UHP 배관에서 TEE/ELBOW의 사각부 청정도 문제 해결법

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1. TEE/ELBOW 내부 사각부 구조의 청정도 문제 개요

 

UHP(Ultra High Purity) 배관 시스템에서 사용되는 TEE 및 ELBOW는 고순도 유체의 방향을 전환하거나 분기하는 데 필수적인 피팅류이다. 그러나 이들 부품의 **내부 형상상 '사각부(dead leg)' 또는 '에디 영역(eddy zone)'**이 형성되기 쉽고, 이 부위는 유체 흐름이 원활하게 통과하지 않기 때문에 세정 후에도 이물, 미세입자, 화학적 잔류물이 축적될 위험이 매우 높다.

TEE의 분기점 내부나 ELBOW의 곡률 반경 끝단에 생기는 미세한 틈새는 고압 린스 또는 초순수 세정으로도 완전한 제거가 어렵고, 시간이 경과함에 따라 금속이온 침출, 유기물 축적, 바이오필름 형성의 원인이 될 수 있다. 이는 곧 공정 불량률 상승과 생산 중단으로 이어질 수 있어, 청정도 확보는 배관 설계 및 가공 단계에서부터 반드시 고려되어야 한다.

 

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2. 사각부 오염 분석: TOC, ICP-MS, 파티클 카운팅 실례

 

UHP 배관 시스템에서 사각부 청정도를 확인하는 대표적인 분석 방법은 TOC(Total Organic Carbon), ICP-MS(유도결합 플라즈마 질량분석), 파티클 카운터 분석이다. TOC는 유기 오염물의 잔류량을 평가하며, 특히 반도체 배관 기준에서는 50ppb 이하, 일부 고객사에서는 10ppb 이하의 엄격한 기준을 요구한다.

사례로, 동일한 EP(전해연마) 조건에서 처리된 스트레이트 튜브와 TEE 피팅류의 내부 청정도를 비교 분석한 결과, TEE 사각부에서 TOC 농도는 약 4배, 금속이온(Fe, Ni, Cr)은 2~3배 더 높게 검출되었다. 파티클 카운터 분석에서도 TEE 내부에서 0.3μm 이상 입자의 농도가 30~50%가량 높았고, 이는 배관 내부의 흐름 교란 및 오염물 침착을 시사한다.

이러한 데이터는 TEE/ELBOW 구조 자체가 클린도 확보에 있어 가장 큰 병목이라는 점을 명확히 보여주며, 단순한 세정 공정만으로는 한계가 있음을 나타낸다.

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3. 구조적 설계 개선과 내부 라디우스(Radius) 최적화

 

청정도 문제 해결의 첫 번째는 피팅류 자체의 구조적 설계 개선이다. 기존 TEE/ELBOW의 사각 구조는 비용과 제작 편의성을 고려해 설계되지만, UHP 환경에서는 ‘클린 설계(Clean Design)’ 철학이 적용되어야 한다. 예를 들어, 내부 라디우스(R)를 확장하여 흐름 방향 전환 시 와류 발생을 최소화하거나, 45도 TEE 및 볼륨 최소형 ELBOW 구조로 변경하는 것이 좋다.

CFD(Computational Fluid Dynamics, 전산유체해석)를 활용하면, 유체가 TEE나 ELBOW를 통과할 때 발생하는 **데드존(dead zone)**이나 스월링(swirl) 현상을 사전 분석할 수 있으며, 설계 초기 단계에서 유로 최적화를 통해 사각부 축적을 원천적으로 줄일 수 있다.

최근에는 일부 제조사에서 3D 인쇄 기술을 활용하여 **내부 곡률이 자연스럽고 파티클 잔류가 어려운 ‘무데드존 구조’**의 커스텀 피팅을 생산하기도 한다. 이는 단가 상승이 있더라도 청정도 목표가 엄격한 반도체·제약 배관에서 빠르게 채택되고 있는 추세다.

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4. 세정 공정의 고도화: 고압 린스, 멀티에칭, 버블 플러시 기술

 

구조 설계 외에도 사각부의 잔류 오염을 제거하기 위한 세정 기술의 고도화가 병행되어야 한다. 특히 다음과 같은 기술들이 유효하다:

• 고압 초순수 린스(UPW Rinse): 6~10kgf/cm² 수준의 고압으로 유로 내부를 세정하여 사각부 내 잔류물 탈리.
• 멀티에칭(Multi-step Acid Cleaning): 산 종류(불산, 질산, 구연산 등)와 순서를 조합한 다단 세정으로 각기 다른 오염 물질에 대응.
• 버블 플러시(Bubble Flush) 또는 펄스 플로우: 기포와 압력 변화를 이용해 사각부 내 침착물을 물리적으로 탈착.
• 초음파 또는 진동 린스 보조 시스템: 내부 표면에서 접착된 이물질을 미세 진동으로 분리시키는 방식.

이들 세정 공정을 적용하기 위해선 배관을 개방한 상태에서 진행할 수 있어야 하며, 이를 위해 일부 고객사는 모듈 조립 전 선세정 조건을 계약서에 명시하고 있다. 청정도 테스트는 세정 후 바로 수행되며, 고객이 요구하는 TOC/ICP 기준에 따라 납품 여부가 결정된다.

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5. 검사 기준 및 사후 유지관리 전략

 

청정도가 확보된 TEE/ELBOW는 최종 납품 전 반드시 정량 검사를 통해 품질 인증을 받아야 한다. 일반적으로는 다음 항목들이 확인된다:

• TOC: 10~50ppb 이하
• ICP-MS: 주요 금속 이온 농도 규격
• Particle Count: 0.1~0.3μm 기준 수천 개 이하
• SEM or Surface Roughness(Optional): 내부 피막 균일도 확인

뿐만 아니라, 패시베이션 및 전해연마(EP) 처리 후, 제품을 포장하기 전 단계에서 발생하는 재오염 위험도 관리해야 한다. 이를 위해 Class 100~1000 수준의 클린룸 포장, 질소 퍼지 후 진공 밀봉, 습기 흡수제 동봉 등의 방법이 사용된다.

장기적으로는, 설비 운영 중에도 정기적인 플러싱, 유량 체크, 샘플링 테스트를 통해 사각부에서의 침적 물질을 관리해야 하며, 설비 업그레이드 시에는 반드시 CFD 기반 설계 재검토가 병행되어야 한다.

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형상 사각부는 설계·세정·검사 전 과정에서의 통합관리 대상

 

TEE와 ELBOW 같은 구조물의 사각부는 단순 부품 수준이 아닌 시스템 전반의 청정도를 결정짓는 핵심 리스크 포인트이다. 따라서 문제 해결을 위해선 제품 설계 → 가공 → 세정 → 검사 → 포장 → 유지관리까지 전 주기적 품질관리 체계가 필요하다.

최근 반도체 및 제약 산업에서는 이러한 사각부 청정도 문제 해결을 위해 설계 엔지니어, 품질 담당, 가공업체, 세정전문 기업 간의 협업 구조를 강화하고 있으며, 이 같은 흐름에 적극 대응하는 기업일수록 고객사 신뢰를 확보하고 있다.

귀사의 배관 시스템에서도 TEE/ELBOW 사각부 청정도를 관리하는 전략은 단순한 품질관리 차원이 아니라, 납기 안정성, 클레임 방지, 브랜드 신뢰 확보의 핵심 경쟁력이 될 것이다.

 

 

 

 

 

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