섬세한 정밀구조를 지니고 있는 산업제품들을 생산하는 데에는 일반적으로 고도의 세정(洗淨)기술이 요구된다.
이는 제조 및 가공단계에서 유발되는 각종 오염물질들에 의해 제품에 기능적인 결함이 발생할수 있음은 물론 각각의 제품이나 전체 시스템의 사용주기에도 치명적인 영향을 미칠 수도 있기 때문이다.
이에 따라 과거에 많이 사용해왔던 제품전체를 물 속에 담가서 세척한다거나 솔이나 화학물질을 사용하여 이물질을 닦아 내는 등의 세정방법은 위에서 제기된 위험성들로 인해 조정이 불가피해졌으며 특히 이같은 방법들은 과도한 비용과 한층 엄격해진 법규정에 의해 구시대의 유물로 작업현장에서 모습을 감추어 버린지 오래이다.
이를 대체하고 있는 세정기술이 바로 작은 알갱이 형태의 드라이아이스 팰릿(pellet)을 활용한 '탄산세정'으로 이미 정밀한 제품의 안전한 표면세척을 위한 작업에 정착화된 상태이다.
이 탄산세정과 관련 뮌헨에 본사를 둔 shot blasting 플랜트 제조업체인 그린테크(Green Tech)社의 경우 지난 수년간 작은 드라이아이스 팰릿과 파우더(가루)를 사용한 수동 및 반자동 shot blasting기술을 제공해 오고 있으며 이외에도 이와 유사한 많은 기술들이 시장에 선보이고 있다.
그러나 산업과 기술이 발전하면서 기업체들이 과거와는 비교할 수 조차 없을 정도로 정밀하고 민감한 제품들을 생산해 내면서 한층 세밀한 세정의 필요성이 지속적으로 제기되어 왔다.
이러한 요구에 의해 개발된 것이 바로 IPA社가 내놓은 '드라이아이스 스노우(CO2 snow)'를 사용한 환경친화적 고성능 세정기술이다.
일명 '승화공정(Sublimation-Pulse Process)'이라고 불리우는 이 기술은 세정작업의 매개체로 '드라이아이스 스노우'를 사용하며 지금까지 볼 수 없었던 새로운 분야의 응용기술을 제공한다.
이와관련 acp-advanced clean production GmbH社는 Fraunhofer IPA 연구소에서 개발한 드라이아이스 세정기술을 상업화시키는데 성공, 과거에 비해 보다 완벽한 수준의 서비스를 제공하고 있다.
[세정제로서의 탄산]
기계적, 열화학적 의미에서 드라이아이스는 다양한 종류의 표면오염물질들을 제거하는데 어떠한 방법보다도 우수한 능력을 보인다.
경도(硬度)가 석고와 유사할 정도로 낮아 제품의 마모나 스크레치 등 부작용이 없고 기계 및 제품을 해체하지 않고 원래 상태에서 세정이 가능하며 조금의 잔존물도 없는 거의 완벽한 세정효과를 얻을 수 있다.
또한 드라이아이스는 고체에서 곧바로 기화되기 때문에 습기가 없는 건식세정이 가능한 것이 특징이다.
특히 탄산은 불연성, 비부식성, 비유독성으로 환경에도 친화적이어서 현재 산업체에서 사용하고 있는 여타 세정제들과 비교할때 탁월한 비교우위를 지니고 있으며 오염물질의 양이 많은 경우에 더욱 효과적인 것으로 인정받고 있다.
이러한 드라이아이스 스노우 세정법은 -78.9℃의 액체탄산과 드라이아이스 스노우의 조합으로 이루어진 것으로 노즐을 통해 분출시켜 이때 생성된 탄산 스노우의 결정(結晶)이 세척표면을 강하게 타격, 오염물질을 제거하는 원리이다.
좀더 구체적으로 설명하자면 강력한 분사력으로 인해 탄산 스노우는 액화되지만 이것이 세정이 필요한 제품의 표면에 부딧치면서 다시 원래의 모습인 고체상태로 전환되고 이때 오염물질들이 함께 얼어붙는다.
이후 불순물을 함유한 결정(結晶)들은 즉시 승화되어 대기중으로 사라지는데 이 과정에서 부피가 무려 5~8백배 이상 팽창, 오염물질들을 위로 들어올려 제품표면에서 제거하는 것이다.
이처럼 액체 탄산은 매우 우수한 용매로서 특히 탄화수소나 실리콘에 있어 매우 효과적이다. 대다수 오염물질들이 별도의 첨가제 없이 제거 또는 용해되며 크기가 100nm(나노미터)미만인 미세입자들까지 제거할 수 있다.
[SCO2 세정법의 적용]
위에서 설명한 '드라이아이스 스노우 승화(昇華) 세정법'은 원론적으로 최첨단 기술로 제작된 정밀 구조물의 세정을 위해 개발됐기 때문에 일반적인 생산현장을 비롯해 클린룸과 같은 특수한 장소에서도 사용이 가능하다.
이 방식은 2개의 핵심 노즐에 의해 구현되는데 먼저 직접적인 세정작용을 위해 기체탄산과 탄산 스노우가 혼합된 액체탄산이 중앙 노즐을 통해서 분출된다.
이와동시에 칼집형태의 원형(圓形)노즐을 통해서는 질소가 초음속의 속도로 분사된다.
여기서 질소는 세정작용이 일어나는 공간을 비활성 상태로 만들어 불순물을 함유하고 있는 주위의 일반공기가 침입하는 것을 막는 중요한 역할을 수행한다.
질소의 이러한 작용으로 인해 세정이 완료된 제품의 표면이 곧바로 실온 수준으로 따뜻해지더라도 주변 습기들이 응축하여 물기가 발생하지 않는 것이다.
이와관련 오염원의 급속냉각 등과 같은 탄산세정의 열(熱) 효과는 탄산 스노우의 양과 세정공정의 시간에 따라 좌우되며 기계적인 효과는 분사 각도와 속도에 의해 좌우된다.
지금까지 알려진 바에 따르면 탄산세정은 오염물질과 기질(基質)사이의 온도차이가 크면 클수록 최적의 효과를 보이고 있어 연속분사보다 점사방식을 사용하는 것이 적당한 경우도 있다.
세정 중 또는 세정이 끝난 직후 제품의 재오염이나 교차오염을 방지하기 위해서는 탄산을 통해 용해 및 분리된 오염원들을 신속하게 제품표면으로부터 제거해야만 한다.
층형 배출시스템(laminar flow exhaust system)은 바로 이러한 목적을 달성하기 위해 채용된다. 또한 반도체업체들의 클린룸과 같이 주변환경을 어떻게 구성하는가에 따라 국지적으로 최고수준의 청정 상태를 유지할 수도 있다.
세정설비의 구성도를 나타내는 <그림-1>을 보면 이 시스템은 자체적으로 정화된 공기를 제공할 수 있는 폐쇄적 플랜트로 공정제어장치와 가스준비시스템을 내장하고 있다.
세정설비중에서 무엇보다도 중요한 부분은 고속으로 탄산 스노우를 뿌려주는 2개의 노즐로서 형태와 크기가 서로 상이한 기질(基質)들을 제거할 수 있고 로딩(loading)과 언로딩(unloading)이 자동적으로 이루어진다.
더욱이 이 세정 플랜트는 모든 공정이 컴퓨터로 제어가능하며 고도의 정밀성을 담보하기 위해 정확한 노즐의 위치를 잡아주는 통합 PLC를 내장하고 있다.<그림-2>
이와관련 Fraunhofer IPA 연구소에서는 지난 수년간 클린룸에 적합한 세정공법을 연구하고 있으며 클린룸에 사용해도 적합하다고 인정되는 장비 및 응용들에 대한 인증업무도 자체적으로 수행하고 있다.
[드라이아이스 팰릿 세정 시스템]
드라이아이스 팰릿 분사 세척시스템은 산업설비와 환경에 무해한 드라이아이스 입자를 고속으로 분사해 이물질을 제거하는 것으로 여러 해에 걸친 현장실험과 연구를 통해 다양한 특허기술들이 개발되어 있다.
이 기술은 현재 다양한 산업분야에서 각종 설비 부품을 환경오염을 유발하지 않으면서 고속으로 완전한 세척을 할 수 있는 효과적인 클리닝 시스템으로 각광받고 있다.
분사되는 드라이아이스의 양과 속도를 조절할 수 있기 때문에 세라믹, 합성수지, 희소금속, 유리섬유, 고무, 플라스틱, 철강재 등 다양한 소재의 기기와 제품 표면에 부착되어 있는 오염물질의 제거가 가능하다.
드라이아이스 입자는 표면에 충돌하는 즉시 무해한 기체탄산으로 승화되어 세척면에는 어떠한 손상도 입히지 않으면서 이물질만 제거하고 제2차 오염물이나 수분 등을 남기지 않는다.
또한 이 방식을 사용하면 장비수명이 연장돼 몰드, 성형틀 등을 새로 구입해야하는 부담을 줄일 수 있으며 세척작업에 필요한 시간과 재래식 세척에서 발생했던 2차 오염물을 수집.처리하는데 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있어 전반적인 운영경비 감소효과를 볼 수 있다.
휘발성 유기용제(VOC), 오존층을 파괴하는 물질(ODS), 폐수 유발용제 등을 사용하지 않기 때문에 환경보호 관련법규를 준수할 수 있음은 물론이다.
구체적으로 드라이아이스 팰릿 세정은 고압공기에 의해 200～300m/s에 이르는 고속으로 팰릿을 분사한다.
세척대상물의 표면에 충돌한 드라이아이스 팰릿은 표면의 이물질층을 초저온(-78.7℃) 상태로 급속동결시키는데 주변과의 온도차이로 수축이 일어나 많은 균열이 발생한다.
균열 속으로 침투한 드라이아이스 입자는 즉시 승화되면서 부피가 팽창, 불순물들을 표면에서 떼어내고 이를 기계적인 풍압으로 제거한다.
이같은 방식으로 제거할 수 있는 이물질은 일반적으로 급속동결후 부서지기 쉬운 물질이면 모두 해당되는데 △금형.성형 몰드의 박리제 △접착제, 풀, 페인트, 바니시 △기름, 구리스, 수지, 왁스 △우레탄 등 합성수지 성형재료 △고무, 실리콘, 합성고무 △제과 및 제빵 찌꺼기 등이다.
한편 고압으로 액화된 탄산을 사출기에 주입, 대기압으로 방출하면 드라이아이스 스노우가 생성되는데 이를 3mm 수준의 작은 구멍으로 이루어진 디스크로 압출하면 단단한 드라이아이스 팰릿이 만들어진다.
