초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
지구 온난화 지수(GWP)가 상당히 높은 PFCs(6,500~9,200배)와 SF6(23,900배) 가스는 반도체/디스플레이 제조 공정에서 증착 공정 후 챔버 내부에 생기는 잔류물 제거 및 식각, 증착 공정에 주로 사용되고 있으며, 현재 반도체 3차원(3D) 낸드 생산이 본격화 되었기 때문에 화학증착 작업이 4배 이상 늘어날 것으로 예상되어진다. 이처럼 현재 전자산업이 지속적인 성장세를 유지하고 있기에 생산라인 증설과 더불어 공정 배가스 처리장치는 공정라인 건설 시 필수 설비로 그 시장 또한, 지속적인

□ 연구의 목적 및 내용
지구 온난화 지수(GWP)가 상당히 높은 PFCs(6,500~9,200배)와 SF6(23,900배) 가스는 반도체/디스플레이 제조 공정에서 증착 공정 후 챔버 내부에 생기는 잔류물 제거 및 식각, 증착 공정에 주로 사용되고 있으며, 현재 반도체 3차원(3D) 낸드 생산이 본격화 되었기 때문에 화학증착 작업이 4배 이상 늘어날 것으로 예상되어진다. 이처럼 현재 전자산업이 지속적인 성장세를 유지하고 있기에 생산라인 증설과 더불어 공정 배가스 처리장치는 공정라인 건설 시 필수 설비로 그 시장 또한, 지속적인 증가가 예상되고 있다.
반도체 산업은 세계 반도체협의회 PFCs 감축 프로그램 합의를 통해 10% 감축목표를 설정하였으며, 산업체를 포함한 각 연구기관에서는 반도체 공정에서 발생되는 온실가스(PFCs, SF6, NF3) 및 2차 반응물질(HF, HCl, NOx)등을 복합적으로 저감하기 위한 대안을 연구하고 있으나 그 기술은 아직 미흡한 실정이다.
본 연구에서 개발하고자 하는 반도체 열 교환 복합처리장치는 반도체 공정 배가스의 특성 및 에너지 절감 측면을 고려하여 PFCs, SF6, NF3 및 2차 부산물인 HF, HCl, NOx의 최적 가스 처리시스템을 개발하고자 함이며, 기존 또는 신규 공장에서도 배기 병합 Line에 일괄적으로 처리하는 용량으로 온실가스 문제점을 완벽히 대응할 수 있는 기술을 개발하고자 한다.

□ 연구개발성과
< 주관 연구기관 : (주)명성씨엠아이 >
1) 배출원별 발생가스의 특성
현재 디스플레이 현장에 설치된 PFC라인의 산 가스의 배출 농도는 SF6 촉매 반응 후 발생되는 HF농도는 1000~5000ppm, HCl농도는 100ppm 수준이며, 반도체 현장의 PFC라인에서는 CF4 저감 촉매 반응 장치 후단 가스 농도는 HF 500ppm 이상, HCl 200ppm 이하의 수준으로 조사되었다. 앞서 설명한 바와 같이 이러한 고농도의 가스를 제거하기 위해 Packing type의 스크러버 설비가 촉매 반응 장치 후단에 설치되어 있으나, 이를 본 사업을 통해 개발한 후처리 시스템으로 대체함으로서, 설치부지 확보 및 유지관리가 편리할 수 있을 것으로 판단된다.
2) Pilot Test Unit 제작
본 연구의 Pilot test Unit은 최종 시작품인 30 ㎥/min급 실증화 장비의 기초 장비로 제작하였으며, 1차년도에 제작한 1㎥/min급의 기본설계 및 세부설계를 바탕으로 각종 기자재와 설계 조건을 수정 및 반영하였다. 현재 제작한 10 ㎥/min급 후처리 시스템은 PVC 재질로 제작하였으며, 향후에는 FRP재질로 제작할 수 있는 기초 설계 data자료로 적용될 것이다.
① 후처리 시스템 1CMM급 설계 및 제작
본 시스템은 F-gas 분해 후 발생되는 2차 부산물인 HF가스와 HCl 가스를 제거하기 위한 고효율 후처리 시스템으로, 기존 Packing type이 아닌 3D-Filter를 적용하여 1CMM급 설비를 제작하였다. 설비 용량은 1CMM급이나, 4CMM급까지 용량 변화가 가능하며, 이에 따라 반응속도와 액기비 양을 유동적으로 선택하여 TEST가 가능하게 제작하였다. 또한, Cabinet type으로 PLC control이 가능하게 제작하여 실증용 설비와 유사하게 제작하였다. 3D-Filter에 적용할 3D-Grid는 기본설계를 바탕으로 CFD유동해석을 진행하여 설계 DATA확보 및 제작을 통해 후처리 반응부 3D-Filter에 적용하였다.
- 처리용량 : 1 N㎥/min 급 이상
- 액기비 : 최대 10 L/㎥ (조절 가능)
- 반응속도 : 1 m/sec (조절 가능)
- 재질 : PVC 外
- Chemical : NaOH
- 외관 & 제어 구성 : Cabinet type & PLC (Touch panel)
✔ 1차년도 시작품 고효율 후처리 시스템 성능평가 결과 (시험성적서 확보)
: 조건 = 용량 1.8 CMM / 반응속도 0.5 m/sec / 액기비 6 L/㎥ / NaOH
HF 가스 저감효율 : 99% 이상
HCl 가스 저감효율 : 97% 이상
② 후처리 시스템 10CMM급 설계 및 제작
고농도의 가스 저감효율을 최대로 높이기 위해 전처리 부와 메인 반응부의 설계 조건을 각각 나눠 반영하였다. 전처리 부는 Guide vane을 2단으로 적용하여 선회류 생성을 극대화하여 분무되는 세정액과의 Mixing효과를 높였으며, 메인 반응부의 3D-Filter도 Grid를 적용하여 기체와 액체와의 접촉비를 최대로 올려 설계, 제작하였다. 반응 구간은 2Pass type으로 제작하였으며, 기존 설계에 반응한 속도조건을 변화시켜 2개월 연속 가동 및 성능평가를 실시하였다.
- 처리용량 : 10 N㎥/min 급 이상
- 액기비 : 최대 12 L/㎥ (조절 가능) / 전처리부(3.6 L/㎥), 메인 반응부(8.4 L/㎥)
- 반응속도 : 전처리부 3.0 m/sec, 메인 반응부 1.4 m/sec (조절 가능)
- 재질 : PVC 外
- Chemical : NaOH
✔ 2차년도 시작품 고효율 후처리 시스템 성능평가 결과 (시험성적서 확보)
: 조건 = 용량 10 CMM / 반응속도 1.4 m/sec / 액기비 12 L/㎥ / NaOH
HF 가스 저감효율 : 99% 이상
HCl 가스 저감효율 : 99% 이상

< 세부1 연구기관 : (주)하이낸드 >
1) 공정해석(최적의 단열 성능 도출을 위한 설계 인자 도출)
① 공정해석을 통한 시스템 구성요소 검토
② 공정해석 결과를 바탕으로 설계인자 도출
③ 각 기관의 연구데이터를 활용한 연소부, 촉매부, 열교환부에 대한 공정모델 완성
④ 2차년도 scale 변화에 따라 개선된 공정 모델 개발 완료
⑤ 전체공정 운전에 필요한 각 부분의 온도 및 입출입 열량 산출
⑥ 연소+촉매부와 열교환부에 별도의 열교환으로 추가적인 에너지 저감의 가능성 확인
2) 열교환기 개발
① 1CMM급 열교환기 설계 및 제작
② 1CMM급 열교환기 공인기관 입회 실험 결과. 열교환 효율 71.3% 달성, 에너지 절감율 45.3% 달성
③ 중/고온부의 열교환기의 목표 효율을 달성하기 위한 통합시스템을 개발 및 검토를 수행하였으며 1차년도 제품에서 발생된 문제를 해소한 10CMM급 열회수 시스템을 도출함.
④ 저온부 열교환기의 개발을 위한 기초 테스트를 수행하였으며 PI필름의 연속 접합 공정 중 특수 소재를 사용한 열융착 공정을 개발함. 또한 테프론 계열의 수지를 이용한 공정을 검토함.
⑤ 저온부 열교환기에 적용되는 소재의 부식성 테스트를 수행하였으며 이를 이용하여 저온부 열교환기의 추가적인 연구를 수행함.
⑥ 저온부 열교환기에 요구되는 기밀성 및 내 부식성을 위하여 FTEP를 이용한 열교환기 보호케이스를 설계하였고 필요 부품을 제작함.
3)단열재 개발
① 열전달 이론을 통한 이론적 검증
② 적층 단열재 제품 구현
③ 단열재의 고온 자체 성능 시험
④ 공인기관 입회 실험 결과 600℃에서 단열재의 열전도율 0.084W/mK 달성함.

< 세부2 연구기관 : 성균관대학교 >
1) F-gas 분해를 위한 고분해성 및 고내구성 촉매 개발 및 구동 프로토콜 적립
① Al₂O₃ 촉매는 F-gas 분해 후 부산물인 HF에 의한 성능감소가 급격하기 때문에, 이를 보완하기 위하여 귀금속 촉매인 A, B, C 등을 조성 및 함량 (1-5 At%)을 조절하여 표면을 개선한 촉매를 개발함.
② 귀금속 촉매인 A, B, C를 처리한 촉매를 750 ℃(1023.15 K) 구동 온도조건하 테스트한 결과 95% 이상의 높은 초기 분해성능을 보이는 촉매를 개발함.
③ 귀금속 촉매를 첨가한 촉매의 경우 95% 이상의 촉매분해성능을 50시간 동안 유지함을 확인함.
2) 저 NOx MILD연소기 구동 조건 수립 및 연소기 내 연소 특성 분석기법 개발
① MILD 연소는 연소 특성상 약 900 K 이상에서 연속적인 연소반응이 일어나므로, MILD 연소를 위해서는 pilot flame을 이용한 예열부터 시작하여 기준 온도 이상에서 운전을 전환시키는 과정이 필요하여 해당 운전 전환 프로토콜을 수립함.
② MILD 연소기의 0.6 ~ 1.0 사이 당량비의 연소 조건 및 노즐 위치에 따른 연소기 형상을 변경하여 연구를 진행하고 NOx 배출량 저감을 위한 최적화 과정을 거쳐 NOx 배출량 10 ppm 미만을 달성.
③ 구체적인 NOx 발생과정 및 효율적인 연소를 위해서는 해당 연소기의 연소특성분석이 필요한데, MILD 연소기는 복잡한 유동 특성을 가지므로 적합한 연소특성 기법들의 개발을 진행함.

□ 연구개발성과의 활용계획(기대효과)
▪ 상용화에 근접한 반도체 공정에서 발생되는 온실가스(PFCs, SF6, NF3) 및 2차 부산물(HF, HCl, NOx) 저감 기술은 국내 실증 연구를 완성하고 기술 보급을 위한 사업화 추진
▪ 국내 사업화와 동시에 틈새 시장 및 해외 시장 진출
▪ 환경산업 및 온실가스의 Management 사업화에 활용
▪ F-gas 저감 기술 개발과 사업화를 통한 전문 인력 양성 및 고용 창출

(출처 : 요 약 문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1제출문 ... 2요약서 ... 3요약문 ... 4목차 ... 11그림목차 ... 13표목차 ... 161. 연구개발과제의 개요 ... 17 1-1. 연구개발 목적 ... 17 1-2. 연구개발의 필요성 ... 17 가. 연구개발의 개요 ... 17 나. 국내 기술 수준 및 시장 현황 ... 22 1-3. 연구개발 범위 ... 29 가. 연차별 개발 범위 ... 29 나. 주관연구기관의 관련기술 보유현황 ... 312. 연구수행 내용 및 결과 ... 32 2-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 ... 32 가. 연구개발의 최종목표 ... 32 나. 연도별 연구개발 목표 및 내용 ... 33 다. 연도별 연구개발 추진일정 ... 37 라. 연도별 연구개발 평가 착안점 및 기준 ... 39 마. 연구개발 추진 전략 및 체계 ... 40 2-2. 연구개발 성과 ... 43 가. 1 Nm3/min급 촉매 시스템 후처리 기술개발 ... 43 나. 10 Nm3/min급 촉매 시스템 후처리 기술개발 ... 77 다. 연구개발 성과 ... 125 2-3. 연구 결과 ... 126 가. 연구개발 결과 요약 ... 126 나. 연구개발 성과 ... 1283. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 130 3-1. 목표 ... 130 3-2. 목표 달성여부 ... 131 가. 1차년도 연구개발 목표 및 달성도 ... 131 나. 2차년도 연구개발 목표 및 달성도 ... 132 다. 향후 진행 사항(후속 연구의 필요성) ... 1334. 연구개발성과의 활용 계획 ... 1345. 참고 문헌 ... 136부 록 ... 139끝페이지 ... 167