KR100515692B1 - 냉각수를 전극으로 사용하는 오존방전방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각수를 전극으로 사용하는 오존방전방법 및 그 장치에 관한 것으로, 산업적으로 가장 오존발생을 쉽게할 수 있는 구조는 무성방전방법으로 그 기본 구성은 두개의 금속전극을 대향시키고 그 사이에 한개 또는 두개의 유전체를 삽입하여, 두 금속전극인 양극과 음극에 전기적 에너지를 유기시켜 금속전극과 유전체사이의 방전공간에서 방전에 의한 대전현상으로 오존을 발생시키는 구성이다. 본 발명에 따른 냉각수를 전극으로 사용하는 오존방전장치는 금속전극 대신에 물(냉각수)을 전극으로 이용함으로서 오존생성을 위한 방전공간 내부에 금속전극과 전자의 충돌로 인한 금속 불순물 생성요인의 근본적 제거와 양전극이 바로 냉각수로 작용하여 방전으로 인한 열적 작용에 의한 오존분해작용 감소로 인한 고농도 방전구조를 지님으로서 반도체 세정 공정용에서 필요로 하는 금속이온염이 포함되지 않는 오존가스를 발생하기 위한 전용의 오존 방전장치로 사용하기 위함이다.

Description

냉각수를 전극으로 사용하는 오존방전방법 및 그 장치{OZONE GENERATION METHOD THAT WATER USED WITH ELECTRODE AND IT'S APPARATUS}

본 발명은 오존을 발생시키는 오존 방전장치에 관한 것으로, 특히 산업적으로 오존의 발생이 용이한 무성반전 형식으로서 원료가스로 산소를 공급하여 오존을 발생시키는 방전장치에 관한 것이다.

오존은 1957년 독일 베르너 본 지넨스(Werner Von Sienens)에 의해 고안된 무성 방전형 오존 발생기를 만든 이래 다양한 방법으로 이용되고 있다. 오존은 다른 산화제와 달리 잔류성이 없고 유기물 분해에 관여하여 무해한 작용도 안정되어 있어 환경을 중시하는 세계적인 추세에 따라 오존의 활용 범위가 확대되고 있다.

오존의 발생은 산소(O₂)에 물리화학적인 에너지를 가하면 불안정한 동소체로서 생성된다. 예를 들어 불소와 물의 반응, 유산을 발생시키는 방법은 전기적 에너지를 이용하는 무성 방전법, 방사선 조사법, 광화학 반응법, 전해법 등이 있으나 에너지 효율 및 안정성을 고려한 산업용으로는 무성방전이 일반적으로 사용되고 있다.

오존의 성상은 푸른색의 가스로 존재하고, 액체에 용해되었을 경우 흑청색, 고체상태에서는 검청색이다. 오존은 분자량 48, 끓는점 -111.9℃ 융점 -192.5℃, 비중은 6%(Wt)일 때 공기의 1.16%, 용해도는 수은 10℃, 오존농도 6%(Wt)일 때 40.2mg/L, 임계온도 -12.1℃, 임계압력 5.57MPa, 임계밀도 540kg/㎥와 같은 특성을 가진다.

전기적 에너지를 이용한 오존 발생방법은 무성 방전법과 연면 방전법이 실용화되고 있다. 무성방전은 두개의 전극 사이에 파이렉스 유리나 세라믹 등의 유전물질을 두고 원료가스를 흘리면서 2∼15Kv의 고전압을 가하여 방전을 유도한다.

연면 방전법은 방전공간에 산소를 투입하면 오존이 발생하게 되는데 이때 반응관계는 다음과 같다. (M:반응에 관여하는 제3물질)

O₂ + e^- → O + O + e^-

O + O₂ + M → O₃ + M

O₂ + O₂ → O₃ + O

위와 같은 반응의 결과물로서, 오존이 발생되기 위하여 원료가스 공급 기술, 방전관 설계기술, 전원 공급장치기술, 냉각 기술과 같은 요소기술이 최적화되어야 한다.

오존발생에 관하여는 영향요소 중에서 오존방전 구조와 냉각장치는 서로 밀접한 상관관계를 지니고 있다. 적절한 방전공간을 형성하는 오존방전관내에서 방전시 발생되는 열에너지는 적절한 방법으로 제거되어야 한다. 방전관의 열은 원료가스의 오존화 반응을 저해하는 가장 큰 요소로 알려져 있으며, 따라서 적절한 설계와 이에 따른 냉각방식이 고려되어야 한다.

지금까지의 방전관 구조는 방전 효율을 향상시키기 위하여 유전체와 전극의 밀착력을 향상시키기 위하여 금속 전극에 유전체 코팅을 하거나 유전체에 금속막 코팅을 하여 전극과 유전체의 밀착력을 제고시켜 열발생 억제와 방전효율을 도모하고, 전극 외부와 유전체 외부에 밀착된 방열핀에 의한 공냉식이나 수냉식 냉각장치를 설치하는 구조가 주를 이루고 있다.

도 1을 참조하면, 도 1에는 전술한 종래의 무성방전형 오존방전관의 구성요소를 개념적으로 예시하였다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이 내, 외부 금속전극사이에 삽입된 유전체 사이로 원료를 흘려 보내면서 두 전극에 고전압을 가하면 유전체내부에서 코로나 현상에 의한 대전이 발생되고, 이로 인해 산소가 오존으로 바뀌게 된다.

이때 유전체 및 금속전극을 냉각시키기 위해 유전체 둘레에 냉각용 외부 워터자켓(2)을 부착한 구조를 띠고 있다. 이러한 구조를 갖는 오존방전장치는 냉각방식이 양면으로 이루어져 흔히 양면냉각구조라고 불리기도 한다. 그러나 기존의 양면냉각구조는 냉각수가 금속 워터자켓속에 담겨져 있어 워터자켓이 유전체와 접촉하고 전극으로 작용하므로 전극의 냉각성이 저하되고, 전극의 접촉성이 저하되는 문제가 있어 왔다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제를 해소하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 전술한 바와 같은 종래의 구조와는 달리 밀착성을 극대화하여 방전관의 효율을 향상시키고, 열발생 억제성능이 가장 좋은 방식인 양면 수냉방식의 구조를 제안한다.

국내에서 실용화 개발되어 있는 무성방전방식의 오존방전장치 대부분의 성능인 7%이내의 저농도 오존을 이용하여 상업폐수, 정수 고도처리, 살균, 탈색, 탈취 등의 목적에 적합하도록 금속전극에 파이렉스 또는 석영 유전체를 삽입하여 고압전계에 의해 오존을 생성하여 왔다.

본 발명에서는 종래의 저농도 오존방전장치(100)와는 달리 10%대의 고농도 오존을 이용하여 반도체 웨이퍼 및 소자 제조공정에서의 습식세정 공정에 적용하기 위하여, 방전장치에 의해 생성된 오존가스 내에 금속 이물질이 포함되지 않으며, 최대 10%의 고농도 오존을 생성할 수 있는 전용 오존방전장치의 개발이 그 목적이다.

반도체 웨이퍼 및 소자 제조공정에서 불순물 제거를 위한 습식세정 공정에 오존처리공정을 적용하기 위해서는 오존생성을 위한 방전장치에서 발생된 오존가스내에 반도체 웨이퍼 및 소자의 전기적 특성에 영향을 주는 금속불순물이 포함되지 않아야 하며, 또한 오존가스를 순수에 용해한 농도가 매우 높아야 세정효율이 좋기 때문에 고농도의 오존가스 생성이 필수적이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는 유전체와 전극(냉각수에 의해 이루어짐)의 밀착력을 향상시켜 방전효율을 향상시키고, 금속전극의 미사용과 함께 양면 냉각효과에 의한 오존분해작용 억제로 인한 고농도 달성에 적합한 구조로서 유전체 내·외부를 순환하는 냉각수를 냉각장치로 활용함과 동시에 방전전극으로 활용하는 수전극 구조의 오존방전장치를 제안함으로서 본 방전관 적용 목적에 적합한 오존방전장치를 달성하고자 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 냉각수를 전극으로 사용하는 오존방전장치를 첨부되어진 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2에는 본 발명에 따른 동축원통형 오존방전장치(100)가 도 3에는 본 발명에 따른 평판형 오존방전장치(100)의 개념을 예시한 개념도가 예시적으로 도시되어 있는데, 도 2와 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 동축원통형 혹은 평판형으로 설계상 차이는 있으나, 그 구성 및 작용이 유사한 구성요소에 대하여는 동일한 인용부호로 표기한다.

도면에서 참조번호 10은 내부 유전체관(동축원통형의 경우) 또는 유전체 판(평판형의 경우)(인용부호는 동일하게 적용함)이고, 20은 동축원통형의 경우는 내부유전체관(10)의 내부에 냉각수가 통과하는 내부 냉각수 투입관(이하에서는 내부 워터자켓이라 칭함)이고 평판형의 경우 음(-) 전극용 워터자켓(인용부호 동일하게 적용함)이며, 25는 동축원통형의 경우는 내부유전체관(10)보다 직경이 큰 외부 유전체관으로서 내부유전체관을 감싸고 있으며, 평판형의 경우 반대측 유전체 판(인용부호는 동일하게 적용함)이며, 30은 동축원통형의 경우는 외부 유전체관(25)의 둘레를 포위하도록 설치된 외부냉각수 투입관(이하에서는 외부 워터자켓이라 칭함)이고 평판형의 경우 양(+) 전극용 워터자켓(인용부호도 동일하게 적용함)이다.

상기 내·외부 워터자켓(20, 30)과 접하는 유전체(10)(25)에서는 고전압이 유기되면 대전현상이 발생되어져 원료가스 주입구로부터 유입되는 원료(O₂)가 대전에 의해 O₃로 변화되어 원료배출구(11)로 배출되어진다. 이러한 방식을 양면 수냉식 오존방전장치라 한다.

본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이 두 유전체(10)(25)를 중심으로 두 유전체(10)(25)와 워터자켓(20)(30)사이에 냉각수가 통과할 수 있는 워터자켓이 형성되고, 양측 유전체와 밀착된 냉각수 전극에 전기적 에너지를 전달하는 방전장치(도면에는 도시되지 않았음)가 연결되어진다.

사용되는 냉각수는 일반적으로 사용되는 금속전극에 비하여 전기적 저항이 크기 때문에 전기적 손실이 따를 수 있으므로 냉각수에 미량의 불순물을 첨가한 전해질 용액을 사용하여 전기전도도를 향상시키고 전기적 손실을 최소화하는 것이 바람직하다.

오존의 방전은 도 2에 도시된 바와 같은 동축원통형의 경우, 외부 워터자켓(30)과 내부 워터자켓(20) 사이의 내, 외부유전체(10)(25) 공극에서 방전이 일어나게 되며, 내, 외부유전체(10)(25)의 공극은 0.25∼2mm의 공극거리를 유지하도록 한다. 그리고, 도 3에 도시된 바와 같이 평판형인 경우, 유전체(10)(25)와 냉각수가 서로 접하도록 독립된 워터자켓(20)(30)를 유전체의 상하측 외부에 부착하되, 각각 워터자켓(20)(30)내의 냉각수에는 상기한 방전장치의 양극과 음극이 각각 연결되어 전기적 에너지가 유기되어진다.

도 3에 도시된 바와 같이 평판형 오존방전장치(100)는 유전체(10)(25)의 표면에 설치된 워터자켓(20)(30)은 냉각수가 유전체(10)(25)의 표면에 직접적으로 접해지도록 하고, 각각의 냉각수에 방전장치의 양극 및 음극을 각각 연결하여 냉각수를 전극으로 사용하게 된다.

도 2의 외부 워터자켓(30)과 내부 워터자켓(20)은 각각 음극과 양극으로 작용하도록 구성한 것이고, 각각의 내·외부 워터자켓(20)(30)은 서로 전기적으로 절연되어야 함은 당연하고, 제작자의 의도에 따라 그 극성은 상호 역전된 전극으로 사용될 수 있다.

도 4와 도 5를 참조하면, 도 4와 5에는 평판형 오존방전장치(100)의 워터자켓(20)(30) 외부표면에 방열핀(40)이 배치한 단면은 수냉식이고 외부는 공냉방식의 오존방전장치(100)를 예시한 것으로, 일면 또는 양면에 냉각수 전극을 사용하면서 공냉식 냉각방법은 물을 사용할 때 보다 전기적 절연이 용이한 장점이 있다. 그리고 수냉식은 별도의 열교환장치를 필요로 하나, 공냉식은 열교환을 위한 장치로서 방열핀(40)과 송풍팬(50)으로 비교적 간단히 구성 될 수 있다.

양면 수냉식, 외부 공냉식-내부 수냉식, 양면 공냉식으로 구성되더라도 냉각수를 포함한 워터자켓(20)(30)을 구비하고, 유전체와 접해 있는 냉각수를 전극으로 사용하는 기본 구조는 동일하다.

따라서, 냉각수를 사용한 전극방식은 비록 전기적인 냉각수의 저항값이 금속에 비하여 클지라도 유전체와 밀착되어 있는 종래의 금속전극에 비하여 유전체-전극간의 밀착도가 크므로 전기적 손실을 만회할 수 있다. 또한 밀착도가 크므로 열전달율이 양호하여 냉각성능이 향상되므로 방전시 발열에 의한 오존 발생저해요소를 감소시켜 냉각성능 향상에 의한 오존 농도향상을 기대할 수 있다.

종래 오존방전장치(100)는 방전공간에 금속전극이 노출되어 발생된 오존에 금속 이온염 또는 금속산화물과 같은 불순물이 유입되고, 또한 국내 오존기술의 이용이 주로 환경분야와 같은 저농도 대용량에 적합한 방전관 구조에 대한 기술개발이 주를 이루어 왔기 때문에 본 발명을 통해 개발한 오존방전장치(100)를 적용하고자 하는 반도체 및 정밀화학 분야에의 사용에는 적합하지 못한 구조를 지니고 있다.

그러나, 본 발명에 따른 오존발생장치는 금속전극을 사용하지 않고, 냉각수가 전극으로 작용하므로 영구적 사용이 가능하고, 양면 수냉각으로 인한 고농도 오존 생성으로 반도체 공정 및 정밀화학분야에 효과적인 오존방전장치로 적용할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 일반적인 무성방전장치 구조인 금속전극 대신에 물(냉각수)을 전극으로 이용함으로서 오존생성을 위한 방전장치 내부에 금속전극과 전자의 충돌로 인한 금속 불순물 생성요인의 근본적 제거와 양전극이 바로 냉각수로 작용하여 방전으로 인한 열적 작용에 의한 오존분해작용 감소로 인한 고농도 방전구조를 갖는 오존방전장치의 제안으로 국내 오존이용 산업분야의 적용범위를 기존의 환경오염물 제거산업, 식음료 산업 등 저농도 오존이용기술 분야에서 반도체 산업의 세정분야나 난분해성 폐기물처리분야 등 10% 이상의 고농도 오존을 필요로 하는 산업으로 오존이용 기술의 적용범위를 확대 적용할 수 있으며, 최근 반도체 분야에 오존이용 공정기술 개발이 활발해지면서 반도체 세정과 관련한 외국의 오존공정설비가 국내 반도체 라인을 대체하고 있는 실정인 바, 본 발명에 따른 오존방전장치로 고농도 오존생성기술을 확보함으로서 반도체분야의 오존공정설비 국산화 개발과 함께 수입대체를 기대할 수 있다.

도 1은 종래의 오존방전장치를 예시한 개념도,

도 2는 본 발명에 따른 냉각수를 전극으로 사용하는 오존방전장치(동축원통형)의 개념을 예시한 개념도,

도 3은 본 발명에 따른 냉각수를 전극으로 사용하는 오존방전장치(평판형)의 외형을 개략적으로 도시한 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 평판형 오존방전장치의 제1실시예를 도시한 요부 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 평판형 오존방전장치의 제2실시예를 도시한 요부 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10,25:유전체 11,12:가스입출구 20:내부워터자켓 30:외부워터자켓

31:냉각수유입구 32:냉각수배출구

40:방열핀 50:송풍팬

Claims (5)

1. 석영 또는 세라믹을 재료로 하는 유전체의 내외부 표면에 워터자켓을 형성하되 그 워터자켓의 내부에 냉각수가 유입 배출되도록 하고, 상기 워터자켓에 방전장치의 양극과 음극을 각각 연결하여 유전체에서 코로나 방전에 따른 대전 현상에 의해 오존을 발생시키는 방법에 있어서,

   유전체의 내외부에 설치된 워터자켓 내에 유입/배출되는 냉각수가 유전체의 내, 외부 표면과 직접적으로 접하도록 하여 상기 방전장치에 의해 냉각수에 양극 및 음극의 전기적 에너지가 유기되도록 하기 위하여 냉각수가 음극 및 양극의 전극을 형성하고, 상기 유전체에서 코로나 방전에 의한 대전으로 오존이 발생되도록 한 것을 특징으로 하는 냉각수를 전극으로 사용하는 오존방전방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 유전체는 그 단면이 동축원형이거나 평판형인것을 특징으로 하는 냉각수를 전극으로 사용하는 오존방전방법.
3. 석영 또는 세라믹을 재료로 하는 유전체의 내·외부 표면에 금속 워터자켓을 형성하되 그 워터자켓의 내부에 냉각수가 유입 배출되도록 하고, 상기 금속 워터자켓에 방전장치의 양극과 음극을 각각 연결하여 유전체에서 코로나 방전에 의한 대전 현상에 따라 오존을 발생시키는 장치에 있어서,

   상기 워터자켓을 상기 유전체의 내·외부에 설치하되, 상기 워터자켓 내부를 통과하는 냉각수가 유전체의 내·외부 표면과 직접적으로 접하도록 상기 유전체의 내·외부표면에 부착된 각각의 워터자켓과;

   상기 워터자켓의 내부에 유입된 각각의 냉각수에 상기 방전장치에 의해 양극과 음극의 전기적 에너지를 유기시켜 냉각수를 음극 및 양극의 냉각수 전극으로 구성된 것을 특징으로 하는 냉각수를 전극으로 사용하는 오존방전장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 양극 혹은 음극 원터자켓중 어느 하나의 외부 표면에 복수개의 방열핀을 부착하고, 상기 방열핀을 송풍 냉각시키기 위한 송풍팬을 더 갖춘 것을 특징으로 하는 냉각수를 전극으로 사용하는 오존방전장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 양극 및 음극 원터자켓의 외부 표면에 모두 방열핀을 부착하고, 상기 방열핀을 송풍 냉각시키기 위한 송풍팬을 더 갖춘 것을 특징으로 하는 냉각수를 전극으로 사용하는 오존방전장치.