청정 건조 공기(CDA): 현대 산업의 보이지 않는 핵심 유틸리티

청정 건조 공기(CDA, Clean Dry Air)는 단순히 압축된 공기가 아닙니다. 현대 산업, 특히 고도의 정밀성과 청정도가 요구되는 첨단 제조 공정에서 CDA는 물이나 전기처럼 필수적인 유틸리티로 자리 잡았습니다. 일반 대기 중의 공기를 흡입하여 수분, 오일, 미세 입자 등 오염 물질을 완벽에 가깝게 제거한, 고도로 정제된 압축 공기를 의미합니다. 지금부터 이 CDA가 어떻게 만들어지고, 어디에 사용되는지 자세히 알아보겠습니다.

 

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CDA의 제조 공정: 불순물과의 전쟁

CDA를 만드는 과정은 공기 중의 불순물을 단계적으로 제거하여 목표로 하는 순도와 건조도를 달성하는 여정입니다. 일반적인 압축 공기 시스템과 달리, CDA 시스템은 훨씬 더 엄격한 기준을 충족하기 위해 여러 정교한 장비들로 구성됩니다.

1. 공기 압축 (Air Compression)

CDA 제조의 첫 단계는 주변 공기를 흡입하여 원하는 압력까지 압축하는 것입니다. 이때 사용되는 공기 압축기(Air Compressor)의 종류가 CDA 품질에 큰 영향을 미칩니다.

• 급유식 압축기 (Oil-injected Compressor): 압축 과정에서 윤활 및 냉각을 위해 오일을 사용합니다. 효율은 좋지만, 압축된 공기에 미량의 오일이 섞여 들어가므로 CDA 생산을 위해서는 후단에 매우 정교한 오일 제거 시스템이 필수적입니다.
• 무급유식 압축기 (Oil-free Compressor): 설계 단계부터 오일을 전혀 사용하지 않도록 만들어진 압축기입니다. 초기 비용은 비싸지만, 오일 오염의 위험이 원천적으로 차단되므로 반도체나 제약 등 극도의 청정도를 요구하는 CDA 시스템에 주로 사용됩니다.

2. 냉각 및 초기 수분 제거 (Cooling & Pre-separation)

압축 과정에서 공기의 온도는 매우 높아집니다. 이 뜨거운 공기는 다량의 수증기를 포함하고 있는데, 후단 설비의 부담을 줄이기 위해 에프터쿨러(Aftercooler)를 이용해 공기를 냉각시킵니다. 온도가 내려가면 수증기가 응축되어 물로 변하며, 이 응축수를 1차적으로 제거합니다.

3. 건조 (Drying) - CDA의 핵심 단계

압축 공기 내의 수분을 제거하는 것은 CDA 제조의 핵심입니다. 수분은 배관 부식, 미생물 번식, 제품 오염의 주된 원인이기 때문입니다. 공기의 건조도는 '노점(Dew Point, 이슬점)'으로 평가하며, 노점이 낮을수록 더 건조한 공기입니다.

• 냉동식 드라이어 (Refrigerated Dryer): 냉매를 이용해 압축 공기를 약 3~10℃까지 냉각시켜 수분을 응축, 제거합니다. 비교적 간단하고 경제적이지만, 영하의 노점을 요구하는 공정에는 적합하지 않습니다.
• 흡착식 드라이어 (Desiccant Dryer): 실리카겔이나 활성 알루미나 같은 흡착제를 사용하여 공기 중의 수분을 화학적으로 흡착하여 제거합니다. 일반적으로 두 개의 타워를 교대로 사용하여 한쪽에서 수분을 흡착하는 동안 다른 쪽에서는 흡착제를 재생합니다. 흡착식 드라이어는 -40℃에서 -70℃에 이르는 극도로 낮은 노점의 CDA를 생산할 수 있어 정밀 산업에서 필수적입니다.

4. 여과 (Filtration)

마지막 단계는 필터를 통해 남아있는 미세 입자, 오일 미스트(Mist) 및 증기(Vapor)를 제거하는 것입니다.

• 파티클 필터 (Particulate Filter): 먼지나 배관에서 발생한 녹 등 고체 입자를 제거합니다.
• 코얼레싱 필터 (Coalescing Filter): 미세한 오일 미스트나 에어로졸 형태의 수분을 서로 뭉치게 하여(Coalescing) 액체 방울로 만들어 제거합니다.
• 활성탄 필터 (Activated Carbon Filter): 오일 증기나 냄새를 흡착하여 제거합니다. 특히 급유식 압축기를 사용했거나 극도의 청정도가 필요할 때 사용됩니다.

이러한 다단계 공정을 거쳐 비로소 깨끗하고(Clean), 건조한(Dry) 공기, 즉 CDA가 완성됩니다.

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CDA의 품질 기준: ISO 8573-1

CDA의 품질은 국제 표준화 기구(ISO)에서 제정한 ISO 8573-1 규격에 따라 관리됩니다. 이 규격은 압축 공기의 품질 등급을 세 가지 주요 오염원인 **입자(Particle), 수분(Water/Dew Point), 오일(Oil)**의 함량에 따라 분류합니다.

예를 들어, 반도체 공정에서는 Class 1:2:1 수준의 매우 높은 CDA 품질을 요구하는데, 이는 입자 크기 및 개수(Class 1), 압력 노점 -40℃ 이하(Class 2), 오일 함량 0.01mg/m³ 이하(Class 1)를 의미합니다. 각 산업 및 공정의 요구 수준에 맞춰 적절한 등급의 CDA 시스템을 설계하고 운영해야 합니다.

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CDA의 사용 용도: 산업 현장의 생명줄

CDA는 그 특유의 청정성과 건조성 때문에 다양한 산업 분야에서 광범위하게 사용됩니다.

1. 반도체 및 전자 산업

CDA가 가장 중요하게 사용되는 분야 중 하나입니다. 나노미터 단위의 초정밀 공정에서 미세한 먼지나 수분은 치명적인 불량을 유발할 수 있습니다.

• 웨이퍼 세정 및 건조: 웨이퍼 표면의 오염물을 제거하고 건조할 때 CDA를 고압으로 분사(Air Knife)합니다.
• 공압 장비 구동: 클린룸 내의 각종 자동화 장비나 밸브는 공압(Pneumatic)으로 작동하는데, 이때 사용되는 공기는 반드시 CDA여야 합니다. 장비 내부 오염을 방지하고 정밀한 제어를 보장하기 위함입니다.
• 퍼지(Purge): 제조 장비 내부나 배관을 CDA로 채워 산소나 수분과의 접촉을 차단하여 원치 않는 산화 반응을 방지합니다.

2. 제약 및 바이오 산업

의약품 생산 공정은 매우 엄격한 무균 환경(GMP 기준)을 요구합니다. CDA는 제품과 직접 접촉하거나 생산 환경을 유지하는 데 사용됩니다.

• 원료 이송 및 혼합: 분말 형태의 의약품 원료를 이송하거나 혼합할 때 CDA를 사용합니다. 이때 공기에 오일이나 수분이 있으면 의약품이 변질될 수 있습니다.
• 멸균 포장 및 충전: 앰플이나 바이알에 약품을 충전하고 건조, 밀봉하는 과정에서 CDA가 사용되어 무균 상태를 유지합니다.
• 발효 공정: 미생물 배양 시 산소를 공급하는 경우가 있는데(Aeration), 이때 사용되는 공기도 불순물이 제거된 CDA여야 합니다.

3. 식음료 산업

식품의 안전성과 유통기한 연장을 위해 CDA가 활용됩니다.

• 포장 (MAP): 식품 포장 시 내부 공기를 CDA나 질소로 치환하여 산화를 방지하고 미생물 번식을 억제합니다.
• 생산 설비 구동: 식품 제조 및 포장 라인의 공압 실린더나 밸브 작동에 사용됩니다. 오일이 식품에 혼입되는 것을 막기 위해 고품질의 CDA가 필요합니다.
• 용기 세척 및 건조: 병이나 캔을 재사용하기 전 세척하고 건조할 때 CDA를 사용합니다.

4. 자동차 및 정밀 도장

고품질의 균일한 도장 표면을 얻기 위해서는 압축 공기에 수분이나 오일이 절대 섞여서는 안 됩니다.

• 스프레이 도장: 페인트를 분사할 때 CDA를 사용합니다. 만약 수분이나 오일이 섞이면 페인트가 뭉치거나 표면에 구멍이 생기는 등 심각한 도장 불량이 발생합니다.

5. 계장용 공기 (Instrument Air)

화학 플랜트나 발전소 등에서 각종 계측기나 자동 제어 밸브를 정밀하게 작동시키기 위해서는 수분과 이물질이 제거된 CDA(계장용 공기)가 필수적입니다. 수분은 겨울철에 동결되어 제어 시스템의 오작동을 일으킬 수 있습니다.

이처럼 CDA는 눈에 보이지 않지만 제품의 품질, 공정의 안정성, 그리고 설비의 수명을 좌우하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 산업이 고도화되고 정밀해질수록 CDA의 중요성은 더욱 커지고 있으며, 고품질의 CDA를 안정적으로 생산하고 관리하는 기술은 현대 제조업의 근간을 이루는 핵심 기술이라 할 수 있습니다.