The production process of ultra-pure water (UPW) involves dozens of unit processes such as reverse osmosis (RO), pretreatments, membrane degasifier, and several ion exchange processes. Recently, continuous electrodeionization (CEDI) has replaced the 2-bed and 3-tower (2B3T) ion exchange process. As a result, the majority of wastewater in UPW production now comes from the RO concentrate. The important of RO in UPW production is to produce high-quality water with a low ion concentration (around 1 mg/L) for CEDI feed water. Minimizing RO concentrate is essential to reduce the wastewater produced in the UPW production process. This can be achieved by maximizing the recovery of the RO system. However, increasing the recovery is limited by the water quality of the RO permeate. To ensure high-quality permeate water, the RO system is designed with a two-pass configuration. The recovery of each pass in the RO system is limited (e.g., < 85%) due to the expected increase in permeate water concentration at higher RO feed water concentrations. Interestingly, tests using 4-inch RO modules with low concentration feed water (≤ 35 mg/L as NaCl) revealed that the permeate concentration remains almost constant regardless of the feed water concentration. This implies that the recovery of the first RO pass can be increased as long as the average feed/concentrate concentration of the second RO pass is less than 35 mg/L. According to this design criterion for the RO system, the recovery of the first and second RO pass, with a feed water concentration of 250 mg/L as NaCl, can be increased up to 94.8% and 96.0%, respectively. Compared to the conventional RO system design (e.g., 70% and 80% for the first and second RO pass) for UPW production, this maximum recovery design reduces the volume of RO feed and concentrate by up to 38.4% and 89.2%, respectively.

In this research, the applicability of modified fouling index (MFI) on ultrapure water (UPW) production system was assessed to predict performance of reverse osmosis (RO) process. The practical study on MFI-UF was first performed at a pilot-scale UPW plant (Hwaseong-si, Gyeonggi-do, Korea), monitoring water quality parameters (i.e., conductivity, turbidity and TOC) as well as MFI-UF of pretreatment stage for 10 months. While water quality parameters were maintained in a stable manner, the MFI-UF was fluctuated implying the different propensity of RO influent. The increment of fouling potential was intimately related with RO performance, the aggravation of permeate quality. The sensitivity of MFI-UF was also verified by evaluating the fouling potential of reclaimed water in UPW production system.

반도체용 초순수를 생산하는 공정에서 수질관리를 위해 카트리지 필터, 한외여과막, 역삼투막, 탈기막, 이온교환막, 최종생산수용 한외여과막 등 다양한 종류의 분리막이 적용되고 있다. 분리막 공정은 종래기술과 비교하여 동등이상의 성능과 운전의 용이함과 설치면적의 최소화 등 부수적인 장점을 가지고 있다. 유입수의 수질에 따라 전처리 필터의 종류 및 기능이 결정되며, 최종수의 폴리싱 부담을 줄이기 위한 분리막 공정의 구성 등이 중요하다. 본 연구에서는 반도체용 초순수 실증파일럿플랜트의 공정 최적화를 위해 분리막 공정의 구성 및 운전방법에 따른 성능 등을 평가하는 연구를 진행하였다.

반도체용 초순수를 생산하는 공정에서 다양한 종류의 멤브레인을 적용하고 있다. 정밀여과막, 한외여과막, 역삼투막, 탈기막, 이온교환막, 최종생산수용 한외 여과막 등이 있다. 멤브레인기술은 종래기술과 비교하여 동등이상의 성능과 운전의 용이함과 설치면적의 최소화 등 부수적인 장점이 있기 때문이다. 반도체산업에서 적용되고 있는 멤브레인은 주로 외산기술이 점유하고 있다. 본 연구에서는 국산화를 위해 설계공정과 일부 멤브레인 기자재 개발을 진행하 였다. 기자재 개발품의 실증을 위해 실증파일럿플랜트에 적용하여 국/외산 성능 비교와 운전방법에 따른 성능 등을 평가하는 연구를 진행하였다.

본 연구에서는 역삼투(RO)와 축전식 탈염(CDI)을 이용하여 수돗물로부터 초순 수의 제조 가능성을 살펴보았다. 수돗물의 pH를 조정하여 RO 모듈에 통과시킨 후 RO 처리수를 곧바로 CDI 단위 셀에 공급하여 처리수의 비저항을 측정하였 다. 수돗물의 pH를 4.5-10.0 범위로 조절한 후 RO 모듈에 공급한 결과 pH 8.9 에서 94.6%의 염 제거율을 나타냈다. 또한 pH가 7.2, 8.5, 9.0인 유입수를 RO-MCDI 시스템에서 탈염한 결과 처리수는 각각 0.73, 3.2, 10.0 MΩ⋅cm의 비저항을 나타냈다. 도출된 운전조건을 바탕으로 RO-MCDI 시스템의 장기운전 에 따른 안정성을 검토하였다. 흡착과 탈착과정을 30회 반복하는 동안 안정적으로 10 MΩ⋅cm의 초순수를 제조할 수 있었다.

In this study, cation and anion exchange process for performance evaluation was conducted. A pilot plant for the ultrpure water production was installed with the capacity of 25 m3/d. The various production rate and regeneration of ion exchange rate were tested to investigate the design parameters. The test resulst was applied to calculate the operating costs. Changing the flow rate of the ion exchange capacity of the reproduction reviewed the cation exchange process as opposed to the design value is 120 to 164% efficiency , whereas both anion exchange process is 82 to 124% efficiency, respectively. This results can be applied for more large scale plant if the scale up parameters are consdiered. The ion exchange capacity of the application in accordance with the design value characteristic upon application equipment is expected to be needed. In this study, the performance of cation and anion exchange resin process was evaluated with pilot plant(25m3/d). The ion exchange capacity along with space velocity and regeneration volume was evaluated. In results, the operation results was compared with design parameters.

Ultrapure water (UPW) is water containing nothing but water molecule (H2O). The use of UPW is increasing in many industries such as the thermal and nuclear power plants, petrochemical plants, and semiconductor manufacturers. In order to produce UPW, several unit processes such as ion exchange, reverse osmosis (RO), ultraviolet (UV) oxidation should be efficiently arranged. In particular, RO process should remove not only ions but also low molecular weight (LMW) organic matters in UPW production system. But, the LMW organic matter removal data of RO membranes provided by manufacturers does not seem to be reasonable because they tested the removal in high concentration conditions like 1,000 ppm of isopropyl alcohol (IPA, MW=60.1). In this study, bench-scale experiments were carried out using 4-inches RO modules. IPA was used as a model LMW organic matter with low concentration conditions less than 1 ppm as total organic carbon (TOC). As a result, the IPA removal data by manufacturers turned out to be trustable because the effect of feed concentration on the IPA removal was negligble while the IPA removal efficiency became higher at higher permeate flux.

본 연구는 반도체 공정중 습식세정시 사용되는 초순수내에서의 오존의 거동과 오존이 주입된 초순수와 실리콘 웨이퍼와의 반응성에 대해 연구하였다. 초순수내 오존의 용해도는 주입되는 오존의 농도와 초순수의 온도가 낮을수록 증가하였고 주입되는 오존의 농도에 정비례하여 증가하였다. 초순수내 오존의 반감기는 초순수내 오존의 용해농도와 초순수의온도가 낮을수록 증가함을 나타내었고 반응차수는 약 1.5로 계산되었다. 초순수의산화환원전위(redox potential)값은 오존 주입시 5분 이내에 포화되어 일정한 값을 나타내었고 주입되는 오존의 농도가 증가함에 따라 약간 증가하였다. HF처리된 실리콘 웨이퍼는 오존이 2ppm 이상 용해된 초순수에서 세정하였을 때 1분 이내에 접촉각이 10˚미만의 친수성 표면을 형성하였고 piranha 세정액(H2SO4과 H2O2의 혼합액)에 의해 형성된 자연산화막보다 오존이 주입된 초순수에 의해 형성된 산화막이 약간 더 두꺼움을 Spectroscopic Ellip-someter에 의해 관찰하였다. 오존의 농도가 1.5ppm에서 90초내에 계면활성제로 오염된 실리콘 웨이퍼를 piranha용액과 오존이 함유된 황산 그리고 오존이 함유된 초순수에서 세정시 오존이 함유된 초순수가 가장 탁월한 오염제거능력을 나타내었다.

국내의 초순수 제조장치는 90% 이상이 이온교환수지를 사용하는 이온교환법과 UF, R/O System과 같은 Membrane을 사용하는 Membrane System을 병행하여 적용하고 있다. 국내 초순수처리 Plant에서는 통상 전처리 System과 1차 순수제조 System및 초순수 System이 상호 연결되어 Plant가 구성 운영되고 있다. 전처리 System에는 응집침전, 여과 흡착, 살균 등이 적용되고 있으며 여과 System에 Membrane을 적용할 수 있으나 국내에서는 특별한 경우를 제외하고 대부분 전처리 여과 System에 Media Filter를 사용한다. 전처리 System도 순수처리 장치의 전처리로는 없어서는 안되는 System이지만 여기에는 전처리 System을 제외하고 국내에서 적용하고 있는 초순수처리 System의 공정현황과 각 System별 특징을 설명하였다. 초순수 System에는 요구 수질에 따라 다소 차이가 있지만 반도체 공업에서 사용되는 초순수 System이 이중 최고의 Grade로 반도체공업에서 적용되고 있는 System을 기준하였다. 특히 Membrane을 적용한 초순수제조 System이 증가하고 있어 R/O, ED, EDR, CDI(EDI)와 같은 Membrane System의 특성과 원리를 검토하였다.