In-situ 환원/소결법을 이용한 다공성 멤브레인 가스필터의 제조 및 특성평가

Abstract

본 연구의 목적은 반도체, 태양전지 및 LCD 등의 제조 공정에서 사용되는 극청정 가스필터의 제조기술을 개발하고, 이의 물성을 평가하는데 있다. 반도체, LCD 등의 제조공정에서는 초고순도 가스 또는 화학약품이 다량 사용되어지는데, 이러한 핵심 원료의 극청정성을 유지하기 위해서는 미세입자를 제어할 수 있는 가스 필터가 필수적인 부품이며, 반도체 공정뿐만 아니라 항공우주, 의약 및 바이오분야 등에 걸쳐 널리 요구되고 있다. 금속분말을 이용한 가스필터 멤브레인의 경우 출발원료인 금속분말이 금속섬유에 비해 단가가 저렴하고 다양한 형상으로 성형이 가능하며 좋은 기계적 강도를 발현하는 장점이 있으나, 약 30~40%의 낮은 기공도를 가지고 있으므로, 본 연구에서는 기공 형성제(pore forming agent)를 첨가하여 금속 멤브레인을 제조하고 특성을 평가 하였다. 첫째로, 출발물질로서 기공 형성제가 없이 스테인레스 분말을 사용하여 진공소결을 행함으로써, STS 멤브레인을 제조하였고, 평균기공율 30%, 평균 기공크기 1.95㎛의 STS 멤브레인 필터를 제조하였다. Particle counter test를 통한 입자의 제거 효율을 측정한 결과, 414kPa의 조건하에서 약 2분 이내에 10nm의 입자의 수가 10개 미만으로 측정되어 depth filteration의 효과에 의해 입자의 제거가 수행됨을 알 수 있었다. 수분 측정 테스트를 행하여, 220ppb까지 수분이 감소하는 것을 확인하였고, 제조한 필터의 차압테스트 결과, 가스 유량이 30slpm 일 때 inlet 압력은 약 207kPa였으며, 50slpm 일 때 inlet 압력은 약 414kPa로서, 이때의 차압은 각각 50kPa과 60kPa로 측정되었다. 즉, inlet 압력이 100% 증가하여도 차압은 약 20%밖에 증가하지 않음으로서 양호한 투과율을 나타냄을 알 수 있었다. 실험의 결과로써, 본 연구에 의한 STS 멤브레인 필터는 산업적으로 적용이 가능함을 확인하였다. 둘째로, NiO 분말과 solid pore forming agent로서 고분자인 PMMA(polymethyl metacrylate)를 첨가하여 in-situ한 환원/소결 공정을 통해, 금속섬유를 이용하여 제조한 것과 비슷한, 52% 이상의 기공도를 가지는 다공성 니켈 멤브레인을 제조하였다. 제조된 니켈 멤브레인은 PMMA의 양에 따라 평균기공크기와 기공도가 증가하였으며, 이는 PMMA의 증가에 따라 입자 재배열이 억제되었기 때문이다. 또한 환원/소결 온도가 800℃에서 1000℃로 증가함에 따라 최대 21%의 기공도의 감소가 발생하였다. 이러한 현상은 소결 단계에 따른 미세구조의 차이로써 800℃에서 환원/소결된 멤브레인의 경우 표면 확산이 지배적인 반면 1000℃에서 환원/소결된 멤브레인은 격자 확산 및 입계 확산까지 진행되었기 때문이다. 본 연구에서 제조된 다공성 니켈 멤브레인은 가스 필터에 적합한 미세구조(penetrated pore)와 높은 기공도를 나타내었으며, 금속 산화물 분말을 이용한 가스필터용 다공성 금속 멤브레인의 가능성을 확인시켜 주었다. 마지막으로, 초기 원료분말인 NiO/PMMA 혼합 분말의 열분해 및 수소환원 거동의 규명을 위해 열중량 분석을 시행하여 수소환원 거동을 속도론적인 관점에서 해석하였고, 필터 성능 및 차압측정을 위해 particle counting system을 통하여 그 특성을 분석하였다. 이를 위해 디스크 형태의 다공성 니켈 멤브레인을 800℃의 수소 분위기에서 NiO/PMMA의 혼합분말을 사용하여 in-situ 환원/소결법을 통해 제작하였다. 제작한 멤브레인의 기공율(49~58%)을 PMMA의 첨가량에 따라 측정하였다. TG/DTA에 의하여 NiO/PMMA 혼합 분말에서의 NiO의 활성화 에너지로부터 PMMA의 열분해 시 NiO의 환원 기구 및 입계 확산에 영향을 미치는 것을 확인하였고, 이때의 활성화에너지를 Kissinger방법에 의하여 계산한 결과, 61.1 kJ/mol 이었다. 필터 성능 및 차압 테스트를 통해 니켈 멤브레인의 미세 입자 제거 능력을 확인하였다. 기존의 실험결과, NiO와 기공 형성제의 혼합, in-situ 환원/소결의 간단한 공정을 통해 종래에 니켈 멤브레인의 제조시 발생하는 낮은 기공도에 따른 차압 문제 및 공정 비용 문제를 효과적으로 개선할 수 있음을 알 수 있었다.