KR100660609B1

KR100660609B1 - 알칼리성 환원수를 생성하는 전해조

Info

Publication number: KR100660609B1
Application number: KR20050026662A
Authority: KR
Inventors: 이재용
Original assignee: 가부시키가이샤 니혼야쿠힌한바이; 이재용; 에바라지츠교유 가부시키가이샤
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-12-22
Also published as: KR20060104465A; JPWO2006112065A1; WO2006112065A1

Abstract

본 발명은 알칼리성 환원수를 생성하는 전해조에 관한 것으로서, 이러한 전해조는 전해액에 접하는 캐소드 전극의 면적은 전해액에 접하는 애노드 전극의 면적보다 더 크게 형성되며, 상기 애노드 전극은 상부가 개방된 애노드실에 안착되고, 상기 캐소드 전극이 안착되는 캐소드실은 상기 애노드실의 측면에 연속적으로 배치되고 상기 애노드실에 형성된 출구는 인접한 상기 캐소드실의 입구와 연통되게 형성되고, 연속적으로 배치되는 n-1번째의 상기 캐소드실의 출구는 인접한 n번째의 상기 캐소드실의 입구와 연통되는 구성이다. 이와 같은 발명에 의해 화학약품의 첨가 없이 액성의 변화가 가능하게 된다. 이렇게 생성된 알칼리성 환원수는 반도체웨이퍼나 포토마스크등의 표면 미립자 세정에 유용하며 초순수 또는 순수만을 원료수로 사용했기 때문에 패턴의 데미지 및 표면의 산화방지를 해결할 수 있는 효과가 있고, 특히 배수된 물을 저비용으로 재사용할 수 있어 환경문제를 경감할 수 있는 효과가 발생된다.

전해조, 알칼리, 환원수, 순수, 캐소드, 애노드

Description

알칼리성 환원수를 생성하는 전해조. {electrolyzer which produces alkali reducing water}

도 1은 종래의 격막전해법에 의한 전해조의 단면도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전해조의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10: 전해조, 110: 애노드실,

111: 애노드실 입구, 112: 애노드실 출구,

115: 애노드 전극, 125,135,145: 캐소드 전극,

195: N번째 캐소드 전극 120,130: 캐소드실,

180: N-1번째 캐소드실 190: N번째 캐소드실,

119,129,139,189: 격막 121,131,181,191: 캐소드실 입구,

122,132,182: 캐소드실 출구 127,137,187: 이온교환수지

본 발명은 전해조에 관한 것으로, 특히 화약약품의 첨가 없이 순수(純水) 혹은 초순수(超純水)를 원수(原水)로 하여 알칼리성 환원수를 생성하는데 적합한 전해조에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 등의 하이테크 부품의 세정에는 초순수에 소량의 화학약품을 첨가한 산성 또는 알칼리성의 산화, 환원 세정수가 사용되고 있다. 예를 들면 실리콘웨어퍼의 세정에는 수소를 용해시켜 미량의 NH₄OH를 첨가한 약 알칼리성 환원수가 사용되어 지고 있다. 그리고 최근에는 반도체 공장 내에서 사용한 배수는 공장 내에서 정화하여 재사용하는 경향이 많아지고 있다.

그렇게 하기 위해서는 배수의 정화가 용이한 것이 필요하고 가능한 한 화학약품을 첨가하지 않는 세정시스템이 요망된다. 즉 화학약품을 전혀 첨가하지 않고 초순수나 순수만으로 전기분해 할 수 있는 알칼리성 환원수의 생성 기술이 개발되면 이 기술은 배수 재이용에 유효한 수단으로 된다.

초순수나 순수를 전기분해하는 기술로서 불소계 이온교환막의 양측에 캐소드전극과 애노드전극을 배치한 캐소드실과 애노드실로 된 2실형 전해조가 알려져 있다.

기본적인 전기분해 반응은 이하와 같다.

애노드실

2H₂O -> 2H⁺ + O₂ + 2e^-

캐소드실

2H₂O + 2e^--> H₂ + 2OH^-

이 외의 캐소드 전극과 애노드 전극 간의 불소계 이온교환막 내부에서 이하와 같은 물의 해리 반응이 일어난다. 이 해리 반응은 전계강도에 의존해서 반응이 진행된다.

H₂O -> H⁺ + OH^-

이 해리반응에서 생성된 프로톤이 캐소드 전극으로 이동해서 환원되어 이하와 같이 수소가스가 생성된다.

2H⁺ + 2e^- -> H₂

즉 캐소드 전극에서는 프로톤의 환원반응과 물의 환원분해반응이 동시에 이어난다.

물의 분해반응 효율이 높을 때에 전기분해된 물의 액성은 알칼리성으로 된다. 그렇지만, 종래기술에 따른 전해조에는 거의 액성의 변화를 나타내지 않는다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로서, 본 발명의 목적은 화학약품의 첨가 없이 알칼리수를 생성할 수 있고, 또한 공장에서 재활용할 수 있는 전해조를 제공하는 데 있다.

이러한 상기 목적은 본 발명에 의해 달성되며, 본 발명의 일면에 따라, 알칼리성 환원수를 생성하는 전해조는 전해액에 접하는 캐소드 전극의 면적은 전해액에 접하는 애노드 전극의 면적보다 더 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 애노드 전극은 상부가 개방된 애노드실에 안착되고, 상기 캐소드 전극이 안착되는 캐소드실은 상기 애노드실의 측면에 연속적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캐소드실에 형성된 출구는 인접한 상기 캐소드실의 입구와 연통되게 형성되고, 연속적으로 배치되는 n-1번째의 상기 캐소드실의 출구는 인접한 n번째의 상기 캐소드실의 입구와 연통되는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 캐소드실에는 이온교환수지가 충진되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상술한다.

먼저, 액성을 변화시키기 위해서는 이온교환막 내의 물의 해리 반응을 제어할 필요가 있다. 즉 이온교환막 내의 전계강도를 저감할 필요가 있고 전계강도를 저감하기 위해서는 전류밀도를 떨어뜨리는 것이 필요하게 된다. 따라서 캐소드 전극면적을 증대하는 것이 요망된다. 단순히 캐소드극의 전극면적을 증대하기 위해서는 캐소드실을 2개실 이상으로 늘리면 되는 것을 알 수 있다. 즉 캐소드실을 늘리는 것에 의해 캐소드극의 전극면적은 단순하게 증대하게 된다.

캐소드실을 늘리는 방법으로서 캐소드실을 2개 이상 배치하는 것을 고려할 수 있다. 이렇게 하면 전해 효율이 높아지고 액성이 변하게 되어 알칼리성 환원수를 생성할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전해조의 단면도이다.

도 2에 도시한 것처럼 도면부호 10으로 도시한 본 발명에 의한 전해조는, 한 개의 애노드실과 N개의 캐소드실이 연속적으로 연결된 구조로 되어 있고 각각의 상기 캐소드실에는 각각 캐소드 전극과 격막이 안착되어 있으므로 N개의 개소드실에는 N개의 캐소드전극과 N개의 격막이 장착되는 구성 있다.

도면부호 11은 애노드실이고, 도면부호 120, 130, 180은 제1, 제2, 제3의 캐소드실이고, 도면부호 190은 N번째의 캐소드실을 의미한다. 도면부호 119는 격막이고 애노드전극(115)과 캐소드전극(125)에 밀착되게 설치한다. 도면부호 127, 137 및 187은 이온교환수지이고 도면부호 125, 135, 185는 제1, 제2, 제3캐소드전극이고 도면부호 195는 N번째 캐소드전극이다. 또한 도면부호 125의 캐소드전극과 도면부호 195로 도시한 N번째의 캐소드전극 사이에는 전도성을 확보하기 위하여 이온교환수지(127,137,187)를 충진한다. 도면부호 129, 139, 189는 격막이고, 도면부호 135, 185, 195로 도시된 캐소드전극에 각각 밀착시켜 설치하면 캐소드의 전극면적이 증대하게 되고 격막 내의 전계강도가 떨어지게 된다.

즉, 물의 분해반응 효율이 높아지게 되고 OH이온이 증가하게 되어 액성(pH)은 알칼리성으로 된다. 또한, 애노드전극(115)과 캐소드전극(195)에 직류전압을 가해 각각의 상기 캐소드전극(125,135,185)에는 각각 분압된 전압이 가해지도록 하고 캐소드실(120)의 출구(122)는 인접한 캐소드실(130)의 입구(131)로 연통되고, N-1번째 캐소드실(180)의 출구(182)는 N번째 캐소드실(190)의 입구(191)에 연통 되도록 연결한다. 즉 각각의 상기 캐소드실(120,130,180,190)는 서로 직렬 연결되며, 전기분해하면 각각의 캐소드실로부터 단계적으로 전해효율이 높아지게 되어 pH는 점점 강한 알칼리성으로 된다.

이상과 같은 전해조 특성을 확인하기 위하여 전압에 따른 pH, ORP변화를 확인하였다.

(실시 예)

도 2에 표시한 전해조를 사용하여 애노드실(110)과 캐소드실(120)에 입구(121)를 통하여 초순수를 공급했다. 초순수의 수질은 이하와 같다.

비저항 : 18㏁cm

수 온 : 20℃

전 극 : 백금도금 티타늄전극을 사용했다. 통수 속도는 1ℓ/min의 유속으로 초순수를 통수하고 4개실의 캐소드실을 구성하여 애노드전극(115)과 캐소드전극 (195) 양단에 50V정도의 직류전압을 가하고 전압을 가변시키면서 pH및 ORP의 변화를 확인했다. 실시결과를 표1에 표시한다.

표1에서 C₁V₁은 제1의 캐소드 전압, C₂V₂, C₃V₃, C₄V₄,는 각각 제2, 3, 4실의 캐소드 전압이다. 각 캐소드 전압은 애노드 전극(115)의 전압을 기준으로 하여 절대치로 표시한다.

C₁V₁(volt)	C₂V₂	C₃V₃	C₄V₄	pH	ORP(mv)
0	0	0	0	6.5	+230
4.1	8.3	11.6	15.4	7.0	-360
4.5	9.3	13.0	17.4	7.5	-400
5.3	11.1	15.6	21.0	8.0	-436
6.9	14.3	20.4	27.1	8.5	-488
9.5	18.8	28.3	37.3	9.0	-540
12.3	24.5	36.7	48.2	9.5	-600

본 발명의 상기와 같은 구성에 따라 고안된 전해조를 사용하면 화학약품의 첨가 없이 액성의 변화가 가능하게 된다. 이렇게 생성된 알칼리성 환원수는 반도체웨이퍼나 포토마스크등의 표면 미립자 세정에 유용하며 초순수 또는 순수만을 원료수로 사용했기 때문에 패턴의 데미지 및 표면의 산화방지를 해결할 수 있는 효과가 있고, 특히 배수된 물을 저비용으로 재사용할 수 있어 환경문제를 경감할 수 있는 효과가 발생된다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 알칼리성 환원수를 생성하는 전해조를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

Claims

삭제
애노드 전극과 캐소드 전극에 의하여 전기 분해를 하는 전해조에 있어서,

전해액에 접하는 캐소드 전극의 면적은 전해액에 접하는 애노드 전극의 면적보다 더 크게 형성되고, 상기 애노드 전극은 상부가 개방된 애노드실에 안착되며, 상기 캐소드 전극이 안착되는 캐소드실은 상기 애노드실의 측면에 연속적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 알칼리성 환원수를 생성하는 전해조.
제 2항에 있어서, 상기 캐소드실에 형성된 출구는 인접한 상기 캐소드실의 입구와 연통되게 형성되는 것을 특징으로 하는 알칼리성 환원수를 생성하는 전해조.
제 2항 또는 제 3항에 있어서, 연속적으로 배치되는 n-1번째의 상기 캐소드실의 출구는 인접한 n번째의 상기 캐소드실의 입구와 연통되는 것을 특징으로 하는 알칼리성 환원수를 생성하는 전해조.
제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 캐소드실에는 이온교환수지가 충진되는 것을 특징으로 하는 알칼리성 환원수를 생성하는 전해조.