KR20080096812A - 모노리틱 탄소 흡착제를 가지는 가스 저장 및 분배 시스템 - Google Patents

모노리틱 탄소 흡착제를 가지는 가스 저장 및 분배 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 내부 용적을 가지되, 상기 내부 용적은 그 안에 유체를 흡착적으로 보유하는 물리적 흡착제를 함유하고, 용기로부터의 분배를 위해 유체를 탈착유체를 탈착것을 특징으로 하는 유체 저장 및 분배 용기 및 용기로부터 탈착되는용기로부터 탈착되는하여 용기와 결합되어 있는 분배 어셈블리를 포함하는 유체 저장 및 분배 장치가 개시된다. 상기 물리적 흡착제는 하기의 특성 중 적어도 하나에 의해 특정되는 모노리틱(monolithic) 탄소 물리적 흡착제를 포함한다: (a) 25℃ 및 650 토르(torr) 압력에서 아르신(arsine) 가스에 대하여 측정된 충전 밀도(fill density)가 흡착제 1 리터당 400g 아르신 이상; (b) 상기 흡착제 전체 공극율의 적어도 30%는 약 0.3 ~ 약 0.72 nm의 사이즈 범위를 가지는 슬릿(slit) 형상의 포어를 포함하고, 전체 공극율의 적어도 20%는 2 nm 미만의 직경을 가지는 마이크로포어(micropores)를 포함; 및 (c) 1000℃ 이하의 온도에서 열분해(pyrolysis) 및 선택활성(optional activation)에 의해 형성되고, 1 cm3 당 약 0.80 ~ 약 2.0 g의 벌크 밀도(bulk density)를 가짐.
유체, 가스, 흡착제, 열분해, 저장, 분배

Description

모노리틱 탄소 흡착제를 가지는 가스 저장 및 분배 시스템{Gas Storage and Dispensing System with Monolithic Carbon Adsorbent}
본 발명은 일반적으로 가스 저장 및 분배 시스템에 관한 것으로,구체적으로는 가스 저장 매체로서 모노리틱(monolithic) 탄소 흡착제를 이용하는 상기 타입의 시스템에 관한 것이다.
물리적 흡착제 기반의 가스 저장 및 분배 시스템은 반도체 산업에서 위험한 가스의 수송, 공급 및 이용에서 변혁을 가져온 Tom et al. 미국특허 제5,518,528호에 개시되어 있다. 상기 시스템은 분자체 또는 활성 탄소와 같은 물리적 흡착제를 보유하는 용기를 포함하는데, 상기 물리적 흡착제는 용기에 저장되고 용기로부터 선택적으로 분배되는 가스에 대하여 흡착적으로 친화도를 갖는 것이다. 상기 가스는 흡착 매체 상에서 흡착된 상태로, "프리(free: 비흡착)" 상태에서 동량의 가스를 보유하여 (흡착의) 대응되는 빈 용기에 비해, 감소된 압력으로 용기 내에서 유지된다.
상기와 같은 감소된 압력 저장에 의해, 주변 환경으로 가스가 배출되는 어떠한 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, 플로우 콘트롤러(flow controllers), 커플링(couplings), 조인트(joints), 등의 시스템 구성요소에 스트레스와 웨어(wear)를 감소시키기 때문에 상기 가스 누수 현상이 더 낮은 개연성으로 일어난다.
상기 흡착제 기반 가스 저장 및 분배 시스템에서, 물리적 흡착제 매체의 작업 용량은 작동 제한 사항이다. 작업 용량은 흡착 매체 상에 저장("로드(loaded)"되고, 이용을 위하여 상기 흡착 매체로부터 탈착적으로 제거될 수 있는 가스의 양이다. 작업 용량은 흡착 매체를 함유하는 가스 저장 용기에서 가스의 저장 압력, 제거된 가스의 분배 조건(예를 들어, 압력 차이가 탈착(desorption)에 영향을 미치도록 이용될 때의 제거된 가스의 분배 압력, 가스의 열적 탈착이 분배 양상으로 이용될 때의 각 저장 및 분배 조건의 온도 레벨) 및 흡착 매체 그 자체의 타입과 특성(예를 들어, 흡착 매체 사이즈, 형태, 다공성, 포어(pore) 사이즈의 분포 및 내부 포어 경로의 비틀림과 같은 매개변수를 포함)의 함수(function)이다.
기술분야에서는 물리적 흡착제 기반 가스 저장 및 분배 시스템의 작업 용량의 개선이 지속적으로 추구되어 왔다.
본 발명은 가스 저장 및 분배 시스템용 모노리틱 흡착제를 제공하는데 있다.
본 발명은 가스 저장 및 분배 시스템용 모노리틱 흡착제를 제공한다.
본 발명에 따른 모노리틱 흡착제는 가스 저장 및 분배 시스템의 작업용량을 개선하는 효과가 있다.
일면에서, 본 발명은 그 위에 유체를 흡착적으로 보유하고 용기로부터의 분배를 위해 유체를 탈착할 수 있는 물리적 흡착제를 함유하는 내부 용적을 가지는 유체 저장 및 분배 용기, 및 용기로부터 탈착되는 유체를 분배하기 위하여 용기와 결합되어 있는 분배 어셈블리를 포함하고, 상기 물리적 흡착제는 하기의 특성 중 적어도 하나에 의해 특정되는 모노리틱(monolithic) 탄소 물리적 흡착제를 포함하는 유체 저장 및 분배 장치에 관련된다:
(a) 25℃ 및 650 토르(torr) 압력에서 아르신(arsine) 가스에 대하여 측정된 충전 밀도(fill density)가 흡착제 1 리터당 400g 아르신 이상;
(b) 상기 흡착제 전체 공극율의 적어도 30%는 약 0.3 ~ 약 0.72 nm의 사이즈 범위를 가지는 슬릿(slit) 형상의 포어(pore)를 포함하고, 전체 공극율의 적어도 20%는 2 nm 미만의 직경을 가지는 마이크로포어(micropores)를 포함; 및
(c) 1000℃ 이하의 온도에서 열분해(pyrolysis) 및 선택활성(optional activation)에 의해 형성되고, 1 cm3 당 약 0.80 ~ 약 2.0 g의 용적 밀도(bulk density)를 가짐.
본 발명의 다른 면에서는 모노리틱 형태로 열분해 가능한 재료를 몰딩하는 단계; 및 열분해 가능한 재료를 하기의 특성 중 적어도 하나에 의해 특정되는 모노리틱 흡착제를 생성의 열분해 조건 하에서 열분해시키는 단계를 포함하는, 가스 저장 및 분배 시스템용 위한 모노리틱(monolithic) 흡착제의 형성방법에 관련된다:
(a) 25℃ 및 650 토르(torr) 압력에서 아르신(arsine) 가스에 대하여 측정된 충전 밀도(fill density)가 흡착제 1 리터당 400g 아르신 이상;
(b) 상기 흡착제 전체 공극율의 적어도 30%는 약 0.3 ~ 약 0.72 nm의 사이즈 범위를 가지는 슬릿(slit) 형상의 포어를 포함하고, 전체 공극율의 적어도 20%는 2 nm 미만의 직경을 가지는 마이크로포어(micropores)를 포함; 및
(c) 1 cm3 당 약 0.80 ~ 약 2.0 g의 벌크 밀도(bulk density), 이 때 상기 열분해 조건은 1000℃ 이하의 온도를 포함.
본 발명의 보다 다른 일면에서는, 가스 저장 및 분배 용기를 제작하는 단계;
상기 가스에 대한 흡착적 친화도를 가지는 물리적 흡착제를 용기 내에 배치하는 단계; 상기 가스를 상기 물리적 흡착제에 흡착시키기 위하여 상기 용기에 채우는 단계; 상기 용기를 물리적 흡착제와 흡착된 가스를 둘러싸서, 용기 외부 환경으로부터 이를 분리시키기 위하여, 작동가능한 밸브를 함유하는 밸브 헤드(valve head)로 밀봉하는 단계; 상기 물리적 흡착제로부터 흡착된 가스를 제거하는 단계; 및 상기 밸브 헤드 내의 작동가능한 밸브를 작동시켜 가스 분배를 위하여 상기 작동가능한 밸브를 통하여 용기로부터 가스를 흐르게 하는 단계를 포함하고, 상기 물리적 흡착제는 하기의 특성 중 적어도 하나에 의해 특정되는 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배방법에 관련된다:
(a) 25℃ 및 650 토르(torr) 압력에서 아르신(arsine) 가스에 대하여 측정된 충전 밀도(fill density)가 흡착제 1 리터당 400g 아르신 이상;
(b) 상기 흡착제 전체 공극율의 적어도 30%는 약 0.3 ~ 약 0.72 nm의 사이즈 범위를 가지는 슬릿(slit) 형상의 포어를 포함하고, 전체 공극율의 적어도 20%는 2 nm 미만의 직경을 가지는 마이크로포어(micropores)를 포함; 및
(c) 1 cm3 당 약 0.80 ~ 약 2.0 g의 벌크 밀도(bulk density), 이 때, 상기 열분해 조건은 1000℃ 이하의 온도를 포함.
본 발명의 다른 양태, 특징 및 구현예들은 하기에 서술되는 상세한 설명 및 첨부되는 청구범위에 의해 보다 완전하게 명백해질 것이다.
본 발명은 물리적 흡착제 기반 유체 저장 및 분배 장치가 모노리틱 탄소 흡착제 물질이 내부에 있는 유체 저장 및 분배 용기를 이용하여 제작될 수 있고, 이는 흡착제 상 가스의 흡착 및 탈착의 속성과 범위, 용기 내의 물리적 흡착 매체에 대하여 실현가능한 패킹(packing) 밀도 및 반도체 제조 작업을 위한 용기를 포함하는 유체 저장 및 분배 장치의 유용성에 대해 놀랍고도 예상치 못했던 이점을 가져온다는 발견에 기초를 둔 것이다.
본 발명은 종래 이른바 비드 활성탄소와 같은, 미세하게 분할된 폼의 물리적 흡착 매체를 이용했던 Tom et al. 미국특허 제5,518,528호에 설명된 타입의 흡착제 기반 가스 저장 및 분배 시스템에 대한 기술분야에서 실질적인 진보를 달성한 것이다.
본 발명에 따르면, 비드나 미립자 폼(form)이 아닌 특정 특성의 모노리틱 폼으로 활성탄소가 제공되었을 때, 작업 용량에 있어서 가스 저장 및 분배 시스템이 두드러지게 개선될 수 있다.
활성탄소의 모노리틱 폼의 이용에 의해 달성될 수 있는 개선의 레벨은, 종래의 미세하게 분할된 폼에 비해 매우 예상 외이고, 가스 저장 및 분배 용기가 흡착제 모노리스(monolith)에 상응하는 형태일 때, 더더욱 놀랍게 개선된다.
예를 들어, 2002년 12월 9일, Dennis Brestovansky, Michael J. Wodjenski, Jose I. Arno, 및 J. D. Carruthers의 이름으로 "직육면체 유체 저장 및 분배 시스템"이라는 명칭 하에 동시에 접수된 미국 특허출원 No. 10/314,777의 개시사항과 일치하도록, 용기가 정육면체 또는 다른 직육면체와 같은 바람직한 형태일 때, 상응할 수 있는 형태의 모노리스의 이용은 물리적 흡착제 기반 가스 저장 및 분배 시스템의 작업 용량을, 비드 활성 탈소로 충전된 동일 범위의 가스 저장 실린더 및 용기 내부 용적을 이용한 종래 기술에 따른 시스템에 비해 적어도 85% 증가시킬 수 있다.
물리적 흡착제 기반 유체 저장 및 분배 장치의 직육면체 형 용기에서 본 발명에 따른 모노리틱 물리적 흡착제의 바람직한 패키징(packaging)에 대해 예상치 못했던 장점이 나타나는 현상의 배경을 설명하면, 물리적 흡착제 기반 유체 저장 및 분배 시스템에 따른 직육면체 형상을 채용하는 것에 대한 초기의 고려는 매우 불리할 것으로 나타났다. 그 이유는: (i) 용기의 각 면이 개별 부분이라면, 직육면체 용기는 제작에 여섯 개의 면과 열두개의 접선이 필요하다 (반면, 실린더 형 용기는 튜브형으로 둥글게 형성된 강철 재료로부터 봉합선(seams)없이 형성될 수 있다.) ; (ii) (i)에 따라, 직사각 형상 용기의 제작 비용은 대비되는 실린더형 용기에 비해 실질적으로 높을 것으로 예상된다. (iii) 직육면체 형상은 인접 직각 방향의 면의 접합접에서 잠재적으로 접합 라인에서 빈공간을 형성할 수 있는"샤프한" 코너를 수반한다. 여기서, 흡착 베드(bed)는 대비되는 실린더형의 용기와는 다르게, 코너에 대해 "패킹(pack)"되지 않을 것이다(그러한 코너가 없고, 대신 용기의 내부 용적 내의 물리적 흡착 재료 베드를 둘러싸는 최소한의 단면적 형상이다.); 및 (iv) 두 개의 직각면의 횡단은 "봉합선이 없는" 실린더형 용기에 비해 압력 또는 그 에 따른 에너지에 의해 파열될 가능성이 높은 접합점을 만들어낸다.
그러나, 상기 직육면체 형은 인접 면의 횡단 근처에서 봉합선 근처에 덜 단단하게 패킹된 흡착 베드 구역을 가지는 용기를 만들어 내고, 이는 불리하기보다, 그러한 낮은 밀도의 흡착 베드 구역이 흡착 베드 용적이 흘러나가도록 하기 위하여 사이에서 제거되거나 탈착된 가스에 대하여, 높은 가스 플로우 전도성(conductance) 경로로서 실질적으로 이점을 가진다고 확인되었다.
더 나아가, 정확하게는 실린더형 용기가 벽면을 둘러싸는 최소한의 원주 범위와 함께, 최소한의 단면적 형상을 가지기 때문에, 실린더형 용기의 벽에 "존재하는" 흡착제의 양은 최대화된다. 그 반대를 고려하면, 단면에서 흡착 베드에 붙어 있는(인접한) 벽의 주변의 범위는 실린더형 용기보다 직육면체 형에서 훨씬 많을 것이다. 따라서, 흡착 베드와 붙는 벽면이 비흡착성이고, 실린더형 용기에서보다 직사각 형상의 용기에서, 흡착 베드의 외부 마진(margin)이 비례적으로 보다 많을 것이기 때문에, 직육면체 형은 대응되는 사이즈의 실린더형 용기로부터보다 용기로부터 더 큰 부피의 가스 배출이 가능한 것이다. 결과적으로, 벽면 구역에서 제거된 가스는 흡착 베드의 내부 공간에서 탈착된 가스에 비해, 그 흡착 매체로부터 최초로 탈착 방출된 뒤에 다시 흡착되는 현상이 적어진다.
그러한 이유로, 직육면체 용기 형상은 본 발명의 물리적 흡착제의 모노리틱 폼(form)을 보유하는데 특별한 유용성을 갖는다.
본 발명에서 이용된, "모노리틱(monolithic)"은 흡착 매체가 단일이거나 블록(blocks), 브릭(bricks), 디스크(discs), 불(boules), 등과 같은 블록(block) 유사 폼이다. 이는 일반적으로 다수개의 비드(beads), 파티클(particles), 그래 뉼(granules), 펠렛(pellets), 등을 포함하는 베드의 폼으로 이용되었던, 종래 비드(beads), 파티클(particles), 그래뉼(granules), 펠렛(pellets), 등과 같은 미세하게 분할된 폼과 대비된다. 따라서, 다수개가 미세하게 분할된 물리적 흡착 요소의 베드 폼에서, 흡착 파티클의 특징, 디멘젼(dimensions), 형상 및 패킹 밀도에 따라 다양하게, 활성 흡착제의 빈 용적은 주요 사이 부분 또는 파티클 사이에 있다. 반면에, 모노리틱 폼에서, 활성 흡착제의 빈 용적은 흡착 물질에 대해 포어가 내부에 있는 형이고, 빈 공간은 그 공정 과정에서 벌크형의 흡착제 바디(body)를 형성할 수 있다.
일면에서 본 발명은 그 위에 유체를 흡착적으로 보유하고 용기로부터의 분배를 위해 유체를 탈착할 수 있는 물리적 흡착제를 함유하는 내부 용적을 가지는 유체 저장 및 분배 용기, 및 용기로부터 탈착되는 유체를 분배하기 위하여 용기와 결합되어 있는 분배 어셈블리를 포함하고, 상기 물리적 흡착제는 하기의 특성 중 적어도 하나에 의해 특정되는 모노리틱(monolithic) 탄소 물리적 흡착제를 포함하는 유체 저장 및 분배 장치에 관련된다:
(a) 25℃ 및 650 토르(torr) 압력에서 아르신(arsine) 가스에 대하여 측정된 충전 밀도(fill density)가 흡착제 1 리터당 400g 아르신 이상;
(b) 상기 흡착제 전체 공극율의 적어도 30%는 약 0.3 ~ 약 0.72 nm의 사이즈 범위를 가지는 슬릿(slit) 형상의 포어를 포함하고, 전체 공극율의 적어도 20%는 2 nm 미만의 직경을 가지는 마이크로포어(micropores)를 포함; 및
(c) 1000℃ 이하의 온도에서 열분해(pyrolysis) 및 선택활성(optional activation)에 의해 형성되고, 1 cm3 당 약 0.80 ~ 약 2.0 g의 벌크 밀도(bulk density)를 가짐.
모노리틱 흡착제는 단일 모노리틱 흡착제 아티클 또는 다수개의 모노리틱 흡착제 아티클의 폼일 수 있다. 흡착제는 그것이 배치되는 용기의 내부 용적에 상응하도록, 바람직하게는 용기 내부 용적의 적어도 60%, 예를 들어 상기 용적의 75~95%를 차지하도록 적당하게 형성될 수 있다. 이하, 본 발명은 바람직한 직육면체 형상의 용기에서의 모노리틱 흡착제 내용에 대하여 보다 구체적으로 논의될 것이나, 본 발명이 이에 한정되지는 않고, 실린더 형상의 용기, 배럴(barrel) 형상의 용기, 원뿔대(frustoconical) 형상의 용기, 등 다른 형태 및 구조의 용기 또한 이용될 수 있을 것이다.
모노리틱 흡착제는 유기성 수지의 열분해(pyrolysis) 산물로서 형성될 수 있고, 보다 일반적으로는 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride), 페놀-포름알데하이드(phenol-formaldehyde) 수지, 폴리푸르푸릴 알콜(polyfurfuryl alcohol), 코코넛 껍질(coconut shells), 피넛 껍질(peanut shells), 피치 피트(peach pits), 올리브 스톤(olive stones), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 및 폴리아크릴아미드(polyacrylamide)와 같은 열분해가 가능한 적정한 재료로부터 형성될 수 있다. 흡착제는 뒤따르는 분배를 위해 유체가 저장될 유체 저장 및 분배 용기 내에서 즉, in situ 형성되거나, 흡착제가 형성되고 유체 저장 및 분배 용기로 도입될 수 있다. 일 구현예에서, 흡착제는 2nm 이하 의 직경의 포어를 그 공극율의 적어도 20% 가진다.
흡착제는 유체 저장 및 분배 용기내에서 집합적으로 흡착제 매스(mass)를 구성하는 다수 개의 모노리틱 흡착제 아티클로서 제공될 수 있다. 상기 다수개의 모노리틱 아티클 배열에서, 다수개의 개별 모노리틱 흡착제 아티클 각각은 용기의 내부 용적 높이의 0.3 ~ 1.0 배의 길이를 가지고, 용기의 직사각 단면적의 0.1과 0.5배 사이의 단면적을 가질 수 있다. 다수개의 개별 모노리틱 흡착제 아티클 각각은 직육면체 형태 또는 선택적으로 실리더형 또는 다른 알맞은 형태를 가질 수 있다. 유체 저장 및 분배 용기의 내부 용적에서, 개별 모노리틱 아티클은 인접 모노리틱 부재(member)와 표면에서 가로 및/또는 세로로 인접해 있을 수 있다. 일 구현예에서, 상기 다수개의 개별 모노리틱 흡착제 아티클 각각은 약 2 ~ 약 20의 L/D(길이 대 단면 크기의 비(length to cross-sectional dimension ratio))를 갖는다. 여기서, L은 모노리틱 탄소 흡착 아티클의 종단 또는 주축(minor axis) 길이이고, D는 횡단 또는 부축(minor axis) 길이이다. 다른 구현예에서, 모노리틱 흡착제 아티클은 약 0.10 ~ 약 0.80의 직경에 대한 높이비(H/D)를 갖는 디스크 형상을 가질 수 있다.
유체 저장 및 분배 용기에서 흡착제에 흡착적으로 보유되고, 유체의 분배시 적정 제거 조건 하에서 제거되는 유체는 적정한 타입, 예를 들면, 수소화물(hydrides), 할로겐화물(halides) 및 유기금속 가스 시약과 같은 반도체 제조에서 유용한 유체, 예를 들어, 실란(silane), 게르만(germane), 아르신(arsine), 포스핀(phosphine), 포스겐(phosgene), 디보란(diborane), 게르만(germane), 암모니 아(ammonia), 스티빈(stibine), 하이드로겐 설파이드(hydrogen sulfide), 하이드로겐 셀레나이드(hydrogen selenide), 하이드로겐 텔루라이드(hydrogen telluride), 일산화질소(nitrous oxide), 하이드로겐 시아나이드(hydrogen cyanide), 에틸렌 옥사이드(ethylene oxide), 중수소화물(deuterated hydrides), 할로겐화(염소, 브롬, 불소 및 요오드) 화합물 및 유기금속 화합물 일 수 있다.
용기 내의 유체는 적정한 대기압, 대기압 보다 낮거나 대기압 높은 압력, 예를 들어, 이온주입용 또는 다른 용도의 대기압보다 낮은 압력을 제공하기 위한 약 20 ~ 약 1200 torr 또는 약 20 ~ 약 750 torr와 같은 2500 torr 이하의 압력하에서 저장될 수 있다.
그 위에 유체를 가지는 흡착제를 보유하는 용기는 금속(예를 들면, 강철(steel), 스테인리스 스틸(stainless steel), 알루미늄, 구리, 놋쇠(brass), 청동(bronze) 및 그 합금), 유리, 세라믹, 유리질 재료(vitreous materials), 폴리머 및 합성 재료와 같은 구성을 위한 적당한 용기 재료로부터 형성될 수 있다.
용기는 특정 유체 저장 및 분배의 적용에 적합한 적당한 형태 및 사이즈일 수 있다. 용기는 예를 들면, 사각형의 단면을 가지는 길게 수직으로 세워진 형태이거나, 원형의 단면을 가지는 실린더형, 또는 다른 적정한 형태, 사이즈 및 폼(form)일 수 있다.
일 구현예에서, 본 발명은 용기로부터 선택적인 가스의 분리를 위하여, 폐쇄된 내부 용적을 결정하고, 가스 분배 어셈블리와 결합된 포트를 가지는 직육면체 용기에서의 모노리틱 폼의 물리적 흡착제를 이용한다. 본 발명의 모노리틱 폼에서 흡착 매체는 흡착되는 가스의 흡착 보유력을 위한 충분한 용량을, 바람직한 양, 탈착 조건하에서의 가스의 우수한 탈착성 방출 및 우수한 힐(heel) 양상(즉, 초기에 흡착된 가스의 고도 탈착)을 보이는 양질의 작업 용량으로 제공하고, 관심의 대상이 되는 가스에 대한 적당한 흡착적 친화도를 가져 가스가 그 안에서 저장된 용기의 내부 용적 내에 낮은 가스압이 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 물리적 흡착제는 어떠한 모노리틱 폼, 예를 들면, 블록, 브릭, 불 또는 유체 저장 및 분배 용기에 적당한 사이즈의 흡착 재료의 유사 폼일 수 있어, 용기가 하나 또는 적은 수의, 예를 들면, 75 이하, 보다 바람직하게는 20 이하의 개별 모노리틱 아티클을 함유할 수 있다. 나아가, 상기 용기는 8 이하의 개별 모노리틱 아티클을 함유하고, 더 나아가 4개의 상기 아티클을 함유하고, 가장 바람직하게는 용기가 하나의 모노리틱 물리적 흡착제 아티클을 함유한다.
유체 저장 및 분배 용기에 배치된 모노리틱 아티클은 유체 저장 및 분배 용기의 내부 용적에 따른 사이즈와 형태로 바람직하게 형성된 집합적인 흡착 매스를 제공하여, 모노리틱 아티클의 흡착 매스가 용기 내부 용적의 적어도 60%, 바람직하게는 상기 용기 내부 용적의 약 75% ~ 약 90%의 범위를 차지하도록 한다.
단일의 모노리틱 흡착 아티클로서 제공된다면, 흡착 매체는 그러한 목적을 위하여 용기 내에서, 액체 또는 흐를 수 있는 폼의 유기성 수지의 열분해에 의해 in situ 형성될 것이다. 용기 내의 열분해에 앞서 바람직한 정도로 용기가 채워진다.
다수개의 모노리틱 아티클 폼이 선택적이라면, 상기 아티클의 각각은 용기의 내부 용적 높이의 0.3 ~ 1.0 배의 길이를 가지고, 용기의 직사각 단면적의 0.1 ~ 0.5배의 단면적을 가질 수 있다. 각 모노리틱 부재는 용기가 직육면체 형태일 때, 용기 내부 용적의 부피적 용도를 최대화하기 위해 육면체 형태를 가질 수 있다. 이 때, 각 모노리틱 부재는 용기 내부 용적의 인접 모노리틱 부재(members)와 접촉하며 표면에서 가로 및/또는 세로로 인접해 있을 수 있다. 택일적으로, 일례에서는, 흡착 모노리틱 부재는 각 실린더 부재가 내부 용적에 로드되어 서로 마주보는 쪽의 표면에서 밀접히 인접하거나, 적어도 부분적으로 그 원형의 단면 말단 표면에서 서로 면과 면이 접촉하게 인접할 수 있는 솔리드 실린더(solid cylinders) 폼인 것이 바람직하다. 다른 정육면체 또는 직육면체 형태의 유체 저장 및 분배 용기에서, 모노리틱 흡착 아티클은 용기의 내부 용적의 형태에 따라 형성될 수 있다. 예를 들어, 유체 저장 및 분배 용기는 그 내부에 모노리틱 흡착제 아티클을 가지고, 흡착제의 수직으로 적층된 디스크형 바디(body)를 포함하는 실리더 형일 수 있는데, 각각은 용기의 내부 벽면을 향하도록 용기의 형태에 대한 그 둘레에서 이를 따른 직경을 가진다.
종래 기술의 정밀하게 분할된 미립자 폼에 대해 활성탄소의 모노리틱 폼을 이용하는데 따르는 개선의 정도는, 물리적 흡착제 물질이 작업 중인 가스(흡착질: adsorbate)가 흡착적으로 보유하도록 이용가능한 그 표면적에 따라 일반적으로 분류되고, 이에 따라 부피 대비 높은 표면을 가지는 미립자 폼이 명백히 낮은 표면-부피 비를 가지는 블록과 브릭(즉, 모노리틱 폼)과 같은 벌크 폼에 비해 뛰어날 것으로 인식되기 때문에, 예상 외이다. 따라서, 일반인들은 직관적으로 흡착제의 모 노리틱 폼이 감소된 흡착 용량 및 작업용량을 가지는 낮은 효율의 폼일 것이라고 예상할 것이다.
그러나, 탄소 모노리스는 비드 탄소와 대응되도록 이와 유사한 마이크로포어(micropore) 부피를 가지도록 형성될 수 있고, 오히려 실질적으로 높은 밀도, 예를 들어 대응되는 비드 탄소의 콤팩트한 밀도보다 약 25% ~ 약 80% 높은 범위의 밀도를 가지도록 할 수 있고, 그러한 높은 밀도의 모노리스는 물리적 흡착제 기반 가스 저장 및 분배 시스템에서 이용될 때, 비드 탄소의 베드에 비해 흡착제의 단위 용적당 흡착된 가스의 매스(mass)에 있어서 놀라운 개선도를 제공하는 것이다.
본 발명의 광범위한 이용에 있어 유용한 탄소 모노리스는 벌크 폼으로서 그로스(gross) 브릭, 블록 및 잉곳(ingot) 폼, 바람직하게는 각 면의 길이가 1.5 이상, 바람직하게는 5 cm 이상인 삼차원(x, y, z) 특성을 가지는 폼을 포함한다. 예를 들어, 탄소 모노리스는 높은 작업 용량(높은 마이크로포어율(microporosity) 및 낮은 힐(heel)) 및 빠르고 신속한 흡착 및 탈착 속도를 확실히 할 수 있을 정도로 충분히 낮은 포어의 비틀어진 정도(tortuosity)와 함께 높은 벌크 밀도(빈 공간에서 측정된), 예를 들어, 1cm3 당 약 0.80 ~ 약 2.0 g의 범위의 밀도를 가지는 PVDC(polyvinylidene chloride) 또는 다른 적당한 폴리머와 같은 폴리머 차르(char)로부터 만들어진 모노리스 브리켓(briquette) 폼일 수 있다.
일 구현예에서, 본 발명의 모노리틱 탄소 흡착제는 연장된 저장기간동안 흡착 유체의 부식을 최소화하기 위한 활성탄소 위의 도핑제를 포함한다. 본 발명의 광범위한 실시에서 유용하게 채용될 수 있는 도핑제로 예시되는 것에는 보릭산(H3BO3), 소듐 테트라보레이트(Na2B407), 소듐 실리케이트(Na2Si03) 및 다이소듐 하이드로겐 포스페이트(Na2HPO4)가 있다.
다른 일면에서의 모노리틱 탄소 흡착제 아티클은 약 2 ~ 약 20, 보다 바람직하게는, 약 4 ~ 약 15의 L/D(길이 대 단면 크기의 비(length to cross-sectional dimension ratio))를 가질 수 있다. 여기서, L은 모노리틱 탄소 흡착 아티클의 종단 또는 주축(minor axis) 길이이고, D는 횡단 또는 부축(minor axis) 길이이다. 특정 구현예에서, 모노리틱 탄소 흡착제는 대략 6" 높이의 1"x 1" 정사각 단면 PVDC차르 모노리트 브리켓의 형으로 제공된다.
바람직한 모노리틱 탄소 흡착제는 작은 크기(예를 들어, 약 0.3 ~ 약 0.75 nm)의 슬릿 형태 포어를 높은 비율로 가지는 울트라마이크로포어(ultramicroporous) 탄소인, Saran A, Saran MC-10S 또는 Saran XPR-1367-D-01452-050 PVDC 호모폴리머(homopolymers) 또는 코폴리머(copolymers)의 열분해 산물을 포함한다.
모노리틱 탄소 흡착제가 약 2nm 보다 작은 직경의 포어를 가질 때, 모노리틱 탄소 흡착제는 보론 트리플루라이드(boron trifluoride)와 같은 가스를 그 임계 온도보다 높은 온도에서 흡착 물질의 마이크로포어의 부피에 비례하는 범위까지 흡착할 수 있다. 상기와 같은 목적을 위한 바람직한 모노리틱 탄소 흡착 물질은 높은 비율의 포어, 즉, 적어도 50%의 다공성을 작은 마이크로포어(예를 들어, 울트라마 이크로포어)를 사이즈 범위에서 가진다. 이러한 영향은 탄소 리터(ℓ)당 흡착된 보론 트리플루라이드(boron trifluoride: BF3)의 무게를 그램(g)으로 나타낸 압력 레벨(torr)의 함수에 관한 무게의 그래프인 도 5를 참조하면 확인할 수 있는데, 도 5에서는 (i) Kureha 578-66-6 비드(bead) 활성탄소(데이터는 까만색의 다이아몬드 마커로 표시) 및 (ii) 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride) 폴리머로부터 형성된 탄소(SaranA, Dow Chemical Co.)(데이터는 하얀색의 삼각형 마커로 표시)에 관하여 표시하였다.
마이크로포어 부피는 본 발명의 모노리틱 탄소 흡착제 시스템에서 이용되는 탄소를 선택하기 위한 중요한 기준이고, 마이크로포어 부피가 최대화되는 것이 바람직하기는 하나, 고정된 부피의 용기에 저장된 가스는 흡착제의 리터당 부피와 적당히 비교된다. 상기와 같은 예에서 흡착제 패킹 밀도는 매우 중요해진다. 그렇기 때문에, 모노리틱 탄소는 그것이 채용되는 유체 저장 및 분배 용기에서의 빈 공간을 제거한다.
바람직한 구현예에서, 본 발명에서 유체 저장 및 분배 용기의 빈 공간은 용기 총 내부 용적의 약 40%를 초과하지 않고, 보다 바람직하게는 가능한 낮은 비율이다. 모노리틱 탄소 흡착제의 패킹 밀도는 흡착제를 기초로 한 부피 당 부피에서 최대의 마이크로포어 부피 및 울트라마이크로포어에서 높은 비율의 포어 부피와 함께, 가능하면 높은 것이 바람직하다. 마이크로포어의 형상 또한 중요한데, 높은 흡착 레벨을 제공하는 슬릿-형상이 바람직하나, 상기 슬릿의 형상은 탈착 조건(예를 들면, 40 torr 근처 범위의 압력 레벨에서의 탈착)하에서 가스가 쉽게 방출되는 것을 막을 정도로 너무 작으면 안된다.
활성탄소를 형성하기 위한 탄소의 활성화동안, 포어는 구멍이 질소와 같은 비산화 가스의 존재 및 상승된 온도에서 팽창된 후, 잠깐동안 산소 또는 증기와 같은 산화 가스에 노출되고, 이후 비산화 대기에서 냉각된다. 상기와 같은 활성화에서, 재료의 연소 레벨은 높은 연소 레벨은 마이크로포어의 부피 증가와 파티클 밀도의 감소를 수반하는 포어의 팽창을 유발하므로 주의하여 조절해야 한다.
본 발명의 모노리틱 탄소 흡착제는 적당한 방식에 다라 적당히 형성될 수 있다. 일 구현예에서, 모노리틱 탄소는 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 (kilopound-per-square-inch) ~ 약 200 kip/in2,에서 압력성형되고, 약 600℃ ~ 약 900℃, 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 무게, 예를 들어 탄소 1 리터당 g)를 가지는 탄소 흡착 물질을 생산한다.
본 발명의 모노리틱 탄소 흡착제는 0.1 ~ 1 cm, 보다 전형적으로는 0.25 ~ 2.0 mm의 파티클 직경을 가지는 비드 활성탄소와 같은 미세하게 분할된 파티클을 이용하거나, 벌크 마이크로포어 탄소 재료를 사용하고(Wojtowicz et al. 미국특허출원공개번호 US2002/0020292 Al, 2002년 2월 21 공개, 참조) 높은 온도, 예를 들 어, > 1000 ℃ 바람직하게는 > 1100 ℃를 높은 흑연화를 유발하기 위해, 적당한 마이크로포어 부피, 표면적 및 탄소 흡착제의 단위 부피당 마이크로포어 부피를 달성하기 위하여 76회 정도 반복되는 화학흡착/탈착 단계(Quinn, et al. 미국특허 5,071,820 참조)를 포함하는 활성화와 조합하여 이용하는 고압 가스 저장용의 적당한 흡착 물질을 수득하기 위한 시간 소비적이고 비용이 드는 방법인 종래 기술로부터 현저한 발전을 나타낸다(Wojtowicz et al. 미국 특허 출원 공개 US2002/0020292 A1은 흡착 가스에 대한 최적의 저장 용량은 가스가 "약 500 psi ~ 약 3500 psi의 압력에서 저장 용기로 도입될 것"을 요구한다는 것을 개시한다, 2 페이지, [0013], 마지막 문장).
종래 기술의 방법에 대비하여, 본 발명의 모노리틱 탄소 흡착제는 적당한 폴리머 재료, 예를 들어 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride), 페놀-포름알데하이드(phenol-formaldehyde) 수지, 폴리푸르푸릴 알콜(polyfurfuryl alcohol), 코코넛 껍질(coconut shells), 피넛 껍질(peanut shells), 피치 피트(peach pits), 올리브 스톤(olive stones), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide) 등에서 선택되는 폴리머로부터 형성되는데, 상기 폴리머는 압력-몰딩가능한(pressure-moldable) 것으로, 예를 들면, 압력-몰딩된 "녹색 수지" 바디를 생산하기 위한 약 20,000 psi 또는 그 보다 높은 온도 이하의 몰딩 압력에서 몰딩되는 것으로, 상기 "녹색 수지"는 1000 ℃ 이하, 바람직하게는 약 900℃를 초과하지 않는, 약 500 ~ 약 900 ℃의 범위, 보다 바람직하게는 약 600 ~ 약 900 ℃의 범위에서 열분해가능한 것으로 상기 온도는 목적으로 하는 가스 저장 및 분배용으로 적당히 높은 값의 충전 밀도를 가지는 모노리틱 탄소 재료를 생산한다. 본 발명에서 유용하게 응용되는 모노리틱 탄소 흡착제는 25 ℃ 및 650 torr 아르신 가스에 대해 측정된 충전 밀도(탄소 흡착제 1 리터당 400g 아르신 초과, 바람직하게는 탄소 흡착제 1 리터당 아르신 450g 이상)을 가지는 것을 포함한다.
열분해 산물은 본 발명에 따른 모노리틱 흡착 바디를 채용할 수 있다. 그러나 상기 열분해 산물은 바람직하게는 < 2 nm의 직경을 가지는 마이크로포어를 포함하는 전체 공극율의 높은 비율, 예를 들어 적어도 30%의 공극율, 바람직하게는 적어도 60%의 공극율을 가지는 울트라마이크로공극율(ultramicroporosity)의 모노리틱 탄소 흡착 산물을 생산하는 방식으로 활성화되는데, 약 0.3 ~ 약 0.72 nm의 사이즈와 현저한 공극율, 예를 들어 적어도 20% 및 바람직하게는 적어도 30%의 공극율을 가지는 슬릿 형상의 포어를 가진다. 활성화 공정은 관심의 대상이 되는 흡착 가스에 대한 재료의 흡착 친화도를 강화하기 위하거나 흡착/탈착을 위한 흡착 매체의 특성을 개선하기 위하여 적당한 공정 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성화 공정은 질소, 아르곤, 헬륨 또는 다른 비산화 가스와 같은 비산화 대기에서 가열하고, 비산화대기로 바꾸기 전에 대기를 이산화탄소 또는 증기와 같은 산화 대기로 잠시동안 바꾸어 준 후, 주변의 온도(예를 들어, 상온)로 냉각하는 단계를 포함한다. 온도 레벨 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 있 다.
도 1은 탄소 리터(ℓ)당 흡착된 포스핀(phosphine: PH3)의 무게를 그램(g)으로 나타낸 압력 레벨(torr)의 함수에 관한 그래프로, Kureha 578-66-6 비드(bead) 활성탄소(데이터는 까만색의 다이아몬드 마커로 표시), Takachiho ABF 14-03 미립자(particulate) 활성탄소(TakachihoKabushiku Kogyo, Ltd. , Tokyo, Japan)(데이터는 까만색의 사각형 마커로 표시) 및 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride) 폴리머로부터 형성된 모노리틱 탄소(SaranA, Dow Chemical Co.)(데이터는 하얀색의 삼각형 마커로 표시)에 관한 것이다.
도 1에 나타난 데이터는 PVDC 폴리머로부터 형성된 모노리틱 탄소가 탄소 1리터당 흡착된 포스핀 무게를 비드 활성탄소 흡착제나 Takachiho 미립자 활성 탄소 흡착제 중 어느 하나보다 실질적으로 높게, 일반적으로는 0 ~ 750 torr의 압력범위 위에서 2배 이상의 포스핀의 흡착 로딩을 갖는다.
도 2는 탄소 리터(ℓ)당 흡착된 아르신(arsine: AsH3)의 부피를 입방 센티미터(cm3)로 나타낸 압력 레벨(torr)의 함수에 관한 그래프로, Kureha 578-66-6 비드(bead) 활성탄소(데이터는 까만색의 다이아몬드 마커로 표시) 및 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride) 폴리머로부터 형성된 탄소(SaranA, Dow Chemical Co.)(데이터는 하얀색의 삼각형 마커로 표시)에 관한 것이다.
도 2는 모노리틱 탄소 흡착제가 아르신의 로딩에 비드 활성 탄소보다 우수하다는 점을 보여주는 증거이다. 1 cm3 에서, 탄소 1 리터당 아르신의 부피 로딩 수치는 50-100% 이고 + 0 ~ 750 torr의 압력범위 위에서 모노리틱 탄소 흡착제에 대해 더 높다.
하기의 표 1에서는, 세가지 타입의 흡착 물질상에서 아르신의 충전 밀도값이 도 1과 관련하여 설명된다. 설명에는 Kureha 578-66-6 비드 활성 탄소, Takachiho ABF 14-03 미립자 활성 탄소 및 PVDC 차르 모노리틱 흡착제가 포함된다. 각 재료는 650 torr의 압력의 아르신에서 두 개의 샘플에 대하여 측정되었다. 충전 밀도는 흡착제 g 당 흡착된 아르신의 g의, 무게 단위 및 흡착제 리터당 흡착된 아르신 g의 부피 단위로 결정되었다.
비-모노리틱 활성 탄소 및 모노리틱 탄소 상의 아르신 용량
흡착제 650 Torr 압력에서의 충전밀도 (아르신의 g/흡착제의 g) 650 Torr 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 모노리틱 탄소 흡착제에 대한 무게 단위의 충전 밀도가 비모노리틱 활성탄소 흡착제에 대한 것보다 대략 15-20% 낮았던 반면, 모노리틱 탄소 흡착제에 대한 부피 단위의 충전 밀도는 대응하는 비모노리틱 활성탄소 흡착제의 충전 밀도보다 50% 이상 높았다는 사실을 보여준다.
하기의 표 2에서는, 도 1과 관련하여 설명된 세가지 타입의 흡착제 물질 상에서 포스핀의 충전 밀도값에 대해 대응하는 충전 밀도가 표로 제시되어 있다. 표에는 Kureha 578-66-6 비드 활성 탄소, Takachiho ABF 14-03 미립자 활성 탄소 및 PVDC 차르 모노리틱 흡착제가 포함되어 있다.
비-모노리틱 활성 탄소 및 모노리틱 탄소 상의 포스핀(Phosphine) 용량
흡착제 650 Torr 압력에서의 충전밀도 (포스핀의 g/흡착제의 g) 650 Torr 압력에서의 충전밀도 (포스핀의 g/흡착제의 ℓ)
Kureha 578-66-6 0. 165 97.4
Takachiho ABF 14-03 0.184 107
PVDC char 0.188 212
표 2는 모노리틱 탄소 흡착제(PVDC 차르)가 활성 탄소 흡착제의 비모노리틱 폼에 대한 무게 및 부피 양 단위의 충전 밀도를 가졌음을 보여주는데, 부피 단위의 충전 밀도는 활성 탄소의 비모노리틱 폼 상의 포스핀 부피 충전 밀도보다 100% 정도 높다.
본 발명의 광범위한 적용에 있어, 모노리틱 탄소 흡착제 상에 보유된 흡착 유체는 적정한 타입일 수 있는데, 상기 타입에는 수소화물 가스(아르신, 포스핀, 게르만, 실란, 모노-, 디- 및 트리-치환 실란, 예를 들면, 상기 타입의 알킬 실란), 할로겐화물 가스 (보론 트리플루라이드, 보론 트리클로라이드, 할로겐-치환 실란, 등) 및 가스성 유기금속 화합물이 포함된다.
본 발명의 실시에서 저장가능하고 분배 가능한 것으로 예시되는 흡착 가스 종에는 실란(silane), 게르만(germane), 아르신(arsine), 포스핀(phosphine), 포스겐(phosgene), 디보란(diborane), 암모니아(ammonia), 스티빈(stibine), 하이드로겐 설파이드(hydrogen sulfide), 하이드로겐 셀레나이드(hydrogen selenide), 하이드로겐 텔루라이드(hydrogen telluride), 일산화질소(nitrous oxide), 하이드로겐 시아나이드(hydrogen cyanide), 에틸렌 옥사이드(ethylene oxide), 중수소화물(deuterated hydrides), 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 시스템에 대해 적용하기에 적합한 적정 온도일 있다. 본 발명의 적용에 있어 일반적으로 유용하게 예시되는 압력 레벨은 약 2500 torr를 넘지 않고, 보다 바람직하게는 2000 torr를 넘지 않는 범위로, 예를 들면, 약 20 torr ~ 약 1800 torr, 또는 보다 제한적으로는 약 20 torr ~ 약 1200 torr이다.
이온주입 등에 적용하기 위하여, 가스 저장 및 분배 용기 내의 가스 압력은 전형적으로 약 800 torr를 넘지 않고, 저장된 가스는 대기보다 낮은 압력, 예를 들면, 약 20 torr ~ 약 750 torr의 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 어셈블리 부분을 포함하는 저장 및 분배 용기(204)를 포함한다. 용기는 적당한 구성 재료로 형성될 수 있는데, 구성재료에는 금속, 유리, 세라믹, 유리질 재료(vitreous materials), 폴리머, 합성 재료와 같은 재료를 포함한다. 상기와 같은 목적을 위하여 예시되는 금속은 강철(steel), 스테인리스 스틸(stainless steel), 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 콘딧(212)을 통하여 일정한 플로우 속도를 유지시키기 위한 매스 플로우 콘트롤러(mass flow controller)(220) 및 분배 어셈블리로부터 이를 배출하기 전에 분배되는 가스로부터 파티클을 제거하기 위한 필터(222)가 배치되어 있는 분배 콘딧(conduit)(212)로 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 모노리틱 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 가지는 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 모노리틱 탄소 흡착제를 그 내부 용적 내에 함유하는데, 상기 모노리틱 매스는 하나 또는 선택적으로 다수개의 모노리틱 탄소 바디를 포함할 수 있고, 각각은 직육면체 형상은 위에서 서술한 바와 같이 용기의 내부 용적의 형태에 따라 형성될 수 있다.
도 1은 탄소 리터(ℓ)당 흡착된 포스핀(phosphine: PH3)의 무게를 그램(g)으로 나타낸 압력 레벨(torr)의 함수에 관한 그래프로, Kureha 578-66-6 비드(bead) 활성탄소(데이터는 까만색의 다이아몬드 마커로 표시), Takachiho ABF 14-03 미립자(particulate) 활성탄소(데이터는 까만색의 사각형 마커로 표시) 및 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride) 폴리머로부터 형성된 탄소(SaranA, Dow Chemical Co.)(데이터는 하얀색의 삼각형 마커로 표시)에 관한 것이다.
도 2는 탄소 리터(ℓ)당 흡착된 아르신(arsine: AsH3)의 부피를 입방 센티미터(cm3)로 나타낸 압력 레벨(torr)의 함수에 관한 그래프로, Kureha 578-66-6 비드(bead) 활성탄소(데이터는 까만색의 다이아몬드 마커로 표시) 및 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride) 폴리머로부터 형성된 탄소(Saran A, Dow Chemical Co.)(데이터는 하얀색의 삼각형 마커로 표시)에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 모노리틱 흡착제를 이용하는 저장 및 수송 시스템의 개략적인 모식도이다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 다라 모노리틱 흡착제를 이용하는 직육면체의 유체 저장 및 분배 용기의 투시도(perspective view)이다.
도 5는 탄소 리터(ℓ)당 흡착된 보론 트리플루라이드(boron trifluoride: BF3)의 무게를 그램(g)으로 나타낸 압력 레벨(torr)의 함수에 관한 흡착된 무게의 그래프로, Kureha 578-66-6 비드(bead) 활성탄소(데이터는 까만색의 다이아몬드 마 커로 표시) 및 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride) 폴리머로부터 형성된 탄소(Saran A, Dow Chemical Co.)(데이터는 하얀색의 삼각형 마커로 표시)에 관한 것이다.

Claims (25)

  1. 하기의 특성 중 적어도 하나에 의해 특징지어지는 열분해되는 탄소 모노리스(monolith) 흡착제:
    (a) 25℃ 및 650 torr 압력에서 아르신(arsine) 가스에 대하여 측정된 충전 밀도(fill density)가 흡착제 1 리터당 400g 아르신 이상;
    (b) 상기 흡착제 전체 공극율의 적어도 30%는 약 0.3 ~ 약 0.72 nm의 사이즈를 가지는 슬릿(slit) 형상의 포어(pore)를 포함하고, 전체 공극율의 적어도 20%는 2 nm미만의 직경을 가지는 마이크로포어(micropores)를 포함; 및
    (c) 1 cm3 당 약 0.80 ~ 약 2.0 g의 벌크 밀도(bulk density)를 가짐.
  2. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 특성(a)에 의해 특징지어지는 흡착제.
  3. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 특성(b)에 의해 특징지어지는 흡착제.
  4. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 특성(c)에 의해 특징지어지는 흡착제.
  5. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 특성(a) 및 (b)에 의해 특징지어지는 흡착제.
  6. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 특성(b) 및 (c)에 의해 특징지어지는 흡착제.
  7. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 특성(a) 및 (c)에 의해 특징지어지는 흡착제.
  8. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 특성(a), (b) 및 (c)에 의해 특징지어지는 흡착제.
  9. 제1항에 있어서, 하나 이상의 열분해 되는 모노리스 흡착 아티클을 포함하고, 상기 각각의 아티클은 디스크 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  10. 제9항에 있어서, 상기 흡착제는 다수의 상기 아티클이 수직으로 적층된 것을 특징으로 하는 흡착제.
  11. 제10항에 있어서, 상기 각각의 아티클은 약 0.10 ~ 약 0.80의 직경에 대한 높이비(H/D)를 가지는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  12. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 유기성 수지(resin) 열분해 산물인 것을 특징으로 하는 흡착제.
  13. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride), 페놀-포름알데하이드(phenol-formaldehyde) 수지, 폴리푸르푸릴 알콜(polyfurfuryl alcohol), 코코넛 껍질(coconut shells), 피넛 껍질(peanut shells), 피치 피트(peach pits), 올리브 스톤(olive stones), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 및 폴리아크릴아미드(polyacrylamide)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질의 열분해 산물인 것을 특징으로 하는 흡착제.
  14. 제9항에 있어서, 상기 각각의 아티클은 1.5cm이상의 3차원의 x, y 및 z 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  15. 제9항에 있어서, 상기 각각의 아티클은 2cm이상의 3차원의 x, y 및 z 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  16. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 1000℃ 이하에서 열분해(pyrolysis) 되는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  17. 제1항에 있어서, 열분해된 후의 상기 흡착제는, 상기 흡착제를 상승된 온도에서 비산화 환경에 노출시킨 후, 상기 흡착제를 산화환경에 노출시키는 것을 포함하여 활성화되는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  18. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 2 nm 미만의 직경의 포어를 가지고, 적어도 30%의 공극율을 가지는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  19. 제1항에 있어서, 상기 흡착제 상에 도핑제(doping agent)를 갖는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  20. 제1항에 있어서, 상기 도핑제는 보릭산(boric acid), 소듐 테트라보레이트(sodium tetraborate), 소듐 실리케이트(sodium silicate) 및 다이소듐 하이드로겐 포스페이트(disodium hydrogen phosphate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 제제를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  21. 제1항에 있어서, 25℃ 및 650 torr 압력에서 아르신(arsine) 가스에 대하여 측정된 충전 밀도(fill density)는 흡착제 1 리터당 450g 아르신 이상인 것을 특징으로 하는 흡착제.
  22. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 열분해된(pyrolyzed) PVDC 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  23. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 약 600℃ ~ 약 1000℃에서 열분해되는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  24. 제1항에 있어서, 상기 흡착제 전체 공극율의 적어도 50%는 약 0.3 ~ 약 0.72 nm의 사이즈를 가지는 포어를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  25. 제1항에 있어서, 적층상태에서 다수의 열분해되는 모노리스 흡착 아티클을 포함하고, 상기 각각의 아티클은 디스크 형태를 가지며, 약 0.10 ~ 약 0.80의 직경에 대한 높이비(H/D)를 가지는 것을 특징으로 하는 흡착제.
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