[렛유인 KDC 교육] 반도체 장비 6일차 : 배관 연결의 기술 (Fitting, Flange, Welding)

1. 배관은 '연결'에서 완성된다

지난 5일차 교육에서 배관의 재질(STS316L)과 표면 처리(EP)에 대해 배웠다면, 6일차는 이 배관들을 서로 연결하고 장비에 체결하는 Fitting(이음매) 기술에 대해 학습했습니다.

반도체 장비에서 배관 연결은 단순히 파이프를 잇는 작업이 아닙니다. 고압 가스나 유독 가스가 흐르는 라인에서 미세한 누설(Leak)은 곧 대형 사고로 이어지기 때문에, 연결 부품 하나하나에 고도의 기밀 유지 기술이 적용됩니다. 오늘은 현업에서 가장 많이 쓰이는 Lok Fitting, VCR Fitting, 그리고 진공 Flange를 정리해 보았습니다.

Fitting은 주로 1인치 이하의 배관에서 Flange는 주로 1인치를 초과하는 배관에서 쓰입니다.

2. Fitting의 양대 산맥 : Lok vs VCR

배관을 연결하는 방식은 유체의 종류와 요구되는 기밀성(Sealing Level)에 따라 크게 두 가지로 나뉩니다.

(1) Tube Fitting (LOK)

• 구조: Nut, Back Ferrule, Front Ferrule, Body로 구성됩니다. 너트를 조이면 Ferrule이 튜브를 파고들며 Compression되어 기밀을 유지하는 방식입니다.
• 특징: 재조립이 용이하고 Maintenance가 간편합니다. 또한 상대적으로 비용이 저렴합니다.
• 용도: 주로 CDA, PCW, Exhaust 등 상대적으로 위험도가 낮거나 초고진공이 필요하지 않은 라인에 사용됩니다. 누설이 발생하더라도 Clean Room 환경 및 인체에 무해한 Gas 배관에 사용됩니다.

LOK Fitting

 

*너트를 조이면 후위 Ferrule이 전위 Ferrule과 튜브 사이를 비집고 들어가면서 튜브를 살짝 휘게 만들어 기밀을 유지합니다.

 

(2) VCR Fitting (Metal Gasket Face Seal)

• 구조: 양쪽 Gland 사이에 Metal Gasket을 넣고 너트로 압착하여 밀봉하는 방식입니다.
• 특징: Metal Gasket이 찌그러지면서 완벽하게 밀폐되므로 기밀성이 매우 우수합니다. 단, 한 번 찌그러진 Gasket은 재사용이 불가능합니다(일회용).
• 용도: 누설 시 치명적인 Process Gas(UHV), Fast pumping/venting, Gauge Port에 주로 VCR이 사용됩니다.

VCR Fitting

 

* Gland와 배관을 용접해서 사용합니다. 금속 Gasket은 일반적으로 316L 사용합니다. 너트를 조이면 Gasket이 찌그러지면서 기밀이 유지됩니다. 따라서 Gasket은 일회성입니다. 또한 유체의 흐름에 의한 진동으로 Gasket을 조이는 힘이 느슨해질 수 있기에 Retainer를 같이 설치하는 경우도 많다.

 

3. LOK Fitting과 I-Marking

현장에서 배관을 체결할 때는 감으로 조이는 것이 아니라, 명확한 규정을 따라야 합니다. 이때 사용하는 것이 I-Marking (Inspection Marking)입니다.

• Lok Fitting 체결법:
  1. 작업하고자 하는 SS/PFA 배관 절단합니다 (SS배관은 절단 후 Seal 기밀도를 위해 Burr를 제거해야 합니다)
  2. Nut, Back Ferrule, Front Ferrule, Fitting Body 순으로 조립합니다. 순서가 바뀔 경우 seal 불가합니다
  3. 배관을 Fitting Body 턱에 닿을 때까지 완전히 삽입합니다. Nut를 손으로 돌려 단단히 조립합니다
  4. Blue I-Marking을 진행합니다
  5. Fitting Body가 흔들리지 않도록 고정 후 Nut를 1.25바퀴 돌립니다
  6. Blue Marking 사이에 Red I-Marking을 합니다

*Blue I-Marking은 배관이 다양한 외부 요인으로 Fitting 풀림이 발생할 시, 육안으로 배관 연결 부위를 관리하기 위해 쓰입니다. 또한 재조립시 기준점으로도 쓰입니다. 체결 검사는 Gap Gauge를 사이 Gap에 끼워보는 것으로 진행합니다.

 

I-Marking

 

4. VCR Fitting과 I-Marking

• VCR Fitting 체결법:
  1. 한쪽 Gland에 Metal Gasket을 고정합니다 (Gasket은 재사용이 불가능합니다)
  2. Gland의 면과 면이 일직선으로 만나는 상태에서 Male, Female Nut를 손으로 체결합니다
  3. Blue I-Marking을 합니다
  4. 한쪽 Nut를 고정한 채 반대쪽 Nut를 1/8바퀴 돌립니다
  5. Blue Marking 중앙에 Red I-Marking을 한다

5. '관'용 나사의 분류

• 관용 나사는 평행나사와 테이퍼 나사 두개로 분류됩니다. 테이퍼나사는 여기서 55도 66도 나사 두개로 분류됩니다.

관용나사의 분류

• 배관을 연결할 때 쓰는 나사산의 높이가 낮은 나사를 관용나사라 부릅니다. 나사산의 높이가 낮아 일반 나사를 쓸 때보다 파이프 강도의 저하가 덜하다.

관용나사의 나사산 높이

• 배관연결용으로 쓰이며 기밀을 유지하고, 누설을 방지합니다
• 나사산의 각도가 55도(또는 60도) 이며, 형태는 평행(또는 테이퍼) 입니다
• KS규격은 BSP, JIS ISO와 55도로 같고, 미국 표준은 API, NPT로 60도 입니다

관용 나사

 

*원칙적으론 R, Rc Rp를 구분하지만 R로 통일하여 사용하고, NPT는 반도체 장비에서 주로 사용하지 않습니다.

 

나사의 조합

 

* 실무에서는 배관의 직경과 관 이음새의 종류에 맞게 제조사의 매뉴얼에서 Part를 찾아 선정합니다.

 

6. 진공 Flange (플랜지)의 종류

진공 배관은 튜브 피팅보다는 주로 플랜지를 사용하여 연결합니다. 진공도에 따라 사용하는 타입이 다릅니다.

• KF (Klein Flange) / QF: O-ring과 센터링(Centering)을 끼우고 클램프(Clamp)로 한 번에 잠그는 방식입니다. 체결이 빠르고 간편해 저진공~중진공 라인이나 펌프 배기구(Exhaust)에 주로 쓰입니다.
• ISO Flange: 대구경 배관에 사용하며 Claw Clamp나 Bolt로 고정합니다.
• CF (ConFlat) Flange: O-ring 대신 Metal Gasket을 사용합니다. 플랜지의 칼날(Knife Edge)이 구리를 파고들며 밀폐하기 때문에 기밀성이 극도로 높아 UHV(초고진공) 챔버에 사용됩니다.

진공 Flange의 종류

 

7. 용접(Welding) 설계 : Manual vs Auto

배관을 길게 연결하거나 굴곡을 만들 때, 피팅을 쓰지 않고 용접을 하기도 합니다. 용접은 주로 규격품을 사용하지 못해 장비에 맞게 Customize할 때 사용하는 방식입니다.

• 수동 용접 (Manual TIG): 사람이 직접 용접하므로 비드(Bead)가 불규칙할 수 있고, 내부 표면 거칠기가 나빠질 우려가 있습니다.
• 자동 용접 (Orbital Welding): 기계가 궤도를 돌며 용접합니다. 비드가 균일하고 내부 오염(Particle)을 최소화할 수 있어 고순도 가스 라인에는 필수적입니다. 다만 기계를 체결할 수 있는 최소한의 공간이 필요합니다.

용접

 

8.Tube Bending

배관을 Customize할 때 구부려야 하는 경우도 있습니다. 이럴 때도 역시 규정이 존재합니다. Size에 따라 얼마만큼 구부릴 수 있는지에 대한 규정입니다.

Tube Bending과 예시

9. Insight

이번 강의를 정리하며 표준의 중요성을 뼈저리게 느꼈습니다. 간단해 보이는 Lok Fitting, VCR, 그리고 튜브 사이즈에 맞춰 벤딩 R값(R15, R40 등)을 지키는 것. 이 모든 수치들은 수많은 시행착오 끝에 만들어진 안전 마진입니다. 이 모든 것이 다 작업자의 안전과, 반도체의 수율을 위한 것이니 만큼 작은것 하나하나도 중요하다는 것을 배웠습니다.