초록 ▼

□ 개발 목적 및 필요성
○ 지구 온난화 및 신기후 협약 대응에 따른 온실가스 감축 목표 및 배출권 거래제 대비 고성능 신기술 확보 필수
○ 특정 산업 위주 발생, 단위기술의 적용만으로도 막대한 저감 효과를 얻을 수 있는 Non-CO₂ 저감 기술의 개발, 보급이 매우 시급한 상황
○ 반도체 및 디스플레이 제품군들의 고집적화 및 대형화 추세에 따른 시장 요구 기술인 에너지 절감, 배출기준 강화, 대형화 등의 복합적 기술 수요를 충족하는 설비 개발 절실
○ PFCs 95% 이상, NF₃

□ 개발 목적 및 필요성
○ 지구 온난화 및 신기후 협약 대응에 따른 온실가스 감축 목표 및 배출권 거래제 대비 고성능 신기술 확보 필수
○ 특정 산업 위주 발생, 단위기술의 적용만으로도 막대한 저감 효과를 얻을 수 있는 Non-CO₂ 저감 기술의 개발, 보급이 매우 시급한 상황
○ 반도체 및 디스플레이 제품군들의 고집적화 및 대형화 추세에 따른 시장 요구 기술인 에너지 절감, 배출기준 강화, 대형화 등의 복합적 기술 수요를 충족하는 설비 개발 절실
○ PFCs 95% 이상, NF₃ 99% 이상의 처리 효율 달성과 동시에 에너지 사용량 30% 절감할 수 있는 고성능(고 분해율 및 에너지이용효율) 처리 기술을 개발
○ 온실가스 총량 규제로부터 국내 주력 산업 경쟁력 확보, 시장 확대, 인력채용 증대 및 해외 기술 수출을 통한 국가 경쟁력 확보

□ 연구개발 결과
○ 반도체 공정 분석, 폐가스 성상 분석 및 현장 운영 인력의 설문 조사를 통해 발굴된 요구 사항을 연구 개발 내용에 반영함
○ 개발 기술의 비즈니스 모델 구축을 통해 기술성, 사업성, 시장성, 경쟁사 기술 분석 및 생산 단가 절감 효과 등의 조기 분석을 통해 양산성 검토
○ PSA 효율 향상을 위한 흡착제 개발을 통해 다공성 흡착제를 개발하였으며,Titanium carbide 기반 흡착제: 2.96 mol/kg, petroleum coke 기반 흡착제: 2.79mol/kg의 흡착 효율로 목표 흡착 성능인 2.5mol/kg을 초과 달성함
○ 200~2000LPM 유량에 대한 고효율 산성가스 제거 기술 연구를 통해 설계 기준을 확립하고 2000LPM급 시작품 제작, 평가를 통해 이를 검증함
○ 개발 예정 시스템의 Mass 및 energy balance, P&ID, 단위 기술들에서의 유추 가능한 문제점 및 해결 방안, 안전 및 운영 안정화 검토를 거쳐 단위 모듈의 제작 및 성능 평가를 수행함
○ 단위 모듈의 조합을 통한 200LPM급 설비의 설계, 제작, 성능 평가를 통해 목표한 성능 이상의 우수한 결과 도출
○ 600LPM 설비로의 안정적 Scale-up 성공
○ 200LPM급 설비의 현장 평가 수행을 통해 개발 설비의 성능 검증 중
○ 통합설비로 유입되는 입자의 제거를 위해 내식성 PTFE 재질의 여과포를 사용하여 99.9% 이상의 집진효율 달성 및 연소 생성 입자의 배출 저감을 위해 접목된 벤츄리 스크러버의 경우 99.5% 이상의 처리효율 달성
○ 점착성 먼지 유입 상황을 대비하여 집진효율이 상대적으로 낮으나 압력손실이 상대적으로 작은 사전 응집 기능을 갖춘 Spray Tower를 설계하여 실험을 수행하여 55mmAq의 압력에서 97% 이상의 효율을 달성 함
○ 초과엔탈피연소를 간단한 구조에서 구현하기 위하여 2단 다공체 연소기술을 도입하여 PFCs 및 NF₃의 고성능(고분해율 및 에너지이용효율)분해 처리기술개발을 수행하였으며, 고온유동반응기 실험 및 수치해석결과들을 토대로 상용급 PMC 반응기의 운전 조건을 연료 과농(Fuel rich) 조건에서 운전하여야 CF₄ 분해율을 높일 수 있다는 결론을 도출함

○ 다양한 연소조건에서 화염안정화 선도가 도출되었고, 화염안정화 영역 내에서 CF₄ 및 NF₃의 최적 분해 조건을 도출하였다. 당량비 1.5이상에서 안정적으로 95%이상의 CF₄ 처리효율을 확인하였고 최대 CF₄ 처리효율은 당량비 1.75에서 연료사용량이 18.2 LPM일 때 약 98%를 달성
○ 과유량 N2 부하 저감을 위해 PSA 기법이 도입되었으며, 시제품 통합시스템에 적용하기 위하여 비교적 저렴한 AC-X를 적용하여 흡착시간변화에 따라 최적의 흡착공정 도출을 위한 실험을 수행하였고 결과적으로 대상가스인 CF₄의 회수율이 99.93%로 손실율은 1%이하로 유지됨을 확인 함
○ 초과엔탈피 연소기용 소재는 HF에 내식성을 가져야 하며, 이를 위한 연소기 소재로서 내식성 상압소결 SiC(PS-SC)에 대하여 연구하였음. 500 nm급 고순도 SiC 분말에 알루미나-이트리아(Al₂O₃-Y₂O₃) eutectic 반응을 이용한 YAG(Y₃Al₅O₁₂) 소재를 소결조제로 사용하여 소결을 실시. 시간과 소결조제 조성을 변수로 소결체를 제조하여 밀도(기공율), 곡강도, 미세구조,열전도도, 상(phase)을 분석하였으며 HF 분위기 내식성을 평가하였으며,소결조제가 없는 순수 SiC 멀티채널 허니컴을 압출 성형 함
○ 상압소결 SiC 소재의 내부식 평가 및 최적 생산 조건 확립을 위한 연구가행해졌으며, 항온/항습 건조법을 적용한 실험을 통해 균열이 없는 성형체를 확보할 수 있었으며, 소결온도 2150℃, 승온 및 냉각속도를 ±7.5 ℃/min, 소결 시간은 3시간으로 적용하여 휘어짐, 균열 등의 결함이 없는 SiC 허니컴을 확보하였음

□ 성능사양 및 기술개발 수준
○ 200LPM급 PFCs 처리 통합 시스템
CF₄ 효율 97.8%(목표 : 95% 이상), NF₃ 효율 99.2%(목표 : 99% 이상)
LNG 사용량 : 22.5LPM (기존 50LPM, 에너지 사용량 30% 이상 절감)
NOx 배출 : 9.6ppm(목표 : 10ppm 이하 배출)
CF₄, NF₃ 흡착손실 : 0.25%(목표 : 1% 이하 손실)
전/후처리 집진 효율 : 99.2% (목표 : 99% 이상)
산성가스 배출 : 1ppm(목표 : 0.1ppm)
수분 배출(상대습도) : 37.5%(목표 95% 이하)
○ 기존 설비 대비 30% 이상의 에너지 절감 및 95% 이상의 PFCs 저감 설비개발

□ 활용계획
○ 200, 600LPM급 설비의 최적화를 통한 제품화
○ 개발 기술의 국/내외 홍보 활동을 통한 기술 및 제품 판매 활성화 활용
○ 단위 기술들의 상품화를 통해 반도체 등의 전자산업 외 타 산업 영역 확대
○ 대규모 사업장 NOx 배출 총량 규제 시행에 대한 능동적 대응
○ 미국, 일본, 유럽 등 선진국과의 기술격차 해소를 통한 수출 장벽 타파

( 출처 : 요약서 (통합) 2p )

Abstract ▼

Ⅳ. Results
◦ In this study, an analysis of gas emission concentration and properties for the inlets and outlets of the scrubber was carried out through an analysis of gas by semi-conductor process and Powder by facility section, which was used as the basic data for the study. Even in the same pro

Ⅳ. Results
◦ In this study, an analysis of gas emission concentration and properties for the inlets and outlets of the scrubber was carried out through an analysis of gas by semi-conductor process and Powder by facility section, which was used as the basic data for the study. Even in the same process, the formation and concentration deviation in inflow gases by treatment facility was represented diversely as shown in CF₄ 474.97~1052.75 ppm, NF₃ 139.43~2476.40 ppm, SiF₄ 30.24~106.86 ppm, etc. As a result of Powder analysis, in the cases of Diffusion L/T-SiN, CVD P-SiN processes, most of the Powder was confirmed to be SiO2 regardless of location, and in the cases of Metal-BW, CVD W-SiX processes, most of the Powder was confirmed to be WO₃.

◦ In order to optimize the wet scrubber equipment for acid gas treatment, a two-Column equipment was manufactured, and then an evaluation on the treatment efficiency using NH₃ was carried out. The changes in efficiency depending on Column Size and height, type of filler, gas and liquid flow were measured. Based on the evaluation results, a 2000LPM class wet scrubber were manufactured by reflecting the results in numerical analysis and design for 200~2000LPM class.
And the sameness of theoretical and actual values was confirmed through a performance evaluation.

◦ In order to solve the problem that the water is discharged together with the gas into an exhaust duct after the combustion treatment of waste gas and condensed in the exhaust duct, a gas-liquid separator was manufactured and a performance evaluation was carried out. As a result of water condensation measurement in duct, the zero moisture condensation amount in duct was achieved at 23.7℃ or less and 4.08g water removal.

◦ In order to solve the mass and energy balance, P&ID, and various problems expected in the continuous operation of integrated facility, inferable problems and solutions were deducted, and the safety and operational stabilization was guided through the preparation of expected interlock list. Finally, the design, manufacture and evaluation of integrated system were carried out through the combination of unit modules.

◦ For the primary study on adsorbents, which are the key materials of proper concentration, an evaluation on the adsorption capacity of CF₄ and NF₃ on commercial adsorbents was carried out. Secondly, through the R&D on new adsorbents considering high adsorptivity, high selectivity and regeneration stability, etc. a porous carbon adsorbent was developed through carbonization or activation process using various precursors including carbon. For the CF₄ adsorption performance for development materials (Titanium Carbide based adsorbent: 2.96 mol/kg, Petroleum Coke based adsorbent: 2.79 mol/kg, (room temperature, normal pressure)), the target adsorption performance of 2.5 mol/kg was achieved, and in the repeated adsorption/desorption processes, it was confirmed that the adsorption performance was maintained over 99%. In addition, the selectivity to CF₄ was higher than that of N₂, indicating that it could be applied to CF₄ proper concentration process.

◦ Through the development of a numerical analysis model which can accurately predict the characteristics of porous matrix, heat transfer effect between gas and solid, and the detailed chemical reaction process, an analysis was carrie out on the PMC burner combustion characteristics, flame characteristics in single channel and multichannel structure, the effect of radiation heat transfer in solid affecting the flame characteristics, etc. depending on inlet flow conditions for 2-dimensional model. Also, for 3-dimensional model, an analysis on flame structure of the Honeycomb Porous Burner, the combustion characteristics depending on the inlet flow rate conditions was carried out along with the comparison to the case without radiation heat transfer, and using the detailed reaction model, flame stability, flame structure, heat transfer characteristics, etc. were analyzed, presenting a preemptive response to possible problems in the manufacture of actual products and the direction for improvement.

◦ Through a simulated gas decomposition reaction in semiconductor process using a burn-wet scrubber, an analysis of odor contributing substances (VOCs, aldehydes, ammonia, amines and lower fatty acids, sulfur) in the exhaust gas of the scrubber downstream was carried out.
As a result of the analysis, the substances with higher than 10% odor contribution were analyzed due to Acetaldehyde (about 60%), Propionaldehye (about 23%), n-Butyraldehyde (about 11%) and fluorine compounds (about 6%), and it was determined that hydrocarbon based substances were generated through the rapid cooling due to incomplete combustion during the combustion process, and in the case of the fluorine compound, it was determined due to the fact that the F-series materials, which were the by-products generated during the decomposition process of PFCs, were discharged partially without any treatment.

◦ Based on the results of the performance evaluation on unit module using the technology which has been studied in the sub-subordinate organizations and the committed institutions, the system design of integrated facility was carried out. The prototype was manufactured and evaluated based on the results of the prototype manufacture and evaluation. The quantitative target was achieved over the original target of R&D.
⇒ Targeted performance and development level of 200LPM class integrated system
- CF₄ efficiency 97.8% (target: 95% or more), NF₃ efficiency 99.2%(target: 99% or more)
- LNG usage: 22.5LPM (original 50LPM, saving more than 30% of energy consumption)
- NOx emission: 9.6ppm (target: less than 10ppm mission)
- CF₄, NF₃ absorption loss: 0.25% (target: less than 1% loss)
- Upstream/downstream dust collection efficiency: 99.2% (target: 99% or more)
- Acid gas emission: 1ppm (target: 0.1ppm)
- Water discharge (relative humidity): 37.5% (target 95% or less)

◦ Manufacture and performance evaluation of 600LPM class facility through scale-up of 200LPM class facility were carried out and the development target was achieved over the original target.
⇒ Targeted performance and development level of 600LPM class integrated system
- CF₄ efficiency 97.2% (target: 85% or more), NF₃ efficiency 99% (target: 98% or more)
- LNG usage: 65.9LPM (target: 70LPM or less)
- NOx emission: 18.3ppm (target: less than 20ppm emission)
- CF₄, NF₃ absorption loss: 0.18% (target: less than 3% loss)
- Upstream/downstream dust collection efficiency: 99%(target: 99% or more)
- Acid gas emission: 1ppm (target: 0.1ppm)
- Water discharge (relative humidity): 49% (target 95% or less)

◦ Acquired the safety certification for 200/600LPM class facility (Semi-S2)

◦ On-site evaluation of 200LPM class facility is under way, and it will be commercialized reflecting the evaluation results

( 출처 : SUMMARY 23p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약서(통합) ... 2
• 요약서(주관) ... 7
• 요약문 ... 11
• SUMMARY ... 19
• 목차 ... 28
• 표목차 ... 30
• 그림목차 ... 32
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 38
• 1-1. 연구개발 목적 ... 38
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 39
• 1-3. 연구개발 범위 ... 44
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 48
• 2-1. 국내 기술 수준 및 시장 현황 ... 48
• 2-2. 국외 기술 수준 및 시장 현황 ... 50
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 52
• 3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 ... 52
• 가. 통합과제 기술개발 최종 목표 ... 52
• 나. 총괄 과제 기술개발 목표 ... 52
• 다. 연구개발의 내용(범위) ... 53
• 라. 연구개발의 추진전략․방법 ... 57
• 마. 추진체계 ... 59
• 3-2. 연구개발 결과 및 토의 ... 61
• 가. 공정 조사 ... 61
• 나. 산성가스 제거를 위한 Wet 처리 설비 개발 ... 73
• 다. 통합 시스템 Design 초안 도출 ... 89
• 라. 200 LPM급 통합 설비 설계 ... 94
• 마. 200LPM 통합설비 시작품 제작 및 성능평가 ... 100
• 바. 200LPM 통합설비 시제품 제작 및 성능평가 ... 119
• 사. 600LPM 통합설비 시작품 제작 및 성능평가 ... 128
• 아. 200LPM 통합설비 현장 데모기 제작 및 현장 평가 ... 138
• 자. SEMI 인증 ... 138
• 카. 신기술 인증 ... 139
• 타. 수요기업 현장 시험 및 평가 계획 ... 140
• 파. 위탁 연구기관 ... 141
• 하. 연구개발 성과 ... 206
• 3-3. 연구개발 결과 요약 ... 211
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 213
• 4-1. 목표달성도 ... 213
• 4-2. 관련분야 기여도 ... 215
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 216
• 5-1. 사업화 계획 ... 216
• 5-2. 기술이전 계획 ... 218
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 219
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 219
• 8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 219
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 219
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 220
• 11. 기타사항 ... 220
• 12. 참고문헌 ... 220
• 부록1. 500~3000LPM Wet Tower 설계 ... 222
• 부록2. 단위기술 Interlock 예상목록 ... 229
• 부록3. 200LPM 현장 데모기 고객사 반입 계약서 ... 232
• 부록4. 성능평가서 ... 236
• 끝페이지 ... 249