초순수

왜 배우는가: 초순수는 반도체와 디스플레이 등 전자산업의 수율에 직접 영향을 주는 공정 용수이므로 정수처리 설계와 공정 선정의 출발점이 된다. 시험에서는 정의, 공정 구성, 처리 원리를 함께 묻는 형태로 나오므로 세 가지를 연결해 답하는 것이 중요하다.

출제 이력: 제134회 2교시 2번, 제129회 1교시 3번, 제102회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

초순수는 이온, 유기물, 미생물, 용존가스를 거의 완전히 제거한 고순도의 물이다. 초순수의 순도는 물속 이온을 직접 세지 않고 전기적 저항인 비저항으로 나타낸다. 비저항은 전기전도도의 역수이므로 이온이 적을수록 비저항이 높아진다. 25°C에서 순수한 물의 전기전도도는 0.05501μS/cm이고 비저항은 18.18MΩ·cm이며, 초순수 설비는 이 값에 가까운 수질을 목표로 한다.

초순수는 반도체, 제약, 실험실 분석 같은 용도별로 요구 수질이 다르므로 같은 초순수라도 등급이 나뉜다. 따라서 답안에서는 초순수를 한 가지 물로 보지 않고 목적에 따른 수질 기준을 갖춘 물로 설명하는 것이 정확하다.

핵심 키워드

• 초순수: 원수를 여러 단계로 처리하여 이온과 불순물을 극미량 수준으로 낮춘 물이다.
• 비저항: 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내며 전기전도도의 역수이다.
• 전기전도도: 물속 이온이 전류를 운반하는 능력이며 μS/cm 단위로 쓴다.
• 이온교환: 수지의 H⁺ 이온과 OH⁻ 이온을 물속 양이온과 음이온에 맞바꾸어 제거하는 공정이다.
• 역삼투: 삼투압보다 높은 압력을 가해 반투과성 막으로 이온과 유기물을 걸러내는 공정이다.
• 탈기: 물에 녹아 있는 용존가스를 제거하는 공정이다.
• 고도정수처리: 응집과 여과 같은 일반 정수처리 뒤에 막분리와 이온교환을 더한 처리 체계이다.

2. 개념 풀이

정식 정의는 다음과 같다. 초순수는 전기적 저항이 17~18MΩ·cm 정도이며, 물리·화학적으로 화합물질과 합성물질이 거의 존재하지 않는 고순도의 물이다. 일반 순수나 탈이온수와 구분하는 기준은 이온을 제거한 정도이며, 비저항이 높을수록 초순수 등급이 높다고 본다. 초순수의 품질 판정 기준은 비저항이며, 이온 제거 정도를 나타낸다.

원리는 물속 이온이 전류를 운반한다는 데 있다. 이온이 조금이라도 남으면 전기전도도가 올라가 비저항이 떨어지므로, 비저항은 이온 농도를 나타내는 간접 지표가 된다. 염화나트륨이 0.1ppb만 녹아도 비저항은 18.11MΩ·cm로 낮아지므로, 비저항은 극미량의 이온에도 민감하게 반응한다. 다만 비저항은 이온성 물질만 측정하므로 유기물과 미생물은 별도 지표로 관리해야 한다.

핵심 공정은 세 단계의 조합으로 설명된다. 먼저 역삼투 막이 무기이온을 90~99% 정도 제거하여 후속 설비의 부담을 줄이고 이온교환 수지의 수명을 늘린다. 이어서 이온교환 수지가 남은 이온을 H⁺와 OH⁻로 바꾸어 제거하며, 마지막으로 자외선 살균과 막여과가 미생물과 입자를 잡는다.

이온교환 수지는 물속 양이온을 수지의 H⁺와, 음이온을 수지의 OH⁻와 맞바꾼다. 교환된 H⁺와 OH⁻는 결합하여 물이 되므로 이온이 물 속에서 빠져나가게 된다. 이온교환 후 수질은 수지의 품질과 컬럼 내 물과 수지의 교환 효율에 좌우되므로 수지 관리가 초순수 수질의 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

반도체 공정에서 초순수가 가장 중요한 용도는 웨이퍼 세정이다. 웨이퍼 습식 식각 이후와 세정 단계에서 물속 불순물이 남으면 제품 오염이나 식각 효율 저하가 생기므로, 물 자체의 순도를 높이는 것이 필요해졌다. 평판 디스플레이, 발광소자, 하드디스크, 이미지 센서 등 전자산업도 같은 방식으로 초순수를 쓰며, 반도체 산업의 기준이 가장 엄격하다.

전통적인 정수처리는 침전과 여과 같은 물리적 공정과 응집, 소독 같은 화학적 공정 위주로 운전되어 왔다. 그러나 염소 소독은 물속 유기물과 반응하여 소독부산물인 THM, HAA 같은 할로겐 화합물을 만들 수 있다. 이 때문에 약품을 쓰지 않는 흡착과 막분리 공정이 중요한 기술로 주목받고 있다.

초순수 제조는 응집, 여과, 활성탄 처리 같은 전처리로 큰 입자와 유기물을 줄인 뒤 이온교환이나 역삼투로 넘기는 것이 일반적이다. 전처리를 거치지 않으면 후속 이온교환 수지와 막이 빠르게 오염되어 수명이 줄어든다. 이 점은 초순수 시스템의 공정 선정 근거가 된다.

또한 초순수는 보일러, 원자력발전소, 제약 공정에도 대량으로 쓰이므로 수질 향상에 대한 요구가 해마다 커지고 있다. 생산된 초순수는 주위 환경에 따라 쉽게 오염되므로, 설계 단계에서 목적에 맞는 수질 등급을 정하고 저장과 배관 관리까지 함께 고려해야 한다. 따라서 초순수 공정은 수질 목표에서 출발하여 전처리, 막, 이온교환의 순서로 구성하는 것이 필요하다.