KR100695036B1 - 고온 대용량 플라즈마 가스 스크러버 - Google Patents

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KR100695036B1
KR100695036B1 KR1020060016066A KR20060016066A KR100695036B1 KR 100695036 B1 KR100695036 B1 KR 100695036B1 KR 1020060016066 A KR1020060016066 A KR 1020060016066A KR 20060016066 A KR20060016066 A KR 20060016066A KR 100695036 B1 KR100695036 B1 KR 100695036B1
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plasma flame
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신동훈
홍용철
엄환섭
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엄환섭
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Abstract

본 발명은 전자파를 이용하여 플라즈마를 발생시키고 발생된 전자파 플라즈마에 기체 또는 액체 상태의 탄화수소 연료를 공급하여 고온, 대용량의 플라즈마 화염을 발생시키고 이를 이용하여 산업체에서 방출되는 불화계열 가스(Fluorinated Compound Gas)를 제거하는 고온, 대용량 플라즈마 가스 스크러버에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 컴퓨터나 반도체와 같은 첨단 산업장치의 부품제조 및 세정과정에서 불화계열 가스가 사용되고 미 반응 불화계열의 가스는 진공펌프를 통하여 질소가스와 함께 대기로 방출되는데 이 불화계열의 가스로 오염된 기체를 고온, 대용량의 플라즈마 화염 속으로 통과시켜 열분해 또는 플라즈마 화학반응을 이용하여 오염원인 불화계열 가스를 제거하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
[색인어]
전자파, 플라즈마, 화염, 대기압, 연료, 세정가스, NF3, SF6, CF4

Description

고온 대용량 플라즈마 가스 스크러버 {HIGH-TEMPERATURE LARGE-VOLUME PLASMA GAS-SCRUBBER}
도 1 은 본 발명에 따른 고온 대용량 플라즈마 가스 스크러버의 구성을 나타낸 블록도,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐가스 제거 장치를 나타낸 정단면도,
도 3 은 도 2에 도시된 폐가스 및 연료 주입구가 다수개로 구성된 경우, 그의 배열구조를 나타낸 정단면도,
도 4 내지 도 6 는 도 2에 도시된 폐가스 및 연료 주입구가 다수개로 구성된 경우, 그의 배열구조를 나타낸 평단면도,
도 7 및 도 8 은 도 2에 도시된 폐가스 및 연료 주입구의 또 다른 설치구조를 나타낸 정단면도,
도 9 는 고온의 플라즈마 화염 통과전의 삼불화질소 (NF3)의 농도 변화를 적외선 분광 분석기(FTIR)를 이용하여 분석한 결과를 나타내는 스펙트럼,
도 10은 고온의 플라즈마 화염 통과후의 삼불화질소 (NF3)의 농도 변화를 적외선 분광 분석기(FTIR)를 이용하여 분석한 결과를 나타내는 스펙트럼,
도 11은 고온의 플라즈마 화염 통과전의 육불화황 (SF6)의 농도 변화를 보여주는 FTIR 스펙트럼,
도 12은 고온의 플라즈마 화염 통과후의 육불화황 (SF6)의 농도 변화를 보여주는 FTIR 스펙트럼,
도 13은 질소의 양에 따른 SF6의 분해 효율을 나타내는 그래프,
도 14는 고온의 플라즈마 화염 통과전의 사불화탄소 (CF4)의 농도 변화를 보여주는 FTIR 스펙트럼,
도 15는 고온의 플라즈마 화염 통과후의 사불화탄소 (CF4)의 농도 변화를 보여주는 FTIR 스펙트럼,
도 16은 질소의 양에 따른 사불화탄소(CF4)의 분해 효율을 보여주는 그래프 이다.
〈도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명〉
(10) : 마그네트론 (20) : 전원 공급부
(30) : 순환기 (40) : 방향성 결합기
(50) : 스터브 튜너 (60) : 도파관
(70) : 방전관 (80) : 와류 가스 공급부
(90) : 점화부 (100) : 연료 공급부
본 발명은 고온의 플라즈마 화염을 이용한 반도체 세정폐가스 처리장치에 관한 것이다.
특히, 반도체 공정에서 가장 많이 사용되는 삼불화질소, 육불화황 그리고 사불화탄소 가스를 파괴하여, 사용 후 배출되는 가스에 공기나 부가가스를 적절히 혼합시켜 더욱 효율적으로 폐가스를 제거할 수 있도록 하는 고온 플라즈마 화염을 이용한 반도체 세정폐가스 처리장치에 관한 것이다.
지구 온난화의 주범 중의 하나가 첨단산업체에서 사용되고 있는 산업기체이다. 그 대표적인 가스가 불화 계열 가스이다. 예를 들어, 이 가스들이 한번 대기로 방출되면 오랜 세월동안 대기에 존재하면서 지표면에서 방출되어야 할 적외선을 차단하여 지표의 대기온도가 높아지도록 하는 역할을 하게 된다. 그러므로 산업체에서 사용되고 있는 불화 계열 가스를 대기로 방출하기 전에 완전히 파괴하여 배출하여야 하는 국제적 규제가 강화되고 있다. 2005년 2월 16일부터 도쿄의정서가 발효됨에 따라 온실가스 감축은 환경규제 뿐만 아니라 경제규제라고 해도 과언이 아닐 정도로 국가 경제에 큰 영향을 줄 것이다.
이러한 맥락에서, 불화 계열 가스를 제거하고자 하는 연구가 여러 방면에서 진행되고 있었다. 그 중에 하나가 플라즈마를 이용하여 이 분자들을 이온화시키고 무해한 다른 분자로 만들어 배출하려는 노력이었다. 종전의 기술은 RF Source를 이용하여 진공 중에서 이러한 분자를 제거하는 것이었다. 진공 중에서 이러한 분자를 제거한다면, 비록 그 방법이 성공한다 하더러도, 진공에서 실시되고 있는 반도체 공정 라인과 함께 부착되어야 하는데, 이로 인하여 이 RF장비가 다른 반도체 공정장비의 원만한 작동을 저해하거나 때론 완전히 마비시킬 수도 있다는 문제점이 있다. 결국, 반도체 공정 라인과는 무관한 진공 밖 1기압에서 제거작업을 할 수 있는 장치를 요구하기에 이르렀다. 이러한 맥락에서 전자파 플라즈마 토치를 이용하여 불화탄화수소 가스의 방출을 제어하는 장치발명 (대한민국 특허: 10-0454085)이 있었으나, 이 기존의 발명은 사불화탄소 가스로 오염된 질소를 분당 5 리터를 처리하여 처리용량에 한계가 있었다. 반도체 공정에 사용될 수 있는 폐가스 처리장비는 사불화탄소 가스로 오염된 질소를 적어도 분당 40리터 이상 처리할 수 있어야 산업체에서 쉽게 사용할 수 있게 된다. 따라서 새로운 개념의 대용량 폐가스 처리장치가 절실히 요구되었다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 응하여 안출된 것으로, 전자파로 에너지를 공급하여 플라즈마를 발생시키고, 발생된 전자파 플라즈마에 기체 또는 액체 상태의 탄화수소 연료를 공급하여 고온의 플라즈마 화염을 발생시켜 이를 이용하여 산업체에서 방출되는 불화 가스를 제거하는 장치이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 고온의 플라즈마 화염을 만들고 그 화염을 이용하여 컴퓨터나 반도체 산업 등 첨단산업에서 사용하고 있는 불화 가스들을 파괴하는 고온 플라즈마 화염을 이용한 불화 가스의 방출제어방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 첨단산업의 표면세정에 사용되고 있는 불화 가스들을 진공에서 파괴할 필요 없이 고온의 플라즈마 화염을 만드는 것은 1기압에서 수행할 수 있으므로, 불화 가스를 1기압에서 파괴할 수 있도록 하는 고온 플라즈마 화염을 이용한 불화 가스의 방출제어방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 전자파를 발진하는 마그네트론;
상기 마그네트론으로 전력을 공급하는 전원 공급부;
상기 마그네트론에서 발진된 전파를 출력함과 더불어 마그네트론으로 반사되는 반사파를 흡수하는 순환기;
상기 순환기를 통해 전송된 전자파를 출력함과 더불어 입사파와 반사파의 세기를 모니터링하는 방향성 결합기;
상기 방향성 결합기로부터 입력되는 전자파에 대해 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스을 정합시키는 스터브 튜너;
상기 스터브 튜너로부터 전송되는 전자파가 입력되는 도파관;
상기 도파관을 통해 입력되는 전자파 및 외부로부터 주입되는 와류가스에 의해 플라즈마를 생성하는 방전관;
상기 방전관으로 와류가스를 공급하는 와류 가스 공급부;
상기 방전관 내에 유입된 전자파와 기체에 의한 플라즈마의 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부; 및
상기 방전관 내에 형성된 플라즈마에 폐가스 및 연료를 공급함과 더불어 발 생된 플라즈마 화염이 배출되는 화염출구를 제공하는 연료 및 폐가스 공급부;를 포함하는 플라즈마 화염 발생장치를 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 전자파를 발진하는 마그네트론;
상기 마그네트론으로 전력을 공급하는 전원 공급부;
상기 마그네트론이 장착된 마이크로웨이브 헤드;
상기 마이크로웨이브 헤드가 장착되며, 마그네트론으로부터 발생된 전자파를 전송하는 도파관;
상기 도파관을 통해 입력되는 전자파 및 외부로부터 주입되는 와류가스에 의해 플라즈마를 생성하는 방전관;
상기 방전관으로 와류가스를 공급하는 와류 가스 공급부;
상기 방전관 내에 유입된 전자파와 기체에 의한 플라즈마의 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부; 및
상기 방전관 내에 형성된 플라즈마에 연료와 폐가스를 공급함과 더불어 발생된 플라즈마 화염이 배출되는 화염출구를 제공하는 연료 및 폐가스 공급부;를 포함하는 고온의 플라즈마 화염 발생을 이용한 폐가스 처리 방법을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐를 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 플라즈마 화염 발생장치의 구성 을 개념적으로 나타낸 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 화염 발생장치는 마그네트론(10)과, 전원 공급부(20)와, 순환기(30)와, 방향성 결합기(40)와, 스터브 튜너(50)와, 도파관(60)과, 방전관(70)과, 와류 가스 공급부(80)와, 점화부(90)와, 연료 및 폐가스 공급부(100)와, 화염 출구(110)으로 구성된다. 상기 마그네트론(10)은 10 ㎒ ∼ 10 ㎓ 대역의 전자파를 발진하는 마그네트론이 사용되며, 바람직하게는 2.45㎓ 전자파를 발진하도록 구성된다. 상기 전원 공급부(20)는 전파전압배율기와 펄스 및 직류(DC)장치로 구성되어 마그네트론(10)으로 전력을 공급하도록 구성된다. 상기 순환기(30)는 마그네트론(10)에서 발진된 전자파를 출력함과 더불어 임피던스 부정합으로 반사되는 전자파 에너지를 소멸시켜 마그네트론(10)을 보호하도록 구성된다. 상기 방향성 결합기(40)는 순환기(30)를 통해 전송된 전자파를 출력함과 더불어 입사파와 반사파의 세기를 눈으로 볼 수 있도록 모니터링하는 기능을 제공하게 된다. 상기 스터브 튜너(50)는 방향성 결합기(40)로부터 입력되는 전파자에 대해 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도함으로써 전자파로 유도된 전기장이 방전관(70) 내에서 가장 강한 현상을 나타내도록 구성된다. 이때 상기 스터브 튜너(50)는 반사파의 세기가 입사파의 1％ 이내가 되도록 조절하게 되며, 플라즈마 생성이 초기화되면, 스터브 튜너(50) 없이도 반사파의 강도는 입사파의 10％ 보다 작게 된다. 상기 도파관(60)은 스터브 튜너(50)로부터 입력되는 전자파를 방전관(70)으로 전송하도록 구성된다. 상기 방전관(70)은 도파관(60)의 종단에 설치되어 도파관(60)을 통해 입력되는 전자파에 의해 플라즈마가 생성되는 공간을 제공하도록 구성된다. 상기 와류 가스 공 급부(80)는 생성된 플라즈마의 안정화와 방전관(70)의 내벽 보호를 위한 와류가스를 공급하도록 구성된다. 상기 점화부(90)는 플라즈마의 생성을 위한 초기 전자를 공급하도록 구성된다. 상기 연료 및 폐가스 공급부(100)는 기체 또는 액체 상태의 탄화수소 연료를 폐가스와 함께 생성된 플라즈마에 공급함으로써 더 높은 온도와 더 큰 볼륨을 갖는 플라즈마 화염을 생성하여 폐가스를 분해 처리 하도록 구성된다.
도 2는 도파관(60)과 방전관(70)과 와류 가스 공급부(80)와 점화부(90) 및 연료 및 폐가스 공급부(100)의 연결 상태를 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 상기 도파관(60)은 표준형 직사각형 도파관(가로: 86㎜, 높이: 43㎜)으로써, 스터브 튜너(50)측으로부터 방전관(70)측으로 갈수록 그의 단면적이 감소하는 테이퍼 형상으로 형성되어 스터브 튜너(50)로부터 입력된 전자파가 방전관(70)측으로 갈수록 에너지 밀도가 증가하도록 구성된다.
상기 방전관(70)은 도파관(60)의 종단(61)으로부터 관내 파장의 1/8∼1/2 사이에서 도파관(60)을 수직하게 관통하도록 설치된다. 바람직하게 상기 방전관(70)은 도파관(60)의 종단(61)으로부터 관내 파장의 1/4 떨어진 위치에 설치되며, 전자파의 용이한 투과를 위해 석영이나 알루미나 또는 세라믹으로 구성된다.
상기 와류 가스 공급부(80)는 플라즈마의 안정화와 플라즈마로부터 방전관(70)의 내면을 보호하기 위한 와류가스를 공급하는 것으로, 제1 블록(81)과, 주입구(82)로 구성된다. 상기 제1 블록(81)은 방전관(70)의 내부에 구비된 공간(S1)과 연속되어지는 또 다른 공간(S2)이 내부에 구비되고, 상기 방전관(70)의 하단부를 감싸도록 도파관(60)에 고정된다. 이러한 제1 블록(81)은 금속으로 구성되거나, 금속 또는 금속합금으로 이루어진 미도시된 코팅층이 내면 또는 외면에 구비되어 전자파를 차단하도록 구성된다. 상기 주입구(82)는 적어도 하나 이상의 주입구(82)가 제1 블록(81)의 원주방향에 대하여 등각도 간격을 갖도록 설치되며, 제1 블록(81)의 외측으로부터 내측으로 갈수록 상향 경사지게 설치되어 있다. 이러한 주입구(82)를 통해 공급되는 와류 가스는 방전관(70) 내에서 와류를 발생시켜 플라즈마를 안정화시키고, 플라즈마에 의한 방전관(70) 내면의 손상을 방지하게 되며, 연료 및 폐가스 공급부(100)에 의해 공급되는 연료와 불화가스의 산화를 위한 산화제로 작용하게 된다. 이러한 와류가스로는 공기, 산소, 질소, 아르곤 가스 중 선택된 적어도 하나 이상의 가스가 사용된다.
상기 점화부(90)는 초기에 플라즈마의 생성을 위한 전자를 방전관(70) 내에 공급하는 것으로, 한쌍의 텅스텐 전극(91, 92)이 방전관(70)의 내부에 위치하도록 설치되며, 제1 블록(81)과 전극 간의 아크 발생을 방지하도록 상기 전극(91, 92)은 유전체관(93)으로 쌓여져 있다. 한편, 상기 한쌍의 텅스텐 전극(91, 92)의 끝단은 0.1-50㎜의 방전 간격을 유지하도록 구성된다.
상기 연료 및 폐가스 공급부(100)는 생성된 플라즈마에 탄화수소 연료와 폐가스를 공급하여 보다 높은 온도와 큰 볼륨을 갖는 플라즈마 화염(F1)에 의해 산화 분해되도록 하는 것으로, 제2 블록(101), 가스 주입구(102) 그리고 가스 혼합장치(103)로 구성된다. 상기 가스 혼합장치(103)는 폐가스의 주성분인 질소와 산소, 불화 계열 가스, 그리고 기체 또는 액체 상태의 탄화수소 연료가 잘 혼합될 수 있도 록 길이가 충분히 긴 튜브에 망(104) 또는 구슬(105)을 넣어 이들이 잘 혼합될 수 있도록 구성된다.
반도체 세정폐가스의 오염물질은 위에서 제시한 고온의 플라즈마 화염을 통과해야하며 고온 플라즈마 화염에 접하는 순간 분해되어 버린다. 그래서 배출가스 중에는 더 이상 오염물질인 불화 계열의 가스가 남아있지 않게 된다. 상기 제2 블록(101)은 방전관(70)의 상단부에 위치하도록 도파관(60)의 상부에 설치되고, 그의 내부에는 방전관(70)에 구비된 공간(S1)과 연속되어지는 또 다른 공간(S3)이 구비되어 있다. 또한, 제2 블록(101)의 상단은 개방되어 발생된 플라즈마 화염(F1)이 분출되는 화염출구(110)를 제공하게 된다. 한편, 상기 방전관(70)과 제1, 2 블록(81, 101)이 결합되면, 방전관(70)과 제1, 2 블록(81, 101)에 구비된 공간(S1, S2, S3)은 연속되어져 하나의 큰 공간을 형성하게 된다. 이러한 제2 블록(101)은 금속으로 구성되거나, 금속 또는 금속합금으로 이루어진 미도시된 코팅층이 내면 또는 외면에 구비되어 전자파를 차단하게 된다. 상기 가스 주입구(102)는 제2 블록(101)에 구비된 공간(S3)에 탄화수소 연료 및 폐가스를 주입하는 것으로, 적어도 하나 이상의 가스 주입구(102)가 제2 블록(101)의 원주방향에 대하여 등각도 간격을 갖도록 설치된다. 이러한 가스 주입구(102)에 의해 주입되는 탄화수소 연료로는 액체 또는 기체 상태의 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등이 사용될 수 있다.
도 3 내지 6은 상기 가스 주입구(102)가 다수개로 구성된 경우, 가스 주입구(102)들의 배열 구조를 보여주는 정단면도이다. 도 3을 참조하면, 두 개의 가스 주입구(102)들이 제2 블록(101)의 길이방향에 대하여 높이차를 갖도록 설치될 수 있 다. 이와 같은 높이차를 가지는 두 개의 가스 주입구는 폐가스와 탄화수소 연료를 따로 주입하여 먼저 탄화수소 연료에 의해 고온 플라즈마 화염을 발생시킨 후 폐가스를 주입하여 분해할 수 있으며, 혹은 두 주입구에 서로 다른 폐가스를 넣어줌으로써 동시에 고온 플라즈마 화염으로 분해할 수 있다. 도 4를 참조하면, 두개의 가스 주입구(102)들이 제2 블록(101)의 중심으로 대칭구조로 설치될 수도 있다. 도 5를 참조하면, 3개의 가스 주입구(102)들이 제2 블록(101)의 원주방향에 대하여 등각도 간격, 즉 120° 간격을 갖도록 설치될 수도 있다. 도 6을 참조하면, 4개의 가스 주입구(102)들이 제2 블록(101)의 원주방향에 대하여 등각도 간격, 즉 90° 간격을 갖도록 설치될 수도 있다.
또한, 상기 가스 주입구(102)는 상기와 같이 수평상태로 설치될 수도 있고, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 블록(101)의 외측으로부터 내측으로 갈수록 하향 경사지게 설치될 수도 있으며, 도 8에 도시된 바와 같이, 두개의 가스 주입구(102)들이 상호 마주하는 상태를 유지한 채로 제2 블록(101)의 내측을 향하여 하향 경사지게 설치될 수도 있다. 이는 수평상태로 설치되었을 때 보다 주입된 폐가스들이 플라즈마에 직접적으로 분사되어 보다 오랫동안 분해 시간을 늘려 분해효율을 높일 수 있는 가능성이 있다.
상기와 같이 연료 및 폐가스 공급부(100)에는 적어도 하나 이상의 가스 주입구(102)가 구비되고, 상기 가스 주입구(102)가 다수개 구비되는 경우, 제2 블록(101)의 길이방향에 대하여 높이차를 갖도록 설치되거나, 제2 블록(101)의 원주방향에 대하여 상호 등각도 간격을 갖도록 설치될 수 있으며, 이처럼 다수개의 가스 주입구(102)들을 통해 단계적으로 폐가스와 연료를 주입함으로써 볼륨이 크고 확장된 고온 플라즈마 화염에 의해 분해 효율이 높아질 수 있게 된다.
상기와 같이 구성된 플라즈마 화염 발생장치의 작동과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
전원공급부(20)로부터 마그네트론(10)으로 전원이 공급되면, 마그네트론(10)은 전자파를 발진하게 되고, 이처럼 발진된 전자파는 순환기(30)와 방향성 결합기(40)와 스터브 튜너(50) 및 도파관(60)을 통해 방전관(70)으로 전달된다. 한편, 상기 가스공급부(80)는 미도시된 외부공급원으로부터 공급되는 와류가스를 방전관(70)의 내부 공간으로 주입하게 된다.
상기와 같이 방전관(70)의 내부로 전자파가 유입되고, 와류가스가 공급되면, 점화부(90)의 전극에 전압이 인가되어 플라즈마 생성에 필요한 전자를 공급해 줌으로써 플라즈마를 생성하게 된다. 한편, 공급된 와류가스는 생성된 플라즈마를 안정화시키고 방전관(70) 내에 와류를 형성하여 고온의 플라즈마 화염으로부터 방전관(70)의 내벽을 보호하게 된다. 결국, 공급된 와류가스는 방전관(70)을 열적으로 보호하고 플라즈마를 안정화하는 기능을 제공하게 된다. 연료및 폐가스 공급부(100)로부터 공급되는 탄화수소 연료는 플라즈마 화염의 측면에서 폐가스와 같이 주입되며 공기 및 산소 플라즈마에 의해 발생된 화염은 제2 블록(101)의 화염출구(110)로 나오게 된다. 예를 들어, 액체 탄화수소 계열의 연료가 사용될 경우, 플라즈마 화염의 중심온도 섭씨 5000 ∼ 6000 도의 공기 플라즈마에 의해 액체연료가 기화되고 고온의 플라즈마 가스에 의해 순식간에 연소가 된다. 이에 따라 주입되는 폐가스들 은 산화 분해되어 배출가스 중에는 더 이상 오염물질인 불화계열의 가스가 남아있지 않게 된다.
불화 계열가스들은 진공을 필요로 하는 반도체 산업에서 주로 이용되고 있으며 질소가스로 작동하는 로터리펌프에 의하여 진공챔버 밖으로 배출된다. 그래서 불화계열 가스가 섞여있는 주된 기체는 질소가스이다. 이 발명에 사용된 불화 계열가스는 삼불화질소(NF3), 육불화황(SF6) 그리고 사불화탄소(CF4) 이다.
<실시예 1>
도 9와 도 10은 각각 고온 플라즈마 화염을 통과하기 전과 후의 삼불화질소(NF3) 량을 적외선 분광 측정기(FTIR)를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 사용된 장치는 첨부 도면 도 2와 같다. 이 실시 예에서는 NF3을 함유한 공기를 송풍기를 이용하여 주입하였으며, 와류 가스는 압축공기가 사용되었다. 또한 주입되는 연료는 메탄을 사용하였다. 이 때 주입한 송풍기를 이용한 공기와 압축공기의 유량은 각각 분당 500리터와 50리터이고, 메탄은 분당 15리터 그리고 NF3는 분당 600 밀리리터가 주입되었다. NF3로 오염된 가스가 방전관에 발생된 고온 플라즈마 화염을 지난 후에 배출되는 배출가스 속에 남아있는 NF3의 양을 적외선 분광 측정기로 분석한 결과 상기 실시 조건에서 NF3가 고온 플라즈마 화염에 의해 99％ 이상 분해가 되었다.
<실시예 2>
도 11과 도 12는 각각 고온 플라즈마 화염을 통과하기 전과 후의 육불화황(SF6) 량을 적외선 분광 측정기(FTIR)를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 사용된 장치는 첨부 도면 도 2와 같다. 이 실시 예에서는 주입 가스로 SF6, 질소가스 그리고 산소가스를 가스 혼합 장치로 혼합하여 주입 하였으며, 와류 가스는 압축공기가 사용되었다. 또한 주입되는 연료는 메탄을 사용하였다. 이 때 주입한 질소가스와 산소가스 그리고 압축공기의 유량은 각각 분당 120리터와 30리터 그리고 40리터이고, SF6은 분당 100 미리리터가 주입되었다. SF6로 오염된 가스가 방전관에 발생된 고온 플라즈마 화염을 지난 후에 배출되는 배출가스 속에 남아있는 SF6의 양을 적외선 분광 측정기로 분석한 결과 상기 실시 조건에서 SF6이 고온 플라즈마 화염에 의해 99％ 이상 분해가 되었다.
도 13은 질소가스의 양에 따른 분해 효율을 그래프로 나타낸 것이다. 질소 가스는 분당 60리터부터 160리터까지 주입하였으며, 산소, 압축공기, 메탄, SF6의 양은 위의 실시 예와 동일하게 하였다. 실시 후 배출가스 속에 남아있는 SF6의 양을 적외선 분광 측정기로 분석하여 효율을 계산하였으며, 그 결과 상기 실시 조건에서 SF6은 고온 플라즈마 화염에 의해 분당 120리터의 오염된 질소가스를 99％ 이상 분해할 수 있다.
<실시예 3>
도 14와 도 15는 각각 고온 플라즈마 화염을 통과하기 전과 후의 사불화탄소 (CF4) 량을 적외선 분광 측정기(FTIR)를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 사용된 장치는 첨부 도면 도 2와 같다. 이 실시 예에서는 주입 가스로 CF4, 질소가스 그리고 산소가스를 가스 혼합 장치로 혼합하여 주입 하였으며, 와류 가스는 압축공기가 사용되었다. 또한 주입되는 연료는 메탄을 사용하였다. 이 때 주입한 질소가스와 산소가스 그리고 압축공기의 유량은 각각 분당 40리터와 30리터 그리고 40리터이고, CF4는 분당 50 미리리터가 주입되었다. CF4로 오염된 가스가 방전관에 발생된 고온 플라즈마 화염을 지난 후에 배출되는 배출가스 속에 남아있는 CF4의 양을 적외선 분광 측정기로 분석한 결과 상기 실시 조건에서 CF4가 고온 플라즈마 화염에 의해 98％ 이상 분해가 되었다.
도 16은 질소가스의 양에 따른 분해 효율을 그래프로 나타낸 것이다. 질소 가스는 분당 40리터부터 120리터까지 주입하였으며, 산소, 압축공기, 메탄, CF4의 양은 위의 실시 예와 동일하게 하였다. 실시 후 배출가스 속에 남아있는 CF4의 양을 적외선 분광 측정기로 분석하여 효율을 계산하였으며, 그 결과 상기 실시 조건에서 CF4는 고온 플라즈마 화염에 의해 분당 60리터의 오염된 질소가스를 90％ 이상 분해할 수 있다.
반도체 산업에 이용되는 대표적인 진공펌프는 1분에 불화탄소가스 20 미리리터를 함유하고 있는 질소가스를 5내지 50 리터씩 배출한다. 불화 계열 가스 중에서 가장 안전한 오염물이 CF4 가스이다. 그래서 CF4만 제거할 수 있다면, 다른 모든 불화 계열 가스들을 제거할 수 있는 것이다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
따라서 본 발명은 전자파로 발진한 플라즈마 토치에 탄화수소 가스를 주입하여 고온 플라즈마 화염을 발생시켜 1기압 하에서 대기 온난화물질인 불화 계열의 가스들을 손쉽게 파괴할 수 있도록 하여 오염물질이 대기중으로 유출되는 것을 막을 수 있도록 하는 효과가 있다.
즉, 본 발명은 현재 첨단산업에서 표면세제에 사용되고 있는 온난화 가스를 완전히 제거할 수 있는 기반기술을 개발하여 1기압에서 사용할 수 있으므로 반도체 공정의 진공 공정 Line과는 무관하게 사용될 수 있어 반도체 산업체에서 부담 없이 장착할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 1기압에서 효율적인 고온 플라즈마 화염을 만들 수 있도록 하며, 불화가스가 섞여있는 질소나 공기를 고온 플라즈마 화염이 발생한 방전관에 효과적으로 유입될 수 있도록 하며, 1.4 킬로와트의 전자파 출력으로 만든 고온 플라즈마 화염을 이용하여 적어도 1분에 50리터 이상의 배출가스를 처리할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (23)

  1. 전원 공급부로부터 전력을 공급받아 전자파를 발진하는 마그네트론;
    상기 마그네트론에서 발진된 전자파를 출력하고 마그네트론으로 반사되는 반사파를 흡수하는 순환기;
    상기 순환기를 통해 전송된 전자파의 세기를 입사파와 반사파로 모니터링 해주는 방향성 결합기;
    상기 방향성 결합기로부터 입력되는 전자파에 대해 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스를 정합시키는 스터브 튜너;
    상기 스터브 튜너로부터 전송되는 전자파가 입력되는 도파관;
    상기 도파관을 통해 입력되는 전자파 및 외부로부터 주입되는 와류가스에 의해 플라즈마를 생성하는 방전관;
    상기 방전관으로 와류가스를 공급하는 와류 가스 공급부;
    상기 방전관 내에 유입된 전자파와 기체에 의한 플라즈마의 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부; 및
    상기 방전관 내에 형성된 플라즈마에 연료 및 폐가스를 공급함과 더불어 발생된 플라즈마 화염이 배출되는 화염출구를 제공하는 연료 및 폐가스 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전관은 도파관의 종단으로부터 전자파 파장의 1/8∼1/2 위치에서 도파관을 수직하게 관통하도록 설치됨을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스공급부는, 상기 방전관의 내부 공간에 연속되는 또 다른 공간이 구비되어 방전관의 하단부에 설치된 제1 블록; 및
    상기 제1 블록의 내주면과 외주면을 연결하도록 형성되어 제1 블록의 내부에 구비된 공간으로 와류가스가 주입되는 유로를 제공하는 적어도 하나 이상의 주입구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 와류가스는 공기, 산소, 질소, 아르곤 가스 중 선택된 적어도 하나 이상의 가스로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 및 폐가스 공급부는, 상기 방전관의 내부 공간에 연속되어지는 또 다른 공간이 구비되어 방전관의 상단부에 설치되고, 그의 상단부가 개방되어 고온 플라즈마 화염이 분출되는 화염출구를 제공하는 제2 블록;
    상기 제2 블록에 설치되어 제2 블록의 내부로 연료 및 폐가스를 공급하는 적어도 하나 이상의 가스 주입구;
    상기 가스 주입구에 연결되어 연료 및 폐가스가 잘 혼합될 수 있도록 혼합해주는 가스 혼합장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 가스 혼합장치는 연료 및 폐가스가 잘 혼합될 수 있도록 충분히 긴 튜브와 그 안에 철 또는 텅스텐으로 만들어진 망 또는 구슬을 넣어 혼합하여 주도록 구성됨을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 블록은, 금속으로 이루어져 전자파의 차폐가 가능하도록 구성됨을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 블록은, 금속 또는 금속합금으로 이루어진 코팅층이 더 구비되어 전자파의 차폐가 가능하도록 구성됨을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료 및 폐가스 공급부로 공급되는 연료는, 액체 또는 기체 상태의 탄화수소 연료인 것을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생장치.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 가스 주입구는 제2 블록의 외측으로부터 내측으로 갈수록 하향 경사지게 설치된 것을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생장치.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스 주입구는, 다수개가 구비되고,
    상기 다수개의 주입구들은, 상기 제2 블록의 원주방향에 대하여 상호 등각도 간격을 갖으며, 상기 제2 블록의 외측으로부터 내측으로 갈수록 하향 경사지게 설치됨을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생장치.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스 주입구는, 다수개가 구비되고,
    상기 다수개의 가스 주입구들은, 상기 제2 블록의 원주방향에 대하여 상호 등각도 간격을 갖도록 설치됨을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생장치.
  13. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스 주입구는, 다수개가 구비되고,
    상기 다수개의 가스 주입구들은, 상기 제2 블록의 길이방향에 대하여 상호 높이차를 갖도록 설치됨을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐가스는 반도체 제조 공정의 진공펌프에 의해 배출되고 배출가스가 고온 플라즈마 화염을 통하도록 진공펌프가 연결되는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    분당 5 ∼ 60 리터의 질소가스를 배출하는 진공펌프가 연결된 것을 특징으로 하는 폐가스 처리를 위한 고온 플라즈마 화염 발생 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온 플라즈마 화염의 불꽃 온도가 섭씨 5천도인 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마 화염을 이용한 불화 계열 가스의 방출 제어 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 마그네트론에서 2.45 ㎓ 전자파를 발생시키고, 0.6 킬로와트에서 1.4 킬로와트의 출력으로 작동하는 점화장치에 의해 1분에 40 리터 이상의 폐기가스가 처리되도록 하는 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마 화염를 이용한 불화 계열 가스의 방출 제어 장치.
  18. 방전관을 통하여 가스를 유입시키는 과정;
    마그네트론에서 나온 전자파가 점진적으로 작아지는 도파관을 통과하면서 도파관 끝단으로 전파하고 다시 방전관으로 반사시켜 방전관으로부터 최대의 전장이 유도되도록 하는 과정;
    점화장치를 이용하여 방전관에 1기압 플라즈마를 발생시켜 가스 분자들을 분리시키는 과정; 및
    상기 분리된 가스 분자에 반응가스를 첨가시켜 화학기체 반응을 유도하는 과정;
    으로 이루어진 것을 특징으로 하는 화학 기체 분석 방법.
  19. PFC, CFC, 그리고 HFC 등의 불순물이 함유되어 있는 폐기 가스를 처리하는 방법에 있어서,
    폐기가스를 직접 방전관으로 유입시켜 마그네트론에서 나온 전자파에 노출시 키는 과정;
    전자파를 이용하여 방전관에 플라즈마 토치를 만들고 불화 계열 가스를 상기 고온 플라즈마 화염에 노출하여 산화시키고 부산물을 생성해내는 과정;
    와류 가스를 첨가가스로 사용하여 방전관에 공급하는 과정;
    주입가스를 화학적으로 불안정한 분자를 생성하고, 상기 분자들이 고온 플라즈마 화염에서 들뜬 화학물질로 작용하여 화학반응을 촉진하는 과정; 및
    주입가스가 와류 가스로 동작하여 토치의 방전관의 내벽을 냉각시키면서 소용돌이를 형성하는 과정;
    으로 이루어진 고온 플라즈마 화염을 이용한 불화탄소 가스의 방출 제어 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 마그네트론에서 2.45 ㎓ 전자파를 발생시키고, 0.6 킬로와트에서 1.4 킬로와트의 출력으로 작동하는 점화장치에 의해 1분에 40 리터 이상의 폐기가스가 처리되도록 하는 것을 특징으로 하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 불화탄소 가스의 방출 제어 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 고온 플라즈마 화염으로 NF3, SF6 그리고 CF4 등의 불순물이 함유되어 있는 반도체 폐가스가 유입되기 전에 분해율을 증가시키기 위해 반응가스를 폐가스 에 첨가하는 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마 화염을 이용한 불화탄소 가스의 방출 제어 방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 불순물은 반도체 세정가스인 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마 화염을 이용한 불화탄소 가스의 방출 제어 방법.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 와류가스가 고온 플라즈마 화염의 방전관으로 주입되기 전에 반응가스를 와류가스에 첨가하는 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마 화염을 이용한 불화탄소 가스의 방출 제어 방법.
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