Membrane Filtration Plant

Ultrapure Water

1. 순수/초순수란?

초순수(Ultrapure Water)란 원수 중에 존재하는 다양한 오염물질이 거의 완전하게제거된 매우순수한 물을 말합니다.즉,초순수란 수중에 유기 및 무기 화합물,용해성 및 입자성 물질,휘발성 및 비휘발성,반응성,불활성,친수성 및 소수성,용해 가스 등 모든 유형의 오염물질에 대해 최고 수준으로 처리되었다는 사실을 강조하기 위해 일반적으로 사용되는 용어입니다.
초순수(UP Water)제조는 RO(Reverse Osmosis)막, EDI모듈, UV멸균,이온교환수지 등 여러단계의 물리적․화학적인 고도정수처리기술을 조합하여 수중의 오염물질을 제거합니다.즉,공업용수 등 원수를 Pretreatment공정에서 전처리수 생산→ Primary Treatment공정에서 순수 생산 → Final Polishing공정을 거쳐 최종의 초순수를 얻게 됩니다.

Ultrapure Water; RO+EDI

(Ultrapure Water; RO+EDI)

2. 초순수의 수질 및 용도

UP Water는 생산과 즉시 Fab(Fabrication facility)등에서 사용하는 것이 일반적입니다.이는 초순수를 저장하는 순간 공기중의 CO2가 녹아 들어가 CO32-,HCO3-로 바뀌면서 비저항이 감소되는 등 수질을 유지하면서 저장하는 것이매우 어렵기 때문입니다.반면,소규모의 경우에는 질소가 채워진 특수 Tank에 저장하여 사용하기도 합니다.
UP Water는 일반적으로 반도체,디스플레이,태양광 패널 등 다양한 초정밀 산업에서 공업용수로 광범위하게 쓰이며,UP Water는 시료에 영향을 주지 않아 각종 분석 실험실에서 민감하고 중요한 과학 분야에 사용됩니다.

1)초순수 수질기준 변화

초순수 수질에 대한 기준은 미국의 경우 미국재료시험협회(ASTM;American Society for Testing and Materials),반도체제조장비재료협회(SEMI; Semiconductor Equipment and Material Institute)를 통하여 초순수에 대한 수질기준과 평가방법을 제시하고 있으며,일본의 경우 JIS를 통하여 수질기준을 제시하고 있다.
초순수 수질은 반도체 기술의 발전에 따라 불순물 농도를 ppb(part perbillion)수준을 넘어 ppt(part per trillion)수준 이하로 요구하고 있다.


구 분	1980년대	1990년대	2000년대	2010년 이후
기 준	ASTM E-1	ASTM E-1.1~E-1.2	ASTM E-1.2~E-1.3	ASTM E-1.3
TOC(ppb)	5~50	1~5	<1	0.5~1
양이온(ppt)	50	5	1	0.5
음이온(ppt)	1000	20	10	5
입자크기(nm)	50~100	50~100	<50	<25

※초순수 수질 단위

불순물 농도 : ppb(part perbillion), ppt(part per trillion)
비저항(Specific Resistivity) : MΩ.cm (Megohm-centimeters)
- 물질의 고유 단위로서 단위면적 단위길이당 저항을 나타내는 값
전기 전도율(Conductivity) :μS/cm (Microsiemens per centimeter)
- 물체에 전기가 전도되는 정도를 나타내는 값
  ☞ 비저항과 전기 전도율은 물속의 이온의 수와 전하량과의 관계로 물속의 이온의 수가 증가되면 전도율 값은 증가하고 비저항 값은 낮아진다.
  즉,비저항은 전도율과 역수관계(비저항=1/전도율)

2)UPwater와 DIwater차이점

UP(Ultrapure)Water와 Di(Deionized) water는 모두 매우 순수한 물이라 할 수 있으나,처리방식은 확연하게 다름을 알 수 있습니다. UP Water는 상기와 같이 RO, EDI, UV등 다양한 고도의 처리공정을 통하여 제조된 Water인 반면, DI water는 Deionization과정을 통해 이온물질만 제거된 Water이라 할 수 있습니다.


구 분	Pre- treatment	RO	Ion- exchange*	254nm UV Lamp	185nm UV Lamp	Ultra- purification
DI water			IX	선택사항	×	×
UP water			EDI

* IX : Ion exchange, EDI : Electrodeionization

DIwater는 이온교환수지를 이용하여 탈이온 과정에서 물 속의 음이온과 양이온(용해염)을 거의 모두 제거한다.반면,용존유기물(DOM)및 에탄올 등의 비이온화 전해질은 제거하지 않아 저장중에 세균 번식을 일으키기 쉽다.
UPwater는 DI water와 달리 전해질 오염물질뿐만 아니라 비 전해질 오염물질과 유기물을 모두 제거한다.즉,모든 비수성 물질을 물에서 제거한다.


구 분	Ions	Organic	Colloids/ Particles	Bacteria/ DNase/RNase	Gas
DI water		×	×	×	×
UP water

(출처 : rephiLe.com)

3)초순수의 용도

기초과학 분야 :유전공학 연구소 등 분석 실험실
IT분야 :반도체 및 LCD산업 등에서 세척용수,초음파 세척용수 등
기타분야 :의료 제약분야,화학분야 및 High Technology산업,발전용 보일러 용수 등 범위 더욱 증가 예상

3.처리공정별 특징

초순수 제조는 물속의 다양한 오염물질을 완벽하게 제거하기 위하여 단계별로 선택적이고 정밀한 공정으로 구성되는데,원수의 특성 및 사용처의 요구조건에 따라 서로 다른 조합으로 구성될 수 있다.
초순수 제조공정을 안정적으로 운영하기 위해서는 생산수의 수질 측정한계 이하의 오염물질을 측정하고 정량할 수 있는 새로운 분석기술이 요구된다.특히,초순수 제조과정에서 사용중인 분석장비는 대부분 독점적인 지위를 유지하고 있어 초순수제조의 자립화를 위해서는 수질 계측기기 등에 대한 지속적이며 새로운 기술개발이 필요하다.

<초순수 제조공정 단계별 구성 및 제거대상 물질>


구 분	전처리 공정		순수 제조 공정(1차 처리)		초순수 제조 공정(2차 처리)
처리공정	- A/C필터 - MF필터 - 2단 R/O등	->	-탈기 공정 -이온교환정치(MBP) -자외선(UV)산화 - EDI등	->	-자외선(UV)산화 -이온교환장치(MBP) UF막 처리 -탈기장치 등
제거 대상 물질	-입자성 물질 용존물질 등		-용존 기체 잔류 용존이온 유기물 등		-물속 오염물질 재차 완전 제거

※ 이온교환장치(MBP: Mixed Bed Polisher):이온교환수지를 이용 수중의 이온 제거
※ EDI(Electrodeionization) :반투과성 막,이온교환수지,전기를 이용해 물을탈이온화하고 용해된 이온(불순물)을 물에서 분리하는 기술
※ TDS(Total Dissolved Solid) :총용존형물질로 물속에 녹아있는 칼슘,마그네슘 등의 무기물과,유기물 등의 양
- 총 증발 잔유물(TS; Total Solids)은 원수를 여과시키지 않고 그냥 증발시켜서 남는 모든 물질로 총부유 고형물(TSS; Total Suspended Solids)과 총용존 고형물(TDS; Total Dissolved Solids)을 합한 것
※ TOC(Total Organic Carbon) :총유기탄소량으로 보통 DOC(용존성유기탄소 : Dissolved Organic Carbon)량과 POC(입자성유기탄소 : Particulate Organic Carbon)량의 합으로 총탄소에서 CO2가 물에 용해되어 CO3-, HCO3-형태로 존재하는 무기성탄소를 뺀 값을 말함

1) RO System

R/O System은 압력에너지를 이용하여 물은 통과시키지만 용질(이온성 물질)은 거의 투과시키지 않는 역삼투막(Reverse Osmosis Membrane)에 원수를 가압하여 순수한 물만을 분리해내는 방법으로역삼투막을 거친 처리수는 이온성 물질(Cl-,Na+,SO42-,Mg2+, Ca2+,K+등)이 거의 제거 된다.

RO System

(RO System)

(1) 원 리

역 삼투법이란 자연계의 현상인 삼투현상을 반대로 역 삼투현상을 이용하여 순수한 물을 얻는 방식이다.즉,반투막을 사이에 두고 저농도 용액(담수)와 고농도 용액(해수)을 두면 저농도 용액이 고농도 용액으로 흘러가는 현상을 삼투현상이란 하며,고농도 용액에 압력을 가하여 고농도 용액에서 순수한 물만 저농도 용액 측으로 흘러 들어가는 현상을 역삼투현상이라 한다.
여기에 사용되는 반투막(멤브레인)은 물에 용해되어 있는 이온성 물질은거의 배제되고,순수한 물만 통과시키는 특수한 성질을 가지고 있다.

(2) 특 징

무기물이 유기물보다 잘 분리된다.
전해질이 비전해질보다 잘 분리된다.
전해질의 경우 하전이 높으면 분리성이 높다.(3가 이온 > 2가 이온 > 1가 이온)
비전해질의 경우는 분자의 크기가 크면 잘 제거된다.
응용범위가 넓고 온도변화가 적은 공정에 적용이 가능하며,공정설계 및 scale-up이 간단하고 운전 및 장치가 단순하여 자동화 쉽다.

2) EDI(Electrodeionization)

EDI(Electrodeionization)는 셀(cell)로 구성된 물이 통과하는 이온교환막 사이에 혼상 이온교환수지를 넣고 직류전류를 걸어주어 이온이 전극 쪽으로 끌려 제거되는 원리를 이용하는 고효율 순수제조 기술이다.

EDI Module의 외부 및 내부

(EDI Module의 외부 및 내부)

(1) 원 리

EDI기본원리는 양이온교환막은 음이온 활성기를 가지고 있어 정전기적으로 양이온만,음이온교환막은 음이온만 선택적으로 통과시키고,이온교환막 사이에 충진된 이온교환수지는 이온의 이동속도를 증가시키는 매개체로 작용하고 전기저항을 감소시키는 역활을 한다.

EDI원리

(EDI원리)

(2) 재생 원리

EDI의 재생원리는 원수가 셀에 충진되어 있는 이온교환수지를 지날 때 원수에 포함된 이온은 수지에 흡착된다.그리고 흡착된 이온은 전극판의인력에 의해 이온교환 막(멤브레인)을 통과하여 음극판(cathode)에는 양이온이,양극판(anode)에는 음이온이 모이게 된다.
동시에 물에 흐르는 직류전기가 물을 분리하여 생성된 수소(H+)와 수산화물(OH-)이온이 지속적으로 이온교환수지를 재생하여 약품 재생 없이 반영구적으로 이용이 가능한 방식이다.

(3) 특 징

일정한 고순도의 수질을 연속적으로 생산 가능하다.
약품 재생을 하지 않아 폐수 중화설비가 필요하지 않다.
전기적으로 처리하기 때문에 운전이 매우 쉽다.
유지관리가 매우 간편하며 비용이 적다.
장치가 소형으로 간편하다.
EDI의 원수는 RO수 이상이어야 하며,유입 유량이 일정해야 한다

3) MBP(Mixed Bed Polisher,이온교환장치)

MBP는 이온교환수지(Ion exchange resin)를 이용하여 고순도의 물을 생산하는데 사용되는시스템으로 , 그 종류에는 양이온교환장치,음이온교환장치 및 혼상이온교환장치 등이 있다.
이온교환장치는 주기적인 재생이 필요하며,재생제로는 염산,황산,가성소다 등의 약품이 사용된다.재생은 가동을 멈추고 약품을 이용하여 수지의 이온교환능력을 복원하는 방식으로 비가동시간이 발생하고 약품 과다 사용 등 많은 단점이 있어 이를 개선하기 위한 다양한 이온교환장치가 개발․적용되고 있다.

MBP;Mixed Bed Polisher

(MBP;Mixed Bed Polisher)

(1) 이온교환수지(Ion exchange resin)

이온교환수지는 이온교환의 매개체 역할을 하는 수지로 일반적으로 유기폴리머 기질의 백색 또는 노란색 계열이며 반경이 0.25~1.43 mm인 마이크로 비드 형태이다.표면은 큰 표면적을 위해 내․외부에 다공질을 가지고 있다.
이온교환수지의 기본적인 원리는 물속의 이온과 이온교환수지의 이온(H+,OH-)이 교환하여 물속의 이온이 제거되는 방식으로 이온 포착량이 포화상태에 이르면 약품으로 재생하여 다시 사용하는 방식이다.
재생 방법은 연수기의 경우는 NaCl용액으로 재생하고,순수장치의 양이온교환수지는 묽은 염산이나 황산 용액으로,음이온교환수지는 묽은 NaOH용액으로 재생한다.

Ion exchange resin

(Ion exchange resin & 전자현미경 확대)

(2) 이온교환수지 종류

양이온교환수지 :강산성 /약산성
음이온교환수지 :강염기성 /약염기성

(3) 용도

연수화(Softening),탈이온(Deionzation),화학약품의 정제 및 물질의 분리 등에 사용한다.
연수화란 Ca, Mg등 2가 Ion함량이 높을수록 경도가 높아져서 경수(센물)가 되는데 이온성 물질을 제거하여 단물(연수, Soft Water)로 바꾸는 것을 말한다.
이온교환수지에 의한 연수화는 역삼투 순수제조 장치에 앞서 물의 경도를 낮추기 위한 전처리 단계로 이용되기도 하며,초순수 제조공정에서는 수중의 이온성 물질을 제거하는 역할을 한다.

(4) 특징

증류 방식에 비하여 운영관리비 저렴
미생물류 거의 제거 불가
유기물의 경우도 이온을 띄지 않는 것은 거의 제거 불가
DI의 경우 레진 입자가 오염원으로 발생하며,미생물 번식 쉽다.

4) 탈기공정

탈기는 수중의 산소,탄산가스 등의 가스를 제거하는 공정으로 용존산소는 부식성이 강하여 초순수 공정에서 제거는 필수적이다.탈기 방식에는 막탈기법장치(MDG),탈탄산장치,진공탈기장치,촉매탈기장치 등이 있으며,설치 공간이 Compact하며,설치가 쉬워 막탈기장치가 많이 사용된다.

(1) 막탈기장치(MDG)

MDG(Membrane Degasifier)는 중공사형 기체 분리막을 이용하여 수중의 용존 산소 및 CO2를 제거하는 방식이다.
MDG는 전기 탈이온장치(EDI)전단에 설치하여 EDI의 효율을 높이거나초순수 설비의 최종순환단계에 설치하여 수질 개선 목적으로 사용한다.
소수성 중공사 막을 이용하여 유입수는 Membrane외부로 흐르고 Gas는 안쪽으로 흐르며, Membrane의 소수성으로 인해 유입수와 Gas는 혼합되지 않고 접촉하며,수중의 산소는 중공사막의 내부에 흐르는 Gas로 분산된다.
MDG는 설치 공간이 작고,설치가 간단하고,이동이 쉬운 장점이 있어 초순수 공정에 이용된다.

탈기막 원리

(탈기막 원리)

(2) 기타 탈기법

탈탄산장치(DG) :과포화로 용해되어 있는 탄산가스를 대기로 방산 제거
진공탈기장치(VDG) :진공 상태에서 용존가스 분압을 저하시켜 용해되어 있는 모든 가스 제거
촉매탈기장치 :이온교환수지에 바디듐을 넣은 촉매수지로 용존산소를 수소로 환원 제거함
고효율진공 탈기장치(HE-VDG) :기액접촉탑으로 가스측에 질소를 사용하여 용존산소 분압을 저하시켜 산소제거

5) UV(Ultraviolet,자외선)

초순수 제조공정에서 사용되는 UV장치로는 살균 UV와 산화 UV장치가 사용된다.살균UV장치는 UV-C영역 자외선(254nm)으로 수중 생균류나 미생물을 살균하는 원리이다.또한 산화 UV장치는 수중의 미량 유기물을 자외선(주로 185nm)으로 산화분해한다.물분자의 광분해로 생성된 수산화라디칼에 의해 유기물을 산화분해한다
자외선(UV)은 가시광선보다는 짧고 X선보다는 긴 10nm에서 400nm(750THz)의 파장을 가진 전자파 방사선의 한 형태로 햇빛에 존재하며,태양에서 나오는 총 전자파 방사선의 약 10%를 차지한다.
또한 자외선(UV)은 전기 아크와 수은 램프,태닝 램프,블랙 라이트 등의 특수 조명에 의해서도 발생하며,전기 아크 용접시 보안경을 착용하고 피부를 덮어서 보호해야 하는 이유이기도 하다.
자외선은 화학적,생물학적 효과는 단순한 가열 효과보다 더 크며,화학반응을 일으키고 형광물질을 자극하는 능력 때문에 여러 가지 응용분야가 있다.

Ultraviole

(UV 필터)

ED(EDR) ▶

Images & Tech Sharing

Energy & Future Tech

Pump / Valve & Filter Media

Control Instru mentation

Water/Sewage Treatment

Membrane Filtration Plant

Desalination Plant

Water & Energy 연구센터

Membrane Filtration Plant

Ultrapure Water

1. 순수/초순수란?

2. 초순수의 수질 및 용도

1)초순수 수질기준 변화

※초순수 수질 단위

2)UPwater와 DIwater차이점

3)초순수의 용도

3.처리공정별 특징

1) RO System

2) EDI(Electrodeionization)

3) MBP(Mixed Bed Polisher,이온교환장치)

4) 탈기공정

5) UV(Ultraviolet,자외선)

주메뉴

Membrane Filtration Plant

Ultrapure Water

1. 순수/초순수란?

2. 초순수의 수질 및 용도

1)초순수 수질기준 변화

※초순수 수질 단위

2)UPwater와 DIwater차이점

3)초순수의 용도

3.처리공정별 특징

1) RO System

2) EDI(Electrodeionization)

3) MBP(Mixed Bed Polisher,이온교환장치)

4) 탈기공정

5) UV(Ultraviolet,자외선)