산업혁명 이후 급격히 문명이 발달함에 따라 산업의 발달은 자원 고갈,환경,에너지,지구 온난화 등의 많은 문제들을 야기시켰다.특히 지구 온난화로 인해 기후 변화,해수면의 상승,해수의 흐름,생태계 파괴 등의 2차적인 문제들이 발생되며,이에 따라 생물권도 기후의 변화에 따라 생존의 위협을 받고 있다.
국제적으로 이러한 문제를 해결하기 위해 지구 온실효과를 일으키는 온난화가스의 규제,방지 및 관리를 통해 온실가스를 감축하고,배출량을 줄이지 않는 국가에 대해서 비관세 장벽을 적용하도록 규정한 국제협약인 교토 의정서를 발효하였다.교토 의정서에는 2008년부터 2012년까지의 기간 중 선진국의 온실가스배출량을 1990년 대비 전체 평균 약 5.2% 감축하도록 규정하였으며,현재 대한민국은 개발도상국으로 분류되어 온실가스 감축의무는 없었으나 Post-교토체제에서는 감축의무를 부담하게 될 가능성이 높다.IPCC 보고서에 의하면 지구 온난화의 주범으로 6대 온실가스인 이산화탄소,메탄,산화질소,수불화탄소류,과불화탄소류,육불화황으로 지정하였다.이 중에서 육불화황은 전체 배출되는 온실가스 중에 차지하는 비중은 1% 정도지만,육불화황의 지구 온난화 지수는 23,600으로 상대적으로 높아 지구온난화에 미치는 영향이 매우 높다.
SF6 가스는 열적 안정성과 우수한 절연 특성 등으로 인해 중전기산업에서 절연 기체로서 약 80% 정도 사용되며,에칭 및 클리닝 가스로써 반도체 및 LCD제조 공정과 마그네슘 등의 경금속 제조공정에서 약 20% 정도가 사용되고 있다.
특히 대한민국의 경우,세계 일등 산업인 반도체 및 LCD제조 산업이 지속적으로 성장 추세를 보이고 있어 SF6 가스의 사용량이 증가하고 있다.이러한 산업에서 배출되는 저농도의 SF6 폐가스는 약 1,000~2,000ppm으로 질소 및 수증기와 함께 대기 중으로 배출되고 있다.반도체 및 LCD 산업공정에서 배출되는 저농도 SF6 폐가스는 세계적으로 배출감축을 위한 처리 기술이 활발히 연구되고 있는데,저농도의 SF6 폐가스를 처리하기 위한 기술로는 열분해,플라즈마 분해 및 촉매식 분해 등의 방법을 위주로 연구가 진행되고 있다.산업공정에서 배출되는 SF6 폐가스의 SF6의 농도는 매우 희박하고,많은 양의 폐가스가 발생하기 때문에 처리하기 위한 장비 및 장치의 규모가 크며,운전효율도 매우 낮다.
이러한 문제를 해결하기 위해 SF6 폐가스를 높은 회수율로 농축시키는 기술이 요구되고 있 다.SF6 폐가스를 농축 기술로는 흡수법,심냉법,막분리법,흡착법등이 있다.흡수법은 전 세계적으로 60년 이상의 연구로 얻어진 방대한 양의 정보가 축적되어 이를 바탕으로 전 세계적으로 수십기의 플랜트가 가동되고 있다.이 방법은 기존의 공장을 변형하지 않으면서 공정을 개선할 수 있는 큰 장점을 가지고 있으나,SF6를 회수 또는 분리하는 과정에서 폐수문제,부식문제 등의 단점을 가지고 있다.비등점 차이에 의한 분리 방법인 심냉법은 배출되는 SF6 폐가스
의 농도가 희박하고,대기압에서의 SF6의 비등점은 -64℃로 많은 에너지가 소모되는 단점이 있다.
반면에 현재 가장 연구가 활발히 되고 있는 막분리법은 높은 농축효율과 장치의 조작이 간편하고,가스의 상이 변화하지 않는 분리방법으로써 타 분리방법에 비하여 높은 에너지효율을 갖고 있다.이에 더불어 분리막 공정 투과측의 감압방식을 사용한다면 기존 집적화되어 설치된 LCD 및 반도체 제조공정과의 부하를 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.또한 흡착법을 통한 저농도의 SF6 폐가스에 대한 농축기술은 주로 압력 및 온도를 제어 함으로써 흡착/탈착을 반복하는 공정으로 높은 회수율을 갖는 장점을 가지고 있다.
본 연구에서는 분리막법과 흡착법의 연계를 통해 분리막법과 흡착법을 보완한 하이브리드시스템을 설계하여 제조 산업 등에서 배출되는 저농도의 SF6 폐가스로부터 효율적으로 SF6를 분리 및 회수하는데 기여하고자 한다.
SF6
SF6는 화학적 열적안정성을 가진 500℃이상의 열에서도 분해되지 않는 특성이 있으며,우수한 절연특성으로 인해 전력설비의 소형화,경량화,고성능화에 주축이 된 물질이다.
전 세계에서 SF6를 사용하는 용도 및 그 규모를 보면 반도체 및 LCD 제조공정에서 에칭용 가스 및 클리닝 가스로 사용되며 희박 농도의 SF6 폐가스는 열분해,플라즈마 분해 및 촉매식 분해 등의 방법으로 처리된다.반도체 및 LCD 제조 공정,유리 제조 공정,마그네슘 주조공정 사용량이 전체의 20% 정도를 차지하고 있으며,SF6는 중전기용 전력기기의 절연가스로 사용되고 중전기 부문 사용량이 전체 SF6 사용량의 80%를 차지하고 있다.
전 세계의 주요 국가별의 SF6 사용 및 제어관련 시장 규모를 살펴보면,일본의경우,GIS (GasInsulatedSwitchgear)unit에 사용하는 SF6의 양이 1980년을 기준으로 급격하게 증가하는 추세이며 1990~1995년 사이에 사용된 양은 2,300톤으가 있는 것으로 추정되고 있다.이 중 대기 중으로 방출된 양은 기체공급업체에서 200톤,전력설비 제조업체에서 400톤 그리고 사용현장에서 50톤이 방출되어 총 650톤이 손실된 것으로 조사되었고 이러한 경향은 전력설비의 꾸준한 수요증가를 고려하면 더욱 심화될 것으로 예상된다.또한 2010년까지 사용된 SF6의 양
은 약 13,800톤으로 추정된다.1995년 기준 전 세계 SF6 가스 생산량의 약 10%인 800톤 정도를 독일에서 소비하고 있으며,그 중 약 절반에 가까운 46.3% (370톤)을 중전기 산업에서 사용되었고,배출량 측면에서 전 세계 사용량의 30%인 250톤 정도가 대기 중으로 배출되고 있다.
특히 그중에서도 전기설비에 의한 배출량은 총 배출량 대비 5.4%인 13.5톤 정도로 나타나고 있으며 이미 이 당시에독일은 중전기기 산업 분야에서의 누설 방지기술이나 회수처리 기술 등에 의해 충분히 관리되고 있어 SF6 배출량이 비교적 적은 것으로 판단된다.SF6의 전 세
계적인 사용규모는 연간 약 7,500톤으로 계속해서 사용량이 지속적인 증가추세로 보고되고 있다.SF6 제어설비는 연간 30% 내외로 성장할 것으로 예상되나 2013년부터 기후변화 협약이행 등으로 수요가 클 것으로 판단된다.
SF6는 온난화가스 배출규제에도 불구하고 대체물질 부재로 인해 소비량의 증가폭은 작지만 연간 1% 이상 꾸준히 증가할 것으로 판단된다.반면 중전기기 및 반도체,LCD제조 등 각 분야에서 제어/처리 관련 기술 및 대체물질 등에 관한 국내시장은 2014년 이후에 크게 성장할 것으로 예상되고 있다