반도체 공정에서 배출되는 미세입자를 포집하기 위하여 전기집진장치가 적용되고 있으나, 배출가스 내 포함된 강부식성 오염원에 의한 전기집진장치 내부 오염 및 부식 문제가 심각하여, 이를 해결하기 위한 방안이 절실하다. 본 연구에서는 탄소섬유로 이루어진 하전부와 PET 필름 사이에 금속 박막이 삽입된 집진부로 이루어진 내부식 전기집진장치를 개발하여, 하전부 및 집진부 인가전압, 처리유량, 하전부 채널 수 등의 운전 조건에 따른 전기집진기의 초미세입자 집진 성능을 평가하였다. 평균입경이 100 nm인 KCl 입자를 시험입자로 사용하였으며, 전기집진기 전/후단 입자 농도 변화를 측정하기 위하여 SMPS를 사용하였다. 본 연구에서 개발된 9채널 하전부와 65 mm 집진부로 구성된 전기집진기의 성능평가 결과, $500\;m^3/hr$ 유량조건에서 하전부 및 집진부에 7 kV와 10 kV를 각각 인가하였을 때, 300 nm입자에 대한 포집효율이 90% 이상으로 높게 나타났다.
반도체 공정에서 배출되는 미세입자를 포집하기 위하여 전기집진장치가 적용되고 있으나, 배출가스 내 포함된 강부식성 오염원에 의한 전기집진장치 내부 오염 및 부식 문제가 심각하여, 이를 해결하기 위한 방안이 절실하다. 본 연구에서는 탄소섬유로 이루어진 하전부와 PET 필름 사이에 금속 박막이 삽입된 집진부로 이루어진 내부식 전기집진장치를 개발하여, 하전부 및 집진부 인가전압, 처리유량, 하전부 채널 수 등의 운전 조건에 따른 전기집진기의 초미세입자 집진 성능을 평가하였다. 평균입경이 100 nm인 KCl 입자를 시험입자로 사용하였으며, 전기집진기 전/후단 입자 농도 변화를 측정하기 위하여 SMPS를 사용하였다. 본 연구에서 개발된 9채널 하전부와 65 mm 집진부로 구성된 전기집진기의 성능평가 결과, $500\;m^3/hr$ 유량조건에서 하전부 및 집진부에 7 kV와 10 kV를 각각 인가하였을 때, 300 nm입자에 대한 포집효율이 90% 이상으로 높게 나타났다.
Electrostatic precipitators (ESPs) used currently in industries for removing fine particles from semiconductors have to be made of expensive anticorrosive metallic materials in order to maintain their particle-removal performance. To satisfy the economical demands of industries, a novel ESP was deve...
Electrostatic precipitators (ESPs) used currently in industries for removing fine particles from semiconductors have to be made of expensive anticorrosive metallic materials in order to maintain their particle-removal performance. To satisfy the economical demands of industries, a novel ESP was developed; in this ESP, the charger is made of carbon fibers and collection plates consist of PET films among which an aluminum sheet is inserted. The ESP was evaluated by changing the voltages applied to the chargers and collection plates, flow rates, and number of charging channels. KCl particles with mean diameters of 100 nm were used, and a scanning mobility particle sizer was used to measure the changes in particle number concentrations upstream and downstream of the ESP. The experimental results showed that more than 90% of the particles were removed by using the ESP containing ionizers with nine channels and 65-mm collection plates at $500\;m^3/hr$ when voltages of 7 kV and 10 kV were applied to the ionizers and collection plates, respectively.
Electrostatic precipitators (ESPs) used currently in industries for removing fine particles from semiconductors have to be made of expensive anticorrosive metallic materials in order to maintain their particle-removal performance. To satisfy the economical demands of industries, a novel ESP was developed; in this ESP, the charger is made of carbon fibers and collection plates consist of PET films among which an aluminum sheet is inserted. The ESP was evaluated by changing the voltages applied to the chargers and collection plates, flow rates, and number of charging channels. KCl particles with mean diameters of 100 nm were used, and a scanning mobility particle sizer was used to measure the changes in particle number concentrations upstream and downstream of the ESP. The experimental results showed that more than 90% of the particles were removed by using the ESP containing ionizers with nine channels and 65-mm collection plates at $500\;m^3/hr$ when voltages of 7 kV and 10 kV were applied to the ionizers and collection plates, respectively.
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문제 정의
습식 스크러버의 경우, 산성 및 염기성 가스상 물질의 제거 성능은 매우 우수하지만, 입자상 물질을 제거하는 메커니즘이 관성충돌에 크게 의존하기 때문에 1 μm 이하 크기의 초미세입자에 대한 제거 성능은 매우 낮다.(1) 이와 같은 습식 스크러버의 미세입자 집진 효율을 높이기 위하여 여국현외 다수 연구자와 Jaworek외 다수 연구자들은(1,2) 습식 스크러버에 정전 분무 기술을 적용하여 스크러버의 입자상 물질 제거 효율을 높이고자 하였다. 그러나, 이와 같은 정전 스크러버 역시 하전된 입자와 반대 극성의 물과의 관성충돌을 이용하여 입자상 물질을 제거하며, 정전기력에 의한 제거의 효과가 미약하기 때문에 초미세입자 집진 성능은 여전히 낮다.
따라서, 본 연구에서는 반도체 공정에서 배출되는 강부식성 가스 내 초미세입자상 물질을 제거하기 위하여 내부식성 하전부 및 집진부로 구성된 전기집진장치를 개발하여, 전기집진장치의 운전 조건(하전부 및 집진부 인가전압, 풍량 등)에 따른 성능 평가 실험을 수행하였으며, 본 장치가 대용량화 될 경우 발생될 수 있는 효율 감소 문제를 해결하기 위한 방안에 대해 실험적으로 모색하였다.
제안 방법
1 μm이하의 미세입자를 발생시키기 위하여 질량비 1:100의 KCl 용액을 사용하였으며, Atomizer(Model 3076, TSI, USA)에 1~3 L/min의 청정공기를 유입시켜 발생된 KCl 입자를 시험 덕트의 상류측에 공급하여, 덕트 하류측 송풍기에 의해 유입되는 시험 공기와 혼합되도록 하였다.
Fig. 1(a)에서와 같이, 본 연구에서는 미세입자의 하전율을 높이기 위하여 하전부를 다수의 채널로 구성하였으며, 각각의 채널 내부 중앙에는 수 μm의 탄소 섬유 다발로 이루어진 1개의 하전장치를 설치하였다.
2는 유량 300 m3/hr 조건에서 4채널 탄소섬유 하전장치의 변화에 따른 입경분포를 나타내었다. 개별적으로 접지된 내부식 집진부는 65 mm 길이로 제작하였고, 인가전압은 5 kV로 고정시켰으며, 하전부에는 0~10 kV의 전압(음극)을 인가시켰고, 인가전류는 0.1 mA 이하였다. Fig.
또한, 하전부의 인가전압 7 kV 및 집진부의 인가전압 10 kV의 조건에서 유량을 300, 400 및 500 m3/hr로 변화시켜 유량별 집진효율을 측정하였다. 또한, 500 m3/hr 유량 조건에서 탄소섬유 하전부 채널 수를 증가시키면서 전기집진장치의 100 nm크기 입자 집진효율 변화를 측정하였다. 미세입자 집진효율은 내부식 하전/집진부의 상류측 및 하류 측에서의 입경 분포를 SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer)를 이용하여 교대로 측정하여 그 비를 이용하여 아래 식 (1)로부터 산출하였다.
또한, 본 연구에 사용된 집진장치는 내산성 재질의 400 × 60 × 0.1 mm PET 필름 두장 사이에 0.1 mm 두께의 알루미늄 박막을 삽입한 집진부 수십 장을 직류격자 형태로 배열하여 제작하였으며, 홀수 번째 집진부에 고전압 인가하고 짝수 번째에는 접지를 시켜 집진부 한쪽 면에 하전 된 입자가 포집되도록 하였다.
전기집진장치 전단 입자 농도를 20~600 nm의 입경영역에서 104~105 개/cm3의 범위 내로 고르게 유지시켰으며, 오염 입자 유입을 최소화 및 유동 균일화를 위하여 덕트 상류 측에 정류격자 형태의 HEPA (High Efficiency Particulate Air)필터를 설치하였으며, 덕트 상류 측에는 입자 교반용 팬을 작동시켰다. 또한, 하전되지 않은 중성입자들만 전기 집진장치로 유입시키기 위하여 상류 측에 별도의 전기집진장치를 설치하였고, 10 kV의 고전압을 인가하여 하전된 입자를 제거하였다.
/hr, 하전부의 인가전압 7 kV인 조건에서 유전체 박막 집진부의 인가전압을 2, 5 및 10 kV로 변화시키면서 하전부 및 집진부 인가전압별 집진효율을 각각 측정하였다. 또한, 하전부의 인가전압 7 kV 및 집진부의 인가전압 10 kV의 조건에서 유량을 300, 400 및 500 m3/hr로 변화시켜 유량별 집진효율을 측정하였다. 또한, 500 m3/hr 유량 조건에서 탄소섬유 하전부 채널 수를 증가시키면서 전기집진장치의 100 nm크기 입자 집진효율 변화를 측정하였다.
본 연구에서는 탄소섬유를 이용한 하전부와 PET 필름이 코팅된 집진부를 결합한 내부식 재질의 2단 전기집진장치를 개발하여, 하전부 및 집진부 인가전압, 하전부 채널수, 유량 변화 등에 따라 전기집진장치를 실험적으로 평가하였으며, 결론은 다음과 같다.
시험 공기 유량 300 m3/hr, 유전체 박막 집진부의 인가전압이 5 kV인 조건에서 탄소섬유 하전부의 인가전압을 5, 7 및 10 kV로 변화시키고, 공기유량 300 m3/hr, 하전부의 인가전압 7 kV인 조건에서 유전체 박막 집진부의 인가전압을 2, 5 및 10 kV로 변화시키면서 하전부 및 집진부 인가전압별 집진효율을 각각 측정하였다. 또한, 하전부의 인가전압 7 kV 및 집진부의 인가전압 10 kV의 조건에서 유량을 300, 400 및 500 m3/hr로 변화시켜 유량별 집진효율을 측정하였다.
1 μm이하의 미세입자를 발생시키기 위하여 질량비 1:100의 KCl 용액을 사용하였으며, Atomizer(Model 3076, TSI, USA)에 1~3 L/min의 청정공기를 유입시켜 발생된 KCl 입자를 시험 덕트의 상류측에 공급하여, 덕트 하류측 송풍기에 의해 유입되는 시험 공기와 혼합되도록 하였다. 전기집진장치 전단 입자 농도를 20~600 nm의 입경영역에서 104~105 개/cm3의 범위 내로 고르게 유지시켰으며, 오염 입자 유입을 최소화 및 유동 균일화를 위하여 덕트 상류 측에 정류격자 형태의 HEPA (High Efficiency Particulate Air)필터를 설치하였으며, 덕트 상류 측에는 입자 교반용 팬을 작동시켰다. 또한, 하전되지 않은 중성입자들만 전기 집진장치로 유입시키기 위하여 상류 측에 별도의 전기집진장치를 설치하였고, 10 kV의 고전압을 인가하여 하전된 입자를 제거하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 하전장치는 오존 등과 같은 2차 오염물질이 전혀 발생되지 않으면서 다량의 음극 또는 양극 이온을 발생시킬 수 있는 수 μm의 탄소섬유 다발로 이루어져 있다.
성능/효과
(1) 기존 전기집진장치에 사용되었던 금속재질의 방전극(와이어, 강체 에지 등)을 사용하지 않더라도 내부식성 성질이 있는 탄소 섬유를 이용하여 다량의 이온을 발생시킬 수 있었다.
(2) 기존 전기집진장치에 사용되었던 금속재질의 집진판을 사용하지 않더라도 금속박막을 PET로 코팅한 집진판을 사용하여 초미세입자를 90% 이상 저감할 수 있었다.
(3) 하전부 및 집진부의 인가전압을 증가시킬수록, 하전부의 채널수를 증가시켜 하전부의 채널 당 유입되는 오염공기량을 감소시킬수록 본 전기 집진장치의 집진효율을 향상시킬 수 있었으며, 이는 본 장치가 대용량 부식성 가스 정화를 위해 스케일-업이 될 경우 야기될 수 있는 효율 저감 문제를 해결할 수 있는 주요 설계 변수임을 실험적으로 확인하였다.
이는 이 영역의 입자 크기보다 작은 입자들은 확산현상으로 인해 입자와 이온 간의 충돌이 활발하여 하전율이 높기 때문이다.(7) 반면, 하전부에 인가전압을 10 kV(음극) 인가하였을 때 입경과 무관하게 집진효율이 90%이상으로 높게 나타났다.
7은 유량 500 m3/hr 일 때, 탄소섬유 하전 장치의 인가전압을 7 kV, 65 mm 길이의 내부식 박막 집진부의 인가전압을 10 kV로 고정시켰을 때의 탄소섬유 하전장치의 채널수에 따른 100 nm 입자에 대한 집진효율 변화를 보여주고 있다. 탄소 섬유 채널 수가 1개 일 때 양극(+) 및 음극(-) 인가전압에서 100 nm입자 기준으로 각각 40.7%, 45.1% 이던 집진효율이 채널 수가 4개로 증가할 때, 82.7% 및 91.1%로 증가하였고, 9개 채널에서는 각각 96.8% 및 97.0%를 나타내었다. 이는 탄소섬유 하전장치의 채널 수를 증가시킴으로써 대유량의 조건에서도 고효율 집진이 가능함을 보여주고 있다.
탄소섬유 장치에 고전압을 인가시킬 경우, 접지판이 없을 때 탄소섬유 하전장치의 개수와 관계없이 이온이 약 2×107 개/cm3 가량 발생되었으나, 접지판을 설치했을 경우 탄소 섬유 하전장치의 개수에 비례하여 이온 농도가 증가하였다.
6에서와 같이, 유량이 증가할수록 집진효율이 감소하였다. 특히 유량이 500 m3/hr 일 때 최대 농도 입경인 100 nm 입자에 대한 포집효율이 99%에서 80%대로 감소하였다. 이는 유량이 증가함에 따라 미세입자가 탄소섬유 하전장치에서 충분한 시간을 갖지 못하여 입자하전율이 감소하고, 또한 집진부에서 체류시간이 감소하여 하전된 입자가 충분히 집진되지 못했기 때문이다.
2에서와 같이, 시험 입자의 최대 농도 입경은 100 nm 미만이었으며, 대부분의 입자들은 1μm이하의 입경 영역에 존재하였다. 하전부의 인가전압을 증가시킬수록 전기집진장치 집진부 후단부의 농도가 급격히 감소하였으며, 특히 하전부에 10 kV인가시켰을 때 모든 입경 영역에서 입자 농도가 103 개/cm3 이하로 감소하였다. 이는 하전부의 인가전압을 증가시킬수록 탄소섬유와 접지극 사이에 작용하는 전기장의 세기가 증가하여 이온발생량이 증가하고, 이로 인해 입자하전율이 증가하였기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
습식 스크러버의 장단점은 무엇인가?
반도체 공정 배기가스에 포함되어 있는 산성, 염기성 가스상 물질 및 입자상 물질을 제거하기 위하여 일반적으로 습식 스크러버가 널리 사용되고 있다. 습식 스크러버의 경우, 산성 및 염기성 가스상 물질의 제거 성능은 매우 우수하지만, 입자상 물질을 제거하는 메커니즘이 관성충돌에 크게 의존하기 때문에 1 μm 이하 크기의 초미세입자에 대한 제거 성능은 매우 낮다.(1) 이와 같은 습식 스크러버의 미세입자 집진 효율을 높이기 위하여 여국현외 다수 연구자와 Jaworek외 다수 연구자들은(1,2) 습식 스크러버에 정전 분무 기술을 적용하여 스크러버의 입자상 물질 제거 효율을 높이고자 하였다.
첨단 반도체 및 디스플레이 산업의 시장규모 현황은?
첨단 반도체 및 디스플레이 산업의 시장규모는 2007년 기준 3,300억 달러였으며, 년 평균 12%씩 지속적으로 상승하고 있고, 관련 산업은 국내 21세기 주력 산업으로 인식되고 있다. 한편, 이와 같은 시장의 성장에도 불구하고 반도체 공정에서 배출되는 다량의 환경오염성 가스와 미세 백연 입자의 배출량은 날로 증가하여, 2010년 환경부 규정에는 대기 배출 규제가 반도체 시설까지 확대 적용될 전망이다.
본 연구에서 하전부에 10kV인가 시켰을때 모든 영역에서 입자 농도가 감소한 이유는?
하전부의 인가전압을 증가시킬수록 전기집진장치 집진부 후단부의 농도가 급격히 감소하였으며, 특히 하전부에 10 kV인가시켰을 때 모든 입경 영역에서 입자 농도가 103 개/cm3 이하로 감소하였다. 이는 하전부의 인가전압을 증가시킬수록 탄소섬유와 접지극 사이에 작용하는 전기장의 세기가 증가하여 이온발생량이 증가하고, 이로 인해 입자하전율이 증가하였기 때문이다.(7) Fig.
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