머리말

반도체, 각종 전자부품, 자동차부품, 식품산업 등 다양한 분야에서 온습도 관련 실험은 매우 중요하다. 특히 2차산업에서 연구 및 생산품에 대해 각종 생산품, 부품들의 성능을 검증하고 시험하는데, 온습도 관련 실험 및 측정은 비용 절감, 품질, 안전 등의 측면에서 중요한 요소로 작용하므로 매우 중요하다고 할 수 있다. 이러한 온습도 관련 실험과 측정을 하기 위해 정밀한 온습도 발생 장비와 측정 장비가 필요하며, 그에 대한 올바른 측정 기술과 알맞은 장비 선정이 필요하다.
펠티에 시스템이 탑재된 온습도 발생기 ‘C3-50’

온습도 발생기란 밀폐된 일정 공간(챔버)에 사용자가 원하는 온도, 습도를 발생 및 제어하여 원하는 습도 조건을 구현할 수 있도록 하는 장비를 말한다. 주로 온습도 센서 교정 및 장비, 부품 등의 성능, 검증에 대한 실험을 할 때 쓰인다. 온습도 발생기는 온도와 습도를 각각의 시스템을 통해 온도와 습도를 제어하는데, 그중 펠티에 시스템(Peltier System)을 이용하여 제어하는 온습도 발생기는 뛰어난 안정성과 균일도를 자랑한다. 이것은 사용자가 원하는 온습도 조건을 정밀하게 실현하는 것에 아주 중요한 역할을 한다.

펠티에 시스템이 탑재된 온습도 발생기 C3-50의 온도 안정도와 균일도는 각 ±0.02℃, 0.5℃이며, 습도 안정도와 균일도는 ±0.2%(21℃, 50%Rh 기준), 2% 미만이다. 펠티에 시스템이 탑재되지 않은 온습도 발생기보다 최소 2배 이상 뛰어난 안정도와 균일도를 보장하므로 보다 더 정밀한 실험 및 교정 등을 원하다면 펠티에 시스템이 탑재된 온습도 발생기를 고려하는 것이 좋다.1) 이러한 펠티에 시스템이 탑재된 온습도 발생기는 초정밀 기준 장비로써 그 역할을 다할 것이다.

온습도 발생기 C3-50의 온도 제어 - 펠티에 시스템

펠티에 효과란 서로 다른 도체(금속 또는 반도체)를 접합하여 전류를 흐르게 할 때 접합부에 줄열(Joule’s heat)외에 발열 또는 흡열이 일어나는 현상이다. 이는 프랑스의 물리학자 장 펠티에(Jean Charles Athanase Peltier)가 발견하였다. 만약, 두 금속을 접합하여 전류를 흐르게 한다면 한쪽 접합부에서 열이 발생하고 다른 한쪽은 열을 빼앗긴다. 즉, 한쪽이 가열되면 다른 한쪽은 냉각된다. 이러한 현상을 이용한 펠티에 시스템은 비교적 간단한 구조와 높은 신뢰성을 가지고 있고, 항온항습기와 냉동기 등에 사용된다. 이러한 펠티에 효과를 통해 챔버 내 공기를 가열하거나 냉각하여 챔버 내 온도를 제어한다. 온습도 발생기에서 펠티어 시스템의 내부 팬은 온도 안정성과 균일성을 위해 챔버 내부의 공기를 순환시키는 역할을 한다.

온습도 발생기 ‘C3-50’의 습도 제어 
그림 4의 그래프를 통해 C3-50이 실현할 수 있는 온도별 습도 구간을 확인할 수 있다. 빗금 쳐진 부분은 C3 -50이 이상적으로 실현할 수 있는 구간을 표시한 것이며, 그렇다고 이상적인 구간이 아니라고 하여 실현하는데 문제가 있는 것이 아니다. 위와 같은 구간의 습도를 실현하기 위해서 C3-50은 증류수, 압축공기(Compressed air), 그리고 챔버 내부의 팬을 이용하여 습도를 발생시키고 제어한다. 만약 고습한 조건을 실현하는 것이라면, C3-50은 증류수를 증발시켜 수증기로 만든 후 챔버 내부에 공급하고, 팬을 이용하여 챔버 내부에 균일한 습도를 유지한다. 이와 같이 동작하는 예시를 그림 5를 통해 간략히 확인할 수 있으며, 수증기·압축공기 등을 공급하여 팬을 통해 공기를 순환시키며, 히터와 건조기 등을 통해 습도를 제어하는 것을 나타냈다.

저온, 저습 구간일 경우 압축공기를 공급해줄 수 있는 컴프레서(Compressor)가 필요하며, 이것을 통해 챔버에 압축공기를 공급하여 챔버 내 습도가 건조해질 수 있도록 제어한다.2) 온습도 발생기는 원하는 조건을 실현하는 동안 발생기의 내부에 장착된 센서를 통해 끊임없이 현재 온도와 습도 값을 확인한다. 그리고 원하는 온도, 습도 조건이 실현 및 유지될 수 있도록 현재 상황에 따라 수증기와 압축공기의 유입량을 줄이거나 늘리는 등의 제어를 하여 원하는 온도와 습도가 유지될 수 있도록 한다.

C3-50에는 저온, 저습구간 실현을 위한 압축공기 필터 시스템이 탑재되어 있다. 이러한 컴프레서를 통해 공급되는 압축공기는 C3-50 챔버 내부에 유입되기 전 압축공기 필터 시스템을 거치며, 탑재된 필터 시스템은 위의 그림 6과 같다.

그림 6에서 왼쪽 상단을 통해 압력이 최소 4bar 이상의 압축공기가 공급되어야 한다. 이후 압력 컨트롤 밸브를 거치게 되는데, 여기에서 압력이 4bar로 조정된다. 압력이 조정된 이후 압력스위치를 통해 솔레노이드 밸브가 개방되게 되어 1차 오일 및 미립자 필터를 거친다. 1차 필터에서 오일 및 미립자들이 제거되며, 2차 미세 오일 및 미립자 필터를 통해 남아있는 잔여 미세 오일과 미립자가 재차 제거된다. 대부분의 오일과 미립자가 제거된 압축공기는 다시 드라이어를 거치게 된다. 이 드라이어 단계에서 압축공기에 함유된 수분이 제거된다. 수분까지 제거된 압축공기는 최종적으로 압력 컨트롤 밸브를 통해 0.5bar로 조정되어 챔버에 주입된다.

이 필터 시스템은 영구적이지 않으므로 어느 한 부분이라도 수명이 다하거나 손상되었다면, 반드시 해당 부분을 교체해야 한다. 특히 이 중에서 드라이어의 수명이 다하면, 수분이 제거가 되지 않으므로 습도 제어에 아주 큰 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 사용자는 사용 전 드라이어의 상태를 확인해야 한다. 대부분의 드라이어는 육안으로 구분할 수 있는 지시계가 존재하므로 간단하게 확인할 수 있다. 만약 수분, 오일, 미립자 등이 제대로 제거되지 않고 챔버로 주입된다면, 챔버의 성능에 영향을 미치므로 압축공기를 사용해야 하는 경우 반드시 이러한 필터 시스템이 있어야만 한다.

온습도 발생기 ‘C3-50’의 측정 방법 
그림 7과 같이 온습도 발생기의 측면에 Access Port가 있다. Access Port란 기준 센서(Reference Sensor)를 삽입할 수 있는 포트이며, 온습도 발생기를 이용해 교정할 때 반드시 기준 센서가 삽입되어야 한다. 교정이 아닌 일반 실험의 경우 기준 센서가 반드시 필요한 것은 아니지만, 기준 센서가 있을 경우 더욱 정밀한 측정 및 실험이 가능하다.

챔버 내부 온도, 습도의 기준 값은 삽입된 기준 센서가 측정한 값으로 하며, 온습도 발생기에 장착된 지시계의 값과 비교하여 챔버 내 온도, 습도값을 확인하고 실험 및 교정을 진행한다. 챔버를 가동하기 전 Access Port에 기준 센서를 삽입하고, 실험할 대상들을 챔버 내부에 위치시킨다. 이후 챔버를 가동하고, 기준 센서 값을 통해 챔버 내부의 값을 확인한다. 이러한 기준 센서를 선정할 때 측정 정확도를 최우선적으로 고려해야 하며 초정밀급 센서가 기준 센서가 되어야 한다. 그림 8은 앞서 언급했던 기준 센서로 적합한 초정밀급 냉각 거울(Chilled Mirror) 방식의 노점(Dew point) 측정기 Dew Master이다. DewMaster의 노점 측정 정확도는 ±0.2℃이며, 적어도 이와 같은 급의 측정기가 기준 센서로 적합하다고 할 수 있다.

shyu@sanecal.com