압력순환흡착법과 다공성 매체 연소법을 이용한 전자산업 불화가스 저감 스크러버 개발 The Development of Scrubber for F-gas Reduction from Electronic Industry Using Pressure Swing Adsorption Method and Porous Media Combustion Method원문보기
반도체 및 디스플레이 산업에서 배출되는 과불화합물은 연소, 열, 플라즈마, 촉매 등의 다양한 방법이 적용된 스크러버에 의해 분해 과정을 거친 후 배출되나, 운영 스크러버의 대부분이 과도한 에너지의 사용, 낮은 저감 효율을 보임으로써 이러한 단점의 극복이 요구된다. 압력순환흡착법과 다공성 매체 연소법의 두 가지 기술이 연계된 새로운 형태의 과불화합물 저감 스크러버를 개발하고 특성을 알아보았다. 분해 대상인 $CF_4$의 흡착비와 손실계수는 흡착 컬럼의 입구와 출구에서 농도 측정을 통해 계산하였으며, 연소기의 입구와 출구의 유량과 농도 측정을 통해 처리 효율을 계산하였다. 기존 스크러버와의 에너지 사용량 및 처리효율 비교를 위하여 다양한 유량에 대한 성능 평가가 진행되었다. 1412 ppm, 204 LPM의 $CF_4$가 유입된 흡착 컬럼에서의 흡착비는 1.65였으며, 유입되는 $CF_4$의 손실 계수는 8.2%였다. 이때 연소기로 유입되는 $CF_4$의 유량과 농도는 각각 91 LPM과 2335 ppm이었으며, $CF_4$ 19 LPM, $O_2$ 40 LPM을 사용한 연소 반응시 약 96%의 저감 효율을 나타내었다. 상용 스크러버와의 동일 운전 조건에서의 다공성 매체 연소에서의 $CF_4$ 저감 효율과 전체 에너지 사용 효율 비교시 각각 16%, 41% 이상의 저감 효율 상승과 에너지 절감 효과를 보였다.
반도체 및 디스플레이 산업에서 배출되는 과불화합물은 연소, 열, 플라즈마, 촉매 등의 다양한 방법이 적용된 스크러버에 의해 분해 과정을 거친 후 배출되나, 운영 스크러버의 대부분이 과도한 에너지의 사용, 낮은 저감 효율을 보임으로써 이러한 단점의 극복이 요구된다. 압력순환흡착법과 다공성 매체 연소법의 두 가지 기술이 연계된 새로운 형태의 과불화합물 저감 스크러버를 개발하고 특성을 알아보았다. 분해 대상인 $CF_4$의 흡착비와 손실계수는 흡착 컬럼의 입구와 출구에서 농도 측정을 통해 계산하였으며, 연소기의 입구와 출구의 유량과 농도 측정을 통해 처리 효율을 계산하였다. 기존 스크러버와의 에너지 사용량 및 처리효율 비교를 위하여 다양한 유량에 대한 성능 평가가 진행되었다. 1412 ppm, 204 LPM의 $CF_4$가 유입된 흡착 컬럼에서의 흡착비는 1.65였으며, 유입되는 $CF_4$의 손실 계수는 8.2%였다. 이때 연소기로 유입되는 $CF_4$의 유량과 농도는 각각 91 LPM과 2335 ppm이었으며, $CF_4$ 19 LPM, $O_2$ 40 LPM을 사용한 연소 반응시 약 96%의 저감 효율을 나타내었다. 상용 스크러버와의 동일 운전 조건에서의 다공성 매체 연소에서의 $CF_4$ 저감 효율과 전체 에너지 사용 효율 비교시 각각 16%, 41% 이상의 저감 효율 상승과 에너지 절감 효과를 보였다.
The perfluorocompounds (PFCs) emitted from the semiconductor and display manufacture is treated by abatement systems which use various technologies, such as combustion, thermal, plasma, catalyst. However, it is required that the system should overcome their drawbacks with excess energy consumption a...
The perfluorocompounds (PFCs) emitted from the semiconductor and display manufacture is treated by abatement systems which use various technologies, such as combustion, thermal, plasma, catalyst. However, it is required that the system should overcome their drawbacks with excess energy consumption and low removal efficiency. The new technology using combination of pressure swing adsorption and excess enthalpy combustion for the reduction of PFCs emissions were developed and analyzed its characteristics. PFCs concentration ratio and PFCs loss factor were calculated from measuring concentration of PFCs at the calculated by comparing concentration of PFCs at the combustor's inlet and outlet. There were performance evaluations with various gas flow for comparing energy consumption and removal efficiency with existing equipments. The concentration ratio and the loss factor of PFCs were 1.65, 8.2%, respectively, when the total gas flow of the pressure swing absorption (PSA) inlet was 204 liter per minute (LPM) and $CF_4$ concentration was 1412 ppm. In comparison with existing system at constant condition, $CF_4$ removal efficiency for a porous media combustion (PMC) showed the improvement more than 16% and the consumed energy was also reduced up to approximately 41%. Then, the total gas flow introduced into PMC and $CF_4$ concentration were 91-LPM and 2335 ppm, respectively, and the destruction and removal efficiency of $CF_4$ was about 96% at 19-LPM $CH_4$, and 40-LPM $O_2$.
The perfluorocompounds (PFCs) emitted from the semiconductor and display manufacture is treated by abatement systems which use various technologies, such as combustion, thermal, plasma, catalyst. However, it is required that the system should overcome their drawbacks with excess energy consumption and low removal efficiency. The new technology using combination of pressure swing adsorption and excess enthalpy combustion for the reduction of PFCs emissions were developed and analyzed its characteristics. PFCs concentration ratio and PFCs loss factor were calculated from measuring concentration of PFCs at the calculated by comparing concentration of PFCs at the combustor's inlet and outlet. There were performance evaluations with various gas flow for comparing energy consumption and removal efficiency with existing equipments. The concentration ratio and the loss factor of PFCs were 1.65, 8.2%, respectively, when the total gas flow of the pressure swing absorption (PSA) inlet was 204 liter per minute (LPM) and $CF_4$ concentration was 1412 ppm. In comparison with existing system at constant condition, $CF_4$ removal efficiency for a porous media combustion (PMC) showed the improvement more than 16% and the consumed energy was also reduced up to approximately 41%. Then, the total gas flow introduced into PMC and $CF_4$ concentration were 91-LPM and 2335 ppm, respectively, and the destruction and removal efficiency of $CF_4$ was about 96% at 19-LPM $CH_4$, and 40-LPM $O_2$.
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문제 정의
이러한 복합적 기술이 적용된 상용화 스크러버는 아직까지 없으며, 실 공정 폐가스와 유사한 조성의 모사가스를 사용하여 개발된 스크러버의 에너지 사용량, PFCs 저감 효율 등을 평가하고자 하였다. 또한, 개발 스크러버의 상용화 가능성 평가를 위해 당사의 상용 스크러버인 MK-III와의 성능 비교 분석 실시를 통해 상용 가능성과 장단점 분석 실시로 개선점을 찾고자 하였다.
본 연구에서는 앞서 기술한 다양한 문제점의 해결을 위한 여러 기술이 복합된 형태의 PFCs 저감 스크러버를 개발하였으며, 적용된 기술로는 건식 집진의 전처리 기술, 흡착 농축 기술, 다공성 매체 연소 기술, 습식 고성능 후처리 기술 등이다. 이러한 복합적 기술이 적용된 상용화 스크러버는 아직까지 없으며, 실 공정 폐가스와 유사한 조성의 모사가스를 사용하여 개발된 스크러버의 에너지 사용량, PFCs 저감 효율 등을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 앞서 기술한 다양한 문제점의 해결을 위한 여러 기술이 복합된 형태의 PFCs 저감 스크러버를 개발하였으며, 적용된 기술로는 건식 집진의 전처리 기술, 흡착 농축 기술, 다공성 매체 연소 기술, 습식 고성능 후처리 기술 등이다. 이러한 복합적 기술이 적용된 상용화 스크러버는 아직까지 없으며, 실 공정 폐가스와 유사한 조성의 모사가스를 사용하여 개발된 스크러버의 에너지 사용량, PFCs 저감 효율 등을 평가하고자 하였다. 또한, 개발 스크러버의 상용화 가능성 평가를 위해 당사의 상용 스크러버인 MK-III와의 성능 비교 분석 실시를 통해 상용 가능성과 장단점 분석 실시로 개선점을 찾고자 하였다.
제안 방법
PSA와 PMC가 조합된 새로운 형태의 PFCs 저감 스크러버를 개발 및 특성을 알아보았으며, 이를 상용 스크러버와 비교하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
PSA와 PMC의 연계 운전을 통한 가스의 조성, CF4 저감 효율을 알아보았다(Table 4, Table 5).
당사 상용 스크러버인 MK-III와 개발 스크러버의 에너지 사용량 절감 비교를 위하여 Figure 6에서 실시한 동일한 연소 조건을 대상으로 CF4 저감 효율 95%를 기준으로 하여 연료 사용량 비교 분석을 실시하였다. 기존 상용 스크러버의 경우 27 LPM, 개발 스크러버는 20 LPM으로 개발 제품에서 약 26%의 연료비 절감 현상을 보였다.
반응 전후의 CF4 농도 측정을 통한 분해 및 제거효율(destruction and removal efficiency, DRE)과 희석비는 Equation (1)과 (2)와 같은 방법으로 계산하였다.
65를 나타내었다. 일반적인 흡착 공정에서는 가급적 높은 농축비를 요구하나 본 연구에서는 후단의 연소 반응과 연계된 전체적 에너지 사용량 및 저감효율을 목표로 함으로 인하여 최소의 에너지를 사용하여 목표한 1.6 이상의 농축비를 달성하도록 하였으며, 이때 사용된 전기에너지는 6.8 kW였다.
실험에 사용된 개발 스크러버는 집진, 흡착 농축, 연소, 습식 후처리 순으로 구성되며 Figure 1에 모식도로 나타내었다. 집진의 경우 통상적인 함진 가스의 여과에 사용되는 필터 백(filter bag)을 이용한 건식 집진기, 흡착 농축은 특정 기체를 흡착하는 흡착제를 이용하여 압력차에 따른 흡착량의 차이를 이용해 가스를 분리하는 압력순환 흡착(pressure swing adsorption, PSA) 컬럼, 연소는 내부 열 재순환을 통한 큰 열복 사와 열전도도를 가지는 다공성 매체를 이용한 연소(porous media combustion, PMC) 방법이 적용된 연소기, 습식 후처리는 산성가스와 미세 먼지의 동시 저감을 위한 벤튜리 스크러버(venturi scrubber)를 접목하였다. Figure 2에 건식 집진, PSA 컬럼, PMC 연소기, 습식 벤튜리 스크러버가 결합된 스크러버의 3D 모델링 형상과 실제 제작된 형상을 나타내었다.
대상 데이터
실험에 사용된 개발 스크러버는 집진, 흡착 농축, 연소, 습식 후처리 순으로 구성되며 Figure 1에 모식도로 나타내었다. 집진의 경우 통상적인 함진 가스의 여과에 사용되는 필터 백(filter bag)을 이용한 건식 집진기, 흡착 농축은 특정 기체를 흡착하는 흡착제를 이용하여 압력차에 따른 흡착량의 차이를 이용해 가스를 분리하는 압력순환 흡착(pressure swing adsorption, PSA) 컬럼, 연소는 내부 열 재순환을 통한 큰 열복 사와 열전도도를 가지는 다공성 매체를 이용한 연소(porous media combustion, PMC) 방법이 적용된 연소기, 습식 후처리는 산성가스와 미세 먼지의 동시 저감을 위한 벤튜리 스크러버(venturi scrubber)를 접목하였다.
99% 이상의 고순도 가스를 사용하였으며, 운반가스(carrier gas)로는 액체 질소(N2)를 기화하여 사용하였다. 연소를 위한 연료는 99.9999%의 메탄(CH4)과 액체 산소(O2)를 기화하여 사용하였다. 반응 전후 가스의 유량과 농도 분석은 EL Co.
표준가스 및 반응가스는 Rigas Co.의 99.99% 이상의 고순도 가스를 사용하였으며, 운반가스(carrier gas)로는 액체 질소(N2)를 기화하여 사용하였다. 연소를 위한 연료는 99.
이론/모형
스크러버의 성능 평가는 국립환경과학원에서 권고한 “반도체 & 디스플레이 업종에서 사용되는 온실가스 저감시설의 저감 효율 측정 방법 가이드라인”을 따랐으며[12], 분석에 사용된 장치의 구성과 필요한 계측기 및 부대용품을 Table 2와 Figure 4에 나타내었다.
성능/효과
PSA 성능 평가시 유입된 가스의 조성은 유량 200 LPM, 함유된 CF4의 농도는 약 1400 ppm이었다. 3개의 흡착 컬럼에서의 흡착시 압력은 약 2 bar로서 컬럼간 균일한 압축과 탈착 성능을 보여 주었으며, 연소기로 유입되는 가스의 유량 또한 60 min 이후 100 LPM 내외로 균일하게 공급되는 특성을 보임으로써 흡탈착 시퀀스를 통한 제어 및 컬럼의 구성이 적절함을 알 수 있었다. 이때 흡착 컬럼을 통한 CF4의 농도 변화는 유입부 1412 ppm, 농축부 2335 ppm, 배출부 97 ppm으로 농축비(농축부/유입부) 1.
2 kW의 에너지 사용 량을 나타내었다. 결과적으로 개발 스크러버가 낮은 CH4 사용량을 기반으로 하여 전체적으로 약 41%의 에너지 절감 효과를 가져왔다. 이는 압력순환흡착을 통해 폐가스 속에 포함된 CF4 를 흡착하고 흡착된 CF4 를 일정량의 가스로 탈착함으 로서 연소기로 유입되는 가스의 조성을 저 유량, 고농도로 변화시킴으로써 폐가스의 분해에 필요한 온도로 승온하는데 소모되는 에너지를 줄임과 함께 다공성 매체에서의 연소 특성인 내부 열 재순환에 의한 초과엔탈피 연소과정에서의 에너지 저감이 복합적으로 나타난 결과로 유추할 수 있다.
저감 효율 95%를 기준으로 하여 연료 사용량 비교 분석을 실시하였다. 기존 상용 스크러버의 경우 27 LPM, 개발 스크러버는 20 LPM으로 개발 제품에서 약 26%의 연료비 절감 현상을 보였다. 이와 같은 에너지 절감효과는 기존 상용 스크러버에서 가지고 있는 단점인 불꽃 날림, 화염으로부터의 간접적인 열전달에 의한 분해, 화염 불안정성과 같은 현상을 다공성 매체 내에서 연소를 시킴으로 앞서 문제시된 부분의 개선이 가능함을 보여주는 결과로서, PFCs를 포함하는 폐가스가 화염대를 직접 거치면서 직접 적인 열전달을 통한 분해 효과와 함께 Kim et al.
의 피크를 확인 할 수 있으며, 분해과정 중 생성이 예상된 HF는 후처리 습식 스크러버에 의한 제거로 인해 본 실험에서는 검출되지 않았다. 동일 조건에서 실시한 상용 스크러버에서의 CF4 저감 효율은 약 80%로서 개발 스크러버에서 16% 내외의 처리 효율 상승을 확인 할 수 있었다.
둘째, 다공성 매체 연소는 내부 연소열의 재순환을 이용한 초과엔탈피 연소의 용이함으로 인해 동일 에너지를 사용한 CF4 저감 효율 비교시 약 16%의 저감효율 상승과 약 26%의 에너지 절감 효과를 확인하였다.
의 사용량은 각각 19 LPM과 40 LPM이었다. 연료의 연소와 폐가스 분해가 일어나는 허니컴과 허니컴 사이의 반응구간에서의 불꽃 온도는 최대 1600 ℃, 최저 1200 ℃를 나타내었으며, 평균적으로 1400 - 1500 ℃로 나타났다. 최대 온도와 최저 온도차가 큰 이유는 온도 측정을 위해 삽입 된 온도계(thermal couple)에서의 화염 노출에 의한 것으로서 화염이 허니컴 내부에서의 유동에 의한 온도 변화로 판단된다.
2단 연소가 진행되는 구간에서의 온도 또한 850 - 1100 ℃의 온도 트랜드를 보였다. 이때 연소기를 통해 배출되는 CF4의 유량과 농도는 각각 200 LPM과 53 ppm으로 약 96%의 저감 효율을 나타내었으며, 반응 후 허니컴 소재의 형상 변화는 시각적으로 구분할 수 없었다.
첫째, PSA를 이용한 흡착 공정으로부터 측정된 CF4의 농축비와 손실률은 각각 1.65와 8.2%로 나타났으며, 적정 농축을 통한 후단 연소기로의 유입량 저감은 CF4 분해 효율 증진에 도움을 주었다.
후속연구
셋째, PSA와 PMC 연계 운전을 통하여 상용 스크러버 대비 41% 이상의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있었으며, 이는 적정 농축과 초과엔탈피 연소의 연계를 통한 결과로서, 두 가지 기술의 최적화를 통해 최저 에너지를 이용한 고효율 PFCs 저감 스크러버의 개발을 완료할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Non-CO2 온실가스의 대표 물질에는 무엇이 있는가?
반도체 및 디스플레이 산업에서 사용 후 배출되는 Non-CO2 온실가스의 대표 물질로는 CF4, NF3, SF6, C2F6, C3F8, C4F10, CHF3 등과 같은 과불화합물(perfluorocompounds, PFCs)과 N2O를 들 수 있다. 이들 물질은 반도체 소자의 제조 공정 중 에칭 및 쳄버의 세척 단계 등에서 광범위하게 사용되며, 장기 적으로 반도체 및 디스플레이 제품군들의 고집적화 및 대형화 추세로 인해 사용량 또한 증가 할 것으로 예상된다[1-3].
PFCs의 주요 분해 기술에는 무엇이 있는가?
PFCs의 주요 분해 기술로는 연소, 열분해, 플라즈마, 전자빔, 촉매 기술 등이 사용되고 있으나 PFCs의 대부분이 화학적으로 매우 안정한 난분해성 물질로서, 낮은 처리 효율 및에너지 과소비 측면에서 새로운 기술의 개발 또는 기존 기술의 개선이 절실한 실정이다[4-10].
PFCs 저감 스크러버의 최종 사용자가 요구하는 요소는 무엇인가?
PFCs 저감 스크러버로 유입되는 폐가스에는 PFCs 외에도 생산과정 중 발생된 미세입자, 산성가스 등이 다량 함유되어 있어 스크러버의 압력상승, 운전정지, 부품 수명 저하 등을 야기하고, 분해 반응 후 생성되는 부산물인 F2, HF, HCl 등의 산성가스와 미세입자는 스크러버의 부식 및 배관 막힘 등과 같은 문제점을 항시 유발하고 있어 PFCs 저감 스크러버는 유입되는 가스와 처리 후 배출되는 가스 모두에 대하여 대응 가능한 기술이 접목되어야 한다. 스크러버의 최종 사용자는 저에너지를 사용한 PFCs의 고효율 분해, 공해물질 배출 저감, 폐수 발생 최소화, 부식 내구성과 운영 안정성, 스크러버의 대용량화, 환경안전 사양 규정 대응과 같은 다양한 사항이 반영된 스크러버를 요구하고 있으며, 시장의 전체적 트랜드 역시 상기 서술한 내용의 기술 개발 및 제품화가 진행 중이다[11].
참고문헌 (13)
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