TSUGA: 논문에서 성공적인 DeNOx 솔루션으로
반도체 생산에서 질소산화물(NOx)의 효과적인 제거는 매우 중요합니다. 이러한 유해 화합물은 생산 과정에서 발생하며, 환경과 건강에 상당한 위험을 초래할 수 있습니다. DAS Environmental Experts는 이러한 유해 폐가스를 효율적으로 정화할 수 있는 혁신적인 솔루션으로 고객을 지원합니다.
Subfab에서의 효율적인 효율적인 질소산화물(NOx) 저감
DeNOx 공정은 반도체 생산 과정에서 발생하는 질소산화물을 제거하고, 이후 서브팹(Subfab) 내 공정가스를 처리하는 데 사용됩니다. 질소산화물은 환경과 인체에 위험을 초래하는 유해 화합물입니다. DeNOx 공정은 촉매와 환원제를 이용하여 배출되기 전에 질소산화물을 흡수하거나 화학적으로 전환함으로써 환경 오염을 줄이는 데 기여합니다.
DAS Environmental Experts(DAS EE)는 2017년부터 반도체 생산에서 질소산화물 효율적 처리를 위한 문제에 착수하였고, 이후 TSUGA라는 독립형 2차 폐가스 정화 솔루션을 빠르게 개발했습니다. 처음에는 내부 개발 프로젝트의 석사 논문으로 시작되었지만, 이후 빠르게 확산되었습니다.
특히 Saxony의 우수한 연구 생태계, Technical University Dresden & Technical University Bergakademie Freiberg의 지원과 협력하여, DAS EE의 연구개발팀은 Burn-Wet 시스템과 같은 폐가스 처리 시스템 하류에 연결 가능한 2차 정화 시스템을 이용해 보다 효율적인 폐가스 처리 방법에 집중했습니다.
실험 설계
첫 단계로, 상류에 먼지 필터가 장착된 단순화된 실험실 시스템이 구축되었습니다. 이 시스템은 암모니아를 이용한 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction, SCR)을 기반으로 합니다. 반도체 생산에서 발생한 폐가스는 먼저 통합 연소 공정을 갖춘 Burner Scrubber 시스템에서 처리되고 세척됩니다.
다음 단계에서는 이미 처리된 폐가스를 하류의 DeNOx 시스템 내 고효율 membrane 필터를 통해 SCR 반응기로 전달합니다. SCR 반응기에서는 환원제로서 암모니아(NH₃)가 혼합되며, 180 °C에서 300 °C 범위의 온도로 가열됩니다. 이후 폐가스는 벌집형 촉매 (Honeycomb Catalytic Converter)를 통과하며, 암모니아와의 반응을 통해 질소(N₂)와 수증기(H₂O)로 환원됩니다.
왼쪽의 다이어그램은 TSUGA의 작동 원리를 보여줍니다.
높은 제거 효율
이 시스템은 NOx에 대해 최대 95%의 매우 높은 제거 효율을 달성하며, 전체 미세먼지 총량에 대해서는 최대 99.9%의 인상적인 효율을 보여줍니다. 처리된 가스는 이후 안전하게 환경으로 방출될 수 있습니다. 이러한 뛰어난 성능에는 여러 요인이 기여하며, 그중 가장 중요한 것은 소형화와 고효율을 동시에 만족시키도록 특별히 설계된 SCR 반응기입니다.
암모니아 첨가, 적절한 온도 선택, 공정 열의 최적 활용 등 모든 매개변수를 정교하게 조정한 덕분에, TSUGA는 비교적 낮은 추가 에너지 소모와 낮은 암모니아 누출(NH₃ slip)로 앞서 언급한 효율을 달성합니다. 동시에, 통합된 입자 필터는 촉매 변환기를 최대한 보호합니다.
또한, 여러 학생들의 연구 논문에서는 온라인 측정을 기반으로 한 효율과 암모니아 누출을 실시간으로 제어하는 효율적인 제어 개념 개발 등 공정 최적화의 추가 가능성을 다루었습니다. 시스템 구성 요소 간 상호작용을 실제와 유사한 조건에서 평가하기 위한 종합적인 시험도 수행되었습니다. 효율 측면뿐 아니라 열 회수와 분리 성능 외에도, 민감한 압력 요구사항을 충족하는 운전 안정성에 중점을 두었습니다.
연구실 프로젝트에서 Pilot Plant로 발전
2021년, 이 접근법은 질소산화물(NOx) 배출을 획기적으로 줄일 혁신적인 솔루션을 찾고 있던 한 유명 반도체 제조업체로부터 큰 관심을 받았습니다. DAS EE는 이 회사에 오래전부터 신뢰할 수 있는 환경 기술 솔루션 제공업체로 알려져 있었습니다. 고객과 긴밀히 협력하여, 연구실 수준의 프로젝트는 불과 6개월 만에 Pilot Plant로 전환되었으며, 2022년 제조사의 서브팹(Subfab)에서 초기 내구성 테스트를 진행했습니다. 고객의 구체적인 요구 사항에 기술을 신속히 맞춤화함으로써, DAS Environmental Experts는 당시 아직 이름이 없던 시험 시스템의 성능을 입증할 수 있었습니다.
예상치 못한 도전 과제는, 이후 TSUGA*라는 이름이 붙은 SCR 시스템이 처음 예상과 달리 DAS EE의 burn-wet 시스템 하류가 아닌, 다른 공급업체 시스템의 하류에 연결되어야 했다는 점이었습니다. 상류 공정의 가스 유량 및 기타 특성에 맞춰 시험 설비를 조정함으로써, 환경 전문가들은 다양한 공정 순서에 TSUGA를 유연하게 적용할 수 있는 귀중한 경험을 얻었습니다.
기술 사양
DeNOx: 암모니아를 이용한 SCR (선택적 촉매 환원)
NOx 발생원과 관계없이 높은 제거 효율: 최대 95% **
낮은 NH₃ slip: 투입되는 환원제의 정밀 제어를 통해 10 ppm 달성 **
NO와 NO₂에 대해 폭넓은 농도 범위(최대 4000 ppm)에서 유연한 적용 가능, 총 유량 최대 5000 slm
낮은 에너지 요구량: 저온 공정 및 열교환기를 통한 에너지 회수
DeDust: Membrane Filter (표면 여과)
촉매 전처리에 필수
PM2.5, PM10, 총 먼지 분획 제거 효율 높음 (최대 99.9%)
일반적인 연소 후 발생하는 미세먼지(PM) 처리에 적용 가능
** NOxDRE와 NH₃ slip간의 상충 관계: DRE를 높이면 NH₃ 누설이 증가하고, 반대로 DRE를 낮추면 누설이 감소합니다.
교차 기능 협업을 통한 성공
이러한 신속한 시스템 개발은 DAS의 폐가스 처리(BUG) 사업부 & 폐수 처리 (BUW) 사업부 간의 탁월한 협력 덕분에 가능했습니다. 폐수 사업 부문은 전통적으로 프로젝트 기반으로 운영되며, 정해진 장소와 일정 내에 고객의 세부 사양을 정확하게 구현해야 합니다. 이러한 특화된 프로젝트 관리 방식이 실험실 설비를 빠르게 성숙한 고객용 제품으로 발전시키는 데 성공적으로 적용되었습니다. 공동 노력의 결실은 빨리 나타났습니다. 파일럿 프로젝트가 완료되기 전에도, DAS EE는 대량 생산(HVM)에 최적화된 추가 TSUGA 시스템 주문을 받았습니다.
DAS EE는 고객이 보여준 큰 신뢰를 자랑스럽게 생각하며, 이는 지능형 환경 솔루션 개발에서 성공적으로 수행한 작업에 대한 인상적인 증거입니다 !!
모든 DAS 제품명과 마찬가지로 TSUGA라는 이름은 식물학에서 유래되었으며, 주로 내구성과 습기에 대한 저항성이 특징인 전나무류(hemlock) 속(genus) 이름을 따왔습니다.
