KR101231370B1 - 모노실란의 열분해에 의한 디실란의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

모노실란의 열분해에 의한 디실란의 제조방법 및 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모노실란을 열분해하여 디실란을 제조하는 장치에 있어서, 모노실란의 열분해 반응부; 상기 열분해 반응부에서 생성된 고체 입자를 제거하는 고체입자 제거부; 상기 고체 입자가 제거된 가스 중 수소를 제외한 미반응 모노실란, 열분해 반응 생성물인 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란을 액화하여 포집하는 응축부; 상기 액화된 미반응 모노실란, 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란의 혼합물에서 모노실란을 분리하는 제1분리부; 및 상기 모노실란이 제거된 혼합물에서 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차실란을 분리하는 제2분리부;를 포함하는 디실란 제조장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 모노실란을 열분해법으로 고순도 디실란을 제조함으로써, 고부가 가치의 디실란을 경제적 및 효율적으로 제조하여 수익을 극대화하는 것이 가능하다.

Description

모노실란의 열분해에 의한 디실란의 제조방법 및 제조장치{METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING DISILANE THROUGH PYROLYSIS OF MONOSILANE}
본 발명은 모노실란의 열분해에 의한 디실란의 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 모노실란을 특정 온도, 압력 및 가스공간속도 하 열분해하여 고가의 디실란을 경제적으로 수득하는 디실란의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
실리콘을 기반으로 하는 반도체 디바이스는 현대의 생활에 없어서는 안될 다양한 제품들, 즉, 컴퓨터, 휴대폰, 스마트폰, 자동차, 냉장고 및 통신기기 장비, 군사 및 우주항공 산업에 다양하게 사용되고 있다.
모노실란은 반도체 공정의 다결정 실리콘 박막 필름 및 태양광 전지의 비정질 실리콘 박막필름 형성에 사용되는 공정가스이다. 반도체의 집적도가 커짐에 따라 소위 선폭이 점점 가늘어짐에 따라 모노실란으로 실리콘 박막 필름을 만드는데 어려움이 있다. 이에 비해 디실란 또는 고차 실란은 모노실란에 비해 분해온도가 낮아 박막필름을 형성하는 공정의 온도를 낮게 할 수 있거나 같은 온도의 경우 실리콘 박막 성장속도가 모노실란에 비해 20배 가량의 빠른 것으로 보고되고 있다. 또한 성장된 실리콘 박막필름의 저항도도 우수한 것으로 보고되고 있다. 따라서, 반도체 공정이 선폭이 가늘어 짐에 따라서 디실란의 수요가 점점 늘어나고 있는 현실이다. 하지만 현재 디실란의 가격은 실란 가격에 비해서 단위무게당 백배이상의 가격으로 거래되고 있는 고가의 공정가스이다. 따라서, 상업적으로 고부가가치인 디실란을 대량으로 생산하는 공정은 실란 제조업자의 입장에서는 실란의 고부가가치화를 꾀할 수 있는 장점이 있으며, 디실란을 싸게 만드는 효과가 있어 디실란의 장점을 활용할 수 있는 제품으로의 확대 및 디실란을 이용한 부품 및 최종기기의 가격을 떨어뜨려 소비자에게도 혜택이 있다.
디실란을 제조하는 기술로 여러가지 기술이 존재하고 있다. 모노실란 제조공정으로 개발된 마그네슘 실리사이드의 가수분해법은 실란을 제조하는 공정으로서는 경쟁력이 떨어지므로 이 방법은 더 이상 상업적으로 모노실란 제조하는 공정으로 사용하지 않으나 디실란이 일부 부산물로 생성된다. 하지만, 디실란을 제조하기 위해서는 다량의 실란을 동반 생산해야 하는 단점이 있어 디실란의 대량 제조 생산공법으로는 적절하지 못하다. 헥사클로로디실란 혹은 헥사에톡시디실란을 용매상에서 리튬알루미늄하이드라이드 (LiAlH4)와 같은 환원제를 사용하여 디실란을 제조하는 방법이 있다. 이 방법으로는 디실란의 수율은 높으나 원료물질인 헥사디클로디실란과 환원제의 가격이 고가이며 또한 부산물로 생성되는 유기규소 화합물의 분리에 어려움이 있어 실제 상업화가 되지 못한 공법이다. 또 다른 방법으로는 전기방전법 (electric discharge method)으로 디실란을 얻는 방법이 있다. 이 방법으로는 디실란이 80% 이상 높은 수율로 얻어진다고 보고가 되어 있으나 상업생산을 위한 장치 개발의 어려움 등으로 아직 상업화 되어 있지 못한 공법이다. 또 다른 방법으로는 모노실란을 촉매를 이용하여 디실란은 제조하는 방법이다. 모노실란을 알루미나 촉매 혹은 알루미나를 포함한 복합산화물 촉매로 50℃ 에서 400℃ 온도로 접촉하여 디실란을 제조하는 방법을 소개하고 있다. 이 방법으로는 디실란의 수율이 상대적으로 높게 나오나 반응시간이 길고 촉매반응의 특성을 보일 만큼의 반응속도가 높지 않은 문제가 있다. 또한 반응조건이 적절히 조절하지 못할 경우 비표면적인 넒은 촉매 표면의 특성상에서 모노실란이 과도한 분해반응을 일으켜 폴리실란 파우더 생성을 재촉하는 일이 발생할 수 있다. 상기 열분해 특허 역시 고체입자 생성을 최소화하는 것에 초점을 두고 있다.
상기의 발명들은 모노실란으로부터 고차실란을 생산하는데 있어서 모노실란의 낭비가 적게 하면서 고차실란을 제조하는 공정에 초점을 맞추고 있다. 하지만, 상대적으로 가격이 저렴한 모노실란을 원료로 하여 백배 이상의 고부가가치인 고차실란을 생산하여 수익을 극대화하는 제조공정으로서는 적합하지가 않다. 따라서, 디실란 및 고차실란을 대량으로 생산하기 위해서는 경제적인 관점에서 효과가 큰 제조방법의 필요성이 요구된다.
일본 특허공개 제평3-183614호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 모노실란을 350 내지 500℃, 1 내지 6bar, 및 60 내지 500hr-1에서 열분해하여 경제적이고 효율적으로 고가의 디실란을 제조하는 방법 및 그 제조장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명은 모노실란을 열분해하여 디실란을 제조하는 장치에 있어서,
모노실란의 열분해 반응부;
상기 열분해 반응부에서 생성된 고체 입자를 제거하는 고체입자 제거부;
상기 고체 입자가 제거된 가스 중 수소를 제외한 미반응 모노실란, 열분해 반응 생성물인 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란을 액화하여 포집하는 응축부;
상기 액화된 미반응 모노실란, 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란의 혼합물에서 모노실란을 분리하는 제1분리부; 및
상기 모노실란이 제거된 혼합물에서 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차실란을 분리하는 제2분리부;를 포함하는 디실란 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 열분해 반응기의 열분해 온도는 350 내지 500℃일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 열분해 반응기의 열분해 압력은 1 내지 6bar일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 열분해 반응기의 열분해 가스공간속도는 60 내지 500hr-1일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 응축은 액체질소에 의한 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 분리는 비점 분리에 의한 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 제조장치는 디실란을 저장하는 저장탱크;를 더 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 모노실란을 열분해하는 단계;
상기 열분해시 배출되는 가스 중에서 고체 입자를 제거하는 단계;
상기 고체 입자가 제거된 가스 중 수소를 제외한 미반응 모노실란, 열분해 반응 생성물인 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란을 액화하여 포집하는 단계;
상기 액화된 미반응 모노실란, 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란의 혼합물에서 모노실란을 분리하는 단계; 및
상기 모노실란이 제거된 혼합물에서 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차실란을 분리하는 단계;를 포함하는 디실란 제조방법을 제공한다.
본 발명의 모노실란의 열분해에 의한 디실란의 제조방법 및 장치에 따르면, 모노실란을 열분해법으로 고순도 디실란을 제조함으로써, 고부가 가치의 디실란을 경제적 및 효율적으로 제조하여 수익을 극대화하는 것이 가능하다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디실란 제조방법의 공정 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디실란 제조방법의 공간속도에 따른 모노실란 소모량을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디실란 제조방법의 공간속도에 따른 디실란 생성량을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 디실란 제조방법의 공간속도에 따른 고체입자의 생성량을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디실란 제조방법의 공간속도에 따른 반응기 투입 모노실란 양을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 디실란 제조방법의 온도에 따른 반응기 투입 모노실란 양을 나타내는 그래프이다.
도 8 본 발명의 일 실시예에 따른 디실란 제조방법의 온도에 따른 모노실란 소모량을 나타내는 그래프이다.
도 9 본 발명의 일 실시예에 따른 디실란 제조방법의 온도에 따른 디실란 생성량을 나타내는 그래프이다.
도 10은 발명의 일 실시예에 따른 디실란 제조방법의 온도에 따른 고체입자의 생성량을 나타내는 그래프이다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 모노실란을 열분해하여 디실란을 제조하는 장치에 있어서, 모노실란의 열분해 반응부(100); 상기 열분해 반응부에서 생성된 고체 입자를 제거하는 고체입자 제거부(200); 상기 고체 입자가 제거된 가스 중 수소를 제외한 미반응 모노실란, 열분해 반응 생성물인 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란을 액화하여 포집하는 응축부(300); 상기 액화된 미반응 모노실란, 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란의 혼합물에서 모노실란을 분리하는 제1분리부(400); 및 상기 모노실란이 제거된 혼합물에서 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차실란을 분리하는 제2분리부(500);를 포함하는 디실란 제조장치를 제공한다.
본 발명에 따른 디실란 제조공정의 개략도를 도 1에 도시하였다.
본 발명의 모노실란의 열분해 반응부는 모노실란을 열분해 반응시킨다. 본 발명의 열분해 반응부로 유입되는 모노실란은 열분해 반응으로 소모되는 모노실란을 보충하는 모노실란과 미반응 모노실란이 반응 후 공정에서 분리되어 순환되는 흐름으로 구성된다. 열분해 반응부는 한 개 이상의 관으로 구성된 관형반응기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
모노실란의 열분해 반응 결과 생성되는 생성물은, 미반응 모노실란 (끓는점 -112℃), 디실란(끓는점 -14℃) 및 트리실란 (끓는점 53℃) 등을 포함하는 실리콘수 3 내지 7의 고차 실란, 수소 (끓는점 -253℃), 서브 미크론에서 수백 미크론 크기의 고체입자들이다. 모노실란의 전환율과 생성물의 분포도는 반응온도 이외의 열분해 반응기의 운전변수인 반응압력, 체류시간 등에 의하여 영향을 받는다.
본 발명에서 고차 실란은 일차 실란 및 이차 실란을 제외한, 실리콘수 3 내지 7의 실란을 의미한다.
상기 고체입자는 본 발명의 열분해에 따라 생성되는 서브미크론에서 수백미크론 크기의 고체입자이다.
본 발명에서 상기 열분해 반응부의 온도는 열분해 온도는 350 내지 500℃일 수 있고, 바람직하게는 400 내지 460℃일 수 있다. 반응온도가 350℃ 미만인 경우 모노실란의 전환율과 디실란의 생성량이 매우 적다. 또한, 500℃ 보다 높은 온도에서는 고체입자의 생성이 지나치게 높아지므로 바람직하지 않다. 상기 범위의 온도를 위하여 반응부를 전기적으로 가열하거나, 기타 공지의 방식으로 온도를 유지할 수 있다.
본 발명에서 상기 열분해 반응부의 열분해 압력은 1 내지 6bar 일 수 있고, 바람직하게는 3 내지 5bar일 수 있다. 본 발명자들의 연구에 의하면 모노실란의 열분해 반응압력은 게이지 압력으로 1bar 내지 6bar 에서 운전되는 것이 바람직하며 반응 후단 공정인 분리정제공정 과정에서의 압력강하 등을 고려하여 특히 3 bar 내지 5bar가 바람직하다. 1bar 미만에서는 모노실란의 전환율이 지나치게 낮아 비효율적이고, 6bar 초과에서는 수소 생성이 지나치게 증가하여 디실란 생성에 부정적인 영향을 줄 수 있기 때문이다.
예를 들어, 본 발명자들의 연구에 의하면 반응압력이 게이지압으로 5bar 일 때 디실란의 최고 수율은 반응온도 440 ℃ 에서 얻어졌으며 460 ℃ 이상에서는 디실란의 생성이 줄어들고 고체입자와 수소 발생량이 급격히 증가하였다.
본 발명에서 상기 열분해 반응부의 열분해 가스공간속도는 60 내지 500hr-1일 수 있다. 가스공간속도(SV)란 반응기 입구에서 측정된 열분해 반응기로 유입되는 시간당 모노실란 유입량을 가스가 통과하는 반응기 부피로 나눈 값을 말한다. 공간속도라고도 한다. 모노실란 유입량을 증가시켜 가스공간속도를 늘이면 고체입자의 발생량이 적어지는 장점이 있지만 디실란의 생산량은 크게 증가하지 않으며 재순환되는 미반응 모노실란의 양이 매우 늘어나게 되어 반응기의 부피가 커져야 하는 단점이 있다.
즉, 본 발명의 열분해 반응부는 디실란 생산량, 고체입자 발생량 및 미반응 모노실란의 순환양 등을 고려하여 결정되는 것이다. 본 발명에서는 350 내지 500℃의 온도, 1 내지 6bar의 압력, 60 내지 500hr-1의 가스공간속도의 조건 하에서 모노실란을 열분해하여, 고체입자, 디실란 및 고차실란을 생성시킨다. 따라서 본 발명자들의 연구에 의하면 디실란 생산을 통한 수익창출의 극대화의 관점에서 고체입자가 발생하게 되므로 열분해 반응공정 이후 효과적으로 고체입자를 제거하는 공정이 반드시 요구된다.
열분해 반응부 내에서 고체입자가 생성되지 않는 반응조건으로 반응기를 운전하는 경우, 고체입자로 인해 소모되는 모노실란을 최소화할 수 있으며 라인 막힘 등의 공정 트러블을 최소화할 수는 있으나, 현재 디실란 가격이 원료인 모노실란 가격의 백배 이상인 것을 고려하여, 어느 정도의 모노실란의 손실을 감안하여도 고체입자가 발생하는 조건하에서 디실란 생산을 극대화하는 조건으로 운전하는 것이 가장 효율적이며 경제적이다. 본 발명은 이를 위하여 모노실란의 열분해시 고체입자가 발생하면서 가장 경제적인 조건의 온도, 압력 및 가스공간속도를 발견한 것이다.
본 발명의 디실란 제조장치는 상기 열분해 반응부에서 생성된 가스의 온도를 조절하는 열교환부;를 더 포함할 수 있다. 이를 도 2에 도시하였다. 열교환부에서 이후 고체입자 제거부로 유입되기 전에 냉각하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 고체입자 제거부가 열분해 반응부에서 생성된 고체 입자를 제거하는 역할을 한다. 효율적인 고체입자의 제거는 이후 공정에서의 고체입자에 의한 공정 트러블을 없앨 뿐 아니라 최종 디실란 제품에 서브미크론의 입자들이 포함될 경우 디실란 가스가 사용되는 반도체공정에 문제를 일으킬 수 있기 때문이다.
열분해 반응부의 출구로 배출되는 가스흐름(101)에 포함된 고체입자를 제거하는 고체입자 제거부(200)는 고체입자만 제거하고 다른 가스 생성물은 통과시킨다. 가스 흐름 상에서 고체입자를 제거하는 방법들은 공지의 방법이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 사이클론을 이용하거나 금속필터 등을 사용하여 고체입자들을 포획할 수 있다. 그러나 통상 상업적으로 개발된 금속필터의 경우에 0.1 미크론 이하의 입자는 제거하기가 어려우므로, 0.1 미크론 이하의 입자는 금속필터 후단에 기공크기가 조절된 세라믹 지지체로 구성된 트랩을 추가로 설치하여 제거할 수 있다. 이때 필터는 주기적으로 재생을 하여 재사용할 수 있는 것이 경제적일 수 있다. 또한, 예를 들어, 고체입자를 포함한 가스를 순수 또는 고체입자를 용해시키는 수용액을 분사하는 세척탑을 통과하게 하여 고체입자를 제거할 수도 있다. 이 경우 세척탑에서 발생되는 수분 및 고체입자를 용해시키는 물질의 제거를 위한 별도의 흡착탑이 설치될 수 있다.
본 발명에서 응축부가 상기 고체 입자가 제거된 가스 중 수소를 제외한 미반응 모노실란, 열분해 반응 생성물인 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란을 액화하여 포집하는 역할을 한다. 고체입자를 제거하는 고체입자 제거부(200)를 거쳐 나온 가스흐름(201)은 미반응 모노실란, 수소, 디실란 및 고차실란을 포함하고 응축부(300)로 보내져서 수소를 제외한 가스를 액화시킨다.
이 때, 액화(응축)는 액체질소 (끓는점 -196 ℃)를 이용한 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니고 공지된 액화 방법을 사용할 수 있다. 액화되지 않는 수소 및 원료 상에 포함된 극미량의 산소와 미량의 모노실란 등은 상부로 배출되는 가스흐름(301)을 통해 배출되어 소각로로 보내질 수 있다.
본 발명에서 제1분리부(400)는 상기 액화된 미반응 모노실란, 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란의 혼합물에서 모노실란을 분리한다. 상기 응축부에 포집된 액화가스(302)는 제1분리부(400)로 보내진다. 제1분리부(400)에서는 모노실란과 고차실란의 물리적 특성의 차이를 이용하여 상부로 모노실란(401)을 분리하고 하부로 디실란을 포함한 고차실란을 액체(402)로 분리하는 것일 수 있다. 이 대, 모노실란 및 디실란을 포함한 고차실란은 비점 차이에 의한 분리일 수 인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 응축부(300)에서 비점 분리로 수소, 실란, 디실란을 포함한 고차실란으로 분리하지 않고, 별도로 제1분리부에서 분리하는 이유는, 가스 중에 포함된 디실란의 양이 모노실란에 비해 상대적으로 훨씬 적어 모노실란으로 분리되는 스트림 속에 디실란이 포함되어 배출되는 양이 커질 수 있기 때문이다.
그 후, 상기 모노실란이 제거된 혼합물은 혼합물에 포함된 디실란 및 고차실란을 분리하는 제2분리부를 거친다. 제2분리부(500)에서는 디실란과 트리실란 이상의 고차실란을 비점 차이로 분리할 수 있다. 예를 들어, 제2분리부(500)는 세개의 가스 흐름(501, 502, 503)으로 나뉘어질 수 있다. 즉, 도 1에서 상부 가스 흐름(501)으로는 고차실란(402) 속에 미량 남아있는 모노실란이 배출되고, 액화된 트리실란 및 고차실란은 하부 가스 흐름(502)로 포집되어 필요에 따라서 추가 증류탑을 통해서 분리 또는 폐기될 수 있다.
본 발명에 따른 디실란 제조장치는, 디실란을 저장하는 저장탱크;를 더 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 증류탑 중간으로 배출되는 디실란(503)은 실린더에 충전하기 전에 저온으로 유지되는 저장탱크(600)로 이송되어 보관될 수 있다.
또한, 본 발명은 모노실란을 열분해하는 단계; 상기 열분해시 배출되는 가스 중에서 고체 입자를 제거하는 단계; 상기 고체 입자가 제거된 가스 중 수소를 제외한 미반응 모노실란, 열분해 반응 생성물인 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란을 액화하여 포집하는 단계; 상기 액화된 미반응 모노실란, 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란의 혼합물에서 모노실란을 분리하는 단계; 및 상기 모노실란이 제거된 혼합물에서 디실란 및 고차실란을 분리하는 단계;를 포함하는 디실란 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면 모노실란 열 분해를 통한 고순도 및 고부가가치의 디실란 제조를 통하여 수익을 극대화 할 수 있는 공정이 가능하다.
이하의 실시를 통하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 공간속도 및 온도에 따른 모노실란 전환율, 디실란 수율 및 고체입자 발생량
3단으로 분리되어 각각 독립적으로 제어가 가능한 전기로로 가열되는 수직 SUS 관형반응기 (내경 1.09 cm, 길이 50 cm)에 모노실란을 주입하고, 반응기 내부압력을 5기압으로 유지한 상태로 반응온도와 공간속도를 변화시켰을 때 모노실란 전환율, 디실란 수율 및 고체입자 발생량을 측정하였다. 실험 결과를 반응기 부피 250 리터로 스케일 업하고, 330일, 24시간 연속 운전했을 때의 생산량으로 전환하여 도 3 내지 6에 나타내었다.
도 3은 반응온도 410 ℃, 420 ℃, 430 ℃ 에서 공간속도에 따른 모노실란 소모량을 나타낸다. 모노실란의 소모량은 공간속도의 변화에 따른 민감도에 비해서 온도에 따른 변화가 큼을 알 수가 있다.
도 4 는 도 3의 소모된 모노실란으로부터 생성되는 디실란 생산량을 나타낸 것이다. 디실란 생산량 역시 공간속도가 60 에서 500까지 변할 때 온도에 따른 변화가 크지 않지만 동일한 공간속도에서 온도의 변화에 따른 디실란 생산량의 변화는 큰 차이를 나타낸다. 430 ℃ 경우에는 공간속도가 60 에서 125까지 변화할 때 디실란 생산량도 늘어나다가 그 이상의 공간속도에서는 오히려 감소하는 것을 볼 수 있다.
도 5은 고체입자의 생성량을 나타낸다. 고체입자 생성량은 대체적으로 공간속도가 증가함에 따라 감소하는 추세를 나타내고 높은 반응온도에서 공간속도의 변화에 따른 고체입자 생성량 변화 폭이 크다.
도 6는 공간속도에 따른 반응기에 투입되는 모노실란의 양을 나타낸다. 도 3의 모노실란 소모량을 뺀 분량만큼 반응기 후단에서 공정을 돌아다니다가 미전환된 모노실란으로 다시 회수되어 반응기로 유입이 되는 양이다. 따라서, 공간속도가 커지면 반응기로 유입되는 모노실란의 양도 비례하여 커질 뿐 아니라 반응 후 공정에서 처리해야 할 미반응 모노실란 양도 많아져서 투자비 등이 증가하게 되는 요인이 된다.
[실시예 2] 기압 및 온도에 따른 모노실란 전환율, 디실란 수율 및 고체입자 발생량
상기 실시예 1과 동일한 반응기로 일정한 공간속도 SV = 109 hr- 1 의 경우 반응기 압력 1기압, 3기압, 5기압일 때 반응온도의 변화에 따른 모노실란의 투입량, 소모량, 디실란 생산량 및 고체입자 생산량의 변화를 관찰하였다.
도 7은 반응온도와 상관없이 반응기로 투입되는 모노실란의 양은 년간 약310톤임을 알 수 있다.
도 8는 동일한 반응압력에서 반응기의 온도가 증가할수록 소모되는 모노실란의 양, 즉, 모노실란의 전환율이 높아짐을 알 수 있다. 또한, 동일한 반응온도에서 반응압력이 높아질수록 모노실란의 소모량이 커짐을 볼 수 있다.
반응온도가 증가함에 따른 디실란 생산량 변화량은 도 9에서 보는 바와 같이 반응압력에 따라서 거동이 다름을 알 수가 있다. 1기압일 경우 디실란의 생산량은 반응온도가 증가함에 따라 계속 증가함을 보여 주고 있다. 3기압의 경우에는 반응온도가 400 ℃ 에서 450 ℃ 까지는 증가하다가 감소하는 것을 알 수 있다. 5 기압의 경우 440 ℃ 에서 최고치를 나타낸다.
도 10에서는 각각의 반응기 압력에서 반응온도에 따른 고체입자 발생량의 추이를 나타낸다. 반응온도가 440 ℃까지 증가할 때 고체입자 발생량은 완만하게 증가하다가 그 이상의 온도에서는 고체입자 발생량이 급격히 증가함을 알 수 있다. 즉, 도 4에서 440 ℃ 이후에 모노실란 소모량이 급격히 늘어나는 것은 디실란의 생성보다는 고체입자 생성에 주로 소모되는 것으로 판단할 수 있다.
하기 표 1은 도 9에서 공간속도가 109 hr-1 경우 반응압력 별, 온도별로 디실란 생산량과 고체입자 발생량, 수익 [디실란 생산량 (톤/yr)×디실란 가격 ($/톤) - 실란 소모량 (톤/yr)×실란 가격 ($/톤)] 이 어떻게 변하는지를 정리한 것이다. 모노실란의 가격은 $55.7/kg으로, 디실란의 가격은 $5,000/kg으로 하였다.
1 기압 3 기압 5 기압
디실란
(톤/년)		 고체입자
(톤/년)		 $
(Mil.)		 디실란
(톤/년)		 고체입자
(톤/년)		 $
(Mil.)		 디실란 (톤/년) 고체입자
(톤/년)		 $
(Mil.)
440 ℃ 6.1 2.7 30.0 14.2 9.3 69.8 17.5 13.3 85.5
450 ℃ 11.8 9.9 57.7 17.4 24.0 84.7 15.6 44.9 74.3
460 ℃ 14.7 14.6 72.0 16.1 50.3 76.8 10.3 80.3 46.4
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 경제적인 규모의 디실란 생산량을 확보하기 위해서는 상당량의 고체입자의 생성이 불가피하며, 공간속도가 109 hr-1 경우 5기압, 반응온도 440 ℃ 에서 운전하는 것이 고체입자 생성량이 상대적으로 적으면서 수익을 극대화 할 수 있음을 확인할 수 있다.

Claims (15)

  1. 모노실란을 열분해하여 디실란을 제조하는 장치에 있어서,
    열분해 온도 400 내지 460℃, 열분해 압력 3 내지 5bar 및 열분해 가스공간속도 60 내지 500hr-1 인, 모노실란의 열분해 반응부;
    상기 열분해 반응부에서 생성된 고체 입자 중 직경 0.1미크론 초과 입자를 제거하는 금속 필터 및 직경 0.1미크론 이하 입자를 제거하는 상기 금속 필터 후단에 설치된 세라믹 지지체를 포함하는 고체입자 제거부;
    상기 고체 입자가 제거된 가스 중 수소를 제외한 미반응 모노실란, 열분해 반응 생성물인 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란을 액화하여 포집하는 응축부;
    상기 액화된 미반응 모노실란, 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란의 혼합물에서 모노실란을 분리하는 제1분리부; 및
    상기 모노실란이 제거된 혼합물에서 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차실란을 분리하는 제2분리부;를 포함하는 디실란 제조장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 응축은 액체질소에 의한 것인 디실란 제조장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 분리는 비점 분리에 의한 것인 디실란 제조장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제조장치는 열분해 반응부에서 생성된 가스의 온도를 조절하는 열교환부;를 더 포함하는 것인 디실란 제조장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제조장치는 디실란을 저장하는 저장탱크;를 더 포함하는 것인 디실란 제조장치.
  9. 모노실란을 열분해 온도 400 내지 460℃, 열분해 압력 3 내지 5bar 및 열분해가스공간속도 60 내지 500hr-1 로 열분해하는 단계;
    상기 열분해시 배출되는 가스 중에 발생된 고체 입자 중 직경 0.1미크론 초과 입자를 금속 필터로 제거하고, 직경 0.1미크론 이하 입자를 세라믹 지지체로 제거하는 단계;
    상기 고체 입자가 제거된 가스 중 수소를 제외한 미반응 모노실란, 열분해 반응 생성물인 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란을 액화하여 포집하는 단계;
    상기 액화된 미반응 모노실란, 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차 실란의 혼합물에서 모노실란을 분리하는 단계; 및
    상기 모노실란이 제거된 혼합물에서 디실란 및 실리콘수 3 내지 7개의 고차실란을 분리하는 단계;를 포함하는 디실란 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 액화는 액체질소에 의한 것인 디실란 제조방법.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 분리는 비점 분리에 의한 것인 디실란 제조방법.
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 제조방법은 모노실란을 열분해하는 단계 이후 생성되는 가스를 열교환에 의하여 온도 조절하는 단계;를 더 포함하는 것인 디실란 제조방법.
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