KR101275774B1 - 불화가스 분리농축장치 및 이를 이용한 불화가스의 분리농축방법 - Google Patents

불화가스 분리농축장치 및 이를 이용한 불화가스의 분리농축방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 불화가스 분리농축장치 및 이를 이용한 불화가스의 분리농축방법에 관한 것으로, 상세하게는 불화가스를 포함하는 혼합가스가 공급되는 가스공급부; 상기 가스공급부로부터 공급되는 혼합가스의 유량을 제어하는 유입량제어부; 상기 유입량제어부를 통해 혼합가스가 주입되는 주입구, 불화가스가 분리된 비불화가스가 배출되는 투과구 및 분리된 불화가스가 배출되는 배출구를 구비하여 혼합가스로부터 불화가스를 분리하는 분리막 모듈이 1 또는 그 이상 직렬연결된 분리부; 상기 분리부의 투과구와 연결되되, 상기 분리부 내부를 감압시켜 분리막 모듈 내부로 가스가 주입 및 분리되는 구동력을 발생시키는 감압부; 및 상기 분리부의 배출구와 연결되되, 상기 분리부로부터 배출되는 불화가스의 유량을 제어하는 배출량제어부를 포함하는 불화가스 분리농축장치를 제공한다. 본 발명에 따른 불화가스 분리농축장치 및 이를 이용한 불화가스의 분리방법은 분리막을 이용하여 불화가스를 처리하는 종래의 가압방식보다 더욱 높은 불화가스 분리·농축 효율을 나타낼 수 있다. 또한, 불화가스의 분리가 수행되는 분리막 모듈의 압력을 일정하게 유지하여 대형화에 따른 효율저하 문제가 없으며, 가압부로 인하여 불화가스가 배출되는 공정에 악영향을 주는 문제를 방지할 수 있다.

Description

불화가스 분리농축장치 및 이를 이용한 불화가스의 분리농축방법{Appratus for enriching fluorinated gas, and the method for enrichment of fluorinated gas thereby}
본 발명은 불화가스 분리농축장치 및 이를 이용한 불화가스의 분리농축방법에 관한 것이다.
인류에게 지구 온난화 현상은 해결해야 할 큰 과제로써, 지구온난화를 촉진시키는 온실가스에 대해 큰 관심이 쏟아지고 있다. 이에 따라, 1994년 3월 브라질 리우에서 기후변화협약(UNFCC)이 체결되었으며, 세계 각 나라들에 온실가스 배출 저감대책을 수립, 보고, 이행해야 할 의무가 부과되었다. 1997년 12월 일본 교토에서는 구체적인 배출량 감축목표가 논의되어 선진국 38개국이 2008년에서 2012년까지 온실가스를 1990년 대비 평균 5.2 % 감축하기로 결정하였으며, 온실가스의 종류를 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF6) 등 6가지 물질로 분류하였다. 또한, 온실가스 감축 이행을 효과적으로 이행하기 위한 3대 메카니즘인 청정개발체계(CDM), 공동이행제도(JI), 배출권 거래제도(ET) 등의 경제적 수단을 도입 비준하여 시행하고 있다.
우리나라도 2013년부터 온실가스 감축의무 대상국으로 지정될 예정이고, 이에 따라 발전, 정유, 석유화학, 시멘트, 제지, 자동차, 반도체, 도시가스, 디스플레이 등의 10대 업종이 탄소배출 감축 업종으로 우선 선정될 예정이며, 탄소배출 감축량은 1995년 대비 5.2 %의 감축의무를 부여받을 것으로 예측되어 범국가적, 기업적인 대응책 수립이 요구되고 있다.
한편, 육불화황(SF6)은 프레온 가스의 대체물질로 개발돼 반도체 생산공정, 가스 차단기, 소화기, 고압 개폐장치, 중간압 개폐장치, 변압기, 가스 절연 라인 시스템, 혹은 계기용 변성기 등에 쓰이며, 특히 반도체 웨이퍼나 LCD 패널 등의 제조시 세척공정에서 사용되고 있는 물질이다. 육불화황(SF6)은 사용량이 세계적으로 증가하고 있는 인공적인 온실가스로 보통상태에서 불활성, 무취, 무독성 가스이고 500 ℃까지 분해되지 않는다. 또한, 육불화황은 지구 온난화에 미치는 영향력이 이산화탄소에 비해 약 23900배 이상 높은 것으로 알려져 있다.
과불화탄소(perfluorocarbon, PFC)는 화학적으로 매우 안정하고 거의 독성이 없는 물질이지만 지구 온난화를 일으키는 주요 온실 가스로서, 특히 CF4와 C2F6 등은 대기 중에서 무려 10,000 ∼50,000년 동안 체류하면서 지표면의 온도를 상승시킨다. 과불화탄소의 지구 온난화지수는 이산화탄소보다 6000 ∼ 25,000 배가 높은 온실가스로 알려져 있다. 또한, 과불화탄소 중 사불화탄소(CF4)는 알려진 분자 중에 가장 안정한 무극성 분자 화합물로서 분해처리가 매우 어렵고, 실제로 공정에 사용되는 과불화탄소의 사용 효율이 약 15 ∼ 60 %정도임을 감안할 때 대기로 방출되는 과불화탄소로 인한 문제가 심각한 것을 알 수 있다.
상기 육불화황, 과불화탄소와 같은 불화가스를 처리하는 방법으로는 연소법(Combustion), 열분해법(Thermal distruction), 화학/촉매분해법(Chemical/catalytic distruction), 플라즈마 분해법(plasma distruction) 등 다양한 기술이 연구 개발되고 있다.
예를 들어, 대한민국공개특허 제10-1998-48707호에서는 과불화물(PFC) 및 SiF4가 함유된 배기 가스를 알루미나 촉매를 이용하여 분해하는 방법이 개시된 바 있고,
대한민국등록특허 제10-0737941호에서는 2단 플라즈마 처리형 유해가스 처리장치가 개시된바 있으며, 플라즈마를 이용하여 PFC 계열의 가스를 분해하여 처리할 수 있다.
그러나, 일반적으로 불화가스가 많이 사용되는 반도체, LCD공정에서 배출되는 불화가스는 높은 단위배출량 및 매우 낮은 농도(약 300 ~ 1000 ppm)로 생성되어 이로 인하여 처리공정 및 장치에 높은 부하가 작용하여 많은 에너지가 소비되는 문제가 있고, 처리장치의 대형화가 불가피하다는 문제가 있다.
이러한 문제들을 해결하고, 나아가 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 과불화탄소(CF4) 및 육불화황(SF6)을 분리/회수하고 농축하는 연구개발이 수행되고 있는 실정이다.
한편, 종래의 불화가스 처리방법을 대체하는 새로운 대체방법 중 하나로 분리막법이 개발되었다. 상기 분리막법은 불화가스와 기타 가스들의 분자직경 차이를 이용하여 분리막을 통해 불화가스를 분리 및 회수하는 방법으로,
대한민국공개특허 제10-2008-0074225호에서는 육불화황 분리막 모듈 및 이를 이용한 육불화황 회수장치가 개시된 바 있으며, 육불화황 회수를 위한 추가 공정없이도 육불화황 분리막 모듈을 이용하여 높은 회수율로 육불화황을 회수할 수 있는 것으로 나타났다.
불화가스가 사용되는 반도체 및 LCD 공정의 특성상 육불화황과 같은 불화가스가 포함되어 있는 폐가스의 최종 배출압력이 1 bar(gauge pressure) 미만의 음압이기 때문에, 이러한 폐가스를 유동시키기 위해서는 반도체 및 LCD 공정의 공정장비 중 블로워(blower) 전단에 가압장치가 설치되어야 한다. 그러나, 설치된 가압장치로 인하여 반도체 공정 또는 LCD 공정 중 스퍼터링(sputtering) 공정에 부하(load)가 걸리는 문제가 있다.
이에, 본 발명자들은 종래의 불화가스 처리방법을 대체하는 분리막법을 통한 불화가스 분리방법을 연구하던 중, 분리막 모듈 내부를 감압시켜 불화가스가 포함된 폐가스를 분리막으로 공급하여 더욱 우수한 효율로 불화가스를 분리 및 회수할 수 있는 불화가스 분리농축장치를 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 불화가스 분리농축장치 및 이를 이용한 불화가스의 분리농축방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
불화가스를 포함하는 혼합가스가 공급되는 가스공급부;
상기 가스공급부로부터 공급되는 혼합가스의 유량을 제어하는 유입량제어부;
상기 유입량제어부를 통해 혼합가스가 주입되는 주입구, 불화가스가 분리된 비불화가스가 배출되는 투과구 및 분리된 불화가스가 배출되는 배출구를 구비하여 혼합가스로부터 불화가스를 분리하는 분리막 모듈이 1 또는 그 이상 직렬연결된 분리부;
상기 분리부의 투과구와 연결되되, 상기 분리부 내부를 감압시켜 분리막 모듈 내부로 가스가 주입 및 분리되는 구동력을 발생시키는 감압부; 및
상기 분리부의 배출구와 연결되되, 상기 분리부로부터 배출되는 불화가스의 유량을 제어하는 배출량제어부를 포함하는 불화가스 분리농축장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
불화가스를 포함하는 혼합가스가 공급되는 가스공급부;
상기 가스공급부로부터 공급되는 혼합가스의 유량을 제어하는 유입량제어부;
상기 유입량제어부를 통해 혼합가스가 주입되는 주입구, 불화가스가 분리된 비불화가스가 배출되는 투과구 및 분리된 불화가스가 배출되는 배출구를 구비하여 혼합가스로부터 불화가스를 분리하는 분리막 모듈이 1 또는 그 이상 병렬연결된 분리부;
상기 분리부의 투과구와 연결되어, 상기 분리부 내부를 감압시킴으로써 분리막 모듈 내부로 혼합가스가 주입 및 분리되는 구동력을 발생시키는 감압부; 및
상기 분리부의 배출구와 연결되되, 상기 분리부로부터 배출되는 불화가스의 유량을 제어하는 배출량제어부를 포함하되,
상기 유입량제어부, 분리부 및 감압부 일체가 둘 이상 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 불화가스 분리농축시스템을 제공한다.
나아가, 본 발명은
불화가스를 포함하는 혼합가스를 상기 불화가스 분리농축시스템으로 공급하여 분리농축하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 불화가스가 분리농축된 비불화가스로부터 잔류 불화가스를 투과가스 분리부를 통해 더욱 분리농축하는 단계(단계 2)를 포함하는 불화가스 분리농축방법을 제공하고,
불화가스를 포함하는 혼합가스를 상기 불화가스 분리농축시스템으로 공급하여 분리농축하는 단계(단계 a); 및
상기 단계 a에서 불화가스가 분리농축된 비불화가스로부터 잔류 불화가스를 흡착부를 통해 더욱 분리농축하는 단계(단계 b)를 포함하는 불화가스 분리농축방법을 제공한다.
본 발명에 따른 불화가스 분리농축장치 및 이를 이용한 불화가스의 분리농축방법은 분리막을 이용하여 불화가스를 처리하는 종래의 가압방식보다 더욱 높은 불화가스 분리·농축 효율을 나타낼 수 있다. 또한, 불화가스의 분리가 수행되는 분리막 모듈의 압력을 일정하게 유지하여 대형화에 따른 효율저하 문제가 없으며, 가압부로 인하여 불화가스가 배출되는 공정에 악영향을 주는 문제를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 불화가스 분리농축장치를 개략적으로 나타낸 공정도이고;
도 2는 가압식 불화가스 분리장치를 개략적으로 나타낸 공정도이고;
도 3은 본 발명에 따른 불화가스 분리농축시스템의 일례를 개략적으로 나타낸 공정도이고;
도 4는 본 발명에 본 발명에 따른 불화가스 분리농축시스템의 또 다른 예를 개략적으로 나타낸 공정도이고;
도 5는 흡착부를 포함하는 불화가스 분리농축시스템을 개략적으로 나타낸 공정도이고;
도 6은 분리부의 배출구에 연결되는 감압펌프를 포함하는 불화가스 분리농축시스템을 개략적으로 나타낸 공정도이고;
도 7은 불화가스 분리가 수행되는 분리막 모듈 사진이다.
본 발명은
불화가스를 포함하는 혼합가스가 공급되는 가스공급부;
상기 가스공급부로부터 공급되는 혼합가스의 유량을 제어하는 유입량제어부;
상기 유입량제어부를 통해 혼합가스가 주입되는 주입구, 불화가스가 분리된 비불화가스가 배출되는 투과구 및 분리된 불화가스가 배출되는 배출구를 구비하여 혼합가스로부터 불화가스를 분리하는 분리막 모듈이 1 또는 그 이상 직렬연결된 분리부;
상기 분리부의 투과구와 연결되되, 상기 분리부 내부를 감압시켜 분리막 모듈 내부로 가스가 주입 및 분리되는 구동력을 발생시키는 감압부; 및
상기 분리부의 배출구와 연결되되, 상기 분리부로부터 배출되는 불화가스의 유량을 제어하는 배출량제어부를 포함하는 불화가스 분리농축장치를 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 불화가스 분리농축장치를 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 불화가스 분리농축장치는 불화가스를 포함하는 혼합가스가 공급되는 가스공급부(100), 상기 가스공급부(100)와 연결되어 가스공급부로부터 공급되는 혼합가스의 유량을 제어하는 유입량제어부(200), 상기 유입량제어부(200)를 통해 주입되는 혼합가스로부터 불화가스를 분리하는 분리막 모듈을 포함하는 분리부(300), 상기 분리부(300)의 투과구와 연결되어 분리부 내부를 감압시킴으로써 분리막 모듈 내부로 혼합가스가 주입 및 분리되도록 하는 감압부(400) 및 상기 분리부(300)의 배출구와 연결되어 분리부로부터 배출되는 불화가스의 유량을 제어하는 배출량제어부(500)를 포함한다.
상기 가스공급부(100)는 반도체 공정 또는 LCD 제조공정에서 폐가스로 배출되는 불화가스를 포함하는 혼합가스를 공급한다. 반도체 공정 또는 LCD 제조공정에서 육불화황(SF6), 사불화탄소(CF4) 등의 불화가스는 기판(웨이퍼)의 세척에 주로 사용되며, 저농도 및 저압의 폐가스로 배출된다. 이러한 불화가스는 온실가스로 작용하여 환경문제를 초래할 수 있고, 전량 수입에 의존하는 고가의 가스이기 때문에 회수장치가 요구되며, 상기 가스공급부(100)는 반도체 공정, LCD 제조공정으로부터 불화가스를 포함하는 혼합가스를 받아 유입량제어부(200)로 공급하는 역할을 수행한다.
상기 유입량제어부(200)는 상기 가스공급부(100)로부터 불화가스를 포함하는 혼합가스를 공급받으며, 분리부(300)로 주입되는 혼합가스의 유량을 제어한다. 이때, 상기 유입량제어부는 질량 유량 제어기(mass flow controller, MFC)를 포함하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 분리부(300)로는 유입량제어부(200)를 통해 불화가스를 포함하는 혼합가스가 주입되고, 불화가스의 분리가 수행된다. 상기 분리부는 상기 유입량제어부(200)를 통해 혼합가스가 주입되는 주입구, 불화가스가 분리된 비불화가스가 배출되는 투과구 및 분리된 불화가스가 배출되는 배출구를 구비하여 혼합가스로부터 불화가스를 분리하는 분리막 모듈을 포함하고, 상기 분리막 모듈 복수개는 서로 직렬연결된 형태로 구비될 수 있어 불화가스의 회수율을 더욱 극대화할 수 있다.
이때, 상기 분리막 모듈의 일단부에 위치한 주입구로는 상기 유입량제어부(200)를 통해 혼합가스가 주입되고, 주입된 혼합가스는 분리막 모듈의 길이방향으로 진행하며 불화가스가 분리된다. 불화가스가 분리된 비불화가스들은 상기 주입구의 반대쪽에 구비된 투과구를 통해 분리막 모듈로부터 배출되고, 혼합가스로부터 분리된 불화가스는 배출구를 통해 분리막 모듈로부터 배출된다.
한편, 상기 분리막 모듈은 중공사형 분리막(hollow fiber memmbrane)인 것이 바람직하다. 중공사형 분리막은 평막에 비하여 상대적으로 큰 막 면적을 가지는 모듈을 제조하기 용이하여 높은 분리효율을 나타낼 수 있다. 이때, 상기 중공사형 분리막은 불화가스에 대한 내화학성이 우수한 폴리설폰, 카본(carbon), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에스테르(polyester), 폴리에스터카보네이트(polyestercarbonate), 폴리에스터설폰(polyestersulfone), 폴리아미드(polyamide), 폴리페닐린(polyphenylene) 등의 재질인 것이 바람직하고, 표면이 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)으로 코팅될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 분리부(300)는 분리된 불화가스를 배출하는 배출구와 불화가스가 분리된 비불화가스들이 배출되는 투과구를 포함하며, 상기 배출구 및 투과구에는 가스크로마토그래피(gas chromatography, GC)가 각각 연결될 수 있다. 가스크로마토그래피로 배출구를 통해 배출되는 불화가스의 농도를 분석하여 불화가스의 농도를 더욱 높이기 위한 농축공정이 더욱 수행될 수 있다. 또한, 상기 투과구를 통과한 불화가스가 분리된 비불화가스들을 분석하여 대기 중으로 바로 배출하거나, 불화가스 분리를 더욱 수행할 수 있다.
상기 배출량제어부(500)는 분리부(300)에서 분리되어 배출되는 불화가스의 유량을 제어하는 역할을 수행하고, 바람직하게는 질량 유량 제어기(mass flow controller, MFC)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 배출량제어부(500)를 통해 배출구를 통해 배출되는 불화가스 배출량을 조절할 수 있고, 이에 따라 분리부(300)로 유입되는 혼합가스의 유량을 제어하는 유입량제어부(200)와 함께 불화가스를 포함하는 혼합가스가 분리부(300)에서 머무르는 체류시간을 조절할 수 있다. 일반적으로, 분리막을 통해 혼합가스의 분리를 수행하는 경우, 체류시간이 길수록 분리막을 투과하는 투과량은 감소하나, 분리된 가스의 농도 즉 농축도는 향상된다. 따라서, 상기 유입량제어부(200) 및 분리부(300)의 배출구에 설치되는 배출량제어부(500)를 통해 분리된 불화가스의 농도 및 분리속도(분리부를 통해 불화가스 분리가 수행되는 속도)를 조절할 수 있다.
상기 분리부(300)에서 불화가스가 분리되는 것은 불화가스와 혼합가스에 포함된 다른 가스들의 분자 직경 차이를 이용한다. 일례로 육불화황(SF6)의 분자 직경은 5.02 Å으로 질소(N2)의 분자직경 3.60Å보다 큰 것을 알 수 있다. 이를 이용하여, 분리막 모듈을 설계하여 분리부를 제조함으로써 분리막을 통한 불화가스를 분리를 수행할 수 있다.
상기 감압부(400)는 상기 분리부(300) 내부를 감압시켜 분리부의 분리막 모듈 내부로 혼합가스가 주입 및 분리되도록 하는 구동력을 발생시킨다. 종래의 분리막을 이용하여 불화가스를 분리하는 것은 도 2의 개략도에 나타낸 바와 같이 감압부없이 혼합가스를 분리부로 주입하여 불화가스를 분리하였다. 또한, 종래의 불화가스 분리방법은 불화가스를 포함하는 혼합가스가 저압으로 배출됨에 따라 이를 분리부로 주입하기 위해 가압하는 방식이 이용되어왔다. 그러나, 종래의 방식으로는 저압으로 배출되는 혼합가스를 유동시키기 위해 반도체 및 LCD 공정의 공정장비 중 블로워(blower) 전단에 가압장치를 설치하여야 한다. 그러나, 설치된 가압장치로 인하여 반도체 공정 또는 LCD 공정 중 스퍼터링(sputtering) 공정에 부하(load)가 걸리는 문제가 있다.
반면, 본 발명에 따른, 불화가스 분리농축장치는 분리부(300)의 투과구와 연결되는 감압부(400)를 포함하여 분리부 내부를 감압함으로써 불화가스를 포함하는 혼합가스가 배출되는 공정에 어떠한 영향도 주지않고 불화가스 분리를 수행할 수 있다. 이때, 상기 감압부(400)는 진공펌프(Vacuum pump)를 포함하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니며 상기 분리부(300) 내부를 감압할 수 있는 수단을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 불화가스 분리농축장치는 유입량제어부를 통한 혼합가스 유량 제어, 배출구에 설치되는 배출량제어부를 통한 불화가스 배출량 제어 및 감압부를 통한 분리부의 압력 조절을 통해 불화가스 분리를 위한 최적의 조건(불화가스 분리속도, 체류시간 등)을 설정하여 불화가스를 분리하고, 이에 따라 종래의 불화가스 분리장치보다 더욱 우수한 분리효율을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 불화가스 분리농축장치에 있어서 1 또는 그 이상의 분리부가 서로 병렬연결될 수 있으며, 이를 통해 대량의 혼합가스를 처리할 수 있다.
한편, 본 발명은
불화가스를 포함하는 혼합가스가 공급되는 가스공급부;
상기 가스공급부로부터 공급되는 혼합가스의 유량을 제어하는 유입량제어부;
상기 유입량제어부를 통해 혼합가스가 주입되는 주입구, 불화가스가 분리된 비불화가스가 배출되는 투과구 및 분리된 불화가스가 배출되는 배출구를 구비하여 혼합가스로부터 불화가스를 분리하는 분리막 모듈이 1 또는 그 이상 병렬연결된 분리부;
상기 분리부의 투과구와 연결되어, 상기 분리부 내부를 감압시킴으로써 분리막 모듈 내부로 혼합가스가 주입 및 분리되는 구동력을 발생시키는 감압부; 및
상기 분리부의 배출구와 연결되되, 상기 분리부로부터 배출되는 불화가스의 유량을 제어하는 배출량제어부를 포함하고,
상기 유입량제어부, 분리부 및 감압부 일체가 둘 이상 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 불화가스 분리농축시스템을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 불화가스 분리농축시스템을 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 불화가스 분리농축시스템의 일례를 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 불화가스 분리농축시스템은 불화가스를 포함하는 혼합가스가 공급되는 가스공급부(100), 상기 가스공급부(100)와 연결되어 가스공급부로부터 공급되는 가스의 유량을 제어하는 유입량제어부(200), 상기 유입량제어부(200)를 통해 주입되는 혼합가스에서 불화가스를 분리하는 분리막 모듈이 병렬로 연결된 분리부(300), 상기 분리부(300)와 연결되어 분리부 내부를 감압시킴으로써 분리막 모듈 내부로 혼합가스가 주입 및 분리되도록 하는 감압부(400) 및 분리부(300)에서 분리가 수행되어 배출되는 불화가스의 유량을 제어하는 배출량제어부(500)를 포함하되, 상기 유입량제어부, 분리부 및 감압부 일체가 둘 이상 직렬로 연결되어 분리된 불화가스를 다단 분리공정으로 더욱 분리농축시킬 수 있다.
이때, 상기 유입량제어부, 분리부 및 감압부 일체는 상기 가스공급부(100)를 제외한 유입량제어부, 분리부 및 감압부를 하나의 분리농축장치로 표현한 것으로, 불화가스를 더욱 분리하기 위하여 상기 유입량제어부, 분리부 및 감압부를 포함하는 분리농축장치가 직렬로 복수개 연결되는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 불화가스 분리농축시스템은 분리부(300)에 포함된 각각의 분리막 모듈의 진공도를 각 분리부(300)에 연결된 감압부(400)에 의하여 적절히 조절할 수 있다. 또한, 각 유입량제어부(200)를 통해 분리부(300)로 공급되는 불화가스의 유량을 제어할 수 있다. 이때, 가스크로마토그래피를 통해 투과 및 배출된 가스의 분석을 수행하여, 배출된 불화가스의 농도를 알 수 있으며, 분석된 불화가스의 농도에 따라 각 분리부(300)에 연결된 감압부(400)는 분리부(300)의 진공도를 조절한다.
만약, 분석된 불화가스의 농도가 낮은 경우에는 불화가스의 농도를 더욱 농축하기 위하여 직렬연결된 후속 분리부를 통해 분리를 더욱 수행한다. 이때, 직렬연결된 후속 분리부와 연결된 감압부는 분리부 내부의 압력을 상대적으로 높게 조절하고, 분리부의 배출구를 통해 배출되는 불화가스의 유량을 제한하여 불화가스가 분리부에 머무르는 체류시간을 증가시키며, 이에 따라 더욱 고농도의 불화가스가 배출되도록 한다. 그러나, 고농도의 불화가스를 분리하기 위해 분리부에 가스가 머무르는 체류시간이 증가함에 따라 불화가스의 분리속도가 저하될 수 있으므로 혼합가스 주입량, 분리부 압력, 불화가스의 배출량 등을 적절히 조절하여 최적의 조건을 설정한다.
이때, 도 4 및 도 5의 공정도에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 불화가스 분리농축시스템은 분리부(300)의 투과구를 통해 배출되는 불화가스가 분리된 비불화가스를 더욱 분리농축하는 투과가스 분리부 또는 흡착부(absorption member)를 더 포함할 수 있으며, 상기 투과가스 분리부는 분리막 모듈을 포함하여 투과가스를 더욱 분리농축할 수 있고, 상기 흡착부는 일반적으로 사용되는 불화가스 흡착칼럼을 사용하여 투과가스를 더욱 분리농축할 수 있다. 상기 투과가스 분리부 또는 흡착부를 통해 불화가스를 더욱 분리농축함으로써 불화가스의 회수율을 극대화하고, 대기중으로 일부 불화가스가 방출되는 것을 방지할 수 있으며, 궁극적으로 불화가스로 인하여 유발되는 온실효과를 완화시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명에 따른 불화가스 분리농축시스템은 분리부의 배출구에 연결되는 하나 이상의 감압펌프 또는 블로워(blower)를 더 포함할 수 있으며, 분리부의 배출구에 감압펌프가 연결된 불화가스 분리농축시스템을 도 6의 공정도를 통해 나타내었다. 상기 감압펌프(401) 또는 블로워(blower)는 복수개의 분리부가 직렬연결될 때, 각각의 분리부 압력이 차이가 나는 것을 방지하기 위함으로 배출구로 배출출되는 불화가스를 후속 분리부로 더욱 원활하게 공급할 수 있고, 불화가스를 더욱 효율적으로 분리농축할 수 있다.
나아가, 본 발명은
불화가스를 포함하는 혼합가스를 상기 불화가스 분리농축시스템으로 공급하여 분리농축하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 불화가스가 분리농축된 비불화가스로부터 잔류 불화가스를 투과가스 분리부를 통해 더욱 분리농축하는 단계(단계 2)를 포함하는 불화가스 분리농축방법을 제공한다.
본 발명에 따른 불화가스 분리방법에 있어서, 단계 1은 불화가스를 포함하는 혼합가스를 상기 불화가스 분리농축시스템으로 공급하여 분리농축하는 단계이다. 상기 단계 1의 불화가스는 일반적으로 반도체 공정, LCD 공정에 사용되는 가스들로 육불화황(SF6), 사불화탄소(CF4), 수소불화탄소(Hydrofluorocarbons, HFCs)가스 등이 있다. 상기 단계 1의 혼합가스는 상기 불화가스를 저농도로 포함하고 낮은 압력으로 배출되어 불화가스 분리농축시스템으로 공급하기 위한 구동력이 요구된다. 본 발명에 따른 상기 불화가스 분리농축시스템은 감압부를 통한 분리막 모듈의 진공화를 통해 저압의 혼합가스를 유동 및 분리시킬 수 있어, 별도의 가압수단이 필요치 않다. 이에 따라, 상기 단계 1에서 혼합가스를 공급하는 것이 추가적인 장치 또는 수단 없이도 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 불화가스 분리방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 불화가스가 분리농축된 비불화가스로부터 잔류 불화가스를 투과가스 분리부를 통해 더욱 분리농축하는 단계이다. 상기 단계 1에서 불화가스가 분리농축된 비불화가스에는 일부 불화가스가 잔류할 수 있으며, 이러한 잔류 불화가스가 대기중으로 배출됨으로써 온실효과가 더욱 가중될 수 있다. 따라서, 상기 단계 2에서는 상기 단계 1에서 불화가스가 분리농축된 비불화가스를 투과가스 분리부를 통해 더욱 분리농축한다. 상기 투과가스 분리부는 일반적인 분리막 모듈을 포함하여 불화가스의 분리를 수행할 수 있고, 상기 단계 2의 투과가스 분리부를 통해 온실효과의 주원인으로 지목되어 세계적으로 배출량 감소가 요구되는 불화가스를 더욱 분리농축할 수 있다.
본 발명은
불화가스를 포함하는 혼합가스를 상기 불화가스 분리농축시스템으로 공급하여 분리농축하는 단계(단계 a); 및
상기 단계 a에서 불화가스가 분리농축된 비불화가스로부터 잔류 불화가스를 흡착부를 통해 더욱 분리농축하는 단계(단계 b)를 포함하는 불화가스 분리농축방법을 제공한다.
본 발명에 따른 불화가스 분리방법에 있어서, 단계 a는 불화가스를 포함하는 혼합가스를 상기 불화가스 분리농축시스템으로 공급하여 분리농축하는 단계이다. 상기 단계 a의 불화가스는 일반적으로 반도체 공정, LCD 공정에 사용되는 가스들로 육불화황(SF6), 사불화탄소(CF4), 수소불화탄소(Hydrofluorocarbons, HFCs)가스 등이 있다. 상기 단계 a의 혼합가스는 상기 불화가스를 저농도로 포함하고 낮은 압력으로 배출되어 불화가스 분리농축시스템으로 공급하기 위한 구동력이 요구된다. 본 발명에 따른 상기 불화가스 분리농축시스템은 감압부를 통한 분리막 모듈의 진공화를 통해 저압의 혼합가스를 유동 및 분리시킬 수 있어, 별도의 가압수단이 필요치 않다. 이에 따라, 상기 단계 a에서 혼합가스를 공급하는 것이 추가적인 장치 또는 수단 없이도 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 불화가스 분리방법에 있어서, 단계 b는 상기 단계 a에서 불화가스가 분리농축된 비불화가스로부터 잔류 불화가스를 흡착부를 통해 더욱 분리농축하는 단계이다. 상기 단계 a에서 불화가스가 분리농축된 비불화가스에는 일부 불화가스가 잔류할 수 있으며, 이러한 잔류 불화가스가 대기중으로 배출됨으로써 온실효과가 더욱 가중될 수 있다. 따라서, 상기 단계 b에서는 상기 단계 a에서 불화가스가 분리농축된 비불화가스를 흡착부를 통해 더욱 분리농축한다. 상기 흡착부로는 일반적인 불화가스 흡착컬럼을 사용할 수 있고, 상기 단계 b의 흡착부를 통해 온실효과의 주원인으로 지목되어 세계적으로 배출량 감소가 요구되는 불화가스를 더욱 분리농축할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 불화가스의 분리 1
다공성 폴리설폰 중공사막의 표면에 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 코팅한 비대칭형 분리막을 SUS 튜브(φ 3/8" × 50 cm)에 충진시켜 유효막면적이 0.13 cm2인 중공사막 분리막 모듈(module)을 제조하였고, 제조된 분리막 모듈의 사진을 도 7에 나타내었다.
제조된 상기 분리막 모듈을 이용하여 본 발명에 따른 불화가스 분리농축장치를 구성하였고, 감압부를 통해 분리막 모듈의 압력을 0.34 bar로 유지하였다. 감압된 상태인 상기 불화가스 분리농축장치로 혼합가스(질소/육불화황(N2/SF6)=99.92/0.08부피%)를 공급하여 혼합가스로부터 불화가스(육불화황)을 분리하였다. 이때, 분리막 모듈에서 배출되는 가스의 유량은 5 sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute)으로 제어하였다.
<실시예 2> 불화가스의 분리 2
상기 실시예 1에서 분리막 모듈의 압력을 0.29 bar로 유지한 상태로 불화가스를 분리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 불화가스를 분리하였다. 이때, 분리막 모듈에서 배출되는 가스의 유량은 10 sccm으로 제어하였다.
<실시예 3> 불화가스의 분리 3
상기 실시예 1에서 분리막 모듈의 압력을 0.15 bar로 유지한 상태로 불화가스를 분리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 불화가스를 분리하였다. 이때, 분리막 모듈에서 배출되는 가스의 유량은 20 sccm으로 제어하였다.
<실시예 4> 불화가스의 분리 4
상기 실시예 1에서 분리막 모듈의 압력을 0.01 bar로 유지한 상태로 불화가스를 분리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 불화가스를 분리하였다. 이때, 분리막 모듈에서 배출되는 가스의 유량은 30 sccm으로 제어하였다.
<실시예 5> 불화가스의 분리 5
상기 실시예 1의 혼합가스(질소/육불화황(N2/SF6)=99.92/0.08부피%) 대신 질소/육불화황(N2/SF6)=99.00/1.00부피%인 혼합가스를 불화가스 분리농축장치로 공급하여 불화가스를 분리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 불화가스를 분리하였다.
<실시예 6> 불화가스의 분리 6
상기 실시예 5에서 분리막 모듈의 압력을 0.29 bar로 유지한 상태로 불화가스를 분리한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 수행하여 불화가스를 분리하였다.
<실시예 7> 불화가스의 분리 7
상기 실시예 5에서 분리막 모듈의 압력을 0.15 bar로 유지한 상태로 불화가스를 분리한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 수행하여 불화가스를 분리하였다.
<실시예 8> 불화가스의 분리 8
상기 실시예 5에서 분리막 모듈의 압력을 0.01 bar로 유지한 상태로 불화가스를 분리한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 수행하여 불화가스를 분리하였다.
<실시예 9> 불화가스의 분리 9
다공성 폴리설폰 중공사막의 표면에 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 코팅한 비대칭형 분리막을 SUS 튜브에 충진시켜 유효막면적이 0.32 cm2 및 0.16 cm2인 중공사막 분리막 모듈(module)을 제조하였고, 유효막면적이 0.32 cm2인 분리막 모듈을 제1단 및 제2단 분리부로 직렬배치하였으며, 유효막면적이 0.16 cm2인 분리막 모듈을 제3단 분리부로 직렬배치하여 3단 불화가스 분리농축시스템을 제조하고, 각 분리막 모듈의 압력을 0.1 bar로 제어하였다. 상기 불화가스 분리농축시스템으로 혼합가스(질소/육불화황(N2/SF6)=99.92/0.08부피%)를 공급하여 혼합가스로부터 불화가스(육불화황)을 분리하였다.
<비교예 1>
다공성 폴리설폰 중공사막의 표면에 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 코팅한 비대칭형 분리막을 SUS 튜브(φ 3/8" × 50 cm)에 충진시켜 유효막면적이 0.13 cm2인 중공사막 분리막 모듈(module)을 제조하였고, 제조된 분리막 모듈을 이용하여 불화가스 분리농축장치를 구성하되, 감압부 없이 분리농축장치를 구성하였다.
상기 불화가스 분리농축장치로 혼합가스(질소/육불화황(N2/SF6)=99.92/0.08부피%)를 1bar로 가압하여 공급하였고, 혼합가스로부터 불화가스(육불화황)을 분리하였다. 이때, 분리막 모듈에서 배출되는 가스의 유량은 5 sccm으로 제어하였다.
<비교예 2>
상기 비교예 1에서 분리막 모듈에서 배출되는 가스의 유량은 10 sccm으로 제어한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 수행하여 불화가스를 분리하였다.
<비교예 3>
상기 비교예 1에서 분리막 모듈에서 배출되는 가스의 유량은 20 sccm으로 제어한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 수행하여 불화가스를 분리하였다.
분석
상기 실시예 1, 2, 3, 4 및 9에서 분리가 수행되어 배출된 불화가스(육불화황, SF6)와 비교예 1 내지 3에서 분리가 수행되어 배출된 불화가스의 농도를 가스크로마토그래피를 통해 분석하였고, 그 결과를 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에서 배출된 불화가스 분석
주입량
(sccm)		 배출량
(sccm)		 분리막 모듈 압력
(bar)		 배출구에서의 불화가스 농도
(부피%)		 회수율
(부피%)
실시예 1 100 5 0.34 0.632 39.5
실시예 2 100 10 0.29 0.491 61.3
실시예 3 100 20 0.15 0.265 66.3
실시예 4 100 30 0.01 0.196 73.5
비교예 1 103 5 1.00 0.484 29.4
비교예 2 103 10 1.00 0.395 47.9
비교예 3 103 20 1.00 0.279 67.7
실시예 9에서 배출된 불화가스 분석
주입량
(sccm)		 배출량
(sccm)		 분리막 모듈 압력
(bar)		 배출구에서의 불화가스 농도
(부피%)		 회수율
(부피%)
제1단 350 150 0.1 0.183 98
제2단 150 30 0.1 0.900 98
제3단 30 5 0.1 5.300 98
(상기 표 1 및 2의 회수율은 하기 수학식에 의하여 계산되었다.)
<수학식>
Figure 112011056444212-pat00001

표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 불화가스 분리농축장치를 통해 불화가스를 분리농축해낼 수 있음을 알 수 있으며, 분리막 모듈 내부의 압력을 더욱 고진공으로 제어하고, 배출되는 불화가스의 배출량이 증가할수록 배출된 불화가스의 농도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 이를 통해 가스가 분리막 모듈 내부에 머무르는 체류시간이 짧아질수록 분리되는 불화가스의 농도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 불화가스 분리농축장치가 종래의 가압을 통한 불화가스 분리농축장치와 비교하여 불화가스 회수율이 더 우수하거나 동일한 수준을 나타내는 것을 알 수 있다.
한편, 표 2에 나타낸 바와 같이, 분리막 모듈을 3단으로 직렬연결한 본 발명에 따른 불화가스 분리농축시스템을 통해 불화가스를 더욱 고농도로 농축하여 분리할 수 있음을 알 수 있다. 이때, 실시예 9에서는 각 분리막 모듈의 압력을 0.1bar로 동일하게 설정하여 수행하였으나, 분리조건에 따라 이는 적절히 변경될 수 있으며, 이에 따라 불화가스의 분리속도 및 분리된 불화가스의 농도를 제어할 수 있다.
100 : 가스공급부
200 : 유입량제어부
300 : 분리부
400 : 감압부
401 : 배출구와 연결된 감압펌프
500 : 배출량제어부
600 : 흡착부

Claims (10)

  1. 반도체 또는 LCD 제조공정부에 연결되어, 반도체 또는 LCD 제조공정에서 발생하는 불화가스를 포함하는 혼합가스가 공급되는 가스공급부;
    상기 가스공급부로부터 공급되는 혼합가스의 유량을 제어하는 유입량제어부;
    상기 유입량제어부를 통해 혼합가스가 주입되는 주입구, 불화가스가 분리된 비불화가스가 배출되는 투과구 및 분리된 불화가스가 배출되는 배출구를 구비하여 혼합가스로부터 불화가스를 분리하는 분리막 모듈이 1 또는 그 이상 직렬연결된 분리부;
    상기 분리부의 투과구와 연결되되, 상기 분리부 내부를 감압시켜 분리막 모듈 내부로 가스가 주입 및 분리되는 구동력을 발생시키는 감압부; 및
    상기 분리부의 배출구와 연결되되, 상기 분리부로부터 배출되는 불화가스의 유량을 제어하는 배출량제어부를 포함하고, 상기 혼합가스의 공급, 분리막 모듈 내부로의 주입 및 분리의 구동력은 상기 감압부에 의해서만 발생하는 것을 특징으로 하는 불화가스 분리농축장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분리막 모듈은 중공사형 분리막(hollow fiber membrane)을 포함하는 것을 특징으로 하는 불화가스 분리농축장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 중공사형 분리막은 폴리설폰, 카본(carbon), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에스테르(polyester), 폴리에스터카보네이트(polyestercarbonate), 폴리에스터설폰(polyestersulfone), 폴리아미드(polyamide) 또는 폴리페닐린(polyphenylene) 재질인 것을 특징으로 하는 불화가스 분리농축장치.
  4. 제1항에 있어서, 1 또는 그 이상의 분리부가 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 불화가스 분리농축장치.
  5. 반도체 또는 LCD 제조공정부에 연결되어, 반도체 또는 LCD 제조공정에서 발생하는 불화가스를 포함하는 혼합가스가 공급되는 가스공급부;
    상기 가스공급부로부터 공급되는 혼합가스의 유량을 제어하는 유입량제어부;
    상기 유입량제어부를 통해 혼합가스가 주입되는 주입구, 불화가스가 분리된 비불화가스가 배출되는 투과구 및 분리된 불화가스가 배출되는 배출구를 구비하여 혼합가스로부터 불화가스를 분리하는 분리막 모듈이 1 또는 그 이상 병렬연결된 분리부;
    상기 분리부의 투과구와 연결되어, 상기 분리부 내부를 감압시킴으로써 분리막 모듈 내부로 혼합가스가 주입 및 분리되는 구동력을 발생시키는 감압부; 및
    상기 분리부의 배출구와 연결되되, 상기 분리부로부터 배출되는 불화가스의 유량을 제어하는 배출량제어부를 포함하고, 상기 혼합가스의 공급, 분리막 모듈 내부로의 주입 및 분리의 구동력은 상기 감압부에 의해서만 발생하고,
    상기 유입량제어부, 분리부 및 감압부 일체가 둘 이상 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 불화가스 분리농축시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 불화가스 분리농축시스템은 분리부을 투과한 투과가스로부터 불화가스를 더욱 분리농축하기 위한 투과가스 분리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 불화가스 분리농축시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 불화가스 분리농축시스템은 분리부을 투과한 투과가스로부터 불화가스를 더욱 분리농축하기 위해 흡착부(absorption member)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 불화가스 분리농축시스템.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불화가스 분리농축시스템은 분리부의 배출구에 연결되는 하나 이상의 감압펌프 또는 블로워(blower)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 불화가스 분리농축시스템.
  9. 불화가스를 포함하는 혼합가스를 제5항에 따른 불화가스 분리농축시스템으로 공급하여 분리농축하는 단계(단계 1); 및
    상기 단계 1에서 불화가스가 분리농축된 비불화가스로부터 잔류 불화가스를 투과가스 분리부를 통해 더욱 분리농축하는 단계(단계 2)를 포함하는 불화가스 분리농축방법.
  10. 불화가스를 포함하는 혼합가스를 제5항에 따른 불화가스 분리농축시스템으로 공급하여 분리농축하는 단계(단계 a); 및
    상기 단계 a에서 불화가스가 분리농축된 비불화가스로부터 잔류 불화가스를 흡착부를 통해 더욱 분리농축하는 단계(단계 b)를 포함하는 불화가스 분리농축방법.
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