KR100515412B1

KR100515412B1 - 용융염 전해장치

Info

Publication number: KR100515412B1
Application number: KR10-2004-0002178A
Authority: KR
Inventors: 히라이와지로; 요시모토오사무; 도조데츠로
Original assignee: 도요탄소 가부시키가이샤
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2005-09-14
Also published as: US20040149570A1; CN1517451A; CN1308491C; EP1455004A1; US20080128270A1; TW200417632A; TWI322198B; KR20040067894A

Abstract

본 발명은 소형화, 전기절연성, 가스시일성, 열 및 가스에 대한 안전성에도 우수한 용융염 전해장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로서, 혼합용융염으로 이루어진 전해욕(電解浴)을 전기분해하기 위한 전해조가 설치된 용융염 전해장치에 있어서, 상기 전해조의 본체를 가열 및/또는 냉각하기 위한 제 1 열교환수단과, 상기 제 1 열교환수단에 대해 추가로 공간을 둔 외부둘레에 상기 제 1 열교환수단을 밀폐시켜 배치한 외부 프레임과, 상기 외부 프레임 내에 형성된 감압 내지 진공의 단열층을 구비하여 이루어진 것으로, 추가로 전기적 절연성과 가스 시일성이 요구되는 부분에 전기절연재료와 가스시일재를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

용융염 전해장치{ELECTROLYTIC APPARATUS FOR MOLTEN SALT}

본 발명은 용융염 전해장치에 관한 것으로, 더 상세하게 말하면 소형화가 가능하고, 또한 시일성이 우수한 용융염 전해장치에 관한 것이다.

예를 들면 불소가스는 반도체 제조분야에서 빠질 수 없는 기간가스이다. 그리고, 그 자체로 이용되는 경우도 있지만, 특히 불소가스를 기초로 하여 합성된 삼불화질소가스(이하, NF₃ 가스라 한다)는 반도체의 클리닝 가스나 드라이 에칭 가스로서 급속하게 수요가 늘고 있다. 또 불화 네온가스(이하, NeF가스라 한다), 불화 크립톤 가스(이하, KrF 가스라 한다) 등은 반도체 집적회로의 패터닝시에 이용되는 엑시머레이저 발진용 가스이고, 그 원료에는 희가스와 불소가스의 혼합가스가 다용되고 있다.

반도체의 제조에 사용되는 불소가스나 NF₃ 가스는 불순물이 적은 고순도 가스가 요구된다. 또 반도체 등의 제조현장에서는 불소가스를 충전한 가스 봄베로부터 필요량의 가스를 뽑아내어 사용하고 있다. 이 때문에 가스 봄베의 보관장소, 가스의 안전성 확보나 순도유지 등의 관리가 매우 중요하게 된다. 또 NF₃ 가스는 최근에 수요가 급격하게 증가하고 있기 때문에 공급능력이 딸리고 있고, 또 지구온난화 대책, 오존홀 대책의 일환으로 다른 많은 불화물과 같이 사용할 수 없게 되는 문제도 있다. 이들 불화물 대체로서 많은 용도에서 불소가 이용되는 환경이 되고 있다. 이를 감안하면, 고압의 봄베에 채운 불소가스를 다루는 것보다도 불소가스 발생장치를 현장(on-site)에서 사용하는 쪽이 안전면이나 가스공급의 자유도를 향상시키는데 바람직하다.

통상 불소가스는 도 6에 나타낸 바와 같은 전해조에서 발생시킨다. 전해조 본체(201)의 재질은 통상, 니켈(이하, Ni라 한다), 모넬, 탄소강 등이 사용되고 있다. 전해조 본체(201)의 외부둘레에는 전해욕(202)의 온도를 전기분해가 가능한 일정 온도로 유지하기 위한 가열 및/또는 냉각장치(214)가 배치되어 있다. 전해조 본체(201) 중에는 불화 칼륨-불화수소계(이하, KF-HF계라 한다)의 혼합용융염이 전해욕(202)으로서 채워져 있다. 그리고 전해조 본체(201)는 모넬 등에 의해 형성되어 있는 격벽(209)에 의해 양극실(210)과 음극실(211)로 분리되어 있다. 이 양극실(210)에 수납된 탄소 또는 Ni양극(203)과, 음극실(211)에 수납된 Ni 또는 철로 이루어지는 음극(204) 사이에 전압을 인가하고, 전해욕(202)을 전기분해하여 불소가스를 발생시킨다(예를 들면 특허문헌 1참조).

(특허문헌 1)

일본 특표평 9-505853호 공보

그런데 상기한 반도체 제조공장 등의 현장에 불소가스 발생장치를 설치하는 경우, 설치조건의 제약이 많아 장치 자체의 소형화는 매우 중요하다. 전해장치를 소형화하려면 전해장치의 운전에 필요한 온도유지의 열교환부재 등의 배치장소 자체를 재조정할 필요가 있다.

통상 전해장치는 전해조건을 일정하게 하기 위해 전해장치의 주위에 설치된 히터 등의 가열장치의 온도제어를 실행하여 전해조 내의 전해욕의 온도를 일정하게 하고, 또한 히터를 포함한 전해조의 주위에 설치된 단열재에 의해 전해조의 온도가 급격하게 변화하지 않도록 단열하는 것으로 에너지 효율을 끌어 올리고, 또 외부둘레의 온도를 상승시키지 않는 것으로 작업원의 화상 등을 방지할 필요가 있다. 일반적으로 단열재로서는 석면, 우레탄 등이 사용되고 있는데, 그 단열성능은 불충분할 뿐 아니라, 단열재 자체가 노출되면 주위에 단열재를 구성하는 섬유나 분진 등의 소위 먼지가 비산하여 작업환경 면에서도 문제가 되고 있다.

또 종래의 공업용 전해조에서는 전해조 내의 가스발생부분의 시일재로서 판형상 패킹을 사용하여, 전해조 외부의 공기 등의 분위기 가스의 전해조 내로의 침입이나 전해조 내에 발생한 불소나 수소 등의 가스가 전해조 외부로 누출되는 것을 방지하고 있다. 그러나 그와 같은 판형상 패킹을 사용해도 전해조의 기밀성은 충분히 보존된다고는 할 수 없었다. 또 전해용 전극과 터미널과의 접속부분의 전기적 절연성 면에서도 충분하다고는 할 수 없었다.

그래서 본 발명은 소형화가 가능한 용융염 전해장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또 본 발명은 전해장치의 전기적 절연성, 가스 시일성, 열 및 발생가스에 대한 안전성이 우수한 용융염 전해장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 전해조 자체의 소형화, 단열부분 즉 열교환부분의 단열구조, 전기적 절연성의 향상, 가스 리크성, 작업 안전면에 대해 예의검토를 거듭하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉 본 발명은 혼합용융염으로 이루어진 전해욕을 전기분해하기 위한 전해조가 설치된 용융염 전해장치에 있어서, 상기 전해조의 본체를 가열 및/또는 냉각하기 위한 제 1 열교환수단과, 상기 제 1 열교환수단에 대해 추가로 공간을 둔 외부 둘레에 상기 제 1 열교환수단을 밀폐시켜 배치한 외부 프레임과, 상기 외부 프레임 내에 형성된 감압 내지 진공의 단열층을 구비하여 이루어진 것이다.

본 발명에서는 감압 내지 진공단열구조를 갖기 때문에, 석면, 우레탄 등의 단열재에 의한 단열층과 비교하여 열전도 계수가 대폭 작아져 단열층의 두께 자체를 얇게 하는 것이 가능하게 된다. 그 때문에 전해장치를 소형화할 수 있고, 또한 안전성이 향상하여 한층 더 가열에 요구되는 가열에너지의 손실을 감소시키는 것이 가능하게 된다. 또 먼지의 발생도 없다.

또 본 발명에서 말하는 열교환이란, 전해조 본체를 가열, 냉각, 또는 그 양쪽에 의해 열을 교환하는 것을 의미한다. 이것에 의해 가열 또는 냉각되는 전해조와 제 1 열교환수단이 열적으로 결합하는 것에 의해 열교환효율을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또 감압 내지 진공의 척도로서는 대략 10kPa~100Pa로 감압하는 것이 바람직하다. 10kPa로 저하하지 않으면 기체에 의한 열전도를 충분히 방지할 수 없어 단열효율이 저하한다. 또 100Pa보다도 낮아지려면 대규모의 설비를 별도로 설치할 필요가 생겨 비용이 비싸지기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 10kPa~1kPa의 범위 내로 감압하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명은 상기 전해조가 추가로 상기 전해조의 본체를 가열하는 제 2 열교환수단을 구비하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에서 말하는 제 2 열교환수단이란 제 1 열교환수단만으로는 가열하기 힘든 부분, 또는 더욱 정밀한 온도제어를 필요로 하는 부분 등에 부가한 가열, 냉각, 또는 그 전환이 가능한 열교환수단을 말하고, 예를 들면 전해조 바닥부에 설치된 가열부재, HF공급배관 등에 설치한 히터를 예시할 수 있다.

본 발명은 혼합용융염으로 이루어진 전해욕을 전기분해하기 위한 전해조가 설치된 용융염 전해장치에 있어서, 상기 전해조의 본체를 가열 및/또는 냉각하기 위한 제 1 열교환수단과, 상기 전해조의 전기적 절연성과 가스 시일성이 동시에 필요한 부분에 전기절연재료와 가스 시일재를 구비하여 이루어진다.

전기절연재료는 JIS K 6911에 의한 체적고유저항(값)이 대략 10⁶Ω·m 이상의 고유저항을 갖는 재료를 예시할 수 있다. 또 전기절연재료로서는 발생하는 불소가스 등의 발생가스에 대해 내식성을 갖는 재료로 구성하는 것이 바람직하고, 불소화 고무, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), PFA 등의 불소수지를 예시할 수 있다. 전기절연성재료를 전해조와 상부 덮개 사이에 끼워 넣는 것에 의해, 절연성을 향상시킬 수 있다. 또 가스시일재로서는 전기절연재료와 같이, 발생하는 불소가스나, HF가스 등의 발생가스에 대해 내식성을 갖는 재료로 구성하는 것이 바람직하고, 또한 기밀성과 탄력성을 갖는 재료로 구성하는 것이 더욱 바람직하며, 불소화 고무 등을 예시할 수 있다. 가스 시일재는 불소가스, HF가스 등에 노출되기 어려운 장소에 설치하는 것이 바람직하다. 또 가스시일성을 갖는다는 것은, 전해장치의 사용압력의 1.1배 이상의 가스압에서 N₂(질소)를 밀봉하여 24시간 유지했을 때의 압력변동이 온도보정한 후의 값에서 ±1% 이하의 조건을 만족하는 것이다. 이와 같이 구성하는 것에 의해, 외부의 기체가 전해조에 침입하는 것을 억제할 수 있기 때문에, 발생하는 가스의 순도를 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또 전해욕을 전기분해하는 것으로 발생한 가스가 전해조 외부에 누출되기 어려워지기 때문에, 작업화경의 개선이나 안전성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.

본 발명은 혼합용융염으로 이루어진 전해욕을 전기분해하기 위한 전해조가 설치된 용융염 전해장치에 있어서, 상기 전해조의 전기적 절연성과 가스 시일성이 동시에 필요한 부분에 전기절연재료와 가스 시일재를 구비하여 이루어지는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성하는 것에 의해 상기한 전기적 절연효과, 기밀성, 발생가스의 순도, 안전성이 더욱 향상한다.

본 발명은 상기 제 1 열교환수단에는 상기 전해조에 열교환매체가 흐르는 유로가 형성되어 이루어지는 것이 바람직하다.

이것에 의해 열교환매체가 순환하기 때문에 상기 전해조를 효율적으로 가열 또는 냉각을 실행할 수 있고, 예를 들면 전해욕의 원료가 되는 염의 용융이나, 전해시에 발생하는 열의 제거를 효율적으로 실시할 수 있다.

본 발명은 상기 열교환 매체가 전기절연성이 높은 유체인 것이 바람직하다.

이와 같이 구성하는 것에 의해, 전해조 본체가 음극이 되는 경우에 열매체로부터의 누전을 방지할 수 있다. 전기적으로 절연성이 높은 유체란 예를 들면, 물(순수(純水)나 증류수), 불소화 오일, 실리콘오일 등의 액체나, Ar가스, He가스 등의 기체를 예시할 수 있는데, 이들에 한정되는 것은 아니다. 또 입수(入手)의 용이성 등을 감안하면, 물 더 나아가서는 순수를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 전해조가 상부가 개방된 케이스체에 수납되어 있는 것이 바람직하다.

케이스체는 전해조를 전해조 외부로부터 차폐할 목적으로 설치된다. 케이스체의 재질은 전해에 의해 발생한 발생가스, 전해욕 성분에 대한 내식성 및 내열성을 갖는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 스테인레스강 등의 금속이나, 불소수지(폴리테트라플루오로에틸렌) 등을 예시할 수 있다. 또 케이스체를 설치하는 장소로서는 전해욕의 액누출을 방지할 수 있는 장소, 예를 들면 전해조의 바닥부에 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 혼합용융염이 불화수소를 포함하는 것이 바람직하다.

이하 도 1 내지 도 5에 기초하여 본 발명에 관련된 불소가스 발생장치의 실시형태의 일례를 설명한다. 도 1은 본 실시형태예의 불소가스 발생장치의 주요부의 개략 설명도이다. 도 2는 외부 프레임의 내부 구조를 나타내는 전해조의 외관도이다. 도 3은 전해조의 단면도이다. 도 4는 도 3에서의 A부의 확대단면도이다. 도 5는 도 3에서의 B부의 확대단면도이다.

도 1은 불소가스 발생장치(용융염 전해장치)의 구성을 나타내고 있고, '1'은 전해조 본체(1a)와 상부 덮개(17)로 구성된 전해조이고, '2'는 KF-HF계 혼합 용융염으로 이루어진 전해욕, '3'은 양극실, '4'는 음극실, '5'는 양극, '6'은 음극이다. '22'는 양극실(3)로부터 발생하는 불소가스의 발생구이다. '11'은 전해욕(2) 중의 온도를 계측하는 온도계이고, '13'은 전해조(1)의 열교환수단이고, '12'는 열교환수단(13)에 온수를 공급하는 온수가열장치이다. '51'은 열교환수단(13)을 구성하는 전해조(1)의 측면에 설치된 온수 자켓이고, '52'는 열교환수단(13)을 구성하는 전해조(1)의 바닥면에 설치된 가열부재(제 2 열교환수단)이다.

전해조(1)는 Ni, 모넬, 순철, 스테인레스강 등의 금속으로 형성되어 있다. 전해조(1)의 내부는 Ni 또는 모넬로 이루어지는 격벽(16)에 의해 전해조(1)의 중심부에 위치하는 양극실(3) 및 음극실(4)로 분리되어 있다. 양극실(3)에는 양극(5)이 배치되어 있고, 음극실(4)에는 음극(6)이 설치되어 있다. 양극(5)에는 저분극성 탄소전극을 사용하는 것이 바람직하다. 또 음극(6)으로서는 Ni의 성형체를 소정의 형상으로 가공한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또 전해조(1)를 구성하는 전해조 본체(1a)의 상부의 외부둘레부에는 상부 덮개(17)의 둘레테두리부와 접속하는 플랜지부(1b)가 형성되어 있다. 이 플랜지부(1b)와 상부 덮개(17)가 접속하는 플랜지부(1b)쪽 면에는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 오목형상의 홈(1c)이 둘레 설치되어 있다.

도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이 상부 덮개(17)는 볼트(30)로 플랜지부(1b)에 형성된 나사부(31)에 부착되어 고정되어 있고, 볼트(30)와 상부 덮개(17) 사이에는 전기절연성 부싱(bushing)(32)이 개재되어 있다. 이와 같이 전기절연성 부싱(32)이 개재되는 것으로 상부 덮개(17)와 전해조 본체(1a)가 볼트(30)를 체결토크 5~30N·m으로 죄는 것에 의해, 상부 덮개(17)는 절연수지를 손상시키지 않고(전기적으로) 절연되고 있다. 또 플랜지부(1b)와 상부 덮개(17)의 둘레테두리부 사이에는 전기절연재료(9)와 가스시일재(10)가 개재되어 있다. 이 가스시일재(10)에는 불소가스에 대해 내식성이 있는 불소고무로 이루어지는 O링이 사용되고 있고, 플랜지부(1b)의 홈(1c) 내에 배치되어 있다. 또 플랜지부(1b)의 상부 덮개(17)쪽 면에는 소정 간격으로 복수의 나사부(31)가 형성되어 있고, 그 수와 같은 수의 볼트(30)로 상부 덮개(17)가 플랜지부(1b)에 고정되어 있다.

또 전기절연재료(9)는 플랜지부(1b)에 설치된 가스 시일재(10)의 내외둘레측(도 3 중 좌우양측)에서 플랜지부(1b)와 상부 덮개(17)의 둘레테두리부의 면을 따르도록 배치되어 있다. 이 전기절연재료(9)를 구성하는 재질로서는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등을 사용할 수 있다.

전기절연재료(9)와 가스시일재(10)를 끼우도록 하여 상부 덮개(17)와 전해조 본체(1a)와의 사이에 개재시키는 것에 의해, 용이하게 상부 덮개(17)를 전해조 본체(1a)로부터 떼어낼 수 있다. 또 가스시일재(10)를 전해조 본체(1a)와 상부 덮개(17) 사이에 끼워넣고 있기 때문에 전해조(1) 내의 불소가스나 수소가스, 불화수소 등의 가스가 누출되지 않아, 외기가 전해조(1)에 침입하는 것을 방지할 수 있다. 또 전기절연재료(9)에 의해 상부 덮개(17)와 전해조 본체(1a)가 통전하지 않도록 전기적으로 절연되어 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이 전해조(1)의 상부 덮개(17)에는 양극실(3)로부터 발생하는 불소가스의 발생구(22)와, 음극실(4)로부터 발생하는 수소가스 발생구(23)와, HF를 공급하는 HF공급라인(24)의 HF도입구(25)와, 양극실(3) 및 음극실(4)의 내부압력을 각각 검지하는 압력계(7, 8)가 설치되어 있다.

또 도 5에 나타낸 바와 같이 상부 덮개(17)의 대략 중앙부에는 양극(5)을 전해조 본체(1a) 내에 삽입하는 개구부(35)가 형성되어 있고, 그 개구부(35)를 덮도록 덮개체(36)가 설치되어 있다. 이 덮개체(36)에는 양극(5)을 부착하는 연결봉(37)이 수직으로 설치되어 있다. 연결봉(37)의 하단부에는 단면이 L자 형상인 부착부(38)가 형성되어 있고, 양극(5)의 상단부에 형성된 관통구멍(도시하지 않음)에 삽입통과된 연결볼트(39)로 부착부(38)에 고정되어 있다.

이 덮개체(36)와 상부 덮개(17) 사이에는 상기한 전기절연재료(9)와 가스시일재(10)와 같은 재질의 전기절연재료(9a)와 O링(10a)이 배치되어 있다. 이와 같이 전기절연재료(9a)와 O링(10a)을 끼우도록 하여 덮개체(36)와 상부 덮개(17) 사이에 개재시키는 것에 의해, 전해조(1) 내의 불소가스나 수소가스, 불화수소 등의 가스가 누출되지 않아, 외기가 전해조(1)에 침입하는 것을 방지할 수 있다. 또 덮개체(36)의 외표면에는 절연도장이 실시되어 있고, 또 전기적인 접속부분(단자대)에는 전기적으로 절연인 수지제의 피복을 씌워서 외부와의 단락이 방지되도록 이루어져 있다.

상부 덮개(17)에 설치된 가스 발생구(22, 23)는 스테인레스강 등의 불소가스에 대해 내식성을 갖는 재료로 형성된 관을 구비하고 있다. 또 HF공급라인(24)은 HF의 액화를 방지하기 위한 온도조정용 히터(제 2 열교환수단)(24a)로 덮여 있다.

도 2에 나타낸 열교환수단(13)은 전해조(1)의 측면 외부둘레를 둘러싸도록 배치된 온수 자켓(51)과, 전해조(1)의 바닥면에 배치된 가열부재(제 2 열교환수단)(52)로 구성되어 있다. 이 온수 자켓(51)은 전해조(1)의 측면 외부둘레에 배치되고, 내부에 열매체가 통과하는 통로(53a)(도 3 참조)를 갖는 온수 파이프(제 1 열교환수단)(53)와, 온수 파이프(53)에 대해 추가로 공간을 둔 외부둘레에 온수 파이프(53)를 밀폐시켜 배치한 외부 프레임(54) 내에 형성된 진공단열층(55)을 구비하고 있다.

온수 파이프(53)는 전해조(1)의 측면 외부둘레를 수평방향으로 둘러싸도록 일정간격으로 배치되어 있고, 도시하지 않은 접속부에서 온수 파이프(53)끼리가 접속되어 연통되어 있다. 또 온수 파이프(53)의 재질은 열전도성이 좋은 동으로 이루어진 금속 파이프가 적합한데, 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 철, 스테인레스강, 알루미늄 등의 금속제 파이프도 적용할 수 있다.

이 온수 파이프(53)의 형상은 도 2에 나타낸 바와 같이 각파이프 형상이면, 전해조(1)의 측면과의 접촉면적을 크게 취하기 때문에, 열매체가 갖는 열에너지를 효율적으로 전해조(1)에 전달할 수 있어 적합한데, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 둥근 파이프, 삼각형상의 파이프, 둥근 파이프의 중심축을 통과하도록 하여 반분으로 절단한 반달형상의 파이프 등을 적용하는 것이 가능하다. 즉 반달형상의 파이프이면, 반달형상 파이프를 전해조(1)의 측면에 배치시키면, 반달형상 파이프와 전해조(1)의 외부둘레의 측면 사이에는 전해조(1)의 외부둘레를 포함하여 형성된 통로를 얻을 수 있다. 이 통로에 후술하는 열매체를 유통시켜 온수 파이프(53)와 같은 것으로 할 수 있다.

또 온수 파이프(53)는 온수 파이프(53)의 길이방향을 따라 소정 간격을 두고 전해조(1)의 측면에 용접으로 용접부를 설치하여 부착되어 있고, 온수 파이프(53)의 길이방향을 따른 용접부끼리의 사이에 높은 열전도율을 갖는 시일재를 부착시키고 있다. 이와 같이 시일재를 부착시키는 것으로, 온수 파이프(53)와 전해조(1)의 측면과의 접촉면적을 크게 하고, 온수 파이프(53)로부터의 열전달효율을 향상시킬 수 있다.

또 상기한 반달형상 파이프도 반달형상 파이프의 길이방향으로 소정 간격을 두고, 전해조(1)의 측면에 용접으로 용접부를 설치하여 부착할 수 있다. 그리고 용접부끼리의 사이에 상기한 시일재를 메워 넣어 상기한 통로로부터 열매체가 누출되는 것을 방지하고, 또한 반달형상 파이프로 전달하는 열매체의 열에너지를 상기한 온수 파이프(53)와 같이 시일재를 개재시켜 전해조(1)에 전달할 수 있다.

또 온수 파이프(53)의 통로(53a) 내에는 도 1에 나타낸 온수 가열장치(12)에서 가열된 열매체가 순환되고 있다. 이 열매체는 순수로 이루어지고, 순수를 온수가열장치(12)에서 가열한 온수(56)가 도 2의 화살표 방향으로 순환하고 있다.

이와 같은 제 1 열교환수단인 온수 파이프(53)의 통로(53a)에 열매체를 순환시키고 있기 때문에, 제 1 열교환수단을 청정한 밀폐가능한 것으로 할 수 있다.

또 순수를 열매체로서 이용하기 때문에, 후술하는 바와 같은 음극화된 전해조 본체(1a)와 열매체가 (전기적으로) 절연상태가 되고, 그 전해조 본체(1a)와 열매체와의 사이에서 전기적인 단락의 발생을 방지할 수 있다. 즉 불순물을 포함하지 않는 순수이면, 전기가 통하기 어렵기 때문에, 순수를 통해 온수가열장치(12)로부터 전기가 전달되기 어렵고, 전해조 본체(1a)와 열매체인 순수와의 사이에서 전기적 리크가 발생되기 어려워진다.

또 온수 파이프(53)와 접속되어 있는 온수가열장치(12)로부터의 배관은 배관 자체가 절연체 또는 배관끼리가 접속되는 접속부에 절연체를 통해 접속하는 것으로, 온수가열장치(12)로부터 배관을 따라 나아가는 전기를 절연할 수 있다. 또 본 실시형태예에서는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)제의 호스를 배관에 적용하고 있다. 또 배관길이가 길어질수록 배관의 전기절연저항도 증대하기 때문에, 10cm 이상 바람직하게는 30cm 이상의 길이를 갖고, 온수가열장치(12)와 전해조(1)를 접속하는 것이 좋다.

또 외부 프레임(54)에는 도시하지 않은 역지밸브가 설치되어 있고, 그 역지밸브로부터 외부 프레임(54)과 온수 파이프(53)와의 사이에 형성된 진공단열층(55)으로부터 공기를 도 1에 나타낸 감압기(14) 등에서 빼는 것에 의해, 진공단열층(55)을 감압 내지 진공의 단열층으로 하고 있다. 따라서 온수 파이프(53)의 통로(53a)에 열매체가 유통하는 것으로 발생한 열이 외부에 방출되기 어려워지고, 또한 전해조(1)에 접한 온수 파이프(53)에 의해 효율적으로 전해조(1)가 가열된다. 또 진공단열층(55)이 감압 내지 진공이기 때문에, 반도체 제조공정에서 불량의 한 요인이 되는 단열층으로부터의 먼지가 발생하지 않는다. 이 때문에 반도체 제조공정에서 현장에서 사용하는 것이 가능하게 된다. 또 외부 프레임(54)에 의해 온수 파이프(53)가 둘러싸인 상태이기 때문에, 전해조(1)의 주위 분위기의 온도가 상승하지 않고 청정하게 유지되며, 작업자의 화상 등도 방지할 수 있기 때문에 안전성이 향상된다.

가열부재(52)는 전해조(1)의 바닥면측에 배치된 고무제의 절연층(52a)과, 내부에 니크롬선이 전면에 배치된 가열층(52b)이 적층되어 플레이트 형상으로 구성되어 있다. 이 가열부재(52)는 도시하지 않은 전원으로부터 니크롬선에 통전하여 그 니크롬선을 가열시키고, 그 열에 의해 전해조(1)의 바닥면을 가열한다. 따라서 전해조(1)의 바닥면에서의 열방출이 가열부재(52)에 의해 저지될 수 있다. 또 가열부재(52)가 플레이트 형상으로 구성되어 있기 때문에, 전해조(1)는 그 바닥면에서 안정되게 설치된다.

또 상기한 온수 자켓(51)에 순수를 가열한 온수를 공급하는 온수 가열장치(12)는 온수 자켓(51) 내의 온수(56)를 가열하는 도시하지 않은 열매체 가열수단과, 열매체 가열수단을 제어하는 도시하지 않은 온도제어장치를 구비하고 있다. 또 온수가열장치(12)는 전해조(1) 내의 전해욕(2)의 온도를 계측하는 온도계(11)와 전해조(1) 내의 전해욕(2)을 가열하는 온수 자켓(51)에 접속되어 있고, 온도계(11)로부터의 온도정보를 기초로 전해조(1)의 온도를 일정하게 유지하도록 온수(56)를 온수자켓(51)에 공급한다.

또 온수가열장치(12)가 압력조정기능을 갖고 있으면, 온수가열장치(12), 온수파이프(53) 및 이들을 접속하는 배관을 밀폐한 상태에서 접속할 수 있다. 온수를 가열하는 것에 의해, 밀폐하여 접속된 온수 파이프(53)로부터 온수가열장치(12)에 걸쳐 배관(온수 파이프) 내부의 압력이 상승한 경우에는 온수가열장치(12)에서 이 압력을 완화한다.

또 온수를 냉각하는 경우에는 내부의 압력이 저하하는데, 이 경우도 온수가열장치(12)가 압력을 보완한다. 이와 같은 기능을 갖는 것에 의해, 가열시에 온수가 증발하여 감소하는 일도 없고, 또 냉각시에 배관 내가 감압되어 공기 등의 기체가 침입하는 일도 없다.

이 구성에 의해, 온수 등의 보완이 불필요하게 되기 때문에, 온수로의 이물의 혼입을 방지할 수 있다. 그 결과, 온수 파이프(53) 등의 부식도 방지할 수 있다.

이와 같이 온수 자켓(51)은 감압 내지 진공단열구조를 갖기 때문에, 석면, 우레탄 등의 단열재에 의한 단열층과 비교하여 열전도계수가 대폭 작아지고, 단열층(55)의 두께 자체를 얇게 하는 것이 가능하게 된다. 그 때문에 전해장치를 소형화할 수 있고, 또한 안전성이 향상되어, 한층 더 가열에 요구되는 가열에너지의 손실을 감소시키는 것이 가능하게 된다. 또 단열재에 의한 먼지의 발생도 없어진다.

이상과 같은 전해조(1)는 도 1에 나타낸 바와 같이 상부가 개방된 케이스체(60)에 수납되어 있다. 이 케이스체(60)는 전해조(1)의 바닥면보다 약간 큰 장방형 형상을 가진 바닥면판(61)과, 전해조(1)의 측면보다 약간 큰 장방형 형상을 한 4개의 측벽판(62)을 갖고, 바닥면판(61)과 4개의 측벽판(62)이 접속되어 있는 접속부에는 안쪽부터 시일재가 개재되어 있다. 이 접속부에 시일재를 개재하고 있기 때문에 케이스체(60)로부터 물 등이 누출되는 것을 방지할 수 있다.

케이스체(60)의 재질이나 형상은 특별히 한정되는 것은 아니고, 전해조 본체(1a)를 수납하고, 온수자켓(51)이나, 온수가열장치(12)로부터의 배관과 온수자켓(51)과의 접속부 등에서 온수(56)가 누출된 때에 전해조(1)가 배치된 장소에 온수(56)가 퍼지지 않도록 할 수 있으면 좋은 것이다. 이것에 의해 온수 파이프(53) 등에서 열매체인 가열된 순수(온수(56))가 외부에 누출되는 것을 방지할 수 있다.

이어서 본 실시형태의 일례인 불소가스 발생장치의 작동에 대해 설명한다. 전해조(1) 내의 양극(5)과 음극(6)에 전압이 인가되고, 전해욕(2)이 정상으로 전기분해되고 있는 상태에서는 양극(5)에서 불소가스가, 음극(6)에서 수소가스가 발생한다. 이렇게 하여 양극(5)에서 발생된 불소가스는 양극실(3) 상부의 불소가스 발생구(22)에서 라인으로 공급된다. 또 음극(6)에서 발생한 수소가스는 음극실(4) 상부의 수소가스 발생구(23)에서 라인으로 공급된다.

그리고 일련의 전해에 의해 전해욕(2)이 감소하면 도시하지 않은 액면검지수단이 작동하고, 이것과 연동하여 HF공급 라인(24)에서 HF공급구(25)를 통해 전해욕(2)에 HF가 공급된다. 이와 같이 전해욕(2)을 양극(5), 음극(6)에서 전해하고, 전해원료인 HF가 감소하면 전해욕(2)에 대해 HF를 공급하여 항상 전해욕 중의 HF농도를 최적 상태로 유지하고, 항상 같은 전기분해상태를 얻을 수 있도록 이루어져 있다.

또 전해욕(2)을 이용한 전해를 효율적으로 실행하기 위해, 전해욕(2)은 열교환수단(13)에 의해 전해조(1)를 통해 최적온도로 따뜻하게 되어 있다. 이 전해욕(2) 중의 온도를 감시하고 있는 온도계(11)와, 온수자켓(51)에 공급하는 순수를 가열하는 온수가열장치(12)와, 플레이트 형상의 가열부재(52)에 의해 전해욕(2)이 최적 온도로 유지되고 있다.

또 온수자켓(51)은 외부 프레임(54)에 의해 감압 내지 진공단열층(55)이 형성되어 있기 때문에, 발생하는 열에너지를 효율적으로 전해조(1)의 외부둘레의 측면을 통해 전해욕(2)에 전달할 수 있고(가열할 수 있고), 또한 온수 자켓(51) 외부둘레의 온도상승을 방지할 수 있다. 따라서 열교환수단(13)의 외부둘레 분위기의 악화를 방지하고, 또한 열교환수단(13)에 의한 에너지 낭비를 방지하고, 전해욕(2)이 최적인 온도로 유지되어 효율적으로 양극(5)과 음극(6)에 의해 전해가 실행되어 항상 안정된 불소가스를 제조할 수 있다.

또 본 발명에 관련된 용융염 전해장치에 대해서는 전기분해에 의해 불소가스의 발생을 실행하는 불소가스 발생장치를 중심으로 설명했는데, 본 발명에 관련된 용융염 전해장치는 상기한 불소가스 발생장치에 한정되는 것은 아니고, 다른 전해장치여도 본 발명의 기술사상을 사용할 때는 본 발명의 기술적 범주에 속하는 것이다. 또 온수 자켓(51)에 온수(56)를 공급하는 온수가열장치(12)는 열교환매체(순수)를 가열하는 것일 뿐 아니라, 열교환매체를 가열 및 냉각하는 것도 적용하는 것이 가능하다. 이와 같은 온수가열장치를 적용하는 것으로 재빨리 전해조(1) 내의 전해욕(2)의 온도조정이 가능하게 된다.

본 발명은 감압 내지 진공단열층을 형성하고, 효율을 향상시키고 있기 때문에 종래의 일반적인 단열재를 사용한 전해장치보다도 소형화할 수 있다. 따라서 외부로의 열방출을 저감할 수 있고, 효율적으로 전해조가 가열되어 열교환수단에 의한 에너지 낭비를 방지할 수 있다. 또 단열층이 감압 내지 진공이기 때문에, 반도체 제조공정에서 불량 요인의 하나가 되는 단열층으로부터의 먼지의 비산을 방지할 수 있다. 또 가스시일재, 전기절연재료에도 연구를 실시했기 때문에 전기적 절연성, 가스시일성이 향상하고, 순도가 높은 가스를 얻을 수 있으며 발생가스의 누출을 저감할 수 있게 되어 반도체 제조공정에서 현장에서 사용하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 실시형태예의 불소가스 발생장치의 주요부의 개략 설명도,

도 2는 외부 프레임의 내부구조를 나타낸 전해조의 외관도,

도 3은 전해조의 단면도,

도 4는 도 3에서의 A부의 확대단면도,

도 5는 도 3에서의 B부의 확대단면도 및

도 6은 종래 사용하고 있는 불소가스 발생장치의 모식도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 전해조 1a: 본체

2: 전해욕 3: 양극실

4: 음극실 5: 양극

6: 음극 9: 전기절연재료

10: 가스시일재 13: 열교환수단

17: 상부 덮개 52: 가열부재(제 2 열교환수단)

53: 온수 파이프(제 1 열교환수단) 53a: 통로

54: 외부 프레임 55: 진공단열층(감압 내지 진공단열층)

56: 온수(열교환매체) 60: 케이스체

Claims

혼합용융염으로 이루어진 전해욕을 전기분해하기 위한 전해조가 설치된 용융염 전해장치에 있어서,

상기 전해조의 본체를 가열 및/또는 냉각하기 위한 제 1 열교환수단과,

상기 제 1 열교환수단에 대해 추가로 공간을 둔 외부 둘레에 상기 제 1 열교환수단을 밀폐시켜 배치한 외부 프레임과,

상기 외부 프레임 내에 형성된 감압 내지 진공의 단열층을 구비한 것을 특징으로 하는 용융염 전해장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전해조는 상기 전해조의 본체를 가열하는 제 2 열교환수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 용융염 전해장치.
혼합용융염으로 이루어진 전해욕을 전기분해하기 위한 전해조가 설치된 용융염 전해장치에 있어서,

상기 전해조의 본체를 가열 및/또는 냉각하기 위한 제 1 열교환수단과,

상기 전해조의 전기적 절연성과 가스 시일성이 동시에 필요한 부분에 전기절연재료와 가스 시일재를 구비한 것을 특징으로 하는 용융염 전해장치.
혼합용융염으로 이루어진 전해욕을 전기분해하기 위한 전해조가 설치된 용융염 전해장치에 있어서,

상기 전해조의 전기적 절연성과 가스 시일성이 동시에 필요한 부분에 전기절연재료와 가스 시일재를 구비한 것을 특징으로 하는 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 용융염 전해장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 1 열교환수단은 상기 전해조에 열교환매체가 흐르는 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 용융염 전해장치.
제 5 항에 있어서,

상기 열교환 매체가 전기절연성이 높은 유체인 것을 특징으로 하는 용융염 전해장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전해조는 상부가 개방된 케이스체에 수납되어 있는 것을 특징으로 하는 용융염 전해장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 혼합용융염이 불화수소를 포함한 것을 특징으로 하는 용융염 전해장치.