KR101135262B1 - 불소계 온실가스의 제거효율의 측정방법 및 측정시스템 - Google Patents

불소계 온실가스의 제거효율의 측정방법 및 측정시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 공정의 1사이클 동안 온실가스제거기에 인입되는 유체로부터 불소계 온실가스의 농도를 실시간 측정하는 단계;
(b) 상기 단계 (a)에서 실시간 측정된 불소계 온실가스의 농도로부터 얻어지는 각 측정시점에서의 불소계 온실가스의 함량을 상기 공정의 1사이클 전 구간에 대하여 적분하여 전체 함량을 결정하는 단계;
(c) 상기 공정의 1사이클 동안 온실가스 제거기에 입력되어 배출된 유체로부터 불소계 온실가스의 농도를 실시간 측정하는 단계;
(d) 상기 단계 (c)에서 실시간 측정된 불소계 온실가스의 농도로부터 얻어지는 각 측정시점에서의 불소계 온실가스의 함량을 상기 공정의 1사이클 전 구간에 대하여 적분하여 전체 함량을 결정하는 단계; 및
(e) 상기 단계 (b)에서 얻은 불소계 온실가스의 전체 함량과 상기 단계 (d)에서 얻은 불소계 온실가스의 전체 함량의 차를 이용하여 온실가스 제거기에서 제거된 불소계 온실가스의 제거효율을 얻는 단계;
를 포함하는 온실가스의 제거효율의 측정방법을 제공한다.

Description

불소계 온실가스의 제거효율의 측정방법 및 측정시스템{DETERMINATION METHOD AND SYSTEM FOR DESTRUCTION AND REMOVAL EFFICIENCY OF GREEN HOUSE GASES}
본 발명은 반도체, TFT-LCD 등의 제조공정 중 배출되어지는 불소계 온실가스의 제거효율을 측정하는 방법 및 측정시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체, TFT-LCD 등의 제조공정 중 배출되는 온실가스의 처리장치에서 인입된 불소계 온실가스와 배출된 불소계 온실가스의 총 함량을 1사이클 동안 적분하고 이의 차로부터 유체에 함유된 불소계 온실가스의 제거효율을 신속하고 정밀하게 측정할 수 있는 불소계 온실가스의 제거효율의 측정방법 및 측정시스템에 관한 것이다.
온실가스란 지구 온난화 현상을 유발하는 가스로서 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 과불화탄소(PFCs), 수소불화탄소(HFCs), 육불화황(SF6) 등을 지칭하며, 이 중 온실 효과에서 최근 중요성이 대두되고 있고 파괴하기 어려운 온실가스인 불소계 온실가스류(지구 온난화 지수가 이산화탄소에 비해 수천 내지 수만배 큰 온실가스류로서 일명 슈퍼 온실가스, 함불소 온실가스, 불화 온실가스 등으로 불리며, 분자구조상 1개 이상의 불소를 포함하고 단일결합만으로 구성된 온실가스들을 통칭하며, PFCs, HFCs, SF6, NF3 등이 대표적임)는 지구 온난화 지수가 매우 크고, 반도체, TFT-LCD 제조시 많은 양이 사용되고 있다.
국가 온실가스 인벤토리 작성을 위한 2006 IPCC 가이드라인은 이들 산업의 PFCs 배출량 산정을 위하여 Tier1, Tier2, Tier3의 방법을 제시하고 있고, Tier1 방법의 불확도로 인하여 이 방법으로 산정시 배출제어기술의 저감량을 인정하지 않고 있다. 따라서 Tier1, Tier2, Tier3의 방법을 단독 혹은 혼용하여 사용하여야 하며 이를 위해서 배출처리장치에서 파괴된 PFCs 비율(DRE)과 배출처리장치에서 전환된 부산물 PFCs 비율(주로 과불화알칸류; CnF2n+2)의 측정이 필요하며 측정오차를 고려하는 기술적으로 안정적인 절차를 사용하여 측정되고 확인된 경우에 대하여 배출처리장치의 파기효율성에 대한 배출계수를 적용해야 함을 기술하고 있다. 특히 적용된 배출감축시스템이 표준서 등의 문서에 의해 적정하게 관리, 운용되고 있음을 보여야 하며, CF4에 대해서는 85% 이상 기타 FC 물질에 대해서는 90% 이상의 제거 효율을 충족시켜야만 그 배출제어계수를 사용할 수 있음을 명기하고 있다. 그러나 아직은 국제적으로 인정할 수 있는 측정기술이 개발되지 않음으로써 이 배출계수의 적용과 신뢰성에 많은 이견이 있으며 향후 국가간 선도적 역할자가 나타나지 않고 있는 상황이다.
국내에서는 이러한 PFCs의 배출제거효율을 측정하는 방식으로 초창기 FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectrometer)과 QMS(Quadrupole Mass Spectrometer; 사중극자 질량분석기)의 사용이 1990년도 후반에 제안되었으나, 제조공정의 특성상 유량과 농도가 변동되는 조건에서 실제 배출되는 PFCs 가스량의 신뢰성 있는 데이터 확보를 위해 실시간 온라인 측정방법으로 FT-IR 방식을 선호하여 적용중이다. 지금까지의 QMS를 이용한 온실가스 제거효율의 측정방법으로는 임의구간 평균값 평가법과 고정인입조건 평가법으로 대별되고 있다. 전자는 다시 임의의 공정구간에 대하여 대략 수 분 동안의 농도 평균값을 측정하는 방식과 수 분 동안 가스 시료를 채취하여 실험실로 운반한 후 정밀 가스 질량분석기(precision GAS-MS)로 측정하는 방법이 있으나 이들은 모두 임의 구간의 DRE에 대한 평균값을 얻는 방법으로 그 값의 대표성에 대한 신뢰가 부족하고 또 반응부산물(CF4 등)의 측정도 고려하지 않는 문제가 있다. 또, 후자의 방법은 유량과 농도를 임의로 고정시켜 FT-IR을 이용한 현장에서의 농도측정을 통해 연속으로 모니터링을 하는 방법으로 마찬가지로 유량과 농도를 임의로 고정시킨다는 점에서 측정값을 신뢰할 수 없는 문제가 있다.
국외에서는 미국의 측정 전문기관인 Sematech에서 99년도 중반부터 FT-IR을 사용한 측정을 하여 왔으나 이 역시 유량의 변화와 농도의 변화 또한 이의 부산물인 CF4 등의 측정값을 고려하지 않고 있으며, 특히 유량, 농도, 측정구간을 포함한 총 PFCs의 적분값을 산출하지 않는 방법이므로 정확도에 대한 신뢰성을 갖기 어려운 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같이 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 반도체, TFT-LCD 등의 제조공정 중 배출되는 온실가스의 처리장치에서 유체에 함유된 불소계 온실가스의 제거효율을 신속하고 정밀하게 측정할 수 있는 불소계 온실가스의 제거효율의 측정방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 반도체, TFT-LCD 등의 제조공정 중 배출되는 온실가스의 처리장치에서 유체에 함유된 불소계 온실가스의 제거효율을 신속하고 정밀하게 측정할 수 있는 불소계 온실가스의 제거효율 측정시스템을 제공함에 있다.
이상과 같은 본 발명에 따른 기술적 과제는 반도체, 또는 TFT-LCD 등의 제조공정을 이루는 반복 공정구간에 대한 유량의 변동을 고려하면서 불소계 온실가스의 제거효율의 측정시 온라인 모니터링을 통한 연속적분식 평가법을 적용하는 것에 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 수단에 의해 달성되어진다.
(1) (a) 공정의 1사이클 동안 온실가스제거기에 인입되는 유체로부터 불소계 온실가스의 농도를 실시간 측정하는 단계;
(b) 상기 단계 (a)에서 실시간 측정된 불소계 온실가스의 농도로부터 얻어지는 각 측정시점에서의 불소계 온실가스의 함량을 상기 공정의 1사이클 전 구간에 대하여 적분하여 전체 함량을 결정하는 단계;
(c) 상기 공정의 1사이클 동안 온실가스 제거기에 입력되어 배출된 유체로부터 불소계 온실가스의 농도를 실시간 측정하는 단계;
(d) 상기 단계 (c)에서 실시간 측정된 불소계 온실가스의 농도로부터 얻어지는 각 측정시점에서의 불소계 온실가스의 함량을 상기 공정의 1사이클 전 구간에 대하여 적분하여 전체 함량을 결정하는 단계; 및
(e) 상기 단계 (b)에서 얻은 불소계 온실가스의 전체 함량과 상기 단계 (d)에서 얻은 불소계 온실가스의 전체 함량의 차를 이용하여 온실가스 제거기에서 제거된 불소계 온실가스의 제거효율을 얻는 단계;
를 포함하는 온실가스의 제거효율의 측정방법.
(2) 제 1항에 있어서,
불소계 온실가스의 함량을 결정하기 위해 비변환가스를 상기 온실가스 제거기에 인입되는 유체내로 투입하는 것을 특징으로 하는 온실가스의 제거효율의 측정방법.
(3) 제 2항에 있어서,
비변환가스는 CF4인 것을 특징으로 하는 온실가스의 제거효율의 측정방법.
(4) 제 1항에 있어서,
상기 불소계 온실가스는 과불화탄소, 수소불화탄소, 또는 육불화황인 것을 특징으로 하는 온실가스의 제거효율의 측정방법.
(5) 제 1항에 있어서,
온실가스는 CF4, C2F6, C3F8, c-C4F8, c-C4F8O, C4F6, CHF3, CH2F2, NF3, 또는 SF6인 것을 특징으로 하는 온실가스의 제거효율의 측정방법.
(6) 공정의 1사이클 동안 발생하는 불소계 온실가스를 함유하는 유체를 공급하는 유체 공급부;
상기 공정의 1사이클 동안 인입된 유체로부터 불소계 온실가스를 일정량 제거하고 배출하는 온실가스 제거기; 및
상기 공정의 1사이클 동안 온실가스 제거기에 인입 및 배출되는 유체로부터 각각 불소계 온실가스의 함량을 실시간 측정하는 실시간 농도분석기, 및 상기 인입, 배출된 불소계 온실가스의 각 실시간 함량을 상기 공정의 1사이클 전체에 대하여 적분하여 불소계 온실가스의 전체 함량을 각각 결정하고 이들의 차로부터 온실가스 제거기에서 제거된 불소계 온실가스의 제거율을 산출하는 연산처리부를 포함하는 온실가스 측정기;
를 포함하는 온실가스의 제거효율 측정시스템.
(7) 제 6항에 있어서,
온실가스는 과불화탄소, 수소불화탄소, 또는 육불화황인 것을 특징으로 하는 온실가스의 제거효율의 측정시스템.
(8) 제 6항에 있어서,
불소계 온실가스는 CF4, C2F6, C3F8, c-C4F8, c-C4F8O, C4F6, CHF3, CH2F2, NF3, 또는 SF6인 것을 특징으로 하는 온실가스의 제거효율의 측정시스템.
본 발명에 의하면, 반도체, TFT-LCD 등의 제조공정 중 배출되는 불소계 온실가스의 처리장치에서 유체에 함유된 불소계 온실가스의 제거효율을 신속하고 정밀하게 측정하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 불소계 온실가스 제거효율 측정시스템의 일 실시예를 나타낸 전체 구성도.
도 2는 FT-IR을 이용하여 본 발명 실시예에서 공정의 1사이클 동안 측정된 불소계 온실가스(NF3)의 인입농도 및 배출농도를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명 실시예에서 비변환가스(CF4)의 농도를 측정하여 공정의 1사이클 동안 산출된 유체의 전체 인입유량 및 배출유량을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명 실시예에서 공정의 1사이클 동안 측정된 NF3 제거효율의 변동을 나타낸 그래프.
본 발명은 (a) 공정의 1사이클 동안 온실가스제거기에 인입되는 유체로부터 불소계 온실가스의 농도를 실시간 측정하는 단계;
(b) 상기 단계 (a)에서 실시간 측정된 불소계 온실가스의 농도로부터 얻어지는 각 측정시점에서의 불소계 온실가스의 함량을 상기 공정의 1사이클 전 구간에 대하여 적분하여 전체 함량을 결정하는 단계;
(c) 상기 공정의 1사이클 동안 온실가스 제거기에 입력되어 배출된 유체로부터 불소계 온실가스의 농도를 실시간 측정하는 단계;
(d) 상기 단계 (c)에서 실시간 측정된 불소계 온실가스의 농도로부터 얻어지는 각 측정시점에서의 불소계 온실가스의 함량을 상기 공정의 1사이클 전 구간에 대하여 적분하여 전체 함량을 결정하는 단계; 및
(e) 상기 단계 (b)에서 얻은 불소계 온실가스의 전체 함량과 상기 단계 (d)에서 얻은 불소계 온실가스의 전체 함량의 차를 이용하여 온실가스 제거기에서 제거된 불소계 온실가스의 제거효율을 얻는 단계;
를 포함하는 온실가스의 제거효율의 측정방법을 제공한다.
또한 본 발명은
공정의 1사이클 동안 발생하는 불소계 온실가스를 함유하는 유체를 공급하는 유체 공급부;
상기 공정의 1사이클 동안 인입된 유체로부터 불소계 온실가스를 일정량 제거하고 배출하는 온실가스 제거기; 및
상기 공정의 1사이클 동안 온실가스 제거기에 인입 및 배출되는 유체로부터 각각 불소계 온실가스의 함량을 실시간 측정하는 실시간 농도분석기, 및 상기 인입, 배출된 불소계 온실가스의 각 실시간 함량을 상기 공정의 1사이클 전체에 대하여 적분하여 불소계 온실가스의 전체 함량을 각각 결정하고 이들의 차로부터 온실가스 제거기에서 제거된 불소계 온실가스의 제거율을 산출하는 연산처리부를 포함하는 온실가스 측정기;
를 포함하는 온실가스의 제거효율 측정시스템을 제공한다.
본 발명에서 측정대상이 되는 불소계 온실가스는 다양한 산업분야에서 제조공정 등에 사용되거나 공정 중 발생하는 과불화탄소(PFCs), 수소불화탄소(HFCs), 또는 육불화황(SF6) 등과 같은 대기온난화를 유발하는 것으로 기존에 알려진 어떠한 불소계 온실가스도 포함된다. 본 발명에서 측정하고자 하는 온실가스의 구체적인 예시로는 CF4, C2F6, C3F8, c-C4F8, c-C4F8O, C4F6, CHF3, CH2F2, NF3, 또는 SF6을 들 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 불소계 온실가스 제거효율 측정시스템의 일 실시예를 나타낸 전체 구성도이다. 본 발명에 따른 불소계 온실가스의 제거효율 측정시스템은 유체 공급부(10), 온실가스 제거기(20), 및 온실가스 측정기(30)로 이루어진다.
불소계 온실가스를 함유하는 유체는 각종 산업현장에서 배출되는 유체를 포함하며, 예를 들어 반도체 또는 TFT-LCD 제조공정 중, 식각 및 CVD 세정공정에서 사용되어 배출되는 유체에는 불소계 온실가스가 다량으로 함유되어 있다. 이들 유체는 일반적으로 유해물질을 필터링하거나, 분해시켜 무해화 처리한 후 외부로 배출되어진다.
본 발명에서 유체 공급부(10)는 유체를 공급하기 위한 각종 배관, 유량제어 펌프 내지 제어밸브와 같이 온실가스를 파괴하여 제거하는 온실가스 제거기(20)에 유체를 공급하기 위한 어떠한 수단도 포함하는 의미이다. 따라서, 불소계 온실가스를 포함하는 유체가 복수개의 배관을 통해 유입되고 여기에 반응보조제, 예를 들어 반응보조제인 공기나 스팀 등이 혼합되어지는 혼합실(mixing chamber)(9)도 본 발명의 유체 공급부(10)를 구성하게 된다.
상기 도 1은 본 발명 시스템의 성능을 평가하기 위한 시스템의 전체 구성도를 실시예로서 제시하고 있다. 이 실시예에서는 운반가스인 질소가스, 불소계 온실가스인 NF3 가스 및 비변환가스인 CF4 가스가 각각 질소가스 공급부(1), 온실가스 공급부(2), 및 비변환가스 공급부(3)로부터 각각 공급되어지도록 구성된다. 본 발명의 실시예에서 실험적으로 비변환가스로서 CF4 가스가 온실가스 제거기(20)의 인입부와 배출부에서의 총부피유량을 모니터링하기 위하여 주입되어진다. 비변환가스는 온실가스 제거기(20)에서 분해되지 않는 물질로서, 실시간 함량측정기(31)에 의해 농도가 측정될 수 있는 것이라면 어떠한 물질도 가능하다. 즉, 실시간 함량측정기(31)이 FT-IR 장치라면 단원자 분자를 제외한 이원자 분자 이상으로 온실가스 제거기(20)의 반응온도에서 분해되지 않는 물질이면 어떠한 물질도 사용될 수 있다.
상기 각 가스들은 각각 질량유량 제어기(MFC)(4,5,6)를 통해 메인챔버(7)로 이송되어진다. 메인챔버(7)는 반도체 등의 식각공정과 같은 반응이 일어나는 공간으로, 메인쳄버(7)에 인입된 각 가스는 반응에 참여하고, 남은 가스는 펌프(8)를 통해 일정한 유량으로 혼합실(9)로 이송된다. 혼합실(9)은 불소계 온실가스를 함유하는 유체를 1사이클을 반복단위로 하여 온실가스 제거기(20)에 공급한다.
온실가스 제거기(20)는 유체내 함유된 불소계 온실가스를 분해하는 장치이며, 예를 들어 연소식, 전기가열식, 플라즈마식, 화학적 촉매식 또는 이들의 하이브리드식과 같은 공지의 반도체, LCD 공정에 사용되는 스크러버(scrubber)가 사용될 수 있다. 앞서 예로든 NF3의 경우 600 내지 800℃, SF6는 1200℃ 정도, CF4는 1400℃ 정도의 열이 가해지면 분해가 일어난다. 최근 온실가스의 분해에 고에너지가 요구되는 CF4를 대체하여 NF3, SF6 등의 가스가 이용되고 있는 점을 감안하면 많은 열을 가하지 않아도 대부분의 온실가스를 제거할 수 있을 것으로 기대한다.
온실가스 제거기(20)에서 상기 인입된 유체에 함유된 불소계 온실가스가 거의 제거되고, 나머지는 배출부(21)를 통해 외부로 배출되어진다.
이때 혼합실(9)에 인입된 유체의 일부는 불소계 온실가스 함량분석을 위한 샘플로써 일정한 유량으로 온실가스 측정기(30)로 공급한다. 또 상기 배출부(21)를 통해 배출되는 유체의 일부도 상기 온실가스 측정기(20)로 공급되어진다. 이때 상기 배출부(21)로 배출되는 유체는 온실가스 제거기(20)의 제거효율에 따라 불소계 온실가스가 제거된 상태의 유체로서 잔량의 불소계 온실가스를 함유하게 된다.
온실가스 측정기(30)는 상기 유체 공급부(10)로부터 온실가스 제거기(20)에 인입되는 유체와 온실가스 제거기(20)로부터 배출되는 유체 내 함유된 불소계 온실가스의 함량을 실시간 정량화하고 이들 함량의 차로부터 불소계 온실가스의 제거효율을 산출한다.
이를 위해 본 발명에 따른 온실가스 측정기(30)는 도 1에 의해 도시된 바와 같이 유체 및 유체 내 함유된 불소계 온실가스의 농도를 실시간으로 모니터링하여 측정하는 실시간 농도측정기(31)와 상기 실시간 농도측정기로부터 얻은 불소계 온실가스의 농도의 차를 구하여 불소계 온실가스의 제거효율을 산출하는 연산처리부(32)로 이루어진다.
온실가스 제거기(20)에 유체가 투입되는 것과 동시에 그 일부가 FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectrometer)과 같은 실시간 농도분석기(31)에 인입되고, 온실가스 제거기(20)에서 처리된 유체가 배출되는 것과 동시에 그 일부가 다시 실시간 농도분석기(31)에 인입되어 각 샘플내 함유된 불소계 온실가스의 농도를 측정하게 된다.
도 2는 실시간 농도분석기의 일예로 FT-IR(2010 FT-IR Multi-Gas Analyzer, MKS, USA)을 이용하여 불소계 온실가스의 하나인 NF3의 농도를 시간에 따라 측정한 실험결과에 대한 예가 제시되어 있다. 상기 실험은 반도체 제조공정에 사용되는 스크러버의 정상운전상태에서 비변환가스로 CF4를 0.1 L/min의 속도로 주입하면서 각각 스크러버의 인입구와 배출구에서 측정하고, 온실가스 제거기에서의 부산물(CF4)의 전환비율을 결정하기 위하여 상온에서 CF4를 0.1 L/min의 속도로 주입하면서 마찬가지로 스크러버의 인입구와 배출구에서 농도를 각각 측정하였으며, 실험에 사용된 가스는 앞에서 설명한 바와 동일하다.
도 2에 제시된 실험 결과는 유체 내 함유된 NF3의 인입농도와 배출농도를 1사이클에 대하여 측정한 결과이다. 이때 NF3의 인입농도 및 배출농도는 FT-IR(31)에 의해 실시간으로 각각 모니터링되어지지만, 이들 가스에는 다양한 성분의 가스, 예를 들어 운반가스, 비변환가스 내지 온실가스 분해반응을 수행하기 위해 투입된 각종 보조가스(공기, 스팀 등)가 포함되어 있어 희석된 상태의 농도가 측정되어지므로 농도를 정확하게 산출하기 위해 전체 유량에 관한 정보가 필요하다.
이를 위해 전체 유량을 산출하기 위하여 반응 중 분해되지 않는 비변환가스가 투입되어진다. 본 발명의 실시예에 사용된 비변환가스인 CF4를 일정량으로 온실가스 제거기(20)에 투입하면 그 인입부와 배출부에서의 농도(mass flow)는 일정하게 유지되어야 한다. 따라서, 다음 식 1과 같은 농도관계식을 얻을 수 있다.
[식 1]
Figure 112010042580576-pat00001
또, 비변환가스에 대한 인입부에서의 농도
Figure 112010042580576-pat00002
는 FT-IR을 통해 측정이 가능하며, 아래 식 2를 만족한다.
[식 2]
Figure 112010042580576-pat00003
여기서,
Figure 112010042580576-pat00004
와
Figure 112010042580576-pat00005
은 각각 최초로 공급되는 CF4의 농도 및 온실가스 제거기 인입부에서의 FT-IR을 이용하여 측정된 CF4의 농도이며,
Figure 112010042580576-pat00006
와
Figure 112010042580576-pat00007
은 각각 초기 CF4의 유량 및 온실가스 제거기 인입부에서의 전체 유량을 나타낸다.
상기 식 2에서
Figure 112010042580576-pat00008
,
Figure 112010042580576-pat00009
은 초기에 주어진 값으로 상수이며,
Figure 112010042580576-pat00010
은 FT-IR을 이용하여 측정가능한 값이므로 온실가스 제거기 인입부에서의
Figure 112010042580576-pat00011
을 산출할 수 있다.
또한, 비변환가스에 대한 배출부에서의 농도
Figure 112010042580576-pat00012
는 FT-IR을 통해 측정이 가능하므로, 배출부에서의 총유량
Figure 112010042580576-pat00013
을 산출할 수 있다.
도 3은 상기와 같은 과정을 통해 얻은 온실가스 제거기(20)의 인입부와 배출부에서의 전체 유량의 변화를 나타낸 그래프를 보여준다.
상기 그래프의 결과에서 알 수 있듯이, 온실가스 제거기(20)로 인입 또는 배출되는 전체 유량은 공정의 1사이클 구간내에서도 매 순간 큰 변화를 보이는 것에서 알 수 있듯이, 어느 하나의 구간을 취하여 이들의 평균값을 취하는 방식으로는 제거효율의 정확한 평가가 불가능함을 확인할 수 있다.
상기 도 3에 제시된 예와 유사하게 실제 반도체 또는 LCD 제조공정에서 반응 후 배출되는 유체의 온실가스 제거기로의 인입 및 배출량은 공정의 1사이클 마다 반복되는 특성을 가진다. 따라서, 본 발명에서는 반복적인 패턴을 갖는 어느 특정 사이클을 이루는 온실가스 제거기(20)로 인입된 유체와 처리되어 배출된 유체를 대상으로 당해 1사이클에 대하여 실시간으로 불소계 온실가스의 농도를 측정하고, 이들을 연속적분하여 얻은 농도의 차로부터 불소계 온실가스의 제거효율을 측정한다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 이들 유체 및 유체 내 함유된 불소계 온실가스는 FT-IR과 같은 실시간 농도분석기(31)를 통해 실시간 측정되며, 또 연산의 편의를 위해 구간별 측정값의 평균을 취하여 연속 적분법에 의해 합산하고, 각각의 결과를 전구간에 걸쳐 합산하여 공정의 1사이클에서의 불소계 온실가스의 전체 함량을 결정하는 방법으로도 측정할 수 있다. 이러한 과정은 연산처리부(22)에서 수행되며, 이는 간단한 적산 프로그램을 통해 소프트웨어적으로 또는 하드웨어적으로 구현할 수 있다. 이에 따라 인입농도와 배출농도로부터 얻어진 각 불소계 온실가스의 함량의 차이로부터 불소계 온실가스의 제거효율을 정확하게 산출할 수 있다.
보다 구체적인 예로 본 발명에서의 불소계 온실가스의 제거효율은 하기 식 3과 같이 온실가스 제거기에서 파괴된 온실가스의 비율로서 나타낼 수 있다.
[식 3]
Figure 112010042580576-pat00014
상기 식에서 DRE는 온실가스 제거기(20)에서 파괴된 불소계 온실가스의 비율이고, V'및 V는 각각 온실가스 제거기(20)에서 배출되는 불소계 온실가스의 함량과 온실가스 제거기(20)로 인입되는 불소계 온실가스의 함량을 나타내고, 이들 변수의 구체적인 값은 하기 식 4 및 5 에 의해 산출될 수 있다.
[식 4]
Figure 112010042580576-pat00015
[식 5]
Figure 112010042580576-pat00016
상기 식 4 및 5에서,
Figure 112010042580576-pat00017
,
Figure 112010042580576-pat00018
이다.
상기 식 4 및 5에서 C와 C'은 각각 온실가스 제거기(20)로 인입되는 불소계 온실가스의 부피농도와 온실가스 제거기(20)에서 배출되는 불소계 온실가스의 부피농도, Q와 Q'은 각각 온실가스 제거기(20)로 인입되는 총 유량속도 및 온실가스 제거기(20)에서 배출되는 총 유량의 속도, T와 T'은 각각 온실가스 제거기(20)의 인입부 측정시각 및 배출부 측정시각, A는 온실가스 제거기(20)의 인입단에 주입하는 비변환 가스의 유량속도, N과 N'은 각각 온실가스 제거기(20)로 인입되는 비변환 가스의 부피농도 및 온실가스 제거기(20)에서 배출되는 비변환 가스의 부피농도를 나타낸다.
또, 온실가스 제거기(20)에서의 부산물 전환비율은 하기 식 6을 통해 결정되어질 수 있다.
[식 6]
Figure 112010042580576-pat00019
상기 식에서,
Figure 112010042580576-pat00020
이고,
Figure 112010042580576-pat00021
이다.
상기 본 발명의 실시예에 따르면, FT-IR을 이용하여 공정의 1 사이클 당 온실가스 제거기의 NF3 제거효율은 57.68%이고, 부산물의 전환비율 즉, CF4로의 전환비율은 4.14%로 나타났다.
상기한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 유체내 함유된 불소계 온실가스의 구간별 측정값을 적분법에 의해 합산하여 공정의 1사이클의 전구간에 걸쳐 불소계 온실가스의 농도를 결정할 수 있어 온실가스 제거기(20)의 제거효율을 신속하게 정확하게 평가하는 것이 가능해진다.
특히 상기 얻어진 결과값을 토대로 하기 식 7에 의해 공정의 1사이클에 대해 CO2 환산 배출 저감량도 산정할 수 있다.
[식 7]
Figure 112010042580576-pat00022
상기 식에서
Figure 112010042580576-pat00023
는 CO2 감소부피, PGWP는 각 PFCs의 지구온난화지수(GWP), Qi은 온실가스 제거기에 인입된 불소계 온실가스의 부피, Ei는 온실가스 제거기에 사용된 각 에너지 단위의 소비전력량 환산계수, Ri는 각 에너지당 CO2 전환율을 나타낸다.
하기 표 1에 공정의 1사이클에 대한 CO2 저감량의 계산을 위한 정보가 제시되어 있다.
에너지 종류 측정량 소비전력량
환산계수(kwh)		 CO2 환산 계수
(kg/each
energy unit)		 CO2 환산량
(kg)
직접에너지 전력(kwh) 3 0.424 1.272
도시가스(㎥) 1.2 2.347 2.816
간접에너지 용수(㎥) 0.15 0.587 0.088
냉각수(㎥) 1 4.4 1.866 1.866
폐수(㎥) 0.15 10.2 5.987 0.898
O2(㎥) 2 2.2 0.933 1.866
N2(㎥) 1.5 0.8 0.339 0.509
Air(㎥) 4.5 0.2 0.085 0.382
기타
총합계 9.696
이와 같이 주어진 온실가스 제거기를 운영하기 위해 소요되는 직간접 에너지의 CO2 환산을 통해 상기 온실가스 제거기가 지구온난화 가스의 실질적 저감량에 기여하는 효율을 산정할 수 있게 된다.
상기 본 발명의 실시예에 따라 산정된 CO2 저감량을 PFC의 배출량만을 고려한 경우(사례 1), PFC의 배출량과 직ㆍ간접적 에너지를 고려한 CO2 환산량으로 부산물의 전환비율은 고려하지 않은 경우(사례 2), 및 PFC의 배출량과 직ㆍ간접적 에너지를 고려한 CO2 환산량으로 부산물의 전환비율을 고려한 경우(사례 3)에 대한 CO2 저감량은 하기 표 2와 같다.
사례 1 사례 2 사례 3
CO2 저감량 27.09765kg 17.40149kg 16.501kg
상기 표 2의 결과에서 알 수 있듯이, CO2 저감량의 산정시 직ㆍ간접적 에너지를 고려하는 것은 전체적인 온실가스의 저감효과를 산정함에 있어 매우 중요한 것을 확인할 수 있으며, 다만 부산물의 전환부분은 온실가스의 제거효율의 평가가 연중 1회 내지 2회 정도에 그치는 것이 보통이고, CO2 환산량에 미치는 바가 크지 아니하여 생략하는 것도 가능할 것으로 사료되나, 경우에 따라 보다 정확한 CO2 저감량을 산정할 필요가 있는 경우에는 이 역시 고려될 필요가 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 유체 공급부
20: 온실가스 제거기
30: 온실가스 측정기

Claims (9)

  1. (a) 불소계 온실가스를 함유하는 유체를 1사이클을 반복단위로 하여 온실가스제거기에 공급하는 유체공급부로부터 상기 온실가스제거기로 상기 1사이클 동안 인입되는 유체를 대상으로 불소계 온실가스의 농도를 실시간 측정하는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)에서 실시간 측정된 불소계 온실가스의 농도로부터 얻어지는 각 측정시점에서의 불소계 온실가스의 함량을 상기 1사이클 전 구간에 대하여 적분하여 전체 함량을 결정하는 단계;
    (c) 상기 1사이클 동안 온실가스 제거기에 입력되어 배출된 유체로부터 불소계 온실가스의 농도를 실시간 측정하는 단계;
    (d) 상기 단계 (c)에서 실시간 측정된 불소계 온실가스의 농도로부터 얻어지는 각 측정시점에서의 불소계 온실가스의 함량을 상기 1사이클 전 구간에 대하여 적분하여 전체 함량을 결정하는 단계; 및
    (e) 상기 단계 (b)에서 얻은 불소계 온실가스의 전체 함량과 상기 단계 (d)에서 얻은 불소계 온실가스의 전체 함량의 차를 이용하여 온실가스 제거기에서 제거된 불소계 온실가스의 제거효율을 얻는 단계;
    를 포함하는 온실가스의 제거효율의 측정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    불소계 온실가스의 함량을 결정하기 위해 비변환가스를 상기 온실가스 제거기에 인입되는 유체내로 투입하는 것을 특징으로 하는 온실가스의 제거효율의 측정방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    비변환가스는 CF4인 것을 특징으로 하는 온실가스의 제거효율의 측정방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 불소계 온실가스는 과불화탄소, 수소불화탄소, 또는 육불화황인 것을 특징으로 하는 온실가스의 제거효율의 측정방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    온실가스는 CF4, C2F6, C3F8, c-C4F8, c-C4F8O, C4F6, CHF3, CH2F2, NF3, 또는 SF6인 것을 특징으로 하는 온실가스의 제거효율의 측정방법.
  6. 불소계 온실가스를 함유하는 유체를 1사이클을 반복단위로 하여 온실가스제거기에 공급하는 유체 공급부;
    상기 1사이클 동안 인입된 유체로부터 불소계 온실가스를 일정량 제거하고 배출하는 온실가스 제거기; 및
    상기 1사이클 동안 온실가스 제거기에 인입 및 배출되는 유체로부터 각각 불소계 온실가스의 함량을 실시간 측정하는 실시간 농도분석기, 및 상기 인입, 배출된 불소계 온실가스의 각 실시간 함량을 상기 1사이클 전체에 대하여 적분하여 불소계 온실가스의 전체 함량을 각각 결정하고 이들의 차로부터 온실가스 제거기에서 제거된 불소계 온실가스의 제거율을 산출하는 연산처리부를 포함하는 온실가스 측정기;
    를 포함하는 온실가스의 제거효율 측정시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    온실가스는 과불화탄소, 수소불화탄소, 또는 육불화황인 것을 특징으로 하는 온실가스의 제거효율의 측정시스템.
  8. 제 6항에 있어서,
    불소계 온실가스는 CF4, C2F6, C3F8, c-C4F8, c-C4F8O, C4F6, CHF3, CH2F2, NF3, 또는 SF6인 것을 특징으로 하는 온실가스의 제거효율의 측정시스템.
  9. 제 6항에 있어서,
    온실가스 제거기는 연소식, 전기가열식, 플라즈마식, 화학적 촉매식 또는 이들간의 하이브리드식인 것을 특징으로 하는 온실가스의 제거효율의 측정시스템.
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