유동층을 이용한 기계부품 세정기술

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

고명한, 우광재, 김상우, 박성하*

에이엔티

*한밭대학교 응용화학부 화학공학 전공

Cleaning Technique of Machine part in a fluidized bed

Myung-Han Ko, Kwang-Jae Woo, Sang-Woo Kim,

Sung-Ha Park*

ANT R & D center

*Dept. of Chem. Eng., Hanbat National University

서론

기계, 전자산업에서는 금속, 플라스틱, 유리 등의 절삭(cutting), 연마(ginding), 구멍뚫기(driling), 나사내기(threadin) 등의 가공작업을 수행하면서 재료의 변형을 초래하지 않고 작업을 원활히 하기 위하여 절삭유, 가공유를 사용하고 가공 후에도 부식을 방지하기 위하여 방청유를 가공된 재료표면에 바른다. 이렇게 가공작업을 끝낸 부품을 그대로 이용하거나 표면처리, 도장 같은 후속작업을 원활히 하고 제품의 불량률을 줄이기 위해서는 이 부품 표면을 후속 공정에 맞게 세정하고 건조시켜야 한다.

그동안 산업체에서 부품가공 중의 이물질을 세척하기 위하여 CFC-113과 1.1.1 TCE가 주로 사용되어 왔다. 이들 세정제는 기름의 용해력 및 침투성이 뛰어나고 건조성도 좋으며 불연성이면서도 비교적 독성이 적어 세정제로서 뛰어난 특성을 가지고 있다[1]. 그러나 이들 세정제는 오존층 파괴 물질로서 판명되어 국제적 합의 하에 선진국에서는 1995년 말 까지 생산과 사용이 금지되었고 개발도상국에서는 일정 유예 기간을 두어 2010년 이후에는 사용이 규제될 예정이다[2]. 따라서 많은 국가에서는 이들 세정제를 대체하고자 HCFC 계열의 세정제를 계발하였거나 이를 도입하여 대체 세정제로 사용하고 있다. 그러나 이들 세정제는 가격이 고가이고 CFC 보다는 매우 작지만 오존층 파괴력이 있어 적어도 2020년까지는 전폐가 예상된다. 그리고 trichloroethylene, methyl chloride와같은 염소계 세정제는 세정력도 비교적 우수하고 불연성이며 오존층 파괴 지수가 매우 작아 전세계적으로 CFC 대체 세정제로 현재 많이 사용되고 있지만 작업장 배출 허용농도(TWA)가 매우 낮고 발암 가능성이 있어 엄격한 작업 환경관리가 요구되는 유해 세정제이다. 이들 염소계 세정제의 대안으로 근래에 많이 사용되어지고 있는 세정제로서는 탄화수소 및 알콜계 세정제, 수계/수준계 세정제가 있다. 이들 대체 세정제 중에 탄화수소계 및 알콜계 세정제는 비교적 세정력이 우수하지만 인화성이 있어 소방법에 저촉되기 때문에 특수 방화설비가 필요하다. 또한 비등점이 비교적 높고 가연성이 있어 CFC나 염소계 세정제에 사용하는 중기 탈지 공정의 적용이 불가능하다. 그리고 수준계 세정제는 비수용성인 물질을 주성분으로 하고 여기에 물을소량 첨가하여 세정에 사용하거나 이를 직접 세정하고 헹굼과정에서 물을 사용한다. 이 세정제는 세정력이 우수하고 사용이 용이하며 세정과정 중에 정화과정을 거쳐 지속적으로 재사용함이 가능함으로 장기간 사용할 수 있는 이점이 있지만 세정제 가격이 비교적 고가이고 일부 세정제는 가연성이 있어 화재의 염려가 있다[3,4]. 그리고 수계세정제는 계면활성제, 산 또는 염기, 그리고 보조제(builders) 및 방청제(inhibitors)등으로 이루어져 있으며 이를 다량의 물에 희석(5□100배)하여 사용한다. 수계세정제는 일반적으로 환경친화적이고 화재의 염려가 없으며 저가인 장점이 있지만 장기간 사용할 수 없고 건조시간이 길며 폐수처리시설을 필요로 하는 단점이 있다. 따라서 산업체에서 세정제를 적절히 선정하기 위해서는 세정제의 안정성, 세정성능, 경제성 등을 고려하여 세정목적에 맞는 적합한 세정제와 세정방식을 선정하여야 할 것이다. 대체 세정기술 선정에 관한 연구는 국□내외적으로 높은 관심 속에 그동안 많은 연구발표가 있었다.

본 연구에서는 산업체에서 대체 세정기술을 효율적으로 결정하기 위한 대체 세정 시스템의 선정에 대하여 연구하였다.

본론

수계 세정시스템은 세정제로서 순수, 수돗물과 같이 물만을 사용하거나 물을 주성분으로 하고 여기에 산, 알칼리, 계면 활성제를 소량 첨가하여 이용하고 있다.

따라서 수계세정은 일반적으로 초벌세정이나 일반세정에 많이 응용되고 있다. 수계세정은 친수성 오염물질인 무기물질이나 극성 오염물질의 세정에 사용하며 화재나 인체의 위해 가능성이 매우 작거나 전혀 없어 타 세정시스템에 비하여 보다 환경 친화적이라고 할 수 있다.

준수계 세정시스템은 물을 상당량 섞어서 사용하는 NMP나 글리콜 에테르 계통의 준수계세정제는 가격이 비교적 고가이지만 비가연성이고 훌럭스,왁스, 구리스 등에 대해 높은 용해력을 가져 세정이 우수할 뿐만 아니라 수계세정의 여러 가지장점을 모두 갖고 있다. 다만 물을 함께 사용함으로 방청대책과 세정제를 회수분리 할 수 있는 시설이 필요하다.

수계세정장치는 세정액 및 헹굼액을 깨끗이 유지시키기 위하여 보통 유수 분리장치가 부착되어 있고 헹굼조도 재생장치가 부착되어 있다. 준수계 세정 시스템은 세정조에서 수분 관리를 철저히 하고 헹굼조에서는 정화장치를 두어 수질관리를 수행한다. 그리고 수계/준수계 세정장치는 모두 세정이나 헹굼과정에서 물을 사용함으로써 건조장치가 있어야 한다.

세정 청정도를 평가하기 위하여서는 육안 및 현미경에 의한 표면 관찰법(visual test), 수막 형성 조사법(water break), 접촉각 측정법(contact angle method), 세정후 무게분석에 의한 잔류 오염물량 측정법, 그리고 TOC(total organic carbon), ESCA(electronic spectroscopy for chemical analysis)등과 같은 분석기기에 의한 표면 잔류 성분 측정법등이 있다. 따라서 세정 목적에 맞는 적합한 세정도 평가기술을 결정하여 세정 청정도를 명확히 정량화하는 것이 중요하다.

실험

본 연구의 실험에 사용한 유동층 세정 장치는 Fig. 1에서 보는 봐와 같이 직경이 0.152m이고 높이가 1.5m인 아크릴 관을 사용하였다. 연속상의 분산판은 다공판 형태를 사용하였는데, 직경 3mm의 구멍을 삼각피치로 균일하게 배치하여 주입되도록 하였다. 연속상인 액체로는 세정액을 사용하였고, 고체 입자로는 직경(1-2mm)이고 밀도가 2,500kg/m3인 유리구를 사용하였다.

Fig. 1에서 볼 수 있듯이 세정이 진행되는 동안 유동층세정장치의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 온도조절기가 부착된 Jacket을 유동세정장치의 벽면에 설치하였다. 세정장치를 거쳐 나온 절삭유 및 이 물질과 세정액은 유수분리기를 거쳐 분리하였으며, 분리된 세정액은 액체 저장조에 보내져 반응기에 재순환되도록 하였다. 액체저장조에도 온도조절기가 부착된 Heater를 설치하여서 세정이 진행되는 동안 세정액의 온도가 일정하도록 유지하였다.

본 연구에서는 세정 청정도를 평가하기 위해서 세정 후 무게분석에 의한 잔류오염물량 측정법을 사용하여 분석하였다.

결론

유동층세정장치에서 세정시간에 따른 세정 효율을 Fig. 2에 나타내었다. 이 그림에서 볼 수 있듯이 7분이 지난 후부터 세정 효율이 거의 변화가 없는 것을 볼 수 있으며, 액체의 흐름이 없는 상태가 액체의 흐름과 액체/고체흐름보다 효율이 매우 작다는 것을 알 수 있다.

유동층세정장치에서 온도에 따라 세정 효율을 Fig. 3에 나태내었다. 이 그림에서 볼 수 있듯이 온도가 높아짐에 세정 효율이 매우 높아짐을 알 수 있다.

결론적으로 유동층세정장치내에서 유체의 흐름과 고체 입자가 세척대상물과의 활발한 접촉 현상을 유동하여 세정효율을 크게 향상시킴을 알 수 있다. 또한 기존의 높은 온도(80-90□)의 세정액에서 조업되던 것을 낮은 온도(40-60□)에서 가능함을 알 수 있다.

참고문헌

1. Lee, Y. W. : "CFC information", Korea Specialty Cemical Industry Association, 12,           2(1994).

2. Report of the 6th Meeting of the Parties to the Montreal Protocol, Nairobi 6-7               October(1994).1. Berhouex, P. M.: Water Environ. Res., 65, 620-629(1993).

3. Ruzyllo, J. : "Handbook of Semiconductor Wafer Cleaning Technology", W. Kerned., Noyes    Publication(1993).

4. Hirose, M., Yasaka, T., Takakura, M. and Miyazaki, S.: Sol. State Technol., 43(1991).

Fig.1.Experimental apparatus 1. Main column 2. Separator 3. Distributor 4. Valve 5. Liquid flowmeter 6. Machine parts 7. Fixing Frame 8. Distributor 9. Temperature controller 10. Weir 11. Liquid Reservoir	Fig.2 Effects of operating time on the washing efficiency(T = 60 □).
	Fig. 3 Effects of operating time on the washing efficiency(dp = 2 mm).