KR20120013942A - 재생 가능한 주름형 필터 매체 - Google Patents

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미카엘 포스룬드
길라움 갈렛
크리스티앙 린달
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캄필 에이비
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Abstract

본 발명은, 공기중 분자상 오염물질의 제거를 위하여 청정실 환경에서 사용하기 위한, 재생 가능한 주름형 매체 및 필터 요소, 그리고 그 조합들을 제공한다. 청정실 환경용 주름형 필터 매체가 개시되었는데, 상기 주름형 필터 매체는 활성 탄소 또는 폴리머로 이루어진 적어도 하나의 제1 레이어를 포함하고, 상기 활성 탄소 또는 폴리머는 섬유들 및/또는 접착제와 함께 부직포로 이루어진 두 개의 제2 레이어들 사이에 수용되며, 상기 주름형 필터 매체가 1 atm에서 100 ℃ 이상의 열 기류에 의하여 재생될 때 변형을 방지하기 위하여, 상기 제2 레이어들 중 어느 하나의 적어도 한쪽 면 위 또는 상기 제1 레이어 내에 그리드가 배치된다.

Description

재생 가능한 주름형 필터 매체{REGENERABLE PLEATED FILTER MEDIUM}
본 발명은 재생 가능한 주름형 필터 매체에 관한 것이다.
청정실 및 초소형 전자 기술 산업과 관련된 분야에서, 산성 물질(acids), 염기성 물질(bases), 유기 물질(condensables), 도판트(dopants), 옥시던트(oxidants), 및 휘발성 유기화합물(volatile organic compounds) 형태의 공기중 분자상 오염물질(AMC: airbone molecular contamination)은 분자 필터 및 필터 요소들을 이용하여 제거하고 있다. AMC는 공정 웨이퍼, 회로 기판, 도구들 및 기기 등의 부식을 일으킬 수 있다. AMC는 또한 도핑 에러(doping error), 핵형성 에러(nucleation error), 리소그래피 공정(lithography process) 관련 결함들, 웨이퍼의 헤이징(hazing), 광학, 렌즈들의 결함들 및 제조 손실 또는 제조 장비에 손상을 일으킬 수 있는 수많은 다른 문제들을 발생시킬 수 있다. 다양한 여과 기술들이 선택 가능하지만, 일반적으로 이 기술들은 다섯 가지의 구성들로 분류된다.
흡착제 파우더 슬러리-코팅 부직포(adsorbent powder slurry-coated nonwoven)들은 저렴하고 낮은 압력 강하를 갖지만, 적은 양의 흡착제 함유 및 대부분이 접착제로 덮여있다는 사실로 인하여 나쁜 흡착 성능을 갖는다. 이와 같은 종류는 통상적으로 청정실 응용기기용으로 적합하지 않다.
벌크 흡착제(bulk adsorbent)로 채워진 상(bed)들 및 판(panel)들이 가장 잘 알려져 있고, 다양한 범위의 가격 및 성능 조합으로 구입할 수 있다. 통상적으로 이들은 크고 무거운 시스템들이어서, 교체를 위하여 상당한 노동력을 필요로 하지만, 비교적 높은 오염도를 가진 응용사례들의 경우나, 오랜 기간 동안 높은 필터 효율이 유지되어야 하는 경우에 특히 효과적이다. 그러나 필터들이 어떻게 제조되고 설치되었는지에 따라 성능은 상당히 변화할 수 있다. 또한 상기 종류의 필터에서는 먼지, 우회(by-pass), 및 높은 압력 강하가 문제가 될 수 있다.
전체가 탄소 섬유로 만들어진 직물: 탄소 섬유 필터들의 한 가지 중요한 단점은, 탄소 섬유 필터들이 입자들을 발산하므로, 너무 불결하여 하류의 입자 여과기 없이는 진보된 청정실 환경에서 사용할 수 없다는 점이다. 탄소는 전도성 재료이고, 입자 발산(particle shedding)은 전자 부품을 제조하는 설비에서 심각한 문제들을 초래할 수 있다. 벌집모양 필터들은 낮은 압력 강하를 유지하면서도 비교적 높은 효율에 도달할 수 있는 또 다른 방식인데, 함유된 흡착제의 적은 양으로 인하여 대부분 좋지 않은 흡착 성능을 갖는다. 이 종류의 필터에서는 먼지도 역시 문제가 된다.
흡착제를 적재한 부직포는 통상적으로 주름형 형태로 적용되는 비교적 새로운 "하이브리드" 제품이다. 적절한 구성 및 응용기기와 함께, 이 제품들은 낮은 압력 강하 및 조작의 편이성뿐만 아니라, 고효율 및 사용 수명에 있어서 극히 높은 가치를 제공할 수 있다. 또한, 주름형 필터들은 위에서 설명한 벌집형 구조보다 더 유연하다: 주름형 필터들은 성능을 마음대로 조절하기 위하여 주름의 개수를 변화시키거나 주름의 높이를 변화시킬 수 있다. 이는 오직 높이만이 조절될 수 있는 벌집형 구조에서는 불가능한데, 그 경우에도 벌집형 구조는 압력 강하 또는 평방 센티미터 당 셀의 개수에 영향을 받고, 새롭고 비싼 제조 공정의 개발을 필요로 한다. 또한 주름형 요소를 사용하는 것보다 흡착제의 종류를 변화시키는 것이 훨씬 더 복잡하다.
높은 수준의 오염물질을 갖거나 낮은 비등점 VOC와 같은 제거하기 어려운 오염물질을 갖는 일부 응용사례들에서는, 합리적인 수명/이용 시간을 얻기 위하여 보통 벌크 흡착제 충전 상(bulk adsorbent packed bed) 필터가 요구된다. 이러한 종류의 필터들은 압력 강하 및 발생되는 에너지 비용 때문에 청정실(공기 조절 유닛, 팬 필터 유닛, 국소청정환경 또는 도구들) 내에서는 도입될 수 없다. 기존에 존재하는 청정실들은 재건축 및 그에 따른 상당한 투자 없이 상기 시스템들로 다시 변경 설치될 수 없는 경우가 매우 흔하다. 또한, 청정실의 높은 수준의 청정도를 보호하기 위해서, 상 필터(bed filters)와 함께 입자 필터(particle filters)들이 설치되어야 하는데, 이는 압력 강하를 더욱 가중시키고 에너지 비용을 증가시킨다. 반면에, 더 작고 깨끗한 필터들을 사용하는 것은, 매우 잦은 필터 교환으로 인하여 사용자에게는 바람직하지 않은 유지비용(CoO: cost of ownership)을 발생시킨다.
AMC의 제거에 관련된 물리화학적 기제(physico-chemical mechanisms)들은 아래와 같이 설명될 수 있다: 가스/증기 분자들이 흡착제 안에 확산된다, 즉 그들이 고농도에서 저농도로 이동한다. 확산의 정도는 두 가지 농도들 사이의 차이에 직접적으로 관련된다. 흡착제의 내부 표면이 가스/증기 분자들로 덮임에 따라, 필터 효율은 감소하기 시작한다. 상기 내부 표면, 즉 존재하는 활성 표면 군(group)의 특성들 및 가장 중요한 천공 크기 분포가 어느 가스 또는 증기 분자들이 억제될 것인지를 결정한다. 유출 가스/증기가 수용할 수 없는 수준에 도달하면, 필터가 교체될 필요가 있다. 보통 필터는 버려지고, 비교적 값비싼 새로운 필터가 설치된다.
재생 가능 필터들은, 예를 들어 교대로 사용 중이거나 재생 중인 상태에 있는 흡착제의 쌍상(twin beds)들과 같이, 고정 설치용에서 알려져 있다. 이 종류의 시스템에서는 보통 한 가지 종류의 흡착제가 사용된다.
국제 특허 공개 공보 WO 0209847호는 필터를 언제 재생할지 결정하도록 구성된 제어 시스템을 구비한 재생 가능한 공기 청정 장치를 개시하고 있다. 상기 필터에서 사용되는 활성 탄소 섬유는 섬유들로 공기를 오염시키며, 따라서 2차적인 입자 필터를 사용하지 않고서는 청정실 환경에서 사용될 수 없다.
지물 또는 세라믹 구조 위의 활성 탄소, 또는 전체로서 탄소화되고 활성화될 수 있는 기본 재료로 만들어진 벌집형 구조를 사용하는 새로운 시스템들이 등장하기 시작하였다. 미국 특허 제6,964,695호 또는 유럽 특허 EP 04724071호 또는 미국 특허 출원 제10/344248호는 탄소 단일체(carbon monolith)가 직접적인 전기 가열에 의해 재생되는 것을 보여준다. 상기 및 다른 벌집형/단일체 기반 시스템들의 주요한 단점은, 그들이 고정된 형태를 가지고 있고 여과를 위해 공기 방향의 연장에 의해서만 조정될 수 있을 뿐이어서, 증가된 압력 강하 문제를 겪거나, 이미 건축된 시스템 또는 표준 부재들을 사용하고자 하는 시스템에서는 거의 이용될 수 없는, 실제 필터의 외부 크기를 확장해야 하는 문제를 겪게 된다는 점에 있다.
따라서 위에서 설명한 바와 같이, 오늘날 사용되는 방법들 및 필터들의 문제점들과 단점들을 극복해야 할 필요가 있다.
본 발명은 공기중 분자상 오염물질의 제거를 위해 청정 환경에서 사용하기 위한, 재생 가능한 주름형 매체 및 그 필터 요소 및 조합들을 제공한다.
본 발명은 청정실 환경용 주름형 필터 매체를 개시하는데, 이 주름형 필터 매체는, 상기 주름형 필터 매체가 활성 탄소 및/또는 폴리머(polymer)로 된 적어도 하나의 흡착제를 포함하고, 섬유들 또는 흡착제와 함께 상기 활성 탄소 또는 폴리머가 두 개 레이어들의 부직포들 사이에 수용되고, 1 atm에서 100 ℃ 이상의 열 기류에 의하여 재생될 때 주름형 필터 매체의 변형을 방지하기 위하여 하나의 그리드가 적어도 하나의 측면 또는 상기 매체의 중간에 배치되는 것을 특징으로 한다. 청정실 환경용 상기 주름형 필터 매체는 또한, 활성 탄소 또는 폴리머의 흡착제가 1 atm에서 100 ℃ 이상의 열 기류에 의하여 재생 가능하도록 천공 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. 보통 상기 온도는 100 내지 190 ℃ 사이, 또는 더욱 바람직한 실시예들에서는 좋은 결과를 성취하기 위하여 125 내지 190 ℃, 150 내지 190 ℃, 150 내지 180 ℃의 범위를 갖는다.
상기 두 개의 제2 레이어들은 그리드를 구비한 내열 부직포를 포함하는 것이 바람직하다. 주름형 필터 매체는 최소 190 ℃까지의 온도에 대하여 용융 또는 연소에 저항력을 갖추어야 한다.
또한, 주름형 필터 매체는 필터를 위해 상용되는 정상적인 기류에 접할 때, ISO 표준 144644-1호에 따라 ISO 클래스 6 환경 이상으로 입자를 발산하지 않는다.
청정실 환경용 주름형 필터 매체는 또한, 활성 탄소의 흡착제가 섬유, 분말, 입자, 펠렛(pellets), 또는 비드(beads)의 모양을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
청정실 환경용 주름형 필터 매체는 또한, 상기 활성 탄소가 석탄, 코코넛, 폴리머, 나프타 및 미세기공성 스티렌-디비닐 벤젠(styrene-divinyl benzene)과 같은 폴리머 흡착제로부터 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
청정실 환경용 주름형 필터 매체는 또한, 상기 그리드가 알루니늄, 강재, 또는 고온 내열성 플라스틱 재료로부터 만들어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
청정실 환경용 주름형 필터 매체는 또한, 상기 그리드가 총 면적의 50 내지 95 %의 개방 영역을 갖춘 것을 특징으로 할 수 있다.
청정실 환경용 주름형 필터 매체는 또한, 상기 그리드가 총 면적의 50 내지 95 %의 개방 영역을 갖춘 그물 형태로 만들어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
청정실 환경용 주름형 필터 매체는 또한, 0.11 m/s의 공기면 속도(air face velocity)에서 편평한 상기 매체에서의 압력 강하가 75 Pa까지인 것을 특징으로 할 수 있다.
청정실 환경용 주름형 필터 매체는 또한, 상기 섬유들이 내열성 복합섬유(bi-component fiber)인 것을 특징으로 할 수 있다.
청정실 환경용 주름형 필터 매체는 또한, 상기 흡착제가 폴리머 재료 또는 활성 탄소 재료를 사용하여 만들어지고, 500 m2/g 내지 3000 m2/g의 내부 영역을 갖추고 0.2 cm3/g 내지 0.8 cm3/g의 미세기공 부피를 갖추는 것을 특징으로 할 수 있다.
청정실 환경용 주름형 필터 매체는 적어도 하나의 주름형 필터 매체 및 하나의 프레임을 포함한다. 또한 상기 필터 요소는 내열성 실란트(sealant)를 포함할 수도 있다. 상기 실란트 및 프레임은 최소 190 ℃까지의 열을 견딜 수 있어야 한다.
상기 주름형 필터 매체는 또한 필터, 즉 초소형 전자기기 산업에서 상기 특성들에 따른 청정실 환경용 필터 요소, 청정실, 일반 웨이퍼(bare wafer), 반도체, 인쇄 회로 기판(printed circuit board), 하드 디스크 가공, 평판 가공, 바이오칩, 제약 산업, 식품 산업, 병원 청정 환경, IVF 실험실, 태양광 패널 가공, 기구장(cabinet) 및 배기형 시약장(fume hood)에서 사용될 수 있다.
청정실 환경용 주름형 필터 매체는 적어도 두 개의 주름형 필터 요소들이 연속으로 배치된 경우에도 사용될 수 있다.
상기 특징들 중 어느 하나에 따른 청정실 환경용 주름형 필터 매체는 또한, 제거하고자 하는 휘발성 유기 화합물의 의도된 혼합에 대응하도록, 필터 요소 내의 다른 레이어들 또는 다른 필터 요소들에 적어도 두 개의 흡착제들이 선택되고 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 특징들 중 어느 하나에 따른 청정실 환경용 주름형 필터 매체는 또한, 산성 물질, 염기성 물질(organic bases), 유기 물질(condensables), 도판트(dopants), 옥시던트(oxidants), 및 휘발성 유기화합물(VOC) 형태의 공기중 분자상 오염물질(AMC), 및 흡착제의 기공성 구조 내에서 물리적 흡착에 의해 흡착될 수 있는 모든 화합물들을 제거하기 위하여 사용될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 주름형 필터 매체 또는 필터 요소를 청정실 환경용으로 사용할 수 있고, 이 경우 필터 요소를 100 ℃에서 190 ℃ 사이의 온도에서 재생시킴으로써 흡착 물질을 추가로 제거할 수 있다.
본 발명은 청정실 환경용 주름형 필터 매체 및 필터 요소를 제공한다. 상기 주름형 필터 매체는 흡착제로서, 석탄, 코코넛, 폴리머, 나프타, 또는 다른 재료들로 이루어진 섬유, 분말, 입자, 펠렛, 비드, 또는 다른 모든 모양의 재료들을 사용한다. 또한 탄화되지 않은 폴리머 흡착제도 사용될 수 있다. 상기 흡착제 또는 사용된 흡착제는 의도된 흡착/탈착 주기 및 제거하고자 하는 AMC의 종류에 맞추어, 크기, 내부 표면 면적, 기공 크기 분포 등의 서로 다른 특성들에 의하여 선택된다. 흡착제는 적어도 한쪽 면 또는 매체의 중간에 배치된 적어도 하나의 지지용 그리드를 구비한 부직포/천에 설치된다. 이러한 구조체는 주름 잡혀서 하나의 필터 요소 내에 형성된다. 필터 요소는 하나의 필터 요소이거나, 서로 다른 물리적 특성들로 주요한 특징으로 하는 일련의 필터 요소들일 수 있다. 실제 상황에서 상기 요소들의 가장 좋은 조합을 결정하는 것은 제거하고자 하는 AMC들의 혼합이다. 본 발명에서 개시된 주름형 필터 매체 및 필터 요소는 열을 가함으로써, 또는 열, 저압, 및 스팀의 조합을 가함으로써 재생될 수 있다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은, 첨부된 도면들과 연계하여, 이어지는 상세 설명을 통해 명백해질 수 있다.
도 1은 그리드가 한 쪽 면에 배치된 경우의 주름형 필터 매체를 보여주는 도면이다.
도 2는 그리드가 양 쪽 면에 배치된 경우의 주름형 필터 매체 조립체를 보여주는 도면이다.
도 3은 그리드가 흡착제 안쪽에 배치된 경우의 주름형 필터 매체 조립체를 보여주는 도면이다.
도 4는 주름형 필터 매체에 맞추어 조절된 프레임 안에 통합되는, 주름형 필터 매체를 구비한 하나의 필터 요소를 보여주는 도면이다.
도 5는 하나의 의도적인 순차적 캐스케이드(serial order cascade)에서 사용되는 서로 다른 필터 요소들을 보여주는 도면이다.
도 6은 톨루엔(toluene) 또는 이소프로페놀(IPA: isopropanol)이 인공적으로 충전된 3-레이어 재생 가능 주름형 필터의 한 주기 후의 재생에 의한 결과를 보여주는 도면이다.
도 7은 톨루엔 또는 이소프로페놀이 인공적으로 충전된 3-레이어 재생 가능 주름형 필터의 2 내지 4 주기 후의 재생에 따른 결과를 보여주는 도면이다.
흡착제는 여러 가지 실시예들을 사용하여 직물/천에 장착될 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에서는, 고온 내열성 복합섬유를 이용하고, 필터 매체에 흡착제를 포함시키지 않으며, 주름형 필터에 지지용 그리드를 사용함으로써 오늘날 필터들에서 관찰할 수 있는 문제점들을 극복하는 것이 가능하다는 사실이 개시되었다.
본 발명에 따라 흡착제, 실란트, 및 그리드를 조합함으로써, 주름형 필터 매체는 예상치 못한 성공적인 결과와 함께 재생될 수 있다는 사실이 발견되었다. 따라서, 종래 기술의 필터들의 문제점들을 해결한다.
이렇게 재생 가능한 주름형 AMC 필터 매체의 장점들 중 하나는, 배출구 측에 어떠한 입자 필터도 필요하지 않고, 청정실의 사용, 즉 공기 조절 유닛, 팬 필터 유닛, 국소청정환경 및 공정 도구들을 위하여 압력 강하가 인용 가능한 수준으로 유지될 수 있다는 점이다.
다른 장점은, 적어도 한쪽 면 또는 매체의 중간에 배치된 그리드가, 재생 중 열과 기류에 노출되었을 때, 주름형 필터의 변형을 방지한다는 점이다. 따라서 열과 기류에 노출되었을 때 필터가 주저앉지 않는다.
유사한 예들에서는, 고온 접착제가 필터 매체에 흡착제를 장착하기 위하여 사용될 수 있고, 필터의 나머지 부분은 상기 고온 복합 섬유 필터의 실시예에서 설명한 바와 같이 구성될 수 있다.
그리드는 필터 매체에 적합한 어떤 형태라도 가능하다. 그러나, 알루미늄, 강재, 또는 고온 내열성 폴리머 재료로 만들어지고 잘 정의된 개방부를 구비한 그물 모양을 사용하는 것이 가장 일반적이다. 그리드는 제2 레이어들의 한쪽 면에 배치되거나, 레이어들의 양쪽 면에 배치되거나, 제1 레이어의 중간에 배치될 수 있다.
만약 개방부가 너무 작으면 압력 강하는 너무 커지게 된다. 개방부 면적은 그리드 전체 면적의 50 내지 95 % 범위 내에 있어야 한다.
편평한 매체의 경우에 압력 강하는 0.11 m/s 표면 속도에서 75 Pa까지이어야 한다.
일부 필터는 오직 하나의 필터 요소를 필요로 하는 반면 다른 필터들은 연속으로 연결된 여러 개의 필터 요소들로 구성되고, 기공 크기 분포는 거칠고 큰 기공에서부터 중간 크기의 기공 구조를 거쳐 미세한 초소형 기공 구조까지 범위에서 선택되고, 케스케이드 방식으로 바람직하게는 고온 비등 VOC에서부터 중간 비등 VOC를 거쳐 저온 비등 VOC까지를 제거한다. 필터 요소들 내에서 서로 다른 적어도 두 개의 흡착제들을 사용하는 것은 넓은 범위의 VOC들을 제거할 수 있도록 하고, 재생 사이클을 최적화하여 허용 가능한 사용 사이클의 수를 최적화한다.
단순한 방식으로는, 동일한 흡착제가 연속적인 여러 개의 필터 요소들에서 사용될 수 있고, 서로 다른 요소들은 서로 다른 사이클 횟수로 재생되거나, 수행된 사용 사이클 횟수에 따라 순차적인 배열의 위쪽에 배치될 수 있다. 또한 일부 경우에는 오직 한번 재생되거나 재생되지 않는 필터로서 사용되는 최종 요소를 구비하는 것이 최적의 기술적 성능 및 유지비용을 가져올 수 있다.
하나의 실시예에서, 재생 가능한 주름형 필터 매체는 선택된 흡착제의 제1 레이어와 부직 고온 섬유 또는 직물로 이루어진 두 개의 제2 레이어들을 포함한다. 고온 섬유들과 혼합된 선택된 흡착제의 제1 레이어는, 고온 섬유 또는 직물로 이루어진 상기 두 개의 제2 레이어들 사이에 수용된다. 상기 재생 가능한 주름형 필터 매체는, 도 1 내지 도 3에 보인 것처럼, 제2 레이어들의 어느 한쪽 바깥에 배치되거나 제1 레이어 안에 통합된 적어도 하나의 지지용 그리드를 구비한다.
본 발명의 재생 가능한 주름형 필터 매체 또는 필터 요소는 낮은 압력 강하, 긴 수명, 작은 크기를 가진 청결한 제품을 제공한다. 이는 또한, 과거에는 어떤 경제적 해결책도 존재하지 않았던 저온 비등점 VOC를 제거할 수 있게 한다. 여러번 재생 가능한 하나 또는 일련의 필터 요소들을 가진 필터를 사용하는 것은 저온 비등점 VOC의 제거 비용을 감당할 수 있는 수준으로 만들어 준다.
필터 매체 또는 필터 요소가 여러번 사용될 수 있기 때문에, 해당 응용 사례에 필요한 성능을 유지하면서도 유지비용은 감소하게 된다.
필터 매체 또는 필터 요소의 주요한 사용처는 청정실, 또는 일반 웨이퍼, 반도체, 인쇄회로기판, 하드 디스크 제조, 평판 제조, 바이오칩, 및 그와 유사한 분야이다. 초소형 전자기기 청정실 환경은, 예를 들어 리소그래피 영역의 스캐너, 코터 디벨로퍼(coater developers), 디퓨젼 퍼너스(diffusion furnaces), 국소청정환경(minienvironments), 도구 인터페이스(tool interfaces), 금속 배치 장비(metal deposition equipments), 및 그와 유사한 반도체 처리 도구를 포함한다. 필터들은 또한 공기 조절 유닛(새로운 공기 또는 재순환 공기) 내부 또는 청정실 팬 필터 유닛 위에 설치될 수 있다.
그러나 필터 매체 또는 필터 요소는, 제약 회사에서 냄새 또는 위험한 화합물의 제어, 식품 업계, 병원 청정 환경, IVF 실험실, 및 태양광 패널 제조 등의 다른 응용분야들에서 사용될 수도 있다. 필터 매체 또는 필터 요소는 또한, 층류(laminar flow) 또는 안전 기구장, 배기형 시약장, 공항, 및 수술 중 의사와 환자를 보호하기 위한 병원 응용기기에 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 재생 가능한 주름형 필터 매체를 도시하는데, 그리드가 부직포의 한쪽 면에 배치되어 있다. 단면은 고온 섬유들 및 그 사이에 배치된 흡착제를 보여준다.
도 2는 양쪽 면에 그리드가 배치된 주름형 필터 매체의 한 실시예를 도시하고 있다.
도 3은 부직포 레이어들 사이에 수용된 흡착제 안에 그리드가 배치된, 주름형 필터 매체 조립체의 한 실시예를 도시하고 있다.
도 4는 주름형 필터 매체를 구비한 필터 요소를 도시하는데, 주름형 필터 매체에 맞추어 형성된 프레임에 주름형 필터 매체가 통합되어 필터 요소를 형성한다. 상기 프레임은 서로 다른 방법들을 사용하여 구성될 수 있다. 본 발명에 따라 주름형 필터 매체를 위하여 사용되는 프레임은, 사용되는 주름형 필터 매체에 따라 본 발명의 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의하여 구성될 수 있다.
도 5는 별도의 필터 모듈들/서브프레임들 안에 구성되거나 동일한 부직포 매체에 구성된, 서로 다른 기공 분포를 가진 흡착제들을 사용하고 재생 가능한 매체로 이루어진 분리된 레이어들의 예들을 도시하고 있다. 추가로, 별도의 필터 모듈들/서브프레임들 안에 구성되거나 동일한 부직포 매체에 구성된, 재생 가능한 매체와 재생 가능하지 않은 매체의 조합 또는 서로 다른 재생 가능한 매체들의 조합을 이용한, 분리된 레이어들의 예들도 도시되어 있다.
모든 재료들은 200 ℃까지의 온도에서 용융 및 연소를 견딜 수 있고, 주름형 필터 매체는 ISO 표준 14644-1호에 정의된 바와 같이 ISO 클래스 6 환경 이상으로 입자들을 발산하지 않는다.
시험용 도관은 ASHRAE 표준 52-76호, 유로벤트(Eurovent) 4/5에 기반한 필터 시험들에 사용된 종류의 것이다. 유입 공기는 1D 1000 종류(0.3 μm, DOP 시험용 에어로졸에 대하여 99.99 %의 억류 성능)의 절대 필터를 사용하여 청정화 된다.
입자 분석은 PMS 인크(PMS Inc.)에서 생산된 LAS-X 입자 계수기(직접 측정기기)로 수행된다.
측정값을 얻기 전에, 시험용 도관 및 챔버가 세정된다. 샘플링용 프로브가 도관에 배치된다. 배기 시스템이 시작되고 시험용 필터 없이 가동된다. 도관에 입자가 존재하지 않는다는 것을 확인하기 위하여 입자들의 내용이 직접측정기기로 10분간 측정된다. 이러한 초기 공백 후, 배기 시스템이 꺼진다. 기류는 제품을 위한 정상치로 맞추어지고, 측정이 등속적(isokinetic)으로 이루어지도록 입자 샘플링이 조절된다. 필터를 배치한 후 수 초 후에 측정이 시작된다.
1. 10분간의 정화가 기준치로서 보고된다.
2. 10분간 초기 입자 발산이 수행된다(20초 간격).
3. 추가적인 20분 동안 시험이 계속된다(20 초 간격).
시험 결과가 표로 도시되어있다(아래 표 참조).
Figure pct00001
재생을 위한 온도가 높을수록, 탈착 메커니즘을 통해 활성 탄소 표면으로부터 모든 종류의 유기 복합물들이 더 잘 제거된다. 흡착된 유기 복합물들을 효과적으로 제거하기 위해서는, 해당 복합물 비등점 이상의 온도가 사용되어야 한다.
현실적으로 청정실 필터의 재생을 위하여 사용되는, 적절한 최대 온도는 150 내지 180 ℃의 범위 내에 있는데, 이는 필터 매체에 흡착되는 복합물의 대다수가 상기 값 아래의 비등점(b.p.)을 갖기 때문이다. 따라서 상기 범위에서 좋은 결과가 얻어질 수 있다.
125 내지 180 ℃, 125 내지 150 ℃, 150 내지 180 ℃, 160 내지 180 ℃ 등 여러 가지 서로 다른 온도 범위가 시험되었다. 125 ℃ 초과, 특히 150 ℃ 초과의 온도에서 좋은 결과가 관측되었다.
필터 안에 흡착되는 중요한 유기 복합물들 및 그들의 비등점의 예들은, 헥사메틸디실록산(hexamethyldisiloxane)(b.p. 101 ℃), 톨루엔(toluene)(b.p. 111 ℃), 부틸 아세테이트(butyl acetate)(b.p. 126 ℃), 에틸벤젠(b.p. 136 ℃), 자일렌(xylene)(b.p. 144 ℃), PGMEA(b.p. 146 ℃), 에틸락테이트(ethyl lactate)(b.p. 154 ℃), 트라이메틸벤젠(trimethyl benzene)(b.p. 165 ℃), 디케인(decane)(b.p. 174 ℃), 옥타메틸 사이클로테트라실록산(octamethyl cyclotetrasiloxane)(b.p. 175 ℃)을 포함한다.
본 발명에 따른 재생 가능한 주름형 필터 매체 및/또는 필터 요소는 여러 가지 서로 다른 크기로 제조될 수 있다. 이러한 크기들의 예들은 100 mm x 100 mm부터 1220 mm x 1220 mm까지의 범위를 갖는다.
재생 가능한 주름형 필터 매체 또는 필터 요소는 내열성 부직포 매체에 통합된 흡착제로부터 만들어지는데, 상기 내열성 부직포 매체는 기류를 위해 사용 가능한 매체 면적을 확대하기 위하여 주름 접힌다. 편평한 매체 내의 흡착제 양은 50 내지 2000 g/m2의 범위, 바람직하게는 100 내지 1000 g/m2의 범위를 갖는다.
부직포 재료는 PES 또는 PES/PE로 만들어질 수 있지만, 재생 공정에서 요구되는 온도까지 내열성을 갖는다면, 어떠한 다른 폴리머 재료들도 사용될 수 있다.
재생 가능한 주름형 필터 매체 또는 필터 요소는 약 10 mm 내지 600 mm의 주름 높이를 가지며, 100 mm 당 2 내지 20개의 주름들을 가진 주름 분포를 사용한다. 상기 구성은, 유입 공기 내 VOC의 농도, 최대 배출 농도, 인용 가능한 최대 압력 강하, 및 크기를 비한정적으로 포함하는 다양한 요인들에 의존적으로 결정된다.
재생 가능한 주름형 필터 매체를 포함하는 필터 요소들의 개수는 통상적으로 1 내지 10개이다. 필터 요소들의 개수는, 의도된 응용사례를 위해 필요하다고 생각되는 흡착제의 종류, 인용 가능한 최대 압력 강하, 공기중 VOC 농도, 허용 가능한 최대 배출 농도, 및 공간의 한계 등을 비한정적으로 포함하는 다양한 요인들에 의존적으로 결정된다.
재생 가능한 주름형 필터 매체 또는 필터 요소는, 도 1 내지 도 3에 보인 것처럼, 재생 공정 동안의 온도 변화 사이클 중 지지를 위하여 지지용 그리드를 구비하여야 한다. 상기 지지용 그리드는 개방 영역이 50 내지 95 %, 바람직하게는 88 % 이상이고, 1.1 내지 1.5 mm, 바람직하게는 0.5 내지 0.8 mm의 두께를 갖는다. 상기 그리드는 재생 사이클 동안 상기 주름의 구성이 그대로 유지될 수 있도록 보장한다. 지지용 그리드가 없으면, 상기 재생 가능한 주름형 필터 매체 또는 필터 요소는 고온 및 기류에 노출되었을 때 주저앉게 된다.
재생 가능한 주름형 필터 매체 또는 필터 요소는, 매체를 고정하고 우회하는 누출을 방지하기 위하여, 또한 추가적으로 재생 사이클 동안 재료 응력에 저항하는 추가적인 특성을 갖는 내열성 접착제, 예를 들어 폴리우레탄을 사용한다.
추가적인 실시예들에서, 재생 가능한 주름형 필터 매체는 아연 도금 강재, 스테인리스강, 내산성강(acid proof steel), 알루미늄, 또는 경질 알루미늄(anodized aluminium)으로 만들어진 프레임에 의해 둘러싸인다.
재생 가능한 주름형 필터 매체 또는 필터 요소는 폴리머 재료 또는 활성 탄소 재료의 흡착제를 사용하고, 그 내부 영역은 3000 m2/g이며, 응용사례 및 제거할 가스에 따라 미세/중간/거대 기공 부피를 가지는데, 미세기공 부피의 경우 통상적으로 0.2와 0.8 cm3/g 사이이다.
재생 가능한 주름형 필터 매체는 여러 가지 다양한 방식들, 즉 여러 가지 서로 다른 층들을 사용하여 만들어질 수 있다:
- 부직포 / 흡착제 1 + 섬유들 / 흡착제 2 + 섬유들 / 흡착제 3 + 섬유 / 기타 / 부직포
- 부직포 / 흡착제 1 + 2 + 3 + 기타 + 섬유들 / 부직포
- 부직포 / 흡착제 1 + 2 + 3 + 기타 + 섬유들 / 부직포 / 1 + 2 + 3 + 기타 + 섬유들 / 부직포
- 부직포 / 흡착제 1 + 섬유들 / 부직포 / 흡착제 2 + 섬유들 / 부직포 / 기타
상기 실시예들에서, 그리드는 흡착제 레이어들의 중간 또는 부직포 각각의 적어도 한쪽 면 위에 통합된다.
천 또는 직물은 직조 또는 편성(직물)에 의하여 형성되거나 펠트로 압형되어 형성된, 자연적 또는 인공적 섬유(실 또는 원사)의 네트워크로 만들어진 유연하고 인공적인 재료이다. 부직포는 직조를 포함하지 않는 공정에 의해 만들어진 재료 또는 직물이다. 본 응용사례에서, 부직포는 섬유로 만들어진 직물이다.
상기 실시예들의 섬유들은 내열 접착제 또는 섬유들 및 접착제들의 조합으로 대체될 수 있다.
하나의 실시예에서, 필터 요소는 재생 가능한 주름형 필터 매체, 프레임, 및 내열 실란트를 포함한다. 적절한 구성의 다른 필터 요소들도 사용될 수 있다.
재생 실시예:
도 6 및 도 7은 톨루엔 또는 이소프로페놀(IPA)이 인공적으로 충전된 3층 재생 가능 주름형 필터 매체의 재생과 이어지는 총 4회 사이클에서의 재생을 보여준다. 도 6은 한 사이클 후의 결과를 보여준다. 필터 매체는 먼저 톨루엔으로 적재되고, 이 특정 오염물질에 대한 상기 필터의 효율성이 기록되었다. 이러한 성능 실험이 완료되면, 상기 필터 매체는 재생 공정을 거치게 되고 톨루엔을 이용한 동일한 성능 실험이 다시 수행된다. 두 개의 곡선은 동일하며, 상기 오염물질에 대하여 필터 매체 용량의 회복에 있어서의 완전한 회복을 보여준다. 상기 두 번의 실험들 후에, 동일 필터 매체가 이소프로페놀에 노출되고 두 번 더 재생되었는데, 다시 성능의 완전한 회복을 보여주고 있다.
상기 필터 매체는 실물 크기의 공기 조절 실험 장비에서 시험되었고, 농도는 가스 크로마토그래프 플레임 이온화 검출기 장비를 사용하여 온라인 측정되었다. 상기 시험에서 78 내지 80 ppmv 톨루엔 및 13.8 ppm 이소프로페놀(IPA)이 사용되었다.
보통 필터 매체 또는 필터 요소는 그 효율이 90 % 내지 50 %의 범위 안에 있을 때 교체된다.
상기 재생을 위해 사용된 온도는 100 내지 180 ℃의 범위 안에 있고, 매우 빠르고 신뢰할만한 재생에 도달하기 위해서는 바람직한 최대 온도가 180 ℃이다.
상기 결과의 입증은 다음과 같은 방법으로 이루어졌다.
재생 가능한 주름형 필터 매체 또는 필터 요소는 서로 다른 크기, 휘발성, 및 비등점을 가지고, 서로 다른 기능 군(functional group)들을 가지며 그리고/또는 그 분자 속에 비 탄소 또는 비 수소 원자를 포함한 VOC 분자들을 제거하기 위하여 사용된다.
모든 상기 분자들은 흡착제 위에서 또는 재생 중에 서로 다른 흡착 특성 및 가능 반응 경로들을 갖는다.
일부 분자들은 제거하기가 극히 어렵고, 시간이 지남에 따라 사용과 재생 사이클을 통해서 축적되어 재생 불가능한 잔유물을 형성함으로써, 유용한 재생 사이클의 수를 제한하고 최종적으로는 전체 필터 또는 필터 구성요소가 교체되어야 하도록 만든다.
'기가모니터'(Gigamonitor)라는 상표명을 가진 본 회사 내부의 한 방법은, 잔유물의 추출에 이어지는 GC-FID / GC-MS 기반 분석을 사용하여, 세 가지 서로 다른 비등점 간격들에서 축적된 VOC 양을 보여주는 쉽게 해석 가능한 막대 그래프를 생성해낸다.
상기 분석은 재생 정도를 시연하기 위한 신뢰할 수 있는 방법으로서, 특정 고객에게 있어서 특정 용용사례를 위하여 얼마나 많은 재생 사이클이 바람직한지를 결정하는 데 사용된다.
하나의 대안적인 입증 기법은, 기류 시험 장비에서 시험용 VOC에 의한 노출을 사용하여 잔유물 억류 능력을 결정하고, 이어서 추가적 재생에 의해 시험용 VOC를 제거하기 위한 노출을 이용하는 것이다.
또한 재생 장비의 배출구 쪽에 FID를 연결하여 유기 화합물의 배출 농도를 측정하는 것도 가능하다. 측정값은 주어진 온도, 습도, 기류, 및 압력 조건들에 대하여 재생 공정의 결과를 보여줄 것이다. 장비로부터 어떠한 가스도 배출되지 않는 경우, 상기 조건들에 대한 탈착이 완료된다. 남아 있는 유일한 시험은 필터로부터 탈착되지 않은 VOC의 양을 확인하거나, 본 명세서의 위에서 설명한 방법을 사용하여 도전적 시험을 수행하는 것이다.
비록 본 발명이 특정 실시예들을 참조하여 상당한 상세 내용을 가지고 설명되었지만, 한정의 목적이 아닌 설명의 목적으로 제공되고 설명된 상기 구현 예들 및 실시예들 이외의 방법으로도 본 발명이 활용될 수 있다는 것을 본 발명의 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자는 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 첨부된 청구범위 청구항들의 범위는 본 명세서에 포함된 실시예들의 설명에 한정되어서는 아니 된다.

Claims (15)

  1. 청정실 환경용 주름형 필터 매체에 있어서,
    활성 탄소 또는 폴리머로 이루어진 흡착성 제1 레이어를 적어도 하나 포함하고, 상기 활성 탄소 또는 폴리머는 섬유들 및/또는 접착제와 함께 부직포로 이루어진 두 개의 제2 레이어들 사이에 수용되고, 상기 주름형 필터 매체가 1 atm에서 100 ℃ 이상 가열된 기류에 의하여 재생될 때 변형되는 것을 방지하기 위하여, 그리드가 제2 레이어들 중 어느 하나의 적어도 한쪽 면 위에 배치되거나 제1 레이어의 내부에 통합되는 것을 특징으로 하는 청정실 환경용 주름형 필터 매체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성 탄소의 레이어에서 흡착제는 섬유, 분말, 입자, 펠렛, 또는 비드의 모양을 갖춘 것을 특징으로 하는 청정실 환경용 주름형 필터 매체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 활성 탄소가 석탄, 코코넛, 폴리머, 나프타 및 거대 기공성 스티렌-디비닐 벤젠과 같은 추가 폴리머 흡착제로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 청정실 환경용 주름형 필터 매체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그리드가 알루미늄, 강재, 또는 고온 내열성 플라스틱 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 청정실 환경용 주름형 필터 매체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그리드가 총 면적의 50 내지 95 %에 해당하는 개방 영역을 구비한 것을 특징으로 하는 청정실 환경용 주름형 필터 매체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 그리드가 그물 모양으로 만들어진 것을 특징으로 하는 청정실 환경용 주름형 필터 매체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    편평한 매체 위에서의 압력 강하가 0.11 m/s 공기 면 속도에서 75 Pa까지인 것을 특징으로 하는 청정실 환경용 주름형 필터 매체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유들이 내열성 복합 섬유인 것을 특징으로 하는 청정실 환경용 주름형 필터 매체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡착제가 폴리머 재료 또는 활성 탄소 재료로 만들어지고, 500 m2/g 내지 3000 m2/g의 내부 영역 및 0.2 cm3/g 내지 0.8 cm3/g의 미세기공 부피를 갖추는 것을 특징으로 하는 청정실 환경용 주름형 필터 매체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    제거하고자 하는 휘발성 유기 화합물의 의도된 혼합에 대응하기 위하여, 필터 요소 내의 서로 다른 레이어들에 적어도 두 개의 서로 다른 흡착제들이 선택되고 사용되는 것을 특징으로 하는 청정실 환경용 주름형 필터 매체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 주름형 필터 매체 및 프레임을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 청정실 환경용 필터 요소.
  12. 제11항에 있어서,
    내열성 실란트를 포함하는 것을 특징으로 하는 청정실 환경용 필터 요소.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 청정실 환경용 주름형 필터 매체 또는 필터 요소를, 초소형 전자기기 산업, 일반 웨이퍼 제조, 반도체 산업, 인쇄 회로 기판 조립체, 하드 디스크 제조, 평판 패널 제조, 바이오칩 제조, 제약 산업, 식품 산업, 병원 청정 환경, IVF 실험실, 태양광 패널 제조 실험실, 기구장 및 배기형 시약장대기 시스템에서 사용하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 청정실 환경용 주름형 필터 매체 또는 필터 요소를 사용하는 방법으로서,
    적어도 두 개의 주름형 필터 요소들이 연속으로 배치된 것을 특징으로 하는 청정실 환경용 주름형 필터 매체 또는 필터 요소를 사용하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 청정실 환경용 주름형 필터 매체 또는 필터 요소를, 유기 산성 물질, 유기 염기성 물질, 콘덴서블, 도판트, 옥시던트, 및 휘발성 유기화합물(VOC) 형태의 공기중 분자상 오염물질(AMC) 및 흡착제의 기공성 구조 내에서 물리적 흡착에 의해 흡착될 수 있는 모든 화합물들을 제거하기 위하여 사용하는 방법.
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