[공업화학실험 예비보고서]1.실험제목박막재료의 표면 처리 및 식각 공정2.실험목적반도체 소자의 제조공정들 가운데서 중요한 공정인 마스크 패턴을 가지고 증착된 박막을식각하는 공정에 대해서 이해하고 그에 따른 박막의 표면과 두께의 변화등에 대하여 고찰한다3.실험방법① 산화막(SiO2)의 패터닝(patterning) ---- Lithography 공정② 패턴된 산화막의 표면, 표면 색깔과 패턴 관찰 ---- 광학현미경 관찰③ 산화막의 식각 ----반응성 이온 식각장치 사용하여 적절한 식각가스와 식각가스를 선택하여식각 실험을 진행한다.④ 식각된 산화막의 표면, 표면 색깔과 패턴 관찰 ---- 광학현미경 관찰⑤ 마스크 패턴의 제거(O2 plasma aching) ---- 플라즈마 애슁장치를 이용하여 산소 플라즈마를발생시켜서 적절한 조건에서 마스크 패턴을 제거한다.⑥ 산화막의 표면, 표면 색깔과 패턴 관찰 ---- 광학현미경 관찰4.실험이론4-1> 플라즈마▷ 플라즈마의 정의물질의 상태는 고체, 액체, 기체, 플라즈마 상태(제 4의 상태)가 있다. 기체(gas)입자, 즉 기체분자나원자에 에너지가 가해지면(일반적으로 가속된 전자의 충돌에 의해서 에너지가 전달된다) 최외각전자가 궤도를 이탈함으로써 자유전자가 되어 양전하를 띄게 되며 분자 혹은 원자와 음전하를갖는 전자가 생성된다(이온화과정). 이러한 양전하의 이온과 전자들이 다수가 모여 군집활동을하며, 전체적으로는 전기적인 성질이 중성으로, 즉 이온들의 수와 전자들의 수가 거의 같은 수로존재하는 경우(준 중성상태), 이를 플라즈마라 정의한다. 따라서 전자 혹은 이온빔은 하전입자들의모임이고 플라즈마라 정의할 수 없으며, 일반적으로 산업용 플라즈마에서 이온화율 즉, 실제 플라즈마는전체에 1%미만으로 통상 사용하는 플라즈마 내에는 이온, 전자, 중성입자(99%)가 있게 된다.플라즈마는 전기에너지를 갖는 특별한 형태의 개스로써 이 에너지는 화학반응을 촉진하며,플라즈마 내의 이온을 가속시켜 플라즈마와 닿는 매질 표면의 etching이나(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 금속이나고분자의 표면처리, 신물질의 합성 등에서 이용되고 있으며, 공정의 미세화, 저온화의 필요성 때문에플라즈마 공정이 종래의 공정을 대체하고 있으며, 경우에 따라서는 플라즈마만이 제공할 수 있는물질이나 환경을 이용하기 위한 응용분야가 점점 더 확대되고 있다▷ 식각에서 플라즈마의 역할 :불산용액을 이용해서 식각을 할때 주활동 이온은 F이다. 수용액 상태에서 이들이 자유로이 움직일 수있다. 유사하게 기체 상태에서 이들을 만들고(e+CF4 -> C, F, CF, CF2, CF3 )이들이 식각 재료의표면을 상당한 에너지를 가지고 때릴수 있도록 조절해 주는 역할을 한다. 어떤 플라즈마를 사용하든원리적으로는 가능하지만 산화막등 절연체를 식각해야 하는 이유와, 식각 가스의 해리도를 필요한만큼 얻어야 하는 이유등으로 인해 대개 고주파를 이용하여 플라즈마를 발생시키게 된다.따라서 식각 장치의 이름도 플라즈마 소스의 종류에 따라 붙여지게 되는 것이다.4-2> 반도체 공정반도체 제조공정을 간략하게 요약하면, 아래와 같이 나타낼 수 있다.① Wafer 생산- Si Wafer 생산② Thin Film Deposion(TFD)- 박막증착과정- CVD(chemical Deposion)- Ion Implation- 산화막 코팅③ Lithography(사진공정, 노광공정)- 회로가 있는 기판(mask)을 Wafer에 옮기는 과정④ Etching(식각공정)- 미리 입힌 박막을 깍는 과정⑤ Lead bond and Test- 선연결 및 테스트⑥ Encapsulation- 포장위의 자료를 토대로 하여, Si 원석으로 반도체의 제조공정을 세부적으로 나열하면, 아래와 같다.실리콘 원석고순도의 일정한 모양이 없는 폴리 실리콘이 단결정 성장로에서 단결정봉으로변형시킨다. 성장로의 조건은 1400℃의 고진공상태이다.결정성장로결정봉의 조건등을 조사하고 부분별로 정확한 직경을 가진 봉으로 가공 여기에서웨이퍼의 크기를.▽회로 설계CAD(Computer Aided Design) 시스템을 사용하여 전자회로와 실제 웨이퍼 위에그려질 회로패턴을 설계▽마스크 제작설계된 회로패턴을 E-beam 설비로 유리판 위에 그려 마스크를 만듦산화공정고온(800～1200℃)에서 산소나 수증기를 실리콘 웨이퍼 표면과 반응시켜 얇고균일한 실리콘산화막(SiO2)를 현상시키는 공정▽감광액 도포빛에 민감한 물질인 PR를 웨이퍼 표면에 고르게 도포시킴▽노광(사진) 공정SEEPPEE를 사용하여 마스크에 그려진 회로패턴에 빛을 통과시켜 PR막이 형성된웨이퍼 위에 회로패턴을 사진찍는 공정▽현상 공정웨이퍼 표면에서 빛을 받은 부분의 막을 현상시키는 공정▽식각 공정회로패턴을 형성시켜 주기위해 화학물질이나 반응성 가스를 사용, 선택적으로 제거시키는 공정 이런 패턴 형성과정은 각 패턴층에 대해 계속적으로 반복된다.▽이온주입공정회로패턴과 연결된 부분에 불순물을 미세한 가스입자 형태로 가속하여 웨이퍼의내부에 침투시킴으로써 전자소자의 특성을 만들어 줌. 확산공정에 의해서도 이루어짐▽화학기상증착가스간의 화학반응으로 형성된 입자들을 웨이퍼 표면에 증착하여 절연막이나전도성막을 형성시키는 공정금속 배선웨이퍼 표면에 형성된 각 회로를 알루미늄선으로 연결시키는 공정▽웨이퍼 자동선별웨이퍼에 형성된 IC칩들의 전기적 동작여부를 컴퓨터로 검사하여 불량품을 자종선별▽칩 집착낱개로 분리되어 있는 칩중 EDS TEST에서 실품으로 판정된 칩을 리드프레임(READ FRAME)위에 올려놓은 공정▽금속 연결칩 내부의 외부연결단자와 리드프레임을 가는 금선으로 연결하여 주는 공정▽성 형연결 금선 부분을 보호하기 위해 화학수지로 밀봉해 주는 공정4-3> 식각의 정의 / 종류▷ 식각의 정의실리콘 웨이퍼 표면에 선택 확산으로 불순물 원자가 실리콘 결정 안으로 주입될 수 있도록 산화막을부분적으로 제거하는 기술, 즉 감광막 현상 공정이 끝난후, 김광막 밑에 성장 혹은 증착시킨박막들을 공정 목적에 따라 선택적으로 제거하는 공정을 식각(etching )이라 한다. 포함된다.감광막실리콘 기판박막< Fig. 박막 식각 과정>▷ 습식 식각식각하고자 하는 박막과 화학적으로 반응하여 용해시킬수 이는 화학용액을 사용하여 식각하는방법을 말하며, 박막의 종류의 특성에 따라 사용하는 화학용액이나 조성비가 각기 다르게 된다.산화막의 습식식각 원리를 설명하면, 산화막은 크게 성장 산화막과 중축 산화막으로 나눌 수있으며, 방법이나 분위기에 따라 더욱 세분화된다.그러나 어느 종류에 산화막이든 그 원리는 같다. 즉, 산화막이 불산에 용해되는 성질을 이용한것으로 고온으로 성장시킨 산화막을 예로 들어보면,먼저 아래의 식에서 보는 바와 같이불산이 해리되어 수소이온과 불소 이온으로 분리되게 되며, 이렇게 분리된 불소이온이 산화막과반응하여, 식각이 이루어지게 되는데 이반응은 아래와 같다.그러나, 위의 두식에서 알수 있듯이 식각이 계속 진행됨에 따라 불소 이온은 소모가 되며,용액자체가 물에 의해 희석되면서 식각속도는 공정을 행할때마다 변하게 된다. 이는 공정상 매우불안정한 상태로 재현성있는 균일한 결과를 얻고자 하는 공정목적에 장애가 된다. 이와같은수소이온 농도나 식각속도의 변화를 제거하여 일률적인 결과를 얻기 위하여 새로운 용액이첨가되는데, 이 경우에는 불화 암모늄(NH4F, ammonium fluoride)을 첨가함으로써 안정화 시킬 수 있다.불화 암모늄은 다음의 식과 같이 암모늄 이온과 불소 이온으로 해리되며 이때의 불소 이온이식각반응에 참여하게 되는 것이다.다시 말하면, 식각반응에 소모되어 없어지는 불소이온을 충당하는 역할을 하여, 용액내에 수소 이온농도를 일정하게 해줌으로써 식각속도를 균일하게 유지할수 있도록 한다. 반면에 암모늄이온은 식각반응에미치는영향이 없으므로 공정목적을 만족시킨다.다결정 실리콘이나 금속층에서의 원리는 산화제를 사용하여 이들 박막을 산화시킨후 산화된 박막을식각하게 되는데, 두 박막 모두 질산을 산화제로 사용한다. 다결정실리콘이 산화되면 산화막으로 변하게 되며,이를 불산으로 식각하게 된다. 이때 요오드(I2)를 산화반응의 촉이들 두 박막의 식각용액에 초산이나 물을첨가하는데, 이것이 수소 이온농도를 조절하는 완충 역할을 하거나 단순히 희석제로 쓰인다.그러나, 습식식각에서는 아래의 그림처럼 등방형 식각(I냇개-pic etching)이 이루어지게 되는데 그 이유는화학반응이 수직으로 일어날뿐 아니라 수평으로 반응되기 때문이다. 이런 결과로 감광막에 의해보호되어야 할 박막의 끝부분이 원형으로 식각되어 없어지는 언더컷(undercut) 현상이 항상 일어난다.이것은 습식식각의 가장 큰 단점으로 회로의 선폭이 좁은 집적 회로로 소자 제조공정에 이용하기어렵다는 제약을 받는다. 이런이유에서 건식식각이 응용되고 있다.기판박막등방 식각형< Fig. 등방향 식각 단면도 >▷ 건식 식각건식식각이란 특정한 가스를 두 전극사이에 넣고 강한 전장을 형성시키면 전기적인 충격에 의해서가스가 이온화(ionization)된다. 이때의 이온화된 가스는 반응성이 매우 강하기 때문에 식각기(etchingspecies)로 사용되며 아래의 식으로 나타낼 수 있다.이와같이 발생된 식각기는 아래의 식과 같이 식각할 박막의 원자들과 반응하여 휘발성 화합물을생성하면서 식각이 진행된다.……이때, 생성된 휘발성 화합물은 진공펌프에 의해 밖으로 배출시킴으로써 쉽게 제거할 수 있다.습식식각에서는 등방식각이 이루어지는 반면, 건식식각에 있어서는 동방향 및 비등방향식각 (aniso-tropic etching) 의 조절이 어느정도 가능하며, 이것을 도시하면 아래의 그림과 같이 표현된다.지향 식각형수직 식각형< Fig. 지향 식각형 및 수직 식각형 >4-4> 반도체 산업에 화학공학자가 필요한 이유반도체 제조공정은 그리 단순한 공정이 아니기에 반도체를 생산하는 과정에는 수많은 사람을 필요로하게 된다. 전자공학 전공자나, 반도체 공학, 기계공학 그리고 화학공학 전공자 등등 여러 사람들이머리를 맞대어 만들어 낸 것이 비로소 반도체 칩인 것이다.먼저 결론을 내린다면, 반도체 칩을 생산하고 기술을 향상시키는데 있어서 화학공학은 중요한위치에 있다. 실제로,이
{공업화학실험 환원반응 결과보고서1. 실험 제목환원반응2. 실험방법. acetophenol 제조1 둥근 플라스크에 acetophenon 0.5g, EtoH 4㎖를 넣는다.{acetophenonEtOHNaBH4분자량120.15 g/mol46 g/mol38 g/mol넣어준 양0.5 g4 ㎖ (0.24 ㎖)0.315 g몰 수4.16 mmol(4.16 mmol)8.32 mmol※ 여기서 EtOH는 전자를 내어주어 반응을 원활하게 해주기 때문에 과량으로 넣어준다.. acetophenol0.5g / 120.15g/mol = 4.16mmol. EtOHEtOH의 분자량 46g/mol에 대하여 acetophenol과 같은 양인 4.16mmol을 넣어주면 되므로46g/mol × 4.16*10-3mol = 0.19g 이고. 여기서 EtOH는 액체이므로, 부피로 환산하기위하여 비중 (=0.7893g/㎖)으로 나눠주면, 0.19g / 0.7893g/㎖ = 0.24㎖ 이다.그러나, 반응을 원활하게 하기위해 4㎖로 과량을 넣어준다.. NaBH438g/mol × 8.32*10-3mol = 0.315 g2 약 5분간 교반한후 0℃ 얼음물로 냉각시킨다.3 15분여 냉각후 NaBH4 0.315g를 넣는다.4 stirring bar를 넣고 3시간정도 반응시킨다.5 TLC를 측정하고 관찰하고 Rf(Rate of flow)값을 계산한다.※ 생성물인 acetopenol과 반응하지 않은 EtOH가 관찰된다.6 evaporator를 이용하여 EtOH을 제거한다.※ 이때, EtoH과 acetophnol의 끓는점은 각각 76℃, 84℃로 근소한 차이기 때문에 증류시EtoH이 일정한 간격으로 끓음을 확인한후, 끓어오르는 시간이 다소 지연된 순간을 포착하여 증류를종결시킨다.{. 정제(partition)과정 : 불순물 제거 과정8 둥근플라스크에 MC(ether) 4㎖와 물 2㎖를 넣고, 흔들어 주면 층이 분리되고 스포이트를 이용하여 MC층만 받아 비이커에 담는다.※ 물과 MC를 넣어주어 극성용매인 물에 극성인 acetophenon을, 비극성 용매인 MC에 acephenol을 녹여 MC층만을 채취한다.9 앞서 넣은 물을 제거하기 위해 건조제인 MgSO4를 넣어준다.※ 앞서 채취한 MC층에 미량의 물이 포함되었을 것이므로, 건조제를 넣어주어 물을 제거한다.설탕이 녹일때, 포화상태까지 녹았을때의 더 이상 녹지 않고 뿌옇게 알갱이화되어 가라앉는반응처럼 관찰될때까지 과량으로 넣어준다.⑩ 거름종이로 여과하여 acetophenol만 받아낸다.※ 상당량이 거름종이에 흡수되기 때문에 거름종이를 짜내어 받아내야한다.⑪ 무게를 알고 있는 바이알에 acetophenol을 담아 무게를 재고 수율을 계산한다.3. 실험결과1) Rf값 계산Rf값은 아래와 같은 식으로 계산될 수 있다.{{{{{R_f ````=````{성분물질이 이동한 거리 } over {용매가 이동한 거리 }1 Rf of acetophenon위의 데이터에서, 성분 acetophenon이 이동한 거리는 3.8㎝ 이고 전개액이 이동한 거리는 6.4㎝이므로 Rf를 계산하면, {R_f ``````= ````{3.8`㎝} over {6.4`㎝} = 0.592 Rf of acetophenol위와 마찬가지로 하면, {R_f ``````= ````{2.0`㎝} over {6.4`㎝} = 0.31※ TLC 분석실험결과를 통해 얻은 Rf 값으로 반응결과 얻고자 하는 acetophenol과 반응되지 않은acephenol이 함께 존재함을 알 수 있다. 위의 TLC 모식도를 보아, Rf 값이 생성물보다반응물쪽이 다소 높은 것은 아마도, acetophenon과 acetophenol의 극성 비극성의 차이에기인한 것이라 여겨진다.2) 수율(Yeild)계산수율의 계산의 아래의 계산식으로 계산될수 있다.{{{Product의``` 질량} over {Reactant의``` 질량} ```` times ```` 100여기서, 바이알만의 질량은 16.02g 이고, 생성물을 포함한 바이알의 질량이 16.12g가 나왔다.따라서 생성물만의 질량은 0.1g이 되고 아래와 같이 계산하면,{Yield```` = ```{Acetophenol의 ``질량} over {Acetophenon의`` 질량} `× `100``` =```0.1g over 0.5g `×` 100``` = ``` 20```` %3) 물음 사항물음1) 반응에서 NaBH4 의 역할은 무엇인가?NaBH4는 Acetophenon을 환원시켜 Acetophenol로 만들어주는 환원제이자 일종의 촉매제역할을 한다. NaBH4는 금속 산화물이자 강력한 산화제이고, 반응메카니즘에서 환원 방법이용이(H- ion의 carbonyl C를 공격)하고 환원능력이 크기 때문에 본 실험에서 환원제로사용되었다. 그리고, NaBH4는 물과 잘 반응하지 않고, 알데하이드와 케톤을 빨리 환원하지만, 에스터와는 느리게 반응한다. 따라서 한분자 내에 있는 에스터기는 다치지 않고,알데하이드나 케톤 카보닐기만 환원할 수 있다.{물음2) 문헌에서 NaBH4의 이론적양?Grignard 반응에서 R가 카보닐기에 이동하는 것과 마찬가지로 금속 수소화물의 수소화이온이 양전하를 띤 카보닐기의 탄소로 이동함으로써 반응이 일어나는데 각 수소화 이온은하나의 카보닐기를 환원할수 있다. 그렇기 때문에 이론적으로는 1몰의 NaBH4가 4몰의알데하이드나 케톤을 환원할 수 있다. (출처 ; FESSENDEN FESSENDEN)물음3) EtOH를 과량으로 넣는 이유는 무엇인가?EtOH의 OH-기가 전자를 내어주어 반응을 원활하게 이루어지게 끔 하기 때문에 과량을넣어준다.4. 고 찰본 실험은 환원제인 NaBH4에 의한 acephenon의 환원반응으로 acetophenol을 얻음으로써,케톤이 수소를 잃는 환원반응을 통해 알코올이 생성되는 메커니즘을 이해할 수 있었다.결과에서 보는바와 같이 수율은 20% 로 다소 적은량의 acetophenol만 얻을 수 있었다.오차의 원인은 아래와 같이 분석된다.※ 오차의 원인. 첫 번째 원인으로, Evaporator로 감압증류시켜 EtOH를 분리해 내는 과정에서 acetophenol이일부 증발되었을 것이다.실제로, 당시 증류후 남은 양이 다른조와 비교하여 다소 적었기 때문에, 낮은 Yield 값이 나올것으로미뤄 짐작할 수 있었다.. 두 번째 원인으로, MC/Water층 분리후 미량의 물을 제거하기 위해 넣어준, 건조제 MgSO4의양이 너무 지나쳐 acetophenol도 일부 건조제에 흡수되었을 것이다.실험시 과량의 MgSO4를 사용하여 물을 건조시킨다고 하였으나, 넣어준 양은 주관적으로 판단해야했기때문에 정확하게 측정된 값이 아니어서 가늠할수 없는 양을 넣어 일부의 acetophenol이흡수되지 않았나 본다.. 마지막 원인으로는 최종단계인 여과과정에서 거름종이에 상당량 흡수되어 비록 손으로 짜내긴했지만, 흡수된 양이 비교적 많아 실험시 육안으로도 여과전·후 양의 차가 큼을 알수 있을 정도였다.첫 번째 원인과 더불어 오차의 가장 큰 원인이 되었으리라 본다.5. 추가 이론{. Evaporator(감압증류)상압에서 높은 비점의 물질이나 비점 가까이까지 가열하면 분해하기 쉬운물질의 증류에 적용되는 감압증류는 증류장치의 내압을 낮추어 비점을
공업화학실험 기액평형1. 실험제목기액평형2. 실험목적평형 증류에 대한 기오지식과 장치의 조작방법을 이해하고, 실습을 통하여 이론과실제를 비교한다.3. 실험기구 및 장치각종 초자(플라스크, 비이커, 분액깔때기)실험장치(응축기, 증기관, 환류기, 냉각수조, 전자저울)4. 실험과정① 비중병을 깨끗이 세척하고 건조한 후 무게를 잰다.② Methanol (임의의 wt%)을 700㎖ 정도로 Boiler에 넣는다.③ 표준 (Methanol 0, 20, 40, 60, 80, 100 wt%을 비중병에 넣고 질량을 측정한다.④ 비중병의 무게에 따른 Methanol의 조성을 기롤한다.⑤ 표준 곡선을 찾는다.⑥ Boiler안의 용액의 조성을 구한다.⑦ 80℃에서 84℃까지 기액평형 데이터를 얻기 위해 80℃까지 올리면서 혼합용액(Liquid)과 응축액(Vaper)의 질량을 비중병을 이용해 측정한다.⑧ 표준 곡선을 이용하여 wt% 조성을 구한다.⑨ Mol wt%로 구한다. 이것을 책에 있는 평형도와 비교한다.5. 실험이론1-1> 상평형1) 평형의 성질평형의 계의 거시적 성질들이 시간에 따라 변하지 않는 정체된 상태이다. 이것은 변화를일으킬수 있는 모든 잠재적 가능성들이 균형을 이루고 있다는 것을 의미한다,실제 공학에서는 만족할만한 정확한 결과를 얻게 된다면, 평형의 가정이 정당화된다.예를들어, 증류탑의 재비기(reboiler)에서는 흔히 증기상과, 액체상간에 평형이 이루어진다고가정하면. 증발속도가 유한하다고 할때, 이것은 일종의 근사이지만 공학적 계산에서뚜렷한 오차를 유발하지는 않는다, 서로 밀접한 접촉을 유지하고 있는 증기상과 액상으로이루어진 고립된 계는 시간이 니나면서 궁극적으로 계 내에서 변화가 일어나려는 경향이사라지는 최종상태에 이르게 된다. 온도, 압력, 및 상 조성은 그 이후에는 일정한 값으로유지되는 최종값에 도달한다.계는 평형상태이다. 그럼에도 불구하고, 미시적 수준에서는 상태는 정체된 것이 아니고,주어진 순간에서 하나의 상을 구성하는 분자들은 이후에 같은 상을 차지하는그림 >㉠ AB선: 물의 증기 압력과 온도와의 관계를 나타낸 물의 증기 압력 곡선.ⓐ A점(삼중점): 약0.01 ℃ 와 4.58 mmHg에서 물, 수증기, 얼음이 상평형을 이룸.ⓑ B점: 물의 기준 끓는점인 100℃에서 수증기의 평형 증기 압력은 760 mmHg임.㉡ AC선: 고체인 얼음과 그의 증기가 평형을 이루고 있는 온도와 압력을 나타낸 승화 곡선㉢ AD선: 물이 고체인 얼음과 평형을 이루는 온도와 압력 조건을 나타내는 용융 곡선㉣ 삼중점(triple point) : 고체, 액체, 기체의 세가지 상이 서로 평형을 이루어 같이 존재할 수 있는 온도와 압력을 표시한 점.1-2> 기액평형(2성분계기액평형)혼합물을 분리하는 조작에서 실용상 매우 중요한 것이 증류 조작이다. 증류주의 제법과 같은것이 전통적 분리 조작이라고 말할 수 있다.증류는 혼합액을 가열. 비등시키는 것으로 액중 증발하기 쉬운 성분을 기상에 농축하는방법이다. 이것을 정량적으로 기술하는 것이 기액평형이다.A, B의 2성분 혼합물에 대해서 취급한다. A성분이 저비점 성분, B성분을 고비점 성분으로 한다.이 혼합물의 기상-액상이 온도 t, 압력(전압) P에서 공존하고 있는 평형 상태를 생각한다.액상의 저비점 성분 A의 몰분율을 x, (고비점 성분 B는 (1-x)), 기상의 저비점 성분 A의 몰분율을y 로 한다.① 상률 : 성분수 p=2, 상의 수 C=2이므로 F=C-p+2 에 의해 자유도는 2. 이는 2성분계 기액평형에서 x, y, P(전압), t 중 2개를 지정하면 나머지의 상황은 정해진다는 것을의미한다.② 이상 용액: 열역학에서 이상 용액이란 다음 식의 "Roult's 법칙" 이 성립되는 용액이다.(p* 는 각성분의 온도 t 에서 포화 증기압) 이므로, 이것을 상대(비) 휘발도α:라고 하면 평형 관계는 로 표현할수 있다.③ 비이상용액: 벤젠 / 톨루엔계 같은 닮은 분자의 혼합물에서는 이상 용액으로 취급할 수 있지만,일반의 용액에서는 각 성분의 상호 작용 (극성에 기준)이 있어 라울의법칙 으로부터 앞단은 n-1단이며, 바로 다음 단이 n+1단이다.Laxaplate 1Vbyb=yn+1plate Nplate n+1plate n-1Vn+1yn+1VnynLnxnLn-1xn-1plate nLb=LNxb=xNVa=V1ya=y1< 판형탑의 물질수지도 >임의의 단에 관련된 흐름과 농도를 표시하기 위하여, 그 단에서 시작된 모든 흐름들은 그 단의번호를 하첨자로 붙이는데, 2성분계의 경우 yn+1은 n+1번째 단을 나가는 증기상(V)에서의A성분의 몰분율이며, xn은 n번째 단을 나가는 L상의 몰유량이다.위의 그림에서 점선으로 둘러싸인 제1단에서부터 제n단까지 물질의 총유입량은 La+Vn+1 mol/h이고 총 유출량은 Ln+Va mol/h이다. 정상흐름 하에서는 물질의 축적이나 소모가 없으므로 유입량과유출량이 같아서 다음과 같이 쓸 수 있다.L_a~ +~V_n+1 ~=~L_n ~+~V_a----------①식 ①은 총 물질수지식이다. A성분의 유입량과 유출량에 대해서 다른 수지식을 만들 수 있다.어느 흐름에서 이 성분의 몰수는 유량에다 그 흐름 속에 있는 A의 몰분율을 곱하면 되므로,A성분의 유입량은 Laxa + Vn+1yn+1 mol/h이고, 유출량은 Lnxn + Vaya mol/h이며,다음식이 성립한다.L_a x_a~+~ V_n+1 y_n+1 ~=~L_n x_n ~+~V_a y_a----------②2성분계에서 다단식 반응기 속에 있는 두 상의 조성은 x를 횡축으로, y를 종축으로 하는 x-y선도로나타낼 수 있다. 식 ②에서 알 수 있는 바와 같이 탑 내의 중간 부분에서의 물질수지는 n단을나가는 L상의 농도 xn과 그 단으로 들어가는 V상의 농도 yn+1과의 관계인데, 식 ②을 보다 명확한관계식으로 표시하면 다음과 같이 된다.y_n+1~ =~ { L_n} over {V_n+1 }x_n~+~ { V_a~ y_a -L_a x_a} over {V_n+1 }----------③식 ③은 탑에 대한 조작선(operating line) 식이며, 조작선은 모든 단들에 대한 xn과 yine)에 대한 조작선의 상대적 위치는 물질전달 방향과 분리에 필요한 단의 수를결정하게 되며, 평형 데이타는 실험이나 열역학적 계산, 또는 발표된 자료들로부터 알 수 있다. 평형선은 평형값 xe와 ye를 도시한 것인데, 증류탑내의 정류에서는, 아래 그림 (a)에서 보는 바와같이 조작선이 평형선 아래에 위치한다. 이것은 증류가 액상에서 기상으로 물질전달이 이뤄지므로평형일때와 비교하여 액상성분의 몰분율이 기상성분의 몰분율보다 크다는 것을 보여준다.물질전달의 구동력은 그림에서와 같이 ye-yn+1이다.(a)(b)xnyeyn+1yn+1x평형선조작선yye평형선조작선yxxn< 조작선과 평형선 : (a) 증류의 경우, (b) 기체흡수의 경우 >조작선의 평형선의 아래에 위치하는 증류의 경우와 반대로 흡수조작의 경우에는 조작선이 평형선위에 위치한다. 흡수는 불용성 기체와 섞여 있는 가용성 기체가 V상으로부터 L상으로 전달되는경우로서 조작선은 그림 (b)와 같이 평형선 위에 놓여 있어야 한다. 이 경우 물질전달의 구동력은yn+1-ye이거나, 또는 탑 속에서 어느 위치에 있는 액체와 평형에 있는 증기의 조성과 실제 증기조성의차이가 된다.이것은 증류가 액상에서 기상으로 물질전달이 이뤄지므로 평형일때와 비교하여액상성분의 몰분율이 기상성분의 몰분율보다 크다는 것을 보여준다.기체의 한 성분을 비휘발성 용매에 흡수시키는 경우 두 상이 탑을 통과함에 따라 기체의 총유량은감소하는 반면, 액체의 총 유량은 증가한다. L과 V는 둘 다 탑 밑부분에서 제일 크고 꼭대기에서가장 작기 때문에 조작선의 기울기, 즉 L/V의 변화율은 L 또는 V 의 변화 그 자체만큼 크지는않지만 조작선은 보통 곡선이 된다.이상단 수의 결정에 있어서 전반적인 중요 문제는 실제 증류탑에서 원하는 농도범위, 즉 xa에서xb 또는 ya에서 yb를 달성하는데 필요한 이상단의 수(Ideal Stage)를 구하는 것이다. 이 수를 알 수 있고, 또한, 단 효율을 안다면 실제단의 수를 계산할 수 있다. 이것이 증류탑을 설계하는 통상적로부터 위로의 기체상의 흐름이 있다.anmo조작선●평형선ynyn+1yn+2xn+1xnxn-1yx●b이때, (n-1)단으로부터 내려오는 액체상은 (n+1)단으로부터 상승하는 증기와 접촉하여 가열되며저비점성분의 일부가 증발하게 된다. 이와 동시에 상승하는 증기상은 액체상과 접촉해서 냉각되며고비점성분의 일부는 액화된다. 액체상의 저비점 성분은 a점에서 m점까지 진행하게 되고,결국 몰분율이 xn-1에서 xn으로 감소하며 증기상의 성분은 n점에서 m점까지 진행하여 몰분율이yn+1에서 yn으로 증가된다. 이것을 조작선에서 보면 n단에서 액체상의 저비점 성분은 a에서m으로 이동한 것이고, 증기상의 경우는 n에서 a로 이동했다고 볼 수 있다. 그리고 이러한두 상간의 작용이 각 단마다 이루어진다고 볼 수 있다. 점 a, m및 n으로 이루어진 계단 또는삼각형은 한 개의 이상단을 표시하며, 이 탑에서는 첫 번째 단이다. 두 번째 단은 같은 작도를반복함으로써 선도상에 도식적으로 구할 수 있다. 즉, 수평으로 점 o 위치의 평형곡선까지 가서,다시 수직적으로 조작선 상의 점 b까지 가면 된다.기체흡수, 증류, 침출 또는 액체추출 중 어느 다단식 반응기에서나 이상단수를 구하는데는 같은방법을 이용할 수 있다. 이상단 수를 알기 위해 조작선과 평형선을 교대로 이용하면서 도식적으로계단 하나하나를 그려나가는 법은 증류탑 설계에 처음 이용되었고, 이 방법을 McCabe-Thiele법이라한다.그 작도는 탑 양끝의 어느 한 쪽에서 시작하며, 일반적으로 마지막 계단이 그림에서처럼 꼭 마지막단의 농도와 맞아떨어질 필요는 없다. 한 개 미만의 단은 그대로 남겨 둘 수도 있고 반올림 할 수도 있다2-2> 단증류 (simple distillation)회분증류중 가장 간단한 예가 단증류이다. 일정량의 액체 혼합물을 가열하여 생긴 증기를냉각기로 보내어 응축시켜 저비점성분이 풍부한 액체를 얻는 방법으로 미분증류(differential distillation) 또는 회분조작을 하므로 회분단증류 (simple bat성된
![[화학공학] 기액평형 실험 예비보고서](https://image4.happycampus.com/Production/thumbnail/2004/01/10/data2754085-0001.jpg)
