[해외기술특집] NAS 전지식 순저 보상 장치

▣ 개요

최근 반도체 제조 분야는 미세화, 대구경(大口徑)화, 디바이스의 논리화 등에 의해 고부가가치로 급속하게 흘러 왔다. 이런 부가가치화에 의해 반도체 제조와 관련된 생산 장치를 안정하게 가동하기 위해서는 공장 원동 설비(전기설비 · 공조설비 · 제배관 설비 등)를 연속적으로 안정하게 가동하는 것이 중요하다. 그러나 원동 에너지 중에서도 전기 공급은 자연현상인 낙뢰에 의한 순시 전압 저하(이하 순저) 및 정전의 영향이 커서, 대규모 양산 공장이 받는 순저 1회의 피해는 약 1억 엔 정도로 심각하다. 이러한 순저 · 정전을 피하고 양산 제품에 피해를 주지 않는 안정적인 반도체를 계속 제조하기 위해서는 상황에 맞는발본적인대책을실행할필요가있다.


▣ 순저 · 정전 대책 변화

일본 후지쯔(富士通) 반도체 공장에서 순저 · 정전 대책은 약 20년 전부터 시작됐다. 당초에는 생산장치의 제어 부분을 보호하는 사고방식에서 시작하여, 각 생산 장치에서의 제조 피해 및 인적 안전성 등을 고려한 대책이 추진됐다. 그 후 순저 · 정전 대책 기기의 대형화에 따른 공장의 생산 장치뿐 아니라 원동 설비도 포함해 전체를 커버하는 방식으로 변화하고 있다.
순저 · 정전에서 대책 방법을 <표 1>로 나타냈다.



기존 순저 대책에서는 생산설비 제어부 및 일부 중요 설비, 원동 설비가 전기에너지의 유지 및 백업 전원 시간을 2초 이내로 하고, 이것을 순저 시간으로 정의했다. 당초에는 그 순저 시간을 커버하는 소용량 UPS(무정전 전원 장치)에 의한 ‘부분 보호’가 주류였다. 그 후 제조 전체 중에서도 순저에 의한 영향이 큰 생산설비를 커버하기 위해 비교적 용량이 높은 코제너레이션 시스템의 ‘중규모 보호’로 변하게 됐다. 그러나 전기와 증기를 발생시키는 코제너레이션 시스템에서는 전력 용량을 우선 크게 구축하던지 증기를 그대로 이용하던지, 흡수식 냉동기 등에서의 소비를 하지 않으면 코스트 메리트(Cost Merit)가 나오지 않기 때문에 전체 에너지 효율이 우선시되어 전 생산설비를 커버 할 수 없었다.



실제로 2000년쯤에 후지쯔 각지 공장에서 낙뢰가 빈발(<그림 1> 참조)하여 순저보다도 정전에 이르는 경우가 있기 때문에 피해도 컸다.
또 반도체 30㎜ 웨이퍼 채용에 의한 대구경화, 처리 공정수의 증가 등이 거듭되어 피해 및 납기로의 영향이 커졌다. 이에 따라 현재는 생산설비 전체에 대한 대책으로 ‘대용량 보호’의 사상이 주류가 되고 있다.


▣ NAS 전지로 하는 이유

이런 상황에서 UPS 및 코제너레이션 시스템을 대체할 수 있는 대용량 콘셉트를 만족하는 장치에 대한 검토가 시작됐다. 순저 · 정전의 피해 상황을 분석하여 각 전력회사와 토론을 계속 진행하던 중, 전력 저장 기술로 개발하고 있던 NAS 전지에 순저 대책 기능을 부가하는 제안이 효과적일 것으로 예상됐다.
NAS 전지는 고(高)에너지 밀도 2차 전지 중 하나로, 야간 전력을 효과적으로 이용하기 위해 야간 전력을 저장(충전)한 후 주간의 전력 수요가 높은 시간대에 저장한 분량을 방출하는 것이다. 더욱이 순저 · 정전을 감지한 경우에는 한정된 약간의 에너지를 순간적으로 3배(3000㎸A) 방출하는 것이 가능하다.
그러나 NAS 전지에는 주간에 에너지를 방출하여 하루 전력 사용량을 일정하게 하는 ‘전력 평준화(피크 컷)’의 실적은 있지만, 순저 대책 기능을 갖춘 시스템은 새롭게 개발할 필요가 있다.
NAS 전지에 의한 전력 평준화 이미지를 <그림 2>로 나타냈다.



이렇게 신규 개발을 시도하는 상황에서도 NAS전지를 추진하는 이유는 다음의 4가지와 같다.
① 비용 대 효과가 우수하다.
② 전력 사용량의 평준화에 의해 전력 요금을 줄일 수 있다.
③ 화석연료 비율이 낮은 야간 전력을 이용하여 환경 대응(CO₂삭감 등)에 공헌할 수 있다.
④ 순저뿐 아니라 정전에서도 수요 공급이 가능하다.
이 중에서도 ④와 같이 정전 중에도 공급을 계속 할 수 있다는 점에 주목하면, 일본 후지쯔만이 아닌 전력회사와 공동으로 대책을 추진할 필요가 있다.
이것은 낙뢰 등에 의한 전력회사에서의 송전을 빨리 복구할 수 있으면, NAS 전지가 가진 최대 계속 방전 시(16초 이내) 장점을 살릴 수 있기 때문이다. 이 때문에 먼저 공장의 1회선 수전 계통(본선)이 정전된 경우 2회선(예비선)의 건전한 계통에 자동적으로 변환하는 수전 자동 변환 시스템을 도입했다. 이로써 정전이 발생해도 2초 이내에 공장에의 정전 복구가 가능해졌다.
다음으로 2회선 같이 정전된 경우에도 전력회사의 재송전이 15초 정도 가능한 지역(또는 전력회사측에서 변경이 가능한 경우)이라면 정전 시에는 NAS 전지가 전원 공급되어, 그 사이에 전력 계통측이 복귀 가능한 시스템을 제작하며 고장의 안정조업에 공헌할 수 있다.


▣ 순저 대책용 NAS 전지

1. NAS 전지 원리
NAS 전지는 이름 그대로 ‘NA(Na)’나트륨과 ‘S’유황을 사용한 2차 전지에 속한다.
정극 물질에 유황, 부극 물질에 나트륨을 사용하고 정극과 부극 사이에는 고체 전해질의 ‘베타 알루미나’라고 하는 나트륨 이온을 통하는 성질을 가진 파인 세라믹이 사용되고 있다. 이 유황, 나트륨과 베타 알루미나를 통(筒) 모양으로 만든 것을 ‘단전지’라고 한다. 이 단전지는 방전할 때에는 나트륨이 베타 알루미나를 계면에서 산화되어 이온으로 통과하여 정극에 도달한다. 나트륨 이온이 유황과 반응하여 다유황 나트륨이 만들어짐에 따라, 정극 물질인 유황과 부극 물질인 나트륨은 감소되어 방전 끝으로 향한다.
반대로 충전 시에는 다유황 나트륨이 나트륨 이온과 유황으로 분해되고, 나트륨 이온은 부극으로 돌아가 전지로 에너지를 저장한다. 이 전지에서 고온 동작형인 충 · 방전은 300℃에 가까운 온도로 이루어진다. 단전지 1개당 약 2V인 기전력을 발생시키는 능력을 가지고 있다.
충 · 방전의 모식을 <그림 3>으로 나타냈다.



2. NAS 전지 시스템 구성
외관을 보면 NAS 전지는 대형 쟁반 모양으로 보이지만, 그 속에 50㎾의 모듈 전지가 20대 들어 있다. 또한 그 모듈 전지는 나트륨과 유황의 단전지 320개를 모두 직렬로 접속한 것으로 구성돼 있어 NAS 전지1대당1000㎾방전능력을발휘할수있다.
이 모듈 전지(<그림 4> 참조)는 단전지를 약 300℃로 유지시키기 위한 단열 용기와 히터를 갖추어 고온 작동이 이루어지도록 온도를 컨트롤하고 있다.
또 단전지는 <그림 5>와 같이 원통형 금속 용기에 수납되어 있는데 중심에 나트륨(부극), 금속관, 베타 알루미나관, 유황(정극)으로 배치된다.
이 단전지와 모듈 전지는 나트륨과 유황을 취급하고 있기 때문에 물과의 반응에 의해 발화하는 것을 막기 위해, 그 구성을 안전 설계하고 많은 시험을 실시하며 그 안전성을 검증 받고 있다.


▣ 순저 대책용 NAS 전지의 적용 예

일본 후지쯔의 반도체 공장에서는 순저 · 정전(~16초 정도) 대책 기능을 첨가한 NAS 전지 시스템을 2002년 7월에 아키루노(あきる野) 테크놀로지 센터로 도입하여 초호기(1대)를 가동했다. 그 후미에(三重) 공장에서 2005년 5월에 두 대를 가동했으며, 이어 아이즈( ) 와카마츠(겭松) 공장에서도 2005년 6월부터 2대를 가동 중이다. 현재 300㎜ 웨이퍼 제조 공정이 있는 미에 공장에서 2008년에 총 7개를 도입 완료했다.
NAS 전지의 순저 보호 대상 부하로 생산 장치는 필수지만, 생산 장치가 가동되기 위해 필요한 원동 설비도 공급한다. 주요한 원동 설비 부하로는 냉각수 설비, 공조 설비, 순수(純水) 설비(일부), 진공설비 등을 열거할 수 있다.
NAS 전지 도입에 있어 고려해야 할 점은 접속하는 부하의 배분 밸런스다. 부하 구성에 변압기, 정류기, 유도전동기, 콘덴서, 저항 부하 등이 얼마나 포함되어 있는가는 NAS 전지에의 부담을 변화시키는 요소가 되기 때문이다.
실제로 미에 공장에서의 NAS 전지 도입 검토 시에는 접속 부하의 조사 결과로, 어떤 부하 특성이 있고 또 어떻게 부하 분류로 해야 하는가가 의논 · 진행됐다. 그 분류를 기본으로 하여 NAS 전지 동작시뮬레이션을 진행하고 순저 발생에서부터 반도체 스위치 동작 후의 전압 안정까지의 파형을 조사하여 영향 상태를 확인했다.
시뮬레이션은 도입 사례가 진행됨에 따라 정밀도가 높아져 세부 설정까지도 현실에 가까운 조건을 만들어 낼 수 있으므로 상당히 신뢰할 수 있는 결과를 전망하는 툴로 활용되고 있다.


▣ NAS 전지의 도입 효과

현재 가동되고 있는 NAS 전지 10대는 각각 순저 대책 효과를 보이고 있다. 2007년 말까지의 순저 동작 횟수(여러 대 있는 경우라도 1대 이상이 가동하는 횟수를 1로 함)는 아키루노 테크놀로지 센터 31회(2.1로 월 1회), 미에 공장 13회(2.4로 월 1회), 아이즈 와카미츠 공장 31회(1.0로 월 1회)다.
실제로 2005년 낙뢰에 의한 전력 계통 정전에서는 NAS 전지가 부하를 지키고 수전 자동 변환 시스템 동작과 함께 공장 조업에 영향을 주지 않도록 했다. 이와 관련하여 NAS 전지 도입 전인 2002년에도 정전이 있었지만, 그때는 공장 조업에 영향이 있었던 것을 감안하면 도입 효과는 확실히 얻을 수 있음을 알 수 있다.
순저 규모는 각 공장에 따라 다르지만, NAS 전지가 전력 계통의 전압 저하를 감지하고 나서 5msec 정도로 전력 계통과 차단해 20msec 이내에 보통의 안정 전압으로 회복한다. 파형은 <그림 6>과 같지만, 생산설비에는 그 단시간에서도 변동을 감지하는 것이 있기 때문에 생산설비 순저 검출 방법 및 제품 처리 시퀀스 등을 조사했다.



그 결과 생산설비 측이 대응해야 하는 경우나 일부 제어 계통 보호 방식을 변경하거나 하여 NAS 전지의 단순 도입뿐 아니라 생산설비 측 및 원동 설비측 등 다방면의 협력을 얻는 것으로, 신규 도입의 NAS 전지의 효과를 보여 제품 제조에 공헌할 수 있었다. 이는 순저 대책 성공을 위한 노력과 함께 벡터를 위한 팀워크에 의한 것이라고 할 수 있다.


▣ 향후 방향성

최근 반도체 제조 디바이스는 기술 혁신이 빨라 순저 기능 부착 NAS 전지에 접촉하는 부하도 변경해야 할 필요가 있다. 그러나 NAS 전지를 능숙하게 활용하려면 생산장치 특징과 접속하는 부하 종류별 밸런스를 정확하게 포착하여 영향을 줄이는 노하우도 필요하다. 앞으로는 접속하는 부하를 어떻게 조화롭게 증설해 가는 것이 좋을지 시뮬레이션을 통해 해석해야 한다.
따라서 생산 부하 정보 · 전기 공급 시스템 구성 · 순저 대책 장치 제조업체, 각각의 전력 회사가 하나가 되어 최선의 선택을 할 수 있는 체제를 확립했으면 한다.