CF4의 흡착 특성에 관한 연구

안능균, 강성원, 서성섭

홍익대학교 화학공학과

A Study of Adsorption Properties of CF4

Neung-Gyun Ahn, Sung-Won Kang, Sung-Sup Suh

Department of Chemical Engineering, Hong-Ik University

서론

PFC(PerFluoroCompounds)는 오존층을 파괴하는 CFC(ChloroFluoroCarbon)를 대체하기 위하여 개발된 물질로서 반도체 공정의 CVD(Chemical Vapor Deposit), Etching, 세정 단계에서 널리 사용되고 있다. PFC는 오존층을 파괴하지 않으며 CFC처럼 화학적, 물리적으로 안정성이 높기 때문에 CFC의 대체물질로서 사용되고 있다. 그러나 CO2에 비해 6,500∼9,200배의 높은 온실효과를 나타내어 또다른 환경 문제의 요인이 되었다. 비록 CO2에 비해 배출량은 적지만 점점 더 배출량이 증가하고 있으며, 잘 분해되지 않아 대기중에 머물러 있는 기간이 3,000∼50,000년 정도로 매우 길다. 따라서 국제적으로 PFC의 배출을 줄이기 위한 노력들을 하고 있다. 본 연구도 PFC를 효과적으로 제거하기 위한 방법 중의 하나로서 흡착을 이용한 방법의 적용을 위해 실험을 진행하였다.

PFC의 제거기술로는 현재 사용되는 방법으로는 소각 열분해법과 저압 플라즈마를 이용한 분해법 등이 있으나 저농도의 PFC에 대해 적용하기 어려우므로 PFC의 효과적인 회수가 선행되어야 한다. 또한 PFC를 분해하지 않고 회수율을 높여 재사용하는 방안도 고려할 수 있을 것이다. 이 때 사용할 수 있는 방법이 흡착이다. PFC를 효과적으로 흡착하여 제거하기 위해 PFC에 알맞는 흡착제와 조업조건들을 찾아야 한다. 이를 위해 정적흡착실험 장치를 제작하여 실험을 실시하였다.

PFC 가스로는 CF4, C2F6, C3F8, C2F4, C4F8, CHF4, C2F5H 등의 탄소와 불소 화합물 외에도 SF6, NF3 등 탄소 대신 황이나 질소가 포함된 화합물도 있다. 이 중에서 가장 많은 비중을 차지하고 있는 것은 C2F6와 CF4인데 본 연구에서는 대표적인 물질인 CF4에 대하여 우선적으로 실험을 수행하였다. 대기의 구성 성분인 질소와 산소에 대해서도 실험을 실시하여 CF4와의 선택적 분리가 가능한지 알아보았다. 흡착제로는 활성탄 12∼20mesh, 20∼40mesh와 제올라이트를 사용하여 그 중에서 CF4를 가장 잘 흡착하는 흡착제를 찾아보았다. 주어진 흡착제에 대해서는 가스의 압력 변화에 따른 흡착량 변화를 측정하였고 온도의 변화가 흡착량에 미치는 영향을 조사하였다.

실험

1. 실험장치

본 실험의 실험장치는 원료가스 주입부와 저장부, 흡착부, 탈착부로 크게 네 부분으로 나누어 생각할 수 있다.

Fig. 1. Static Adsorption Experiment Equipment at Low Pressure

원료가스 주입부는 압축가스탱크로부터 PFC와 산소, 질소를 Buffer Tank를 통해 저장부로 보내는 역할을 한다. Vessel #(1∼6)까지는 저압 저장탱크로 사용되며, Vessel #(7∼10)은 흡착제가 채워져 흡착 및 탈착이 일어나는 곳이다. 흡착부는 흡착시 온도고정을 위한 항온조와 탈착시 온도를 높여주기 위한 Heating Mantle로 구성되어 있다. 탈착부는 Vaccum Pump와 탈착효율을 높이기 위한 Diffusion Pump로 되어있다.

2. 실험방법

흡착량의 계산을 위해 van der Waals 기체상태 방정식을 이용하여 P·V·T 관계에서 몰수의 변화량을 구한다. 일정량의 흡착제를 vessel #7에 넣고 흡착제를 완전히 진공 건조 시키기 위해서 분리된 vessel #7을 진공펌프에 연결하고 주위에 heating mantle을 설치하여 고온 진공 건조시킨다. 그리고 탈착된 흡착제의 질량을 측정한다. Vessel #7을 장치에 연결하고 흡착제를 다시 완전히 진공 건조 시키기 위해서 같은 방법으로 탈착시킨다. Valve #13을 잠근다. vessel #7의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 항온조를 사용하여 온도를 일정하게 유지한다. 이 때 valve #13은 반드시 잠겨진 상태로 하여 진공을 유지한다. 흡착실험 전에 각 부분의 valve가 잠겨 있는지 확인한다. Valve #14, #15, #16을 잠그고, vessel #8, #9, #10을 분리한 후, 각각의 vessel에 측정하고자 하는 시료를 주입한다. Valve들을 차례로 열어 vessel #4, #5, #6 등에 확산시켜 넣은 후 valve #8'을 잠그고 압력, 온도를 측정한다. 이 때의 부피값과  van der Waals식을 이용하여 기상의 몰수를 계산한다.

[eqn: left( P_i + {n_i^2`` a} over V_i^2 right) ```` left( V_i - n_i ``b right) = n_i ``R``T_i]

()

Valve #13을 열어 흡착을 시킨 후 평형 상태에 도달하였을 때 압력, 온도, 부피(Po, To, Vo)관계를 이용하여 감소된 기상의 몰수를 계산한다.

[eqn: left( P_o + {n_o^2`` a} over V_o^2 right) ```` left( V_o - n_o ``b right) = n_o ``R``T_o]

()

이 때 감소된 기상의 몰수가 흡착량이다.

[eqn: q = n_i - n_o]

()

실험결과

흡착제인 활성탄 12∼20mesh, 20∼40 mesh, 제올라이트 별로 30℃, 50℃, 70℃에서 CF4의 등온흡착 실험을 하였는데, 그 결과를 각 온도별 흡착량 대 압력의 관계로 Fig. 2, 3, 4에 각각 나타내었다. 이 그래프로부터 우선 Langmuir 등온식에 근접한 불연속적인 점들이 얻어짐을 확인하였고, 흡착성능에 대해 같은 조건에서 각 흡착제를 비교하면 제올라이트가 가장 흡착성능이 뛰어나다는 것을 알 수 있었다. 또한 보다 세밀한 입경을 가지는 20∼40mesh가 12∼14mesh보다 흡착성능이 좋게 나타남을 확인할 수 있었다.

Fig. . Adsorption Amount for CF4

on Activated Carbon 12∼20mesh

Fig. . Adsorption Amount for CF4

on Activated Carbon 20∼40mesh

Fig. 4. Adsorption Amount for CF4

on Zeolite 5A 40∼60mesh

실제로 PFC 가스가 대기 중에 노출이 되므로 CF4의 흡착량과 질소, 산소의 흡착량을 비교하기 30℃에서 질소, 산소의 흡착실험을 하였다. 이 실험의 결과 그래프는 Fig. 5, Fig. 6에 나타내었다. Fig. 5가 질소, Fig. 6이 산소에 대한 흡착실험 데이터이다. 활성탄 12∼20mesh, 20∼40mesh에 대해서는 두 그래프에서 거의 동일한 값으로 나타났고, 제올라이트만이 질소의 경우에 흡착량이 가장 많았고, 산소의 경우 흡착량이 가장 적었다.

중요한 것은 CF4가 질소, 산소에 비해서 흡착량이 월등히 높다는 것이다. 이는 실제 대기 중에서의 CF4 가스 농도와는 다르지만, 질소, 산소와 CF4가 흡착에 있어서 큰 변별력을 가지므로 흡착을 통해서 회수 및 제거될 수 있음을 확인시켜 주는 것이다.

비교적 저압영역에서의 실험결과이기 때문에 질소, 산소의 경우 온도에 따른 흡착량의 차이가 적게 나타났다. 이 또한 CF4에 비해서 질소, 산소가 흡착이 덜되기 때문이다.

Fig. . Adsorption Amount

for Nitrogen

Fig. . Adsorption Amount

for Oxygen

결론

이번 CF4 등온 흡착실험을 통해서 여러 흡착제들에 대해서 압력 증가에 따라 흡착량이 증가하는 것을 정량적으로 구할 수 있었다. 흡착량과 압력 사이의 관계가 Langmuir 등온식으로 적절히 나타내어졌다. 흡착 현상이 발열과정이라는 점에서 짐작할 수 있듯이 온도의 증가에 따른 흡착량 감소를 확인하였다. 또한 흡착제별로 CF4와 질소, 산소의 흡착성능을 비교했을 때 제올라이트가 CF4에 대해서 가장 뛰어난 흡착제임을 알 수 있었다. 질소, 산소에 대해서는 흡착량이 CF4와 크게 차이가 나므로 대기 성분과 섞여있는 CF4를 흡착을 통해 분리·회수할 수 있음을 확인하였다.

이 실험으로부터 CF4가 흡착을 통해 분리 가능함을 확인하였지만 흡착공정을 설계하기 위한 정량적인 결과를 얻기 위해 좀 더 많은 실험을 통한 데이터 획득이 요구된다. 다양한 흡착제와 넓은 조업조건에서의 실험으로 더 나은 결과를 얻을 수 있을 것이다. 또한 CF4외의 PFC 가스들은 서로 다른 흡착특성을 갖기 때문에 이에 대한 연구도 필요하다.

참고문헌

[1] 이규성, □대기오염제어공학□, 형설출판사, 279-286(2000)

[2] Ruthven, D. M., □Principles of adsorption and adsorption processes□, John Wiley and Sons, (1984)

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[4] Wankat, P. C., □Rate-Controlled Separation□, Elsevier Applied Science, 217-239(1990)

[5] Yang, R. T., □Gas Separation by Adsorption Process□, Butterworth Publishers,  Boston, 27-67(1987)