KR20200088600A - 삼불화붕소 동시반응공정을 이용한 고순도의 디보레인 제조방법 및 그 제조장치 - Google Patents

삼불화붕소 동시반응공정을 이용한 고순도의 디보레인 제조방법 및 그 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 BF3 동시반응공정을 이용한 고순도의 디보레인 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 디보레인 제조방법은, 상온의 파우더 반응기 내에서 NaBH4(Sodium Borohydride) 분말을 에테르(ether)계 용매에 용해시켜 혼합용액을 생성하는 제1단계와; 상기 혼합용액을 중력과 차압을 이용하여 메인반응기로 이송하고, 상기 메인반응기에 BF3(Boron trifluoride) 가스를 일정속도로 주입하여, 상기 혼합용액과 반응시켜 불순물과 디보레인(B2H6:diborane)가스가 혼합된 제1반응가스를 생성하는 제2단계와; 상기 제1반응가스를 정제공정을 통해 불순물을 제거하여 정제하는 제3단계를 구비한다.

Description

삼불화붕소 동시반응공정을 이용한 고순도의 디보레인 제조방법 및 그 제조장치{Method for generating high purity diborane using BF3 simultaneous reaction process and apparatus for the same}
본 발명은 BF3 동시반응공정 이용한 고순도의 디보레인 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 독성물질의 누출 위험을 최소화하고, 제조비용을 낮출 수 있고, 고순도로 제조가 가능하여 반도체 공정이나 기타 정밀 산업공정에 사용할 수 있는 디보레인을 제조할 수 있는 BF3 동시반응공정을 이용한 고순도의 디보레인 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것이다.
디보레인(diborane, 디보란 또는 다이보레인)은 B2H6 화학식을 갖는, 붕소와 수소를 이루는 화합물이다. 실내 온도에서는 달콤한 향의 무색의 기체이다. 디보레인은 공기와 잘 섞이기 때문에 폭발 혼합물을 만들기 쉬우며, 습기가 찬 공기에 닿으면 자연 발화하는 특성을 가지며 로켓 추진체로 많이 사용되고 있다. 뿐만 아니라, 디보레인 가스는 반도체 장비의 P타입 도펀트(dopant)로 사용되어 전자산업과 그 응용분야에서 널리 활용되고 있다.
디보레인을 제조하기 위한 종래의 기술은 BF3와 LiH를 반응하여 합성하는 방법, BCl3와 LiAlH4를 이용하는 방법, 그리고 NaBH4와 3가지 원료(BF3, 황산, I)를 이용하는 방법 등이 소개되고 있다. 각각의 반응식은 아래와 같다.
1) 8BF3 + 6LiH → 2B2H6 + 6LiBF4
2) 4BCl3 + 3 LiAlH4 → 2B2H6 + 3LiAlCl3
3) 4BF3 + 3NaBH4 → 2B2H6 +3NaBF4
4) 2BH4 - + 2H+(황산) → 2H2 + B2H6
5) 4NaBH4 + I2 → 2NaI + H2 + B2H6
그러나 디보레인 제조와 관련된 종래의 기술들은 저순도 디보레인 제조에 중점을 두었기 때문에, 고순도가 필요한 반도체 공정 등에는 적용이 어렵고, 디보레인 가스에는 수소와 고차보레인(higher borane) 등 많은 불순물이 섞여 있기 때문에, 고순도로 제조하는데 필요한 정제시설을 갖추는데 상당한 투자비가 들고 고순도의 디보레인 제조를 위한 비용이 비싸다는 문제점이 있다.
또한 디보레인 제조를 위해 중간체로 생성되는 BF3-adduct 중간체가 매우 불안정하고 위험한 물질로 알려져 있음에도 별도의 공정으로 다루어지는 등 안전에 상당한 비용이 발생하는 단점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0731836호(2007.06.18.)
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 BF3 동시반응공정을 이용한 고순도의 디보레인 제조방법 및 그 제조장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 공정을 최소화하고 제조비용을 줄이고 효율을 향상시키며, 안전사고를 원천적으로 방지할 수 있는 BF3 동시반응공정 및 연속식 공정을 이용한 고순도의 디보레인 제조방법 및 그 제조장치를 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 디보레인 제조방법은, 상온의 파우더 반응기 내에서 NaBH4(Sodium Borohydride) 분말을 에테르(ether)계 용매에 용해시켜 혼합용액을 생성하는 제1단계와; 상기 혼합용액을 중력과 차압을 이용하여 메인반응기로 이송하고, 상기 메인반응기에 BF3(Boron trifluoride) 가스를 일정속도로 주입하여, 상기 혼합용액과 반응시켜 불순물과 디보레인(B2H6:diborane)가스가 혼합된 제1반응가스를 생성하는 제2단계와; 상기 제1반응가스를 정제공정을 통해 불순물을 제거하여 정제하는 제3단계를 구비한다.
상기 정제공정은, 상기 제1반응가스가 -60 ~ -80℃ 의 냉동트랩(trap)을 통과하도록 하여, BF3(Boron trifluoride)이 상기 에테르계 용매와 반응하여 형성된 불순물 및 에테르 불순물을 포함하는 제1차 불순물을 냉동 또는 액화시켜 제거하여 제2반응가스를 생성하는 단계와; 상기 제2반응가스를 흡착탑으로 유입시켜, 흡착제를 이용하여 고차보레인, 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 메탄가스(CH4)를 포함하는 제2차 불순물을 제거하여 제3반응가스를 생성하는 단계와; 상기 제3반응가스를 증류탑으로 유입시켜 비점 차이를 이용한 증류공정을 수행하여 수소가스(H2)와 메탄가스(CH4)를 포함하는 제3차불순물을 제거하여 99.99% 이상의 고순도의 디보레인(diborane)을 생성하는 단계를 구비할 수 있다.
상기 증류공정은, 상기 제3반응가스를 증류탑으로 이송하는 이송단계와; 상기 증류탑 내부를 냉매를 이용하여 -100 ~ -140℃ 의 온도로 유지시켜, 디보레인(B2H6:diborane)가스는 액화되어 중력에 의해 증류탑의 하부로 이동하고, 상기 제3차불순물은 기화상태를 유지하여 증류탑의 상부에 모이도록 하여 제거하는 제1차 증류단계와; 액화된 디보레인(diborane)을 기화기를 이용하여 기화시키고 기화된 디보레인(B2H6:diborane)가스를 상기 증류탑에 이송하는 재이송단계와; 상기 증류탑 내부를 냉매를 이용하여 -100 ~ -140℃ 의 온도로 유지시켜, 상기 제1차 증류단계를 통해 제거되지 않은 미세 불순물 가스를 제거하는 제2차 증류단계를 구비할 수 있다.
상기 제2단계의 상기 메인반응기에서 상기 제1반응가스 생성시에, 상기 파우더 반응기는 NaBH4(Sodium Borohydride) 분말을 에테르(ether)계 용매에 용해시켜 혼합용액을 생성하는 공정을 수행하여 상기 메인반응기에 제공할 수 있다.
상기 에테르계 용매는 triglyme(Triethylene glycol dimethyl ether; C8H18O4) 또는 tetraglyme(Tetraethylene glycol dimethyl ether; C10H22O5) 일 수 있다.
상기 제2단계에서 메인반응기는 불순물이 기화하는 것을 최소화하기 위해 반응기 온도가 5~10 ℃ 로 유지될 수 있다.
상기 제2단계에서 BF3(Boron trifluoride) 가스는 상기 메인 반응기에 3~4kg/hour의 속도로 천천히 주입될 수 있다.
상기 흡착탑에는 흡착제로 제올라이트 4A(MS (Molecular sieve) 4A), 활성탄 및 제올라이트 13X(MS 13X)가 1:1:1의 부피비로 하부에서 상부방향으로 순차적으로 충진될 수 있다.
상기 흡착탑은 흡착공정시에는 반응온도가 -30 ~ -20 ℃ 인 저온흡착을 수행하고, 재생공정시에는 반응온도가 200 ~ 350℃ 인 고온재생을 수행할 수 있다.
상기 재이송단계에서의 기화기는 불순물이 기화하는 것을 최소화하기 위해 반응 온도가 5~10 ℃ 로 유지될 수 있다.
상기 제2차 증류단계 이후에 불순물이 제거된 디보레인(diborane)을 액화상태로 저장탱크에 저장하는 저장단계를 구비할 수 있다.
상기 제1단계 내지 제3단계는 대기압보다 낮은 압력 분위기에서 수행될 수 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 디보레인 제조장치는, 상온에서 NaBH4(Sodium Borohydride) 분말을 에테르(ether)계 용매에 용해시켜 혼합용액을 생성하는 파우더(powder) 반응기와; 상기 혼합용액이 중력과 차압을 이용하여 이송되고, 이송된 혼합용액에 BF3(Boron trifluoride) 가스를 일정속도로 주입하여, 상기 혼합용액과 반응시켜 불순물과 디보레인(B2H6:diborane)가스가 혼합된 제1반응가스를 생성하는 메인반응기와; 상기 제1반응가스를 정제공정을 통해 불순물을 제거하여 정제하는 정제유닛을 구비한다.
상기 정제유닛은, -60 ~ -80℃ 의 온도가 유지되고, 상기 제1반응가스가 통과하면서, BF3(Boron trifluoride)이 상기 에테르계 용매와 반응하여 형성된 불순물 및 에테르 불순물을 포함하는 제1차 불순물을 냉동 또는 액화시켜 제거하여 제2반응가스를 생성하는 냉동트랩(trap)과; 상기 제2반응가스를 유입시켜, 흡착제를 이용하여 고차보레인, 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 메탄가스(CH4)를 포함하는 제2차 불순물을 제거하여 제3반응가스를 생성하는 흡착모듈과; 상기 제3반응가스를 유입시켜 비점 차이를 이용한 증류공정을 수행하여 수소가스(H2)와 메탄가스(CH4)를 포함하는 제3차불순물을 제거하여 디보레인(diborane)을 생성하는 증류탑을 구비할 수 있다.
상기 증류탑에서 배출되는 액화된 디보레인(diborane)을 기화시켜 상기 증류탑에서 다시 증류공정을 수행하도록 하는 기화기를 더 구비할 수 있다.
상기 흡착모듈은, 서로 교번하여 흡착공정과 재생공정을 수행하는 두 개의 흡착탑과, 상기 두 개의 흡착탑으로 연결되는 밸브들의 개폐를 제어하기 위한 밸브박스를 구비하고, 상기 흡착탑은 흡착제로 제올라이트 4A(MS (Molecular sieve) 4A), 활성탄 및 제올라이트 13X(MS 13X)가 1:1:1의 부피비로 하부에서 상부방향으로 순차적으로 충진되는 구조를 가질 수 있다.
상기 흡착탑은 흡착공정시에는 반응온도가 -30 ~ -20 ℃인 저온흡착을 수행하고, 재생공정시에는 반응온도가 200 ~ 350 ℃인 고온재생을 수행할 수 있다.
상기 흡착제를 통과하는 상기 제2반응가스의 선속도는 0.01~1Nm/sec 로 상기 밸브박스를 통해 제어될 수 있다.
상기 메인 반응기에는, BF3(Boron trifluoride) 가스를 상기 메인 반응기에 3~4kg/hour의 속도로 균등주입하기 위한 플로우미터(flowmeter) 또는 MFC(Mass Flow Controller)가 구비될 수 있다.
상기 증류탑의 L(length)/D(Depth)는 10~15 일 수 있다.
상기 증류탑을 거쳐 불순물이 제거된 디보레인(diborane)을 액화시켜 저장하기 위한 저장탱크와; 상기 저장탱크에 저장된 디보레인(diborane)을 실린더에 충전하는 충전유닛을 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 공정을 최소화하는 것이 가능하고, BF3 동시반응공정 및 연속식 공정으로 제조 효율과 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 전체 제조/정제 공정이 대기압이하(0 barg 이하) 진공 프로세스로 이루어져 내부 발화, 대기 오염 등으로 인한 위험요소를 완전히 제거하여 안전을 극대화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 고순도 디보레인(B2H6(99.99% 이상)) 가스 제조가 가능하며 반도체 공정뿐만 아니라 다양한 산업공정에 적용될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 디보레인(B2H6:diborane)을 제조하기 위한 디보레인 제조장치의 개략적 블록도이고,
도 2는 도 1의 구체 블록도이고,
도 3은 각 실시예들 및 대조예에 따른 제조 조건과 생산량 및 회수율을 나타낸 표이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 디보레인(B2H6:diborane)을 제조하기 위한 디보레인 제조장치의 개략적 블록도이고, 도 2는 도 1의 구체 블록도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 디보레인(B2H6:diborane) 제조장치는 반응유닛(100)과 정제유닛(200)을 구비한다. 추가적으로 저장유닛(300)을 구비할 수 있다.
본 발명은 NaBH4(Sodium Borohydride)와 BF3(Boron trifluoride)를 반응시켜 불순물이 포함된 디보레인(B2H6:diborane)을 제조하고 흡착과 증류를 통하여 정제하여 고순도의 디보레인(B2H6:diborane)을 제조하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
상기 반응유닛(100)에서는 디보레인(B2H6:diborane)을 제조하기 위해서, ether계열의 용매(예를 들면, triglyme ; Triethylene glycol dimethyl ether; C8H18O4 또는 tetraglyme; Tetraethylene glycol dimethyl ether; C10H22O5, 등)를 사용하였고, 이를 통해 BF3와 에테르(ether)의 adduct 물질인 중간체가 만들어지도록 하였으며, 이러한 공정이 동시에(또는 연속적으로) 한번에 진행되도록 구성하였다.
즉 에테르(ether)계열 용매에 NaBH4를 녹이고 BF3를 주입하여 BF3와 에테르(ether)의 adduct 물질인 중간체가 만들어짐과 동시에 디보레인(B2H6)이 제조되도록 하는 공정 및 장치를 사용하고 있다. 이 경우, BF3를 천천히 공급하여 디보레인(B2H6)을 제조하는 동안 다른 반응기(즉 파우더 반응기(110))에서는 NaBH4 solution을 제조하여 단계별로 디보레인(B2H6)을 제조하게 된다.
이를 요약하면, 아래 반응식과 같다.
[반응식]
4BF3(BF3ㆍether) + 3NaBH4 → 2B2H6 + 3NaBF4 (에테르(ether)계열 용매 존재하에서 진행)
상기 반응식을 통한 디보레인(B2H6)의 제조는 반응온도는 0∼40 ℃, 반응압력은 대기압 이하 (0∼-1 barg)에서 진행하는 것을 특징으로 한다.
상기 반응유닛(100)을 통해 디보레인(B2H6)이 제조되는 경우, 종래와 달리 한 번에 연속적으로 동시에 반응을 진행하기 때문에 중간에 불순물을 제거할 공정이 없다. 따라서 에테르(ether)계열 용매가 분해하며 발생한 불순물(고차보레인(higher borane), 메탄, CO2, Hydrocarbon, diethylene glycol monomethylether, 알코올류 등)의 비율이 다소 높을 수 있다. 그러나 한 번에 연속적으로 반응을 진행하여 공정이 간단하고 중간체를 따로 다루지 않아 안전하며, 도 3에 나타난 바와 같이, 전환율(대조예1, 약 50.9%→실시예 1, 74.1%)이 상당히 높아짐을 알 수 있다. 이 경우 발생한 불순물은 상기 정제유닛(200)에서 정제공정인 흡착공정(고차보레인(higher borane), CO2 등 제거)과 증류공정(메탄, 수소 등 제거))으로 제거된다.
상기 정제유닛(200)은 정제공정인 흡착공정 및 증류공정을 통해 고차보레인(higher borane), 이산화탄소(CO2), 메탄, 수소 등의 불순물을 제거하여 고순도의 디보레인(B2H6)을 제조하게 된다.
상기 저장유닛(300)은 저장탱크와 충전유닛을 구비하여, 고순도로 제조된 디보레인(B2H6)을 저장하고 다양한 목적으로 사용되거나 다양한 가스와 혼합되어 이용되기 위해 충전실린더에 충전되도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 반응유닛(100)은 파우더(powder) 반응기(110) 및 메인 반응기(120)를 구비한다.
상기 파우더 반응기(110)의 부피는 300L이고 상기 메인반응기(120)의 부피는 500L이며 내부는 전해연마처리가 된 구조를 가질 수 있다. 상기 파우더 반응기(110) 및 상기 메인 반응기(120) 내부에는 용액이 잘 섞이도록 믹서가 내장될 수 있다.
또한 상기 파우더 반응기(110)에는 NaBH4와 에테르(ether)계 용매(예를 들면, triglyme or tetraglyme)를 안정적으로 공급하도록 분체이송펌프(미도시), 액체펌프(미도시) 등이 더 구비될 수 있다.
디보레인(B2H6)이 제조를 위해, 상온(25℃)의 파우더 반응기(110)에서 NaBH4(Sodium Borohydride) 분말을 에테르(ether)계 용매(예를 들면, triglyme ; Triethylene glycol dimethyl ether; C8H18O4 또는 tetraglyme; Tetraethylene glycol dimethyl ether; C10H22O5, 등)에 충분히(대략 4~5시간) 용해시켜 혼합용액을 생성한다.
에테르계 용매인 triglyme과 tetraglyme에서 NaBH4의 용해도는 상온(25℃)에서 약 4M인 것으로 알려져 있으므로, 상온에서 약간 과량으로 5M 이내(바람직하게는 4.5∼3M)에서 용해되도록 조절하여 공정상에서 파티클(particle)로 인한 밸브 막힘 현상 등의 문제가 발생되지 않도록 한다.
상기 파우더 반응기(110)에서는 내장된 믹서를 통하여 에테르계 용매에 NaBH4가 적절하게 용해되도록 한다. 이때 파우더 반응기(110) 내의 원료 상부는 질소 등 불활성 가스로 불순물을 제거하고 진공 펌프를 이용하여 대기압보다 낮은 압력(게이지 압력으로 0 atmg 이하)으로 한다.
상기 메인반응기(120)는 상기 파우더 반응기(110)에서 상기 혼합용액이 주입되기 전에, 불활성 가스로 퍼지(perge) 하여 불순물 제거 후 상기 파우더 반응기(110)보다 낮은 압력을 유지하도록 한다. 또한 상기 메인 반응기(120)는 상기 파우더 반응기(110)보다 낮은 위치에 위치하도록 하여 중력을 이용할 수 있도록 한다.
이에 따라, 상기 혼합용액은 상기 파우더 반응기(110)와 상기 메인 반응기(120) 사이에 연결된 배관라인(L1) 및 밸브(V1) 제어를 통해 중력과 차압을 통하여 상기 파우더 반응기(110)에서 상기 메인 반응기(120)로 이송되게 된다.
상기 메인반응기(120)에서는 BF3(Boron trifluoride) 가스를 일정속도로 주입하여, 상기 혼합용액과 반응시켜 불순물과 디보레인(B2H6:diborane)가스가 혼합된 형태의 제1반응가스가 생성되게 된다.
상기 메인 반응기(120)에서는 상기 혼합용액에 BF3를 직접 주입하여 반응시킨다. BF3는 가스 상으로 플로우 미터(flowmeter) 혹은 MFC (Mass Flow Controller) 등을 이용하여 반응 당량비 보다 약간 과량으로 주입하는 것이 바람직하다. 상기 BF3는 에테르(ether)계 용매와 adduct 중간체를 합성하도록 유도하기 위하여 천천히 주입(예를들어, 3~4kg/hour 의 속도로 주입)한다. 예를 들어, BF3 전체 주입량이 24.4 kg 인 경우 이를 7시간 이상으로 나누어 균등하게 주입한다.
상기 메인 반응기(120)는 진공상태로 유지한 상태에서 반응이 진행되면 진공 상태의 상기 메인 반응기(120)에는 일부 분순물이 포함되지만 디보레인(B2H6) 가스가 주로 생성되어 채워지게 된다. 이때 상기 메인반응기(120) 온도는 5∼10도로 유지하여 불순물이 기화하는 것을 최소화 한다. 여기서 불순물과 디보레인(B2H6) 가스가 혼합된 혼합가스를 제1반응가스로 칭하기로 한다.
상기 메인 반응기(120)에서 상기 제1반응가스를 생성하는 동안에 상기 파우더 반응기(110)는 상기 혼합용액을 생성하고 상기 메인 반응기(120)에 제공하는 공정을 계속적으로 수행하게 된다. 이때 상기 파우더 반응기(110)는 질소 등의 불활성 가스를 이용하는 불순물 제거공정을 수행한 이후에 상기 혼합용액을 생성하는 공정을 수행할 수 있다. 즉 혼합용액을 생성하여 상기 메인반응기(120)에 제공하게 되면, 불순물 제거공정을 수행한 이후에 상기 혼합용액을 생성하는 공정을 수행하게 된다.
한편 상기 제1반응가스를 생성하는 반응이 마무리되면 상기 메인 반응기(120)에서는 폐용액은 벤트(vent)하여 폐용액 저장 탱크(미도시)로 이송하고, 상기 제1반응가스는 정제유닛(200)으로 보내게 된다.
이에 따라 상기 제1반응가스는 상기 파우더 반응기(110)와 상기 메인 반응기(120)에 거쳐 지속적으로 생성되고 정제유닛(200)으로 보내지고, 정제유닛(220)에서 정제된 디보레인은 저장유닛(300)으로 이송되는 연속적 흐름을 가지게 된다.
상기 제1반응가스에는 수소와 고차보레인(higher borane) 등 많은 불순물이 섞여 있어서, 고순도를 위해서는 상기 제1반응가스에 대한 정제가 필수적이다.
정제공정은 상기 정제유닛(200)을 통해 수행된다.
상기 정제유닛(200)은 도 2에 도시된 바와 같이, 냉동 트랩(210), 흡착모듈(220), 증류탑(240)을 구비한다. 추가적으로, 기화기(250)를 더 구비할 수 있다.
상기 냉동트랩(210)은 -60 ~ -80℃ 로 온도가 유지되고, 상기 제1반응가스가 통과하면서, BF3(Boron trifluoride)이 상기 에테르(ether)계 용매와 반응하여 형성된 불순물 및 에테르 불순물을 포함하는 제1차 불순물을 냉동 또는 액화시켜 제거하여 제2반응가스를 생성하게 된다.
상기 흡착모듈(220)은 상기 제2반응가스를 유입시켜, 흡착제를 이용하여 고차보레인, 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 메탄가스(CH4)를 포함하는 제2차 불순물을 제거하여 제3반응가스를 생성하게 된다. 여기서 고차보레인(higher borane)이란 디보레인(diborane)보다 붕소(B)의 결합수(3 이상)가 많은 물질을 의미할 수 있다.
상기 흡착모듈(220)은, 서로 교번하여 흡착공정과 재생공정을 수행하는 두 개의 흡착탑(220a,220b)과, 상기 두 개의 흡착탑(220a,220b)으로 연결되는 밸브들의 개폐를 제어하기 위한 밸브박스(222a,222b)를 구비한다. 또한 상기 흡착탑(220a,220b)은 흡착제로 제올라이트 4A(MS (Molecular sieve) 4A), 활성탄 및 제올라이트 13X(MS 13X)가 1:1:1의 부피비로 하부에서 상부방향으로 순차적으로 충진되는 구조를 가질 수 있다. 상기 흡착모듈(220)은 밸브박스(222a,222b)의 밸브개폐제어를 통해 제1흡착탑(220a)과 제2흡착탑(220b)을 번갈아가며 사용하게 된다. 상기 흡착탑(220a,220b)의 부피는 각각 50L로 구비할 수 있다.
상기 흡착탑(220a,220b)은 -40∼400℃로 운영되는 열매체유를 사용하여 고온 재생과 저온 흡착을 운영하거나, -30 ~ -20℃의 냉매를 순환하여 저온 흡착하고 히터(224)로 질소를 가열하여 고온 재생(200 ~ 350℃)하는 방식을 운영하여도 된다. 이때 고온으로 인하여 냉매가 기화하지 않도록 냉매를 분리한다. 즉 흡착탑(220a,220b) 각각에서 흡착공정시에는 흡착탑의 반응온도가 -30 ~ -20℃로 저온흡착을 수행하고, 재생공정시에는 흡착탑의 반응온도가 200 ~ 350℃가 되도록 하여 고온재생을 수행하는 것이 가능하다.
상기 증류탑(240)은 상기 제3반응가스를 유입시켜 비점 차이를 이용한 제1차 증류공정을 수행하여 수소가스(H2)와 메탄가스(CH4)를 포함하는 제3차불순물을 제거하여 디보레인(diborane)을 생성하게 된다. 상기 증류탑(240) 내부에는 기체와 액체가 잘 만나도록 충진재를 구비할 수 있다. 또한 상기 증류탑의 부피는 150L로하고 길이 대 깊이비(L(length)/D(Depth))를 10 이상(바람직하게는 10∼15)으로 하여 충분히 증류가 일어나도록 할 수 있다.
상기 기화기(250)는 상기 증류탑(240)에서 배출되는 액화된 디보레인(diborane)을 기화시켜 상기 증류탑(240)에서 다시 증류공정을 수행하는 제2차 증류공정을 수행하도록 한다.
상기 정제유닛(200)을 통한 정제공정을 간단히 살펴보면, 우선, 상기 반응유닛(100)에서 생성된 상기 제1반응가스는 상기 냉동트랩(210)을 거치게 된다. 상기 냉동트랩(210)은 상기 메인 반응기(120)에서 넘어오는 에테르(ether) 불순물과 BF3-adduct 중간체가 형성되다 분해된 불순물(chain이 짧은 에테르(ether)류 등의 불순물)이 1차적으로 걸러지도록 하여 제2반응가스가 생성되도록 한다.
상기 제2반응가스는 상기 냉동트랩(210)과 밸브박스(222a)를 연결하는 배관(L3)을 통하여 상기 밸브박스(222a)로 인입된다. 상기 밸브박스(222a,222b)의 제어를 통해 상기 제1흡착탑(220a)이 흡착공정, 상기 제2흡착탑(220b)가 재생공정을 수행하는 경우 상기 제2반응가스는 상기 제1흡착탑(220a)을 통해 흐르게 되고, 흡착제(활성탄을 부피비로 1/3가량 충전하고 MS (Molecular sieve) 4A를 부피로 1/3, 그리고 나머지 1/3을 MS 13X로 충전)를 통해 고차보레인(higher borane), 수증기(H2O), 이산화탄소(CO2), CH4 등의 제2차불순물의 상당량을 제거하는 것이 가능하고, 이에 따라 제3반응가스가 생성되게 된다. 이때 흡착공정을 수행하는 제1흡착탑(220a)의 반응온도는 -30∼-20℃로 유지되며, 이를 위해 냉매가 사용될 수 있다.
흡착제를 통과하는 상기 제2반응가스의 선속도는 약 0.01∼1 Nm/sec가 되도록 상기 밸브박스(222a,222b)가 조절될 수 있다.
상기 제2흡착탑(220b)의 경우 재생공정이 수행되며, 이 경우 반응온도를 200∼350℃로 불활성가스를 가열하거나 열매체 등을 사용하여 승온한다. 즉 -40∼400℃까지 사용가능한 열매체유를 사용하거나 각각 독립적으로 사용하는 경우 냉매가 기화하지 않도록 벤트한다. 재생공정이 마무리되면 상기 제1흡착탑(220a)이 재생공정, 상기 제2흡착탑(220b)이 흡착공정을 수행하도록 흡착탑의 교체가 이루어지며, 제1흡착탑(220a)에서 제2흡착탑(220b)으로 교체되기 전에 진공펌프(230)를 이용한 진공공정(대기압 이하 0 ∼ -1 barg)을 거쳐 흡착탑 내부의 불순물을 최종 제거한다.
상기 흡착모듈(220)에서 제2차 불순물이 제거되어 생성된 제3반응가스는 배관(L4)를 따라 상기 증류탑(240)으로 이송된다.
상기 증류탑(240)에서는 디보레인(B2H6)의 비점(boiling point : -92.5℃) 차이를 이용하여 통하여 H2(bp : -252.76℃)와 CH4(bp : 161.5℃) 등 제3차 불순물을 제거하는 제1차 증류공정이 수행된다.
상기 증류탑(240) 내부는 냉매(LN2 혹은 냉각할 수 있는 냉매류 등)를 이용하여 -100∼-140℃ 사이를 유지하도록 하여, 디보레인(B2H6)은 액화하여 중력방향 하부로 떨어지고 수소가스(H2)와 메탄가스(CH4)를 포함하는 제3차불순물은 기화하여 상부에 모이도록 하여 밸브(V5)를 이용하여 외부로 배출한다.
그리고, 증류탑(240) 하부에서는 액화된 디보레인(B2H6)을 상기 기화기(250)를 통해 다시 기화시켜 상기 증류탑(240)으로 보내 다시 증류공정을 수행하는 제2차 증류공정을 수행하도록 하여 미세 불순물을 제거하는 것이 가능하다. 이때 기화기(250) 온도는 상기 반응기(120) 온도와 유사하게 5∼10℃ 정도로 유지하여 고온으로 인한 고차보레인 생성을 억제하는 것이 가능하다. 상기 제2차증류공정은 상기 제1차 증류공정과 동일 방식으로 수행되며, 상기 제2차 증류공정의 수행을 위해 상기 증류탑(240)과 상기 기화기(250)를 연결하는 배관(L6)에는 액화 펌프를 설치 할 수도 있다.
상기 증류공정이 수행되어 불순물이 제거된 액화상태의 디보레인(diborane)은 상기 증류탑(240)과 상기 저장탱크(310)를 연결하는 배관(L6)을 통해 상기 저장유닛(300)으로 이송되어 저장되고 필요에 따라 충전되게 된다.
상기 증류탑(240) 내부에 불순물이 제거되어 정제된 가스상태의 디보레인(diborane)은 상기 증류탑(240)과 상기 저장탱크(310)를 연결하는 상부배관(L5)을 통해 상기 저장탱크(310)로 이송된다.
상기 정제유닛(200)을 통해 정제되어 제조된 고순도의 디보레인(B2H6)은 GC-DID(Gas Chromatograph-Discharge Ionization Detector), GC-MS(Mass Spectrometry), FT-IR(Fourier Transform Infrared), ICP-MS(Inductively Coupled Plasma) 등으로 분석하는 경우 99.99%이상 순도를 가지도록 정제가 가능함을 확인하였다.
상기 저장유닛(300)은 도 2에 도시된 바와 같이, 저장탱크(310) 및 충전유닛(330)을 구비할 수 있다.
상기 저장탱크(310)는 상기 증류탑(240)을 거쳐 불순물이 제거된 디보레인(diborane)을 저장하기 위한 것이고, 상기 충전유닛(330)은 상기 저장탱크(310)에 저장된 디보레인(diborane)을 실린더에 충전하기 위한 것이다.
상기 저장탱크(310)는 고순도 디보레인(B2H6)을 액화온도(-100∼-140도)에서 저장하며, 부피는 250L로 구비될 수 있다. 또한 냉매(LN2 혹은 냉각할 수 있는 냉매류 등)을 이용하여 저장탱크(310) 온도를 유지하도록 할 수 있고, 기화기(320)를 구비할 수 있다. 기화기(320) 역시 5∼10℃ 정도로 유지하여 고차보레인 생성을 억제하였다.
상기 충전유닛(330)은 다양한 이용을 위해 다양한 가스와 혼합하거나 단일 가스를 충전하게 된다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 BF3 동시반응공정을 이용한 고순도의 디보레인 제조방법 및 그 제조장치의 구체 실시예 및 대조예는 다음과 같다.
[실시예 1](사용용매 : triglyme(Triethylene glycol dimethyl ether; C8H18O4))
NaBH4 9.86kg과 Triglyme 185kg을 상기 파우더 반응기(110)에 도입하고 믹서로 상온에서 충분히(바람직하게는 4∼5시간) 용해시킨다. 용해시킨 후 외부오염 및 안전을 위하여 반응기(110) 내부를 질소로 충분히 퍼지(purge)한 후 대기압보다 낮은(바람직하게는 500 mmHga이하) 압력으로 유지한다. 상기 메인 반응기(120)는 질소로 충분히 퍼지(purge)한 후 대기압보다 낮은(바람직하게는 200 mmHga이하) 압력으로 유지되도록 준비한다. 상기 파우더 반응기(110)에서 용해된 혼합용액(NaBH4 solution)은 중력과 압력차이로 상기 메인반응기(120)로 이송된다.
상기 메인 반응기(120)에서는 믹서로 용액을 혼합하며 용기 바닥까지 투과된 관을 통하여 상기 혼합용액에 직접 BF3를 주입한다. BF3 실린더를 사용하여 7시간 동안 24.4 kg을 천천히 MFC를 통하여 버블시키는 방식(bubbling)으로 주입한다. 상기 메인반응기(120) 다량의 Triglyme과 BF3가 만나 BF3-adduct 중간체를 형성하고, 상술한 반응식에서와 같이, 제1반응가스가 생성되어 상기 메인 반응기(120) 상부에 모이게 된다. 여기서 반응이 급격하게 일어나므로 상기 메인 반응기(120) 온도는 상온보다 낮은 10℃로 유지하고 BF3 공급이 끝난 후에 상온으로 올려 약 한 시간동안 일부 용해된 디보레인(B2H6)을 포집한다. 반응이 완료된 후 폐용액은 폐용액 저장 탱크로 벤트(vent)된다. 이 과정은 증류탑(128)에서 충분히 증류 정제가 일어나도록 1∼5회 반복하여 상기 제1반응가스를 포집한다.
상기 정제유닛(200)인 상기 냉동트랩(210)은 초기에 질소로 퍼지(purge)하고 대기압보다 낮은 압력(200 mmHga 이하)로 관리하고, 상기 제1반응가스에 제1차불순물을 제거한다. 상기 제1차 불순물은, 상기 메인 반응기(120)에서 일부 triglyme이 기화하여 상기 제1반응가스와 함께 다음공정으로 넘어가거나 BF3-adduct 중간체를 형성하면서 triglyme이 분해되어 형성된 휘발성 불순물, 상기 반응식을 통하여 부반응이 발생하여 형성된 휘발성 불순물 등을 포함할 수 있다. 이러한 제1차불순물을 액화 응축하기 위하여 상기 냉동 트랩(210)은 -80℃로 운영하였다.
상기 흡착모듈(220)은 초기에는 질소로 퍼지하고 대기압보다 낮은 압력(200 mmHga 이하)로 관리한다. 상기 흡착모듈(220)을 이용하여 가스상 불순물 CO2, 수분(H2O), CH4 등의 제2차 불순물을 제거한다. 상기 제2차 불순물 제거 시 흡착탑 온도는 -30∼-40℃ 바람직하게는 -35℃로 유지하여 저온에서 흡착 제거한다. 7시간 기준으로 한 탑 교환이 이루어지며 재생 시에는 250℃로 4시간 유지하여 질소로 재생한다. -40∼400℃로 운영되는 열매체유를 사용하여 고온 재생과 저온 흡착을 운영하거나 -35도 냉매를 순환하여 저온 흡착하고 히터로 질소를 가열하여 고온 재생하는 방식을 운영하여도 된다. 이때 고온으로 인하여 냉매가 기화하지 않도록 냉매를 분리 한다. 그리고, 밸브박스(222a,222b)를 조절하여 흡착탑 선속도를 경험상으로 0.01∼1 Nm/sec이 되도록 하였다.
상기 증류탑(240)의 경우, 상부에는 -130도 이하로 유지할 수 있는 냉매(LN2 혹은 Novec 7200과 같은 Engineered Fluid 등)가 응축기(condenser) 역할을 하도록 별도로 흐르며, 중간에서 인입되는 기상 디보레인(B2H6)이 상부로 올라가다 응축기(condenser)와 만나 액체로 내려가며 상부에서 액체로 내려가 교환이 이뤄지도록 한다.
전체 증류탑(240)은 저온을 잘 유지하도록 진공 하우징 혹은 철저한 보온을 유지하여 하부의 온도가 -100℃ 미만이 되도록 한다. 중간에는 충진재가 채워져 접촉 면적이 넓어지도록 설계하였다. 충진재의 재질은 SUS 316L로 구성된다. 증류탑(240) 하부에는 디보레인(B2H6)이 액화하여 포집되도록 공간을 유지하고 일부 디보레인(B2H6)는 기화기(250)를 통하여 10℃ 부근에서 기화하여 리턴되는 구조를 가진다. 이를 통하여 수소가스(H2)와 메탄가스(CH4)를 제3차불순물이 불순물이 증류탑(240) 상부에 모일 수 있도록 유도한다. 상부에 모인 제3차불순물(H2,CH4 등)은 진공펌프(230)를 통하여 주기적으로 벤트(vent)하여 고순도를 유지하도록 한다.
저장유닛(300)의 경우 증류탑(240)에서 바로 충전유닛(330)으로 연결 가능하며 배관(L6)을 통하여 중력을 이용하거나 혹은 저온 액체 펌프(미도시)를 사용, 저장 탱크(310)로 디보레인(B2H6)을 이송한다. 저장탱크(310) 상부에는 증류탑과 같은 방식으로 상부에는 -130℃ 이하로 유지되도록 하여 전체 저장탱크 내부가 -100℃ 미만이 되도록 보온을 유지한다. 저장탱크에서 고순도 디보레인(B2H6)은 충전유닛(330)으로 연결되어 다양한 가스와 혼합되어 제품을 만든다.
이러한 방법으로 제조된 디보레인(B2H6)은 순도 99.99% 이상으로 회수율은 74.1%이며 반도체 등 초미세 공정에 적합하고 BF3 동시반응공정과 진공 시스템으로 생산 및 안전비용을 절감할 수 있다.
[실시예 2](사용용매 : Tetraglyme (Tetraethylene glycol dimethyl ether; C10H22O5))
실시예 1과 조건이 동일하고 Tetraglyme의 양을 230.7kg 사용하여 제조를 진행하였다. 상기 실시예 2에 따라 제조된 고순도 디보레인(B2H6)은 99.99% 순도로 제조하였으며 회수율은 70.5%이다.
[대조예 1] (사용용매 : Diglyme (Diethylene glycol dimethyl ether, C6H14O3))
실시예 1 조건과 동일하나 용매를 Diglyme을 사용하고 파우더 반응기(110)와 메인반응기(120) 각각에서 별도로 상기 혼합용액을 생성하는 방식을 사용하였다. 즉 상기 파우더 반응기(110)에서는 혼합용액을 제조하고, 연속하여 상기 메인반응기(120)에서 BF3-adduct 중간체를 형성하고 제1반응가스가 생성되는 본 발명의 BF3 동시반응공정 및 연속적 공정 대신에, 파우더 반응기(110)에서 혼합용액을 생성하고 제1반응가스를 제조하고, 상기 메인반응기(120)에서도 혼합용액을 생성하고 제1반응가스를 제조하는 방식을 사용하였다.
파우더반응기(110)에서 NaBH4 9.86kg과 diglyme 99.9kg을 혼합하였으나, 상온에서 녹지 않아 외부에서 35도로 승온하여 시도하였으나 일부는 녹지 않았다. 메인반응기(120))에는 Diglyme 42kg에 BF3 24.4kg을 7시간동안 천천히 공급하였다. 이후 메인반응기(120)에 파우더반응기(110)내 혼합용액을 드롭(drop)시켜 제1반응가스를 제조하였다. 이후 정제공정은 상기 실시예 1에 따라 진행하여 제조된 고순도 디보레인(B2H6)은 99.99% 순도이었으나 회수율은 50.9%로 낮았다.
대조예에서 회수율이 낮은 이유는 사용용매가 Diglyme 이고, NaBH4 의 용해를 위해 온도를 35도로 승온하였음에도 공정상에서 NaBH4 가 충분히 용해되지 않아 반응에 참여하지 못하였기 때문이며, 본 발명의 실시예 1에서 회수율이 높은 이유는 파우더반응기(110)에서 혼합용액을 생성하고 메인반응기(120)에서 BF3-adduct 중간체를 생성하는 BF3 동시반응공정 및 연속적 공정을 사용하였기 때문으로 추정된다.
[대조예 2](사용용매 : Triglyme (Triethylene glycol dimethyl ether; C8H18O4))
상기 대조예 1과 조건이 동일하고 NaBH4 9.86kg과 용매는 Triglyme을 사용하여 제조하였으며 메인반응기(120)에는 Triglyme 55.8kg과 파우더반응기(110)에는 Triglyme 132.7kg을 넣어 제조를 진행하였다. 상기 대조예에 따라 제조된 고순도 디보레인(B2H6)은 99.99% 순도로 제조하였으며 회수율은 33.7%이다.
도 3은 각 실시예들 및 대조예에 따른 제조 조건과 생산량 및 회수율을 나타내었다.
도 3에 도시된 바와 같이, 대조예1,2에 비교하는 경우 본 발명에 따른 실시예1 및 실시예2는 약 70%이상의 회수율로 99.99% 고순도 디보레인(B2H6)를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 공정을 최소화하는 것이 가능하고, BF3 동시반응공정으로 제조 효율과 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 전체 제조/정제 공정이 대기압이하(0 barg 이하) 진공 프로세스로 이루어져 내부 발화, 대기 오염 등으로 인한 위험요소를 완전히 제거하여 안전을 극대화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 고순도 디보레인(B2H6(99.99% 이상)) 가스 제조가 가능하며 반도체 공정뿐만 아니라 다양한 산업공정에 적용될 수 있는 장점이 있다.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.
110 : 파우더 반응기 120 : 메인 반응기
210 : 냉동트랩 220 : 흡착모듈
240 : 증류탑 310 : 저장탱크

Claims (21)

  1. 상온의 파우더 반응기 내에서 NaBH4(Sodium Borohydride) 분말을 에테르(ether)계 용매에 용해시켜 혼합용액을 생성하는 제1단계와;
    상기 혼합용액을 중력과 차압을 이용하여 메인반응기로 이송하고, 상기 메인반응기에 BF3(Boron trifluoride) 가스를 일정속도로 주입하여, 상기 혼합용액과 반응시켜 불순물과 디보레인(B2H6:diborane)가스가 혼합된 제1반응가스를 생성하는 제2단계와;
    상기 제1반응가스를 정제공정을 통해 불순물을 제거하여 정제하는 제3단계를 구비함을 특징으로 하는 디보레인 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 정제공정은,
    상기 제1반응가스가 -60 ~ -80℃ 의 냉동트랩(trap)을 통과하도록 하여, BF3(Boron trifluoride)이 상기 에테르계 용매와 반응하여 형성된 불순물 및 에테르 불순물을 포함하는 제1차 불순물을 냉동 또는 액화시켜 제거하여 제2반응가스를 생성하는 단계와;
    상기 제2반응가스를 흡착탑으로 유입시켜, 흡착제를 이용하여 고차보레인, 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 메탄가스(CH4)를 포함하는 제2차 불순물을 제거하여 제3반응가스를 생성하는 단계와;
    상기 제3반응가스를 증류탑으로 유입시켜 비점 차이를 이용한 증류공정을 수행하여 수소가스(H2)와 메탄가스(CH4)를 포함하는 제3차불순물을 제거하여 99.99% 이상의 고순도의 디보레인(diborane)을 생성하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 디보레인 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 증류공정은,
    상기 제3반응가스를 증류탑으로 이송하는 이송단계와;
    상기 증류탑 내부를 냉매를 이용하여 -100 ~ -140℃ 의 온도로 유지시켜, 디보레인(B2H6:diborane)가스는 액화되어 중력에 의해 증류탑의 하부로 이동하고, 상기 제3차불순물은 기화상태를 유지하여 증류탑의 상부에 모이도록 하여 제거하는 제1차 증류단계와;
    액화된 디보레인(diborane)을 기화기를 이용하여 기화시키고 기화된 디보레인(B2H6:diborane)가스를 상기 증류탑에 이송하는 재이송단계와;
    상기 증류탑 내부를 냉매를 이용하여 -100 ~ -140℃ 의 온도로 유지시켜, 상기 제1차 증류단계를 통해 제거되지 않은 미세 불순물 가스를 제거하는 제2차 증류단계를 구비함을 특징으로 하는 디보레인 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2단계의 상기 메인반응기에서 상기 제1반응가스 생성시에, 상기 파우더 반응기는 NaBH4(Sodium Borohydride) 분말을 에테르(ether)계 용매에 용해시켜 혼합용액을 생성하는 공정을 수행하여 상기 메인반응기에 제공함을 특징으로 하는 디보레인 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 에테르계 용매는 triglyme(Triethylene glycol dimethyl ether; C8H18O4) 또는 tetraglyme(Tetraethylene glycol dimethyl ether; C10H22O5) 임을 특징으로 하는 디보레인 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2단계에서 메인반응기는 불순물이 기화하는 것을 최소화하기 위해 반응기 온도가 5~10 ℃ 로 유지됨을 특징으로 하는 디보레인 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2단계에서 BF3(Boron trifluoride) 가스는 상기 메인 반응기에 3~4kg/hour의 속도로 천천히 주입됨을 특징으로 하는 디보레인 제조방법.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 흡착탑에는 흡착제로 제올라이트 4A(MS (Molecular sieve) 4A), 활성탄 및 제올라이트 13X(MS 13X)가 1:1:1의 부피비로 하부에서 상부방향으로 순차적으로 충진됨을 특징으로 하는 디보레인 제조방법.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 흡착탑은 흡착공정시에는 반응온도가 -30 ~ -20 ℃인 저온흡착을 수행하고, 재생공정시에는 반응온도가 200 ~ 350 ℃인 고온재생을 수행함을 특징으로 하는 디보레인 제조방법.
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 재이송단계에서의 상기 기화기는 불순물이 기화하는 것을 최소화하기 위해 반응 온도가 5~10 ℃ 로 유지됨을 특징으로 하는 디보레인 제조방법.
  11. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2차 증류단계 이후에 불순물이 제거된 디보레인(diborane)을 액화상태로 저장탱크에 저장하는 저장단계를 구비함을 특징으로 하는 디보레인 제조방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단계 내지 제3단계는 대기압보다 낮은 압력 분위기에서 수행됨을 특징으로 하는 디보레인 제조방법.
  13. 상온에서 NaBH4(Sodium Borohydride) 분말을 에테르(ether)계 용매에 용해시켜 혼합용액을 생성하는 파우더(powder) 반응기와;
    상기 혼합용액이 중력과 차압을 이용하여 이송되고, 이송된 혼합용액에 BF3(Boron trifluoride) 가스를 일정속도로 주입하여, 상기 혼합용액과 반응시켜 불순물과 디보레인(B2H6:diborane)가스가 혼합된 제1반응가스를 생성하는 메인반응기와;
    상기 제1반응가스를 정제공정을 통해 불순물을 제거하여 정제하는 정제유닛을 구비함을 특징으로 하는 디보레인 제조장치.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 정제유닛은,
    -60 ~ -80℃ 의 온도가 유지되고, 상기 제1반응가스가 통과하면서, BF3(Boron trifluoride)이 상기 에테르계 용매와 반응하여 형성된 불순물 및 에테르 불순물을 포함하는 제1차 불순물을 냉동 또는 액화시켜 제거하여 제2반응가스를 생성하는 냉동트랩(trap)과;
    상기 제2반응가스를 유입시켜, 흡착제를 이용하여 고차보레인, 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 메탄가스(CH4)를 포함하는 제2차 불순물을 제거하여 제3반응가스를 생성하는 흡착모듈과;
    상기 제3반응가스를 유입시켜 비점 차이를 이용한 증류공정을 수행하여 수소가스(H2)와 메탄가스(CH4)를 포함하는 제3차불순물을 제거하여 디보레인(diborane)을 생성하는 증류탑을 구비함을 특징으로 하는 디보레인 제조장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 증류탑에서 배출되는 액화된 디보레인(diborane)을 기화시켜 상기 증류탑에서 다시 증류공정을 수행하도록 하는 기화기를 더 구비함을 특징으로 하는 디보레인 제조장치.
  16. 청구항 13에 있어서, 상기 흡착모듈은,
    서로 교번하여 흡착공정과 재생공정을 수행하는 두 개의 흡착탑과, 상기 두 개의 흡착탑으로 연결되는 밸브들의 개폐를 제어하기 위한 밸브박스를 구비하고,
    상기 흡착탑은 흡착제로 제올라이트 4A(MS (Molecular sieve) 4A), 활성탄 및 제올라이트 13X(MS 13X)가 1:1:1의 부피비로 하부에서 상부방향으로 순차적으로 충진되는 구조를 가짐을 특징으로 하는 디보레인 제조장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 흡착탑은 흡착공정시에는 반응온도가 -30 ~ -20 ℃인 저온흡착을 수행하고, 재생공정시에는 반응온도가 200 ~ 350 ℃인 고온재생을 수행함을 특징으로 하는 디보레인 제조장치.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 흡착제를 통과하는 상기 제2반응가스의 선속도는 0.01~1Nm/sec 로 상기 밸브박스를 통해 제어됨을 특징으로 하는 디보레인 제조장치.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 메인 반응기에는, BF3(Boron trifluoride) 가스를 상기 메인 반응기에 3~4kg/hour의 속도로 균등주입하기 위한 플로우미터(flowmeter) 또는 MFC(Mass Flow Controller)가 구비됨을 특징으로 하는 디보레인 제조장치.
  20. 청구항 14에 있어서,
    상기 증류탑의 길이 대 깊이비(L(length)/D(Depth))는 10~15 임을 특징으로 하는 디보레인 제조장치.
  21. 청구항 14에 있어서,
    상기 증류탑을 거쳐 불순물이 제거된 디보레인(diborane)을 액화시켜 저장하기 위한 저장탱크와;
    상기 저장탱크에 저장된 디보레인(diborane)을 실린더에 충전하는 충전유닛을 더 구비함을 특징으로 하는 디보레인 제조장치.
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