100%의 물은 이론상으로만 존재하는 물이다.

100%에 가까운 물이 더 정확한 표현이다. 설령 100%의 물이 있다해도 용기에 담는 순간, 또는 공기에 닿는 순간 불순물이 녹아 들어가거나 이온교환이 일어나기 때문이다.

초순수는 일반적으로 해수 담수화, 의약품 제조산업, 반도체 산업, 선박 내 자체 담수화 설비, 실험실용 세정액 및 용매, 음용수의 정제 등에 사용된다. 초순수는 물이 없이는 생물이 존재할 수 없듯이 과학의 전 분야에서 사용되지 않는 분야가 없다.

고도로 정제된 물, 역삼투압법 각광

초순수의 특성은 수소와 산소의 결합각이 104.52°인 극성분자(H+, OH-)로써 통상의 액체는 온도가 내려감에 따라 밀도가 증가하나 물은 특이한 거동특성이 있다.

수소 결합력이 큰 이유로 표면장력이 커지고 이 결과 구석까지 혈액순환이 가능하고 높은 나무의 끝까지 물이 전달될 수 있으며 세정효과에도 좋은 영향을 미치고 비열용량이 다른 액체와 비교해서 크기 때문에 지구환경 및 동물의 온도조절에 유용하다.

초순수는 박테리아, 미생물, 용존 가스 등을 제거한 고도로 정제된 물을 DIW(Deionized Water) 또는 UPW(Ultra Pure Water)라 말한다.

특히 반도체 산업에서는 웨이퍼 생산수율을 높이기 위하여 비저항 값이 18.2 MΩcm, 이온 및 기타 수질항목이 ppb 또는 ppt단위의 고 순도로 생산되어진 초순수를 UPW 또는 DIW라고 한다.

DIW는 물속에 녹아있는 이온조차 모조리 제거하여 물이 자체 이온화하여 생긴 이온을 제외하고는 불순물이 하나도 없는 순수한 물이다.

즉 수중의 이온성분이 제거된 상태로 수중에 존재하는 이온성분은 양이온(Cation)과 음이온(Anion) 의 두 가지 형태로 구분된다. 양이온은 칼슘, 마그네슘, 칼륨, 나트륨, 철 등의 금속이온이고 음이온은 황산, 염소, 규소 등의 비금속이온으로 형성된다.

따라서 DIW라 함은 이들 양이온과 음이온을 화학적 또는 물리적 메카니즘을 이용하여 제거한 상태의 물을 말한다. 또한 이온의 제거정도에 따라서 순수 또는 초순수 등으로 일컬어진다.

그러므로 일반 과정은 수중의 부유물질 및 입자 등의 유기물질은 제거할 수 있으나 이온은 크기가 워낙 작아 필터링의 여과능력 범위를 벗어나기 때문에 이온을 제거하여 초순수를 만들기 위해서는 역삼투압법과 같은 물리적 처리와 이온교환 등의 화학적 처리법을 응용해야 한다.

굳이 비교를 하자면 DIW는 넓은 의미의 순수이고 UPW는 초순수라고 한다. DIW는 일반적으로 1메가옴 이상의 물을 말한다. DI 제조공정에서 전처리 공정을 거친 후 역삼투압이나 혹은 막을 거친 물을 순수라고 한다. 여기까지가 일반적인 순수의 공정이라고 말할 수 있다.

UPW는 순도로 따지면 대략 17.5 메가옴 이상의 물이다. 물속의 이온뿐만이 아니라 물속에 들어 있는 많은 것들을 함께 제거한 것이다. 반도체 같은 공정에 사용하는 초순수는 미세금속, 미세입자 등을 극 미량의 단위인 ppb 단위까지 떨어뜨리는 것이다.

국내에 세계 최고 수준의 초순수 시스템을 개발한 (주)비바젠은 초순수 시스템인 EXL 3을 출시하고 초순수시장에서 괄목할 만한 점유율을 보이고 있다. 외관을 스테인레스로 만든 이 시스템은 초순수는 물론 용기세척에 필요한 순수 등도 동시에 생산해 낼 수 있는 시스템이다.

(주)비바젠의 김유능 차장은 “EXL3의 시스템은 세계 최고의 성능에 인터넷을 통한 원격 모니터링을 실시해 온라인 시스템 관리가 가능해졌다”며 국내 기술로 이루어진 초순수 시스템에 대해 설명했다.

이온교환-연수장치와 개념은 비슷

DI는 이온교환이나 증류기만 사용하는 것은 아니고 현재는 역삼투압장치를 더 많이 이용하고 있다. 이젠 대부분이 RO장치를 이용하여 전처리를 하는 것이다.

후단에 이온교환수지를 사용하여 1차 순수를 얻어 내는 것이고, 그 뒤에 또 이온교환수지나 EDI를 사용하여 2차 초순수를 생산한다.

DIW 제조공정은 금속이온 교환수지 → 비금속이온 교환수지 → 탈기장치 → 금속비금속이온 혼합수지 → Micro filter → Polisher 인데 최근에는 이온 교환수지 대신 RO 장치를 더 많이 사용하고 이온혼합수지 대용으로 EDI를 사용하는 추세다.

물 속에는 다량의 금속이온과 비금속이온이 존재하며 각 산업분야 또는 의료분야 등에서 필요에 따라 DIW를 제조하여 사용한다. 소형의 경우 열에너지를 이용한 증류법이 있고 대용량의 경우 이온교환법이 있다.

이온교환에 의한 DIW 제조는 연수장치와 개념은 비슷하나 금속이온교환수지와 비금속이온교환수지를 각각 또는 혼합하여 장치를 구성한다. 그 과정에 양이온 교환수지는 염산으로, 음이온 교환수지는 NaOH를 사용한다.

일반 순수에는 양이온이나 음이온이 극미량으로 존재하여 그 농도를 정량하기 어렵기 때문에 전기전도도로 측정한다. 순수한 물일수록 이온이 없으니 저항이 크다.

이론적인 순수의 비저항은 1,800만ohm·cm정도이다. 실험실에서 시약을 조제할 때는 약 1,000만ohm·cm이상을 사용하고 초자류 세척에는 약 100만ohm·cm정도인 것을 사용한다.

반도체 세척에는 1,700만ohm·cm 정도이다. 물속에는 여러 가지 이온들이 녹아있고 미립자, 세균류도 있다.

연수란 말 그대로 부드러운 물을 말한다. 모든 자연수에는(특히 지하수) Ca과 Mg 등의 금속 이온이 들어 있으며 Ca과 Mg의 함량이 높을수록 경도가 높아져서 물은 경수(센물)가 된다.

경도가 높은 물은 생활용수 또는 공업용수 등으로 사용하기가 어렵다. 따라서 경도를 제거하여 물을 부드럽게 연수화하는 장치가 연수장치이다.

연수장치의 원리는 Ca과 Mg이 들어있는 물을 cation 교환수지 층에 통과시키는 과정에서 Ca과 Mg 이온을 포착하고 양이온교환수지에 원래 포착해 있던 Na 이온을 탈리시켜 이온들을 교환한다.

그리고 이온 포착량이 포화상태에 이르면 이온 교환능력을 상실하므로 NaOH 용액(소금물)으로 재생하여 그 기능을 환원하고 유지시키는 장치이다.

정수기 같은 친근한 외관으로 초순수와 순수를 동시에 생산해 낼수 있는 초순수기가 선보여 워터코리아 전시회에서 많은 물전문가 들로부터 큰 호응을 받은 제품이 있다.

영화과학에서 판매하는 Milli-Q 와 Direct-Q 3 이 그것이다.

이 회사 김진형 대리는 “과학기기 같지 않은 외관으로 사용자가 친근하게 쓸 수 있고 작동이 편리하며 초순수의 품질이 일정하게 유지되어 인기 좋은 제품”이라며 초순수기 시장에서 두각을 나타내고 있는 제품에 대해 설명했다.

초순수는 저장이 불가능하다. 그릇에 받는 순간 공기중의 CO2가 녹아 들어가 CO32-, HCO3-로 바뀌어서 비저항이 감소해 버린다. 인간의 몸속에 있는 물처럼 초순수의 안정성이 실험과 약품의 품질에 중대한 영향을 미쳐 과학에서는 없어서는 안되는 물이다.

◈메가옴: 물의 전기적 저항값을 측정하여 이온의 제거 정도를 나타내는 수치다. 메가옴 측정으로 ‘순수’ ‘초순수’를 구분할 수 있다.

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