KR101137461B1 - 열분해된 모노리스 탄소 물리적 흡착제 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 내부 용적을 갖되, 상기 내부 용적이 그 안에 유체를 수착적으로 보유하고 상기 용기로부터 분배를 위해 상기 유체를 탈착할 수 있는 물리적 흡착제; 및 상기 용기로부터 탈착된 유체를 분배하기 위해 상기 용기에 결합된 분배 어셈블리를 포함하는 유체 저장 및 분배 장치에 관한 것이다. 상기 물리적 흡착제는 (a) 25℃ 및 650torr 압력에서 아르신(arsine) 가스에 대하여 측정된 충전 밀도(fill density)가 흡착제 1리터 당 400g 초과의 아르신인 특성; (b) 상기 흡착제의 전체 공극율의 적어도 30%는 약 0.3 내지 약 0.72nm의 크기 범위를 갖는 슬릿(slit)형 포어를 포함하고, 전체 공극율의 적어도 20%는 2nm 미만의 직경을 갖는 마이크로포어를 포함하는 특성; 및 (c) 1000℃ 미만의 온도에서 열분해(pyrolysis) 및 선택적 활성화에 의해 형성되고, 1cm3 당 약 0.80 내지 약 2.0g의 벌크 밀도(bulk density)를 갖는 특성 중 적어도 하나에 의해 특징지어지는 모노리스(monolithic) 탄소 물리적 흡착제를 포함한다.

Description

열분해된 모노리스 탄소 물리적 흡착제{PYROLYZED MONOLITH CARBON PHYSICAL ADSORBENT}
본 발명은 일반적으로 가스 저장 및 분배(dispensing) 시스템에 특히 가스 저장 매체로서 사용되는 모노리스 탄소 흡착제(monolithic carbon sorbent)에 관한 것이다.
물리적 흡착제 기반의 가스 저장 및 분배 시스템은 반도체 산업에서 위험한 가스의 수송, 공급 및 이용에서 변혁을 가져온 톰(Tom) 등의 미국특허 제5,518,528호에 개시되어 있다. 상기 시스템은 분자체 또는 활성탄과 같은 물리적 흡착제 매체를 보유하는 용기를 포함하는데, 상기 물리적 흡착제 매체는 용기에 저장되고 용기로부터 선택적으로 분배되는 가스에 대하여 수착적 친화성을 갖는 것이다. 상기 가스는, 동량의 가스를 "유리"(비-흡착된) 상태로 보유하는 상응하는 (흡착제) 부재형 용기에 비해 낮은 압력으로 흡착제 매체 상에서 흡착된 상태로 보유된다.
상기와 같은 감소된 압력 저장을 사용하면, 주변 환경으로 가스가 배출되는 임의의 누수(leakage)도 매우 낮은 비율(rate)로 일어날 것이므로, 가스 저장 및 분배 작업의 안전성은 종래의 고압 가스 저장 실린더에 비해 실질적으로 향상된다. 게다가, 흡착제 기반 시스템의 저압 작동은, 감소된 압력이 밸브, 유동 제어기, 커플링(couplings), 조인트(joints) 등의 시스템 구성요소에 응력과 마모를 감소시키기 때문에 상기 가스 누수 현상의 가능성이 더 낮다.
상기 흡착제 기반의 가스 저장 및 분배 시스템에서, 물리적 흡착제 매체의 작업 용량은 작동 제한 사항이다. 작업 용량은 흡착제 매체 상에 저장("담지")되고, 이용을 위하여 상기 흡착제 매체로부터 탈착 제거될 수 있는 가스의 양이다. 작업 용량은 흡착제 매체를 함유하는 가스 저장 용기에서의 가스 저장 압력, 탈착된 가스의 분배 조건(예를 들어, 압력차가 탈착 영향을 미치도록 이용되는 경우 탈착된 가스의 분배 압력, 가스의 열적 탈착이 분배 속성으로 이용되는 경우 각각의 저장 및 분배 조건의 온도 수준), 및 흡착제 매체 그 자체의 유형과 특성 (예를 들어, 흡착제 매체 크기, 형태, 공극율, 포어(pore) 크기의 분포 및 내부 포어 경로의 비틀림과 같은 매개변수를 포함)의 함수이다.
기술분야에서는 물리적 흡착제 기반의 가스 저장 및 분배 시스템의 작업 용량의 개선이 지속적으로 추구되어 왔다.
본 발명의 목적은 가스 저장 및 분배 시스템용 모노리스 탄소 흡착제 및 그의 사용방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 (a) 25℃ 및 650torr 압력에서 아르신(arsine) 가스에 대하여 측정된 충전 밀도(fill density)가 흡착제 1 리터당 400g 초과의 아르신인 특성; (b) 상기 흡착제의 전체 공극율의 적어도 30%는 약 0.3 내지 약 0.72nm의 크기 범위를 갖는 슬릿형 포어(slit-shaped pore)를 포함하고, 전체 공극율의 적어도 20%는 2nm 미만의 직경을 갖는 마이크로포어(micropores)를 포함하는 특성; 및 (c) 1cm3 당 0.80 내지 2.0g의 벌크 밀도를 갖는 특성 중 적어도 하나에 의해 특징지어지는 열분해된 모노리스(monolithic) 탄소 물리적 흡착제를 제공한다.
본 발명에 따른 모노리스 탄소 흡착제는 가스 저장 및 분배 시스템의 작업용량을 개선하는 효과가 있다.
도 1은 탄소 리터(ℓ)당 흡착된 포스핀(phosphine: PH3)의 중량을 그램(g)으로 나타낸 압력 수준(torr)의 함수에 관한 그래프로, Kureha 578-66-6 비드 활성탄(데이터는 흑색의 다이아몬드 마커로 표시), Takachiho ABF 14-03 입자형 활성탄(데이터는 흑색의 사각형 마커로 표시) 및 폴리비닐리덴 클로라이드 폴리머로부터 형성된 탄소(SaranA, Dow Chemical Co.)(데이터는 백색의 삼각형 마커로 표시)에 관한 것이다.
도 2는 탄소 리터(ℓ)당 흡착된 아르신(AsH3)의 용적을 입방 센티미터(cm3)로 나타낸 압력 수준(torr)의 함수에 관한 그래프로, Kureha 578-66-6 비드 활성탄(데이터는 흑색의 다이아몬드 마커로 표시) 및 폴리비닐리덴 클로라이드 폴리머로부터 형성된 탄소(Saran A, Dow Chemical Co.)(데이터는 백색의 삼각형 마커로 표시)에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 모노리스 흡착제를 이용하는 저장 및 수송 시스템의 개략적인 모식도이다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 따라 모노리스 흡착제를 이용하는 직육면체의 유체 저장 및 분배 용기의 투시도(perspective view)이다.
도 5는 탄소 리터(ℓ)당 흡착된 보론 트리플루오라이드(BF3)의 중량을 그램(g)으로 나타낸 압력 수준(torr)의 함수에 관한 흡착된 중량의 그래프로, Kureha 578-66-6 비드 활성탄(데이터는 흑색의 다이아몬드 마커로 표시) 및 폴리비닐리덴 클로라이드 폴리머로부터 형성된 탄소(Saran A, Dow Chemical Co.)(데이터는 백색의 삼각형 마커로 표시)에 관한 것이다.
본 발명은 물리적 흡착제 기반 가스 저장 및 분배 시스템 및 상기 타입의 개선된 작업 용량에 관련된다.
하나의 양태에서, 본 발명은 그 위에 유체를 수착적으로 보유하고 용기로부터의 분배를 위해 유체를 탈착할 수 있는 물리적 흡착제를 함유하는 내부 용적을 갖는 유체 저장 및 분배 용기, 및 상기 용기로부터 탈착된 유체를 분배하기 위하여 용기와 결합되어 있는 분배 어셈블리를 포함하고, 상기 물리적 흡착제는
(a) 25℃ 및 650torr 압력에서 아르신(arsine) 가스에 대하여 측정된 충전 밀도(fill density)가 흡착제 1리터 당 400g 초과의 아르신인 특성;
(b) 상기 흡착제의 전체 공극율의 적어도 30%는 약 0.3 내지 약 0.72nm의 크기 범위를 갖는 슬릿(slit)형 포어(pore)를 포함하고, 전체 공극율의 적어도 20%는 2nm 미만의 직경을 갖는 마이크로포어를 포함하는 특성; 및
(c) 1000℃ 미만의 온도에서 열분해(pyrolysis) 및 선택적 활성화에 의해 형성되고, 1cm3 당 약 0.80 내지 약 2.0g의 용적 밀도(bulk density)를 갖는 특성 중 적어도 하나에 의해 특징지어지는 모노리스 탄소 물리적 흡착제를 포함하는 유체 저장 및 분배 장치에 관련된다.
본 발명의 다른 양태에서는 모노리스 형태로 열분해성 재료를 성형하는 단계; 및 열분해성 재료를, 열분해 조건(1000℃ 미만의 온도를 포함) 하에서 열분해시켜, 하기의 특성 중 적어도 하나에 의해 특징지어지는 모노리스 흡착제를 생성하는 단계를 포함하는, 가스 저장 및 분배 시스템용 위한 모노리스(monolithic) 흡착제의 형성방법에 관한 것이다:
(a) 25℃ 및 650torr 압력에서 아르신 가스에 대하여 측정된 충전 밀도가 흡착제 1리터 당 400g 초과의 아르신인 특성;
(b) 상기 흡착제의 전체 공극율의 적어도 30%는 약 0.3 내지 약 0.72nm의 크기 범위를 갖는 슬릿형 포어를 포함하고, 전체 공극율의 적어도 20%는 2nm 미만의 직경을 갖는 마이크로포어를 포함하는 특성; 및
(c) 1cm3 당 약 0.80 내지 약 2.0g의 벌크 밀도를 포함하는 특성.
본 발명의 추가의 다른 양태는, 가스 저장 및 분배 용기를 제작하는 단계; 상기 용기에, 상기 가스에 대한 수착적 친화성을 갖는 물리적 흡착제를 배치하는 단계; 상기 물리적 흡착제 상에 흡착을 위하여 상기 가스를 상기 용기에 충전하는 단계; 상기 용기를 작동가능한 밸브를 함유하는 밸브 헤드(valve head)로 밀봉하여 물리적 흡착제와 흡착된 가스를 싸서, 용기 외부 환경으로부터 이를 단리시키는 단계; 상기 물리적 흡착제로부터 흡착된 가스를 탈착하는 단계; 및 상기 밸브 헤드 내의 작동가능한 밸브를 작동시켜 가스 분배를 위하여 상기 작동가능한 밸브를 통하여 용기로부터 가스를 유동하게 하는 단계를 포함하고, 상기 물리적 흡착제는,
(a) 25℃ 및 650torr 압력에서 아르신 가스에 대하여 측정된 충전 밀도가 흡착제 1리터 당 400g 초과의 아르신인 특성;
(b) 상기 흡착제의 전체 공극율의 적어도 30%는 약 0.3 내지 약 0.72nm의 크기 범위를 갖는 슬릿형 포어를 포함하고, 전체 공극율의 적어도 20%는 2nm 미만의 직경을 갖는 마이크로포어를 포함하는 특성; 및
(c) 1cm3 당 약 0.80 내지 약 2.0g의 벌크 밀도를 갖는 특성 중 적어도 하나에 의해 특징지어지고, 상기 열분해 조건은 1000℃ 미만의 온도를 포함하는, 가스 저장 및 분배방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양태, 특징 및 구현예들은 하기에 서술되는 상세한 설명 및 첨부되는 청구범위에 의해 보다 완전하게 명백해질 것이다.
본 발명은, 물리적 흡착제 기반의 유체 저장 및 분배 장치가 모노리스 탄소 흡착제 물질이 내부에 있는 유체 저장 및 분배 용기를 이용하여 제작될 수 있는데, 이는 흡착제 상에서의 가스의 흡착 및 탈착의 속성과 정도, 용기 내의 물리적 흡착제 매체에 대하여 실현가능한 패킹(packing) 밀도, 및 반도체 제조 작업의 경우 이러한 용기를 포함하는 유체 저장 및 분배 장치의 유용성에 대해 놀랍고도 예상치 못했던 이점을 가져온다는 발견에 기초를 둔 것이다.
본 발명은 종래 이른바 비드 활성탄과 같은, 미분된 형태의 물리적 흡착제 매체를 이용했던 톰 등의 미국특허 제5,518,528호에 개시된 유형의 흡착제 기반의 가스 저장 및 분배 시스템에 대한 기술분야에서 실질적인 진보를 달성한 것이다. 본 발명에 따르면, 활성탄이, 비드나 입자 형태가 아니라 특정 특성의 모노리스 형태로 제공되었을 때, 작업 용량 면에서 가스 저장 및 분배 시스템이 현저하게 개선될 수 있다.
활성탄의 모노리스 형태의 이용에 의해 달성될 수 있는 개선 수준은, 종래의 미분된 형태에 비해 매우 예상하지 못한 것이고, 가스 저장 및 분배 용기가 흡착제 모노리스에 순응하는 형태일 때, 더더욱 놀랍게 개선된다.
예를 들어, 2002년 12월 9일, Dennis Brestovansky, Michael J. Wodjenski, Jose I. Arno, 및 J. D. Carruthers의 이름으로 "직육면체의 평행6면체 유체 저장 및 분배 시스템"이라는 명칭 하에 공동-출원된 미국 특허출원 No. 10/314,777의 개시사항과 일광성 있게, 용기가 바람직한 정육면체 또는 다른 직육면체의 평행6면체와 같은 형태일 때, 비슷하게 성형된 모노리스의 이용은 물리적 흡착제 기반의 가스 저장 및 분배 시스템의 작업 용량을, 비드 활성탄으로 충전된 동일 "풋 프린트(footprint)"의 가스 저장 실린더 및 용기 내부 용적을 이용한 종래 기술에 따른 시스템에 비해, 적어도 85% 증가시킬 수 있다.
물리적 흡착제 기반의 유체 저장 및 분배 장치내 직육면체의 평행6면체 용기에서 본 발명에 따른 모노리스 물리적 흡착제의 바람직한 패키징(packaging)에 대해 예상치 못했던 장점이 나타나는 현상의 배경을 설명하면, 물리적 흡착제 기반의 유체 저장 및 분배 시스템의 경우, 직육면체의 평행6면체를 사용하는 것에 대해 초기에는 매우 불리할 것으로 여겼는데, 그 이유는, (i) 용기의 각 면이 개별적인 조각들이라면, 직육면체의 평행6면체 용기는 제작에 여섯 개의 면과 열두개의 융접선이 필요하다(반면, 실린더형 용기는 튜브형으로 말린 강철 재료로부터 봉합부(seams) 없이 형성될 수 있다.); (ii) (i)과 일관성 있게, 직사각형 형상 용기의 제작 비용은 상응하는 실린더형 용기에 비해 실질적으로 높을 것으로 예상된다; (iii) 직육면체의 평행6면체 형상은 인접한 수직-배치된 벽의 접합부에서 "날카로운" 모서리를 보유하는데, 이는 접합부에서 공극을 형성할 수 있는 가능성을 제공하며, 여기서, 흡착제 베드(bed)는 상응하는 실린더 구조의 용기에 비해, 코너에 "패킹"되지 않을 것이다(상기 실리더 구조의 용기에는 이러한 코너가 없고, 대신 용기의 내부 용적 내의 물리적 흡착제 재료 베드를 둘러싸는 최소 단면적 형상이 있다); 및 (iv) 서로 직교하는 2개의 벽들의 교차점은 "봉합부가 없는" 실린더형 용기에 비해, 여기에 적용되는 압력 또는 힘에 의해 파열될 가능성이 높은 접합점을 만들어낸다.
그러나, 상기 직육면체의 평행6면체는 인접 벽들의 교차점의 봉합부 근처에 덜 단단하게 패킹된 흡착제 베드 구역을 갖는 용기를 유발하는데, 이는 불리하기보다는, 이러한 낮은 밀도 흡착제 베드 구역이, 간극의 탈착되거나 미흡착된 가스가 흡착제 베드의 벌크 용적을 통해 흘러나가도록 하는 높은 가스 유동 전도성(conductance) 경로로서 실질적으로 유리하다.
더 나아가, 정확하게는 실린더형 용기가, 둘러싸는 벽 구역의 최소 원주 범위와 함께, 최소 단면적 형상을 가지기 때문에, 실린더형 용기의 벽에 "존재하는" 흡착제의 양은 최대화된다. 그 반대를 고려하면, 단면에서 흡착제 베드에 붙어 있는(인접한) 벽의 주변의 범위는 실린더형 용기보다 직육면체의 평행6면체에서 훨씬 클 것이다. 따라서, 흡착제 베드와 붙는 벽면이 특성상 비흡착성이고, 실린더형 용기에서보다 직사각형 용기에서 흡착제 베드의 외부 마진(margin)이 비례적으로 보다 많이 존재하기 때문에, 직육면체의 평행6면체는 대응되는 크기의 실린더형 용기보다 용기로부터 더 큰 용적의 가스 배출이 가능하다. 결과적으로, 벽 구역에서의 탈착 가스는 흡착제 베드 내부 공간에서의 탈착 가스에 비해, 흡착제 매체로부터 최초로 탈착 방출된 뒤에 다시 흡착되는 현상이 적어진다.
이러한 이유로, 직육면체의 평행6면체 형상은 본 발명의 물리적 흡착제의 모노리스 형태를 보유하는데 특별한 유용성을 갖는다.
본 발명에서 이용된, "모노리스"는 흡착제 매체가 단일형이거나 블록, 브릭(bricks), 디스크, 불(boules) 등과 같은 블록-유사 형태이다. 이는 일반적으로 다수개의 비드, 입자, 과립, 펠렛(pellets) 등을 포함하는 베드 형태로 이용되었던, 종래 비드, 입자, 과립, 펠렛 등과 같은 미분된 형태과 대조된다. 따라서, 다수개가 미분된 물리적 흡착제 요소의 베드 형태에서, 흡착제 입자의 치수, 형상 및 패킹 밀도에 따라 변하지만, 특성상 활성 흡착제의 공극 용적은, 주로 부품의 간극 또는 입자 사이에 존재한다. 반면에, 모노리스 형태에서, 활성 흡착제의 공극 용적은, 그 공정 과정에서 벌크형의 흡착제 바디(body) 내에 이미 형성되어 있는 흡착제 물질에 본태적인 공극율 형태 및 공극으로 존재한다.
일 양태에서, 본 발명은 그 위에 유체를 수착적으로 보유하고 용기로부터의 분배를 위해 유체를 탈착할 수 있는 물리적 흡착제를 함유하는 내부 용적을 갖는 유체 저장 및 분배 용기, 및 용기로부터 탈착된 유체를 분배하기 위하여 상기 용기와 결합되어 있는 분배 어셈블리를 포함하고, 상기 물리적 흡착제는,
(a) 25℃ 및 650torr 압력에서 아르신 가스에 대하여 측정된 충전 밀도가 흡착제 1리터 당 400g 초과의 아르신인 특성;
(b) 상기 흡착제의 전체 공극율의 적어도 30%는 약 0.3 내지 약 0.72nm의 크기 범위를 갖는 슬릿형 포어를 포함하고, 전체 공극율의 적어도 20%는 2nm 미만의 직경을 갖는 마이크로포어를 포함하는 특성; 및
(c) 1000℃ 미만의 온도에서 열분해(pyrolysis) 및 선택적 활성화에 의해 형성되고, 1cm3 당 약 0.80 내지 약 2.0g의 벌크 밀도를 갖는 특성.
모노리스 흡착제는 단일 모노리스 흡착제 제품 또는 다수개의 모노리스 흡착제 제품의 형태일 수 있다. 흡착제는 그것이 배치되는 용기의 내부 용적에 순응하도록, 바람직하게는 용기 내부 용적의 적어도 60%, 예를 들어 상기 용적의 75 내지 95%를 차지하도록 적당하게 성형될 수 있다. 이하, 본 발명은 바람직한 직육면체의 평행6면체의 용기에서의 모노리스 흡착제 내용물에 대하여 보다 구체적으로 논의될 것이나, 본 발명은 이에 한정되지는 않고, 실린더 형상의 용기, 배럴(barrel) 형상의 용기, 원뿔대 형상의 용기 등 다른 형태 및 구조의 용기 또한 이용될 수 있을 것이다.
모노리스 흡착제는 유기 수지의 열분해 산물로서 형성될 수 있고, 보다 일반적으로는 폴리비닐리덴 클로라이드, 페놀-포름알데하이드 수지, 폴리푸르푸릴 알콜, 야자각(coconut shells), 땅콩 껍질(peanut shells), 복숭아 씨(peach pits), 올리브 스톤(olive stones), 폴리아크릴로니트릴 및 폴리아크릴아미드와 같은 적정한 열분해성 재료로부터 형성될 수 있다. 흡착제는, 차후의 분배를 위해 유체가 저장될 유체 저장 및 분배 용기 내에서 즉, 동일반응계(in situ)에서 형성되거나, 흡착제를 형성한 후, 유체 저장 및 분배 용기로 도입시킬 수 있다. 일 구현예에서, 흡착제는 그 공극율의 적어도 20%에 2nm 미만의 직경의 포어를 가진다.
흡착제는, 응집형 흡착 매스(mass)를 구성하는 다수개의 모노리스 흡착제 제품으로서 유체 저장 및 분배 용기내에 제공될 수 있다. 상기 다수개의 모노리스 제품 배열에서, 다수개의 개별적인 모노리스 흡착제 제품 각각은 용기의 내부 용적 높이의 0.3 내지 1.0 배의 길이를 가지고, 용기의 직사각형 단면적의 0.1과 0.5배 사이의 단면적을 가질 수 있다. 다수개의 개별적인 모노리스 흡착제 제품 각각은 직육면체의 평행6면체 또는 선택적으로 실리더형 또는 다른 알맞은 형태를 가질 수 있다. 유체 저장 및 분배 용기의 내부 용적에서, 개별적인 모노리스 제품은 인접 모노리스 부재와 표면에서 횡방향 및/또는 종방향으로 인접해 있을 수 있다. 일 구현예에서, 상기 다수개의 개별적인 모노리스 흡착제 제품 각각은 약 2 내지 약 20의, 약 4 내지 약 15의 L/D(길이/단면 치수의 비)를 갖는다. 여기서, L은 모노리스 탄소 흡착제 제품의 종방향 또는 주축(minor axis) 치수이고, D는 횡방향 또는 부축(minor axis) 치수이다. 다른 구현예에서, 모노리스 흡착제 제품은 약 0.10 내지 약 0.80의 직경에 대한 높이의 비(H/D)를 갖는 디스크 형상을 가질 수 있다.
유체 저장 및 분배 용기에서 흡착제에 수착적으로 보유되고, 유체의 분배시 적정 탈착 조건 하에서 탈착되는 유체는, 임의의 적정한 유형의 반도체 제조에서 유용한 유체, 예를 들면, 수소화물, 할로겐화물 및 유기금속 가스 시약, 예컨대, 실란, 게르만, 아르신, 포스핀, 포스겐, 디보란, 게르만, 암모니아, 스티빈, 하이드로겐 설파이드, 하이드로겐 셀레나이드, 하이드로겐 텔루라이드, 일산화질소, 하이드로겐 시아나이드, 에틸렌 옥사이드, 중수소화물, 할로겐화(염소, 브롬, 불소 및 요오드) 화합물 및 유기금속 화합물일 수 있다.
용기 내의 유체는 임의의 적정한 대기압, 대기압 보다 낮거나, 대기압 높은 압력, 예를 들어, 이온주입용 또는 다른 용도의 대기압보다 낮은 압력을 제공하는 경우에도 약 20 내지 약 1200torr 또는 약 20 내지 약 750torr와 같은 2500torr 이하의 압력하에서 저장될 수 있다.
유체가 흡착된 흡착제를 보유하는 용기는 금속(예를 들면, 강철, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리, 놋쇠, 청동 및 그 합금), 유리, 세라믹, 유리질 재료(vitreous materials), 폴리머 및 복합재와 같은 구성을 위한 임의의 적당한 용기 재료로부터 형성될 수 있다.
용기는 특정 유체 저장 및 분배의 적용에 적합한 적당한 형태 및 크기일 수 있다. 용기는 예를 들면, 사각형 단면을 갖는 긴 수직-직립형이거나, 원형의 단면을 갖는 실린더형이거나, 또는 다른 적정한 형태, 크기 및 형태일 수 있다.
일 구현예에서, 본 발명은 용기로부터 선택적인 가스의 배출을 위하여, 폐쇄된 내부 용적을 한정하고, 가스 분배 어셈블리와 결합된 포트를 갖는 직육면체의 평행6면체 용기에서 모노리스 형태의 물리적 흡착제를 이용한다. 본 발명의 모노리스 형태에서 흡착제 매체는, 목적하는 양으로 수착 가스의 수착 보유를 위한 충분한 용량을, 탈착 조건하에서의 가스의 우수한 탈착 방출 및 우수한 힐(heel) 거동(즉, 초기에 흡착된 가스의 높은 정도의 탈착)을 보이는 양질의 작업 용량으로 제공하고, 관심의 대상이 되는 가스에 대한 적당한 수착적 친화성을 가져서 저장 동안 용기의 내부 용적 내에 낮은 가스압이 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 물리적 흡착제는 임의의 적당한 모노리스 형태, 예를 들면, 블록, 브릭, 불 또는 유체 저장 및 분배 용기에 적당한 크기의 흡착제 물질과 유사 형태일 수 있어서, 용기가 하나 또는 적은 수의, 예를 들면, 75개 미만, 보다 바람직하게는 20개 미만의 개별적인 모노리스 제품을 함유할 수 있다. 추가의 바람직한 양태에서, 상기 용기는 8개 이하의 개별적인 모노리스 제품을 함유하고, 더욱 보다 바람직하게는 4개 이하의 상기 제품을 함유하고, 가장 바람직하게는 상기 용기가 하나의 모노리스 물리적 흡착제 제품을 함유한다.
유체 저장 및 분배 용기에 배치된 모노리스 제품은, 크기와 형태 면에서 유체 저장 및 분배 용기의 내부 용적에 바람직하게는 순응하는 응집형 흡착 매스를 제공하여, 모노리스 제품의 흡착 매스가 용기 내부 용적의 적어도 60%, 바람직하게는 상기 용기 내부 용적의 약 75% 내지 약 90%의 범위를 차지하도록 한다.
하나의 모노리스 흡착제 제품이 제공된다면, 흡착제 매체는 그러한 목적을 위하여, 열분해에 앞서 바람직한 정도로 채워진 용기 내에서 액체 또는 유동성 형태의 유기 수지의 열분해에 의해, 동일반응계에서 형성될 것이다.
다르게는, 다수개의 모노리스 제품 형태라면, 상기 제품 각각은 용기의 내부 용적 높이의 0.3 내지 1.0 배의 길이를 가지고, 용기의 직사각형 단면적의 0.1 내지 0.5배의 단면적을 가질 수 있다. 각 모노리스 부재는 용기가 직육면체의 평행6면체 형태일 때, 용기 내부 용적의 용적 사용도를 최대화하기 위해 직육면체의 평행6면체 형태를 가질 수 있고, 이 때, 각 모노리스 부재는 용기 내부 용적의 인접 모노리스 부재와의 접촉면에서 횡방향 및/또는 종방향으로 접할 수 있다. 다르게는, 일부 경우에, 흡착제 모노리스 부재가 속이 찬 실린더(solid cylinders) 형태인 것이 바람직한데, 이때 개별적인 실린더형 부재들이 서로의 대향측 표면에서 밀접하게 인접하고 이들의 원형 단면 말단면에서 서로의 면과 면이 적어도 부분적으로 접촉하여 인접하게 내부 용적에 담지되어 있다. 다른 정육면체 또는 직육면체의 평행6면체 형태 이외의 유체 저장 및 분배 용기에서, 모노리스 흡착제 제품은 용기의 내부 용적의 형태에 순응하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 유체 저장 및 분배 용기는 실린더 형태일 수 있고, 이 때 그 내부의 모노리스 흡착제 제품은 흡착제의 수직-적층된 디스크형 바디(body)를 포함하고 각각은 그 주변부에서 용기의 대향 내부 벽면에 매우 근접하여 용기의 형태에 순응한다.
종래 기술의 미분된 입자 형태에 비해 모노리스 형태로 활성탄을 이용하는데 따른 개선 수준은, 예상외였는데, 이는 물리적 흡착제 물질이 작업 가스(흡착질: adsorbate)를 수착적으로 보유하도록 이용가능한 그 표면적에 따라 일반적으로 분류되는데, 따라서 용적에 대한 표면적의 비가 높은 입자 형태가, 용적에 대한 표면적의 비가 낮은 블록과 브릭(즉, 모노리스 형태)과 같은 벌크 형태에 비해 명백히 뛰어날 것으로 인식되기 때문이다. 따라서, 일반인들은 직관적으로 흡착제의 모노리스 형태가 감소된 흡착 용량 및 작업용량을 갖는 낮은 효율의 형태일 것이라고 예상할 것이다.
그러나, 상응하는 비드 탄소와 이와 유사한 마이크로포어(micropore) 용적을 갖고, 오히려 실질적으로 높은 밀도, 예를 들어 상응하는 비드 탄소의 콤팩트 밀도보다 약 25% 내지 약 80% 높은 범위의 밀도를 갖는 탄소 모노리스가 형성될 수 있고, 그러한 높은 밀도의 모노리스는, 물리적 흡착제 기반의 가스 저장 및 분배 시스템에서 이용될 때, 비드 탄소의 베드에 비해 흡착제의 단위 용적당 흡착된 가스의 매스(mass)에 있어서 놀라운 개선을 제공한다는 점이 발견되었다.
광범위한 실행에 있어 유용한 본 발명의 탄소 모노리스는 벌크 형태로서, 바람직하게는 각 면의 길이가 1.5cm 이상, 바람직하게는 5cm 이상인 삼차원(x, y, z) 특성을 갖는 그로스(gross) 브릭, 블록 및 잉곳(ingot) 형태를 포함한다. 예를 들어, 탄소 모노리스는 높은 작업 용량(높은 미세공극율(microporosity) 및 낮은 힐(heel)) 및 빠르고 신속한 흡착 및 탈착 속도를 보장할 수 있을 정도로 충분히 낮은 포어의 비틀림도(tortuosity)과 함께, 높은 벌크 밀도(공극에서 측정됨), 예를 들어, 1cm3 당 약 0.80 내지 약 2.0g의 범위의 밀도를 갖는, PVDC(polyvinylidene chloride) 또는 다른 적당한 폴리머와 같은 폴리머 차르(char)로부터 만들어진 모노리스 브리켓(briquette) 형태일 수 있다.
일 구현예에서, 본 발명의 모노리스 탄소 흡착제는 긴 저장 기간 동안 흡착 유체의 분해를 최소화하기 위해 활성탄 위의 도핑제를 포함한다. 본 발명의 광범위한 실시에서 유용하게 사용될 수 있는 도핑제로는 붕산(H3BO3), 소듐 테트라보레이트(Na2B407), 소듐 실리케이트(Na2Si03) 및 다이소듐 하이드로겐 포스페이트(Na2HPO4)가 있다.
다른 양태에서의 모노리스 탄소 흡착제 제품은 약 2 내지 약 20, 보다 바람직하게는 약 4 내지 약 15의 L/D(길이 대 단면 치수의 비)를 가질 수 있다. 여기서, L은 모노리스 탄소 흡착제 제품의 종방향 또는 주축(minor axis) 치수이고, D는 횡방향 또는 부축(minor axis) 치수이다. 특정 구현예에서, 모노리스 탄소 흡착제는 대략 6" 높이의 1"x 1" 정사각형 단면 PVDC 차르 모노리스 브리켓의 형으로 제공된다.
바람직한 모노리스 탄소 흡착제는 작은 크기(예를 들어, 약 0.3 내지 약 0.75nm)의 슬릿형 포어를 높은 비율로 갖는 울트라마이크로포어 탄소로서, Saran A, Saran MC-10S 또는 Saran XPR-1367-D-01452-050 PVDC 호모폴리머 또는 코폴리머의 열분해 산물을 포함한다.
모노리스 탄소 흡착제가 약 2nm 보다 작은 직경의 포어를 가질 때, 모노리스 탄소 흡착제는, 보론 트리플루오라이드와 같은 가스를, 그 임계 온도보다 높은 온도에서 흡착제 물질의 마이크로포어의 용적에 비례하는 범위까지 흡착할 수 있다. 상기와 같은 목적을 위한 바람직한 모노리스 탄소 흡착제 물질은, 작은 마이크로포어(예를 들어, 울트라마이크로포어)의 크기 범위를, 높은 비율로, 예를 들어 공극율의 적어도 50%로 갖는다. 이러한 효과는, 압력 수준(torr)의 함수로서 탄소 리터(ℓ)당 흡착된 보론 트리플루오라이드(BF3)의 중량을 그램(g)으로 나타낸 그래프인 도 5를 참조하면 확인할 수 있는데, 도 5에서 (i) Kureha 578-66-6 비드 활성탄(데이터는 흑색 다이아몬드 마커로 표시) 및 (ii) 폴리비닐리덴 클로라이드 폴리머로부터 형성된 탄소(SaranA, Dow Chemical Co.)(데이터는 백색의 삼각형 마커로 표시)로 표시하였다.
마이크로포어 용적은 본 발명의 모노리스 탄소 흡착제 시스템에서 이용하기 위한 탄소를 선택하기 위한 중요한 기준이고 마이크로포어 용적이 최대화되는 것이 바람직하기는 하나, 일정한 용적의 용기에 저장된 가스는 흡착제 기준의 리터당 용적과 적당히 비례된다. 상기와 같은 예에서 흡착제 패킹 밀도는 매우 중요해진다. 그렇기 때문에, 모노리스 탄소는 그것이 채용되는 유체 저장 및 분배 용기에서의 공극 용적을 배제한다.
바람직한 구현예에서, 본 발명에 따른 유체 저장 및 분배 용기의 공극 용적은 용기 총 내부 용적의 약 40%를 초과하지 않고, 보다 바람직하게는 가능한 낮은 비율이다. 모노리스 탄소 흡착제의 패킹 밀도는 흡착제의 기준의 용적 당 용적에서 최대의 마이크로포어 용적 및 울트라마이크로포어에서 높은 비율의 포어 용적와 함께, 가능하면 높은 것이 바람직하다. 마이크로포어의 형상 또한 중요한데, 높은 흡착 수준을 제공하기 위해서 포어는 슬릿형이 바람직하나, 상기 슬릿의 형상은 탈착 조건(예를 들면, 40torr 근처 범위의 압력 수준에서의 탈착)하에서 가스가 쉽게 방출되는 것을 막을 정도로 너무 작으면 안된다.
활성탄을 형성하기 위한 탄소의 활성화동안, 포어는 질소와 같은 비산화 가스의 존재 및 승온하에서 팽창된 후, 잠깐동안 산소 또는 증기와 같은 산화 가스에 노출되고, 이후 비산화 분위기에서 냉각된다. 상기와 같은 활성화에서, 재료의 연소 수준은 조심스럽게 제어되는데, 이는 높은 연소 수준은 마이크로포어의 용적 증가및 수반되는 입자 밀도 감소와 함께 포어의 팽창을 유발하므로 주의하여 조절해야 한다.
본 발명의 모노리스 탄소 흡착제는 적당한 방식에 따라 적당히 형성될 수 있다. 일 구현예에서, 모노리스 탄소는 더 다우 케미칼 캄파니(The Dow Chemical Company(Midland, MI))로 부터 구입가능한 Saran A 또는 Saran MC-10S 폴리머인, 폴리비닐리덴 클로라이드 폴리머와 같은 폴리머 재료로부터 형성되는데, 적당한 압력, 예를 들어 약 10 kip/in2 내지 약 200 kip/in2에서 가압 성형되고, 약 600℃ 내지 약 900℃, 예를 들어 약 700℃ 근방의 온도로 질소가스 증기 내에서 열분해된다. 이러한 공정은, 도 1 및 도 2의 그래프에서 보이는 바와 같이, 크게 증가된 충전 밀도(즉, 흡착된 가스 중량, 예를 들어 탄소 1리터 당 g)를 갖는 탄소 흡착제 물질을 생산한다.
본 발명의 모노리스 탄소 흡착제는 0.1 내지 1cm, 보다 전형적으로는 0.25 내지 2.0mm의 입자 직경을 갖는 비드 활성탄과 같은 미분된 입자를 이용하거나, 벌크 마이크로포어 탄소 재료(Wojtowicz et al. 미국특허출원공개번호 US2002/0020292 Al, 2002년 2월 21 공개, 참조)의 경우, 높은 흑연화 수준을 유발하기 위해, 높은 온도, 예를 들어, 1000℃ 초과, 바람직하게는 1100℃ 초과를 사용하고, 이와 함께 적당한 마이크로포어 용적, 표면적 및 탄소 흡착제의 단위 용적당 마이크로포어 용적을 달성하기 위하여 76회 정도 많은 반복적인 화학흡착/탈착 단계(Quinn, et al. 미국특허 5,071,820 참조)를 포함하는 활성화를 동반하며, 고압 가스 저장용의 적당한 흡착제 물질을 수득하기 위한 시간 소비적이고 비용이 드는 방법인 종래 기술과는 상당히 상이하다(Wojtowicz et al. 미국 특허 출원 공개 US2002/0020292 A1은 흡착 가스에 대한 최적의 저장 용량은 가스가 "약 500 psi 내지 약 3500 psi의 압력에서 저장 용기로 도입될 것"을 요구한다는 것을 개시한다, 2 페이지, [0013], 마지막 문장).
종래 기술의 방법에 대비하여, 본 발명의 모노리스 탄소 흡착제는 적당한 폴리머 재료, 예를 들어 폴리비닐리덴 클로라이드, 페놀-포름알데하이드 수지, 폴리푸르푸릴 알콜, 야자각, 땅콩 껍질, 복숭아 씨, 올리브 스톤, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴아미드 등에서 선택되는 폴리머로부터 형성되는데, 상기 폴리머는, 약 20,000psi 또는 그 이상까지의 성형 압력에서 가압-성형성(pressure-moldable)이어서, 예를 들면, 가압-성형된 "녹색 수지" 바디를 생산하고, 상기 "녹색 수지"는 1000℃ 미만, 바람직하게는 약 900℃ 이하, 예를 들어 약 500 내지 약 900℃의 범위, 보다 바람직하게는 약 600 내지 약 900 ℃의 범위에서 열분해되어 목적으로 하는 가스 저장 및 분배용으로 적당히 높은 값의 충전 밀도를 갖는 모노리스 탄소 재료를 생산한다. 본 발명에서 사용하게 응용되는 모노리스 탄소 흡착제는 25℃ 및 650torr 아르신 가스에 대해 측정된 충전 밀도(탄소 흡착제 1리터 당 400g 아르신 초과, 바람직하게는 탄소 흡착제 1리터 당 450g 초과의 아르신)을 갖는 것을 포함한다.
열분해 산물은 본 발명에 따른 모노리스 흡착 바디로서 사용할 수 있지만, 이러한 열분해 산물은, 약 0.3 내지 약 0.72nm의 크기 범위의 실릿형 포어의 울트라마이크로공극율이 높은 비율, 예를 들어 공극율의 적어도 약 30%, 바람직하게는 공극율의 적어도 약 60%이고, 2nm 미만의 직경을 갖는 마이크로포어는 현저한 공극율, 예를 들어 전체 공극율의 적어도 약 20% 및 바람직하게는 적어도 약 30%를 갖는 모노리스 탄소 흡착제 제품을 제공하는 방식으로 활성화된다. 예를 들어, 활성화 공정은 관심의 대상이 되는 흡착 가스에 대한 재료의 수착적 친화성을 강화하기 위하거나 흡착/탈착을 위한 흡착제 매체의 특성을 개선하기 위하여 적당한 공정 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성화 공정은 질소, 아르곤, 헬륨 또는 다른 비산화 가스와 같은 비산화 분위기에서 가열하고, 비산화 분위기로 바꾸기 전에 분위기를 이산화탄소 또는 증기와 같은 산화 분위기로 잠시 동안 바꾼 후, 주변의 온도(예를 들어, 상온)로 냉각하는 단계를 포함한다. 온도 수준 및 연속 단계의 지속기간과 같은 활성화 공정의 특징은 과도한 실험을 행하지 않고도, 충전 밀도, 포어측정기의 특정 조건 등과 같은 흡착 수행의 각 공정 조건 및 분석 결과의 간단한 변경에 의해 당업자가 쉽게 결정할 수 있다.
실시예
도 1은, 압력 수준(torr)의 함수로서, 탄소 리터(ℓ)당 흡착된 포스핀(PH3)의 중량을 그램(g)으로 나타낸 그래프로, Kureha 578-66-6 비드 활성탄(데이터는 흑색의 다이아몬드 마커로 표시), Takachiho ABF 14-03 입자형 활성탄(TakachihoKabushiku Kogyo, Ltd., Tokyo, Japan)(데이터는 흑색의 사각형 마커로 표시) 및 폴리비닐리덴 클로라이드 폴리머로부터 형성된 모노리 탄소(SaranA, Dow Chemical Co.)(데이터는 백색의 삼각형 마커로 표시)에 관한 것이다.
도 1에 나타난 데이터는 PVDC 폴리머로부터 형성된 모노리스 탄소가 탄소 1리터당 흡착된 포스핀 중량을, 비드 활성탄 흡착제나 Takachiho 입자형 활성탄 흡착제 중 어느 하나보다 실질적으로 높게, 일반적으로는 0 내지 750torr 압력범위에 비해 2배 이상의 포스핀의 흡착 담지율을 갖는다.
도 2는 압력 수준(torr)의 함수로서, 탄소 리터(ℓ)당 흡착된 아르신(AsH3)의 용적을 입방 센티미터(cm3)로 나타낸 그래프로, Kureha 578-66-6 비드 활성탄(데이터는 흑색의 다이아몬드 마커로 표시) 및 폴리비닐리덴 클로라이드 폴리머로부터 형성된 탄소(SaranA, Dow Chemical Co.)(데이터는 백색의 삼각형 마커로 표시)에 관한 것이다.
도 2는, 아르신 담지의 경우, 모노리스 탄소 흡착제가 비드 활성탄보다 우수하다는 점을 보여주는 증거이다. 아르신의 용적 담지 수치(단위: 탄소 1리터 당cm3)는 0 내지 750torr 압력범위에서 모노리스 탄소 흡착제의 경우 50-100% 더 높다.
하기의 표 1에서는, 세가지 유형의 흡착제 물질상에서 아르신의 충전 밀도값이 도 1과 관련하여 설명되는데, 이때 Kureha 578-66-6 비드 활성탄, Takachiho ABF 14-03 입자형 활성탄 및 PVDC 차르 모노리스 흡착제가 포함된다. 각 재료는 650torr 압력의 아르신에서 두 개의 샘플에 대하여 평가되었다. 충전 밀도는 흡착제(g) 당 흡착된 아르신의 중량(g) 및 용적 기준으로 흡착제 리터당 흡착된 아르신(g)으로 측정되었다.
비-모노리스 활성탄 및 모노리스 탄소 상의 아르신 용량

흡착제		 650torr 압력에서의
충전밀도
(아르신의 g/흡착제의 g)		 650torr 압력에서의
충전밀도
(아르신의 g/흡착제의 ℓ)
Kureha 578-66-6 (샘플 1) 0.51 301
Kureha 578-66-6 (샘플 2) 0.51 301
Takachiho ABF 14-03 (샘플 1) 0.55 319
Takachiho ABF 14-03 (샘플 2) 0.55 319
PVDC char (샘플 1) 0.43 486
PVDC char (샘플 2) 0.45 504
표 1의 결과는 모노리스 탄소 흡착제에 대한 중량 기준의 충전 밀도가 비-모노리스 활성탄 흡착제에 비해 대략 15-20% 낮았던 반면, 모노리스 탄소 흡착제에 대한 용적 기준의 충전 밀도는 상응하는 비-모노리스 활성탄 흡착제의 충전 밀도보다 50% 이상 높았다는 사실을 보여준다.
하기의 표 2에서는, 도 1과 관련하여 설명된 세가지 유형의 흡착제 물질 상에서의 포스핀의 충전 밀도값의 경우 상응하는 충전 밀도가 표에 제시되어 있다. 표에서 Kureha 578-66-6 비드 활성탄, Takachiho ABF 14-03 입자형 활성탄 및 PVDC 차르 모노리스 흡착제가 포함되어 있다.
비-모노리스 활성탄 및 모노리스 탄소 상의 포스핀 용량

흡착제		 650torr 압력에서의
충전밀도
(포스핀의 g/흡착제의 g)		 650torr 압력에서의
충전밀도
(포스핀의 g/흡착제의 ℓ)
Kureha 578-66-6 0. 165 97.4
Takachiho ABF 14-03 0.184 107
PVDC 차르 0.188 212
표 2는 모노리스 탄소 흡착제(PVDC 차르)가 활성탄 흡착제의 비-모노리스 형태 보다 높은 중량 및 용적 기준의 충전 밀도를 가졌음을 보여주는데, 용적 단위의 충전 밀도는 활성탄의 비-모노리스 형태 상의 포스핀 용적 충전 밀도보다 100% 정도 높다.
본 발명의 광범위한 적용에 있어, 모노리스 탄소 흡착제 상에 보유된 흡착 유체는 적정한 유형일 수 있는데, 상기 유형에는 수소화물 가스(아르신, 포스핀, 게르만, 실란, 모노-, 디- 및 트리-치환 실란, 예를 들면, 상기 유형의 알킬 실란), 할로겐화물 가스 (보론 트리플루오라이드, 보론 트리클로라이드, 할로겐-치환 실란, 등) 및 가스성 유기금속 화합물이 포함된다.
본 발명의 실시에서 저장가능하고 분배 가능한 것으로 예시되는 흡착 가스 종에는 실란, 게르만, 아르신, 포스핀, 포스겐, 디보란, 암모니아, 스티빈, 하이드로겐 설파이드, 하이드로겐 셀레나이드, 하이드로겐 텔루라이드, 일산화질소, 하이드로겐 시아나이드, 에틸렌 옥사이드, 중수소화물, F2, SiF4, C12, C1F3, GeF4, SiF4, 보론 할로겐화물 등과 같은 할로겐화(염소, 브롬, 불소 및 요오드) 화합물 및 알루미늄, 바륨, 스트론듐, 갈륨, 인듐, 텅스텐, 안티몬, 은, 금, 팔라듐(palladium), 가돌리늄(gadolinium) 등과 같은 금속의 유기금속 화합물이 포함된다.
용기에서 흡착가스가 저장되는 압력은, 본 발명의 가스 저장 및 분배 시스템이 사용되는 적용례에 적합한 임의의 적당한 압릭일 수 있다. 본 발명의 실시에 있어 일반적으로 유용하게 예시되는 압력 수준은 약 2500torr를 넘지 않고, 보다 바람직하게는 2000torr를 넘지 않는 범위로, 예를 들면, 약 20torr 내지 약 1800torr, 또는 보다 제한적으로는 약 20torr 내지 약 1200torr이다. 이온주입 등과 같은 적용례에서, 가스 저장 및 분배 용기 내의 가스 압력은 전형적으로 800torr를 넘지 않고, 저장된 가스는 대기압보다 낮은 압력, 예를 들면, 약 20torr 내지 약 750torr의 범위에 있을 수 있다.
이온주입 등에 적용하기 위하여, 가스 저장 및 분배 용기 내의 가스 압력은 전형적으로 약 800torr를 넘지 않고, 저장된 가스는 대기보다 낮은 압력, 예를 들면, 약 20torr 내지 약 750torr의 범위에 있을 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 저장 및 수송 시스템의 개략적인 모식도이다.
도시된 바와 같이, 저장 및 분배 시스템(200)은 그 상부에서 밸브 헤드(206)와 연결되고, 실린더상의 밸브 헤드에 대한 수동 작동기(208)을 포함하는 분배 어셈블리의 일부를 포함하는 저장 및 분배 용기(204)를 포함한다. 용기는 적당한 구성 재료로 형성될 수 있는데, 구성재료에는 금속, 유리, 세라믹, 유리질 재료(vitreous materials), 폴리머, 복합재와 같은 재료를 포함한다. 상기와 같은 목적을 위하여 예시되는 금속은 강철, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리, 놋쇠(brass), 청동(bronze) 및 그 합금을 포함한다. 밸브 헤드는 커플링(210)의 수단에 의해, 그 내부에 압력 변환기(214), 비활성 가스로 분배 어셈블리를 정화시키는 내부 정화 유닛(216), 분배 작동 중에 분배 도관(212)을 통하여 일정한 유속을 유지시키기 위한 매스 유동 제어기(220) 및 분배 어셈블리로부터 분배된 가스를 배출하기 전에 분배되는 가스로부터 입자를 제거하기 위한 필터(222)가 배치되어 있는 분배 도관(conduit)(212)으로 연결된다.
분배 어셈블리는 포맷가능하게 다운스트림 파이프, 밸브, 또는 제거되는 유체의 이용 로커스(locus)와 결합되는 기타 구조와 함께 분배 어셈블리에 매터블하게(matably) 연결되는 커플링(224)을 더 포함하는데, 상기 기타 구조에는 주입 가스 종으로서 분배되는 가스를 이용하는 이온 주입 툴(tool)과 같은 반도체 제조 설비가 포함된다.
유체 저장 및 분배 용기(204)는 내부 모노리스 흡착 바디(205)를 보이기 위하여 부분적으로 파쇄하여 도시된다.
도 4는 본 발명의 다른 바람직한 일례에 따라 직육면체의 유체 저장 및 분배 용기(310)을 채용하는 유체 저장 및 분배 장치의 투시도(perspective view)이다. 직육면체 유체 저장 및 분배 용기(310)은 파이프 밸브 연결 밸브 헤드(312) 및 용기의 맨 윗면에 연결된 핸들(314)이 장착되어 있다. 특정 구체예에서 용기(310)는 용기의 수직(종단)을 따른 정사각 단면을 갖는 용접된 강철 벽 구조로 형성되어 있다. 용기의 벽은 0.100 인치 두께의 탄소 스틸(steel)이고, 용기의 내부 용적은 3.62 리터이다. 핸들(314)은 ¼ 인치 막대(rod stock)로 도시되는 형태로 형성되고, 용기(310)의 각 말단에 용접된다.
파이프 밸브 연결 밸브 헤드(312)의 분배 밸브(310)는 용기(310)과 끼워질 수 있게 1½" 파이프 스레드(thread) 연결에 의해 연결된다. 밸브 헤드는 적정한 수, 예를 들어 하나의 포트 밸브 헤드, 이중 포트 밸브 헤드, 3-포트 밸브 헤드, 등의 포트(port)를 가질 수 있다.
직육면체의 유체 저장 및 분배 용기(310)는 모노리스 탄소 흡착제를 그 내부 용적 내에 함유하는데, 상기 모노리스 매스는 하나 또는 선택적으로 다수개의 모노리스 탄소 바디를 포함할 수 있고, 각각은 직육면체의 평행6면체는 위에서 서술한 바와 같이 용기의 내부 용적의 형태에 따라 형성될 수 있다.
본 발명의 구성물 및 방법은 본 명세서에서 광범위하게 개시된 내용에 따라 폭넓게 다양한 방식으로 구현될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 그러므로 본 발명이 참고문헌과 함께 특정의 특징, 일면 및 구현예가 서술되었다 하더라도, 본 발명이 이로 인해 한정되지 않고, 다른 변경, 개조 및 구현으로 실행될 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이하에서 첨부되는 청구범위의 범위 내에서 다른 모든 변경, 개조 및 구현예를 포함하도록 폭넓게 이해되어야 할 것이다.

Claims (21)

  1. (a) 25℃ 및 650torr 압력에서 아르신(arsine) 가스에 대하여 측정된 충전 밀도(fill density)가 흡착제 1 리터당 400g 초과의 아르신인 특성;
    (b) 상기 흡착제의 전체 공극율의 적어도 30%는 0.3 내지 0.72nm의 크기 범위를 갖는 슬릿형 포어(slit-shaped pore)를 포함하고, 전체 공극율의 적어도 20%는 2nm 미만의 직경을 갖는 마이크로포어(micropores)를 포함하는 특성; 및
    (c) 1cm3 당 0.80 내지 2.0g의 벌크 밀도를 갖는 특성 중 적어도 하나에 의해 특징지어지고, 각각 1.5cm 초과의 3차원 x, y 및 z 치수를 갖는, 열분해된 모노리스(monolithic) 탄소 물리적 흡착제.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착제가 특성 (a)에 의하여 특징지어지는, 흡착제.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착제가 특성 (b)에 의하여 특징지어지는, 흡착제.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착제가 특성 (c)에 의하여 특징지어지는, 흡착제.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착제가 특성 (a) 및 (b)에 의하여 특징지어지는, 흡착제.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착제가 특성 (b) 및 (c)에 의하여 특징지어지는, 흡착제.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착제가 특성 (a) 및 (c)에 의하여 특징지어지는, 흡착제.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착제가 특성 (a), (b) 및 (c)에 의하여 특징지어지는, 흡착제.
  9. 제 1 항에 있어서
    하나 이상의 열분해된 모노리스 흡착제 제품을 포함하고, 상기 제품이 각각 디스크형인, 흡착제.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 흡착제가 수직 적층물내에 복수개의 상기 제품을 포함하고, 상기 제품이 각각 0.10 내지 0.80의 높이-대-직경 비(H/D)를 갖는, 흡착제.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착제가 1cm3 당 1 내지 1.3g의 벌크 밀도를 갖는, 흡착제.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    2nm 미만의 직경을 갖는 포어에서 적어도 30%의 공극율을 갖는, 흡착제.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착제가 그 위에 도핑제를 갖고, 상기 도핑제가 붕산, 소듐 테트라보레이트, 소듐 실리케이트 및 다이소듐 하이드로겐 포스페이트로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는, 흡착제.
  15. 제 1 항에 있어서,
    25℃ 및 650torr 압력에서 아르신 가스에 대하여 측정된 충전 밀도가 흡착제 1 리터당 450g 초과의 아르신이고, 상기 흡착제의 전체 공극율의 적어도 50%는 0.3 내지 0.72nm의 크기 범위를 갖는 포어를 포함하는, 흡착제.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제 1 항 내지 제 11 항 및 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 열분해된 모노리스 탄소 물리적 흡착제상에 가스를 흡착시킴을 포함하는, 가스 공급 방법.
  21. 제 1 항 내지 제 11 항 및 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 열분해된 모노리스 탄소 물리적 흡착제로부터 가스를 탈착시킴을 포함하는, 가스 공급 방법.
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