속보

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 최적의 초순수 공정 조합에 관한 연구

영문 : The study of Ultrapure water’s optimum process

과제 팀명

속보

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20138900** 염*상 (팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20138900** 방*원

서울시립대학교 환경공학부·과 20138900** 방*성

서울시립대학교 환경공학부·과 20138900** 추*국

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

초순수 제조를 위한 단위 공정들의 특성을 고려하여 수질 기준을 만족하며, 기존에 사용되던 표준 공정의 경제성을 향상시키는 조합을 개발하였다. 산업 활동에 사용되는 공업용수 중 반도체 산업에 요구되는 고순도 용수인 초순수(Ultrapure water)를 생산하는 단위 공정에는 여과, 이온교환, 역삼투, 탈기, 자외선 산화 등이 있다. 초순수 공정은 이러한 수처리 단위 공정들이 조합을 이룬 복합공정이다. 따라서 본 연구에서는 표준공정을 포함한 3가지 공정 조합을 비교하여 경제성을 향상시킬 수 있는 최적의 공정을 도출하고자 하였다. 또한 3가지 공정 중 최적의 공정 선정 후, 현재 강화되고 있는 초순수 수질기준에 발맞춰 한층 강화된 공정으로 교체한다.

개발 과제의 배경

현재 우리나라에서 초순수는 여러 주요 산업에서 사용되고 있다. 초순수는 연구소, 제약 제조, 디스플레이 제조, 태양광 제조, 화학제품 제조, 발전소 스팀 제조 등에서 이용되며 특히, 반도체 시장에서 많은 수요를 보이고 있다. 우리나라의 메모리 반도체 산업 시장점유율은 20여 년간 1등이며 앞으로도 시장 규모는 점차 커질 것으로 전망된다. 따라서 초순수의 수요도 이와 함께 증가할 것으로 예상된다. 

국내 산업분야가 첨단화 되어갈수록 공장을 운영하기 위한 유틸리티, 특히 산업용수 분야는 국내기술을 기반으로 한 공정 개발이 어려워지고 있는 실정이다. 이를 위해 다양한 연구가 수행되어야 할 필요가 있다. 초순수를 생산하기 위한 단위 공정인 역삼투막, 이온교환공정 등 개별공정에 대한 연구는 다수 수행이 되었으나 초순수 공정 전체 시스템에 대한 평가를 수행한 연구는 거의 없는 실정이다. 따라서 초순수를 제조하기 위한 최적의 공정을 연구해보기로 하였다.

개발 과제의 목표 및 내용

위 표준 제조 공정을 변형하여 비용 절감을 위한 새로운 공정을 연구하고자 한다. 또한 초순수는 그 특성상 수질항목 기준을 만족하는 안정성이 중요하기 때문에 경제성뿐만 아니라 안정성까지 고려해야 한다. 초순수 수질항목 기준은 아래 표와 같다. 

초순수는 일반적인 순수(pure water)보다 불순물이 극히 더 적은 물을 말하나, 일반적으로 순수와 초순수(ultrapure water)의 경계는 수치상으로는 명확하게 구분되지 않는다. 업종별로 초순수에 대한 기준은 조금씩 다르지만 대략적으로 전기저항률(비저항)이 10.0㏁･cm 이상의 물을 초순수로 본다. 일반적인 초순수 제조 공정은 다음과 같다.

이를 간단한 단위공정들의 조합으로 나타낸 예시는 위 [표 1]과 같다. 이 조합공정은 현재 많이 사용되고 있는 표준 공정이다. 여기서 각 단위공정들을 제외하거나 포함시켜 새로운 조합을 만든 후 경제성과 안정성을 평가하여 최적의 조합을 찾아보고자 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

• 초순수 공정에서 쓰이는 설비

* 사용목적
 - 수중 유기물(TOC성분) 제거

* 원리 및 특징
 - UV(자외선 : 185nm)를 조사하여 수중의 TOC와 같은 탄화수소
   분자를 산화
 - 유기물 분해를 통해 발생된 는 탄산 및 
   중탄산의 형태로 변환되어 후단의 Polisher에서 제거

* 사용목적
 - 잔류이온의 제거
 - TOC Reducer에서 유입되는 이온성분 제거

* 원리 및 특징
 - 양이온교환수지와 음이온교환수지가 혼합되어 있음
 - 일정기간 이상 사용 후 교체

* 사용목적
 - 미립자, 고분자 유기물, 세균 등의 제거
 - 초순수 공정에서 최종 Filtering

* 원리 및 특징
 - 한회여과(UF)에 의한 물질분리(체거름 효과)
 - Skid Type으로 설치가 간편하고, 유지관리가 용이
 - 안정적인 처리수질의 실현
 - 막의 내면이 막힘 구조가 아니므로 장시간 사용이 가능하고
   수명이 길다.

* 사용목적
 - 수중에 존재하는 용존기체의 제거()
 - 처리수 용존산소 ppb 단위 처리

* 원리 및 특징
 - 기체 분리막을 이용한 탈기방식
 - Skid 형태로 설치면적이 작고 유지관리가 용이
 - 유량 증가에 대한 대응 용이
 - 탈기 처리효율이 매우 높음

• 기술 로드맵

초기 이온교환공정에서 시작하여 1980년 이후에 RO(Reverse Osmosis)와 MF(Microfiltration), UF(Ultrafiltration)에 의한 막기술이 도입되었다. 이후에는 진공탈기탑 대체용으로 막탈기 장치가 적용되었고, 이와 더불어 이온교환수지와 이온교환막을 이용한 전기이온제거장치가 도입되었다. 전기이온제거장치에는 이온교환막이 사용된다. 이로서 초순수 공정의 대부분은 막 공정이 대체를 하고 있으며, 이는 더욱 증가 될 것으로 예상된다. 막공정의 예로는 앞서 말했듯이 MF/UF/RO가 있으며, 막탈기, 전기이온제거장치가 있다. 초순수의 수질관리 항목이 PPT(Parts Per Trillion) 단위의 극한 레벨에 다다르면서 분석에 대한 중요성도 강조가 되고 있다. 미량성분 분석 기술은 초기 Metal에 대한 분석이 주를 이루었으나 최근에는 보론(Boron) 및 실리카(SiO2) 등의 분석에 대한 기술도 주목을 끌고 있다.

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

→ 2단 역삼투공정에서 1단 역삼투공정으로 전환하고, pH를 9.0으로 조절하여 이온교환을 
  운전하는 공정이다. 

→ 표준공정에서 초순수 공정 중 ‘MB’ 공정을 ‘EDI’ 공정으로 대체한 것이다. 

• 마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

⦁ 효율적인 초순수 제조 공정 제안 
⦁ 초순수에서 중요한 수질항목기준 만족

기존의 공법은 수질항목기준을 만족하는걸 넘어 과도하게 중복 처리되고 있는 부분이 있어, 이를 개선
하고자 한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

⦁ 수질항목기준을 만족하는 한편, 불필요한 공정을 제거하여 경제성을 향상시킨다.
⦁ 이에 따라 소요 부지 절감, 공정 시스템 운영비용 감소 등 부가적인 경제적 이익이 기대된다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 방중원 : 자료수집 및 유입수 특성 분석
◇ 방해성 : 자료수집 및 단위공정 분석
◇ 염윤상 : 자료수집 및 수질 안정성 분석
◇ 추은국 : 자료수집 및 경제성 분석

설계

설계사양

제품의 요구사항

 본 설계에 있어 제품의 요구사항을 정하고, 필요사항(D)와 희망사항(W)를 명시하였다. 그리고 각 사항들에 중요도를 고려하여 점수화하였다.

위 계통도는 본 설계에서의 목적을 정확히 제시하는 목적 계통도이다. 이를 토대로 설계의 목적을 정확히 파악하고 구성요소를 명확히 제시할 수 있다.

개념설계안

→ 2단 역삼투공정에서 1단 역삼투공정으로 전환하고, pH를 10.5으로 조절하여 이온교환을 
  운전하는 공정이다. 또한 자외선 소독 공정을 제외한 공정이다.

→ 표준공정에서 초순수 공정 중 ‘MDG1’ 공정을 ‘VDG’ 공정으로 대체한 것이다. 
→ VDG : Vacuum DeGassifier

→ 표준공정에서 순수 공정 중 ‘SA’ 공정을 제외한 공정이다.
→ SA : Strong Anion IonExchanger 

각 공정들을 본 설계의 요구사항에 맞춰 평가한 후 최적의 공정을 선택하고자 한다.
 개념 설계 보고서에서 위 공정 형태가 경제성, 효율성 부분에서 최적의 공정임을 보였다. 하지만 최근 초순수 생산에서 주요한 동향은 수질 요구조건의 강화, 전기화학적 공정의 도입 등에 따라 개선이 요구된다. 이에따라 본 설계에서는 기존의 MB 장치를 EDI 장치로 대체하는 설계를 제시한다. 혼상 이온교환장치(MB)는 주기적인 재생이 필요하며, 재생제로는 염산, 황산, 가성소다 등의 위험성이 있는 약품을 사용하여야 한다. 또한 공정 중 폐액이 발생하여 이에 따른 폐액 처리비용이 추가로 소요된다. 반면 전기탈이온장치(EDI)는 전기투석과 이온교환수지 및 이온교환막 공정을 조합하여 재생이 불필요한 공정이다. 따라서 약품을 사용하지 않으며 재생 폐액이 생성되지 않는다.

본 조가 최종적으로 제시하고자 하는 공정은 다음과 같다.

→ EDI : Electro DeIonization (전기 탈이온 장치)

이론적 계산 및 시뮬레이션

위 개념 설계안에서 Ⓐ~Ⓓ 공정 중 최적의 공정 조합은 Ⓓ 공정이고, 이것은 지난 개념 설계보고서에서 증명하였다. 따라서 본 설계가 제시하는 EDI 장치와 MB 장치를 경제성, 안정성 측면에서 비교 분석한다.

◇ MB 와 EDI 장치 비교
수치 비교는 실제 초순수 공정을 사용하고 있는 D(대성하이피 초순수시스템) 산업체를 모델로 선정하였다. D 산업체에서는 1.2의 초순수를 생산하고 있다. 또한 업체 확인 결과 초순수 공정에서 MB 장치를 사용하고 있었다.

(1) 경제성

※ 한 달 재생제 사용량(2HCl 23kg, NaOH 50kg) / 한달 폐액 발생량 1.3ton

혼상이온공정은 혼상이온탑, 기타 계측기 등을 합하여 설계유량 1.2, 20년 기준 원단위는 88 원/㎥이고 전기탈이온공정은 전기탈이온기, 기타펌프 등을 합하여 설계유량 1.2, 20년 기준 원단위는 216 원/㎥으로 투자비 비교 시 혼상이온교환 공정이 2.5배 더 경제적인 것으로 나타났다. 그러나 운영비 측면에서는 혼상이온탑 공정이 재생제 비용과 폐액처리비용등이 발생하여 월 2,019,512원의 운영비가 발생하여 설계유량 1.2, 기준 원단위는 2,337원/㎥, 전기탈이온공정의 경우 전력비만 소요되어 월 47,168원의 운영비가 발생하여 설계유량 1.2, 기준 원단위는 60원/㎥으로 큰 차이로 전기탈이온공정의 운영단가가 더 경제적으로 판단된다.

(2) 안정성

 전기탈이온장치의 Silica 제거율은 0.85→0.15ppb로 제거됨으로 82.35 %의 제거율을 나타내고, 혼상이온탑의 Silica 제거율은 0.85→0.22ppb로 제거됨으로 74.12%를 나타낸다. 단, 출구비저항 값은 전기탈이온장치보다 혼상이온탑이 높다. 전기탈이온장치가 혼상이온탑과 비교하여 더 효율적인 것으로 판단된다. 이온교환공정에 대한 최적공정 검증결과 혼상이온탑과 비교하여 전기탈이온장치의 실리카 제거율이 더 좋으나, 전기전도도 측면에서는 혼상이온공정의 수질이 더 좋다.

(3) 종합평가
혼상이온교환 공정과 전기탈이온공정의 최적공정 검증결과 전기탈이온공정이 처리효율 및 단가측면에서 유리한 것으로 판단된다. 전기탈이온장치는 혼상이온교환 장치에서 필요한 재생제와 발생되는 폐액 처리비용이 절감되어 경제적으로 유리하다. 또한 실리카 제거율이 더 높아 안정성 면에서도 우수하다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

- EDI 공정에 대한 향후 평가
EDI 공정은 MB 공정에 비해 초기 투자비가 높지만, 운영비 측면에서 저렴하기 때문에 장기간 사용할 경우 경제적으로 유리하다. 따라서 초기 투자비를 감안하더라도 지금부터 MB를 EDI로 교체하는 것이 결국 경제적으로 이득일 것이다. 또한 MB공정은 주기적으로 폐액처리, 재생제 투입 등 노동력이 필요한 반면, EDI는 상대적으로 노동 강도가 덜 하기 때문에 근무자들의 부담도 덜 수 있을 것이다.

- 전체 공정에 대한 향후 평가 
가까운 미래에는 본 설계에서 제시한 공정이 점차 자동화 될 것이다. 초순수 생산 시스템 전부가 자동화되고, 유입 수질에 따라 알맞은 공정을 자동으로 변경할 수 있는 시스템이 개발될 것이다. 따라서 초기 프로그래밍을 위한 공정 선택, 즉 공정 조합이 중요할 것이다.