하는 상황에 이르렀다. 태양광 제조에 있어서도 냉각수 시스템이 여러 분야에 활용되고 있다. 그 중에서 폴리실리콘 잉곳을 생성하는 풀러(Puller)에는 고온의 도가니를 정밀하게 제어하기 위한 냉각수 시스템이 적용된다. 본 기사에서는 최근 이슈화 되고 있는 냉각수 공급 시스템의 기술과 폴리실리콘 잉곳설비의 신규투자 시에 검토되어야 할 사항에 대해 알아본다. 

폴리실리콘 잉곳 신규투자 시 검토사항

폴리실리콘 잉곳 생산을 위해 초기에 고려해야 할 사항은 그 범위와 종류가 다양하다. 크게는 물류와 타 공정과의 연계를 고려한 부지선정, 수요 예측에 따른 공장의 규모, 적절한 생산장비의 선정, 예산 책정 등을 들 수 있다.

첫째, 생산규모에 따른 공장 면적을 선정하는 문제를 고려해 봐야 한다. 이는 공장 신축 시 담당자들이 선정하기에 가장 고민되는 사항 중 하나다. 생산량에 따라 장비의 수량이 선정되고, 이에 따라 생산실의 면적과 기계실의 면적을 산정할 수 있는 기준이 된다. 이후 작업자 수, 생산품의 저장기간 등을 고려해 사무실 및 창고의 면적을 산정하게 된다. 표 1은 당사의 관련 프로젝트의 경험을 바탕으로 산정된 추정 면적을 정리했다.

둘째, 총 사용수전과 용수량을 선정하는 문제를 고려해 봐야 한다. 안정된 전기동력의 공급과 용수의 공급은 잉곳 생산의 생산성과 수율에 중요한 역할을 수행하게 되므로, 초기 적정한 수전량과 필요 용수량 산정은 반드시 챙기고 넘어가야 할 부분이다. 전기동력과 용수공급의 중요성은 이후 본론에서 설명하게 될 내용에서 이해되리라 본다. 표 2는 생산량에 따른 사용수전과 용수량을 정리했다.

잉곳 생산에 있어 최적의 유틸리티 공급은 중요한 부분으로 작용한다. 최근 들어 잉곳 수요가 증대됨에 따라 잉곳을 생산하는 장비의 수요도 또한 증가하며, 이를 제작하는 업체 또한 증가하고 있는 실정이다. 생산장비의 특성과 생산공정에 알맞은 최적의 유틸리티 시스템 선정은 원활한 생산을 위한 필수요소로 작용한다.

단결정 실리콘 잉곳제조 프로세스

단결정 잉곳제조 과정은 다음과 같다.

■ 디핑(Deeping) 공정 : 결정 성장을 위해 석영 도가니 내의 고순도 폴리실리콘을 외벽의 전기히터에 의해 약 2,000~2,400℃ 정도로 가열해 완전히 녹인 후 용융실리콘의 표면이 결정화 온도에 이르도록 히터(Heater)와 쿨러(Cooler)의 온도를 제어하면서 고순도 단결정 시드(Seed)를 용융실리콘 표면에 조심스럽게 접촉시킨다.

■ 풀링(Pulling) 및 크루서블 로테이션(Crucible Rotation) 공정 : 시드가 결정 성장면에 접촉되면 결정면이 급격히 결정화가 일어난다. 이때 결정화 지름을 제어하기 위해 도가니를 회전시키며 서서히 결정 성장봉을 끌어올리게 된다.

■ 숄더링(Shouldering) 공정 : 결정 성장봉을 끌어올리는 속도에 따라 잉곳의 지름이 결정되고 초기에 그 지름을 확대하기 위해 풀링 속도를 낮춘다. 어느 정도 결정의 지름이(태양전지의 경우 약 6~8인치) 형성되면 풀링 속도를 일정한 잉곳 지름을 형성하기 위한 속도로 끌어올린다. 점차 잉곳의 지름을 키우는 이 과정을 숄더링 공정이라 하고, 이때 용융된 실리콘의 양이 점차 줄면서 도가니의 모양에 따라 그 계면의 크기와 형태가 바뀌어 이에 따라 히터의 온도를 조절해 준다. 일반적으로 이러한 히터의 온도 조절은 히터의 표면온도 스케줄에 따라 공정이 운전되고, 용융실리콘의 양이 줄어듦에 따라 점차 히터의 온도도 낮추어 주는 것이 일반적이다.

■ 바디(Body) 공정 : 제품이 생성되는 일정한 지름을 유지하게 한다.

■ 타이링(Tailing) 공정 : 마지막으로 잉곳의 액체로부터의 분리를 위한 본 공정이 이루어진다.

유틸리티 시스템의 구성 및 역할

잉곳 생산에서 필요한 유틸리티의 종류는 다양하게 구성된다. 그 구성 종류와 역할은 아래와 같다.

● PCW(Puller Cooling Water Supply System)

생산장비의 안정적인 가동을 위해 풀러와 주변장비들에 냉각수를 공급한다.

● CDA(Clean Dry Air Compressed)

풀러 내 밸브 및 기타 장치류의 구동용으로 공급된다. 공급 압력은 4~9kg/cm2이며 사용량은 100~ 200L/min.Set 로 형성된다.

● GAS(Ar)

장치 내 외부공기를 차단 목적으로 가스막이 형성되고 일정 압력 유지를 목적으로 알곤이 주입된다. 공급압력은 2.5~7kg/cm2이며, 장비의 특성에 따라 압력 분포가 다양하다. 사용량 또한 60~200L/min.Set로 구성된다.

● 전기

전기동력은 도가니 내 용융온도(2,000~2,400℃)를 형성하기 위해 공급되며, 기타부속 장비의 구동 동력으로 사용된다. 공급량은 150~ 380kw/Set 이다.

냉각수 공급 시스템(PCW System)의 개요

이외에 중요한 유틸리티 시스템 중 하나는 풀러냉각수(PCW) 시스템이다. 이 시스템은 전기히터에 의해 고열로 가열되는 도가니와 전기동력을 공급하는 파워서플라이(Power Supply)를 쿨링워터(Cooling Water)로 식혀주는 시스템을 말한다. 이 냉각작용으로 인해 장치 내 과열을 방지하고 조절해 장비를 보호하고 생산성을 증대시킨다.

냉각수의 공급은 그림 1과 같이 저수조-순환펌프-장치냉각시스템-필터-풀러-저수조의 순환 시스템으로 구성되며, 일반적인 장치냉각수 시스템과 유사하다. 중요한 점은 장비에서 요구되는 일정한 온도와 압력으로 공급되어야 한다는 것이다. 공급온도는 풀러의 종류와 용량에 따라 차이를 두고 있으며, 그 범위는 일반적으로 25~30℃로 공급된다. 냉각수의 온도차 또한 3~5℃로, 장치의 특성을 충분히 파악해 시스템을 선정하는 것이 중요하다. 장치냉각수의 공급압력은 2~4kg/cm2이며, 이는 장비의 특성과 접속 관경을 고려해 일정하게 공급될 수 있도록 해야 한다. 또한 진동이 풀러로 전달되지 않도록 별도의 방진설비를 적용해야 한다.

현재 이 장치냉각시스템의 선정에 있어 ‘장비에서 요구하는 최적의 냉각수를 최소의 에너지로 공급할 수 있는가?’ 하는 점이 많은 업계에서 가지고 있는 문제 중 하나일 것이다. 또한 장치냉각수의 공급이 장비에 미치는 영향이 크기 때문에 이에 대한 비상시 안전대책도 중요한 문제로 부각되고 있다.

PCW 시스템에서의 운영비 절감방안

위에서 언급한 바와 같이 장치냉각수 시스템 중 풀러에 일정한 온도의 냉각수를 공급함과 동시에 운전에너지를 절감하는 방안으로 멀티쿨링(Multi Cooling) 시스템을 적용할 수 있다. 풀러를 거쳐 회수되는 냉각수는 PCW 워터탱크라는 저수조로 집수되고, 순환펌프로 인해 1차 냉각시스템과 2차 냉각시스템 그리고 수처리 필터를 거쳐 다시 풀러로 공급되는 순환시스템을 구성한다.

1차 냉각시스템은 냉각탑과 열교환기로 구성되며, 이는 동계 시 외기와 접촉된 냉수(15℃ 이하)를 이용해 열교환 된 냉각수를 공급한다. 2차 냉각시스템은 냉동기와 냉각탑, 2차 열교환기로 구성되며, 하계 시 냉동기에 의한 7℃의 냉수를 이용해 열 교환된 냉각수를 공급하는 2단계 시스템으로 이루어진다.

따라서 중간기는 1차 냉각시스템과 2차 냉각시스템을 병행 운전해 일정한 온도의 냉각수를 공급하게 된다. 이는 연중 다량으로 발생되는 냉동부하를 줄이고 연간 발생되는 운전비용을 절감할 수 있다. 표 3은 공급온도에 따른 1차, 2차 냉각시스템의 운전조건을 나타냈다. 그 외에 다음과 같은 시스템도 현장여건에 따라 적용 가능하다.

● 냉동기 대수 제어 적용

냉동용량을 적정 대수로 분할함으로써 초기투자비 및 불필요하게 가동되는 냉동기·냉각탑의 운전비(약 15%)를 절감할 수 있다.

● 폐열회수 시스템 적용

생산시설에서 나오는 상온의 배기 공기(Exhaust Air)를 공조에 필요한 신선 외기와 열 교환 시켜 동절기 난방부하를 줄일 수 있다.

● 지열 시스템 적용

지열 시스템 도입을 통해 기존의 유틸리티 장비 용량을 줄이고 연간 운전비를 절감할 수 있다.

● 냉각탑 비산 억제 시스템 적용

냉각탑의 백연 및 비산수량을 줄이기 위해 백연 저감장치를 적용해 연간 비산량의 약 30%를 줄여 용수 사용금액을 절감할 수 있다.

● 대온도차 냉동기 적용

대온도차 냉동기 적용으로 냉수 유량감소로 인한 초기투자비 및 운전비(30%)를 절감할 수 있다.

PCW 시스템의 비상시 운전대책

풀러 한 대가 하나의 잉곳을 생산하기 위해서는 최소 72회 내외의 연속운행이 필수적이다. 잉곳을 생산하는 도중 전력헌팅, 정전, 냉각수 부족 등의 문제가 발생하게 되면 잉곳 제품뿐만 아니라 그로워 장비와 파워 서플라이에 치명적인 손상을 입히게 된다. 이를 방지하기 위해 비상대책 방안이 반드시 고려되어야 한다.

일반적으로 풀러 쿨링 워터 시스템에 쓰이는 비상대책에는 비상발전기, 고가수조 설치, 공업용수 연동, 엔진펌프 가동 등의 방법을 사용한다. 그러나 고가수조 설치와 공업용수 연동방식에는 현장에서의 적용에 여러 문제점들이 예상된다. 또한 비상정지 후 재가동에 있어서도 많은 어려움이 있어, HNC에서는 비상발전기와 엔진펌프의 혼용방식을 권장한다. 이 방식은 엔진펌프를 워터탱크에서 필터하우징 전단에 연결시키고, 비상발전기를 PCW 순환 펌프와 1차 냉각탑, 그리고 냉각수 공급 펌프에 연결시키는 방식이다. 비상시 자동제어 순서는 다음과 같다.

■ 정전과 같은 비상상황 발생.

■ 엔진펌프 즉시 가동 : 엔진펌프는 전기를 사용하지 않고 저장되어 있던 경유로 가동되며 저수조의 물을 풀러로 공급·순환시킨다.

■ 비상발전기 가동 : 비상 상황에서 30초~1분이 경과하면 비상발전기가 정상 가동단계에 이르러 동력을 생산해 낸다.

■ 엔진펌프 정지.

■ PCW 순환펌프, 냉각탑, 냉각수 펌프가 가동되어 냉각수를 풀러에 공급·순환시킨다(그림 3).

풀러 장비는 순간의 전력차단이나, 냉각수 공급 중단에도 치명적 손상을 입게 되므로 비상시에도 전력과 냉각수가 멈추지 않게 하는 것이 가장 중요하다. 이 비상시스템으로 생산 중이던 잉곳제품을 보존하기는 어렵다. 단지 고가의 풀러 장비의 손실을 최소화 하는데 목적을 둔다.

PCW 시스템의 중요성

일본 원자력발전소가 원자로의 고열을 식혀주는 냉각수 시스템의 작동이 멈춰 폭발한 것처럼 폴리실리콘 잉곳 생산장비에서도 냉각수 공급 시스템이 차단되면 잉곳장비 내부의 고온이 정체된 냉각수를 증발시켜 폭발의 위험성과 과열에 의한 화재가 발생해 심각한 피해를 야기시킬 수 있다. 때문에 냉각수 공급 시스템은 어떠한 경우라도 순환이 되도록 시스템화해 비상시에도 생산장비를 안전하게 유지관리 할 수 있도록 설계 및 시공이 되어야 하며, PCW의 온도, 압력, 전력, 각 주변설비들의 운전 상태를 모니터링 감시하는 제어시스템을 설치해 위급사항을 사전에 감지·조치하고, 설비가 효율적으로 관리되도록 해야 한다.

이러한 가운데 HNC는 생산환경 구축에 있어서 U/T, 클린룸설비 분야에 여러 실적을 토대로 신뢰할 수 있는 시스템을 구축하고 있다. 태양광 잉곳설비의 800MW 설계 및 400MW 시공에 따른 냉각수 공급 시스템 프로젝트에 다양한 수행 실적을 갖추고 냉각수 공급 시스템을 안전하게 구축해 높은 기술력을 인정받고 있다.

지식경제부는 전력수급계획과 관련해 2024년까지 신재생에너지와 원자력 발전비중을 각각 8.9%, 48.5%로 지속 확대한다고 발표한 바 있다. 그러나 원자력발전은 이번 일본재해를 계기로 사회적 갈등과 비용에 대한 저항이 더욱 더 표면화 될 우려가 있으므로 신재생에너지에 대한 발전비중을 더 확대 공급하길 기대한다.

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