KR20170114146A - 디보란 정제장치 및 정제방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디보란 정제장치 및 정제방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치는 디보란(DIBORANE, B2H6, 3)에 다수의 기체 불순물(5)이 섞인 디보란 가스(1)를 저장하는 가스용기(10), 디보란 가스(1)가 유입되어 정제되는 정제챔버(20), 디보란(3) 및 불순물(5) 중의 제1 불순물이 액화되어 불순물(5) 중 기체상태인 제2 불순물과 분리되도록, 정제챔버(20)를 제1 정제온도까지 냉각하는 냉각부(30), 및 액화된 디보란(3)이 기화되어 액화된 제1 불순물과 분리되도록, 정제챔버(20)를 제2 정제온도까지 가열하는 가열부(40)를 포함한다.

Description

디보란 정제장치 및 정제방법{APPARATUS AND METHOD FOR PURIFYING DIBORANE}
본 발명은 디보란 정제장치 및 정제방법에 관한 것이다.
디보란(DIBORANE, B2H6)은 무색이고 특이한 냄새가 나는 기체로서, 붕소의 수소화물이며 보란의 한 종류이다. 상온에서 안정하며 유기화합물과 강하게 환원작용을 하여 환원제로 유기합성에 많이 이용된다. 또한 물과 접촉하면 순간적으로 가수분해하여 붕산을 생성하고, 붕소의 중성자 흡수면적이 커서 중성자 계수용으로 사용되며, 높은 연소열을 이용하여 항공기와 로켓의 연료로도 쓰인다. 뿐만 아니라, 디보란 가스는 반도체 장비의 P타입 도판트(dopant)로 사용되어 전자산업과 그 응용분야에서 널리 활용되고 있다. 이때 디보란 가스는 불순물의 농도가 수 ppm 이하로 관리되어야 하다. 하지만, 디보란 가스에는 수소와 고차 보란(higher borane) 등 많은 불순물이 섞여 있어서, 디보란 가스를 사용하기 위해서는, 디보란 가스의 정제가 필수적이다.
종래의 디보란 조제 및 정제기술은 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시되어 있다. 종래 특허문헌에 개시된 디보란 조제 및 정제방법은 무기히드록사이드 등과 같은 물질을 사용하여 흡착하는 방식에 의한다. 이러한 종래의 디보란 정제방법은 방법운영이 다소 복잡하고, 필요한 정제 시설을 갖추는데 상당한 투자비가 소요되며, 재료비와 유지비용이 비싸다는 문제가 있다.
따라서 종래의 디보란 정제방법에 대한 문제점을 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있다.
KR 10-0627920 B1
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 디보란 가스가 유입되어 정제되는 정제챔버에 냉각부 및 가열부를 배치함으로써, 디보란과 불순물 사이의 비점차이를 이용해서 불순물을 제거하는 디보란 정제장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 디보란이 액화되는 온도로 정제챔버를 냉각한 후 불순물이 섞인 디보란 가스를 정체챔버에 주입하여 기체상태인 수소 불순물을 제거하고, 액화된 디보란이 기화되도록 정제챔버를 가열함으로써 디보란을 액체상태인 고차 보란과 분리하는 디보란 정제방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치는 디보란(DIBORANE, B2H6)에 다수의 기체 불순물이 섞인 디보란 가스를 저장하는 가스용기, 상기 디보란 가스가 유입되어 정제되는 정제챔버, 상기 디보란 및 상기 불순물 중의 제1 불순물이 액화되어 상기 불순물 중 기체상태인 제2 불순물과 분리되도록, 상기 정제챔버를 제1 정제온도까지 냉각하는 냉각부, 및 액화된 상기 디보란이 기화되어 액화된 상기 제1 불순물과 분리되도록, 상기 정제챔버를 제2 정제온도까지 가열하는 가열부를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치에 있어서, 상기 제1 불순물은 고차 보란(higher borane)이고, 상기 제2 불순물은 수소이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치에 있어서, 상기 제1 정제온도는 상기 디보란의 어는점보다 높고, 상기 디보란의 비점보다 낮다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치에 있어서, 상기 제1 정제온도는 -150 ~ -130 ℃ 이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치에 있어서, 상기 제2 정제온도는 상기 디보란의 비점보다 높고, 상기 제1 불순물의 비점보다 낮다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치에 있어서, 상기 제2 정제온도는 -40 ~ -20 ℃ 이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치에 있어서, 상기 냉각부는 상기 정제챔버의 벽체가 이중벽으로 형성되어 내벽과 외벽 사이에 구비된 냉각로, 및 상기 냉각로 내부에서 유동하는 액체질소를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치에 있어서, 상기 냉각부는 상기 정제챔버의 소정의 일부분을 감싸도록 배치되는 냉각관, 및 상기 냉각관 내부에서 유동하는 액체질소를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치에 있어서, 상기 정제챔버의 내부에 배치되는 충전물을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치에 있어서, 상기 정제챔버의 내부에서, 상기 정제챔버의 높이방향을 따라 서로 이격 배치되는 다수 개의 온도센서를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치에 있어서, 기화된 상기 디보란을 상기 정제챔버로부터 회수하는 회수관, 상기 회수관에 연결되어, 상기 디보란을 저장하는 회수용기, 및 가스크로마토그래피를 이용하여, 상기 디보란의 순도를 분석하는 분석부를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치에 있어서, 상기 제1 불순물 또는 제2 불순물을 상기 정제챔버로부터 배출하는 배출관, 및 상기 배출관에 연결되어, 상기 제1 불순물 또는 제2 불순물을 정화하는 정화부더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치에 있어서, 상기 정제챔버 내부로 유입되는 상기 디보란 가스의 공급유량속도는 100 ~ 1000 cc/min이다.
본 발명의 실시예에 따른 디보란 제조방법은 (a) 디보란(DIBORANE, B2H6)에 다수의 기체 불순물이 섞인 디보란 가스를 정제하는 정제챔버 내부를 상기 디보란 및 상기 불순물 중의 제1 불순물이 액화되도록, 제1 정제온도까지 냉각하는 단계, (b) 상기 디보란 가스를 상기 정제챔버 내부로 주입하는 단계, (c) 상기 불순물 중 기체상태인 제2 불순물을 배출하는 단계, (d) 상기 정제챔버 내부를 액화된 상기 디보란이 기화되도록, 제2 정제온도까지 가열하는 단계, 및 (e) 기화된 상기 디보란을 액화된 상기 제1 불순물과 분리하여 배출하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 제조방법에 있어서, 상기 제1 불순물은 고차 보란(higher borane)이고, 상기 제2 불순물은 수소이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 제조방법에 있어서, 상기 제1 정제온도는 상기 디보란의 어는점보다 높고, 상기 디보란의 비점보다 낮다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 제조방법에 있어서, 상기 제15 온도는 -150 ~ -130 ℃ 이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 제조방법에 있어서, 상기 제2 정제온도는 상기 디보란의 비점보다 높고, 상기 제1 불순물의 비점보다 낮다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 제조방법에 있어서, 상기 제2 정제온도는 -40 ~ -20 ℃ 이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계는 상기 정제챔버의 벽체가 이중벽으로 형성되어 내벽과 외벽 사이에 구비된 냉각로에 액체질소를 공급하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계는 상기 정제챔버의 소정의 일부분을 감싸도록 배치된 냉각관에 액체질소를 공급하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 제조방법에 있어서, 상기 (b)단계 이후에, 상기 정제챔버의 내부에서, 상기 정제챔버의 높이방향을 따라 서로 이격 배치되는 다수 개의 온도센서를 통해 온도구배를 탐지하여, 액화된 상기 디보란 가스의 수위를 확인하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 제조방법에 있어서, 배출된 상기 디보란을 회수하고, 가스크로마토그래피를 이용하여 순도를 분석하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 제조방법에 있어서, 상기 정제챔버로부터 배출되는 상기 제1 불순물 또는 제2 불순물을 정화하는 단계를 더 포함한다
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 제조방법에 있어서, 상기 정제챔버 내부로 주입되는 상기 디보란 가스의 공급유량속도는 100 ~ 1000 cc/min 이다
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 디보란 가스가 유입되어 정제되는 정제챔버에 냉각부 및 가열부가 배치되어, 냉각부가 디보란를 액화하여 기체상태의 수소 불순물을 분리 배출하고, 가열부가 디보란을 기화하여 액체상태의 고차 보란으로부터 디보란을 분리함으로써, 고순도의 디보란을 용이하게 회수할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 비점차이를 활용하여 디보란 가스의 불순물을 제거하는 것이므로, 흡착방식에 따른 불순물 제거 방식에 비해 상대적으로 정제공정이 단순하고, 초기 투자비, 재료비, 유지비용 등이 저렴하여, 정제의 효율성이 향상되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 A-A' 라인에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디보란 정제장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제방법의 순서도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치의 구성도이고, 도 2는 도 1의 A-A' 라인에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제장치는 디보란(DIBORANE, B2H6, 3)에 다수의 기체 불순물(5)이 섞인 디보란 가스(1)를 저장하는 가스용기(10), 디보란 가스(1)가 유입되어 정제되는 정제챔버(20), 디보란(3) 및 불순물(5) 중의 제1 불순물이 액화되어 불순물(5) 중 기체상태인 제2 불순물과 분리되도록, 정제챔버(20)를 제1 정제온도까지 냉각하는 냉각부(30), 및 액화된 디보란(3)이 기화되어 액화된 제1 불순물과 분리되도록, 정제챔버(20)를 제2 정제온도까지 가열하는 가열부(40)를 포함한다.
본 실시예에 따른 디보란 정제장치는 디보란 가스(1)의 불순물(5)을 정제하여 고순도의 디보란(3)을 회수하는 장치로서, 가스용기(10), 정제챔버(20), 냉각부(30), 및 가열부(40)를 포함한다.
디보란(3)은 붕소의 수소화물에 해당하는 가스로서, 수소, 고차 보란(higher borane) 등과 같은 불순물(5)이 다수 섞여있다. 근래에 디보란 가스(1)는 반도체 장비의 P타입 도판트(dopant)로 사용되어 전자산업과 그 응용분야에서 널리 활용되는데, 여기서 사용되는 디보란 가스(1)는 고순도 디보란(3)이어야 한다. 즉, 디보란 가스(1)를 활용하기 위해서는 디보란 가스(1) 내의 불순물(5)을 수 ppm 이하로 관리할 필요가 있는데, 이때 본 실시예에 따른 디보란 정제장치가 사용된다. 본 실시예에 따른 디보란 정제장치에 있어서, 디보란 가스(1)는 별도의 가스용기(10)에 저장되었다가 정제챔버(20)로 주입되어 정제된다.
여기서, 가스용기(10)는 디보란 가스(1)를 저장하는 용기이다. 예를 들어, 봄베(bomb)와 같은 내압용기일 수 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 디보란 가스(1)를 수용할 수 있는 한 모든 공지의 용기를 포함한다. 여기서, 디보란 가스(1)는 디보란(3)에 다수의 불순물(5)이 섞여 있는 가스를 의미한다. 다시 말해, 디보란 가스(1)는 상온에서 기체상태인 디보란(3)과 기체상태인 불순물들(5)이 혼합된 혼합기체이다.
정제챔버(20)는 가스용기(10)에 수용되었던 디보란 가스(1)가 내부로 유입되어 정제되는 곳이다. 정제챔버(20) 내의 압력이 가스용기(10) 내의 압력보다 낮게 유지됨으로써, 디보란 가스(1)가 가스용기(10)에서부터 정제챔버(20) 내부로 이송된다.
여기서, 정제챔버(20)의 압력은 후술할 냉각부(30)가 정제챔버(20)의 온도를 낮춤으로써 감압될 수 있다. 이때, 정제챔버(20)의 압력이 가스용기(10)의 압력보다 상대적으로 낮아지면, 그 압력차에 의해 디보란 가스(1)가 이송된다. 또한, 정제챔버(20) 내부의 온도가 낮기 때문에 폭발성이 있는 디보란 가스(1)가 정제챔버(20)로 유입될 때에 안정화된다. 다만, 가스용기(10)와 정제챔버(20) 사이의 압력차가 반드시 냉각부(30)에 의한 냉각에 의해 발생하여야 하는 것은 아니고, 다양한 공지의 방식 내지 장치에 의하여 발생할 수도 있다.
디보란 가스(1)의 공급유량속도는 100 ~ 1000 cc/min 일 수 있는데, 바람직하게는 400 ~ 500 cc/min이 적당하다. 공급유량속도가 지나치게 빠르면 비점차이를 이용한 정제효율이 떨어지고, 디보란 가스(1)가 폭발성을 가지므로, 상술한 범위가 가장 효과적이고 타당하다. 다만, 디보란 가스(1)의 공급유량속도가 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 정제챔버(20)의 용량, 내부 온도 등 다양한 요소를 고려하여 이와 다르게 범위를 정할 수도 있다.
본 실시예에 따른 디보란 정제장치에 있어서, 디보란 가스(1)의 정제는 디보란(3)과 불순물(5) 간의 비점차이를 이용한다. 따라서, 정제챔버(20)의 내부 온도는 가변적인데, 이때 정제챔버(20)의 온도는 냉각부(30)와 가열부(40)에 의해 제어된다.
상기 냉각부(30)는 정제챔버(20)를 냉각하는 부분장치로서, 제1 정제온도까지 정제챔버(20)를 냉각한다. 여기서, 제1 정제온도는 기체상태로 유입된 디보란(3)과 기체 불순물(5) 중의 일부인 제1 불순물은 액화되되, 기체 불순물(5) 중 다른 일부인 제2 불순물은 본래의 기체상태를 유지하는 온도를 의미한다. 정제챔버(20)로 유입되는 디보란(3)과 다수의 불순물(5)은 모두 기체상태로서, 각각의 비점 및 녹는점이 서로 상이하다. 따라서, 정제챔버(20)의 온도를 제1 정제온도로 낮추면, 디보란(3)과 제1 불순물은 액화되고, 제2 불순물은 그대로 기체상태를 유지한다. 즉, 제1 불순물은 제1 정제온도에서 디보란(3)과 함께 기체에서 액체로 상변화되는 물질이고, 제2 불순물은 제1 정제온도에서 상변화가 일어나지 않는 물질을 의미한다.
각각의 물질의 비점을 비교하면, 제1 불순물이 가장 높고, 제2 불순물이 가장 낮으며, 그 사이에 디보란(3)이 위치한다. 이때, 제1 불순물의 비점은 상온보다 낮기 때문에, 상온에서 디보란(3)과 제1 및 제2 불순물은 기체상태가 된다.
따라서, 제1 정제온도는 디보란(3)의 어느점보다 높고, 디보란(3)의 비점보다 낮아야 한다. 이때, 디보란(3)의 어느점은 제2 불순물의 비점보다 상대적으로 높다. 따라서 제1 정제온도의 범위에서 디보란(3)과 제1 불순물은 액화되지만, 제2 불순물은 그대로 기체상태를 유지한다. 대략적으로, 디보란(3)의 비점은 -92.5 ℃ 이고, 어느점은 -165 ℃ 이므로, 제1 정제온도는 이 범위 내에 속한다.
한편, 디보란 가스(1)에 섞여 있는 대표적인 불순물(5)은 고차 보란과 수소이고, 고차 보란의 비점은 대략 10 ℃ 이상이며, 수소의 비점은 -252.8 ℃ 정도이므로, 제1 불순물은 고차 보란이고, 제2 불순물은 수소일 수 있다. 이러한 경우에, 제1 정제온도 범위에서 수소는 기체상태를 유지하므로, 액체상태인 디보란(3) 및 고차 보란과 분리되어 배출된다. 여기서, 수소를 가장 효율적으로 제거하기 위한 제1 정제온도를 도출할 필요가 있는데, 실험적으로는 -150 ~ -130 ℃, 바람직하게는 -140 ℃가 가장 적합하다. 다만, 제1 불순물과 제2 불순물이 각각 고차 보란과 수소에만 한정되는 것은 아니고, 디보란(3)과의 비점차이를 이용해 분리 가능한 모든 불순물(5)을 포함한다.
구체적인 냉각부(30)의 구성은 후술한다. 냉각부(30)에 의해 제2 불순물이 제거되면, 가열부(40)가 정제챔버(20)를 가열한다.
가열부(40)는 정제챔버(20)를 가열하는 부분장치로서, 제2 정제온도까지 정제챔버(20)를 가열한다. 여기서, 제2 정제온도는 액체상태인 디보란(3)과 제1 불순물 중에 디보란(3)만을 기화시키는 온도를 의미하므로, 제2 정제온도는 디보란(3)의 비점보다 높고, 제1 불순물의 비점보다 낮다. 따라서, 제2 정제온도가 유지될 때에, 액체상태였던 디보란(3)은 기화되어 기체상태로 변하는데 반해, 냉각부(30)에 의해 액화된 제1 불순물은 여전히 액체상태를 유지하므로, 디보란(3)과 제1 불순물이 서로 분리된다.
제1 불순물이 고차 보란인 경우에, 디보란(3)을 가장 효과적으로 회수하기 위한 제2 정제온도는 실험적으로 -40 ~ -20 ℃가 가장 적합하다.
종합적으로, 본 발명에 따른 디보란 정제장치를 사용하여, 수소와 고차 보란이 섞인 디보란 가스(1)를 정제하는 경우에, 디보란 가스(1)가 유입되어 정제되는 정제챔버(20)에 냉각부(30) 및 가열부(40)가 배치되어, 냉각부(30)가 디보란(3)를 액화하여 기체상태의 수소를 분리 배출하고, 가열부(40)가 디보란(3)을 기화하여 액체상태의 고차 보란으로부터 디보란(3)을 분리하므로, 고순도의 디보란(3)을 용이하게 회수할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 디보란 정제장치는 비점차이를 활용하여 디보란 가스(1)의 불순물(5)을 제거하므로, 흡착방식에 따른 종래의 불순물 제거 방식에 비해 상대적으로 정제공정이 단순하고, 초기 투자비, 재료비, 유지비용 등이 저렴하여, 정제의 효율성이 향상되는 장점이 있다.
이하에서는 냉각부(30)의 구체적 구성에 대해 설명한다.
냉각부(30)는 냉각로(31), 및 액체질소(33)를 포함할 수 있다. 여기서, 냉각로(31)는 액체질소(33)가 유동하는 통로로서, 정제챔버(20)의 벽체(wall)에 형성된다. 정제챔버(20)의 형태를 형성하는 벽체는 내벽과 외벽으로 구성된 이중벽 구조를 갖는다. 이러한 구조하에서 내벽과 외벽 사이에 공간이 구비되는데, 이 공간이 냉각로(31)에 해당한다. 이러한 냉각로(31)를 따라 액체질소(33)가 유동하면서, 정제챔버(20) 내부의 온도를 낮춘다. 이때, 액체질소(33)는 냉각로(31)로 연결되는 유입관을 통해 주입되고, 냉각로(31)를 통해 정제챔버(20)의 내벽을 감싸며 흐른 뒤에는 유출관을 통해 배출된다. 따라서, 정제챔버(20)의 냉각이 필요할 때에는 액체질소(33)가 냉각로(31)로 유입되고, 가열부(40)의 의해 정제챔버(20)가 가열될 때에는 액체질소(33)가 냉각로(31)에서 유출된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각부(30)는 냉각관, 및 액체질소를 포함할 수 있다(도시되지 않음). 냉각관은 액체질소가 흐르는 관으로, 정제챔버(20)의 외면에 배치된다. 이때, 냉각관은 정제챔버(20)의 외면 전체를 둘러싸거나, 또는 외면 중 일부분, 즉 상부, 하부, 또는 중간부 등을 감싸도록 배치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 디보란 정제장치는 충전물(50)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 충전물(50)은 정제챔버(20) 내부에서의 기액 접촉을 원활하게 하는 것으로, 정제챔버(20) 내부에 배치된다. 예를 들어, 충전물(50)은 라시히 링(raschig ring)일 수 있다. 이러한 라시히 링은 원통형 충전재로서 압력손실을 줄이고 기체와 액체 사이에서 접촉면을 확장시킨다. 다만, 충전물(50)이 반드시 라시히 링에 한정되는 것은 아니고, 레싱 링(ressing ring), 크로스 파티션 링(cross partition ring), 폴링(pall ring), 벌 새들(berl saddle), 그리드 패킹(grid packing), 테러렛 (tellerette), 사이크로헬릭스 스파이럴 링(cyclohelix spiral ring), 인터럭스 새들(intalox saddle), 스파이럴 링(spiral ring) 등과 같이 정제챔버(20) 내의 기액 접촉을 원활하게 하는 한 모든 공지의 충전재를 포함한다. 일반적으로 비점차이를 이용하여 증류하기 위해서는 반응기의 높이가 높아야 증류효율이 향상되지만, 디보란 가스(1)의 폭발 우려와 공간확보에 어려움이 있다. 이때, 충전물(50)이 정제효율을 유지하면서, 안정성과 공간확보를 가능하게 한다.
한편, 본 실시예에 따른 디보란 정제장치는 정제챔버(20) 내부의 수위를 확인하기 위해서, 다수 개의 온도센서(60)를 더 포함한다. 다수 개의 온도센서(60)는 정제챔버(20)의 내부에서, 정제챔버(20)의 높이방향, 즉 상하방향을 따라 서로 소정의 간격을 두고 이격되어 배치된다. 이러한 각각의 온도센서(60)는 정제챔버(20)의 높이에 따른 온도를 측정하게 되는데, 이로부터 높이에 따른 온도구배 내지 온도차를 탐지할 수 있다. 결과적으로, 온도센서(60)에 의해 탐지되는 온도구배로부터 디보란 가스(1)가 냉각부(30)에 의해 액화될 때에 변하는 수위를 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디보란 정제장치의 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 디보란 정제장치는 디보란(3)을 회수하여 분석하기 위해서, 회수관(70), 회수용기(80), 및 분석부(90)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 회수관(70)은 그 일단이 정제챔버(20)와 연결된 관으로서, 이를 통해서 가열부(40)에 의해 기화된 디보란(3)을 회수한다. 회수된 디보란(3)은 회수관(70)의 타단에 연결된 회수용기(80)에 저장되고, 분석부(90)에 의해 그 순도가 분석된다.
여기서, 분석부(90)는 가스크로마토그래피(gas chromatography)를 이용하여, 디보란(3)에 섞여있는 불순물(5)의 농도를 측정함으로써, 디보란(3)의 순도를 분석한다.
본 실시예에 따른 디보란 정제장치는 불순물(5, 도 1 참조)을 정화하기 위해서, 배출관(100), 및 정화부(110)를 더 포함할 수 있다, 배출관(100)은 그 일단이 정제챔버(20)와 연결되어, 제1 불순물 또는 제2 불순물을 배출하는 관이다. 제2 불순물은 냉각부(30)에 의해 디보란(3) 및 제1 불순물이 냉각될 때에 기체상태로 배출관(100)을 통해 배출된다. 한편, 제1 불순물은 가열부(40)에 의해 기화된 디보란(3)이 회수관(70)을 통해 빠져나갈 때에, 액체상태이므로, 그 상태로 배출되거나 또는 가열부(40)에 의해 기화되어 기체상태로 배출될 수 있다. 이렇게 배출된 제1 또는 제2 불순물은 정화부(110)에 의해서 정화된다. 여기서, 정화부(110)는 예를 들어, 스크러버(scrubber)일 수 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 불순물을 정화할 수 있는 모든 공지의 정화장비를 포함한다.
또한, 본 실시예에 따른 디보란 정제장치는 라인(line) 또는 정제챔버(20)에 잔존하는 불순물(5)을 제거하기 위한 진공펌프를 더 포함할 수 있다(도시되지 않음). 진공펌프는 본 실시예에 따른 디보란 정제장치 내에 잔류하는 기체상태의 저분자 불순물(5)을 제거한다.
이하에서는 본 실시예에 따른 디보란 정제장치를 이용한 디보란 정제방법에 의해 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제방법의 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 디보란 정제방법은 (a) 디보란(DIBORANE, B2H6)에 다수의 기체 불순물이 섞인 디보란 가스를 정제하는 정제챔버 내부를 디보란 및 불순물 중의 제1 불순물이 액화되도록, 제1 정제온도까지 냉각하는 단계(S100), (b) 디보란 가스를 정제챔버 내부로 주입하는 단계(S200), (c) 불순물 중 기체상태인 제2 불순물을 배출하는 단계(S300), (d) 정제챔버 내부를 액화된 디보란이 기화되도록, 제2 정제온도까지 가열하는 단계(S400), 및 (e) 기화된 디보란을 액화된 제1 불순물과 분리하여 배출하는 단계(S500)를 포함한다.
본 실시예에 따른 정제방법은 상술한 디보란 정제장치를 이용하여 디보란을 정제하는 방법에 관한 것으로서, 정제챔버 냉각단계(S100), 디보란 가스 주입단계(S200), 제1 불순물 배출단계(S300), 정제챔버 가열단계(S400), 및 디보란 배출단계(S500)를 포함한다.
본 실시예에 따른 정제방법은 상술한 디보란 정제장치를 사용하므로, 이미 설명한 사항은 생략하거나 간략하게 기술한다.
정제챔버 냉각단계(S100)에서 정제챔버를 제1 정제온도까지 냉각한다. 예를 들어, 이중벽으로 형성된 정제챔버 벽체의 내벽과 외벽 사이에 구비된 냉각로에 액체질소를 공급하거나, 또는 정제챔버의 소정의 일부분을 감싸도록 배치된 냉각관에 액체질소를 공급하는 단계를 포함하여 정제챔버를 냉각할 수 있다. 정제챔버 내부의 온도가 떨어지면, 그 내부가 감압되고, 폭발성이 있는 디보란 가스가 유입되더라도 안정성을 확보할 수 있다. 이렇게 정제챔버가 냉각되면 디보란 가스를 주입한다.
디보란 가스 주입단계(S200)에서 디보란 가스를 저장하는 가스용기의 밸브를 개방함으로써, 디보란 가스를 주입한다. 이때, 가스용기와 정제챔버 사이의 압력차에 의해 디보란 가스가 정제챔버로 유입되는데, 여기서 디보란 가스의 공급유량속도는 100 ~ 1000 cc/min 일 수 있다. 다만 공급유량속도가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 정제온도에서 디보란과 제1 불순물은 액화되고, 제2 불순물은 그대로 기체상태를 유지한다. 이때, 정제챔버 내에 충전물이 배치된 경우에는, 디보란 가스의 주입됨과 동시에 기체상태인 제2 불순물이 제거된다.
제2 불순물 배출단계(S300)에서 기체상태인 제2 불순물을 정제챔버 외부로 배기시킨다. 제2 불순물이 배출되면, 정제챔버를 가열하는 단계를 수행한다.
정제챔버 가열단계(S400)에서는 가열부를 통해 제2 정제온도까지 정제챔버를 가열한다. 이때, 액체상태인 디보란은 기화되지만, 제1 불순물은 액체상태를 유지하므로, 디보란과 제1 불순물이 분리된다.
디보란 배출단계(ㄴ500)에서 기화된 디보란을 배출한다. 이러한 과정을 통해서 고순도의 디보란을 회수할 수 있다.
또한, 디보란 배출단계 이후에는, 배출되는 디보란을 회수하여 가스크로마토그래피를 이용하여 불순물의 농도를 측정하고, 디보란의 순도를 분석할 수 있다. 한편, 정제챔버로부터 배출된 제1 불순물 또는 제2 불순물은 정화단계를 거쳐 정화될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 디보란 정제방법은 액화된 디보란 가스의 수위 확인 단계를 더 포함할 수 있다. 수위 확인단계는 디보란 가스 주입단계(S200) 이후에 이루어지고, 이때 정제챔버의 내부에서, 정제챔버의 높이방향을 따라 서로 이격 배치되는 다수 개의 온도센서를 통해 온도구배를 탐지함으로써, 액화된 상기 디보란 가스의 수위를 확인한다.
여기서, 제1 불순물은 고차 보란이고, 제2 불순물은 수소일 수 있다. 이러한 경우에, 제1 정제온도는 디보란의 어는점보다 높고, 디보란의 비점보다 낮아야 하므로 -150 ~ -130 ℃ 일 수 있고, 제2 정제온도는 디보란의 비점보다 높고, 제1 불순물의 비점보다 낮아야 하므로 -40 ~ -20 ℃ 일 수 있다.
이하에서는, 실시예를 통해 본 발명에 따른 디보란 정제장치 및 정제방법에 의해 고순도의 디보란을 회수할 수 있음을 살펴본다.
<실시예 1>
디보란 가스를 450 cc/min의 속도로, -110 ℃의 정제챔버에 주입한다. 정제챔버 내에는 기액 접촉을 원활하게 하기 위한 충전물인 리사히 링이 장착되어 있어서, 디보란 가스의 주입과 동시에 수소가 제거된다. 액체질소를 사용하여 정제챔버의 온도를 -110 ℃로 유지함으로써, 디보란 및 고차 보란을 액체상태로 만들고, 액화되지 않은 수소를 분리 배출한다. 수소의 정제가 완료되면, 정제챔버의 온도를 -30 ℃로 승온하여 디보란을 기화함으로써, 고순도의 디보란을 회수하여 저장함과 동시에 가스크로마토그래피 분석을 진행한다. 분석결과 수소 및 고차 보란의 농도는 100 ppmv 이하임을 확인했다. 정제가 완료되면 후에는 정제챔버에 액체상태로 남아있는 미량의 고차 보란을 제거하기 위해 정제챔버의 온도를 상온으로 서서히 승온시키면서 스크러버로 천천히 배출시킨다.
<실시예 2>
디보란 가스를 450 cc/min의 속도로, -140 ℃의 정제챔버에 주입시킨다. 정제챔버 내에는 리사히 링이 장착되어 있어 그 주입과 동시에 수소를 제거한다. 정제챔버의 온도는 액체질소에 의해 -140 ℃를 유지한다. 이때 디보란 및 고차 보란이 액화되므로, 액화되지 않은 수소를 배출시킨다. 수소가 배출되면, 정제챔버의 온도를 -30 ℃까지 승온시켜 고순도의 디보란를 회수하여 저장한다. 이때 회수된 디보란을 가스크로마토그래피로 분석하였다. 그 분석결과 수소 및 고차 보란의 농도는 100 ppmv 이하임을 확인했다. 정제챔버에 액체상태로 남아있는 미량의 고차 보란은 정제챔버의 온도를 상온으로 서서히 승온시켜 기화시킨 후에 스크러버로 천천히 배출시킨다.
<실시예 3>
디보란 가스를 450cc/min의 속도로, -140 ℃로 냉각된 정제챔버에 주입한다. 정제챔버 내에 충전물인 리사히 링이 장착되어 있어 주입과 동시에 수소를 제거할 수 있다. 액체질소에 의해 정제챔버의 온도를 -140 ℃로 유지하여 디보란 및 고차 보란을 액화시킨 후에, -110 ℃까지 승온함으로써, 액화되지 않은 수소를 분리한다. 수소의 정제가 완료되면, 온도를 -30℃로 승온시켜 고순도의 디보란를 얻어 저장함과 동시에 가스크로마토그래피로 분석을 진행한다. 그 분석결과 수소 및 고차 보란의 농도는 100 ppmv 이하임을 확인했다. 정제가 완료되면, 정제챔버에 남아있는 미량의 고차 보란을 제거하기 위해 정제챔버의 온도를 상온으로 서서히 승온시키며 스크러버로 천천히 배출시킨다.
상술한 실시예에 따른 결과는 아래 [표 1]와 같다.
구분 정제챔버 온도
(℃)		 수소
(ppm)		 디보란 순도
(%)		 고차 보란
(area volume %)
실시예 1 -110 10 ~ 50 99.99 0.1999
실시예 2 -140 50 ~ 100 99.99 0.2009
실시예 3 -140 → -110 0 99.99 0.0097
Figure pat00001
[표 1]에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 디보란 정제장치 및 정제방법을 통해 99.99 %의 고순도 디보란을 회수할 수 있음을 확인하였다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 디보란 가스 3: 디보란
5: 불순물 10: 가스용기
20: 정제챔버 30: 냉각부
31: 냉각로 33: 액체질소
40: 가열부 50: 충전물
60: 온도센서 70: 회수관
80: 회수용기 90: 분석부
100: 배출관 110: 정화부

Claims (25)

  1. 디보란(DIBORANE, B2H6)에 다수의 기체 불순물이 섞인 디보란 가스를 저장하는 가스용기;
    상기 디보란 가스가 유입되어 정제되는 정제챔버;
    상기 디보란 및 상기 불순물 중의 제1 불순물이 액화되어 상기 불순물 중 기체상태인 제2 불순물과 분리되도록, 상기 정제챔버를 제1 정제온도까지 냉각하는 냉각부; 및
    액화된 상기 디보란이 기화되어 액화된 상기 제1 불순물과 분리되도록, 상기 정제챔버를 제2 정제온도까지 가열하는 가열부;
    를 포함하는 디보란 정제장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 불순물은 고차 보란(higher borane)이고,
    상기 제2 불순물은 수소인 디보란 정제장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 정제온도는 상기 디보란의 어는점보다 높고, 상기 디보란의 비점보다 낮은 디보란 정제장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 정제온도는 -150 ~ -130 ℃ 인 디보란 정제장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 정제온도는 상기 디보란의 비점보다 높고, 상기 제1 불순물의 비점보다 낮은 디보란 정제장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 정제온도는 -40 ~ -20 ℃ 인 디보란 정제장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각부는
    상기 정제챔버의 벽체가 이중벽으로 형성되어 내벽과 외벽 사이에 구비된 냉각로; 및
    상기 냉각로 내부에서 유동하는 액체질소;
    를 포함하는 디보란 정제장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각부는
    상기 정제챔버의 소정의 일부분을 감싸도록 배치되는 냉각관; 및
    상기 냉각관 내부에서 유동하는 액체질소;
    를 포함하는 디보란 정제장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 정제챔버의 내부에 배치되는 충전물;
    을 더 포함하는 디보란 정제장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 정제챔버의 내부에서, 상기 정제챔버의 높이방향을 따라 서로 이격 배치되는 다수 개의 온도센서;
    를 더 포함하는 디보란 정제장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    기화된 상기 디보란을 상기 정제챔버로부터 회수하는 회수관;
    상기 회수관에 연결되어, 상기 디보란을 저장하는 회수용기; 및
    가스크로마토그래피를 이용하여, 상기 디보란의 순도를 분석하는 분석부;
    를 더 포함하는 디보란 정제장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 불순물 또는 제2 불순물을 상기 정제챔버로부터 배출하는 배출관; 및
    상기 배출관에 연결되어, 상기 제1 불순물 또는 제2 불순물을 정화하는 정화부;
    더 포함하는 디보란 정제장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 정제챔버 내부로 유입되는 상기 디보란 가스의 공급유량속도는 100 ~ 1000 cc/min인 디보란 정제장치.
  14. (a) 디보란(DIBORANE, B2H6)에 다수의 기체 불순물이 섞인 디보란 가스를 정제하는 정제챔버 내부를 상기 디보란 및 상기 불순물 중의 제1 불순물이 액화되도록, 제1 정제온도까지 냉각하는 단계;
    (b) 상기 디보란 가스를 상기 정제챔버 내부로 주입하는 단계;
    (c) 상기 불순물 중 기체상태인 제2 불순물을 배출하는 단계;
    (d) 상기 정제챔버 내부를 액화된 상기 디보란이 기화되도록, 제2 정제온도까지 가열하는 단계; 및
    (e) 기화된 상기 디보란을 액화된 상기 제1 불순물과 분리하여 배출하는 단계;
    를 포함하는 디보란 정제방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 불순물은 고차 보란(higher borane)이고,
    상기 제2 불순물은 수소인 디보란 정제방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 정제온도는 상기 디보란의 어는점보다 높고, 상기 디보란의 비점보다 낮은 디보란 정제방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 정제온도는 -150 ~ -130 ℃ 인 디보란 정제방법.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2 정제온도는 상기 디보란의 비점보다 높고, 상기 제1 불순물의 비점보다 낮은 디보란 정제방법.
  19. 청구항 15 있어서,
    상기 제2 정제온도는 -40 ~ -20 ℃ 인 디보란 정제방법.
  20. 청구항 14에 있어서,
    상기 (a) 단계는
    상기 정제챔버의 벽체가 이중벽으로 형성되어 내벽과 외벽 사이에 구비된 냉각로에 액체질소를 공급하는 단계;
    를 포함하는 디보란 정제방법.
  21. 청구항 14에 있어서,
    상기 (a) 단계는
    상기 정제챔버의 소정의 일부분을 감싸도록 배치된 냉각관에 액체질소를 공급하는 단계;
    를 포함하는 디보란 정제방법.
  22. 청구항 14에 있어서,
    상기 (b) 단계 이후에,
    상기 정제챔버의 내부에서, 상기 정제챔버의 높이방향을 따라 서로 이격 배치되는 다수 개의 온도센서를 통해 온도구배를 탐지하여, 액화된 상기 디보란 가스의 수위를 확인하는 단계;
    를 포함하는 디보란 정제방법.
  23. 청구항 14에 있어서,
    배출된 상기 디보란을 회수하고, 가스크로마토그래피를 이용하여 순도를 분석하는 단계;
    를 더 포함하는 디보란 정제방법.
  24. 청구항 14에 있어서,
    상기 정제챔버로부터 배출되는 상기 제1 불순물 또는 제2 불순물을 정화하는 단계;
    를 더 포함하는 디보란 정제방법.
  25. 청구항 14에 있어서,
    상기 정제챔버 내부로 주입되는 상기 디보란 가스의 공급유량속도는 100 ~ 1000 cc/min 인 디보란 정제방법.
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