KR100271084B1 - 작동 용량이 높은 물리적 흡착제를 포함하는 유체 저장 및 전달 시스템 - Google Patents

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엠. 탐 글렌
칼 올란더 더블유.
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바누치 유진 지.
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Abstract

본 발명은 흡착성 기체의 저장 및 분배를 위한 흡착-탈착 장치에 관한 것으로서, 선택적으로 분배될 흡착된 기체를 포함하는 물리적 흡착 매체는 흡착 물질로부터 솔베이트 기체의 압력 차등 탈착 및/또는 열 탈착에 의해 송출된다. 흡착 물질은 40 Torr 및 650 Torr에서 흡착 물질의 베드 1리터 당 아르신의 그램수를 측정하여 100 이상의 흡착제 작동 용량, CW를 갖는 물질을 포함하는 것이 바람직하며, 예를 들면, 도 1의 곡선 A의 흡착 등온 특성을 갖는 흡착 물질을 포함한다.

Description

작동 용량이 높은 물리적 흡착제를 포함하는 유체 저장 및 전달 시스템{FLUID STORAGE AND DELIVERY SYSTEM COMPRISING HIGH WORK CAPACITY PHYSICAL SORBENT}
광범위한 산업 공정 및 적용에 있어서는 신뢰할만한 가공 유체 공급원이 필요하다.
이러한 공정 및 적용 분야에는 반도체 제조, 이온 주입, 평판 디스플레이 제조, 의학적 처치 및 치료법, 수(水) 처리, 응급 호흡 장치, 용접 조작, 액체 및 기체의 공간계 전달 등이 포함된다.
1988년 5월 17일에 Karl O. Knollmueller에게 특허 허여된 미국 특허 제 4,744,221 호는 제올라이트 상에 아르신을 흡착시키기 위해 기공 크기가 약 5 내지 15Å인 제올라이트를 아르신과 약 -30℃ 내지 약 +30℃의 온도에서 접촉시킴으로써 아르신을 저장한 후 전달하고, 제올라이트 물질로부터 아르신을 방출시키기 위해 충분한 시간 동안 약 175℃까지 온도를 상승시켜 제올라이트를 가열함으로써 아르신을 분배하는 방법을 개시하고 있다.
Knollmueller 특허에 개시된 방법은 제올라이트 물질을 위한 가열 장치(제올라이트로부터 이미 흡착된 아르신의 소정 양을 탈착시키기에 충분한 온도로 제올라이트를 가열하기 위해서 구성되고 배열된 장치)가 필요하다는 단점이 있다.
아르신-함유 제올라이트를 포함하는 용기의 외부에 가열 재킷 또는 기타 수단을 사용하면 통상적으로 용기가 상당한 열 용량을 갖게 되고, 따라서 분배 조작을 위해 상당한 유도 시간을 도입해야 하는 문제점이 있다. 또한, 아르신을 가열하면 분해되어 수소 기체를 형성시키는데, 이로 인해 공정 시스템에 폭발 위험이 발생한다. 또한, 열에 의한 아르신의 분해 효과는 공정 시스템에서 기압을 실질적으로 증가시킴으로, 안전뿐만 아니라 시스템의 수명 및 작동 효율의 견지에서도 대단히 불리하다.
제올라이트 베드 자체내에 가열 코일 또는 기타 가열 구성 요소를 갖는 설비는 목적하는 균일성을 갖는 아르신 기체를 방출하기 위해서 제올라이트 베드를 균일하게 가열하는 것이 어렵기 때문에 문제가 있다.
가열된 운반 기류가 용기내의 제올라이트를 통과하도록 하는 방법은 전술한 단점을 극복할 수 있으나, 아르신을 가열된 운반 기체로부터 탈착시키기 위해 필요한 온도가 바람직하지 않게 높거나, 또는 이 운반 기체가 아르신 기체의 최종 사용에 부적절하여, 최종 사용을 위해 기체를 분배시키는 조건으로 냉각 또는 기타 처리가 필요하다.
Glenn M. Tom 및 James V. McManus에게 1996년 5월 21일 특허 허여된 미국 특허 제 5,518,528 호는 Knollmueller 특허에 개시된 기체 공급 공정의 전술한 단점을 극복하기 위해 기체를 저장 및 분배시키기 위한 기체 저장 및 분배 시스템을 개시하고 있다. Tom 등의 특허의 기체 저장 및 분배 시스템은 고체상 물리적 흡착 매체를 보유하고 용기내외로 기체를 선택적으로 흐르게 할 수 있도록 구성되고 배열된 저장 및 분배 용기; 내부 기압에서 상기 저장 및 분배 용기내에 있는 고체상 물리적 흡착 매체; 고체상 물리적 흡착 메체상에 물리적으로 흡착되어 있는 솔베이트(sorbate) 기체; 저장 및 분배 용기와 기류를 상호 교환하면서 결합되어 있고, 저장 및 분배 용기 외부에서 상기 내부압보다 낮은 압력을 제공하여 솔베이트 기체를 고체상 물리적 흡착 매체로부터 탈착시키고 탈착된 기체가 분배 조립체를 통과하여 흐르도록 구성되고 배열된 분배 조립체를 포함하는, 기체(예, 수소화 기체, 할로겐화 기체, 및 유기금속 V족 화합물로 구성된 군중에서 선택된 기체)의 저장 및 분배를 위한 흡착-탈착 장치를 포함하며, 상기 고체상 물리적 흡착 매체에는 저장 및 분배 용기내에서 솔베이트 기체를 분해하는 물, 금속 및 산화 전이 금속류(예, 산화물, 아황산염 및/또는 질산염)와 같은 미량 성분이 없다.
고체상 물리적 흡착 매체로부터 미량 성분을 제거함으로써, 25℃ 및 내부압 조건에서 1년 후에 솔베이트 기체의 분해는 대단히 낮은 농도(예를 들어 솔베이트 기체 1-5 중량% 이하)로 유지된다.
Tom 등의 특허의 저장 및 분배 용기는 고압 기체 실린더를 사용하는 종래의 기술에 비해 당업계에 실질적인 진전을 이루었다. 내부에서의 기체 분해가 실린더의 내부 기압을 빠르게 증가시키고 실린더 파열 또는 실린더로부터의 기타 원하지 않는 다량의 기체 방출 위험을 발생시키는 경우, 통상적인 고압 기체 실린더는 파열뿐만 아니라 손상된 또는 상태가 좋지 않은 조절기 조립체로부터의 누출이 생긴다.
Tom 등의 특허의 기체 저장 및 분배 용기는 제올라이트 또는 활성화된 탄소 물질과 같은 수송 흡착 매체 상에 솔베이트 기체를 가역적으로 흡착시켜 저장된 솔베이트 기체의 압력을 감소시킨다. 본 발명의 기타 목적 및 장점은 상세한 설명 및 첨부된 청구항에 의해서 더 분명해질 것이다.
당업계는 전술한 형태의 유체 저장 및 전달 시스템의 개선된 흡착 물질을 계속해서 이용하고 확인할 필요가 있으며, 따라서, 본 발명의 목적은 비용, 사용의 편리성 및 성능 측면에서 상당한 장점을 갖는 효율이 높은 흡착 물질을 이용한 유체 저장 및 분배 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점은 상세한 설명 및 첨부된 청구항에 의해서 분명해질 것이다.
본 발명은 일반적으로 유체 성분이 고체 흡착 매체에 흡착 관계를 갖고 분배 조작시 흡착 매체로부터 탈착되는 용기 또는 저장 콘테이너로부터 유체를 선택적으로 분배하기 위한 저장 및 분배 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명 실시의 한 측면으로서, 따른 등온선 영역을 구분하는 G0및 G1등온선과 함께, 탄소 흡착(곡선 A) 및 제올라이트 5A(곡선 B)에 대하여 압력(Torr)의 함수로서 흡착 물질 1리터당 적재된 아르신의 그램수로서 도시된, 아르신에 대한 흡착 등온 그래프를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 광범위한 실시에 유용한 일부 예시적인 활성화된 탄소 흡착제에 대하여 기공 크기의 함수로서 축적된 기공 부피(cm3/g)를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시태양에 따른 저장 및 전달 시스템의 개략적인 대표도이다.
도 4는 시간(시)의 함수로서 실린더의 압력(Torr)을 도시한 것으로, 아르신 충전 조작을 종결한 후에 도 3의 실시태양에 따른 저장 및 분배 시스템내에서 탄소 흡착제상에서의 아르신 기체의 압력 붕괴를 그래프로 보여준다.
도 5는 본 발명에 따른 아르신 저장 및 전달 시스템에서, 시간(h)의 함수로서 압력 붕괴 속도(Torr/h)를 도시한 것이며, 충전 후 압력 특성은 도 4에 나타나 있다.
도 6은 저장 및 분배 용기 압력(Torr)의 함수로서 비드 탄소 흡착 물질상에 적재된 아르신의 양을 도시한 아르신 흡착 등온선이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 저장 및 분배 시스템의 투시 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시태양에 따라 분배된 기체를 이온 주입 사용하기 위한 기체 전달용 저장 및 분배 배열을 포함하는 공정 시스템이다.
도 9는 용기의 내부 구조를 보여주는 도 8의 저장 및 분배 용기의 투시 횡단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 저온 펌핑 저장 및 전달 시스템 장치의 개략 투시도이다.
도 11은 본 발명의 따른 저장 및 분배 시스템의 성능을 평가하기 위한 전달 측정 장치의 개략도이다.
도 12는 흡착 물질로 5A 분자체(곡선 M, 데이터 포인트 표시△)를 포함하는 저장 및 전달 시스템 및 흡착 물질로 비드 활성화된 탄소(곡선 N, 데이터 포인트 표시 □)를 포함하는 저장 및 분배 시스템의 성능 그래프이며, 저장 및 분배 용기의 압력(Torr)을 1 기준 cm3아르신/분의 유속으로 작동하는 시간의 함수로 나타내고 있다.
본 발명의 상세한 설명 및 이의 바람직한 양태들
미국을 지정국으로 1995년 10월 13일에 제출되고 1996년 4월 25일에 공고된 국제 특허 출원 제 PCT/US95/13040 호, 미국 특허 출원 08/322,224 호로 1994년 10월 13일에 제출되고 1996년 5월 21일에 특허 허여된 미국 특허 5,518,528, 1996년 5월 20일에 제출된 미국 특허 출원 제 08/650,634 호 및 1996년 5월 20일에 제출된 미국 특허 출원 제 08/650,633 호의 개시 내용은 전적으로 본 명세서에서 참고로 인용된다.
본 발명은 수산화물 및 할로화물 기체 및 유기 금속 V족 화합물의 이온 주입과 같은 적용을 위해서 유체 공급 수단인 새로운 저압 저장 및 전달 시스템을 제공한다. 전술한 것의 예는 아르신, 포스핀, 게르만, 염소, NF3, BF3, BCl3, 디보란(B2H6및 이의 중수소 유사물인 B2D6), HCl, HBr, HF, HI, 헥사플루오르화 텅스텐 및 (CH3)3Sb를 포함한다. 또한 본 발명은 소형의 이동 가능한, 사용 시점 유체 공급 수단의 새로운 저압 저장 및 전달 시스템을 제공한다.
본 명세서에서 사용한 "저압"이라는 용어는 대기압을 실질적으로 초과하지 않는 압력, 예를 들어 압력≤1.25 대기압, 더 바람직하게는 압력≤1.0 대기압 및 가장 바람직하게는 대기압의 약 0.15 내지 약 0.8의 압력을 의미한다.
본 발명의 저장 및 분배 시스템은 각종 실시에서 전술한 저압보다 높은 압력에서 작동시킬 수 있으나, 이 저장 및 분배 시스템은 특히 유체를 대기압에서 사용하는 적용(예, 이온 주입 적용)시 유용성을 갖는다. 최종 사용에서, 본 발명의 시스템은 유체가 저압에서 저장 및 분배되도록 한다.
이러한 저압 조작으로, 본 발명의 시스템은 많은 응용에서 이전에 사용했던 종래의 고압 유체 용기 사용의 필요성을 제거한다. 특히 유해한 기체를 포함하는 경우에, 유체 매체가 주변 압력 부근에서 저장되고 준비 및 조절 가능한 방식으로 분배될 수 있는 본 발명의 저압 시스템에 비하여 고압 용기의 사용은 누출 위험 및 사람 및/또는 재산에 해를 줄 위험을 증가시킨다.
본 발명의 유체 공급원 시스템은 물리적 흡착 물질을 비롯한 흡착 물질에 흡착되고 분배될 유체를 포함하는 기체 실린더와 같은 누출-밀봉 용기를 포함한다. 아르신 및 포스핀과 같은 기체 솔베이트의 경우에, 흡착제는 솔베이트 기체의 증기압을 ≤1 대기압으로 감소시킨다.
본 발명은 아르신 및 포스핀 기체의 저장 및 전달의 측면에서 우선적으로 후술할 것이나, 본 발명의 유용성을 이에 한정시키는 것은 아니며, 오히려 액체, 액체-증기 혼합물 뿐만 아니라 기타의 각종 기체를 포함하거나 확대된다. 예로는 실란, 디보란, 아르신, 포스핀, 포스겐, 염소, BCl3, BF3, B2D6, 헥사플루오르화 텅스텐, 플루오르화 수소, 염화 수소, 요오도화 수소, 브롬화 수소, 게르만, 암모니아, 스티빈, 황화 수소, 시안화 수소, 셀렌화 수소, 텔루루화 수소, 중수소화된 수소화물, NF3, ClF3, GeF4, SiF4와 같은 할로겐(염소, 브롬, 요오드 및 불소) 기체 화합물, 유기 화합물 및 (CH3)3Sb와 같은 유기 금속 V족 화합물을 포함한다.
≤0 psig에서 유체를 저장 및 전달하는 본 발명의 신규 수단 및 방법은 이들 유체에 의한 위험을 상당히 감소시킨다. 본 발명의 기술은 탄소계의 물리적 흡착제내로 이들 유체를 흡착시키는 것을 포함한다. 탄소계 고체 물리적 흡착제내로 유체를 흡착시킴으로서, 유체의 기압을 ≤0 psig으로 감소시킬 수 있다. 이 시스템으로부터 방출 가능성은 압력의 추진력을 제거하면 상당히 감소된다.
본 발명의 광범위한 실시에 사용되는 흡착제는 저장 및 분배되는 유체에 대해 흡착 친화성을 갖는 임의의 적절한 형태일 수 있다. 예를 들어, 흡착제는 다공성 실리콘 물질, 알루미늄 포스페이트, 점토, 제올라이트, 중합체(다공성 테프론, 거대망상 중합체 및 유리질 영역 중합체를 포함), 알루미늄 포스포실리케이트, 탄소 물질 등을 포함한다.
본 발명의 바람직한 흡착 물질은 제올라이트 및 탄소 흡착제이다.
탄소 흡착 물질의 바람직한 예는 폴리아크릴니트릴, 술폰화된 폴리스티렌-디비닐벤젠 등과 같은 합성 탄화 수소 수지의 열분해에 의해 형성된 탄소; 탄화 셀룰로스; 목탄; 코코넛 쉘, 송진, 목재, 석유, 석탄 등과 같은 천연 원료 물질에서 형성된 활성 탄소를 포함한다.
탄소 흡착 물질은 그 자체로 공지되어 있으며, 예를 들어 광범위한 산업 공정에서 용출 가스의 처리에 사용되어 왔으나(예, 반도체 산업에서 용출물 흐름으로부터 매우 큰 탄소 베드상으로 VOC의 흡착에 의한 VOC 감소), 유체 반응물 및 공정 기체를 제공하기 위해 탄소 흡착 물질을 기재로 하는 저장 및 분배 시스템은 없었다. 따라서, 본 발명은 광범위한 크기, 모양, 표면적, 조성물로 시판되고 있는 탄소 흡착 물질을 이용함으로서 가압된 실린더로부터 공정 기체 및 유체 반응물을 공급하는 종래 기술의 위험성, 결점 및 단점을 제거하는 효과적인 유체 공급 시스템을 제공하며, 이는 당업계에 실질적인 진전을 나타낸다.
종래의 기술은 용접 기체, 마취 기체, 산소, 화학 공정 반응 기체 등을 공급하기 위해서 과도하게 기체 실린더를 이용하였고, 실린더의 공급 용량(분배 가능한 유체의 양)이 실린더의 압력의 함수이고 압력이 증가하면 실린더 공급 용량도 증가하기 때문에, 고압을 유지하기 위해서 지나치게 두터운 벽을 갖는 실린더를 사용하였다.
본 발명은 흡착성 매체, 즉, 탄소계 흡착제를 이용함으로서, 공정상 난점(고압 기체 실린더 파열 위험, 기체의 분해에 의한 과압 위험 및 고압 기체의 모니터링 및 조절과 관련된 난점을 포함하며, 위험한 기체의 경우에는 가능한 위험과 비례하여 특별한 안전 및 취급이 요구된다)을 피할 수 있다. 본 발명의 흡착성 매체는 유체를 저장하기 쉽게 하며, 압력 차이 및/또는 열적 탈착 분배를 용이하게 한다.
본 명세서에서 물리적 흡착 물질과 관련하여 사용한 "탄소계"라는 용어는 흡착제 질량에서 주성분으로 탄소 성분을 포함하는 흡착 물질을 의미한다. 탄소 흡착 물질의 바람직한 형태는 폴리아크릴니트릴, 술폰화된 폴리스티렌-디비닐벤젠 등과 같은 합성 탄화 수소 수지의 열분해에 의해 형성된 탄소; 탄화 셀룰로스; 목탄; 코코넛 쉘, 송진, 목재, 석유, 석탄 등과 같은 천연 원료 물질에서 형성된 활성 탄소를 포함한다.
바람직한 탄소 물질은 활성화된 탄소, 즉, 과립화된 목탄을 적당하게 상승된 온도로 가열하여 생성된 고도의 흡착 형태의 탄소이다. 소위 말하는 활성화된 탄소의 비드 탄소 형태가 가장 바람직하며, 매우 균일한 직경을 갖는 구형 입자인 비드는 약 0.1 내지 약 1 cm 직경, 더 바람직하게는 약 0.25 내지 약 2 mm 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 광범위한 실시에 바람직한 시판되고 있는 탄소 흡착 물질은 미국, 뉴욕주, 뉴욕 소재의 쿠레하 코오포레이숀의 BAC-MP, BAC-LP 및 BAC-G-70R; 펜실베니아주, 필라델피아 소재의 롬 ＆ 하스 컴패니의 시판용인 등록상표 Ambersorb 탄소계 흡착제, Ambersorb 563, Ambersorb 564, Ambersorb 348F, Ambersorb 575, Ambersorb 572 및 Ambersorb 1500; 칼곤 카본 코오포레이숀의 시판용 Calgon Filtrasorb 400 및 BPL GAC 탄소 흡착 물질; 및 독일 에르크라스 블루처 게엠베하의 시판용 비드 활성화된 탄소 흡착 물질을 포함한다. 전술한 탄소 흡착제 중에서, Ambersorb 물질은 50Å 이상의 기공으로 이루어진 실질적인 기공 부피를 갖으며, 일반적으로 이렇게 큰 기공 크기의 물질은 약 40Å을 초과하지 않는 기공을 갖는 것보다 덜 바람직하다.
본 발명의 저장 및 분배 시스템에 사용된 흡착제는 목적하는 용도에 적용하기 위해 적절한 임의의 크기, 모양 및 구조를 가질 수 있으며, 특정 솔베이트 유체가 포함된다. 흡착제 물질은 예를 들어, 비드, 과립, 펠렛, 정제, 분말, 미립자, 압출물, 천 또는 웨브 형태의 물질, 벌집 모양의 매트릭스 단일체 및 복합물(흡착제와 기타 성분의 복합물)의 형태로 조제할 수 있다.
총괄적으로, 본 발명의 저장 및 전달 시스템은 기준 기체 실린더 및 실린더에 연결된 실린더 밸브 또는 기타 유동 분배 조립체(조절기, 모니터, 감지기, 유동 지향 장치, 압력 조절기, 질량 유동 조절기, 파이프, 밸브, 계기, 자동 개시 및 중단 장치 등)로 구성되고 탄소 흡착 물질을 보유하는 실린더를 포함하는 것이 유용하다. 저장 및 분배 용기에 흡착제를 적재한 후에, 실린더를 솔베이트 유체로 충전(예, 1기압 미만의 압력)시켜 생성물 저장 및 분배 시스템을 얻을 수 있다.
사용시, 압력차 탈착에 의한 본 발명의 저장 및 분배 시스템의 유체 흐름은 저장 및 전달 시스템의 내부 부피내의 압력과 흡착제를 함유하는 용기의 낮은 외부 압력사이의 압력의 차이를 이용하여 수행할 수 있다.
예를 들어, 흡착제를 함유하는 용기는 이온 주입 공정에 사용하기 위해 대기압 이하(예, 600 Torr)에서 포스핀과 같은 반응 기체를 보유할 수 있으며, 인 성분을 주입하는 인 주입 챔버는 진공 상태, 또는 대안적으로 낮은 압력(예, 100 Torr 미만) 및 저장 및 분배 용기의 내부 부피의 압력보다 낮은 압력을 유지한다. 결과적으로, 이온 주입 챔버와 솔베이트 포스핀 기체를 함유하는 저장 및 분배 용기사이에 상호 기류 교환이 생기면, 포스핀 기체는 용기내의 흡착제로부터 탈착되어 이온 주입 챔버로 흐르게 될 것이다. 따라서, 저장 및 분배 시스템은 파이프, 밸브 및 계기판을 연결시켜 포스핀 기체를 흐르게하고, 원하는 유동 속도로 조절할 수 있다. 질량 유동 조절기와 같은 장치를 사용하면, 흡착제 용기 압력의 감소시 연결된 분배 장치 내로 일정한 흐름이 생긴다.
추가적으로, 또는 대안적으로, 본 발명의 저장 및 분배 시스템의 유체 분배 조립체는 흡착 물질을 가열하는 장치를 포함할 수 있으며, 이는 분배 조립체를 통하여 솔베이트를 열적으로 탈착시킨다. 가열 수단은 임의의 적절한 열 전달 또는 열 교환 설비, 구조물 또는 장치를 포함하며, 이는 가열을 통하여 흡착 매체로부터 솔베이트를 열 탈착시키기 위한 것으로 흡착 물질과 관련되어 작동된다. 따라서, 본 발명은 유체가 저장된 흡착제로부터 동일한 솔베이트 유체를 열 및/또는 압력에 의해 분배시키기 위한 것이다.
도면을 참조하면, 도 1은 각각 예시용 탄소 흡착제(곡선 A, 데이터 포인트 표시 △) 및 제올라이트 5A 분자체(곡선 B, 데이터 포인트 표시 ■)에 대하여 압력(Torr)의 함수로서 흡착 물질 1리터당 적재된 아르신의 그램수로 도시된, 아르신 흡착 동온 그래프이다. 탄소 흡착 물질은 Kureha BAC-G-70R 탄소 물질이며, 하기 표 1과 같은 물리적 특성을 갖는다.
비드 탄소 흡착 물질
진밀도 1.9-2.1 g/ml
벌크 밀도 0.5-0.62 g/ml
표면적 800-1300 m2/g
CCl 활성 ＞=55%
발화점 400℃
자동 발화점(공기중) 400℃
회분 함량 ＜=0.5%
이용 가능한 입자 크기 0.4-0.7 mm
BAC-G-70R의 입자 크기 평균 0.7mm; ＞0.84 mm(25%); ＜ 0.59(5%)
수분 함량 ＜5%
제조 업체에서 원래 공급된 탄소를 탄소를 가열 및 진공시켜 추가로 비드 탄소 물질의 수분 함량을 0.01% 이하의 낮은 농도로 감소시킨다. 탄소 흡착제의 이러한 처리는 전술한 방법으로 얻은 탄소 물질상에 기타 바람직하지 않은 흡착된 불순물의 측면에서 유리하다.
도 2는 본 발명의 광범위한 실시에 유용한 표 1의 비드 탄소 흡착 물질(곡선 C) 및 일부 추가 예시의 시판되고 있는 활성화된 탄소 흡착제(곡선 D, E 및 F)에 대하여, 기공 크기(Å)의 함수로서 축적된 기공 부피(cm3/g)를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 곡선 C 비드 탄소 물질은 10 내지 10,000 Å의 기공 크기 범위에서 약 0.3 내지 약 0.7의 축적된 기공 부피를 갖는다. 곡선 D, E 및 F의 기타 탄소 흡착 물질은 더 광범위한 축적된 기공 부피를 갖는다.
일반적으로, 약 10 내지 1000Å 크기의 기공으로 이루어진 실질적인 부분, 바람직하게는 50% 이상을 갖는 흡착 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 흡착 물질이 주요 부분, 즉, 기공 부피의 50% 이상이 약 2Å 내지 100Å 직경의 기공으로 구성되는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 80% 이상, 가장 바람직하게는 흡착제의 거의 모든 기공 부피가 이 범위내에 있다.
바람직한 흡착 물질은 약 10 내지 20Å의 평균 기공 직경을 갖고, 주요 부분, 바람직하게는 80% 이상, 가장 바람직하게는 흡착제의 거의 모든 기공 부피가 이 직경 범위내에 있는 흡착제를 포함한다.
바람직한 흡착제는 흡착 물질 1 그램당 약 0.2 내지 약 2.0 cm3의 기공 부피(축적된 공극 부피)를 갖는 물질을 포함한다.
본 발명의 저압 저장 및 분배 시스템의 흡착제-함유 용기에서 내부 압력은 약 1200 Torr 미만이다. 바람직하게는 약 800 Torr 미만, 가장 바람직하게는 700 Torr 미만이다. 유체의 고압 용기가 지속적으로 상당한 위험을 수반하여 안전성 및 취급성에 문제가 있는 종래의 기술과는 대조적으로, 저장 및 분배 용기에서 흡착된 유체에 대기압 이하의 압력을 제공하는 본 발명은 주변 환경으로 솔베이트 유체가 누출되거나 다량 분산될 위험이 제거된다.
또 다른 특정 측면으로서, 본 발명은 높은 흡착제 적재 용량(Sorbent Loading Capacity), 높은 탈착 가능한 솔베이트의 백분율(Percent Desorbable Sorbate) 및 높은 흡착제 작동 용량(Sorbent Working Capacity)을 포함하여 전술한 광범위한 형태의 유체 저장 및 분배 시스템에 관한 것이다.
탈착 가능한 솔베이트의 백분율은 약 15% 이상, 바람직하게는 25%이상, 더 바람직하게는 50% 이상 및 가장 바람직하게는 60%의 범위내에 있다.
흡착 물질은 우선 적절하게 높은 속도로 솔베이트 유체를 흡수하고, 따라서 저장 및 분배 시스템이 유체 분배형으로 작동될 때 (1) 저장 및 분배 용기와 저압의 외부 장소 사이의 압력 차 및/또는 (2) 흡착제 가열에 따라 신속한 방법으로 이전에 흡착된 유체를 방출하는 특성을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 유체 저장 및 분배 시스템에 사용되는 바람직한 흡착 물질은 흡착 물질 1 그램당 약 0.1 내지 약 5.0 cm3,, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 2.0cm3의 기공 부피(축적된 공극 부피)를 갖는 물질을 포함한다.
매우 바람직한 물질은 약 2 내지 약 20Å의 평균 기공 직경을 가지며, 대부분의 기공 부피가 이 범위내에 있는데, 더 바람직하게는 80% 및 가장 바람직하게는 거의 모든 기공 부피가 이 범위내에 있는 흡착제를 포함한다.
본 발명의 광범위한 실시에 유용한 고성능 탄소 흡착제는 40 Torr 및 650 Torr에서 흡착 물질 1리터 당 아르신의 그램수로 아르신 기체(기준 유체)를 측정하여, 50 이상, 바람직하게는 100 이상, 더 바람직하게는 150 이상 및 가장 바람직하게는 200 이상의 흡착제 작동 용량, CW를 갖는 것들을 포함한다. 탈착 가능한 솔베이트의 백분율은 약 15% 이상, 바람직하게는 25% 이상, 더 바람직하게는 50% 이상 및 가장 바람직하게는 60% 이상의 범위내에 있다.
약 0.1 mm 내지 1cm 직경, 더 바람직하게는 약 0.25 내지 약 2 mm 직경의 대단히 균일한 구형을 갖는 비드 활성화된 탄소 물질은 본 발명의 실시에 상당히 유리하다. 본 발명의 실시에서 베드내에 흡착 입자의 충전 및 흡착 물질의 적재 밀도를 조정하기 위해서 흡착제 입자의 크기, 모양 및 기공 크기 분포를 독립적으로 상당히 다양하게 할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 유체 저장 및 분배 시스템에 유용한 흡착 물질은 파쇄된 또는 분쇄된 형태의 흡착 물질의 전술한 구조물뿐만 아니라, 비드, 과립, 펠렛, 정제, 분말, 미립자, 압출물, 천 또는 웨브 형태 물질, 벌집 모양의 매트릭스 단일체 및 복합물(흡착제와 기타 성분의 복합물)을 비롯하여 임의의 적절한 크기, 모양 및 구조를 가질 수 있다.
흡착 물질은 중합체(예, 미소다공성 테프론, 거대그물 중합체, 유리질 영역 중합체 등), 알루미늄 아인산염, 점토, 제올라이트, 다공성 실리콘, 벌집 모양의 매트릭스 물질, 탄소 물질 등을 비롯하여 임의의 적절한 물질을 포함할 수 있다.
가장 바람직한 흡착 물질은 제올라이트 물질 및 탄소 물질을 포함한다. 바람직한 탄소 흡착 물질중에서, 0.1 mm 내지 1cm 직경, 더 바람직하게는 약 0.25 내지 약 2 mm 직경의 대단히 균일한 구형을 갖는 비드 활성화된 탄소 물질이 가장 바람직하다.
특성화를 위해 기준 기체로 아르신을 다시 사용한 경우, 본 발명의 유체 저장 및 분배 시스템에 유용한 흡착 물질은 압력(Torr)의 함수로서 흡착제 1리터당 흡착된 아르신의 그램수로 측정된, 25℃에서 아르신 기체 흡착 등온선을 가지며, 하기와 같은 흡착 적재 특성을 갖는 물질이다.
압력(Torr) 최소한의 적재(흡착제 1리터당 아르신의 g수)
25 30
50 62
100 105
200 145
300 168
400 177
500 185
550 188
650 192
일반적으로 본 발명의 저장 및 분배 시스템에 사용되는 흡착물질은 흡착제상에 저장된 후 분배되는 흡착 유체에 대하여 가능한 한 높은 적재 특성을 갖는 것이 바람직하지만, 일부 경우에 과도하게 높은 흡착제 적재 용량은 저장 및 분배 시스템의 제조시 흡착열 측면에서 불리하다. 흡착제 상에 흡착 가능한 유체의 흡착은 일반적으로 발열과정이며, 아르신 및 포스핀과 같은 기체의 경우, 흡착제상에 기체의 충전율에 따른 발열은 약 100βC이상의 범위내로 온도 상승을 수반한다. 따라서, 이후 분배시키기 위해 흡착 매체에 저장된 초기 유체의 적재 과정에서 다량의 흡착열 효과를 수반하지 않는 범위내의 고 흡착 용량을 갖는 흡착 매체를 이용하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 실시에 유용한 흡착 물질은 압력(Torr)의 함수로서 흡착제 1리터당 흡착된 아르신의 그램수로 측정된, 25℃의 아르신 기체의 흡착 등온선을 갖는 물질을 포함하며, 도 1에서 G1및 G0곡선사이의 흡착 등온 범위내에 있는 물질이다. 이러한 흡착 물질은 하기와 같은 흡착 적재 특성을 갖는다.
압력(Torr) 적재(흡착제 1리터당 아르신의 그램수)
25 30-106
50 62-138
100 105-185
200 145-232
300 168-263
400 177-288
500 185-308
550 188-315
650 192-330
본 발명의 유체 저장 및 분배 시스템에 유용한 탄소 흡착 물질은 압력(Torr)의 함수로서 흡착제 1리터당 흡착된 아르신의 그램수로 측정된, 25℃에서 아르신 기체 흡착 등온선을 갖는 탄소 물질로, 하기와 같은 흡착 적재 특성을 갖는다:
압력(Torr) 최소한의 적재(흡착제 1리터당 아르신의 그램수)
25 35
50 75
100 100
200 160
300 200
400 225
500 240
550 250
650 ~300
적절한 탄소 흡착 물질은 예를 들어 25℃에서 하기와 같은 적재 특성을 갖는 것이다.
압력(Torr) 적재(흡착제 1리터당 아르신의 그램수)
25 35-60
50 75-100
100 100-115
200 160-175
300 200-220
400 225-245
500 240-260
550 250-275
650 260-300
본 발명의 광범위한 실시에 유용한 매우 바람직한 탄소 흡착 물질은 압력(Torr)의 함수로서 흡착제 1리터당 흡착된 아르신의 그램수로 측정된, 25℃의 아르신 기체의 흡착 등온선을 갖는 물질을 포함하며, 도 1에서 곡선 A의 흡착 등온 특성을 갖는다.
본 발명의 광범위한 실시에서 흡착제의 기공 크기, 기공 부피 및 표면적은 다양하며, 당업자들은 표면적 및 다공성 측정(예, 수은 다공 측정 기술) 및 사용가능한 특정 흡착 물질로 부터 저장 및 분배되는 특정 유체를 위한 친화성 연구를 이용하여 과도한 실험없이 본 발명의 저장 및 분배 시스템의 주어진 최종 용도을 위한 적절한 흡착제 특성을 결정할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 흡착 물질 및 특정 솔베이트 기체에 대한 동온선은 일반적으로 주어진 압력에서 제거가능한 솔베이트의 양을 예상하는데 이용된다. 이는 물리적으로 흡착되어 있는 유체 종류의 흡착/탈착 공정의 가역성 때문이다. 예를 들어, 아르신 유체 상에 흡착 물질이 흡착되는 경우, 곡선 A의 비드 탄소 흡착 물질은 650 Torr의 압력에서 100 Torr의 압력으로 감소시키면 탈착되고, 등온점으로부터 흡착 물질 1리터당 140 그램(275그램 - 135그램 = 140 그램)의 아르신이 탈착될 것이 예상된다. 대조적으로, 동일한 압력 차이에서 탈착된 경우 제올라이트 5A 분자체는 솔베이트 유체 87.5g (215그램-127.5그램 =87.5그램)만이 탈착된다.
그러므로, 650 Torr 내지 100 Torr의 특정 압력 범위에서 조작되는 본 발명의 저장 및 분배 시스템에서 탄소 흡착제로부터 회수할 수 있는 솔베이트의 양은 종래의 제올라이트 5A 물질 저장 및 분배 시스템에서보다 60% 높다. 따라서, 본 발명의 광범위한 실시에서 탄소 흡착 물질의 성능을 대표하는 도 1의 곡선 A의 탄소 흡착 물질의 성능은 분배를 위해 흡착 물질로부터 솔베이트 유체를 탈착시키는 능력에서 놀랍고 예상치 못했던 개선을 이루었다.
도 3은 본 발명의 실시태양에 따른 저장 및 전달 시스템의 개략적인 대표도이다.
도 3에 나타난 개략적인 저장 및 전달 시스템에서, 기체 저장 실린더(10)는 적절한 물리적 흡착 물질(예, 전술한 형태의 비드 활성화된 탄소 물리적 흡착 매체)의 베드(17)로 충전되어 제공된다. 기체 실린더(10)는 흡착 물질의 표면(흡착 매체의 외부 표면 뿐만 아니라 기공 포함)에 물리적으로 흡착되어 있는 기체 성분(예, 아르신, 또는 포스핀)을 함유하는 흡착 물질과 함께 흡착물질의 베드(17)를 포함한다.
실린더(10)는 실린더(10)로부터 방출되는 기체를 조절하기 위한 실린더 밸브(14) 및 매니폴드(12)와 상호 전달되도록 실린더(10) 부근에서 선택적으로 작용하는 기체 실린더 분리 밸브(16)의 상류에 위치한 매니폴드(12)로 연결된다.
매니폴드에는 분지 조립기(branch fitting)(18)가 있으며, 매니폴드를 불활성 기체 퍼지 분리 밸브(22)가 있는 분지 퍼지 라인(20)과 기류를 교환하면서 결합되어 있는 매니폴드(12)에 의해, 실린더(10)로부터 기체의 활성 작동 전달 이전에 매니폴드를 불활성 기체로 세정할 수 있다.
매니폴드는 조립기(18)의 하류에 2개의 연속적인 기체 필터(28 및 30)을 포함하며, 이 필터 중간에는 예를 들어 약 0 내지 약 25 psia 범위의 작동 압력을 갖는 압력 변환기(32)를 놓는다.
매니폴드(12)는 우회 분리 밸브(38)가 있는 우회 도관(36)과 결합되어 있는 조립기(34)를 갖는 하류의 기체 필터(30)로 연결된다. 이음쇠(34)의 매니폴드(12)하류는 기체 흐름 온-오프 밸브(40)를 포함하고, 이의 하류에는 매니폴드(12)를 통해 분배되는 기체의 유속을 조절하기 위한 질량 유동 조절기(42)를 위치시킨다. 질량 유동 조절기(42)의 하류 말단에서, 매니폴드(12)는 연결 이음쇠(44)에 의해서 유동 조절 밸브(48)로 이어지는 분배선(46)과 결합되어 연결되어 있으며, 또한 결합 조립기(50)를 통하여 우회선(36)과 기류를 교환하면서 연결되어 있다. 배출 라인(46)은 성분(52)로 표시되어 있는 이온 공급원 발생 수단과 연결되어 있는 것으로 나타나 있다. 배출 라인(46)의 다른 말단(54)은 도 3의 저장 및 전달 시스템 장치의 주어진 목적에 사용하기 바람직하거나 또는 필요한, 또 다른 기체 분배 수단과 기류를 교환하면서 적절히 연결될 수 있다.
도시된 바와 같이, 도 3의 실시태양에서 저장 및 분배 용기(10)의 선택적인 특징은 흡착 물질의 베드(17)를 통해 수직 상향으로 연장되는 열 교환 통로(11)이다. 열 교환 통로는 각각 아래 및 위의 말단이 열 교환 유체 공급 유입 라인(13) 및 열 교환 유체 유출 배출 라인(15)과 연결되어 있다. 열 교환 유체 공급 유입 라인(13)은 용기(10)로부터 유체를 분배시키고자 할 때 흡착물질의 베드(17)를 선택적으로 가열시키는 버어너, 저항 가열기, 또는 기타 가열 수단과 관련된 열 교환 유체의 적절한 공급원(도시되지 않음)에 차례로 연결되어 있다. 따라서, 공급 유입선(13), 열 교환 통로(11) 및 유체 유출 방출선(15)의 열 교환 회로의 순환(예, 펌프 및 저장 수단, 도시되지 않음)을 통하여 적절한 열 교환 유체를 통과시켜 열 탈착이 일어날 수 있다. 가열 수단은 베드(17)내의 흡착 매체를 가열하여 열적 보조에 의한 탈착이 일어나기에 충분한 온도로 상승시키는 작용을 한다.
도 3에 나타난 개략적인 배열에서, 솔베이트 유체의 열적 보조에 의한 탈착 및 분배는 솔베이트 유체의 압력 차에 의한 분배를 대체하거나, 또는 함께 수행되며, 특정 탈착 방식의 선택은 당업자들에 의해 과도한 실험 없이 선택 및/또는 결정할 수 있다.
본 발명의 저장 및 분배 시스템의 제조에서, 이 후 용기에서 수행되는 저장 및 분배 조작에 불리한 효과를 줄 수 있는 임의의 불순물 또는 용기의 벽의 배기 가스류와 같은 종류가 존재하지 않도록 필요에 따라 저장 및 분배 용기를 청결하게 한다. 이를 위하여, 가열, 용매 탈지, 또는 용기 및 그 내부 표면을 클리닝, 제거 또는 처리하는 단계를 수행함으로써, 나중에 흡착 물질을 설치하기에 적합한 깨끗한 용기를 제공하는 것이 바람직하다.
이어서, 흡착 물질을 저장 및 분배 용기의 내부 부피내로 적재하고, 용기를 최종 조립 및 밀봉한다. 흡착 매체의 흡착 용량이 최대가 되도록 하기 위해, 흡착 물질을 용기내로 유입시키기 전에 세척 및 가공 처리할 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 흡착 매체는 최대 흡착 용량을 유지하기 위해서 원위치에서 가공 처리하거나 클리닝할 수 있는데, 예를 들면, 외래의 솔베이트류의 흡착 물질을 탈착 및 클리닝하기에 충분히 상승된 온도 및 충분한 시간으로 흡착제를 포함하는 용기를 가열하는 방법이 있다. 예를 들면, 용기는 적절한 진공 펌프 또는 기타 진공 수단을 사용하여 확대된 시간(예, 48 시간)동안, 적절히 상승된 온도(예, 200-400℃)에서 배기(탈기)시킨다. 배기 후에, 용기는 적절한 시간(예, ~6-12 시간)동안 실온으로 냉각시킨다.
배기 및 탈기 과정 후에, 배기된 흡착 용기는 솔베이트 유체 충전 매니폴드로 연결된다. 유체 종류의 흡착은 흡착 열에 의해 상당한 발열과정을 포함할 수 있으며, 따라서 용기 및 흡착 물질은 흡착 물질에 의한 초기 포집 후에 열에 의해 솔베이트 유체가 탈착되지 않도록 적절한 온도를 유지하는 것이 바람직하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
대략적인 등온 조건을 유지하기 위해서, 실린더는 예를 들어 25℃의 항온에서 유지되는 수성 에틸렌 글리콜과 같은 열적 밸러스트 액체상에 침지시킬 수 있다.
솔베이트 유체 충전 매니폴드는 충전 매니폴드를 통과하는 흐름에 존재할 수 있는 비-응축 기체를 제거하기 위해서 적절하게 낮은 압력(예, 10-3Torr 미만)에서 솔베이트 유체 분배전에 솔베이트 유체를 배기시킬 수 있다. 배기 후에, 탄소 흡착제 함유 용기는 원하는 압력에 도달할 때까지 적절한 속도에서 솔베이트 유체로 충전된다. 효율을 위해서, 충전 조작 과정에서 적절한 압력 모니터 또는 기타(변환기계) 감지 수단을 사용하여 용기의 압력을 모니터하는 것이 바람직하다.
충전 과정에서, 용기 및 열 밸러스트 탱크의 온도는 공정 조절을 위하여 솔베이트 유체 온도에 따라 독립적으로 모니터된다. 압력은 충전 과정의 최종점에서 측정하여 모니터한다.
단계 중에 용기를 솔베이트 유체로 충전시킨 후, 온도 효과가 주변 온도 또는 전술한 열 밸러스트 액체와 같은 열 전달 매체로 최소한 부분적으로 소산되도록 하는 것이 바람직하다.
대안적으로, 특정 압력에서 용기를 충전시킨 후, 흡착 베드 및 관련된 용기의 최종 온도 및 압력 조건으로 용기를 냉각시키는 것이 적합하다.
따라서, 그 내분의 흡착 물질에 의해 포집되도록 솔베이트 유체를 용기내로 유입시키기 위해, 솔베이트 유체의 용량 충전 및 연속 충전을 수행할 수 있다. 충전 순서에 이어서, 용기를 충전 매니폴드로부터 제거한 후, 분배 용도를 위해서 파이프, 커플링 및 분배 회로로 부착시켜 용기를 수송, 저장 또는 배열할 수 있다.
도 4는 시간(시)의 함수로서 실린더의 압력(Torr)을 도시한 것으로, 아르신 충전 조작을 종결한 후에 본 발명에 따른 저장 및 분배 시스템의 탄소 흡착제상에 아르신 기체의 압력 붕괴를 그래프로 보여준다. 도시된 보는 바와 같이, 흡착제 함유 용기내의 압력은 750 Torr의 초기 압력(0 시간) 에서 688 Torr(10시간 후) 압력으로 붕괴된다.
도 4의 플롯은 아르신 충전 조작 결과 용기내에 존재하는 비평형상태를 보여준다. 이런 점에서, 흡착 효과의 열은 (냉각후 최종 평형상태 압력 수준과 비교하여)비교적 높은 압력을 발생시켰다. 후속된 압력 저하는 흡착제 베드 및 상기 충전 조작 종료후의 용기의 냉각에 기인한 것이다. 따라서, 열의 흡착 효과가 분산된 후에, 충전 단계후 저장 및 분배 용기 내에서의 압력 수준을 평가하는 것이 적당하다.
도 5는 본 발명에 따른 아르신 저장 및 분배 시스템에 대한 시간 함수(h)로서, 압력 붕괴율(Torr/시)을 플롯한 것이며, 충전후 압력 특징은 도 4에 도시하였다. 도 5는 붕괴율 곡선을 나타내며, 이는 도 4에서 도시된 곡선으로부터 유도된 것으로 결정된다. 도 5의 붕괴율 곡선은 약 2 시간 후 붕괴율이 0에 근접함에 따라 저장 및 분배 용기 내에서의 압력 변동이 안정한 수준으로 낮아진다는 것을 보여준다.
또한, 도 4 및 도 5의 플롯은 솔베이트 기체 충전 후 상기 저장 및 분배 용기내의 압력은 증가하지 않고 감소하였음을 나타내며, 이로부터 아르신 솔베이트 물질은 상기 용기내 원위치에서 분해되지 않는다는 것을 추론할 수 있다. 이는 흡착 물질이 아르신과 같은 솔베이트 기체의 분해를 매개하거나 또는 촉진하는 데 사용될 수 있는 불순물 또는 미량 성분류를 함유할 수 있다는 점에서 중요하다.
아르신 또는 기타 솔베이트 기체류의 과도한 분해를 제거하기 위해, 본 발명의 실시를 위한 탄소 흡착 매체는, 예를 들면 물, 금속 및 산화 전이 금속 종(예, 산화물, 아황화물 및/또는 질산염)으로 구성된 군중에서 선택된 미량 성분을, 상기 저장 및 분배 용기내에 솔베이트 유체를 분해시키는 데 충분하게 함유하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명의 저장 및 분배 시스템내에서, 상기 탄소 흡착 물질상에서의 물 및 산화 전이 금속류로 이루어진 군으로부터 선택된 미량 성분류의 농도(탄소 흡착제 물질의 중량을 기준함)는 25℃ 및 상기 내부 압력에서 1 년 후 상기 솔베이트 유체 중량의 5%이상, 바람직하게는 1%이상을 분해하기에 불충분한 것이 바람직하다.
이 표준은 물, 금속 및 산화 전이 금속류(예, 산화물, 아황화물 및/또는 질산염)의 존재하에서 분해하기 쉬운 예를 들면, 수화물(예, 아르신, 포스핀 등)과 같은 솔베이트 유체를 상기 종류에 대하여 실질적으로 노출되지 않도록 유지함으로써, 상당 수준의 솔베이트 기체 분해 및 이로 인한 압력 상승 문제의 발생을 방지한다.
물, 금속 및 산화 전이 금속류로 이루어진 군으로부터 선택된 미량 성분의 농도(탄소 흡착제 물질의 중량 기준)는 저장 및 분배 용기내에서 25℃, 1 주일 후의 내부 압력을 25%이상 상승, 바람직하게는 10%이상 상승시키는 상기 솔베이트 유체의 분해를 일으키는 데 불충분한 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예 사용되는 탄소 흡착제 물질은 탄소 흡착제 매체의 중량을 기준으로 물 및 산화 전이 금속류로 이루어진 미량 성분을 350ppm 미만, 바람직하게는 100ppm미만, 더 바람직하게는 10ppm 이상, 가장 바람직하게는 1ppm미만을 함유하는 탄소 물질을 포함한다.
도 6은 저장 및 분배 용기 압력(Torr)의 함수로서 비드 탄소 흡착 물질상에 아르신의 적재(g/리터)를 플롯한 아르신 흡착 등온선을 도시한 것이다. 도 1의 아르신 흡착 등온선(곡선 A)과 거의 동일한 형태를 갖는 흡착 등온선으로부터, 40 Torr 및 650 Torr에서 아르신 기체에 대하여 측정한 흡착제 작동 용량(Sorbent Working Capacity), CW는 (278-70=)208 아르신 g/흡착제 ℓ이며, CW는 하기와 같이 측정한다:
CW=(650 Torr 및 25℃에서 흡착제 1리터 상에 아르신 기체의 중량(g))-(50 Torr 및 25℃에서 흡착제 1리터 상에 아르신 기체의 중량(g))
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시에 바람직한 탄소 흡착 매체는 도 1의 곡선 A의 흡착 등온선과 유사한 모양의 아르신(기체 솔베이트 종의 측정 기준) 흡착 등온선을 갖는 흡착제를 포함하며, 도 6에 나타난 흡착 등온선 모양도 이에 포함된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 저장 및 분배 시스템(200)의 투시 개략도이다.
도시된 바와 같이, 저장 및 분배 시스템(200)은 실린더에 밸브 헤드(206)를 위한 수동 작동기(208)를 비롯하여 분배 조립체의 일부분을 포함하는 밸브헤드(206)의 하부에 연결되어 있는 저장 및 분배 용기(204)를 포함한다. 밸브 헤드는 압력 변환기(214), 분배 조립체를 불활성 기체로 세정하기 위한 불활성 세정 유니트(216), 분배 조작시 분배관(212)을 통과하는 유속을 일정하게 하기 위한 질량 유동 조절(220) 및 분배 조립체로부터 분배된 기체를 방출하기 전에 미립자를 제거하기 위한 필터(222)를 갖는 분배관(212)과 커플링(210)에 의해서 결합된다.
분배 조립체는 탈착된 유체의 사용 장소와 관련된 하류 파이프, 밸브 또는 기타 구조물을 분배 조립체에 결합시키기 위한 커플링(224)을 추가로 포함한다.
도 8은 본 발명의 실시태양에 따라 분배된 기체를 이온 주입에 사용하기 위한 기체 전달용 저장 및 분배 배열을 포함하는 공정 시스템(300)이다.
도시된 바와 같이, 장치는 수동 밸브 작동기 휠(306)이 결합되어 있는 그것의 상부 말단(304)와 연결된 저장 및 분배 용기(302)를 포함한다. 밸브 헤드는 VCR 필터 가스켓(308)에 결합되어 있고, 차례로 유동관(312)과 결합되어 있다. 유동관(312)은 체크 밸브(314) 및 질소 세정 유입구 뿐만 아니라 압력 변환기(310)와 연결된다. 질소 세정 유입구는 용기(302)로부터 기체를 분배시키는 분배 조립체의 소재를 위해 질소 또는 기타 세정 기체를 유입시키는데 사용된다.
유동관(312)에는 추가로 유동 조절 밸브(307), 스팬 게이지(320), 유동 조절기(322) 및 유동 조절 밸브(309)가 있다. 유동관(312)은 또한 우회 밸브(324)를 갖는 우회관(325)에 흐름 회로 형성 관계로 결합되어 있다. 유동관(312)는 도시된 바와 같이 오른쪽 말단에 기체 박스 매니폴드관(326)과 연결되어 있다. 관(326)은 내부에 위치한 밸브(311)를 포함하고, 저장 및 분배 시스템을 이온 주입 챔버와 연결하기 위해서 기체 박스 매니폴드와 연결된 말단 반대편에 커플링(330)을 갖는다.
조작시, 기체는 유동 조절기(322)에 의해 조절 가능한 속도로 조절하면서, 저장 및 분배 용기(302)내의 흡착 베드(도시되지 않음)에서 유동관(312)으로, 기체 박스 매니폴드관(326)에서 이온 주입 챔버로 흐르게한다. 압력 변환기(310)는 적절한 방법으로 이온 주입을 위한 기체 분배를 수행하기 위해서 유동관내의 기타 구성 요소(예, 밸브) 뿐만 아니라 유동 조절기(322)와 커플링되어 조작할 수 있다.
도 9는 용기의 내부 구조를 보여주는 도 8의 저장 및 분배 용기(302)의 투시 단면도이다.
도시된 바와 같이, 용기(302)는 내부 부피(352)를 둘러싸고, 내부에 미립 흡착 물질(350)을 갖는 벽(346)을 포함한다. 용기의 상단부에서, 밸브 헤드(304)가 결합된 포트는 흡착제 물질의 베드로부터의 미립자 고체가 분배 기체내에 포집되는 것을 막도록 다공성 중심관(360) 또는 기타 유공성 또는 기체-투과성 구조를 갖는 것이 특징이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 저온 펌핑 저장 및 전달 시스템 장치의 개략 투시도이다.
본 발명의 유체 저장 및 분배 시스템은 탈착된 솔베이트 기체의 사용 장소가 진공 또는 상당한 저압인 이온 주입과 같은 저압 분배 적용에 관하여 전술하였지만, 본 발명의 유용성은 이에 한정되는 것은 아니며, 대기압보다 높은 압력에서 하류 사용 지점으로 솔베이트 기체를 제공해야 하는 저장 및 분배 용기도 포함한다.
저장 및 분배 시스템의 흡착제 함유 용기로부터의 방출 압력 보다 높은 압력에서 사용하기 위한 기체를 제공하기를 원하는 경우, 각종 압력 형성관, 압력화 장비, 또는 기타 수단 및 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 벤튜리관 펌프는 실린더 헤드(분배될 기체와 결합된 흡착제를 함유하는 실린더의 헤드)에서 상기 선택한 압력으로 공급된 기체의 압력을 상승시키기 위해서 제공될 수 있다. 벤트리 펌프 배열은 선택된 고압으로 분배된 기체를 제공하지만, 이 배열은 운반 기체가 실린더로부터 분배시킨 기체를 포집하기 때문에 운반 기체가 함께 기체를 희석시킨다.
운반 기체 희석 효과는 일부의 경우에는 만족스럽지만, 일부 사용에서는(예, 고순도의 니트(neat) 기체를 저장 및 분배 시스템으로부터 공급하고자 할 때) 전체 공정 시스템상에 상당한 제약을 나타낼 수 있다. 기계적인 펌프를 벤튜리 펌프 수단 대신에 사용할 수 있으나, 기계적인 펌프는 상당한 수의 가동부를 갖는 불리함이 있으며, 이는 펌프내에 미립자 형성 및/또는 기체류내의 윤활제 포집과 관련된 문제를 일으킨다. 또 이들은 일부 사용에서 상당한 부수 효과를 나타낼 수 있으나, 다른 경우에는 공급된 기체가 고순도 및 미립자 또는 기타 외래성 물질이 없는 상태를 유지해야 한다.
저장 및 분배 시스템에서 공급된 기체는 고순도, 니트 조건, 저장 및 전달 시스템에서의 저온 펌프 조립체 설비에서 고압으로 제공되어야 한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 저온 펌핑 저장 및 전달 시스템 장치(400)의 개략 투시도이다.
저온 펌핑 시스템에서, 주요 실린더(402)는 분배될 적절한 솔베이트 기체를 적재한 적절한 탄소 흡착 물질(도시되지 않음)을 포함한다. 실린더(402)는 주 실린더 밸브(406)를 포함하는 밸브 헤드 조립체(404)가 장착되어 있으며, 분배 공정을 개시할 때 "오프"위치에 있다.
밸브 헤드(404)는 분리 밸브(410), 질량 유동 조절기(412), 분리 밸브(414) 및 저온 펌프(416)를 포함하는 관(408)에 결합되어 있다. 관(408)은 분리 밸브(418 및 422) 및 하류 공정 시스템으로 결합될 수 있는 방출 포트(434)가 있는 생성물 분배 조절기 조립체(430)를 포함하는 관(409)에 차례로 커플링된다. 매체 압력 저장 용기(420)는 관(409)에 결합되어 있다.
관(408)에 결합되어 있는 저온 펌프(416)는 액체 질소(또는 기타 적절한 저온 액체 및 유체) 유입구(428) 및 액체 질소 방출구(426)를 제공하며, 액체 저온제 흐름 통로는 도시한 바와 같이 가열 부품(424)에 의해 순환되는 유입구(428) 및 방출구(426)의 중간에 제공된다. 저온 펌프의 액체 저온제 유입구 및 방출구는 액체 한제의 공급원(예를 들어, 저온 공기 분리 설치, 또는 액체 질소 또는 기타 냉각제의 저온 실린더 공급원)에 적절하게 결합될 수 있다. 따라서 저온 펌프는 저온트랩을 형성한다. 저온 펌프의 방출구는 분리 밸브(422)를 제공하며, 매체 압력 실린더(420)는 분리 밸브(422)에 의해 분리가능하다.
압력 변환기(411)은 관(408)에 제공되고 실린더의 압력을 모니터하고 분리 밸브(418)을 확실하게 조정하기 위해서 실린더(402)에 대해 압력 모니터에 관계를 가지면서 결합되어 있다.
도 10에 개략적으로 도시된 저장 및 전달 시스템의 조작은 적절하게 상승된 압력에서 실린더(402)의 탄소 흡착제에 흡착되고 전달되는 기체로서 사용한 실란 및 저온 펌프(416)에 작동 유체로 사용된 저온제로서의 질소에 대하여 하기에 예시되어 있다. 실란은 비등점이 -111.5℃이고 융점이 -185℃이며, 질소는 비등점이 -195.8 ℃이다.
실란은 적절하게 상승된 압력에서 전달하기가 어렵기 때문에(더 높은 비등점 및 빙점을 갖는 아르신과 같은 기타 수화물 기체에 비하여 어려움, 따라서 저온제 냉각이 덜 필요한 경우 더 용이하게 저온 펌프될 수 있음) 예시용으로 선택하였다.
페쇄된 밸브(418 및 422) 및 진공하에서, 개시 밸브(410, 414 및 406)가 개방되면, 공급 실린더(402)내에 상대적으로 낮은 내부 압력이 존재하여도 저온 펌프의 온도는 액체 질소 온도로 낮아지고, 실란은 저온 펌프에서 응축 및 동결될 것이다.
질량 유동 조절기(412)는 저온 펌프(416)로 전달되는 기체의 양을 정확하게 측정할 수 있게 한다. 저온 펌프의 과압을 피하는 것이 바람직하기 때문에 정확한 측정이 중요하다. 조작 조건에서, 실란은 임계 온도 위에 존재함으로 저온 펌프내의 궁극적인 압력은 매우 높아질 가능성이 있다.
기체의 정확한 양을 저온 펌프(416)에 전달한 후에, 밸브(410 및 414)를 페쇄한다. 이어서 응축된 실란을 주변 온도 부근으로 가온시킨다. 가열은 가열 수단(424)에 의해 수행하며, 가열 수단은 그 실시태양에서 보여지는 바와 같이 밴드 가열기를 포함하나, 이를 위한 임의의 적절한 가열 수단일 수도 있다. 가열로 인하여 실란 기체의 분해가 발생하고 결과적으로 순도 및 추가의 안전성에 역효과를 주기 때문에 실란 기체는 고온으로 가열하지 않으며, 따라서 분배될 생성 기체의 안전성 및 순도가 증가된다.
저온 펌프를 실시한 후 실란 기체의 압력은 상당히 상승되며, 기체는 고순도 상태로 다수의 이동부를 갖는 기계적인 펌프에 노출되지 않고 효과적으로 압축되며, 저온 펌프를 사용하지 않은 경우는 생성 기체에 오염을 일으킨다.
총 시스템내의 기체의 종류는 이 지점에서 매우 작으며, 대부분의 실란은 저압에서 흡착 용기(실린더(402))내에 존재한다.
개방 밸브(418)는 매체 압력 실린더(420)내로 기체를 흐르게한다; 조절기 조립체(430)와 관련된 모니터 수단(예, 유동 압력)에 의해서 모니터할 때 밸브(422)가 개방되면 생성 실란 기체가 배출 포트(434)를 통하여 하류 공정으로 흐른다. 조절기 조립체(430)는 기타 밸브 및 저온 펌프 성분과 전체 시스템에서 결합될 수 있는 압력 변환기(432)와 연관되어 있으므로, 생성 기체는 선택된 압력 및 부피 유속에서 전달된다.
상응하여, 각종 밸브, 질량 유동 조절기, 저온 펌프, 변환기 및 조절기는 조절 가능하고 재생가능한 방법으로 실란 또는 기타 솔베이트 기체를 필요에 따라 전달하기 위해서 임의의 적절한 공정(예, 회로 타이머) 및 공정 안전 시스템으로 상호 연결되어 작동될 수 있다.
따라서, 도 10에 개략적으로 도시된 시스템의 조작은 하류 공정 흐름을 분열시키거나 방해하는 것을 피하기 위해서 시간을 조절한다. 저온 펌프내에 질량 유동 조절기 및 압력 변환기 및 매체 압력 탱크로부터의 신호는 자동화된 공정 시스템에서 사용될 수 있다. 조절기의 방출구에서 일정한 압력을 유지하기 위해 기체를 저장 및 분배 시스템에서 매체 압력 실린더(420)로 이동시키도록 저온 펌프를 순환시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 따른 저장 및 분배 시스템(502)의 성능을 평가하기 위한 전달 측정 장치(500)의 개략도이다. 저장 및 분배 시스템(502)은 흡착 물질(도시되지 않음)을 포함하는 저장 및 분배 용기(504) 및 도시된 바와 같이 위치하고 배열된 실린더 밸브(506), 기체 실린더 분리 밸브(508) 및 (0-1000 Torr) 압력 변환기(510)밸브가 있는 배출 유동 라인(512)을 포함한다.
라인(512)은 불활성 퍼지 가스 공급원(514)에 연결된 불활성 퍼지 분리 밸브(520)가 있는 불활성 기체 퍼지 라인(518)이 결합된 T-연결기(516)를 갖는 연결선(522)에 적절한 연결 수단으로 연결되어 있다. 또한 라인(512)은 연결 라인(522)내에 일정한 압력 및 유속을 유지하기 위해서 질량 유동 조절기(524)를 포함한다. 라인(512)내의 기체 온/오프 밸브(526)는 라인(522)를 통하여 연결 수단에 의해서 연결된 라인(530)으로 기체를 선택적으로 흐르게 한다.
라인(530)의 한 단부는 배기 시스템(538)에, 반대편 단부는 액체 질소 냉각된 수용 용기(534)에 연결되어 있다. 각 단부의 중간에는 예시한 바와 같이 밸브(536 및 532)가 놓여 있다.
도 11에 나타난 전달 측정 장치는 질량 유동 조절기(524)에 의해 조절된 속도로 저장 및 분배 용기(504)외로 솔베이트 유체를 흐르게 한다. 이어서 탈착되고 분배된 기체는 라인(512, 522 및 530)을 통하여 용기로 흐른 후, 전체 시스템의 각 라인에서 적절하게 폐쇄/개방 설치된 적절한 밸브에 의해 액체 질소 냉각된 수용 용기(534)에서 수집된다.
액체 질소 온도에서, 솔베이트 기체의 증기압은 거의 0 Torr이며, 낮은 저장 및 분배 압력에서 탄소 흡착 매체로부터 솔베이트 유체를 탈착시킨다. 이 실험은 전형적으로 시험 용기(504)가 ~50 Torr 범위의 압력내에 있을 때까지 수행한다. 이 지점은 질량 유동 조절기를 통하여, 적절한 유속(~5 sccm)을 유지하기 위한 압력 차이로는 불충분하다.
용기(504)로부터 냉각된 수용기(534)로 흐르는 솔베이트 유체의 양은 질량 유동을 각각 합하고(유동 조절기 (524) 사용) 흡착이 수행되기 전후에 저장 및 분배 용기(504)의 중량을 측정하여 결정한다.
도 11의 전달 측정 시스템을 사용한 실험에서, 표 1의 특성을 갖는 탄소 물질을 흡착제로 포함하는 저장 및 분배 용기로부터 아르신 기체를 분배한다. 실험의 결과는 하기 표 2에 나타나있다.
비드 활성화된 탄소로부터의 아르신 탈착 용량
질량 유동 조절기 측정에 의한 탈착 용량 흡착제 1 리터당 아르신 132 g
중량 차이 측정에 의한 탈착 용량 흡착제 1 리터당 아르신 166 g
탈착 후 흡착 용량 흡착제 1 리터당 아르신 167 g
전술한 흡착/탈착 용량 데이터는 5A 분자체와 같은 전형적인 분자체 흡착 물질을 이용한 해당 저장 및 전달 시스템에 비하여 약 2배 개선된 것이며, 추가로 종래 기술에 비하여 실질적이고 기대하지 않은 특징을 추가로 입증하고 있다.
도 12는 흡착 물질로 5A 분자체(곡선 M, 데이터 포인트 표시 △)를 포함하는 저장 및 전달 시스템 및 흡착 물질로 비드 활성화된 탄소(곡선 N, 데이터 포인트 표시 □)를 포함하는 저장 및 분배 시스템의 성능 그래프이며, 저장 및 분배 용기의 압력을 1 기준 cm3아르신/분의 유속으로 작동하는 시간의 함수로 나타낸다. 이 곡선은 일정한 1 sccm 아르신 분배 유속에서, 비드 활성화된 탄소(곡선 N)을 포함하는 저장 및 분배 시스템은 분배 수명을 거의 2000 시간으로 개선시키며, 곡선 M의 저장 및 분배 시스템은 거의 1000 시간의 분배 수명을 갖는다.
본 발명의 저장 및 전달 시스템 장치 및 방법은 흡착 가능한 기체를 저장 및 분배하기 위해서 고압의 기체 실린더를 사용하는 현 방법에 대안으로서 상당한 안전성을 제공한다. 본 발명은 흡착가능한 유체를 0 psig에서 실린더 또는 기타 용기로부터 수송, 저장 및 전달할 수 있는 용량을 제공한다.
본 발명의 실시에서 소위 말하는 열 보조된 전달은 흡착 물질의 적은 가열로도 탈착 기체의 전달 속도를 증가시켜서 유속이 500 sccm 이상까지 도달하게 할 수 있다. 그럼에도 불구하고 본 발명의 실시에서는 흡착제 용기와 감압된 외부 분배 장소(예, 이온 주입 챔버, 분자 빔 적층 성장 유니트, 또는 화학적 증기 분해 반응조와 같은 반도체 또는 기타 산업, 또는 제조 공정 시설) 사이에 존재하는 압력 차이에 의한 단열적 조작(솔베이트-적재된 흡착 매체로 가열 또는 열 에너지의 보조적인 유입이 없음)만으로 고속으로 기체를 전달한다.
본 발명의 장치는 예를 들어 기체 캐비닛내에 본 발명의 하나 이상의 저장 및 분배 시스템을 갖는 일원화된 장치 형태를 제공한다. 다수의 흡착 용기를 포함하는 이 기체 캐비닛 배열에서, 각 용기는 하나 이상의 용기로부터 솔베이트 기체를 선택적으로 전달하기 위해서 매니폴드될 수 있다. 캐비닛은 용기 및/또는 기타 기체 캐비닛의 내부 성분이 과열되는 것을 방지하기 위해서 독립적인 열전쌍, 또는 기타 온도 감지기/모니터 장치 및 성분을 추가로 포함한다.
이 기체 캐비닛은 용기 및 그 내부의 흡착제를 선택적으로 가열 증가시키는 가용성이 있는 가열기 부품; 살수기; 배기 열 감지기; 독성 기체가 감지되면 장치를 정지시키는 기능을 하는 독성 기체 감지기; 세정기 또는 벌크 흡착 장치; 및 여압 및 온도 조절 수단을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 저장 및 전달 시스템 장치로, 15 psig에서 500 sccm의 기체 전달 속도를 쉽게 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시에서, 고체상 탄소 물리 흡착 매체는 저장 및 분배 용기내에서 솔베이트 유체를 분해하기에 불충분한 농도로 존재하는 물, 금속 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택된 미량 성분이 없다. 이점에서, 흡착 매체에 임의의 물, 금속, 또는 산화 전이 금속류가 상당한 양으로 존재하면 바람직하지 않은 높은 농도로 솔베이트 기체의 분해를 촉진시키는 경향이 있다는 것을 주목해야 한다.
그러므로, 본 발명의 바람직한 실시에서 고체상 탄소 물리적 흡착 매체는 탄소 물리적 흡착 매체의 중량을 기준으로 물 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택된 미량 성분을 350 ppm 미만, 바람직하게는 100 ppm 미만, 더 바람직하게는 10 ppm 미만, 가장 바람직하게는 1 ppm 미만을 함유하는 탄소 물질을 포함한다.
따라서, 물리적 흡착 매체의 중량을 기준으로 할 때, 물 및 산화 전이 금속류(예, 산화물, 아황산염 및 질산염)로 구성된 군중에서 선택한 미량 성분의 고체상 탄소 물리적 흡착 매체 상에서의 농도는 25℃ 및 내부압에서 1년 후에 솔베이트 기체 중량의 5% 이상을 분해하기에 불충분한 정도가 바람직하다.
발명의 개요
본 발명은 단일 성분 유체뿐만 아니라 유체 혼합물을 비롯한 흡착 가능한 유체(예, 기체, 증기, 액체, 다중상 유체등)의 저장 및 분배 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 유체 저장 및 분배 시스템은 흡착 가능한 유체에 흡착 친화성을 갖는 고체상 물리적 흡착 매체, 및 용기 내외로 흡착 가능한 유체를 선택적으로 흐르게 할 수 있도록 구성되고 배열된 저장 및 분산 용기를 포함한다. 유체에 흡착 친화성을 갖는 고체상 물리적 흡착 매체는 내부 기압으로 저장 및 분배 용기내에 위치하고 있으며, 유체는 상기 고체상 물리적 흡착 매체에 물리적으로 흡착된다. 분배 조립체는 저장 및 분배 용기와 상호 기류를 교환하면서 결합되어 있다. 분배 조립체는 저장 및 분배 용기의 외부에 내부압 이하의 압력을 제공하여 고체상 물리적 흡착 매체로부터 유체를 탈착시키며, 탈착된 유체가 분배 조립체를 통하여 흐르도록 한다. 또 다른 방법으로, 저장 및 분배 시스템은 고체상 물리적 흡착 매체로부터 유체를 탈착시키기 위해서 흡착 물질을 선택적으로 가열하는 수단과 함께, 열적으로 탈착되었을 때 탈착된 유체가 분배 조립체를 통해 흐르기 쉽도록 구성되고 배열화된 저장 및 분배 용기를 포함한다. 또 다른 방법으로, 본 발명의 저장 및 분배 시스템은 열 및 압력차를 조합하여 고체상 물리적 흡착 매체로부터 유체를 탈착시키도록 구성되고 배열된다.
분배 조립체는 본 발명의 유체 저장 및 분배 조립체의 최종 사용 용도에 적합한 임의의 적절한 도관, 파이프, 튜브, 유동 채널, 밸브, 계기, 모니터 장치, 유동 조절기, 펌프, 송풍기, 흡인기 등을 포함할 수 있다. 본 발명은 내부 부피가 약 0.01리터 내지 약 20 리터인 용기와 같은 저장 및 분배 용기를 임의의 적절한 형태 또는 크기로 구성할 수 있다.
특정 측면으로서, 본 발명은 고체상 물리적 흡착 매체로서 탄소 흡착 물질을 이용하는, 전술한 형태의 유체 저장 및 분배 시스템에 관한 것이다. 각종 탄소 흡착제를 본 발명의 저장 및 분배 시스템의 효과적인 흡착 매체로 사용할 수 있다.
또 다른 한 측면으로, 본 발명은 1200 Torr이하의 내부 압력에서 고 성능 흡착 매체상에 물리적으로 흡착되어 있는 유체를 포함하는, 소형의 이동 가능한, 사용시점 유체 저장 및 분배 시스템에 관한 것이다.
본 명세서에서 사용한 "소형의 이동 가능한, 사용 시점 공급원 유체 저장 및 분배 시스템은 전술한 내부 부피가 약 0.01 리터 내지 약 20 리터인 저장 및 분배 용기를 포함하는 광범위한 시스템을 의미한다.
예를 들어 용접 기체, 마취 기체, 산소 또는 산소가 농축된 호흡 기체, 반도체 제조 기체, 연소 또는 화학 반응을 억제하기 위한 질소와 같은 불활성 블랭킷을 비롯한 전술한 기체를 필요로 하는 모든 형태의 적용에 널리 사용되는 고압 유체 실린더를 완전히 대체할 수 있는 능력과, 매우 작은 크기의 유체의 저압 공급 장치를 포함하는 본 발명은 당업계의 중요한 진전을 이룬다.
특히, 반응 기체의 양이 지나치게 적고(예, 이온 주입, 도핑 등) 고비용이 소요되며, 반도체 제조 조립 시설이 지나치게 소형이고 플로어 공간이 고가인 반도체 제조와 같은 산업 용도에서, 저압 기체 공급 장치는 부수적인 단점을 갖는 현재의 고압 기체 실린더에 비하여 상당히 개선된 것이다.
본 발명의 저압 저장 및 분배 시스템의 흡착제-함유 용기에서 내부 압력은 약 1200 Torr 미만이다. 바람직하게는 약 800 Torr 미만, 가장 바람직하게는 700 Torr이다. 유체의 고압 용기는 지속적으로 상당한 위험을 수반하기 때문에 발생하는, 안전성 및 취급성에 문제가 있는 종래의 기술과 대조적으로, 저장 및 분배 용기에서 흡착된 유체에 대기압 이하의 압력을 제공하는 본 발명은 주변 환경으로 솔베이트 유체가 누출되거나 다량 분산될 위험이 없다.
또 다른 측면으로서, 본 발명은 작동 용량이 높은 흡착 물질을 포함하는 대략적으로 전술한 형태의 유체 저장 및 분배 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 저장 및 분배 적용에서 흡착제에 적용할 수 있는 성능 특성에는 흡착제 적재 용량(Sorbent Loading Capacity)(흡착 물질의 단위 중량당 흡착제에 저장된 솔베이트 유체의 양) 및 주어진 압력 및 온도에서 흡착제 물질 단위 부피당 유체 분배 조작시에 흡착 매체로부터 제거할 수 있는 흡착 물질에 본래 적재된 솔베이트의 중량으로 정의되는 흡착제 작동 용량(Sorbent Working Capacity), CW(즉, CW=[솔베이트 중량-탈착후에 남아 있는 솔베이트 중량]/(흡착제 부피)로서, 솔베이트의 중량 및 탈착 후 남아 있는 솔베이트의 중량은 그램으로 측정하고, 흡착 물질의 부피는 리터로 측정하였다)가 포함된다. 측정시 흡착제 물질의 부피는 흡착 물질의 베드 부피로 한다. 흡착 물질은 통상 펠렛, 미립자, 압출물, 과립 또는 기타 분쇄된 형태로 제공되며, 따라서 작동 용량 측정시 부피는 흡착 물질의 패킹 밀도 및 공극(간극 공간) 부피를 고려한다.
본 발명의 광범위한 실시에서 일반적으로 유용하게 사용될 수 있는 흡착 물질의 또 다른 효율 측정 방법은 흡착 물질의 탈착 가능한 솔베이트의 백분율(Percent Desorbable Sorbate)로서, 이는 후속적으로 25βC, 10 Torr에서만 압력 탈착이 가능한 흡착 물질 상에 760 Torr에서 초기에 적재된 솔베이트 기체의 백분율로 정의된다. 즉;
Percent Desorbable Sorbate={(솔베이트 중량-탈착후 남아 있는 솔베이트 중량/(솔베이트 중량)}×100%
탈착 가능한 솔베이트의 백분율은 약 15% 이상, 바람직하게는 25%이상, 더 바람직하게는 50% 이상 및 가장 바람직하게는 60% 이상의 범위내이다.
또한, 본 발명의 실시에 사용되는 흡착 물질은 적절하게 높은 속도로 솔베이트 유체를 흡수하고, 따라서 저장 및 분배 시스템이 유체 분배 방식으로 작동될 때 (1) 저장 및 분배 용기와 저압의 외부 장소 사이의 압력차 및/또는 (2) 흡착제 가열에 따라 신속한 방법으로 이전에 흡착된 유체를 방출하는 특성을 갖는 것이 장점이다.
본 발명의 유체 저장 및 분배 시스템에 사용되는 바람직한 흡착 물질은 흡착 물질 1 그램당 약 0.1 내지 약 5.0 cm3,, 바람직하게는 0.5 내지 2.0cm3의 기공 부피(공극 부피의 합)를 갖는 물질을 포함한다.
흡착 물질은 주요 부분, 즉, 기공 부피의 50% 이상이 약 2Å 내지 100Å 직경의 기공으로 구성되는 것이 바람직하며, 80% 이상이 더욱 바람직하고, 흡착제의 거의 모든 기공 부피가 이 범위내에 있는 것이 가장 바람직하다.
바람직한 물질은 약 2 내지 약 20Å의 평균 기공 직경을 갖고, 대부분의 기공 부피가 이 범위내에 있는, 더 바람직하게는 80% 이상, 가장 바람직하게는 흡착제의 거의 모든 기공 부피가 이 범위내에 있는 흡착제를 포함한다.
본 발명의 광범위한 실시에 사용되는 고성능 흡착제는 40 Torr 및 650 Torr에서 흡착 물질 1리터 당 아르신의 그램수로 아르신 기체를 측정하여, 흡착제 작동 용량, CW가 50 이상, 바람직하게는 100 이상, 더 바람직하게는 150 이상 및 가장 바람직하게는 200 이상인 것들을 포함하며, 하기와 같이 측정된다:
CW=(650 Torr 및 25℃에서 흡착제 1리터 상의 아르신 기체의 중량(g))-(50 Torr 및 25℃에서 흡착제 1리터 상의 아르신 기체의 중량(g))
아르신은 CW특성에 대한 기준 유체이며, 언급한 바와 같이 흡착제의 리터 기준은 흡착 매체 베드의 공극 또는 간극 공간을 비롯하여, 베드 형태로 존재하는 리터 부피이다. 이로부터 작동 용량을 증가시키면, 압력을 1 Torr만큼 낮은 압력으로 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 유체 저장 및 분배 시스템에 유용한 흡착 물질은 흡착 물질의 전술한 구조물 파쇄된 또는 분쇄된 형태뿐만 아니라, 비드, 과립, 펠렛, 정제, 분말, 미립자, 압출물, 천 또는 웨브 형태 물질, 벌집 모양의 매트릭스 단일체 및 복합물(흡착제와 기타 성분의 복합물)을 비롯하여 임의의 적절한 크기, 형상 및 형태를 가질 수 있다.
흡착 물질은 중합체(예, 미소다공성 테프론, 거대망상 중합체, 유리질 영역 중합체 등), 알루미늄 포스포실레케이트(ALPOS), 점토, 제올라이트, 다공성 실리콘, 벌집 모양의 매트릭스 물질, 탄소 물질 등을 비롯하여 임의의 적절한 물질을 포함할 수 있다.
가장 바람직한 흡착 물질은 제올라이트 물질 및 탄소 물질을 포함한다. 바람직한 탄소 흡착 물질 중에서, 직경이 0.1 mm 내지 1cm, 더 바람직하게는 0.25 내지 2 mm인 입자 크기를 갖고, 매우 균일한 구형(球形)인 비드 형태의 활성화된 탄소 물질이 가장 바람직하다.
특성화를 위해 기준 기체로 아르신을 재사용한 또 다른 측면으로서, 본 발명의 유체 저장 및 분배 시스템에 유용한 흡착 물질은 압력(Torr)의 함수로서 흡착제 1리터당 흡착된 아르신의 그램수로 측정된, 25℃에서 아르신 기체 흡착 등온선을 가지며, 하기와 같은 흡착 적재 특성을 갖는 물질이다.
압력(Torr) 최소한의 적재(흡착제 1리터당 아르신의 g수)
25 30
50 62
100 105
200 145
300 168
400 177
500 185
550 188
650 ~192
일반적으로 본 발명의 저장 및 분배 시스템에 사용되는 흡착 물질은 흡착제상에 저장된 후 분배되는 흡착 유체에 대하여 가능한 한 높은 적재 특성을 갖는 것이 바람직하지만, 일부 경우에 과도하게 높은 흡착제 적재 용량은 저장 및 분배 시스템의 제조시 흡착열 측면에서 불리하다. 흡착제 상에 흡착 가능한 유체의 흡착은 일반적으로 발열과정이다. 아르신 및 포스핀과 같은 기체의 경우, 흡착제상에 기체의 충전율에 따른 발열은 100βC이상의 온도 상승을 수반한다. 따라서, 흡착 매체의 초기 유체(상기 유체는 흡착제 상에 저장 후 분배) 적재 과정에서 다량의 흡착열 효과를 수반하지 않는 범위내에서 흡착 용량이 높은 흡착 매체를 이용하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 실시에 유용한 흡착 물질은 압력(Torr)의 함수로서 흡착제 1리터당 흡착된 아르신의 그램수로 측정된, 25℃의 아르신 기체에 대해 흡착 등온선을 갖는 물질을 포함하며, 도 1에서 G1및 G0곡선사이의 흡착 등온 범위내에 있는 물질이다. 이러한 흡착 물질은 하기와 같은 흡착 적재 특성을 갖는다.
압력(Torr) 적재(흡착제 1리터당 아르신의 그램수)
25 30-106
50 62-138
100 105-185
200 145-232
300 168-263
400 177-288
500 185-308
550 188-315
650 192-330
본 발명의 유체 저장 및 분배 시스템에 사용가능한 흡착제는 전술한 다양한 흡착 특성을 갖는 흡착제를 임의로 적절하게 조합 또는 교환시킨 흡착제가 바람직할 수 있다.
본 발명의 유체 저장 및 분배 시스템에 적절한 탄소 흡착 물질은 예를 들어 25℃에서 하기와 같은 적재 특성을 갖는 것일 수 있다.
압력(Torr) 적재(흡착제 1리터당 아르신의 그램수)
25 35-60
50 75-100
100 100-115
200 160-175
300 200-220
400 225-245
500 240-260
550 250-275
650 260-300
본 발명의 광범위한 실시예 유용한 대단히 바람직한 탄소 흡착 물질에는 압력(Torr)의 함수로서 흡착제 1리터당 흡착된 아르신의 그램수로 측정된, 25℃의 아르신 기체의 흡착 등온선을 갖는 물질이 포함되며, 도 1 중의 곡선 A의 흡착 등온 특성을 갖는다(흡착 등온선이 온도 변화에 따라 x 및 y 방향으로 이동할 수 있기 때문에, 도 1의 흡착 등온선의 실질적인 모양을 흡착 등온 특성이라고 하나, 일반적인 모양은 거의 같다).
본 발명의 기체 저장 및 분배 시스템에 사용가능한 탄소 흡착제는 전술한 각종 흡착 특성를 임의로 적절하게 조합 또는 교환시킨 특징을 갖는 흡착제를 포함한다.
본 발명의 한 측면으로는 하기를 포함하는 유체 저장 및 분배를 위한 소형의 이동 가능한, 사용시점 유체 저장 및 분배 흡착-탈착 장치에 관한 것이다:
고체상 물리적 흡착 매체를 보유하고 용기내외로 유체를 선택적으로 흐르게 할 수 있도록 구성되고 배열된 저장 및 분배 용기;
1200 Torr 미만의 내부 유체압에서 저장 및 분배 용기내에 있는 흡착 물질;
흡착제 물질상에 물리적으로 흡착되어 있는 솔베이트 유체;
하기 (I) 및 (II)와 같이 구성되고 배열되어 있으며, 저장 및 분배 용기와 기류를 상호 교환하면서 결합되어 있는, 열 및 압력차를 매개로 하여 흡착 물질로부터 유체를 탈착시킨 후에, 탈착된 유체를 필요에 따라 선택적으로 분배할 수 있도록 구성되고 배열된 분배 조립체;
(I) 흡착 물질로부터 유체를 탈착시키기 위해서 저장 및 분배 용기의 외부에 상기 내부압보다 낮은 압력을 제공하고, 탈착된 유체가 상기 용기에서 분배 조립체를 통과하여 흐르도록 하는 분배 조립체; 및/또는
(II) 흡착 물질을 가열하여 이로부터 유체를 탈착시키는 수단을 포함하고, 열적으로 탈착된 유체를 유동시켜 이 탈착된 유체가 용기로부터 분배 조립체로 흐르게 하는 분배 조립체.
본 발명의 또 다른 한 측면은 하기를 포함하는 기체의 저장 및 분배용 흡착-탈착 장치에 관한 것이다:
고체상 물리적 흡착 매체를 보유하고, 용기내외로 기체를 선택적으로 흐르게 할 수 있도록 구성되고 배열된 저장 및 분배 용기;
내부 기압에서 저장 및 분배 용기내에 있는 흡착 물질;
흡착제 물질 상에 물리적으로 흡착되어 있는 솔베이트 유체;
하기 (I) 및 (II)와 같이 구성되고 배열되어 있으며, 저장 및 분배 용기와 기류를 상호 교환하면서 결합되어 있고, 열 및 압력차를 매개로 하여 흡착 물질로부터 유체를 탈착시킨 후에, 이 탈착된 유체를 필요에 따라 선택적으로 분배하기 위해 구성되고 배열된 분배 조립체;
(I)흡착 물질로부터 유체를 탈착시키기 위해서 저장 및 분배 용기의 외부에 상기 내부압보다 낮은 압력을 제공하고, 탈착된 유체를 상기 용기에서 분배 조립체로 흐르게 하는 분배 조립체; 및/또는
(II) 흡착 물질을 가열하여 이로부터 유체를 탈착시키는 수단을 포함하고, 열적으로 탈착된 유체를 유동시켜 이 탈착된 유체가 용기로부터 분배 조립체로 흐르게 하는 분배 조립체.
흡착 물질에는 저장 및 분배 용기내에서 솔베이트 기체를 분해하기에 충분한 농도로 존재하는 물, 금속 및 산화 전이 금속류(예, 산화물, 아황산염 및/또는 질산염)과 같은 미량 성분이 없는 것이 바람직하다.
본 발명의 저장 및 분배 시스템에서, 물 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택한 미량 성분의 흡착 물질상에서의 농도는 25℃ 및 내부압에서 1년 후에 솔베이트 유체 중량의 5% 이상, 바람직하게는 1% 이상을 분해하기에 불충분한 정도가 바람직하다. 흡착제를 이렇게 규제하면, 물, 금속 및 산화 전이 금속류(예, 산화물, 아황산염 및/또는 질산염)의 존재하에 분해되기 쉬운 염화 기체(예, 아르신, 포스핀)와 같은 솔베이트 유체가 미량 원소에 거의 노출되지 않게 되어, 솔베이트 기체의 실질적인 분해 농도 및 이에 의해 발생되는 압력 상승 문제를 피할 수 있다.
물, 금속 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택한 미량 성분의 농도(흡착 물질의 중량 기준)는 저장 및 분배 용기에서 25℃, 1주일 후에 솔베이트 유체를 분해시켜 내부 압력을 25% 이상 상승 및 바람직하게는 10% 이상 상승시키기에 불충분한 농도가 바람직하다.
본 발명의 실시에 사용된 탄소 흡착 물질은 흡착 매체의 중량을 기준으로 물 및 산화 전이 금속 종으로 구성된 군중에서 선택된 미량 성분을 350 ppm 미만, 바람직하게는 100 ppm 미만, 더 바람직하게는 10 ppm 미만, 가장 바람직하게는 1 ppm 미만을 함유하는 탄소 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시에 바람직한 탄소 흡착제는 또한 회분 함량으로 나타낼 수 있다. 바람직한 탄소는 회분 함량을 약 7% 미만, 바람직하게는 약 5%미만, 가장 바람직하게는 약 0.1%미만 포함한다. 각종 탄소 흡착제는 15%정도로 높은 회분 함량을 갖는다. 회분 함량은 특정 탄소 물질의 공급원에 따라 다양하다.
회분은 플루오르화수소 및 트리플루오르화붕소와 같은 흡착성 유체와 관련된 적용에 있어 유해할 수 있는 실리카와 같은 성분을 비롯한 무기 물질이며, 이러한 종류의 화합물상에 비가역적으로 화학흡착된다. 화학흡착된 화합물은 손실되므로 화학 흡착은 대단히 불리하다. 따라서, 낮은 회분 함량의 탄소 흡착제가 사용하기에 특히 바람직하다.
전술한 회분 함량이 높은 탄소 흡착제의 사용시 발생하는 문제는 플루오르화물의 경우에 특히 심하다. 회분 함량이 높은 탄소 흡착제에 의해 흡착된 플루오르화물은 회분 함량이 높은 흡착제내의 흡착물과 불순물의 반응 생성물이 비휘발성 생성물인 경우 저장 및 분배 용기의 내부 압력을 감소시킬 것이다.
물, 금속 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택되는 미량 성분의 농도(흡착 물질의 중량 기준)는 저장 및 분배 용기에서 25℃, 1주일 후에 솔베이트 유체를 분해시켜 내부 압력을 25% 이상 상승 및 바람직하게는 10% 이상 상승시키기에 불충분한 농도가 바람직하다.
본 발명의 실시에 사용된 흡착 물질은 흡착 매체의 중량을 기준으로 물 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택된 미량 성분을 350 ppm 미만, 바람직하게는 100 ppm 미만, 더 바람직하게는 10 ppm 미만, 가장 바람직하게는 1 ppm 미만을 함유하는 탄소 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 유체 저장 및 분배 시스템은 압력차에 의한 용기로부터의 유체 분배를 우선적으로 후술하지만, 본 발명의 저장 및 분배 시스템은 미리 흡착된 유체를 흡착 물질로부터 열적으로 탈착시킬 뿐만 아니라 압력차에 의해서만으로도 솔베이트 유체를 탈착시킬 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다. 또 다른 방법으로, 흡착 매체상에 적재된 솔베이트 유체의 탈착은 압력차 및 열을 매개로 하는 솔베이트 매체로부터의 솔베이트 방출을 조합하여 수행할 수 있다.
탈착의 특정 양식(압력 및/또는 열) 및 이와 관련된 공정 조건의 선택은 흡착 물질의 특성, 특정 솔베이트 유체 및 흡착된 유체가 사용될 특별한 최종 사용 용도를 고려하여 과도한 실험 없이 당업자들에 의해 선택되고 결정될 수 있다.
본 발명의 유체 저장 및 분배 시스템이 용기 내에서 흡착 물질로부터 유체를 열적으로 탈착시킬 수 있도록 구성되고 배열되는 경우, 가열 수단은 흡착 물질을 선택적으로 가열하기 위해 저장 및 분배 용기와 관련하여 배열될 수 있으며, 흡착 물질로부터 솔베이트 기체의 열에 의한 탈착을 증진시킨다. 흡착제의 온도를 상승시키고 솔베이트 유체를 탈착시키기 위해 상기 가열 수단은 저장 및 분배 용기내의 흡착 베드에 위치하거나, 또는 흡착 물질로의 열을 전달하거나 원위치에서 열을 발생시킬 수 있도록 배열된 전기 저항 가열 요소, 확대된 열 전달 표면 성분, 방사성 열 성분, 또는 기타 열로 작동할 수 있는 가열 수단을 포함한다.
본 발명의 실시에 사용되는 흡착 물질은 솔베이트 유체의 흡착 및 탈착에 관여하는 기체 저장 및 분배 시스템의 성능에 유해한 영향을 주는 성분 및 오염물(예, 전술한 미량 성분)의 부재를 유지하기 위해서 적절히 가공 및 처리할 수 있다. 예를 들어, 흡착제를 세척 처리(예, 플루오르화 수소산 사용)하여 금속 및 산화 전이 금속류와 같은 미량 성분이 충분히 제거되도록 한다.
또한 흡착 물질은 흡착제의 흡착 용량 및/또는 기타 성능 특성을 증가시키기 위해 각종 처리를 할 수 있다. 예를 들어, (1) 흡착제에 후속하여 분배될 유체를 적재할 때의 흡착 매체상에 특정 유체의 흡착 및/또는 (2) 흡착제에 저장 및 분배 용기로부터 유체를 분배하기 위한 공정 조건을 가할 때의 유체의 탈착을 용이하게 하거나 또는 증가시키는 화학기로 흡착제의 표면에 작용성을 주기 위해서 흡착제를 처리 및 반응시킬 수 있다.
또한, 이러한 처리는 탈착물의 순도를 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 표면의 옥사이드기를 환원 처리하면 탈착물내의 CO, CO2및 탄화수소 불순물을 감소시킬 수 있다.
또한, 각종 온도 범위를 탈기 과정에서 이용할 수 있다. 일반적으로, 고온 처리시킬 수 있지만, 탄소 물질은 500℃ 이하에서 탈기시킨다.
흡착 물질을 변형시키는 또 다른 방법은 물질의 내부 기공 표면을 비롯한 표면상에 흡착 증진 물질을 도포하는 것을 포함하여, 본 발명의 실시에 다양하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 흡착 증진 액체, 고체, 또는 반고체 물질(예, 카보왁스)을 흡착제에 도포하면, 흡착제 표면에 도포된 흡착-증진 물질상에 흡착 또는 가용화 뿐만 아니라, 흡착제의 표면에 있는 고체 흡착 부위상에 유체의 물리적 흡착도 용이하게 된다.
또한 본 발명의 저장 및 분배 시스템은 용기내의 솔베이트 기체의 불순물(예, 분해 생성물)에 대해 친화성을 갖는 화학 흡착 물질과 함께, 저장 및 분배 용기내의 흡착 물질을 포함할 수 있다. 화학 흡착제는 예를 들어, 불활성이 아닌 대기 가스에 대한 화학 흡착 친화성을 갖는 고체 흡착제 조성물을 포함할 수 있다. 가능한 화학 흡착 물질의 적절한 예로는 하기로 구성된 군중에서 선택되는 스캐빈저가 포함된다:
(A) 불순물의 존재하에 이 불순물을 제거하기 위해서 반응성이 있는 음이온을 제공하는 화합물과 결합(공유 결합은 아님)되어 있는 지지체를 포함하는 스캐빈저, 이때 상기 화합물은 (i) 및 (ii)로 구성된 군의 하나 이상의 성분으로부터 선택되며:
(i) 양성자 첨가된 카바니온(carbanion) 화합물이 약 22 내지 약 36의 pKa값을 갖는 카바니온 공급원 화합물; 및
(ii) 상기 카바니온 공급원 화합물과 솔베이트 기체를 반응시켜 형성된 음이온 공급원 화합물; 및
(B) 하기를 포함하는 스캐빈저:
(i) 1 g당 약 50 내지 약 1000 m2의 표면적을 갖고 최소한 250℃까지는 열적으로 안정한 불활성 지지체; 및
(ii) 지지체 1리터당 약 0.01 내지 약 1.0 몰 농도로 지지체 상에 존재하고, 나트륨, 칼륨, 루비듐 및 세슘에서 선택한 IA족 금속 및 이의 혼합물 및 합금으로된 지지체의 분해 및 열분해에 의해 형성되는 활성 스캐빈저류.
추가의 특정 예에서, 화학 흡착 물질은 트리틸리튬 및 칼륨 아르세나이드로 구성된 군중에서 선택되는 스캐빈저 성분을 포함하는 것이 유리하다.
분배될 솔베이트 유체의 불순물을 제거하기 위해 화학 흡착 물질을 사용하는 경우, 본 명세서에서 참고로 인용한 Glenn M. Tom 등에게 1988년 8월 2일 특허 허여된 미국 특허 4,761,395 및 Glenn M. Tom 및 James V. McManus의 이름으로 1994년 6월 29일 제출된 미국 특허 출원 제 08/084,414 호에 개시되고 청구된 형태의 스캐빈저 조성물을 비롯하여, 임의의 광범위한 스캐빈저 또는 화학 흡착 물질을 사용할 수 있다.
사용되는 화학 흡착 물질은 흡착 물질의 베드와 유체 흐름을 상호 교환하는 분리 베드로 이용하거나, 또는 다른 방법으로서 화학 흡착제는 저장 및 분배 용기내에 흡착 물질의 베드를 통하여 무작위적으로 또는 선택적으로 분산될 수 있다.
본 발명은 또한 유체 반응물을 공급하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 하기의 단계를 포함한다:
상기 유체 반응물에 대해 물리적 흡착 친화성을 갖는 흡착 물질을 포함하는 저장 및 분배 용기를 제공하는 단계;
흡착 물질상에 유체 반응물을 물리적으로 흡착 적재하여 솔베이트 유체-적재된 흡착 물질을 생성하는 단계;
감압 탈착(압력 차이) 및/또는 흡착 물질의 가열에 의해 솔베이트 유체-적재된 흡착 물질로부터 솔베이트 유체를 탈착시키는 단계;
탈착된 유체를 저장 및 분배 용기로부터 분배시키는 단계.
또 다른 바람직한 한 측면으로서, 흡착 물질은 임의의 특정 형태(예, 비드, 과립, 펠렛, 분말, 압출물 등)일 수 있으며, 전술한 다양한 임의의 흡착 특성을 갖는다.
유용하게 저장된 후, 본 발명의 저장 및 분배 시스템으로부터 분배되는 유체는 흡착 물질에 흡착 친화성을 갖는 임의의 적절한 유체(예, 기체, 증기, 액체, 다중상 유체 및 유체 혼합물)를 포함한다. 예로는 산 및 수화물 기체, 할로화물 기체, 증기상 유기 금속 화합물, 산화 기체 등이 포함된다.
본 발명의 실시에서 유용하게 저장 및 분배할 수 있는 솔베이트 기체류의 특정 예는 실란, 게르만, 아르신, 포스핀, 포스겐, 디보란, 게르만, 암모니아, 스티빈, 황화 수소, 셀렌화 수소, 텔루루화 수소, 산화 질소, 시안화 수소, 산화 에틸렌, 중수소화된 수소화물; F2, SiF4, Cl2, ClF3, GeF4, SiF4, 할로겐 붕소를 비롯한 할로겐(염소, 브롬, 불소 및 요오드) 화합물; 및 알루미늄, 바륨, 스트론튬, 갈륨, 인듐, 텅스텐, 안티몬, 은, 금, 팔라듐, 갈도리늄등과 같은 유기 금속 화합물을 포함한다.
또 다른 특정 측면으로, 본 발명은 트리플루오르화 붕소를 흡착 유체로 포함하는 전술한 저장 및 분배 시스템에 관한 것으로서, 이때 저장 및 분배 시스템으로부터 분산되는 트리플루오르화 붕소는 트리플루오르화 기체를 디보란으로 전환시키기 위해 수소 첨가제와 접촉되어 있다. 수소 첨가제는 이러한 전환에 유용한 임의의 적절한 수소 첨가 반응물을 포함한다(예, 마그네슘 수산화물).
또 다른 측면으로 본 발명은 탄소 흡착 물질상에 흡착될 수 있는 유체를 저장 및 분배시키는 흡착-탈착 장치에 관한 것이다. 이 장치는 하기를 포함한다:
탄소 흡착 물질을 보유하고 용기내외로 유체를 선택적으로 흐르게 할 수 있도록 구성되고 배열된 저장 및 분배 용기;
내부 유체압에서 저장 및 분배 용기내에 있는 탄소 흡착 물질;
탄소 흡착 물질상에 물리적으로 흡착되어 있는 솔베이트 유체;
저장 및 분배 용기와 유체류(流)를 상호 교환하면서 결합되어 있고, 탄소 흡착 물질로부터 솔베이트 기체를 탈착시키기 위해서 저장 및 분배 용기의 외부에 상기 내부압보다 낮은 압력을 제공하고, 탈착된 기체를 상기 용기에서 분배 조립체로 흐르게하는 분배 조립체; 및
탈착된 기체에 압력을 가하고, 압력이 가해진 기체를 방출하기 위한 분배 조립체에 결합되어 있는 저온펌프.
또 다른 측면의 방법을서, 본 발명은 하기 단계를 포함하는, 탄소 흡착 물질상에 흡착할 수 있는 유체를 저장 및 분배하기 위한 방법에 관한 것이다:
탄소 흡착 물질을 보유하는 저장 및 분배 용기를 제공하는 단계;
탄소 흡착 물질 상에 상기 유체를 흡착시키는 단계;
탄소 흡착 물질로부터 솔베이트 유체를 탈착시키기 위해서 저장 및 분배 용기의 외부에 내부압보다 낮은 압력을 설정하고, 탈착된 유체를 저장 및 분배 용기외로 흐르게 하는 단계;
저장 및 분배 용기로부터 탈착된 유체를 예정된 압력으로 저온 펌핑하는 단계로서, 이때 (예정된 압력은 저장 및 분배 용기외로 흐르는 탈착된 유체의 압력보다 큰 단계).
본 발명의 저장 및 분배 시스템은 이온 주입, 실리콘 반도체 제조, 화합물 반도체 제조, 평판 디스플레이 제조, 유기 합성을 위한 기체 제공, 예를 들어, 산화 에틸렌과 같은 살균 가스 분배, 훈증 및 해충 조절, 마취 가스 운반, 기체-액체 접촉과 관련된 물 및 기타 유체의 처리, 용접, 정원 및 농작물 보호 제제의 분배, 식품 가스 공급, 공간계 적용, 대량의 화학물 및 기체 전달, O2반응 적용뿐만 아니라 호흡 기체 적용을 위한 산소 공급 등을 비롯하여, 임의의 광범위한 목적하는 사용 적용에 이용할 수 있다.
본 발명의 기타의 측면, 특징 및 실시태양들은 이후의 설명 및 첨부되는 청구항에 의해서 더욱 분명해질 것이다.
본 발명의 특징 및 장점은 하기 비제한적인 실시예에 의해 상세히 설명된다.
실시예 1
쿠레하(Kureha) 탄소 74.7g(130㎖)을 깨끗한 150㎖의 훅(Hook) 강철 샘플 실린더에 적재하였다. 그 실린더에는 Nupro DS 시리즈 다이어프램 밸브가 장착되어 있다. 밸브 유입 포트를 30㎛ Mott 금속 소결 금속 중합체 필터가 장착될 수 있도록 변형시켰다. 중합체 필터는 샘플 실린더내의 탄소입자를 함유하도록 하였다.
이어서, 실린더를 48시간 동안 300℃의 온도에서 배기(탈기)시키켰다. 탈기시키는 데 사용된 진공 펌프(앨카텔(Alcatel) 분자 드랙 펌프)는 최종압력이 1 x 10-6Torr이었다. 탈기 후, 실린더를 실온에서 약 6시간 동안 냉각시켰다.
쿠레하 탄소의 일반적인 성질은 상기 표 1에 나타나있다.
탈기 과정의 결과는 하기 표 3에 나타나있다.
탄소 흡착제 탈기 특성
실린더 자체 중량 1195.4g
실린더 중량 + 탄소 1270.1g
실린더 중량 + 탈기후의 탄소 1268.1g
탈기에 의해 제거된 휘발성 물질의 질량 2.0g
습윤 탄소 중량 74.7g
건조 탄소 중량 72.7g
습윤 탄소 부피 130ml
실시예 2
실시예 1의 탈기과정 후, 배기된 탄소 샘플 실린더를 아르신 충전 매니폴드의 아르신 충전 부분에 연결하였다. 적당한 등온 상태를 유지하기 위해서, 그 실린더를 25℃에서 일정하게 유지시킨 에틸렌 글리콜 혼합물을 함유하는 보온 플라스크내에 함침시켰다. 상기 유체를 Neslab RTE-100 재순환용 항온 배스를 사용하는 상기 보온 플라스크를 통해 순환시켰다.
그 후 전체 매니폴드를 10-3미만의 Torr로 배기시켜서 비응축성 기체를 제거시켰다. 배기 후, 760 Torr의 압력에 도달할 때 까지 탄소 샘플을 25sccm의 속도에서 아르신으로 충전시켰다. 압력은 MKS 0-1000 Torr 바라톤(Baraton) 압력 변환기를 사용하여 모니터하였다. 충전 과정동안, 보온 플라스크 온도, 탄소 실린더 압력 및 주위 후드 온도(충전이 일어나는 후드 환경의)를 모니터하고, 플루크(Fluke) 전자 데이터 로거(logger)부를 사용하여 로그값을 기록하였다.
상기 흡착 용량을 측정하는 데 걸리는 시간을 줄이기 위해 25sccm의 충전속도를 선택하였다. 그러나, 열의 흡착 효과에 기인한 실질적인 등온을 얻을 수 없었다. 실린더가 항온 유체내에 함침되어 있는 경우에도, 상기 유체와 흡착제간의 열교환은 충분히 빠르지 않으므로 이는 상기 충전 과정중 인공적으로 높은 압력을 발생시켰다. 이는 충전 후 비평형 상태를 입증하는 것으로 도4에 도시되어 있다.
이 압력 붕괴는 아르신 유동 종결 후 흡착 베드의 냉각에 기인하는 것이었다. 충전 과정동안 베드내에 수반된 열은 흡착열로 인한 것이다. 통상, 압력 데이터점에 도달하기 전에 상기 흡착과정을 평형상태에 도달하게 함으로써 실제적인 등온을 달성한다. 도 5는 압력 붕괴율을 산출하는 도 4로부터 유도된 곡선을 나타내고 있다. 그 비율 곡선은 상기 붕괴율이 약 2 시간 내에 0에 도달함에 따라 압력 변동이 안정한 수준으로 낮아진다는 것을 보여준다. 압력은 증가하지 않는데, 이는 아르신이 분해되지 않는다는 것을 입증하기 때문에 매우 중요하다.
대략적인 등온선이 구성되었고 이는 도 4에 나타나 있다.
흡착 용량은 실험 과정 동안 아르신의 질량 유속을 적분함으로써 정량하였다. 흡착 측정의 종말점은 760Torr 또는 1 대기압으로 정한다. 흡착 용량은 또한 충전되지 않은 실린더의 자체 중량 및 760Torr의 아르신 적재시의 충전 실린더간의 중량차를 취함으로써 입증된다. 흡착 용량에 대한 결과는 하기 표 4에 도시하였다.
흡착 용량 결과
빈 흡착 실린더의 자체 중량 1268.1g
760Torr로 아르신을 충전시킨 후 실린더 중량 1307.3g
중량을 기준으로 한 탄소 1ℓ당 흡착된 아르신 g 301.5g
총 질량 흐름에 기준으로 한 ℓ당 아르신 g 290.63g
제올라이트 분자체 흡착제 상의 아르신 흡착을 기준으로 한 종래 기술의 아르신 저장 및 전달 시스템은 하루에 약 5 Torr의 수소 생성율을 갖는다는 것을 입증하였다. 본 발명은 제올라이트 분자체 물질보다 조성면에서 및 기능면에서 뛰어나고, 솔베이트류의 분해 효과로부터는 고도의 안정성 및 자유성을 보여주는 탄소 흡착제 물질을 사용한다.
따라서, 본 발명의 저장 및 분배 시스템내 탄소 흡착제의 개선된 작동 용량, 탈착 및 기타 기능적인 특성들과 조화를 이루면서, 본 발명의 시스템은 당해기술 분야의 제올라이트계 저장 및 분배 시스템에 비해 현저한 진보를 이루었으며 뿐만 아니라 고압 실린더로부터 나오는 기체 물질을 분배시키는 종래 기술 분야에 비해서도 현저한 진보를 이루었다.
본 발명의 저장 및 분배 시스템은 분배 기체를 사용하기 위해, 적당한 하류 공정과 연결되어 작동될 수 있다. 예를 들면, 저장 및 분배 시스템은 흐름 공급 관계하에 이온 주입 챔버, 실리콘 반도체 가공 플랜트, 평판 디스플레이 제조 설비, 유기 합성 장치, 약학적 제조 설비, 마취 기체용 분배 마스크 및 공기 처리 또는 물 오염 방치 설비, 조리 기체인 경우의 스토브 또는 버너, 또는 본 발명의 저장 및 분배 시스템으로부터 분배되는 기체의 목적하는 사용을 위한 기타 임의의 다른 적당한 하류 수단 또는 공정 설비와 연결될 수 있다.
본 발명의 저장 및 분배 시스템은 광범위한 기공 크기, 기공도, 형태 및 화학적 조성을 갖는 다양한 흡착제 물질을 사용하여 실시될 수 있다.
본 발명의 저장 및 분배 시스템은 액체뿐만 아니라 기체, 증기, 다성분 및 다중상 유체 흐름 등의 전달을 위해 사용될 수 있다. 또한 상기 저장 및 분배 시스템은 승화성 고체를 분배하는 데도 사용될 수 있으며 상기 저장 및 분배 시스템은 분배된 궁극적인 사용을 위한 중간 생성물 또는 최종 생성물과 유체를 반응시키는 반응 용기와 결합될 수 있다. 예를 들면, 상기 저장 및 분배 시스템은 보란 트리플루오라이드 기체를 하류 수소화 챔버에 분배시킬 수 있으며 여기서, 상기 보란 트리플루오라이드는 적당한 반응 조건하에서 수화 마그네슘과 같은 수소화제와 접촉되어 후속 사용(예, 이온 주입, 도핑, 또는 기타 용도)을 위한 디보란을 생성한다.
이온 주입은 본 발명의 저장 및 분배 시스템과, 디보란, 게르마늄, 실리콘 테트라플루오라이드 및 안티몬-함유 기체의 분배에 특히 바람직한 적용 분야이다.
상기 저장 및 분배 용기내의 흡착제 베드로부터의 나온 가용성 유체의 열에 의한 탈착에 있어서, RF, IR 및 UV 복사, 초음파 및 극초단파를 비롯한 가열, 뿐만아니라 전기저항 가열, 연장된 열 전달 표면 또는 열교환 통로의 상기 흡착제 베드 내에서의 전개와 같은 기타 직접 및 간접 수단 및 방법에 의한 가열을 수행하는 데 임의의 적당한 에너지 공급원을 사용할 수 있다.
본 발명은 반도체 물질 및 물품의 제조 및 기타 기체-소모 가공 조작에 사용되며, 이 경우, 예를 들면, 실란, 디보란, 게르만, 플루오르, 암모니아, 포스핀, 아르신, 스티빈, 황화수소, 셀레늄화 수소, 텔루르화 수소, 트리플루오르화 붕소, 헥사플르오르화 텅스텐, 염소, 염화 수소, 브롬화 수소, 요오드화 수소 및 플루오르화 수소를 비롯한 수화 기체, 할로겐화 기체, 기체 유기 금속 V 족 화합물과 같은 기체의 그 "필요에 따른" 신뢰할만한 공급원을 제공한다.
기체가 탄소흡착 매체상의 흡착된 상태로 비교적 낮은 압력에서 안정하게 유지되며 연속하여 기체의 사용 지점에서 용이하게 분배되는, 상기 기체의 경제적이고 신뢰할만한 공급원을 제공함으로써 본 발명은 종래의 고압 기체 실린더를 사용하는 것과 관련한 해악 및 기체 취급상의 문제를 소거한다.

Claims (70)

  1. 고체상(相) 탄소 물리적 흡착 매체를 보유하며, 용기내외로 유체를 선택적으로 흐르게 할 수 있도록 구성되고 배열된 저장 및 분배 용기;
    내부 기압에서 상기 저장 및 분배 용기내에 위치하고 있는 고체상 탄소 물리적 흡착 매체;
    상기 고체상 탄소 물리적 흡착 매체상에 물리적으로 흡착되어 있는 흡착성 유체; 및
    (I) 상기 고체상 탄소 물리적 흡착 매체로부터 흡착성 유체를 탈착시키기 위해서 저장 및 분배 용기의 외부에 상기 내부압보다 낮은 압력을 제공하고, 탈착된 유체가 분배 조립체를 통과하여 흐르도록 구성되고 배열되거나
    (II) 탄소 흡착 물질을 가열하여 유체를 상기 탄소 흡착 매체로부터 탈착시키는 수단을 포함하고, 열적으로 탈착된 유체를 유동시켜 이 탈착된 유체가 용기로부터 분배 조립체로 흐르도록 구성되고 배열되는 것 중 적어도 하나와 같이 구성되고 배열되어 있으며, 저장 및 분배 용기와 기류를 상호 교환하면서 결합되어 있는 분배 조립체를 포함하는, 흡착성 유체를 저장 및 분배하기 위한 흡착-탈착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 압력의 함수로서 25℃에서 아르신 기체에 대해 도 1의 곡선 A의 흡착 등온 특성을 갖는 흡착 등온선을 갖는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 압력의 함수로서 25℃에서 하기의 흡착 적재 특성을 갖는 아르신 기체 흡착 등온선을 갖는 장치:
    압력(Torr) 최소한의 적재(흡착제 1리터당 아르신의 그램수) 25 35 50 75 100 100 200 160 300 200 400 225 500 240 550 250 650 ~ 300
  4. 제1항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 압력의 함수로서 25℃에서 하기의 흡착 적재 특성을 갖는 아르신 기체 흡착 등온선을 갖는 장치:
    압력(Torr) 적재(흡착제 1리터당 아르신의 그램수) 25 35-60 50 75-100 100 100-115 200 160-175 300 200-220 400 225-245 500 240-260 550 250-275 650 260-300
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄소 흡착 물질이 흡착 물질 1g 당 약 0.2 내지 약 2.0 cm3의 기공 부피를 갖는 장치
  6. 제1항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 그 기공 부피의 대부분, 즉 50%이상이 약 2Å 내지 100Å의 직경을 갖는 기공으로 구성되어 있는 장치.
  7. 제6항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 그 기공 부피의 80% 이상이 약 2Å 내지 100Å의 직경을 갖는 기공으로 구성되어 있는 장치.
  8. 제6항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 그 기공 부피의 거의 모두가 약 2Å 내지 100Å 직경을 갖는 기공으로 구성되어 있는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 탄소 흡착 물질의 평균 기공 직경이 약 2 내지 약 20 Å 범위인 장치.
  10. 제9항에 있어서, 탄소 흡착 물질의 기공 부피의 대부분이 상기 약 2 내지 약 20 Å 범위내인 장치.
  11. 제9항에 있어서, 탄소 흡착 물질의 기공 부피의 80% 이상이 상기 약 2 내지 약 20Å 범위내인 장치.
  12. 제9항에 있어서, 탄소 흡착 물질의 거의 모든 기공 부피가 상기 약 2 내지 약 20Å 범위내인 장치.
  13. 제1항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 40 Torr 및 650 Torr에서 아르신 기체에 대하여 측정된, 100 이상의 흡착제 작동 용량(Sorbent Working Capacity), CW를 갖는 장치.
  14. 제1항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 40 Torr 및 650 Torr에서 아르신 기체에 대하여 측정된, 180 이상의 흡착제 작동 용량, CW를 갖는 장치.
  15. 제1항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 40 Torr 및 650 Torr에서 아르신 기체에 대하여 측정된, 200 이상의 흡착제 작동 용량, CW를 갖는 장치.
  16. 제1항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 비드, 과립, 펠렛, 정제, 분말, 미립자, 압출물, 천, 웨브 형태 물질, 벌집 모양의 매트릭스 단일체, 탄소 흡착제와 기타 성분의 복합물 및 분쇄되고 파쇄된 형태의 탄소 흡착 물질의 상기 구조물들로 구성된 군중에서 선택된 형태를 갖는 장치.
  17. 제1항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 비드 활성화된 탄소 물질을 포함하는 장치.
  18. 제1항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 직경이 약 0.1 mm 내지 1 cm인 입자 크기를 갖는 비드 활성화된 탄소 물질을 포함하는 장치.
  19. 제1항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 직경이 약 0.25 내지 약 2 mm인 입자 크기를 갖는 비드 활성화된 탄소 물질을 포함하는 장치.
  20. 고체상의 물리적 흡착 매체를 보유하고, 용기내외로 기체를 선택적으로 흐르게 할 수 있도록 구성되고 배열된 저장 및 분배 용기;
    내부 기압에서 저장 및 분배 용기내에 위치하고 있는 탄소 흡착 물질;
    상기 탄소 흡착 물질상에 물리적으로 흡착되어 있는 솔베이트 유체;
    (I) 탄소 흡착 물질로부터 유체를 탈착시키기 위해서 저장 및 분배 용기의 외부에 상기 내부압보다 낮은 압력을 제공하고, 탈착된 유체가 상기 용기에서 분배 조립체를 통해 흐르도록 구성되고 배열되거나
    (II) 탄소 흡착 물질을 가열하여 상기 탄소 흡착 물질로부터 유체를 탈착시키는 수단을 포함하고, 열적으로 탈착된 유체를 유동시켜 이 탈착된 유체가 용기로부터 분배 조립체로 흐르도록 구성되고 배열되는 것 중 적어도 하나와 같이 구성되고 배열되어 있으며, 저장 및 분배 용기와 기류를 상호 교환하면서 결합되어 있고, 열 또는 압력의 차이, 또는 열과 압력의 차이를 매개로 하여 탄소 흡착 물질로부터 유체를 탈착시킨 후에, 탈착된 유체를 필요에 따라 선택적으로 분배할 수 있도록 구성되고 배열된 분배 조립체를 포함하는 기체의 저장 및 분배를 위한 흡착-탈착 장치로서,
    상기 탄소 흡착 물질에 저장 및 분배 용기내에서 솔베이트 유체를 분해하기에 충분한 농도로 존재하는 물, 금속 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택된 미량 성분이 없는 장치.
  21. 제20항에 있어서, 물 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택된 미량 성분의 탄소 흡착 물질상에서의 농도가 25℃ 및 내부압에서 1년 후에 솔베이트 유체를 5 중량% 이상 분해하기에 불충분한 정도로 존재하는 장치.
  22. 제20항에 있어서, 물 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택된 미량 성분의 탄소 흡착 물질상에서의 농도가 25℃ 및 상기 내부압에서 1년 후에 솔베이트 유체를 1 중량% 이상 분해하기에 불충분한 정도로 존재하는 장치.
  23. 제20항에 있어서, 탄소 흡착 물질의 중량을 기준으로 물, 금속 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택한 미량 성분의 탄소 흡착 물질상에서의 농도가 저장 및 분배 용기내에서 25℃, 1주일 후에 솔베이트 유체를 분해시켜 내부 압력을 25% 이상 상승시키기에 불충분한 정도로 존재하는 장치.
  24. 제20항에 있어서, 탄소 흡착 물질의 중량을 기준으로 물, 금속 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택한 미량 성분의 탄소 흡착 물질상에서의 농도가 저장 및 분배 용기내에서 25℃, 1주일 후에 솔베이트 유체를 분해시켜 내부 압력을 10% 이상 상승시키기에 불충분한 정도로 존재하는 장치.
  25. 제20항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 탄소 흡착 물질의 중량을 기준으로 물 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택된 미량 성분을 350 ppm 미만 포함하고 있는 장치.
  26. 제20항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 탄소 흡착 물질의 중량을 기준으로 물 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택된 미량 성분을 100 ppm 미만 포함하고 있는 장치.
  27. 제20항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 탄소 흡착 물질의 중량을 기준으로 물 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택된 미량 성분을 10 ppm 미만 포함하고 있는 장치.
  28. 제20항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 탄소 흡착 물질의 중량을 기준으로 물 및 산화 전이 금속류로 구성된 군중에서 선택된 미량 성분을 1 ppm 미만 포함하고 있는 장치.
  29. 제20항에 있어서, 상기 솔베이트 기체가 실란, 디보란, 아르신, 포스핀, 염소, BCl3, BF3, B2D6, 헥사플루오르화 텅스텐, (CH3)3Sb, 플루오르화 수소, 염화 수소, GeF4, SiF4, 중수소화된 수화물, 요오드화 수소, 브롬화 수소, 게르만, 암모니아, 스티빈, 황화 수소, 셀렌화 수소, 텔루르화 수소 및 NF3로 구성된 군중에서 선택되는 장치.
  30. 제20항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 그 흡착 특성을 증진시키기 위해 처리되는 장치.
  31. 제30항에 있어서, (1) 분배시킬 유체를 흡착제에 적재할 때의 흡착 매체상에 특정 유체의 흡착, 또는 (2) 흡착제에 저장 및 분배 용기로부터 유체를 분배하기 위한 공정 조건을 가할 때의 유체의 탈착 또는 (1)의 흡착과 (2)의 탈착 모두를 증가시키는 화학기로 흡착제의 표면에 작용성을 주기 위해서 탄소 흡착 물질이 처리되는 장치.
  32. 제20항에 있어서, 탄소 흡착 물질이 이 물질의 흡착 특성을 증진시키기 위해 그 표면상에 흡착-증진 물질이 도포되어 처리되는 장치.
  33. 제20항에 있어서, 흡착 물질의 흡착 효율을 감소시키는 불순물과 친화성을 갖는 화학 흡착 물질을 저장 및 분배 용기내에 추가로 포함하는 장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 화학 흡착제가 하기 (A) 및 (B)로 구성된 군중에서 선택되는 장치:
    (A) 불순물의 존재하에 그런 불순물을 제거하기 위해서 반응성이 있는 음이온을 제공하는 화합물과 결합(공유 결합은 아님)되어 있는 지지체를 포함하는 스캐빈저로서, 상기 화합물은 (i) 및 (ii)로 구성된 군의 하나 이상의 성분으로부터 선택되며:
    (i) 양성자화된 카바니온(carbanion) 화합물이 약 22 내지 약 36의 pKa값을 갖는 카바니온 공급원 화합물; 및
    (ii) 상기 카바니온 공급원 화합물과 솔베이트 기체를 반응시켜 형성된 음이온 공급원 화합물; 및
    (B) (i) 1 g당 약 50 내지 약 1000 m2의 표면적을 갖고 최소한 250℃까지는 열적으로 안정한 불활성 지지체; 및
    (ii) 지지체 1리터당 약 0.01 내지 약 1.0 몰 농도로 지지체 상에 존재하고, 나트륨, 칼륨, 루비듐 및 세슘 중에서 선택된 IA족 금속 및 이의 혼합물 및 합금으로된 지지체의 분해 및 열분해에 의해 형성되는 활성 스캐빈저류를 포함하는 스캐빈저.
  35. 제33항에 있어서, 상기 화학 흡착제가 트리틸리튬 및 칼륨 아르세나이드로 구성된 군중에서 선택되는 장치.
  36. 제33항에 있어서, 상기 화학 흡착제가 상기 저장 및 분배 용기내의 탄소 흡착 물질과 유체 흐름을 상호 교환하는 화학 흡착 물질의 분리 베드로 존재하는 장치.
  37. 제33항에 있어서, 상기 화학 흡착제가 저장 및 분배 용기내의 탄소 흡착 물질내에 분산되어 있는 장치.
  38. 고체상 물리적 흡착 매체를 보유하고, 용기내외로 유체를 선택적으로 흐르게 할 수 있도록 구성되고 배열된 저장 및 분배 용기;
    내부 기압에서 저장 및 분배 용기내에 위치하고 있는 고체상 물리적 흡착 매체;
    고체상 물리적 흡착 매체상에 물리적으로 흡착되어 있는 흡착성 유체; 및
    (I) 고체상 물리적 흡착 매체로부터 흡착성 유체를 탈착시키기 위해서 저장 및 분배 용기의 외부에 상기 내부압보다 낮은 압력을 제공하고, 탈착된 유체가 분배 조립체를 통해 흐르도록 구성되고 배열되거나
    (II) 흡착 물질을 가열하여 유체를 탈착시키는 수단을 포함하고, 열적으로 탈착된 유체를 유동시켜 이 탈착된 유체가 용기로부터 분배 조립체로 흐르도록 구성되고 배열되는 것 중에서 적어도 하나와 같이 구성되고 배열되어 있으며, 저장 및 분배 용기와 기류를 상호 교환하면서 결합되어 있는 분배 조립체를 포함하는 흡착성 유체의 저장 및 분배를 위한 흡착-탈착 장치로서, 하기 (i) 내지 (iii)의 특성 중 하나 이상에 의해 특징지워지는 장치:
    (i) 아르신 기체에 대한 흡착 물질의 탈착 가능한 솔베이트의 백분율이 15% 이상이고;
    (ii) 40 Torr 및 650 Torr에서 아르신 기체에 대하여 측정한 흡착제의 흡착 작동 용량은 50 이상이며;
    (iii) 장치가 소형의 이동 가능한, 사용 시점의 공급원 유체의 저장 및 분배 시스템을 포함하고, 상기 내부 기압이 1200 Torr 미만이다.
  39. 제38항에 있어서, 상기 흡착성 유체가 기체, 증기, 액체, 다중상(相) 유체 및 유체 혼합물로 구성된 군중에서 선택되는 흡착-탈착 장치.
  40. 제38항에 있어서, 상기 흡착 물질이 비드, 과립, 펠렛, 정제, 분말, 미립자, 압출물, 천 또는 웨브 형태 물질, 벌집 모양의 매트릭스 단일체, 탄소 흡착제와 기타 성분의 복합물, 분쇄된 형태의 상기 구조물 및 파쇄된 형태의 상기 구조물들로 구성된 군중에서 선택된 형태로 존재하는 흡착-탈착 장치.
  41. 제38항에 있어서, 상기 흡착 물질이 중합체, 알루미늄 포스포실리케이트, 점토, 제올라이트, 다공성 실리콘, 벌집 모양의 매트릭스 물질, 탄소 물질로 구성된 군중에서 선택되는 흡착-탈착 장치.
  42. 제38항에 있어서, 상기 흡착성 유체가 실란, 디보란, 아르신, 포스핀, 포스겐, 염소, BCl3, BF3, B2D6, 헥사플루오르화 텅스텐, 플루오르화 수소, 염화 수소, 요오드화 수소, 브롬화 수소, 게르만, 암모니아, 스티빈, 황화 수소, 시안화 수소, 셀렌화 수소, 텔루르화 수소, 중수소화된 수화물, 할로겐 기체성 화합물, 유기 화합물 및 유기 금속 화합물로 구성된 군중에서 선택되는 흡착-탈착 장치.
  43. 제38항에 있어서, 상기 흡착 물질이 제올라이트 및 탄소 흡착제로 구성된 군중에서 선택된 흡착-탈착 장치.
  44. 제38항에 있어서, 상기 흡착 물질이 활성화된 탄소를 포함하는 흡착-탈착 장치.
  45. 제38항에 있어서, 상기 흡착 물질이 비드 활성화된 탄소를 포함하는 흡착-탈착 장치.
  46. 제45항에 있어서, 상기 비드 활성화된 탄소의 직경이 약 0.1 내지 약 1 cm 범위인 흡착-탈착 장치.
  47. 제38항에 있어서, 상기 흡착 물질이 그 기공 부피의 대부분이 약 2Å 내지 100Å 범위의 직경을 갖는 기공으로 구성되어 있는 흡착-탈착 장치.
  48. 제38항에 있어서, 상기 흡착 물질이 압력(Torr)의 함수로서 흡착제 1리터당 흡착된 아르신의 그램수를 측정할 때, 25℃에서 하기와 같은 흡착 적재 특성을 갖는 아르신 기체 흡착 등온선을 갖는 흡착-탈착 장치:
    압력(Torr) 최소한의 적재(흡착제 1리터당 아르신의 g수) 25 30 50 62 100 105 200 145 300 168 400 177 500 185 550 188 650 192
  49. 제38항에 있어서, 상기 흡착 물질이 압력(Torr)의 함수로서 흡착제 1리터당 흡착된 아르신의 그램수로 측정된, 25℃에서 하기와 같은 흡착 적재 특성을 갖는 아르신 기체 흡착 등온선을 갖는 흡착-탈착 장치:
    압력(Torr) 적재(흡착제 1리터당 아르신의 그램수) 25 30-106 50 62-138 100 105-185 200 145-232 300 168-263 400 177-288 500 185-308 550 188-315 650 192-330
  50. 고체상 물리적 흡착 매체를 보유하고 용기내외로 유체를 선택적으로 흐르게 할 수 있도록 구성되고 배열된 저장 및 분배 용기;
    내부 기압에서 상기 저장 및 분배 용기내에 위치하고 있는 고체상 물리적 흡착 매체;
    상기 고체상 물리적 흡착 매체상에 물리적으로 흡착되어 있는 흡착성 유체; 및
    (I) 상기 고체상 물리적 흡착 매체로부터 흡착성 유체를 탈착시키기 위해서 저장 및 분배 용기의 외부에 상기 내부압보다 낮은 압력을 제공하고, 탈착된 유체가 분배 조립체를 통해 흐르도록 구성되고 배열되거나
    (II) 흡착 물질을 가열하여 상기 흡착 매체로부터 유체를 탈착시키는 수단을 포함하고, 열적으로 탈착된 유체를 유동시켜 이 탈착된 유체가 용기로부터 분배 조립체로 흐르도록 구성되고 배열되는 것 중 적어도 하나와 같이 구성되고 배열되어 있으며, 저장 및 분배 용기와 기류를 상호 교환하면서 결합되어 있는 분배 조립체를 포함하는 흡착성 유체를 저장 및 분배하기 위한 흡착-탈착 장치로서,
    상기 아르신 기체에 대한 흡착 물질의 탈착 가능한 솔베이트의 백분율이 15% 이상인 장치.
  51. 고체상 물리적 흡착 매체를 보유하고 용기내외로 유체를 선택적으로 흐르게 할 수 있도록 구성되고 배열된 저장 및 분배 용기;
    내부 기압에서 상기 저장 및 분배 용기내에 위치하고 있는 고체상 물리적 흡착 매체;
    상기 고체상 물리적 흡착 매체상에 물리적으로 흡착되어 있는 흡착성 유체; 및
    (I) 상기 고체상 물리적 흡착 매체로부터 흡착성 유체를 탈착시키기 위해서 저장 및 분배 용기의 외부에 상기 내부압보다 낮은 압력을 제공하고, 탈착된 유체가 분배 조립체를 통해 흐르도록 구성되고 배열되거나
    (II) 흡착 물질을 가열하여 상기 흡착 매체로부터 유체를 탈착시키는 수단을 포함하고, 열적으로 탈착된 유체를 유동시켜 이 탈착된 유체가 용기로부터 분배 조립체로 흐르도록 구성되고 배열되는 것 중 적어도 하나와 같이 구성되고 배열되어 있으며, 저장 및 분배 용기와 기류를 상호 교환하면서 결합되어 있는 분배 조립체를 포함하는 흡착성 유체를 저장 및 분배하기 위한 흡착-탈착 장치로서,
    40 Torr 및 650 Torr에서 아르신 기체에 대하여 측정한 흡착제의 흡착 작동 용량이 50 이상인 장치.
  52. 고체상 물리적 흡착 매체를 보유하고 용기내외로 유체를 선택적으로 흐르게 할 수 있도록 구성되고 배열된 저장 및 분배 용기;
    1200 Torr를 초과하지 않는 내부 기압에서 상기 저장 및 분배 용기내에 위치하고 있는 고체상 탄소 물리적 흡착 매체;
    상기 고체상 물리적 흡착 매체상에 물리적으로 흡착되어 있는 흡착성 유체; 및
    (I) 상기 고체상 물리적 흡착 매체로부터 흡착성 유체를 탈착시키기 위해서 저장 및 분배 용기의 외부에 상기 내부압보다 낮은 압력을 제공하고, 탈착된 유체가 분배 조립체를 통해 흐르도록 구성되고 배열되거나
    (II) 흡착 물질을 가열하여 상기 흡착 매체로부터 유체를 탈착시키는 수단을 포함하고, 열적으로 탈착된 유체를 유동시켜 이 탈착된 유체가 용기로부터 분배 조립체로 흐르도록 구성되고 배열되는 것 중 어느 하나와 같이 구성되고 배열되어 있으며, 저장 및 분배 용기와 기류를 상호 교환하면서 결합되어 있는 분배 조립체를 포함하는, 흡착성 유체를 저장 및 분배하기 위한 소형의 이동 가능한 사용 시점 흡착-탈착 장치.
  53. 제52항에 있어서, 상기 흡착성 유체가 기체, 증기, 액체, 다중상 유체 및 유체 혼합물로 구성된 군중에서 선택되는 흡착-탈착 장치.
  54. 제52항에 있어서, 상기 흡착 물질이 비드, 과립, 펠렛, 정제, 분말, 미립자, 압출물, 천 또는 웨브 형태 물질, 벌집 모양의 매트릭스 단일체, 탄소 흡착제와 기타 성분의 복합물, 분쇄된 형태의 상기 구조물 및 파쇄된 형태의 상기 구조물로 구성된 구성된 군중에서 선택되는 형태로 존재하는 흡착-탈착 장치.
  55. 제52항에 있어서, 상기 흡착 물질이 중합체, 알루미늄 포스포실리케이트, 점토, 제올라이트, 다공성 실리콘, 벌집 모양의 매트릭스 물질 및 탄소 물질로 구성된 군중에서 선택되는 흡착-탈착 장치.
  56. 제52항에 있어서, 상기 흡착성 기체가 실란, 디보란, 아르신, 포스핀, 포스겐, 염소, BCl3, BF3, B2D6, 헥사플루오르화 텅스텐, 플루오르화 수소, 염화 수소, 요오드화 수소, 브롬화 수소, 게르만, 암모니아, 스티빈, 황화 수소, 시안 수소, 셀렌화 수소, 텔루르화 수소, 중수소화된 수화물, 할로겐 기체성 화합물, 유기 화합물 및 유기 금속 화합물로 구성된 군중에서 선택되는 흡착-탈착 장치.
  57. 제52항에 있어서, 상기 흡착 물질이 제올라이트 및 탄소 흡착제로 구성된 군중에서 선택되는 흡착-탈착 장치.
  58. 제52항에 있어서, 상기 흡착 물질이 활성화된 탄소를 포함하는 흡착-탈착 장치.
  59. 제52항에 있어서, 상기 흡착 물질이 비드 활성화된 탄소를 포함하는 흡착-탈착 장치.
  60. 제59항에 있어서, 상기 비드 활성화된 탄소의 직경이 약 0.1 내지 약 1 cm 범위인 흡착-탈착 장치.
  61. 제52항에 있어서, 상기 흡착 물질이 직경이 약 2Å 내지 100Å 범위인 기공으로 구성된 기공 부피를 주로 포함하는 흡착-탈착 장치.
  62. 제52항에 있어서, 상기 흡착 물질이 압력(Torr)의 함수로서 흡착제 1리터당 흡착된 아르신의 그램수로 측정된, 25℃에서 하기와 같은 흡착 적재 특성을 갖는 아르신 기체 흡착 등온선을 갖는 흡착-탈착 장치:
    압력(Torr) 최소한의 적재(흡착제 1리터당 아르신의 g수) 25 30 50 62 100 105 200 145 300 168 400 177 500 185 550 188 650 192
  63. 제52항에 있어서, 상기 흡착 물질이 압력(Torr)의 함수로서 흡착제 1리터당 흡착된 아르신의 그램수로 측정된, 25℃에서 하기와 같은 흡착 적재 특성을 갖는 아르신 기체 흡착 등온선을 갖는 흡착-탈착 장치:
    압력(Torr) 적재(흡착제 1리터당 아르신의 그램수) 25 30-106 50 62-138 100 105-185 200 145-232 300 168-263 400 177-288 500 185-308 550 188-315 650 192-330
  64. 유체 반응물에 대한 물리적 흡착 친화성을 갖는 탄소 흡착 물질을 포함하는 저장 및 분배 용기를 제공하는 단계;
    탄소 흡착 물질상에 유체 반응물을 물리적으로 흡착 적재하여 솔베이트 유체-적재된 탄소 흡착 물질을 생성하는 단계;
    감압 탈착(압력 차이) 또는 흡착 물질의 가열 중 적어도 하나에 의해 솔베이트 유체-적재된 탄소 흡착 물질로부터 솔베이트 유체를 탈착시키는 단계;
    탈착된 유체를 저장 및 분배 용기로부터 분배시키는 단계를 포함하는 유체 반응물을 공급하는 방법.
  65. 제64항에 있어서, 상기 유체 반응물이 실란, 디보란, 아르신, 포스핀, 염소, BCl3, BF3, B2D6, 헥사플루오르화 텅스텐, (CH3)3Sb, 플루오르화 수소, 염화 수소, 중수소화된 수화물, GeF4, SiF4, 요오드화 수소, 브롬화 수소, 게르만, 암모니아, 스티빈, 황화 수소, 셀렌화 수소, 텔루르화 수소, NF3및 이의 혼합물로 구성된 군중에서 선택되는 유체를 포함하는 방법.
  66. 제65항에 있어서, 유기금속 화합물이 알루미늄, 바륨, 스트론튬, 갈륨, 인듐, 텅스텐, 안티몬, 은, 금, 팔라듐, 갈도리늄, 칼슘, 리튬, 칼륨, 세슘, 티타늄, 이트륨, 지르코늄, 납, 탄탈륨, 니오븀, 바나듐, 백금, 탈륨, 비스무르, 주석, 텔루륨, 셀레늄, 니켈, 아연, 텅스텐, 망간, 철, 코발트, 몰리브데늄, 마그네슘, 스칸디늄, 크롬, 구리, 카드뮴, 란탄늄 및 세륨으로 구성된 군중에서 선택되는 금속기를 포함하는 방법.
  67. 탄소 흡착 물질을 보유하고 용기내외로 유체를 선택적으로 흐르게 할 수 있도록 구성되고 배열된 저장 및 분배 용기;
    내부 유체압에서 저장 및 분배 용기내에 위치하고 있는 탄소 흡착 물질;
    탄소 흡착 물질상에 물리적으로 흡착되어 있는 솔베이트 유체;
    저장 및 분배 용기와 유체류를 상호 교환하면서 결합되어 있고, 탄소 흡착 물질로부터 솔베이트 기체를 탈착시키기 위해서 저장 및 분배 용기의 외부에 상기 내부압보다 낮은 압력을 제공하고, 탈착된 기체가 분배 조립체를 통해 흐르도록 구성되고 배열된 분배 조립체; 및
    탈착된 기체에 압력을 가하고, 압력이 가해진 기체를 방출하기 위해 분배 조립체에 결합되어 있는 저온펌프를 포함하는, 탄소 흡착 물질상의 흡착성 유체를 저장 및 분배하기 위한 흡착-탈착 장치.
  68. 탄소 흡착 물질을 보유하는 저장 및 분배 용기를 제공하는 단계;
    탄소 흡착 물질상에 유체를 흡착시키는 단계;
    탄소 흡착 물질로부터 솔베이트 유체를 탈착시키기 위해서 저장 및 분배 용기의 외부에 내부압보다 낮은 압력을 설정하고, 탈착된 유체가 저장 및 분배 용기외로 흐르도록 하는 단계;
    저장 및 분배 용기로부터 탈착된 유체를 예정된 압력으로 저온 펌핑하는 단계로서, 이 예정된 압력이 저장 및 분배 용기외로 흐르는 탈착된 유체의 압력보다 높은 단계를 포함하는, 탄소 흡착 물질상의 흡착성 유체를 저장 및 분배하기 위한 방법.
  69. 반응물 공급 물질을 위한 반응물 공급원 및 상기 반응물 공급원과 기류를 상호 교환하면서 결합되어 있는 이온 주입 장치를 포함하는 이온 주입 시스템으로서,
    상기 반응물 공급원이
    고체상 물리적 흡착 매체를 보유하고 용기내외로 기체를 선택적으로 흐르게 할 수 있도록 구성되고 배열된 저장 및 분배 용기;
    내부 기압에서 저장 및 분배 용기내에 위치하고 있는 고체상 탄소 물리적 흡착 매체;
    고체상 탄소 물리적 흡착 매체상에 물리적으로 흡착되어 있는 솔베이트 기체; 및
    저장 및 분배 용기와 이온 주입 장치가 기류를 상호 교환하면서 결합되어 있고, 고체상 물리적 흡착 매체로부터 솔베이트 기체를 탈착시키기 위해서 저장 및 분배 용기의 외부에 상기 내부압보다 낮은 압력을 제공하고, 탈착된 기체가 상기 분배 조립체를 통하여 이온 주입 장치로 흐르도록 구성되고 배열된 분배 조립체를 포함하는, 기체의 저장 및 분배를 위한 흡착-탈착 장치를 포함하는 시스템.
  70. 기체 반응물에 물리적으로 흡착 친화성을 갖는 고체상 탄소 물리적 흡착 매체를 포함하는 저장 및 분배 용기를 제공하는 단계;
    상기 고체상 탄소 물리적 흡착 매체상에 솔베이트 기체를 물리적으로 흡착 적재하여 솔베이트-기체 적재된 탄소 물리적 흡착 매체를 생성하는 단계;
    분배를 위해서 솔베이트 기체 적재된 탄소 물리적 흡착 매체로부터 솔베이트 기체를 감압 탈착에 의해서 선택적으로 탈착시키는 단계;
    탈착된 솔베이트 기체를 저장 및 분배 용기로부터 이온 주입 영역으로 흐르도록 하는 단계를 포함하는 이온 주입 구역으로 기체 반응물을 공급하기 위한 방법.
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