CO₂ 혼합가스 500~2000ppm 정밀 제어 방법: MFC 희석계산 공식 및 유량설정표

Mass Flow Controller(MFC)를 이용한 저농도 CO₂ 혼합가스 생성은 환경 분석, 반도체, 생명과학 등 정밀한 농도 제어가 필요한 분야에서 매우 중요한 공정입니다. 본 포스팅에서는 CO₂ 5% 혼합가스를 활용하여 500~2000 ppm 범위의 CO₂ 농도를 구현하는 계산 이론, 설정값 산출 방법 및 실무 적용 시 주의사항을 정리하였습니다.

 

1. 시스템 구성 및 가스 스펙

CO₂ 희석 시스템은 두 개의 MFC를 사용하여 구성됩니다. 이 시스템은 하나의 MFC(MFC1)를 통해 CO₂ 5% 혼합가스를 공급하고, 다른 하나의 MFC(MFC2)를 통해 희석가스(Ar 또는 N₂)를 공급하여 원하는 농도를 생성합니다.

구설	요소가스 종류	Full scale	농도
MFC1	CO₂ in Ar	100 SCCM	5% CO₂ (50,000 ppm)
MFC2	Ar 또는 N₂	2000 SCCM	100% 희석가스

2. CO₂ 농도 계산 공식

CO₂ 혼합가스의 최종 농도는 아래 공식을 통해 산출할 수 있습니다.

• CO₂ 실제 유량(SCCM) = MFC1 유량 × 0.05
• 최종 농도(ppm) = (CO₂ 유량 / 전체 유량) × 1,000,000
• 설정 역산 공식:
  MFC1 유량 = (목표 CO₂ 농도 × 2000) / (0.05 × 1,000,000)
  → 간단화: MFC1 유량 = 목표 농도(ppm) × 0.04

 

3. 목표 CO₂ 농도별 유량 설정표 (전체 유량 2000 SCCM 기준)

목표 CO₂ 농도 (ppm)	MFC1 설정값 (SCCM)	MFC2 설정값 (SCCM)	전체 유량 (SCCM)	계산 검증
500	20.0	1980.0	2000	(20 × 0.05 × 10^6) / 2000 = 500 ppm
700	28.0	1972.0	2000	(28 × 0.05 × 10^6) / 2000 = 700 ppm
1000	40.0	1960.0	2000	(40 × 0.05 × 10^6) / 2000 = 1,000 ppm
1200	48.0	1952.0	2000	(48 × 0.05 × 10^6) / 2000 = 1,200 ppm
1500	60.0	1940.0	2000	(60 × 0.05 × 10^6) / 2000 = 1,500 ppm
1800	72.0	1928.0	2000	(72 × 0.05 × 10^6) / 2000 = 1,800 ppm
2000	80.0	1920.0	2000	(80 × 0.05 × 10^6) / 2000 = 2,000 ppm

 

4. 실무 적용 시 고려사항

1. 정확도 확보를 위한 MFC 최소 제어 범위
   • MFC1: 최소 유량 20 SCCM 이상 사용 권장
   • MFC2: 최소 40 SCCM 이상 제어 필요
2. 시스템 안정화 시간 : 유량 변경 후 가스 치환 시간 필요
   • 소형 시스템(1L 미만): 3 ~ 5분
     
   • 중형 시스템(1~5L 미만): 5~10분
   • 대형 시스템(5L 이상): 10분 이상
3. 정기적 교정 및 센서 검증
   • 6개월~1년 주기로 MFC 교정 권장
   • CO₂ 센서 또는 GC 분석기를 통한 실제 농도 검증 필요

5. 농도 범위 확장 방안

• 더 낮은 농도 필요 시: 1% CO₂ 혼합가스를 사용하거나 2단 희석 구성 제안
• 더 높은 농도 필요 시: 10% CO₂ 사용 또는 MFC1 Full Scale 확장 고려

6. 결론

MFC1(CO₂ 5%)과 MFC2(희석가스)를 조합하여 전체 유량을 2000 SCCM으로 고정한 후, MFC1의 유량만 조절하면 500~2000 ppm의 저농도 CO₂ 가스를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 본 포스팅에서 제시한 공식과 설정표를 활용하면 반복성 높은 희석 가스 제어가 가능합니다. 실무에서는 제어 한계와 유량 정확도, 안정화 시간을 반드시 고려하여 설계해야 합니다.

 

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