KR20220055329A - 반도체 공정 폐수 처리 시스템 및 이를 이용한 반도체 공정 폐수 처리 방법 - Google Patents

반도체 공정 폐수 처리 시스템 및 이를 이용한 반도체 공정 폐수 처리 방법 Download PDF

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Abstract

반도체 공정 폐수 처리 시스템 및 이를 이용한 반도체 공정 폐수 처리 방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 반도체 공정 폐수 처리 시스템은 반도체 공정 폐수를 투입하여 복수의 단계를 거쳐 처리하는 바덴포(Bardenpho) 공정부 및 상기 바덴포 공정부를 통과한 상기 반도체 공정 폐수를 여과하기 위한 세라믹 나노 멤브레인을 구비한 멤브레인 여과조를 포함할 수 있고, 상기 세라믹 나노 멤브레인은 탄소계 나노물질(carbon-based nanomaterial)을 구비할 수 있다. 상기 세라믹 나노 멤브레인은 상기 탄소계 나노물질로서 그래핀 기반의 나노물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 세라믹 나노 멤브레인은 상기 탄소계 나노물질로서 그래핀 산화물(graphene oxide)를 포함할 수 있다.

Description

반도체 공정 폐수 처리 시스템 및 이를 이용한 반도체 공정 폐수 처리 방법{Semiconductor process wastewater treatment system and semiconductor process wastewater treatment method using the same}
본 발명은 폐수 처리 시스템 및 폐수 처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 공정 폐수 처리 시스템 및 이를 이용한 반도체 공정 폐수 처리 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 중 각 단위 공정마다 상당히 많은 양의 폐수가 발생하게 된다. 반도체 공정 폐수에는 고농도의 질소, 인, 불소 등 독성 물질이 함유되어 있어, 이들에 대한 효율적인 제거 방안이 요구된다. 최근, 반도체 공정 폐수 처리에 대한 관심이 높아지고 있고, 이와 관련된 많은 연구가 이루어지고 있다. 알려진 공정으로서 칼슘염 침전법 및 스트루바이트(struvite) 침전법과 같은 화학적 처리법이 실용화되어 있다. 그러나, 상기 화학적 처리법은 처리시 약품 비용이 발생하므로 경제성이 낮은 문제점을 갖는다.
상기 화학적 처리법을 대체하거나 병존하여 사용되는 반도체 공정 폐수 처리기술로서, BNR(biological nutrient removal) 공정과 같은 생물학적 처리법이 있다. 상기 생물학적 처리법은, 반도체 공정 폐수의 특징인 낮은 유기물 함유량으로 인해 폐수 내 암모니아성 질소 처리에 있어서 적합하지 않은 약점을 갖는다. 다른 예로서, 물리학적 처리법에 해당하는 역삼투압(reverse osmosis)(RO) 공정은 암모니아성 질소와 불산 성분을 제거할 수 있는 공정이지만, 운전 비용이 매우 많이 소요되는 문제를 갖는다.
따라서, 별도의 약품이나 소스 물질을 주입할 필요가 없고 경제적이면서도 반도체 폐수 내 이온성 물질을 효과적으로/효율적으로 제거할 수 있는 반도체 공정 폐수 처리 시스템 및 처리 방법이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 별도의 약품 주입이나 높은 운전 비용이 요구되지 않아 경제적이면서도 반도체 폐수 내 이온성 물질 등을 효과적으로 및 효율적으로 제거할 수 있는 반도체 공정 폐수 처리 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반도체 폐수 내 질소 성분 및 불소 성분을 용이하게/효율적으로 제거할 수 있는 반도체 공정 폐수 처리 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 반도체 공정 폐수 처리 시스템을 이용한 반도체 공정 폐수 처리 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 반도체 공정 폐수 처리 시스템에 있어서, 반도체 공정 폐수를 투입하여 복수의 단계를 거쳐 처리하는 바덴포(Bardenpho) 공정부; 및 상기 바덴포 공정부를 통과한 상기 반도체 공정 폐수를 여과하기 위한 세라믹 나노 멤브레인을 구비한 멤브레인 여과조를 포함하고, 상기 세라믹 나노 멤브레인은 탄소계 나노물질(carbon-based nanomaterial)을 포함하는 반도체 공정 폐수 처리 시스템이 제공된다.
상기 세라믹 나노 멤브레인은 상기 탄소계 나노물질로서 그래핀 기반의 나노물질을 포함할 수 있다.
상기 세라믹 나노 멤브레인은 상기 탄소계 나노물질로서 그래핀 산화물(graphene oxide)를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 나노 멤브레인은 무기 재료로 형성된 멤브레인 본체부; 및 상기 멤브레인 본체부의 표면에 형성된 것으로 상기 탄소계 나노물질을 포함하는 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 세라믹 나노 멤브레인에서 상기 탄소계 나노물질의 함유량은 약 1∼2 wt% 정도일 수 있다.
상기 세라믹 나노 멤브레인은 약 0.01 ㎛ 이하의 평균 기공 크기를 갖는 나노 여과급 멤브레인일 수 있다.
상기 세라믹 나노 멤브레인은 그 표면에 음전하를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 나노 멤브레인은 질소 및 질소 함유 성분을 여과하도록 구성될 수 있다.
상기 세라믹 나노 멤브레인은 불소 및 불소 함유 성분을 여과하도록 구성될 수 있다.
상기 바덴포(Bardenpho) 공정부는 상기 반도체 공정 폐수가 투입되는 유입부로부터 순차로 배치되는 제 1 무산소조(anoxic tank), 제 1 산소조(oxic tank), 제 2 무산소조 및 제 2 산소조를 포함할 수 있다.
상기 반도체 공정 폐수 처리 시스템은 상기 바덴포 공정부와 상기 멤브레인 여과조 사이에 배치되는 침전조(clarifier)를 더 포함할 수 있다.
상기 침전조에 의해 침전된 활성 슬러지의 적어도 일부를 상기 바덴포 공정부의 전단부로 반송하도록 구성될 수 있다.
상기 침전조를 통과한 상기 반도체 공정 폐수가 상기 멤브레인 여과조를 통과한 후 배출되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 반도체 공정 폐수 처리 시스템을 이용해서 반도체 공정 폐수를 처리하는 반도체 공정 폐수 처리 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 별도의 약품 주입이나 높은 운전 비용이 요구되지 않아 경제적이면서도 반도체 폐수 내 이온성 물질 등을 효과적으로/효율적으로 제거할 수 있는 반도체 공정 폐수 처리 시스템 및 처리 방법을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 반도체 폐수 내 질소 성분 및 불소 성분을 용이하게/효율적으로 제거할 수 있는 반도체 공정 폐수 처리 시스템 및 처리 방법을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 시스템(semiconductor process wastewater treatment system)을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로, 도 1에서 바덴포 공정부의 구성을 구체화한 반도체 공정 폐수 처리 시스템을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 시스템의 멤브레인 여과조에 적용될 수 있는 세라믹 나노 멤브레인을 예시적으로 보여주는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 시스템의 멤브레인 여과조에 적용될 수 있는 세라믹 나노 멤브레인의 구성을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 시스템의 세라믹 나노 멤브레인에 적용될 수 있는 그래핀 산화물의 분자 구조를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 시스템을 이용한 반도체 공정 폐수 처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 설명할 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 명확하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수 형태의 용어는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급한 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용된 "연결"이라는 용어는 어떤 부재들이 직접적으로 연결된 것을 의미할 뿐만 아니라, 부재들 사이에 다른 부재가 더 개재되어 간접적으로 연결된 것까지 포함하는 개념이다.
아울러, 본원 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본원 명세서에서 사용되는 "약", "실질적으로" 등의 정도의 용어는 고유한 제조 및 물질 허용 오차를 감안하여, 그 수치나 정도의 범주 또는 이에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 제공된 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 영역이나 파트들의 크기나 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 시스템(semiconductor process wastewater treatment system)을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 시스템은 반도체 공정 폐수를 투입하여 복수의 단계를 거쳐 처리하는 바덴포(Bardenpho) 공정부(100) 및 바덴포 공정부(100)를 통과한 상기 반도체 공정 폐수를 여과하기 위한 세라믹 나노 멤브레인을 구비하는 멤브레인 여과조(300)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 세라믹 나노 멤브레인은 탄소계 나노물질(carbon-based nanomaterial)을 구비할 수 있다. 상기 세라믹 나노 멤브레인은 상기 탄소계 나노물질로서 그래핀 기반의 나노물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 세라믹 나노 멤브레인은 상기 탄소계 나노물질로서 그래핀 산화물(graphene oxide)를 포함할 수 있다. 상기 세라믹 나노 멤브레인에 대해서는 추후에 도 3 내지 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
바덴포 공정부(100)와 멤브레인 여과조(300) 사이에는 침전조(clarifier)(또는, settling tank라 지칭됨)(200)가 더 제공될 수 있다. 바덴포 공정부(100)를 통과한 상기 반도체 공정 폐수가 침전조(200)에서 침전 과정을 거친 후, 침전되지 않은 용액 상태의 폐수는 멤브레인 여과조(300)로 투입되어 여과될 수 있다. 침전조(200)에 의해 침전된 활성 슬러지(activated sludge)의 적어도 일부는 바덴포 공정부(100)의 전단부로 반송될 수 있다. 여기에 도시하지는 않았지만, 상기 반송을 위한 배관 및 펌프 부재가 침전조(200)와 바덴포 공정부(100)의 전단부 사이에 더 제공될 수 있다. 또한, 침전조(200)에 의해 침전된 고형 슬러지(폐슬러지)의 적어도 일부는 반송되지 않고 제거 또는 배출될 수 있다.
상기 침전된 고형 슬러지(폐슬러지)는 과잉 인(P) 함유 슬러지(excess P containing sludge)일 수 있다. 침전조(200)를 통과한 상기 반도체 공정 폐수가 멤브레인 여과조(300)를 통해 여과된 후 배출(effluent)될 수 있다. 도 1에서 참조번호 IN10은 유입부(투입부)를 나타내고, 참조번호 EF10은 배출부를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로서, 도 1에서 바덴포 공정부(100)의 구성을 구체화한 반도체 공정 폐수 처리 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 바덴포 공정부(100)는 상기 반도체 공정 폐수가 투입되는 유입부(IN10)로부터 순차로 배치되는 제 1 무산소조(anoxic tank)(110), 제 1 산소조(oxic tank)(120), 제 2 무산소조(130) 및 제 2 산소조(140)를 포함할 수 있다. 제 1 무산소조(110), 제 1 산소조(120), 제 2 무산소조(130) 및 제 2 산소조(140)는 유입부(IN10)와 침전조(200) 사이에 직렬로 배치될 수 있다. 이 경우, 제 2 무산소조(130)와 침전조(200) 사이에 제 2 산소조(140)가 배치될 수 있다. 또한, 제 2 산소조(140)와 멤브레인 여과조(300) 사이에 침전조(200)가 배치될 수 있다. 침전조(200)에 의해 침전된 활성 슬러지(activated sludge)의 적어도 일부는 제 1 무산소조(110)의 전단부로 반송될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 제 1 산소조(120)의 폐수 배출부(후단부)와 제 1 무산소조(110)의 폐수 투입부(전단부) 사이에 '내부 반송관'이 더 제공될 수 있다. 이 경우, 제 1 산소조(120)를 통과한 폐수의 일부가 제 1 무산소조(110)로 반송되어 제 1 무산소조(110)에 재투입될 수 있다. 또한, 유입부(IN10)와 제 1 무산소조(110) 사이에는 별도의 혐기성조가 더 제공될 수 있다.
제 1 산소조(120)는 반도체 공정 폐수 내 질소 성분들을 질산 성분(NO3 -)으로 산화시키는 역할을 할 수 있다. 제 2 무산소조(130)는 제 1 산소조(120)로부터 유입된 질산 성분(NO3 -)을 환원하여 탈질시키는 역할을 할 수 있다. 제 1 무산소조(110)는 제 1 산소조(120)로부터 반송된 폐수 내 질산 성분(NO3 -)을 환원하여 탈질시키는 역할 등을 할 수 있다. 제 2 산소조(140)는 폐수 내 질소 가스를 제거하고, 잔류 질소 성분을 암모늄 성분(NH4 +)으로 산화시키는 역할을 할 수 있다. 그러나 여기서 개시한 제 1 무산소조(110), 제 1 산소조(120), 제 2 무산소조(130) 및 제 2 산소조(140) 각각의 역할은 예시적인 것이고, 그 밖에 다른 기능 및/또는 역할을 더 수행할 수 있다.
침전조(200)는, 앞서 설명한 바와 같이, 폐수로부터 슬러지를 침전시켜 폐슬러지는 제거하고 활성화 슬러지는 바덴포 공정부(100)의 전단부로 반송하기 위한 장치일 수 있다. 경우에 따라서는, 침전조(200)는 바덴포 공정부(100)의 일부로 여길 수도 있다.
멤브레인 여과조(300)는 앞서 언급한 세라믹 나노 멤브레인을 이용해서 폐수 내 질소 성분(질소 및 질소 함유 성분) 및 불소 성분(불소 및 불소 함유 성분)을 여과하여 제거하는 역할을 할 수 있다. 특히, 멤브레인 여과조(300)는 상기 세라믹 나노 멤브레인을 이용해서 폐수 내 환원되지 않은 암모늄 등 잔류 이온 성분들을 여과하여 제거할 수 있다. 상기 세라믹 나노 멤브레인은 탄소계 나노물질로서 그래핀 산화물(graphene oxide)를 포함할 수 있고, 이와 관련해서, 질소 성분 및 불소 성분에 대하여 우수한 여과 성능을 가질 수 있다.
상기 그래핀 산화물을 구비한 세라믹 나노 멤브레인은 반도체 공정 폐수 내 대표 성분인 암모니아성 질소와 불소(불산) 성분을 효과적으로 제거하는 역할을 할 수 있다. 상기 그래핀 산화물이 표면에 형성된 세라믹 나노 멤브레인은 기공 크기가 매우 작을 뿐만 아니라, 표면의 강한 음전하가 형성되어 이온성 물질에 대해 높은 선택성을 나타낼 수 있다. 따라서, 암모늄 이온과 불소 이온 등 기존의 멤브레인 공정으로는 처리하기 어려웠던 1가의 이온 성분을 효율적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 세라믹 나노 멤브레인을 포함한 멤브레인 여과조(300)가 바덴포 공정부(100)의 후속 단계로서 바덴포 공정부(100)와 별개로 배치될 수 있다. 또한, 바덴포 공정부(100)와 멤브레인 여과조(300) 사이에 침전조(200)가 배치될 수 있다. 따라서, 멤브레인 여과조(300)는 침전조(200)와 배출부(EF10) 사이에 배치될 수 있다. 이 경우, 멤브레인 여과조(300)를 이용한 여과 공정의 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 침전조(200)에 의해 고형의 슬러지가 제거 및 반송되고, 나머지 용액 상태의 폐수에 대하여 여과 공정을 수행할 수 있으므로, 여과 공정의 부담이 크게 줄어들 수 있고 여과 성능이 향상될 수 있다. 따라서, 멤브레인 여과조(300)를 바덴포 공정부(100) 내에 배치하거나, 또는 침전조(200)를 사용하지 않는 경우 등과 비교하여, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 실시예 따른 반도체 공정 폐수 처리 시스템은 우수한 여과 성능 및 높은 효율을 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 시스템의 멤브레인 여과조에 적용될 수 있는 세라믹 나노 멤브레인(M10)을 예시적으로 보여주는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 세라믹 나노 멤브레인(M10)은 일종의 막(film) 형태를 가질 수 있고, 원형이나 다각형(ex, 사각형) 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 세라믹 나노 멤브레인(M10)의 두께는 수 mm 정도일 수 있고, 지름은 수십 mm 이상일 수 있다. 예를 들어, 세라믹 나노 멤브레인(M10)의 두께는 약 1∼5 mm 정도일 수 있고, 지름은 약 20∼200 mm 정도이거나 200 mm 이상일 수 있다.
세라믹 나노 멤브레인(M10)은 소정의 멤브레인 홀더(미도시)에 장착되어 사용될 수 있다. 반도체 공정 폐수가 세라믹 나노 멤브레인(M10)의 일면(예컨대, 상면)으로부터 타면(예컨대, 하면)으로 투과되면서, 폐수 내 질소 성분 및 불소 성분이 여과되어 제거될 수 있다.
세라믹 나노 멤브레인(M10)은 탄소계 나노물질(carbon-based nanomaterial)을 포함할 수 있다. 세라믹 나노 멤브레인(M10)은 상기 탄소계 나노물질로서 그래핀 기반의 나노물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 세라믹 나노 멤브레인(M10)은 상기 탄소계 나노물질로서 그래핀 산화물(graphene oxide)를 포함할 수 있다. 세라믹 나노 멤브레인(M10)은 무기 재료로 형성된 멤브레인 본체부 및 상기 멤브레인 본체부의 표면에 형성된 것으로 상기 탄소계 나노물질을 포함하는 코팅층을 구비할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 탄소계 나노 물질은 그래핀 산화물일 수 있다.
세라믹 나노 멤브레인(M10)에서 상기 탄소계 나노물질의 함유량은 약 1∼2 wt% 정도일 수 있다. 이러한 상기 탄소계 나노물질의 함유량 조건이 만족될 때, 세라믹 나노 멤브레인(M10)이 우수한 여과 성능을 갖는데 보다 유리할 수 있다. 세라믹 나노 멤브레인(M10)은 상기 탄소계 나노물질에 의해 나노 여과급 멤브레인 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 세라믹 나노 멤브레인(M10)은 약 0.01 ㎛ 이하의 평균 기공 크기를 가질 수 있다. 세라믹 나노 멤브레인(M10)의 평균 기공 크기는 약 0.001∼0.01 ㎛ 정도일 수 있다.
세라믹 나노 멤브레인(M10)은 그 표면에 강한 음전하를 가질 수 있고, 그로 인해, 이온성 물질에 대한 높은 선택성(즉, 여과 특성)을 가질 수 있다. 이러한 세라믹 나노 멤브레인(M10)은 반도체 공정 폐수 내 질소 성분(질소 및 질소 함유 성분) 및 불소 성분(불소 및 불소 함유 성분)을 여과하는 역할을 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 시스템의 멤브레인 여과조에 적용될 수 있는 세라믹 나노 멤브레인(M10)의 구성을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 세라믹 나노 멤브레인(M10)은 무기 재료로 형성된 멤브레인 본체부(10) 및 멤브레인 본체부(10)의 표면에 형성된 것으로 상기 탄소계 나노물질을 포함하는 코팅층(20)을 가질 수 있다.
멤브레인 본체부(10)를 구성하는 상기 무기 재료는, 예를 들어, 금속 산화물을 포함할 수 있다. 멤브레인 본체부(10)를 구성하는 무기 재료는 반도체 공정 폐수에 포함된 케미컬들이나 용매에 비반응성을 갖는 것이 바람직하고, 넓은 범위의 pH 공차를 허용하는 것이 바람직하다. 구체적인 예로, 멤브레인 본체부(10)는 티타늄 산화물(TiO2)와 같은 금속 산화물(무기물)로 형성될 수 있다. 그러나, 멤브레인 본체부(10)의 물질은 티타늄 산화물에 한정되는 것은 아니며, 알루미늄 산화물 또는 마그네슘 산화물을 포함할 수도 있다.
멤브레인 본체부(10)는 상기 금속 산화물이 네트워크 구조를 이루면서 다수의 기공(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 다수의 기공들은 개방된 기공들로서, 멤브레인 본체부(10)의 전면으로부터 배면으로 유체의 유동을 허용하는 미세한 채널을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 멤브레인 본체부(10)는 금속의 메톡사이드, 아세테이트, 설페이트, 나이트레이트, 하이드록사이드, 탄산수소화물과 같은 금속 유기 전구체를 용매에 용해시킨 후 겔화(gelation) 공정과 건조 공정을 통해 나노 기공을 갖는 다공성 구조체를 형성할 수 있으며, 이러한 제조 기술은 다양한 공지 기술이 참조될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
코팅층(20)에 포함된 상기 탄소계 나노물질은, 예를 들어, 그래핀 산화물일 수 있다. 코팅층(20)은 다수의 그래핀 산화물 입자(또는, flake)를 구비할 수 있다. 그래핀 산화물이 용해된 용액(즉, 그래핀 산화물 용액)을 마련한 후, 진공(vacuum) 공정을 이용해서 상기 용액이 멤브레인 본체부(10)를 통과하도록 여과시킴으로써 멤브레인 본체부(10)의 표면부에 상기 그래핀 산화물을 구비한 코팅층(20)을 형성할 수 있다. 이때, 멤브레인 본체부(10) 내부의 미세한 채널을 제공하는 표면들에도 상기 코팅층이 형성될 수 있다.
멤브레인 본체부(10)의 표면과 내부에 형성된 코팅층의 그래핀 산화물은 멤브레인 본체부(10)의 기공 크기를 줄이는 역할을 할 수 있다. 따라서, 세라믹 나노 멤브레인(M10)은 나노 여과급의 미세한 기공 크기(평균 기공 크기)를 가질 수 있다. 또한, 상기 그래핀 산화물 자체의 물질 특성에 의해서도, 세라믹 나노 멤브레인(M10)은 특유 여과 성능을 가질 수 있다.
도 4에서는 코팅층(20)을 균일한 두께를 갖는 연속된 층 형태로 도시하였지만, 코팅층(20)의 도포 형상은 달라질 수 있다. 예를 들어, 코팅층(20)은 연속적이지 않은 층 구조(즉, 불연속 층 구조)를 가질 수도 있고, 불균일한 두께를 가질 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 시스템의 세라믹 나노 멤브레인에 적용될 수 있는 그래핀 산화물의 분자 구조를 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 그래핀 산화물은 그래핀의 표면 및 가장자리에 산소 및 수산화기 등이 결합된 구조를 가질 수 있다. 그래핀 산화물의 표면에는 수산화기와 에폭시기가 결합될 수 있고, 가장자리에는 카르복실기가 결합될 수 있다. 그러나 도 5에 도시된 그래핀 산화물의 분자 구조는 예시적인 것이고, 다양하게 변화될 수 있다. 그래핀 산화물의 산소 농도나 결합기의 농도에 따라서, 이를 적용한 세라믹 나노 멤브레인의 특성이 조절될 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 기술은 바덴포(Bardenpho) 공정 및 멤브레인 여과 공정을 이용한 개선된 BNR(biological nutrient removal) 기술이라고 할 수 있다.
기존의 BNR(biological nutrient removal) 공정 등 생물학적 처리법의 경우, 반도체 폐수의 특징인 낮은 유기물 함유량으로 인해 폐수 내 암모니아성 질소 처리에 있어서 적합하지 않은 문제가 있다. 또한, 기존의 BNR 공정에서는 미생물의 활성화를 위해 외부로부터 탄소원을 주입하여 시스템 내의 탄소:질소 비율(즉, C:N 비율)을 맞춰 주어야 하는 단점이 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서는 상기한 세라믹 나노 멤브레인을 적용한 멤브레인 여과 공정을 이용함으로써, 외부로부터 탄소원(탄소 소스)을 별도로 주입하지 않아도 반도체 폐수 내 질소 성분 및 불소 성분 등을 용이하게/효율적으로 제거할 수 있다. 특히, 상기 세라믹 나노 멤브레인에 그래핀 산화물을 적용함으로써, 반도체 폐수 내 질소 성분 및 불소 성분 등을 효과적으로 여과할 수 있는 나노 여과급 멤브레인을 구현할 수 있다. 아울러, 본 발명의 실시예에 따르면, 세라믹 소재의 고투수성 및 고강도 등의 우수한 특성과 나노 멤브레인의 우수한 여과 특성의 시너지 효과로 기존에 제거하기 어려웠던 이온 성분들에 대하여 우수한 제거 효율을 달성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 시스템을 이용한 반도체 공정 폐수 처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 방법은 바덴포(Bardenpho) 공정 단계(S10), 침전조를 이용한 침전 단계(S20) 및 세라믹 나노 멤브레인을 이용한 멤브레인 여과 단계(S30)를 포함할 수 있다. 이러한 반도체 공정 폐수 처리 방법은 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 반도체 공정 폐수 처리 시스템을 이용해서 수행할 수 있다. 바덴포 공정 단계(S10)는 도 1 및 도 2의 바덴포 공정부(100)를 이용해서 수행할 수 있고, 침전 단계(S20)는 도 1 및 도 2의 침전조(200)를 이용해서 수행할 수 있으며, 멤브레인 여과 단계(S30)는 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 세라믹 나노 멤브레인(M10)을 포함하는 멤브레인 여과부(300)를 이용해서 수행할 수 있다. 본 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 방법과 관련된 구체적인 사항들은 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있으므로, 이에 대한 반복 설명은 생략한다. 경우에 따라서는, 도 6에서 침전 단계(S20)를 배제하는 것도 가능할 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예들에 따르면, 별도의 약품이나 소스(ex, 탄소 소스) 물질을 주입할 필요가 없고 높은 운전 비용이 요구되지 않아 경제적이면서도 반도체 폐수 내 이온성 물질 등을 효과적으로/효율적으로 제거할 수 있는 반도체 공정 폐수 처리 시스템 및 처리 방법을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 반도체 폐수 내 질소 성분 및 불소 성분을 용이하게/효율적으로 제거할 수 있는 반도체 공정 폐수 처리 시스템 및 처리 방법을 구현할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 실시예에 따른 반도체 공정 폐수 처리 시스템 및 반도체 공정 폐수 처리 방법이, 본 발명의 기술적 사상이 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 치환, 변경 및 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 전술한 설명에서는 외부로부터 탄소원(탄소 소스)을 시스템 내에 별도로 주입하지 않는 경우에 대해서 주로 설명하였지만, 필요한 경우, 시스템 내에 비교적 소량의 탄소원(탄소 소스)을 별도로 주입하는 것도 가능할 수 있다. 이 경우, 상기 탄소원의 주입은 도 2의 바덴포 공정부(100)의 전단부 또는 후단부 등에 적용될 수 있다. 또한, 바덴포 공정부(100)의 구성은 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 전술한 설명에서 반도체 공정 폐수는 반도체 메모리와 같은 소자의 제조 공정 폐수는 물론이고 반도체가 적용되는 다양한 다른 소자, 예를 들어, 디스플레이 소자나 그 밖의 전자 소자의 제조 공정 폐수까지 포괄하는 개념일 수 있다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
10 : 멤브레인 본체부 20 : 코팅층
100 : 바덴포 공정부 110 : 제 1 무산소조
120 : 제 1 산소조 130 : 제 2 무산소조
140 : 제 2 산소조 200 : 침전조
300 : 멤브레인 여과조 IN10 : 유입부
EF10 : 배출부 M10 : 세라믹 나노 멤브레인

Claims (16)

  1. 반도체 공정 폐수 처리 시스템에 있어서,
    반도체 공정 폐수를 투입하여 복수의 단계를 거쳐 처리하는 바덴포(Bardenpho) 공정부; 및
    상기 바덴포 공정부를 통과한 상기 반도체 공정 폐수를 여과하기 위한 세라믹 나노 멤브레인을 구비한 멤브레인 여과조를 포함하고, 상기 세라믹 나노 멤브레인은 탄소계 나노물질(carbon-based nanomaterial)을 구비하는, 반도체 공정 폐수 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 나노 멤브레인은 상기 탄소계 나노물질로서 그래핀 기반의 나노물질을 포함하는 반도체 공정 폐수 처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 세라믹 나노 멤브레인은 상기 탄소계 나노물질로서 그래핀 산화물(graphene oxide)를 포함하는 반도체 공정 폐수 처리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 나노 멤브레인은,
    무기 재료로 형성된 멤브레인 본체부; 및
    상기 멤브레인 본체부의 표면에 형성된 것으로, 상기 탄소계 나노물질을 포함하는 코팅층을 구비하는 반도체 공정 폐수 처리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 나노 멤브레인에서 상기 탄소계 나노물질의 함유량은 1∼2 wt% 인 반도체 공정 폐수 처리 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 나노 멤브레인은 0.01 ㎛ 이하의 평균 기공 크기를 갖는 나노 여과급 멤브레인인 반도체 공정 폐수 처리 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 나노 멤브레인은 그 표면에 음전하를 구비하는 반도체 공정 폐수 처리 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 나노 멤브레인은 질소 및 질소 함유 성분을 여과하도록 구성된 반도체 공정 폐수 처리 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 나노 멤브레인은 불소 및 불소 함유 성분을 여과하도록 구성된 반도체 공정 폐수 처리 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 바덴포(Bardenpho) 공정부는 상기 반도체 공정 폐수가 투입되는 유입부로부터 순차로 배치되는 제 1 무산소조(anoxic tank), 제 1 산소조(oxic tank), 제 2 무산소조 및 제 2 산소조를 포함하는 반도체 공정 폐수 처리 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 바덴포 공정부와 상기 멤브레인 여과조 사이에 배치되는 침전조(clarifier)를 더 포함하는 반도체 공정 폐수 처리 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 침전조에 의해 침전된 활성 슬러지의 적어도 일부를 상기 바덴포 공정부의 전단부로 반송하도록 구성된 반도체 공정 폐수 처리 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 침전조를 통과한 상기 반도체 공정 폐수가 상기 멤브레인 여과조를 통과한 후 배출되도록 구성된 반도체 공정 폐수 처리 시스템.
  14. 반도체 공정 폐수 처리용 나노 멤브레인 필터로서,
    다수의 기공들을 형성하는 네트워크 구조를 형성하는 금속 산화물을 포함하는 다공성 멤브레인 본체부; 및
    상기 멤브레인 본체부의 표면 또는 내부 중 적어도 어느 하나에 코팅되며, 탄소계 나노물질을 포함하는 코팅층을 구비하는 나노 멤브레인 필터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 탄소계 나노물질은 그래핀 산화물을 포함하는 나노 멤브레인 필터.
  16. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 기재된 반도체 공정 폐수 처리 시스템을 이용해서 반도체 공정 폐수를 처리하는 반도체 공정 폐수 처리 방법.
KR1020200139651A 2020-10-26 2020-10-26 반도체 공정 폐수 처리 시스템 및 이를 이용한 반도체 공정 폐수 처리 방법 KR20220055329A (ko)

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