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아크 플라즈마를 이용한 과불화합물 처리공정에서 반응가스에 의한 효과
Effect of Reaction Gases on PFCs Treatment Using Arc Plasma Process 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.19 no.2, 2013년, pp.113 - 120  

박현우 (인하대학교 화학공학과) ,  최수석 (인하대학교 열플라즈마환경기술연구센터) ,  박동화 (인하대학교 화학공학과)

초록
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화학적으로 안정한 과불화합물을 처리하기 위해서는 많은 양의 에너지를 필요로 한다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 저전력 아크 플라즈마 시스템을 개발하였다. 분해대상은 $CF_4$, $SF_6$, $NF_3$플라즈마 토치로 직접 주입되었으며, 아크 플라즈마 토치의 열효율을 측정하여 실출력을 계산하였다. 실출력과 폐기체 유량 변화 그리고 추가적인 반응가스에 의한 분해효율을 확인하였다. 또한 열역학적 평형조성 분석을 수행하여 실험 결과와 비교하였다. 토치의 열효율은 60~66%의 결과를 보였으며 폐가스 유량이 증가함에 따라 분해효율이 감소하였고 입력전력이 늘어남에 따라 분해효율이 상승되었다. 추가적인 반응 가스가 없이 $CF_4$, $SF_6$, $NF_3$의 분해효율은 입력전력이 3 kW, 폐가스 유량이 70 L/min인 조건에서 각각 4, 15, 90%를 보였다. 반응가스로 산소와 수소를 이용하여 분해효율을 급격하게 증가시킬 수 있었으며, 실험 결과 산소보다 수소를 사용하였을 경우가 분해효율 상승효과와 부산물 제어에 효과적인 것을 알 수 있었다. 수소의 경우, 발생되는 부산물은 불화수소산이었으며 이는 일반적인 습식 스크러버를 이용하여 처리가 용이한 물질이다. 수소를 이용한 화학반응에서 입력전력이 3 kW, 폐가스유량이 100 L/min인 조건에서 $CF_4$가 25%, $SF_6$가 39%, $NF_3$가 99%의 분해효율을 각각 나타냈다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The treatment of chemically stable perflourocompounds (PFCs) requires a large amount of energy. An energy efficient arc plasma system has been developed to overcome such disadvantage. $CF_4$, $SF_6$ and $NF_3$ were injected into the plasma torch directly, and net pla...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 보고된 논문에 따르면 입력전력이 약 15 kW, 폐가스 유량이 100 L/min에서 각각의 과불화합물 분해율이 CF4가 약 65%, C2F6가 75%, SF6가 93%, NF3가 99%의 값을 나타낸다[14]. 따라서 열플라즈마 처리공정의 문제점인 높은 전력 소모를 해결하기 위해 본 연구에서는 새로운 유형의 아크 플라즈마 토치를 이용하였다. 본 연구에 사용된 아크 플라즈마 토치는 추가적인 분해반응기 없이 플라즈마 발생가스로써 폐가스를 직접 사용하였다.
  • 뿐만 아니라 반응가스를 플라즈마 발생가스에 혼합하여 화학반응을 이용한 분해효율 증가효과를 확인하였다. 본 연구의 목적은 열플라즈마 시스템의 높은 전력소모 문제를 해결하기 위해 고안된 저전력 아크 플라즈마 토치를 이용하여 과불화합물의 분해효율과 에너지효율을 증가시키는 것이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
과불화합물의 장점은? 감축대상물질로는 이산화탄소, 메탄, 산화이질소, 수산화불화탄소, 과불화합물 등이 포함되어 있다[2]. 하지만 이러한 규제에도 불구하고 과불화합물은 비활성, 불연성, 무독성 등의 장점으로 인해 다양한 산업분야에 이용되고 있다[3]. 과불화합물의 온난화 지수는 CO2와 비교하여 매우 높은 수치를 보이며, CO2, CF4, SF6, NF3의 온난화 지수는 각각 1, 6,500, 23,900, 17,200로 알려져 있다[4,5].
아크 플라즈마 토치를 이용한 과불화합물 처리장치의 기대효과는? 따라서 이러한 문제를 개선하고자 본 연구에 사용된 플라즈마 토치에서는 폐가스를 직접 플라즈마 가스로 이용하였다. 이러한 이유로 기존의 열플라즈마를 이용한 과불화합물 처리장치보다 폐가스로의 열전달을 증가시켜 저전력 운전에서도 효율적으로 분해반응을 유도할 수 있도록 하였다. 뿐만 아니라 반응가스를 플라즈마 발생가스에 혼합하여 화학반응을 이용한 분해효율 증가효과를 확인하였다. 본 연구의 목적은 열플라즈마 시스템의 높은 전력소모 문제를 해결하기 위해 고안된 저전력 아크 플라즈마 토치를 이용하여 과불화합물의 분해효율과 에너지효율을 증가시키는 것이다.
아크 플라즈마 토치를 이용하는 방식의 특징은? 따라서 열플라즈마 처리공정의 문제점인 높은 전력 소모를 해결하기 위해 본 연구에서는 새로운 유형의 아크 플라즈마 토치를 이용하였다. 본 연구에 사용된 아크 플라즈마 토치는 추가적인 분해반응기 없이 플라즈마 발생가스로써 폐가스를 직접 사용하였다. 또한 토치에 주입되는 플라즈마 가스를 회전시켜 주입하였으며 이를 이용하여 아크를 회전시켰다. 이러한 특성 때문에 고온의 플라즈마 영역을 폐가스가 효과적으로 직접 통과하도록 하였다. 기존의 비이송식 열플라즈마를 이용한 과불화합물 처리장치에서는 플라즈마 가스로 질소 또는 아르곤만을 이용하였으며, 과불화합물이 포함된 폐가스는 토치 출구 부근에서 열플라즈마 불꽃의 반경방향으로 주입되어, 폐가스가 플라즈마 내부 고온영역에 효과적으로 투입되는데 어려움이 있었다.
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참고문헌 (15)

  1. http://unfccc.int/key_steps/bali_road_map/items/6072.php 

  2. Gupta, J., Olsthoorn, X., and Rotender, E., "The Role of Scientific Uncertainly in Compliance with Kyoto Protocol to the Climate Change Convention," Environ. Sci. Policy, 6, 475-486 (2003). 

  3. Chang, M.. B., and Chang, J. S., "Abatement of PFCs from Semiconductor Manufacturing Processes by Nonthermal Plasma Technologies: A Critical Review," Ind. Eng. Chem. Res., 45, 4101-4109 (2006). 

  4. Mohindra, V., Chae, H., Sawin, H. H., and Mocella, M. T., "Abatement of Perflourocompounds (PFCs) in a Microwave Tubular Reactor Using $O_2$ as an Additive Gas," IEEE Trans. Semicond. Manuf., 10, 399-411 (1997). 

  5. Radoiu, M. T., "Studies on Atmospheric Plasma Abatement of PFCs," Radiat. Phys. Chem., 69, 113-120 (2004). 

  6. Wang, Y. F., Wang, L. C., Shih, M. L., and Tsai, C. H., "Effects of Experimental Parameters on $NF_3$ Decomposition Fraction in an Oxygen-based RF Plasma Environment," Chemosphere, 57, 1157-1163 (2004). 

  7. Tsai, W. T., "Environmental and Health Risk Analysis of Nitrogen Triflouride ( $NF_3$ ), a Toxic and Potent Greenhouse Gas," J. Hazard. Mater., 159, 257-263 (2008). 

  8. Reichardt, H., Frenzel, A., and Schober, K., "Environmentally Friendly Wafer Production: $NF_3$ Remote Microwave Plasma for Chember Cleaning," Microelectron. Eng., 56, 73-76 (2001). 

  9. Takubo, T., Hirose, Y., Kashiwagi, D., Inoue, T., Yamada, H. Nagoka, K., and Takita, Y., "Metal Phosphate and Fluoride Catalysts Active for Hydrolysis of $NF_3$ ," Catal. Commun., 11, 147-150 (2009). 

  10. Houghton, J. T., Meira, L. G., Callander, B. A., Harris, N., Kattenberg, A., and Maskell, K., Climate Change 1995-The Science of Climate Change, Cambridge University Press, New York, 1996, pp. 121. 

  11. Dillon, T. J., Horowitz, A., and Crowley, J. N., "Cross-sections and Quantum Yields for the Atmospheric Photolysis of the Potent Greenhouse Gas Nitrogen Triflouride," Atmos. Environ., 44, 1186-1191 (2010). 

  12. Kim, D. Y., and Park, D. W., "Decomposition of PFCs by Steam Plasma at Atmospheric Pressure," Surf. Coat. Tech., 202, 22-23 (2008). 

  13. Narengerile, Saito, H., and Watanabe, T., "Decomposition of Tetraflouromethane by water Plasma Generated under Atmospheric Pressure," Thin Solid Films, 518, 929-935 (2009). 

  14. Han, S. H., Park, H. W., Kim, T. H., and Park, D. W., "Large Scale Treatment of Perfluorocompounds Using a Thermal Plasma Scrubber," Clean Tech., 17, 250-258 (2011). 

  15. Moreau, E., Chazelas, C., Mariaux, G., and Vardelle, A., "Modeling the Restrike Mode Operation of a DC Plasma Spray Torch," J. Thermal Spray Tech., 15, 524-530 (2006). 

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