난분해성 사불화탄소(CF4) 제거를 위한 저전력 열 플라즈마 시스템 최적화 및 분해특성 연구 - 황상연 (The Graduate School, Ajou University, 2021)
온실가스 중의 하나인 과불화탄소(Perfluorocarbon, PFC)는 반도체 산업에서 광범위하게 사용되고 있는 비활성 기체로서 반도체 제조공정의 식각(Etching) 및 증착(CVD) 공정에 주로 사용되고 있으며, 대기 중에서 매우 안정하여 체류시간이 길고 지구온난화 물질로 분류되고 있다. 그러나, 사용량이 많은 삼불화질소(NF3)와 육불화황(SF6)의 경우 비교적 쉽게 열화학적으로 분해 제거가 가능하나 사불화탄소(CF4)의 경우 중심탄소가 산화되어 있는 상태로 C-F 사이의 결합력이 매우 강하고 다른 물질과의 상호작용이 적은 가장 안정적인 난분해성 물질로서 분해 제거에 어려움이 따른다. NF3, SF6 보다 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)는 작지만 대기 중 체류시간이 5만년 이상에 달하는 것으로 알려져 있으며, 현재 CF4를 완전히 대체할 수 있는 화학물질이 없고 반도체 산업의 성장추세와 함께 배출량이 증가하고 있기 때문에 고효율 저에너지 소비형 분해기술에 대한 연구가 필요하다. 기존 CF4 제거는 화학 흡착, 막 분리법 등의 분리회수 기술과 연소, 촉매, 플라즈마를 이용한 분해기술이 사용되어 왔으나 최근에는 비열(Non-thermal) 및 열(Thermal) 플라즈마 분해기술이 주로 사용되고 있으며 플라즈마 분해법의 경우 CF4와 같이 화학적으로 안정하고 분해가 가장 어려운 온실가스 처리에 유리한 기술로 평가되고 있다. 특히, 아크를 이용한 열 플라즈마의 경우 플라즈마에 의해 발생된 고온 조건의 반응부에 CF4 가스가 직접 접촉하여 CFi(CF3, CF2, CF, F-) 형태로 분해되고 화학활성종인 라디칼과의 반응을 통해 COF2, COF, CO, CO2, HF로 전환되어 최대 98%의 높은 분해효율을 얻을 수 있다. 하지만, 처리가스와의 접촉율이 떨어질 경우 분해효율이 낮아지게 되고 전력소모 증가 및 전극 내구성이 저하될 수 있으므로 저전력, 고효율의 플라즈마 발생장치(Plasma torch) 설계 및 최적화에 따른 분해기술 개발이 필요하다. 본 연구에서는 아크 방식의 열 플라즈마를 이용하여 반도체 산업에서 주로 발생되는 난분해성 CF4 가스를 처리하기 위한 고효율 저에너지 소비형 플라즈마 시스템의 최적화 설계인자를 도출하였고 아크 방전을 일으키는 공동형 양극부 및 봉형 음극부로 구성된 10 kW급의 비이송식 플라즈마 토치 설계/제작 결과 운전 효율은 75% 이상이며, 최소 8 kW에서 최대 13 kW 범위에서 운전이 가능하였다. 열역학 해석 프로그램을 이용한 CF4 가스의 열역학적 거동 및 반응 분석과 플라즈마 발생 전력량 및 전류-전압 변화, 분해효율을 높이기 위한 반응제인 H2O/CF4 공급비율 변화, 반응가스와 플라즈마 화염과의 접촉율 변화 등 운전조건에 따른 플라즈마의 특성을 관찰하고 다양한 변수들에 대한 분해 실험을 통해 최적 시스템 공정 및 운전 조건을 도출하였다. CF4 모사가스를 이용한 전력량 변화 실험 결과 인가 전력량이 높아질수록 전기장의 세기가 커지고 전자의 가속에 의한 운동에너지가 증가하여 분해효율이 증가하였으며. 동일 전력량 기준으로 전류량 변화 실험 결과 전류-전압 변화에 따라 분해 효율의 차이가 발생하여 적정한 운전범위가 존재하며 12 kW, 45A 조건에서 93.98%의 분해효율을 확인하였다. 반응제 공급량 변화 실험 결과 H2O/CF4 ratio 3.0 조건에서 분해효율이 가장 높게 분석되었으며 O∙ 라디칼은 CF4 분해를 위한 전구체로 작용하고 ∙OH 라디칼은 플라즈마 방전 시 CFi를 산화시키고 CF4 재생성을 억제함으로써 분해효율을 촉진시키는 것을 알 수 있었다. 전력량 10 kW 조건에서 반응높이 변화 실험 결과 플라즈마 화염과 격막과의 높이가 낮아져 접촉율이 증가하고 H2O/CF4 ratio가 높아질수록 CF4 분해효율이 증가하였으며, 전류 45A, H2O/CF4 ratio 3.0, 격막과의 높이 10 mm 조건에서 최대 93.87%의 분해효율을 얻을 수 있었다. 본 연구를 통해 10 kW 저전력에서 CF4 농도 5000 ppm 기준으로 분해율 90% 이상을 확인하였으며, CF4의 분해 정도는 플라즈마에 인가되는 전력 및 전압 증가, 반응제인 H2O의 적절한 공급비율, 반응가스와 플라즈마 화염과의 접촉율을 및 접촉 시간을 높이기 위한 반응로의 구조에 따라 분해 효율이 변화하는 것을 알 수 있었고 매우 안정적인 분자 구조를 가진 난분해성 CF4의 기존 분해효율에 한계를 갖는 직접 가열방식과 비교 시 아크를 이용한 저전력 열 플라즈마 시스템을 이용할 경우 효율적인 처리가 가능할 것으로 판단된다.
학위논문(박사)--아주대학교 일반대학원 :에너지시스템학과,2021. 2
Keywords: 분해; 사불화탄소; 시스템 최적화; 열 플라즈마