[재료열역학] Supercritical Fluid(초임계 유체)

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목차: 1. Supercritical Fluid(초임계 유체)의 정의
2. Supercritical Fluid의 특성
3. Supercritical Fluid의 사용

①Supercritical Fluid Extraction (SFE)

②Supercritical fluid를 이용한 건식 세정 기술
4. 참고 문헌

본문내용: 3. Supercritical Fluid의 사용

①Supercritical Fluid Extraction (SFE)
초임계유체를 이용한 추출은 초임계유체를 활용한 기술 중에서도 가장 많은 연구가 이루어졌고 상용화 또한 가장 많이 이루어진 분야이다. 1980년대 초반에는 커피의 카페인 제거나 홉의 추출 공정 등이 상용화되어 현재까지 독일, 미국 등지의 식품 산업과 관련된 여러 플랜트가 건설되어 성공적으로 운전되고 있으며, 최근에 들어서면서 식물 내의 생약 성분 추출에 관련된 연구가 집중적으로 연구되고 있는 실정이다.
SFE의 기본 원리는 일반 추출과 마찬가지로 추출물을 포함하는 원료 물질이 SCFs와 접촉하게 되면 휘발성 물질이 초임계 상(supercritical phase)으로 분배되는 제 1단계와 추출물을 포함하는 SCFs는 원료 물질과 분리된 후 온도/압력 조절을 통하여 추출물을 분리하는 2단계 과정으로 나어 생각할 수 있다. SFE의 경우에는 특히, 이산화탄소와 같은 경우에는 상온, 상압에서 기체 상태가 되기 때문에 기존 추출 공정과는 달리 2단계에서 추출물과 용매의 완전한 분리가 가능하며 분리된 용매는 온도/압력을 증가시켜 추출 가능한 초임계 상태로 만들어 재순환시켜 사용한다.
SFE에서는 친환경적인 물질이면서 임계점이 73.8 bar, 31.1 ℃로 낮은 범위에 있어 기술적으로 다루기 용이하고 지구상에 풍부하기 때문에 가격이 저렴한 이산화탄소(scCO2)를 주로 이용한다.
-SFE의 경우 기존 추출공정에 비하여 다음과 같은 장점을 갖는다.
•SCFs는 기존 유기 용매들과 비슷한 정도의 용해도를 가지면서도 액체 상태에 비하여 확산계수가 크고 점도와 표면장력이 작기 때문에 물질 전달 저항이 작아진다.
•온도/압력을 조절함에 따라 용해도가 급격히 변화하기 때문에 용매로부터 용질 성분을 선택적이면서, 빠르고 편리하게 분리해 낼 수 있다.
•메탄올을 scCO2에 첨가하는 것과 같이 modifier를 사용하여 SCFs의 극성(polarity)과 같은 물성을 변화시키는 것이 가능하므로 선택성이나 추출 성능을 향상시킬 수 있다.
•비교적 저온(scCO2의 경우 31.1 ℃ 이상)에서 공정이 운전되기 때문에 열적인 내성이 약한 물질의 분리에 적절하다.
•휘발성이 높은 용매(상온, 상압에서 CO2는 기체 상태)를 사용하기 때문에 잔류 용제를 완전히 제거할 수 있으며 이는 기존 공정과는 달리 잔존 유기 용매의 유독성 문제가 발생하지 않는다.
•사용된 용매는 거의 완전한 분리와 회수가 가능하여 재사용이 용이하므로 처리나 재 구입에 드는 비용뿐만 아니라 추가적인 오염 발생을 최소화 할 수 있다.

-반면에, 다음과 같은 단점 또한 지니고 있다.
•고압 공정이므로 초기 장치 투자비나 운전비가 많이 든다.
•온도/압력 조절에 필요한 에너지 비용을 최소화하기 위하여 정밀한 제어와 용매의 재순환이 필수적이다.
•상평형이나 물질 이동 특성 등의 기본 물성 데이터가 부족하다.

②Supercritical fluid를 이용한 건식 세정 기술
기존의 반도체 세정 기술은 습식 세정 기술로서 많은 에너지를 소모하고 공정 후에 폐수를 발생 시키고 오존층 파괴를 유발하는 등의 단점이 있었다. 그런 단점들을 극복하기 위해 초임계 유체를 이용하여 건식 세정 기술을 개발하게 되었다.
이산화탄소를 용매로 사용하는 경우에는, 펌프를 이용하여 기체를 임계 압력 이상으로 가압하여 액체로 변화 시킨 후, 임계 온도 이상으로 온도를 유지시키면 사용에 적합한 초임계 유체상태로 머물게 한다. 제거하고자 하는 불순물들을 초임계 이산화탄소에 용해시킨 후 이를 분리조로 이동시킨 후 압력을 낮추면 이산화탄소는 불순물들과 분리되어 기체상태로 된다. 분리된 기체 이산화탄소는 냉각되어 액체 상태로 전환되고 이를 온도를 올려서 초임계 상태로 변환

참고문헌: (1) Yoshiaki Fukushima, Application of Supercritical Fluids, Nov. 8, 1999
(2)박용준, 반도체 건식 세정 기술, TECH NEWS BRIEF, KISTI

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