세척공정에서의 비용요소 - Part 2

최근 세척 공정이 자동화됐지만, 여전히 세척 공정에 들어가는 비용이 존재한다.
이에 대한 연구 과정에서 세척액, 공정 파라미터 및 주변장치 시스템의 최적화가 비용을 절감하는 데
가장 쉬운 방법이라는 것을 알 수 있었다. 하지만 한 가지 유의해야 할 점은 이러한 비용 요소들은
상호 의존적인 관계에 있기 때문에, 상호간 조정이 이루어져야 한다는 것이다.

대량 생산 및 단 품목 부품의 생산 중 전자 어셈블리를 세척 할 때, 인라인 시스템은 시간과 비용 효과적이다. 프로세스가 자동화되고 있지만, 여전히 전자부품 세척 공정비용에 영향을 미치는 여러 요소가 있다.
이와 관련, 이 글에서는 예상치 못하게 발생한 비용에 대해 예측하는 방법과 절감할 수 있는 잠재 비용에 대해 소개하려 한다.
공정비용과 관련해, 첫 번째 법칙은 총 발생 비용은 반드시 산출량과 관련 있어야 하는데, 예를 들어 설명하자면 세척된 기판 각각의 개수와 비례해야 한다는 것이다. 세척된 부품당 비용은 아래 식으로 산출한다.

식(1)은 최종 생산량에 대한 세척된 어셈블리의 제조비용을 나타낸 것이다. 필자의 주요 관심은 인라인 시스템의 초기 투자비용과 운영비용이다. 이에 관한 연구는 ZESTRON 기술 센터에서 많은 테스트 및 시험을 기반으로 이뤄졌다(그림 1).

그림 1. 독일, 미국, 중국의 ZESTRON 연구 센터

연구 목적은 세척 부품당 낮은 비용으로 세척하기 위해 인라인 세척 시 공정별 비용 요소를 결정하기 위함이다.

새로운 투자에 드는 비용

인라인 시스템을 도입할 때 사용자는 초기 투자에 중요한 영향을 미치는 요소에 대해 고려해야 한다.
· 장비의 size/footprint 및 사용 가능한 설치 면적
· 기대 생산 산출량
· 자동화 수준
첫 째로 인라인 공정 설치 결정 전 설비 공간 크기를 고려해야 한다. 세정, 린스, 건조와 같은 개별 공정 단계가 별도의 챔버에서 진행되기 때문에, 인라인 시스템에 필요한 공간은 배치 세척 시스템보다 많이 필요하다.
또한 장비는 부품의 기대 산출량을 만족시켜야 하기 때문에 인라인 세척장비는 많은 종류의 부품 및 생산량이 요구되는 전자부품을 제조할 때 더욱 효율적이다. 표 1은 가능한 예에 대해 나타냈다.

표 1. 인라인 시스템 설치를 위한 참조사항

인라인 시스템은 어셈블리 제조 라인뿐만 아니라 세척 공정 전체가 자동화 됐을 때 비로소 생산 라인에 통합될 수 있다.
기계 부품이 다양하고 많아질수록 자동화 구현과 시스템은 복잡해지며 투자비용 또한 높아진다. 더불어 많은 양의 부품은 자연스레 더 많은 장비 세척과 에너지 소비를 유발하기 때문에 높은 유지 보수비용과 에너지 비용이 요구된다.
에너지, 인건비 및 유지보수 비용 등 세척장비 운영비용은 사용자가 노력에 의해 사용 과정에서 비용을 절감하더라도, 세척 시스템의 사양이 결정되는 순간 상당부분 고정비용이 생기기 마련이다. 따라서 시스템 결정 전 많은 잠재 비용까지 고려해야 한다.

그림 2. 인라인 시스템의 도식

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공정 운영에 대한 비용

필자는 많은 연구를 통해 공정 파라미터와 주변장치를 어떻게 구성하느냐에 따라 전체 세척 비용이 달라진다는 것을 알 수 있었다.
따라서 다음 섹션에서는 각 비용 요소 및 비용 절감 간의 상관관계에 대해 자세히 기술하려 한다.

1. 세척액
세척액 사용에 발생되는 비용은 다음 두 가지 요인에 의해 영향을 받을 수 있다.
· 어플리케이션 농도
· 세척액 수명
인라인 장비에서 세척액이 기판에 묻음으로써, 새척액 수명이 더욱 단축될 수 있다.
세척 결과가 우수하다면, 세척액 선택 시 리터당 단가를 기준으로 책정해야 한다. 그러나 리터당 단가뿐만 아니라 다른 비용 또한 세척액 선택 시 고려되어야 한다.
예를 들면, 최근 주로 사용하는 수용성 세척액은 낮은 농도로도 우수한 세척 결과를 내고 있다. 이처럼 인라인 세척 시스템에서 세정액의 농도를 줄인다면, 상당부분 비용 절감을 실현할 수 있다.
또한 시스템 작업 부하에 따라 세척액 농도를 낮게 사용하는 것은 1년을 기준으로 보면 수천 리터의 세척액을 절감할 수 있게 한다.
표 2에 각각 다른 애플리케이션 농도에서 사용되는 세척액 양에 대한 비교를 나타냈다.

표 2. 각각 다른 애플리케이션 농도에서 사용되는 세척액 양

또한 세척 가능 시간에 따라 사용수명 주기는 영향을 받을 수 있다. MPC 세척액과 같은 최신 제품들은 이런 부분에 있어 큰 장점이 있다.
이는 간단한 방법으로 효율적인 사용이 가능하기 때문이다. 결과적으로 세척액 수명이 연장되어 액 교체 주기가 길어지고, 그 결과 연간 비용은 줄어들게 된다.
또한 MPC 기술을 기반으로 한 세척액 조성은 위험 물질이 포함되지 않아 특별 저장 및 취급에 있어 별도의 추가 설비비용이 요구되지 않는다는 장점이 있다.

그림 3. 최적화된 세정 공정의 비용 요소

2. 공정 파라미터
세척액의 제품 특성과 관련 비용 절감 외에도 인라인 시스템 운영비용을 공정 파라미터를 사용해 절감할 수       있다.
다음의 항목은 인라인 세척 공정 파라미터가 전체 공정비용과 관련 있음을 나타내준다.
· 세척액 적용 온도
· 린스 및 건조 온도
· 스프레이 노즐 및 압력의 타입
· 세척액이 기판에 묻어 린스존으로 나감으로써 손실 되는 양
세척 온도는 세척액마다 다르게 적용된다. 만약 세척액이 오염된 상태에서도 세척력이 우수하다면, 이 액은 낮은 온도에서 또한 성능이 효과적일 수 있다.
인라인 공정에서 보면 세척 어플리케이션 온도는 일반적으로 일정하지만 세척액이 순환되므로 증발 손실량은 상대적으로 높다 할 수 있다. 또한 세척액의 온도 이외에도 증발 손실량은 세척조의 면적, 주변 온도, 공기 포화도에 영향을 받는다. 주로 따뜻한 세척조의 주위 공기 온도가 높으면 배기 시스템을 통한 세척액 손실로 이어지기도 한다.
세척 온도가 지나치게 높을 경우에는 추가 에너지 비용과 불필요한 증발 손실이 발생한다.
따라서 비용 절감과 효율적인 인라인 세척 프로세스를 유지하기 위해서는 낮은 온도에서도 세정할 수 있는 세척액을 사용하는 것이 권장된다. 또한 상온에서 이루어지는 린스 및 건조 온도와 시간 또한 세척 기판에 알맞게 세팅되어야 한다.
더불어 세척액의 분사도 주요 비용 요소로 작용한다.
이는 스프레이 압력 및 스프레이 노즐 타입에 의해 영향을 받는다. 그림 4는 사용 가능한 스프레이 노즐 시스템을 나타냈다.

그림 4. 다양한 스프레이 노즐 시스템 비교

스프레이 압력과 노즐을 적절히 조합한다면 세척액 분사를 줄일 수 있기 때문에 시스템의 배기로 튀어 나가는 세척액 손실량을 줄일 수 있다. 표 3에 특정 스프레이 노즐의 압력당 액 소비량의 차이를 나타냈다.

표 3. 특정 스프레이 노즐의 압력당 액 소비량 차이

마지막으로 기판 표면에 묻은 세척액이 린스존으로 묻어나감으로써 발생하는 액 손실량 또한 인라인 시스템의 비용에 큰 영향을 미친다.
이는 린스 단계에서 어셈블리의 형상 및 표면 특성의 영향을 받아 발생한다. 이러한 특성은 바뀔 수 없지만 에어 나이프를 사용해 손실량을 줄일 수 있다.
이처럼 공정 파라미터와 세척 장비가 세척 조건에 맞게 세팅된다면 주변장치 시스템을 통해 추가적인 비용 절감이 가능하다.

3. 주변장치 시스템
· 주변장치 시스템은 공정비용 변수에 중요한 부분을 차지한다.
· 세척장비의 배기 시스템
순수 발생 장치(water treatment systems)
연구 결과 세척액 소모량의 60% 정도는 시스템 배기를 통한 증발 손실이라는 것을 알 수 있었다. 이는 단순히 배기 전력을 줄이는 것만으로는 충분히 감소하기 어려운 부분이다. 따라서 이를 줄이기보다 온도 및 스프레이 압력과 같은 공정 파라미터를 최적화함으로써, 증발 손실량을 줄여야 한다. 또한 배기 시스템에 최적화되고 적은 냄새를 갖는 친환경적인 세척액을 사용해 작업자의 안전 및 작업간 편리성을 고려해야 한다.
그리고 배가 장치를 통한 증발 손실분을 해결하기 위해서 세척액 재활용 장치를 사용할 수 있다.
이러한 장치는 컨덴서(Condenser)라 부르며, 세척액은 배기 장치로부터 세척탱크로 순환시키는 역할을 한다. 그러나 이러한 장치를 설치할 때에는 고려해야 하는 요소가 있다. 이는 장치에 대한 투자비용과 운전비용이다.
한 가지 주의해야 할 점은 추가비용 및 운전비용이 세척액 수명주기 비용을 초과해서는 안 된다는 것이다.
하루에 2,000L 이상의 DI-water를 사용한다면, 삼투압 시스템에 대한 투자 가치가 있다.
이는 이온 교환 수지를 통한 DI- water의 발생공정 비용과 비교해 봤을 때, 삼투압 시스템의 초기 투자비용은 현저히 낮아지는 재생비용(regenera-tion) 효과를 통해, 결국 총비용이 낮아지기 때문이다. 더불어 낮은 농도의 세척액 적용과 효율적인 에어 나이프의 사용은 DI-water의 오염도를 더욱 감소시킬 수 있다.

그림 5. 각기 다른 처리 시스템의 비용 비교

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요약

지금까지 설명한 모든 요소의 최적화를 통해 인라인 세척 공정의 비용을 상당부분 감소시킬 수 있다. 연구 과정에서 세척액, 공정 파라미터 및 주변장치 시스템의 최적화가 비용을 절감하는 데 가장 쉬운 방법이라는 것을 알 수 있었다.
그러나 한 가지 유의해야 할 점은 이러한 비용 요소들은 상호 의존적인 관계에 있기 때문에 서로간의 조정이 이루어져야 한다는 것이다.
예를 들어, 순수 발생장치 비용은 세척액이 낮은 온도로 사용 가능할 때와 에어 나이프 작동으로 액이 기판에 묻어 린스존으로 나감으로써 손실되는 양을 최소화할 때 비용을 절감할 수         있다.
예상치 못한 비용과 여러 요소는 많은 연구 과정 및 사례에서 발견된 것을 정리한 것이다. 따라서 비용 효과적인 공정을 만드는 데에는 많은 시간과 노력이 필요하다. 사용자는 공정 최적화를 위해 세척분야 전문가의 도움을 받는 것이 효과적이다.

Stefan Strixner  Principal Engineer ZESTRON Europe
최준영, 김도희  HC Corporation