KR102318490B1 - 이산화탄소 가스의 정제유닛 및 정제방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 가스 정제유닛 및 정제방법에 관한 것으로서, 중공부를 갖는 일자형 관체로서, 일단부에 가스주입구가 구비되고 타단부에 정제가스배출구가 구비되는 정제컬럼; 상기 정제컬럼의 중공부에 함유되어 이산화탄소 가스를 정제 처리하는데 사용되는 정제처리물질;을 포함하며, 상기 정제처리물질은 분말(powder) 또는 알약(pill)의 고체상으로 함유하되, 니켈 100중량부를 기준으로 하여, 실리카겔 20중량부 내지 50중량부, 니켈옥사이드 5중량부 내지 20중량부를 포함하는 조성을 필수 구성으로 하며, 이에 더하여 마그네슘옥사이드 3중량부 내지 18.5중량부, 알루미늄옥사이드 1중량부 내지 16중량부, 실리카 0.1중량부 내지 0.9중량부, 소디움옥사이드 0.2중량부 내지 1중량부, 칼륨옥사이드 0.1중량부 내지 0.9중량부 중에서 적어도 하나 이상을 더 함유시키는 조성을 갖게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 반도체의 제조공정 등에 공정용 가스로 많이 사용되는 이산화탄소 가스로부터 불순물을 제거하여 정제 처리하되 그 정제 효율을 높일 수 있으며, 하나의 정제컬럼을 사용 및 이에 다수의 원료를 정제처리물질로 함유시켜 정제 처리함으로써 이산화탄소 가스에 대한 정제효율을 높일 수 있다.

Description

이산화탄소 가스의 정제유닛 및 정제방법{PURIFICATION METHOD AND PURIFICATION UNIT FOR CARBON DIOXIDE GAS}
본 발명은 이산화탄소 가스의 정제(精製; purification) 처리를 위한 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체의 제조공정 등에 공정용 가스로 많이 사용되는 이산화탄소 가스 내 불순물을 제거하여 정제 처리하되 그 정제 효율을 높일 수 있도록 한 이산화탄소 가스의 정제유닛 및 정제방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체의 제조를 위해 공정 가스가 사용되고 있으며, 이러한 공정 가스로는 이산화탄소, 수소, 질소, 암모니아 등의 표준가스를 비롯하여 실란, 포스핀, 디보란 등의 원료로서의 특수가스, 불화탄소 등의 에칭가스 등이 사용되고 있다.
이와 같은 이산화탄소 등을 비롯한 다수의 공정 가스들은 가스 공급라인을 통해 공급되어 여러 공정에 사용되고 있으며, 예를 들면, 반도체 제조공정 중에 화학기상증착, 에피택셜, 이온주입, 플라즈마드라이에칭 및 열처리 등에 이용되고 있다.
하지만, 이산화탄소 등을 비롯한 공정 가스는 그 순도가 반도체의 수율 및 성능에 미치는 영향이 매우 크므로 반도체 제조공정에 사용되는 공정 가스는 품질 확보를 위해 충분히 정제되어야 한다.
특히, 공정 가스 중 이산화탄소는 가스 내의 불순물 수준의 정밀한 제어를 필요로 하는 많은 산업적인 용도를 갖는 것으로서, 가스의 품질을 보장하면서 정제하는 기술이 요구된다.
이에, 종래에는 이산화탄소 가스 정제기 또는 시스템 설비 등을 설치하여 사용하고 있다.
한편, 종래 선행기술에 있어, 공정 가스 중에서 이산화탄소의 정제 기술을 갖는 국내공개특허 제10-2026-0134666호에서는 "니켈 산화물(NiO)을 내부에 함유한 제1용기와, 팔라듐 산화물(PdO)을 내부에 함유한 제2용기를 포함하는 이산화탄소 정제 시스템 및 방법"을 개시하고 있다.
하지만, 종래 선행기술은 2개의 용기에 각각 다른 성분을 함유시킨 구성 및 방식을 제안하는 것으로서, 이하에서 제안하는 본 발명의 정제 유닛 및 방법과는 기술적 차이를 갖는다 할 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2016-0134666호
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해소 및 이를 감안하여 안출된 것으로서, 반도체의 제조공정 등에 공정용 가스로 많이 사용되는 이산화탄소 가스 내 불순물을 제거하는 등 정제 처리하여 재사용 가능하게 하되 그 정제 효율을 높일 수 있도록 한 이산화탄소 가스의 정제유닛 및 정제방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 하나의 정제컬럼을 사용 및 다수의 원료를 정제처리물질로 사용하여 이산화탄소 가스 내 불순물 제거를 위한 정제효율을 높일 수 있도록 한 이산화탄소 가스의 정제유닛 및 정제방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 정제유닛은, 이산화탄소 가스를 정제 처리하기 위한 이산화탄소 정제유닛에 있어서, 중공부를 갖는 일자형 관체로서, 일단부에 가스주입구가 구비되고 타단부에 정제가스배출구가 구비되는 정제컬럼; 상기 정제컬럼의 중공부에 함유되어 이산화탄소 가스를 정제 처리하는데 사용되는 정제처리물질;을 포함하며, 상기 정제처리물질은 분말(powder) 또는 알약(pill)의 고체상으로 함유되는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 정제처리물질은, 니켈 100중량부를 기준으로 하여, 실리카겔 20중량부 내지 50중량부, 니켈옥사이드 5중량부 내지 20중량부를 포함하는 조성일 수 있다.
여기에서, 니켈 100중량부를 기준으로 하여, 마그네슘옥사이드 3중량부 내지 18.5중량부, 알루미늄옥사이드 1중량부 내지 16중량부, 실리카 0.1중량부 내지 0.9중량부, 소디움옥사이드 0.2중량부 내지 1중량부, 칼륨옥사이드 0.1중량부 내지 0.9중량부 중에서 적어도 하나 이상을 더 함유시키는 조성을 갖게 할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 정제방법은, 이산화탄소 가스를 정제 처리하기 위한 이산화탄소 정제방법에 있어서, (A) 중공부를 갖는 일자형 관체로서 일단부에 가스주입구를 갖고 타단부에 정제가스배출구를 갖는 하나의 정제컬럼을 구비하는 단계; (B) 상기 정제컬럼의 중공부 내에 이산화탄소 가스를 정제 처리하기 위한 정제처리물질을 충전하여 함유시키는 단계; (C) 상기 정제컬럼의 내부로 이산화탄소 가스를 주입하여 정제처리물질과 접촉시킴에 의해 정제 처리하는 단계;를 포함하며, 상기 정제처리물질은 분말(powder) 또는 알약(pill)의 고체상으로 함유되는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 정제처리물질은 상술한 조성을 갖는 구성일 수 있다.
이하에서 더욱 다양한 실시예들이 기재 및 설명될 수 있으며, 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따르면, 반도체의 제조공정 등에 공정용 가스로 많이 사용되는 이산화탄소 가스 내에 포함되는 불순물을 제거하여 정제 처리하되 그 정제 효율을 높일 수 있으며, 이산화탄소 가스를 재생하여 재사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나의 정제컬럼을 사용 및 이에 다수의 원료를 정제처리물질로 함유시켜 물리적 및 화학적 흡착에 의한 정제 처리를 수행함으로써 이산화탄소 가스에 대한 정제효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 가스 정제유닛을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 가스 정제유닛을 나타낸 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 가스 정제유닛에 있어 정제처리물질을 포함하는 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명에 대해 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같으며, 이와 같은 상세한 설명을 통해서 본 발명의 목적과 구성 및 그에 따른 특징들을 보다 잘 이해할 수 있게 될 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 가스 정제유닛(100)은 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 중공부를 갖는 일자형 관체로서, 일단부에 가스주입구(120)가 구비되고 타단부에 정제가스배출구(130)가 구비되는 정제컬럼(110)을 포함한다.
상기 정제컬럼(110)에는 하단부에 결합부(140)가 일체로 구비되어 체결 조립을 통해 고정하여 사용할 수 있도록 구비된다.
상기 정제컬럼(110)의 중공부 내에는 정제처리물질(150)이 충진되어 함유된다.
상기 정제처리물질은 분말(powder) 또는 알약(pill)의 고체상으로 함유되며, 이산화탄소 가스를 정제 처리하는데 사용된다.
상기 정제처리물질은 니켈(Ni) 100중량부를 기준으로 하여, 실리카겔 20중량부 내지 50중량부와, 니켈옥사이드(NiO) 5중량부 내지 20중량부를 포함하는 조성을 갖게 할 수 있다.
상기 정제처리물질은 니켈 100중량부를 기준으로 하여 하기에 나열되는 원료 중에서 적어도 하나 이상을 더 함유시킬 수 있다.
부연하면, 마그네슘옥사이드(MgO) 3중량부 내지 18.5중량부, 알루미늄옥사이드(Al2O3) 1중량부 내지 16중량부, 실리카(SiO2) 0.1중량부 내지 0.9중량부, 소디움옥사이드(Na2O) 0.2중량부 내지 1중량부, 칼륨옥사이드(KO) 0.1중량부 내지 0.9중량부 중에서 적어도 하나 이상을 더 함유하는 조성을 갖게 할 수 있다.
상기 정제처리물질(150)은 분말인 경우, 입경 1~3mm, 표면적 30~70㎡/g을 만족하는 것일 수 있다.
상기 정제처리물질(150)은 상기 정제컬럼(110) 내 중공부 기준 정제처리물질의 함유량은 20~100%로 충진할 수 있다.
상기한 원료의 성분 및 조성비를 갖는 정제처리물질은 정체컬럼(110)의 중공부 내에서 이산화탄소 가스와 접촉시 하기와 같은 물리적 및 화학적 흡착 반응을 수행한다.
Ni + CO2 -> Ni:CO2(물리적 흡착)
Ni + H2O -> Ni:H2O(물리적 흡착)
Ni + 1/2O2 -> NiO( 화학적 흡착)
Ni + H2 -> NiH2(화학적 흡착)
NiO + H2 -> Ni + H2O(화학적 흡착)
그리고, MgO + Al2O3 + SiO2 + Na2O + KO는 물리적 흡착으로 다음과 같은 불순물을 제거한다.
1) HCs 계열의 유기화합물인 헥산, 벤젠, 톨루엔
2) 무기산 계열 F, Cl ,Br, NO2 ,SO2,SO3
3) 염기 계열의 암모니아
상기 정제컬럼(110) 내 함유되는 정제처리물질(150)에 의한 정제활동 및 재생 과정의 수행을 위해 가열수단 및 온도감지수단을 더 포함할 수 있다.
상기 정제컬럼(110) 내에서의 정제활동은 0~50℃ 범위에서 수행된다.
한편, 상술한 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 정제유닛을 이용한 정제방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 이산화탄소 가스 정제방법은 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 중공부를 갖는 일자형 관체로서 일단부에 가스주입구를 갖고 타단부에 정제가스배출구를 갖는 하나의 정제컬럼을 구비한다.
상기 정제컬럼의 중공부 내에 이산화탄소 가스를 정제 처리하기 위한 정제처리물질을 충전하여 함유시킨다.
상기 정제처리물질은 분말(powder) 또는 알약(pill)의 고체상이 사용된다.
상기 정제처리물질은 니켈 100중량부를 기준으로 하여, 실리카겔 20중량부 내지 50중량부와, 니켈옥사이드 5중량부 내지 20중량부를 포함하는 조성을 갖게 할 수 있다.
상기 정제처리물질은 니켈 100중량부를 기준으로 하여 하기에 나열되는 원료 중에서 적어도 하나 이상을 더 함유시킬 수 있다.
부연하면, 마그네슘옥사이드 3중량부 내지 18.5중량부, 알루미늄옥사이드 1중량부 내지 16중량부, 실리카 0.1중량부 내지 0.9중량부, 소디움옥사이드 0.2중량부 내지 1중량부, 칼륨옥사이드 0.1중량부 내지 0.9중량부 중에서 적어도 하나 이상을 더 함유하는 조성을 갖게 할 수 있다.
상기 정제컬럼의 내부로 이산화탄소 가스를 주입하여 정제처리물질과 접촉시킴에 의해 정제 처리한다.
이때, 정제컬럼의 가스주입구를 통해 이산화탄소 가스를 내부로 주입하면, 중공부 내에 함유된 정제처리물질과 접촉 및 반응에 의해 이산화탄소 가스가 갖는 불순물을 흡착하여 정제 처리한다.
상기 정제컬럼 내에서의 정제활동은 0~50℃ 범위에서 수행된다.
상기 정제컬럼 내에서는 충진된 정제처리물질에서 기능하는 물리적 및 화학적 흡착을 통해 이산화탄소 가스로부터 불순물을 제거한다.
또한, 정제효율을 높이기 위해 상기 정제컬럼 내 함유되는 정제처리물질에 대해 150~250℃의 온도로 가열함으로써 재생하는 과정을 가질 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고 이러한 실시예에 극히 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 청구범위 내에서 이 기술분야의 당해업자에 의하여 다양한 수정과 변형 또는 단계의 치환 등이 이루어질 수 있다 할 것이며, 이는 본 발명의 기술적 권리범위 내에 속한다 할 것이다.
100: 정제유닛
110: 정제컬럼
120: 가스주입구
130: 정제가스배출구
140: 결합부
150: 정제처리물질

Claims (10)

  1. 중공부를 갖는 일자형 관체로서, 일단부에 가스주입구가 구비되고 타단부에 정제가스배출구가 구비되는 정제컬럼; 상기 정제컬럼의 중공부에 함유되어 이산화탄소 가스를 정제 처리하는데 사용되는 것으로서, 분말(powder) 또는 알약(pill)의 고체상으로 함유되는 정제처리물질;을 포함하며, 이산화탄소 가스 내 불순물을 제거하여 정제 처리하기 위한 이산화탄소 가스 정제유닛에 있어서,
    상기 정제컬럼에는 하단부에 결합부를 일체로 구비함으로써 체결 조립을 통해 고정하여 사용할 수 있도록 구비되고,
    상기 정제처리물질은,
    니켈 100중량부를 기준으로 하여 실리카겔 20중량부 내지 50중량부, 니켈옥사이드 5중량부 내지 20중량부를 포함하되,
    니켈 100중량부를 기준으로 하여,
    마그네슘옥사이드 3중량부 내지 18.5중량부, 알루미늄옥사이드 1중량부 내지 16중량부, 실리카 0.1중량부 내지 0.9중량부, 소디움옥사이드 0.2중량부 내지 1중량부, 칼륨옥사이드 0.1중량부 내지 0.9중량부 중에서 적어도 하나 이상을 더 함유함으로써 이산화탄소 가스와의 접촉에 의한 흡착반응을 통해 유기화합물인 헥산, 벤젠, 톨루엔과 무기산 계열인 F, Cl ,Br, NO2 ,SO2,SO3 및 염기 계열의 암모니아 불순물을 제거하며,
    상기 정제컬럼 내 정제활동은 0~50℃ 범위에서 수행하고,
    상기 정제컬럼 내 중공부 기준 정제처리물질의 함유량은 20~100%로 충진하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 가스 정제유닛.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 정제처리물질은,
    분말인 경우, 입경 1~3mm, 표면적 30~70㎡/g인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 가스 정제유닛.
  6. 삭제
  7. (A) 중공부를 갖는 일자형 관체로서 일단부에 가스주입구를 갖고 타단부에 정제가스배출구를 갖는 하나의 정제컬럼을 구비하는 단계; (B) 상기 정제컬럼의 중공부 내에 이산화탄소 가스를 정제 처리하기 위한 정제처리물질을 충전하여 함유시키는 단계; (C) 상기 정제컬럼의 내부로 이산화탄소 가스를 주입하여 정제처리물질과 접촉시킴에 의해 불순물을 제거하여 정제 처리하는 단계;를 포함하며, 상기 정제처리물질은 분말(powder) 또는 알약(pill)의 고체상으로 함유되는 이산화탄소 가스 정제방법에 있어서,
    상기 (A)단계에서는 정제컬럼의 하단부에 결합부를 일체로 구비함으로써 체결 조립을 통해 정제컬럼을 고정하여 사용하도록 구비하고,
    상기 정제처리물질은,
    니켈 100중량부를 기준으로 하여 실리카겔 20중량부 내지 50중량부, 니켈옥사이드 5중량부 내지 20중량부를 포함하되,
    니켈 100중량부를 기준으로 하여 마그네슘옥사이드 3중량부 내지 18.5중량부, 알루미늄옥사이드 1중량부 내지 16중량부, 실리카 0.1중량부 내지 0.9중량부, 소디움옥사이드 0.2중량부 내지 1중량부, 칼륨옥사이드 0.1중량부 내지 0.9중량부 중에서 적어도 하나 이상을 더 함유함으로써 이산화탄소 가스와의 접촉에 의한 흡착반응을 통해 유기화합물인 헥산, 벤젠, 톨루엔과 무기산 계열인 F, Cl ,Br, NO2 ,SO2,SO3 및 염기 계열의 암모니아 불순물을 제거하며,
    상기 정제컬럼 내 정제활동은 0~50℃ 범위에서 수행하고,
    상기 정제컬럼 내 중공부 기준 정제처리물질의 함유량은 20~100%로 충진하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 가스 정제방법.
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