KR100340334B1 - 기체 청정화 시스템 - Google Patents

Abstract

고순도로 오염 물질을 제거할 수 있는 기체 청정화 시스템이 개시되어 있다. 상기 시스템은 오염 물질의 제거를 위한 제1 장치로서 물분사 시스템을 포함하며, 제2 장치로서 상기 물분사 시스템의 후단에 설치되고, 적어도 그 표면이 가시광선, 자외선 또는 전기적 에너지에 의해 전자를 방출하는 전자 방출재로 이루어진 포집 장치를 포함한다. 상기 물분사 시스템에 의해 1차적으로 수용성 오염물을 포함하는 오염 물질이 제거되고 상기 포집 장치에 의해 비수용성 오염물을 포함하는 오염 물질이 제거된다.

Description

기체 청정화 시스템 {System For Purifying Gas}

본 발명은 기체 청정화 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 각종 생산 장비, 인체, 대기 등에 의한 오염원을 높은 효율로 제거할 수 있는 기체 청정화 시스템에 관한 것이다.

반도체를 포함한 각종 부품, 전자 제품 등의 생산 공정에서는 각종 입자 오염 물질로 인한 문제가 내재되어 있다. 특히 반도체 소자의 생산을 위해서는 높은 순도의 기체상 환경이 요구되는데, 웨이퍼 등의 기판 표면 및 계면에서의 초미세입자, 원자, 분자 수준의 가스상 오염 물질의 제어가 매우 중요한 요인이 된다. 오염 물질의 발생원은 생산 현장의 각종 생산 장비, 내장재, 공기 청정화용 필터류, 인체, 대기, 공정용 가스, 산, 염기 등과 같은 화학 약품, 유기 오염물 등과 같이 매우 다양하고 광범위하다.

이와 같이 공정에 영향을 미치는 오염원이 다양화됨에 따라 오염을 제거하기 위한 시스템 역시 제어 대상과 설치 방법에 따라 다양하게 발전되어 왔다. 상기한 바와 같은 다양한 오염 물질의 제어를 위하여 반도체 장치는 청정실(clean room)에서 제조되고 관리되는데, 청정실에는 오염 물질의 포집 및 제거를 위하여 각종 필터, WSS(water showering system) 등이 채용되고 있다.

청정실에서 채용되는 대표적인 필터로서는 크게 활성 탄소 필터와 IEF(ionexchange fiber) 필터가 있다. 활성 탄소 필터는 활성 탄소를 잘게 파쇄하여 압축 성형하고 여기에 특정 성분을 포집할 수 있는 침착물을 코팅한 것으로서, 주로 오존, 유기물, SOx, NOx 등을 제거하기 위한 목적으로 사용된다. IEF 필터는 섬유질에 다양한 작용기를 침착시켜 제조되며 이온을 포집하기 위한 목적으로 사용되는데 주로 암모니아와 같은 양이온을 제거하게 된다. 이와 같이 다양한 오염물을 제거하기 위해서는 다양한 종류의 필터가 하나의 청정실에 대하여 약 400-600장정도 설치된다.

WSS 시스템은 노즐을 통하여 분사된 물이 형성하는 미세한 크기의 액적과 부유 분진과의 충돌 흡착 원리에 의해 오염물을 제거하는 것으로서, 기류에 포함된 부유 분진이 액적에 접근하여 충돌하면서 포집되어 제거되는 원리를 이용한다.

도 1a 및 1b에는 종래의 WSS를 개략적으로 나타내었는데, 도 1a는 측면도이고 도 1b는 도 1a의 A-A' 선을 따라 절단한 부분 상면도이다. 도면을 참고로 하여, 종래의 WSS의 구조 및 이에 의한 오염물의 제거 원리에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

종래의 WSS는 크게 물을 미세한 크기의 액적으로 분사시키기 위한 다수의 노즐을 구비한 물분사 시스템(10), 분사된 액적의 사이즈를 더 작게 나누어주기 위한 크래쉬 플레이트(20), 액적이 부딪혀서 하방으로 떨어지게 해주는 엘리미네이터(30) 및 떨어지는 물을 수집하고 수집된 물이 물분사 시스템(10)으로 제공될 때까지 저장하기 위한 탱크(50)로 이루어진다. 이 때, WSS로 유입 공기(Ai)는 물분사 시스템(10)으로 유입되어 크래쉬 플레이트(20)를 지나 엘리미네이터(30)를 통과하는 화살표 방향으로 흐른 후 청정화된 배출 공기(Ao)로 배출된다.

물분사 시스템(10)은 수직방향으로 다수개 배열된 물이송관(12a, 12b, 12c...), 상기 물이송관(12a, 12b, 12c...)에 수직 방향으로 다수개 구비된 노즐(14a, 14b, 14c...) 및 상기 물이송관(12a, 12b, 12c...)을 지지하기 위한 물이송관 지지체(16)로 이루어진다. 펌프(60)에 의해 탱크(50)로부터 공급된 물은 다수개의 물이송관(12a, 12b, 12c...)을 따라 상방으로 이동하다가 상기 물이송관(12a, 12b, 12c...)의 양측면에 90°이상의 소정 각도를 두고 이 열로 형성된 다수개의 노즐(14a, 14b, 14c...)을 통하여 빠른 속력으로 분사된다. 분사된 물방울의 사이즈는 노즐(14a, 14b, 14c...)의 사이즈 및 수압에 의해 결정되는데 이들을 적절하게 조절하는 것에 의해 물을 원하는 사이즈로 분사시키도록 한다. 바람직하게는 약 100㎛ 이하의 사이즈로 분사하는 것이 오염원 제거를 위해 바람직하다.

각 노즐(14a, 14b, 14c...)에서 분사된 물방울은 분사되는 방향에 대하여 이와 대응되게 수직으로 길게 설치된 다수의 플레이트(22a, 22b, 22c...)로 이루어진 크래쉬 플레이트(20)에 부딪혀서 더욱 작은 사이즈를 갖도록 분리 된다. 물방울의 사이즈가 작아지면 그만큼 물의 표면적이 넓어지므로 오염물의 흡착 효과가 증가하게 된다. 상기 다수의 플레이트(22a, 22b, 22c...)는 크래쉬 플레이트 지지체(26)에 의해 지지되며 이들은 도 1b에 나타난 바와 같이 물이송관(12a, 12b, 12c...)에 형성된 노즐에 의해 물이 분사되는 방향에 수직되게 길이 방향으로 설치되며 하나의 물이송관에 대하여 두 개씩 설치된다.

크래쉬 플레이트(20)를 통과한 물방울은 엘리미네이터(30)에 부딪히게 된다. 엘리미네이터(30)는 플라스틱이나 SUS(stainless steel) 재질로 제조되며 바람직하게는 다공성 플레이트 형상을 갖는다. 이는 도면에 나타난 바와 같이 다수의 플레이트(32a, 32b, 32c...)를 적층하여 이루어지되 인접하는 플레이트에 형성된 기공끼리 서로 엇갈리도록 설치하여 전방에 설치된 플레이트(32a)에 부딪히지 않은 물방울 및 오염물이 포집된 물방울이 후방에 설치된 플레이트(32b, 32c...)에 의해 포집될 수 있도록 한다. 상기 엘리미네이터(30)를 구성하는 다수의 플레이트(32a, 32b, 32c...)는 엘리미네이터 지지체(36)에 의해 지지된다. 도 1b에서, 각 플레이트(32a, 32b, 32c...)를 상면에서 보면 실제로는 직선으로 나타나지만 기공이 있는 플레이트간의 배열 방식을 보여주기 위하여 점선으로 도시하였다.

상기 물분사 시스템(10), 크래쉬 플레이트(20) 및 엘리미네이터(30)가 배치된 공간의 하부에는 탱크(50)가 설치되어 상기 구성원들을 지나면서 부딪히거나 오염물을 포집한 후 이에 부딪혀서 떨어지는 물방울을 수집하도록 되어 있다. 수집된 물은 다시 물분사 시스템(10)으로 제공될 때까지 탱크(50) 내에 저장된다. 순환되는 물의 교체 시기는 탱크(50) 내의 물에 대한 저항을 주기적으로 측정하여 결정하도록 하는데, 오염물의 양이 많아지면 물의 저항이 높아지므로 일정 값을 유지시켜 오염물을 포집하기에 충분할 정도의 순도를 유지시키도록 한다. 통상은 일정량의 순수를 주입함과 동시에 동일량을 배출시키는 방식으로 물의 저항을 적정 수준으로 순환시키게 된다.

이상과 같은 기존의 각종 필터, WSS 등을 사용한 기체의 청정 시스템에 의하면 부유 분진 물질, 수용성 오염물 등을 포함하는 다양한 오염물을 용이하게 제거할 수 있으나, 비수용성 오염물이나 유기성 오염물의 제거에는 효과가 미흡한 경향이 있다. 이는 관성 충돌, 응축 성장, 침착에 의한 방식으로 한계를 보이고 있으며 특히 풍량이 많고 흐름이 빠른 기체의 처리시에는 입자가 빠른 속도로 통과하기 때문에 액적과 접촉하기 어렵게 된다. 또한 비수용성 유기성 가스상 오염물과 서브 미크론 단위의 미세 입자의 경우 제거 효과에 한계가 있다. 따라서 다양한 오염물의 제거율을 향상시키기 위해서는 더욱 우수한 효과를 제공해 줄 수 있는 새로운 청정 시스템이 요구된다.

특히, 현재 반도체 수율 저하의 원인이 80% 이상이 미립자에 의한 영향인 것으로 평가되고 있는데 향후 소자의 집적도가 더욱 향상됨에 따라 가스상 오염 물질에 대하여 도 높은 수준의 제어가 요구된다. 이에 더하여 상기한 각종 필터 및 WSS는 수명이 한정되어 있기 때문에 이에 따른 필터의 교체, 노즐, 엘리미네이터 등에 대한 유지 관리가 요구된다. 이에 따라 상기한 교체, 유지 관리에 드는 노력과 비용을 최소화할 수 있는 새로운 시스템에 대한 요구가 또한 내재되어 있다.

한편, 자외선을 조사함으로써 발생되는 광전자가 공간중의 미립자에 부착되어 전극에 의해 포집 되는 원리를 이용하여 기체를 청정화 하는 장치에 관한 연구가 다양하게 이루어져 있다.

일본국 특허 공개 공보 평6-252242호에서는 밀폐된 공간 내에 광전자 방출재, 자외선원 및/또는 방사선원 및 전극을 갖는 기체 청정화 수단을 개시하고 있다. 이것은 자외선원 등의 조사에 의해 발생된 광전자에 의해 공간중의 미립자가하전 미립자가 되어 전극에 포집 되는 원리를 이용한 것이다. 또한 일특개평4-239131호에서는 웨이퍼에 자외선을 조사하여 웨이퍼 표면 및 근접한 영역의 미립자를 하전 시켜 하전된 미립자를 포집, 제거하는 방법에 관하여 개시하고 있다.

미국 특허 제5,380,503호에서는 전극과 광전자 방출재 사이에 전기장을 형성시키고, 자외선 램프에 의해 광전자 방출재에서 발생되는 광전자와 공간중 미립자를 서로 부착시켜 전극에 포집시키는 방식으로 격리된 공간을 청정화 시키는 기술을 개시하고 있다.

그런데, 상기한 방식은 밀폐된 공간에 대해서만 적용되기 때문에 설비 자체가 소형이며 국소 공간 내에 고순도를 유지해야 하는 경우에 활용되며 주로 물건을 저장하기 위한 저장 장치의 개념으로 사용된다는 한계를 가지고 있다.

이에, 본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하여 특히 비수용성 오염물 및 유기성 오염물을 포함하는 분자성 오염물의 제거가 용이한 기체 청정화 시스템을 제공하고자 한다.

도 1a 및 1b에는 종래의 WSS를 개략적으로 나타내었는데, 도 1a는 측면도이고 도 1b는 도 1a의 A-A' 선을 따라 절단한 부분 상면도이다.

도 2a 내지 2c에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기체 청정화 시스템을 개략적으로 나타내었는데, 도 2a는 측면도이고 도 2b는 도 2a의 B-B' 선을 따라 절단한 부분 상면도이며 도 2c는 포집 장치 부분의 확대 정면도이다.

도 3a 및 3b는 종래의 WSS에 의한 오존 제거 효율을 나타내는 그래프 및 본 발명의 제1 실시예에 따른 기체 청정화 시스템에 의한 오존 제거 효율을 나타내는 그래프이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기체 청정화 시스템을 개략적으로 나타낸 측면도이다.

도 5a 및 5b에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 기체 청정화 시스템을 개략적으로 나타내었는데, 도 5a는 측면도이고 도 5b는 도 5a의 부분 확대도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10, 110: 물분사 시스템 20, 120: 크래쉬 플레이트

30, 130: 엘리미네이터 140: 포집 장치

50, 150: 탱크 60, 160: 펌프

170: 전원인가 장치 190: 자외선/광전자 방출 장치

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 물분사 시스템 및 상기 물분사 시스템의 후단에 설치되고, 적어도 그 표면이 가시광선, 자외선 또는 전기적 에너지에 의해 전자를 방출하는 전자 방출재로 이루어진 포집 장치를 포함하는 기체 청정화 시스템을 제공한다.

본 발명에 의하면, 미세한 물방울에 의하여 1차로 수용성 오염물, 부유 분진물질 등을 제거하고, 2차로 수분과 전자의 연계된 작용에 의하여 유기성 오염물 및 비수용성 오염물을 제거할 수 있도록 하여 뛰어난 청정 효과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2a 내지 2c에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기체 청정화 시스템을 개략적으로 나타내었는데, 도 2a는 측면도이고 도 2b는 도 2a의 B-B' 선을 따라 절단한 부분 상면도이며, 도 2c는 포집 장치 부분의 확대 정면도이다. 이는 크게 도 1a 및 1b에 나타난 종래의 WSS와 이의 후방에 설치되고 가시광선, 자외선 또는 전기적 에너지에 의해 전자 방출이 가능한 포집 장치로 구성된다.

본 실시예에 따른 기체 청정화 시스템은 크게 물을 미세한 크기의 액적으로 분사시키기 위한 다수의 노즐을 구비한 물분사 시스템(110), 분사된 액적의 사이즈를 더 작게 나누어주기 위한 크래쉬 플레이트(120), 액적이 부딪혀서 하방으로 떨어지게 해주는 엘리미네이터(130), 오염원을 포집, 제거해주기 위한 포집 장치(140) 및 떨어지는 물을 수집하고 수집된 물이 물분사 시스템(110)으로 제공될 때까지 저장하기 위한 탱크(150)로 이루어진다. 이 때, 유입 공기(Ai)는 물분사 시스템(110)으로 유입되어 크래쉬 플레이트(120)를 지나 엘리미네이터(130) 및 포집 장치(140)를 통과하는 화살표 방향으로 흐른 후 배출 공기(Ao)로 배출된다.

물분사 시스템(110)은 수직방향으로 다수개 배열된 물이송관(112), 상기 물이송관(112)에 수직 방향으로 다수개 구비된 노즐(114a, 114b, 114c...) 및 상기 물이송관(112)을 지지하기 위한 물이송관 지지체(116)로 이루어진다. 펌프(160)에의해 탱크(150)로부터 공급된 물은 다수개의 물이송관(112)을 따라 상방으로 이동하다가 상기 물이송관(112)의 양측면에 90°이상의 소정 각도를 두고 이 열로 형성된 다수개의 노즐(114a, 114b, 114c...)을 통하여 빠른 속력으로 분사된다. 분사된 물방울의 사이즈는 노즐(114a, 114b, 114c...)의 사이즈 및 수압에 의해 결정되는데 이들을 적절하게 조절하는 것에 의해 물을 원하는 사이즈로 분사시키도록 한다. 바람직하게는 약 100㎛ 이하의 사이즈로 불방울을 분사하는 것이 좋다.

각 노즐(114a, 114b, 114c...)에서 분사된 물방울은 분사되는 방향에 대하여 이와 대응되게 수직 방향으로 긴 직사각형 형태로 설치된 다수의 플레이트(122a, 122b, 122c...)로 이루어진 크래쉬 플레이트(120)에 부딪혀서 더욱 작은 사이즈를 갖게 된다. 물방울의 사이즈가 작아지면 그만큼 물의 표면적이 넓어지므로 오염물의 흡착 효과가 증가하게 된다. 상기 다수의 플레이트(122a, 122b, 122c...)는 크래쉬 플레이트 지지체(126)에 의해 지지되며 이들은 도 2b에 나타난 바와 같이 물이송관(122a, 122b, 122c...)에 형성된 노즐에 의해 물이 분사되는 방향에 수직되게 길이 방향으로 설치된다. 또한 크래쉬 플레이트는 하나의 물이송관에 대하여 두 개씩 설치되며 바람직하게는 SUS(stainless steel) 로 제조된다.

크래쉬 플레이트(120)를 통과한 물방울은 엘리미네이터(130)에 부딪히게 된다. 엘리미네이터(130)는 플라스틱이나 SUS(stainless steel) 재질로 제조되며 바람직하게는 다공성 플레이트 형상을 갖는다. 이는 도 2b에 나타난 바와 같이 다수의 플레이트(132a, 132b, 132c...)를 적층하여 이루어지되 인접하는 플레이트에 형성된 기공끼리 서로 엇갈리도록 설치하여 전방에 설치된 플레이트(132a)에 부딪히지 않은 물방울 및 오염물이 포집된 물방울이 후방에 설치된 플레이트(132b, 132c...)에 의해 포집될 수 있도록 한다. 상기 엘리미네이터(130)를 구성하는 다수의 플레이트(132a, 132b, 132c...)는 엘리미네이터 지지체(136)에 의해 지지된다. 도 2b에서, 각 플레이트(132a, 132b, 132c...)를 상면에서 보면 실제로는 직선으로 나타나지만 기공이 있는 인접 플레이트간의 배열 방식을 보여주기 위하여 접선으로 도시하였다.

엘리미네이터(130)의 후방에는 포집 장치(140)가 설치된다. 상기 포집 장치는 가시광선, 자외선 또는 전기적 에너지에 의해 전자 방출이 가능한 ZnO, CdS, WO₃, TiO₂등과 같은 성분으로 형성되거나 이러한 성분으로 코팅된 포집 플레이트(142a, 142b, 142c...)를 소정의 간격으로 이격되게 다수개 적층, 배열하여 제조되는 것이 바람직하다.

상기 포집 플레이트(142a, 142b, 142c...)는 형상에 별다른 제한 없이 다양한 형태로 적용될 수 있는데, 와이어를 평행하게 배열하여 플레이트 형상으로 제조하거나 다수의 홀이 형성된 다공성 플레이트, 와이어를 격자 모양으로 교차 형성하여 제조되는 메쉬형 플레이트 또는 와이어를 육각형으로 형성하여 제조되는 벌집형(허니콤형) 플레이트 등으로 제조하여 사용할 수 있다. 도 2b 및 2c에는 와이어를 격자 모양으로 교차 형성하여 제조된 메쉬형 포집 플레이트(142a, 142b, 142c...)를 적용한 경우를 도시하였다.

상기 메쉬형 포집 플레이트(142a, 142b, 142c...)에서 각 메쉬의 간격(d) 및플레이트의 적층 개수에 따라 오염원의 포집 효율은 달라지게 된다. 각 포집 플레이트(142a, 142b, 142c...)의 배열시 가능하면 다량의 공기가 와이어와 부딪힐 수 있도록 인접되는 포집 플레이트간에는 전방 플레이트의 교차 지점(c)이 후방 플레이트의 공간(s)에 위치되도록 배치하는 것이 바람직하다. 메쉬간의 간격(d)이 좁아질수록 오염원의 포집 효과는 상승하지만 이를 무제한으로 좁게 형성할 수만은 없으며 공기의 흐름 속도와 비용을 고려하여 적절한 수준에서 선택해야 한다. 포집 플레이트(142a, 142b, 142c...)의 적층 개수는 많을수록 오염원의 포집 효율이 증가할 것이나 이 또한 설치되는 공간과 비용 등의 문제를 고려하여 적절한 수준으로 선택해야 한다.

상기 물분사 시스템(110), 크래쉬 플레이트(120), 엘리미네이터(130) 및 포집 장치(140)가 배치된 공간의 하부에는 탱크(150)가 설치되어 상기 구성원들을 지나면서 오염물을 포집한 후 이에 부딪혀서 떨어지는 물방울을 수집하도록 되어 있다. 수집된 물은 다시 물분사 시스템(110)으로 제공될 때까지 탱크(150) 내에 저장된다. 순환되는 물의 교체 시기는 탱크(150) 내의 물에 대한 저항을 주기적으로 측정하여 결정하도록 하는데, 오염물의 양이 많아지면 물의 저항이 높아지므로 일정 값을 유지시켜 오염물을 포집하기에 충분할 정도의 순도를 유지시키도록 한다. 통상은 일정량의 순수를 주입함과 동시에 동일 량을 배출시키는 방식으로 물의 저항을 적정 수준으로 맞추어 사용한다.

도 3a 및 3b에는 도1a 및 1b에 나타난 종래의 WSS에 의한 오존 제거 효율을 나타내는 그래프(도 3a) 및 도 2a 내지 2c에 나타난 본 발명의 제1 실시예에 따른기체 청정화 시스템에 의한 오존 제거 효율을 나타내는 그래프(도 3b)이다. 포집 장치는 TiO₂로 제조된 메쉬형 포집 플레이트를 메쉬간 1cm 간격을 갖도록 제조하고, 10cm 두께로 적층하여 제조된 것을 사용하였다.

도 3a에서, 그래프 a는 WSS를 통과하기 전의 기체에 대한 오존 농도를 ppb 단위로 나타낸 것이고, 그래프 b는 WSS를 통과한 후의 기체에 대한 오존 농도를 ppb 단위로 나타낸 것이며, 그래프 c는 오존 제거 효율을 나타낸 것이다. 오존 제거 효율은 약 -12∼45% 로서 평균 16.8% 이며 외기 수준과 대비할 때 불규칙적인 오존 제거 성능을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다.

도 3b에서, 그래프 a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기체 청정화 시스템을 통과하기 전의 기체에 대한 오존 농도를 ppb 단위로 나타낸 것이고, 그래프 b는 이를 통과한 후의 기체에 대한 오존 농도를 ppb 단위로 나타낸 것이며, 그래프 c는 오존 제거 효율을 나타낸 것이다. 오존 제거 효율은 약 37∼75% 로서 평균 56.8% 이다. 기존의 WSS 에 비하여 크게 향상된 오존 제거 효율을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다.

이상과 같은 구성을 갖는 기체 청정화 시스템은 1차적으로 노즐에 의해 미세한 사이즈의 물방울을 생성시켜 표면 접촉 방식으로 미립자를 응축, 포집하고 이를 엘리미네이터에 충돌시켜 제거하게 된다. 이러한 과정을 거친 후 2차적으로 제거되지 않고 남은 가스상 오염물을 엘리미네이터 후방에 설치된 포집 장치로 포집 제거하게 된다. 포집 장치에 의한 오염물의 포집 원리는 하기하는 제2 실시예에서 상세하게 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기체 청정화 시스템을 개략적인 측면도로서 나타내었다. 본 실시예에 의하면 제1 실시예에 따른 기체 청정화 시스템에서 포집 장치(140)에 전기적 에너지 인가 장치(170) 및 접지 장치(180)가 더 구비되어 있다. 바람직하게 전기적 에너지의 인가를 용이하게 하기 위하여 포집 장치(140)를 구성하는 다수의 포집 플레이트(142a, 142b, 142c...)를 전기적으로 연결시키도록 한다. 다르게는 포집 장치 지지체(146)를 도전성 물질로 제조하여 어느 한곳으로만 전기 에너지를 인가할 수 있도록 한다. 상기 포집 장치(140)로부터는 전자가 방출되고 전방의 WSS에서 방출되는 수분과의 연계 작용에 의해 오염물을 포집하게 되는데 포집 장치로부터의 전자 방출량을 증가시키는 것에 의해 오염물의 포집 효율을 더욱 향상시킬 수가 있다. 이러한 효과를 얻기 위하여 본 실시예에서는 전기적 에너지를 인가한 것이다. 표 1에 전압의 인가 유무에 따라, 교류 또는 직류의 인가에 따라 얻어지는 오염물의 제거 효율을 나타내었다.

조건	표준(ppb)	오존공급량(ppb)	인가 전압에 따른 오존 배출량 및 제거 효율
습도(RH)			온도(℃)	0KV	AC220V	DC380V
				오존배출량(ppb)	오존제거 효율(%)	오존배출량(ppb)	오존제거 효율(%)	오존배출량(ppb)	오존제거 효율(%)
17	19	26	350	171	55.0	150	61.7	145	63.3
21	18	11	150	40	79.1	38	80.6	40	79.1
38	22	25	160	70	66.7	42	87.4	-	-

상기 표 1에서, 습도 조건은 상대 습도(RH; relative humidity)로 나타내었는데, 습도가 높아지면 오존의 제거 효율이 향상됨을 확인할 수 있다. 주어진 온도조건은 상온 조건을 고려하여 설정한 것으로서 온도 차이에 따른 오존의 제거 효율은 크게 차이가 없다는 것을 알 수 있다. 표준은 유입되는 기체에 이미 포함된 오존의 양을 의미하며, 전압 인가 조건은 인가하지 않은 경우, 교류를 인가한 경우 및 직류를 인가한 경우의 세 가지로 나누어 각각 실험하였다.

실험을 통하여 전압을 인가하지 않은 경우에 비하여 전압을 인가한 경우 더욱 향상된 오존 제거 효율이 얻어짐을 확인할 수 있으며, 최대 87.4% 까지의 오존 제거 효율이 얻어짐을 알 수 있다. 전압 인가시에는 교류이거나 직류이거나 간에 얻어지는 효과에 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다.

이하, 포집 장치에 의한 오염 물질의 제거 원리를 상세히 설명하기로 한다.

가시광선, 자외선, 전기적인 에너지 등에 의해 전자를 방출하게 되는 ZnO, CdS, WO₃, TiO₂등은 촉매로서 작용하게 된다. 촉매는 화학 반응에서 자신은 변하지 않고 반응 속도를 변화시키거나 반응을 개시시키는 역할을 수행하는 화합물로서 상기 촉매는 빛 또는 전기 에너지에 의해 촉매 작용을 수행하는 것이다. 상기 화합물은 약 400Å 부근의 빛에너지에 의해 광전자를 방출하게 된다. 상기 파장 영역은 근자외선 또는 가시광선 영역으로서 이러한 에너지를 받으면 여기 되어 광전자를 방출하는 것이다. 따라서 별도의 에너지를 적용하지 않더라도 자연광에 의해서도 전자가 방출되어 어느 정도의 오염 물질 제거 효과를 얻을 수 있게 된다.

포집 장치에 별도의 자외선 램프를 설치하여 상기 촉매에 자외선을 방사시켜 주면 더욱 우수한 효과를 얻을 수 있으나 이는 별도의 설비를 필요로 하고 설비의사이즈를 크게 하기 때문에 얻어지는 효과와 비교할 때 그다지 바람직하지는 않은 것으로 판단된다. 이보다는 상기 전자 방출재에 미량의 철, 실리콘 등을 주입하면 형광등, 백열등 등과 같은 광선 하에서도 전자 방출 효율이 증가하여 우수한 오염 제거 효과를 얻을 수 있다. 다르게는 상기한 전자 방출재에 전압을 인가하여 전자 방출 효율을 높이고 이를 통해 우수한 오염원 제거 효과를 얻을 수 있다. 이러한 결과는 상기 제2 실시예를 통하여 확인한 바 있다.

광전자는 빛에 의한 이온화 또는 외부 광전 효과에 의하여 원자, 분자 또는 고체로부터 외부로 나온 전자를 의미한다. 빛의 진동수가 한계 진동수 이상인 경우, 따라서 파장이 한계 파장 이하인 경우에 광전자 방출 현상이 나타난다. 방출된 광전자가 물 및 오염원과 반응하는 정확한 메커니즘은 규명하기 어려우나 수중의 용존 산소 또는 과산화수소와 반응하여 OH 라디칼을 형성하고 또한 전자 방출재의 표면에 형성된 정공에 의해 OH 라디칼을 형성하는 것으로 이해된다. 이러한 OH 라디칼에 의해 염소(Cl₂) 보다 약 2.07배, 오존(O₃) 보다 약 1.16배 높은 산화력을 갖게 되고, 이와 같은 높은 산화력으로 난분해성 유기 물질을 이산화탄소와 물로 분해하여 처리할 뿐 아니라 중금속 이온도 산화 침전시키는 것으로 생각된다. 이에 더하여, 박테리아, 곰팡이 등의 세포막을 산화, 파괴시킬 수 있어서 살균, 방취 효과도 제공해 준다. 결국 상기 포집 장치는 이로부터 발생되는 전자와 주위 환경에서 제공되는 물과의 연계 반응에 의해 각종 오염 물질을 용이하게 제거할 수 있는 것이다.

상술한 역할을 수행하는 촉매는 이러한 반응을 수행하여도 자신은 변화되지 않기 때문에 반영구적으로 사용할 수 있어서 일단 제조하면 이를 교체할 필요도 없으며 이의 유지 관리를 위한 비용 발생이 거의 없게 된다.

상기 제2 실시예와 같은 구성을 갖는 기체 청정화 시스템은 1차적으로 노즐에 의해 미세한 사이즈의 물방울을 생성시켜 표면 접촉 방식으로 미립자를 응축, 포집하고 이를 엘리미네이터에 충돌시켜 제거하게 된다. 이러한 과정을 거친 후 2차적으로 제거되지 않고 남은 가스상 오염물을 전자 방출재로부터 생성된 전자에 의해 음이온으로 하전 시켜 양전극에 부착시킴으로써 제거해 준다.

이러한 포집 장치는 그 자체만으로도 어느 곳에나 적절하게 설치하는 것에 의해 공기 청정 효과를 얻을 수 있으나 특히 습도가 높을수록 우수한 효과를 얻을 수 있기 때문에 WSS, 청정실 내의 습도를 조절하는 가습기의 일종인 AHU(air handling unit)의 humidifier 등의 후방에 설치하는 것이 바람직하다. 또한 상기 포집 장치를 기존의 필터와 대체할 수도 있으며, 외부 공기가 유입되는 지점에 설치하는 것에 의해 기존 필터의 수명을 크게 향상시킬 수도 있게 된다.

도 5a 및 5b에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 기체 청정화 시스템을 개략적으로 나타내었는데, 도 5a는 측면도이고 도 5b는 도 5a의 부분 확대도이다.

도면으로부터 본 실시예에 의하면 도 2a 및 2b에 나타난 기체 청정화 장치의 엘리미네이터(130) 및 포집 장치(140)의 사이에 자외선/광전자 방출 시스템(190)이 추가되어 있다는 것을 알 수 있다. 자외선/광전자 방출 시스템(190)은 적어도 하나의 자외선 램프, 바람직하게는 다수의 자외선 램프(192a, 192b, 192c...), 상기 자외선 램프(192a, 192b, 192c...)로부터 방사된 자외선에 의해 광전자를 방출하는 자외선 전자 방출재(194), 상기 자외선 램프 시스템을 지지하기 위한 지지체(196), 상기 자외선 램프(192a, 192b, 192c...)에 전압을 인가하기 위한 전압 인가 장치(197) 및 접지 장치(198)를 포함하고 있다. 상기 포집 장치(140)에도 전기적 에너지 인가 장치(170)가 구비되는데, 이 때는 포집 장치(140)에 양전위가 인가되도록 한다.

상기 자외선 전자 방출재(194)로는 석영 유리(quarts glass), ITO(indium tin oxide), ZnO, CdS, WO₃, TiO₂등이 바람직하게 사용될 수 있다. 이들은 혼합 또는 단독으로 사용할 수 있다. 이러한 전자 방출재는 자외선 램프(192a)로부터 방사되는 자외선에 노출될 수 있는 위치에 코팅 등의 방식에 의해 설치될 수 있다.

종래 기술에서 기술한 바와 같이, 닫힌계 내에서 자외선/광전자에 의한 오염 물질의 제거에 관해서는 이미 다양하게 연구된 바 있다. 본 발명에서는 이러한 자외선/광전자 시스템을 도입함으로써 오염 물질의 제거 효과를 더욱 증가시키도록 하였다. 이의 원리를 간단하게 설명하면 다음과 같다.

광전자 방출재에 광전 수치보다 높은 에너지의 자외선을 조사하면 광전 효과에 의하여 광전자가 방출된다. 광전자가 방출된 공간에 광전자 방출재가 저전위로 되어 전장을 형성하고, 방출된 광전자 또는 공기와 광전자에 의해 형성된 음이온은 양전극으로 향하게 이동하면서 공간 내의 오염 물질로 확산되어 이를 부착시키고 오염 물질은 음으로 하전된다. 하전된 오염 물질은 전계에 의해 양극 방향으로 이전하게 되고 양극상에 부착, 포집되어 닫힌계의 내부 공간을 청정화 시킨다. 즉, 광전자로부터 음이온의 생성, 오염 물질의 하전, 대전 오염 물질의 전계에 의한 포집의 세 가지 과정에 의해 오염 물질이 제거되는 것으로 볼 수 있다.

본 실시예에서는 이러한 시스템을 본 발명에 도입함으로써 오염 제거 효과를 더욱 증진시키도록 하였는데, 이러한 실시예에서는 포집 장치에 양전위를 인가하여 음으로 하전된 입자를 용이하게 포집하는 것이 바람직할 것이다.

이상과 같은 구성을 갖는 기체 청정화 시스템은 1차적으로 노즐에 의해 미세한 사이즈의 물방울을 생성시켜 표면 접촉 방식으로 미립자를 응축, 포집하고 이를 엘리미네이터에 충돌시켜 제거하게 된다. 이후 2차적으로 자외선/광전자 시스템에 의해 생성된 광전자가 양전극으로 이동하다가 인접 공간의 가스상 오염물과 부착하여 이를 음이온으로 하전 시키고 하전된 입자는 양전극에 부착되어 제거된다. 이러한 과정을 거친 후 3차적으로 제거되지 않고 남은 가스상 오염물은 포집 장치에 포함된 전자 방출재로부터 생성된 전자에 의해 음이온으로 하전 되어 제거된다.

이상과 같은 본 발명의 기체 청정화 시스템은 수용성 오염물, 각종 부유 분진 등을 용이하게 제거해 줄 수 있는 WSS와 유기성 오염물 및 비수용성 오염물의 제거에 특히 효과적인 포집 장치를 포함하여 이루어지기 때문에 각종 오염원에 대한 제거 효과가 뛰어난 시스템이다.

기존에 각종 오염원을 제거하기 위하여 사용되던 다양한 종류의 필터를 본 발명의 기체 청정화 시스템으로 일괄적으로 대체하여 사용할 수도 있으며, 일반 배기, 열 배기, 유기 배기, 산 배기, 알칼리 배기, 비소 배기 등과 같이 필터를 통과시킨 후 그냥 외부로 배출시키던 배기를 본 발명에 따른 기체 청정화 시스템을 통과시키면 오염 물질의 제거 효과가 우수하기 때문에 재순환시켜 재사용할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 시스템은 특히 유기물과 오존에 대한 제어 기능이 우수하여 WSS와 연계될 때는 기가급 반도체 장치의 제조를 위한 청정실에 적용이 기대되는 우수한 시스템이다. 이에 더하여, 포집 장치를 구성하는 포집 플레이트의 적층 면적과 적층수를 조절하는 것에 의해 장치의 사이즈를 용이하게 조절할 수 있기 때문에 설계상 자유도가 크고 대형화가 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

1. 물분사 시스템; 및

   상기 물분사 시스템의 후단에 설치되고, 적어도 그 표면이 가시광선, 자외선 또는 전기적 에너지에 의해 전자를 방출하는 전자 방출재로 이루어진 포집 장치를 포함하는 기체 청정화 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 물분사 시스템이 WSS(water showering system)에 구비된 것이고, 상기 물분사 시스템과 상기 포집 장치의 사이에는 분사된 물방울 및 오염물이 포집된 물방울이 부딪혀서 하방으로 떨어지도록 하기 위한 엘리미네이터가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 엘리미네이터가 다공성 플라스틱 또는 다공성 SUS(stainless steel)로 제조된 플레이트를 다수개 배열하여 제조되는 것임을 특징으로 하는 시스템.
4. 제2항에 있어서, 상기 물분사 시스템과 상기 엘리미네이터 사이에는 분사된 물방울의 사이즈를 더 작게 나눠주기 위한 크래쉬 플레이트가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 시스템.
5. 제2항에 있어서, 상기 물분사 시스템이 일렬로 배열된 다수의 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 전자 방출재가 ZnO, CdS, WO₃및 TiO₂로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 전자 방출재가 철 및/또는 실리콘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 포집 장치가 상기 전자 방출재로 제조되거나 이로 코팅된 포집 플레이트를 소정의 간격으로 다수개 적층, 배열하여 제조되는 것임을 특징으로 하는 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 포집 플레이트는 다수의 홀이 형성된 다공성 플레이트, 와이어를 격자 모양으로 교차 형성하여 제조되는 메쉬형 플레이트 또는 와이어를 육각형으로 형성하여 제조되는 벌집형 플레이트인 것을 특징으로 하는 시스템.
10. 제1항에 있어서, 상기 물분사 시스템이 가습기인 것을 특징으로 하는 시스템.
11. 제1항에 있어서, 상기 포집 장치에 전기적 에너지 인가 수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 시스템.
12. 제1항에 있어서, 상기 물분사 시스템 및 상기 포집 장치의 사이에 자외선 램프 및 상기 자외선 램프로부터 방사된 자외선에 의해 광전자를 방출하는 자외선 광전자 방출재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
13. 제12항에 있어서, 상기 자외선 광전자 방출재가 석영 유리, ITO(indium tin oxide), ZnO, CdS, WO₃및 TiO₂로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 성분으로 형성된 것을 특징으로 하는 시스템.
14. 제12항에 있어서, 상기 포집 장치에 전기적 에너지 인가 수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 시스템.
15. 물분사 시스템;

    상기 물분사 시스템으로부터 분사된 물방울의 사이즈를 더 작게 나눠주기 위한 크래쉬 플레이트;

    상기 크래쉬 플레이트로부터의 물방울 및 오염물이 포집된 물방울이 부딪혀서 하방으로 떨어지도록 하기 위한 다공성 플레이트 형상의 엘리미네이터;

    상기 물분사 시스템의 후단에 설치되고, 가시광선, 자외선 또는 전기적 에너지에 의해 전자를 방출하는 전자 방출재로 이루어지되, 그 표면이 ZnO, CdS, WO₃및 TiO₂로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 성분으로 형성되고, 판형으로 제작된 포집 플레이트를 소정의 간격으로 다수개 적층, 배열하여 제조되는 포집 장치; 및

    상기 포집 장치에 전기적 에너지를 인가하기 위한 전기적 에너지 인가 수단;을 포함하는 기체 청정화 시스템.
16. 제15항에 있어서, 상기 포집 플레이트는 다수의 홀이 형성된 다공성 플레이트, 와이어를 격자 모양으로 교차 형성하여 제조되는 메쉬형 플레이트 또는 와이어를 육각형으로 형성하여 제조되는 벌집형 플레이트인 것을 특징으로 하는 시스템.
17. 제15항에 있어서, 포집 장치의 전방에 자외선 램프 및 상기 자외선 램프로부터 방사된 자외선에 의해 광전자를 방출하는 자외선 광전자 방출재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
18. 제15항에 있어서, 상기 자외선 광전자 방출재가 석영 유리, ITO(indium tin oxide), ZnO, CdS, WO₃및 TiO₂로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 성분으로 형성된 것을 특징으로 하는 시스템.