삼불화 질소

삼불화 질소(Nitrogen trifluoride)는 화학식 ()을 갖는 무기 화합물이다. 약간 곰팡이 냄새가 나는 무색의 비-가연성, 독성 가스이다. 암모니아와 달리 비염기성이다. 평판 디스플레이, 광전지, LED 및 기타 마이크로일렉트로닉스 제조에서 사용이 증가하고 있다. 는 100년 동안 비교했을 때 보다 17,200배 더 큰 지구 온난화 지수(GWP)를 가진 온실 기체이다.

합성 및 반응성
삼불화 질소는 전기 방전 존재하에 원소로부터 제조될 수 있다. 1903년, 오토 러프는 용융된 플루오린화 암모늄과 플루오린화 수소 혼합물의 전기 분해로 삼불화 질소를 제조했다. 이것은 폭발성인 다른 질소 삼할로젠화물인 삼염화 질소, 삼브로민화 질소, 아이오딘화 질소보다 훨씬 반응성이 낮다. 질소 삼할로젠화물 중 유일하게 음의 생성 엔탈피를 갖는다. 현대에는 암모니아와 플루오린의 직접 반응과 러프 방법의 변형을 통해 제조된다.Philip B. Henderson, Andrew J. Woytek "Fluorine Compounds, Inorganic, Nitrogen" in Kirk‑Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1994, John Wiley & Sons, NY.  Article Online Posting Date: December 4, 2000 가압 실린더에 공급된다.

는 물에 약간 용해되지만 화학 반응을 겪지 않는다. 0.2340 D의 낮은 결합 쌍극자 모멘트를 가진 비염기성이다. 대조적으로, 암모니아는 염기성이며 고도로 극성이다 (1.47 D). 이러한 대조는 H와 F의 서로 다른 전기음성도를 반영한다.

이산소와 유사하게, NF3는 강력하지만 느린 산화제이다. 염화 수소를 염소로 산화시킨다:
2 NF3 + 6 HCl → 6 HF + N2 + 3 Cl2
그러나 고온에서만 유기 화합물을 (폭발적으로) 공격한다. 따라서 표준 조건에서 여러 플라스틱뿐만 아니라 강철 및 모넬과 호환된다.

200-300 °C 이상에서 NF3는 금속, 탄소 및 기타 시약과 반응하여 테트라플루오로하이드라진을 생성한다.

NF3는 플루오린 및 오플루오린화 안티모니와 반응하여 테트라플루오로암모늄 염을 생성한다.
 NF3 + F2 + SbF5 → NFSbF

NF3와 B2H6는 극저온에서도 격렬하게 반응하여 질소, 삼플루오르화 붕소 및 플루오린화 수소산을 생성한다.Parry, Robert W., and Thomas C. Bissot. "The Preparation and Properties of Phosphorus Trifluoride-Borane and Phosphorus Trifluoride-Borane-d31." Journal of the American Chemical Society 78, no. 8 (1956): 1524-1527.

응용
DRAM 컴퓨터 메모리 생산, 평판 디스플레이 제조 및 박막 태양 전지 대규모 생산과 같은 대용량 응용 분야에서는 를 사용한다.

 에칭 

삼불화 질소는 주로 LCD 디스플레이, 일부 박막 태양 전지 및 기타 마이크로일렉트로닉스와 같은 반도체 장치 제조 중 규소 및 규소 화합물을 제거하는 데 사용된다. 이러한 응용 분야에서 는 처음에 플라스마 내에서 분해된다. 생성된 플루오린 유리기는 폴리실리콘, 질화 규소 및 산화 규소를 공격하는 활성제이다. 또한 규소화 텅스텐, 텅스텐 및 특정 기타 금속을 제거하는 데 사용될 수 있다. 장치 제작에서 에천트 역할을 하는 것 외에도 는 PECVD 챔버를 청소하는 데 널리 사용된다.

는 과불소화합물(PFC) 및 육플루오린화 황()에 비해 저압 방전 내에서 더 쉽게 해리된다. 생성되는 음전하를 띠는 유극기의 풍부함은 더 높은 규소 제거율을 가져오고 잔류 오염 감소 및 제조되는 장치에 대한 낮은 순 전하 스트레스와 같은 다른 공정 이점을 제공할 수 있다. 보다 철저하게 소비되는 에칭 및 세정제로서 NF3는 육플루오로에탄과 같은  또는 PFC를 대체하는 환경적으로 선호되는 대안으로도 홍보되었다.

플라스마 처리 공정에 적용되는 화학 물질의 활용 효율은 장비 및 응용 분야에 따라 크게 달라진다. 반응물의 상당 부분은 배출 흐름으로 낭비되어 궁극적으로 지구 대기로 배출될 수 있다. 최신 저감 시스템은 대기 배출을 실질적으로 줄일 수 있다. 는 심각한 사용 제한의 대상이 되지 않았다. 관찰된 대기 성장과 국제 교토 의정서에 대한 대응으로 많은 산업화된 국가에서는 대규모 제조업체에 의해  생산, 소비 및 폐기물 배출에 대한 연간 보고가 요구되었다.

고독성 플루오린 가스 (F2, 이원자 플루오린)는 일부 제조 응용 분야에서 삼불화 질소의 기후 중립 대체 물질이다. 특히 제조 직원을 보호하기 위해 더 엄격한 취급 및 안전 예방 조치가 필요하다.

삼불화 질소는 불화수소 및 중수소 불화 레이저에도 사용되는데, 이는 화학 레이저의 일종이다. 여기서도 취급이 더 편리하기 때문에 플루오린 가스보다 선호된다.

온실 기체
섬네일|left|upright=1.2|1990년대 이후 NF3의 대기 농도 증가가 오른쪽 그래프에 유사한 인공 가스 하위 집합과 함께 표시된다. 로그 스케일에 유의하라.
의 GWP는 교토 의정서에서 인정하는 온실 기체 그룹 중 에 이어 두 번째이며, 는 2013년부터 발효된 교토 의정서 2차 공약 기간부터 해당 그룹에 포함되었다. 추정되는 대기 수명은 740년이지만, 다른 연구에서는 550년으로 약간 짧은 수명(및 그에 상응하는 16,800의 GWP)을 제시한다.

섬네일|left|upright=1.1|2015년 이후 여러 위도에서 측정한 삼불화 질소 농도.
섬네일|left|전 세계 관측소에서 고급 지구 대기 가스 실험 (AGAGE)으로 측정한 하부 대기(대류권)의 NF3. 풍부도는 ppt (part per trillion)의 오염 없는 월별 평균 몰 분율로 주어진다.
1992년에는 100톤 미만이 생산되었지만, 2007년에는 약 4000톤으로 생산량이 증가했으며 앞으로도 크게 증가할 것으로 예상된다. 2010년까지 NF3의 전 세계 생산량은 연간 8000톤에 달할 것으로 예상된다. 현재까지 세계에서 가장 큰  생산 업체는 미국의 산업 가스 및 화학 회사인 에어 프로덕츠 앤 케미컬스이다. 생산된 의 약 2%가 대기로 방출되는 것으로 추정된다. 롭슨은 최대 대기 농도가 부피 기준으로 0.16ppt(1조 분의 1) 미만이며, 이는 0.001Wm−2 미만의 적외선 강제력을 제공할 것으로 예상했다.
NF3의 평균 전 지구 대류권 농도는 1980년 약 0.02ppt(1조 분의 1, 건조 공기 몰 분율)에서 2011년 0.86ppt로 증가했으며, 연간 증가율은 0.095ppt yr−1, 즉 연간 약 11%였다. 이는 예상대로 배출이 주로 북반구에서 발생하고 있음을 시사하는 남북 반구 간 농도 차이가 일관되게 나타났다. 2011년의 이러한 증가율은 전 세계적으로 연간 약 1200톤의 NF3 배출에 해당하며, 이는 NF3 전 세계 생산량 추정치의 약 10%에 해당한다. 이는 업계에서 추정한 것보다 훨씬 높은 비율이므로, NF3 생산량을 재고하고 배출량을 규제해야 할 필요성을 더욱 강조한다.
산업계 대표들이 공동 저술한 한 연구에 따르면 박막 Si 태양 전지 제조의 전체 온실 기체 예산에 NF3 배출량이 기여하는 바가 명확하다.

UNFCCC는 교토 의정서의 맥락에서 2012년부터 시작하여 2017년 또는 2020년에 끝나는 교토 의정서 두 번째 이행 기간에 삼불화 질소를 포함하기로 결정했다. 이에 따라 WBCSD/WRI GHG 프로토콜은 모든 표준(기업, 제품 및 스코프 3)을 수정하여 NF3도 포함하도록 하고 있다.

안전
와의 피부 접촉은 위험하지 않으며, 점막과 눈에 비교적 경미한 자극제이다. 질소 산화물보다 훨씬 낮은 독성도를 가진 폐 자극제이며, 흡입을 통한 과다 노출은 혈액 내 헤모글로빈을 메트헤모글로빈으로 전환시켜 메트헤모글로빈혈증을 유발할 수 있다. 미국 국립 직업안전위생연구소(NIOSH)는 생명이나 건강에 즉각적으로 위험한 농도(IDLH 값)를 1,000ppm으로 지정한다.

 같이 보기 
 IPCC 온실 기체 목록
 오플루오린화 질소
 테트라플루오로하이드라진

 내용주 

 각주 

 외부 링크 

 NF3 행동 강령 (유럽 산업 가스 협회)]
 NF3 웹북 페이지
 CDC - NIOSH 화학 물질 위험 포켓 가이드

분류:온실 기체
분류:산업 가스
분류:질소(III) 화합물