KR100764332B1 - 광화학 반응 처리 장치 및 광화학 반응 처리 방법 - Google Patents

Abstract

광 조사량을 소정 수준으로 제어함으로써, 광량 과다에 의한 의도하지 않은 광 반응을 제어하는 동시에, 더불어 에너지 절약 ·보수유지 절약의 광 반응 처리 장치 및 방법을 제공한다.

다수의 광원을 구비하고, 상기 광원으로부터의 광 조사에 의해 피조사체의 광화학 반응 처리를 행하는 광화학 반응 처리 장치에 있어서, 다수의 광원 중 일부 광원을 점등 혹은 조광(調光) 점등하고, 점등 혹은 조광 점등하는 광원의 조합을 순차로 전환하는 것, 및 광원의 경시적 조도 저하 특성을 기초로, 사용시간 경과에 따라, 점등 혹은 조광 점등하는 광원수와 소등하는 광원수의 비율을 변경시킴으로써, 피조사체에 대한 광 조사량을 소정 수준으로 제어하고, 광량 과다에 의한 의도하지 않은 광 반응을 억제할 수 있다.

Description

광화학 반응 처리 장치 및 광화학 반응 처리 방법{Photochemical reaction treatment apparatus and photochemical reaction treatment method}

도 1은 본 발명에 관한 다등식(多燈式)의 자외선 조사 장치의 일실시예를 나타내는 단면 개략도.

도 2는 도 1의 자외선 조사 장치에 있어서의 광원(3)으로서 사용하는 방전등의 일례를 나타내는 측면 단면 개략도.

도 3은 도 2의 방전등의 일실시예에 의한 실험 결과에 기초하는 「전위 경도」와 「185㎚ 자외선 방사 효율」의 관계를 예시하는 그래프.

도 4는 도 2의 방전등의 일실시예에 의한 실험 결과에 기초하는 「램프 전류」와 최적 「전위 경도」의 관계를 예시하는 그래프.

도 5는 본 발명에 관한 방전등의 일실시예에 의한 실험 결과에 기초하는 유리관의 내경과 최적 「전위 경도」의 관계를 「램프 전류」의 각 값에 대응하여, 예시하는 그래프.

도 6은 고효율형 자외선 방전등을 사용한 자외선 조사 장치에 있어서의 시간 경과에 따르는 처리 능력 변화의 실험 결과를, 종래 기술에 의한 자외선 방전등을 탑재한 자외선 조사 장치와 비교하여 예시하는 그래프.

도 7은 점등 ·소등 로테이션의 시퀀스 제어 장치의 일례를 나타내는 블록 도.

도 8은 도 2∼도 6을 참조하여 설명한 바와 같은 자외선 방사 효율이 좋은 방전등(31)을, 도 1에 나타내는 처리 장치에 있어서의 광원(3)으로서 사용한 경우의 점등 ·소등 로테이션의 일례를 나타내는 도면.

도 9는 도 8의 점등 ·소등 로테이션으로 운전한 본 발명 장치에 있어서의 TOC 분해 처리 능력의 추이예와, 종래 장치에 의한 TOC 분해 처리 능력의 추이예의 비교를 나타내는 그래프.

도 10은 종래의 자외선 조사 장치의 일례를 나타내는 측면 단면 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 실린더 2 : 석영 유리관

3 : 광원 31 : 방전등

11 : 합성 석영 유리로 이루어지는 유리관 21a, 21b : 필라멘트

4a, 4b : 밀봉부 5a, 5b : 구금부

22a∼22d : 인너 리드 31a, 31b : 전기 단자

본 발명은 빛 에너지를 이용하여 광화학 반응 처리를 행하는 광화학 반응 처리 장치와, 그 처리 방법에 관한 것이다.

빛 에너지를 이용하여 광화학 반응 처리를 행할 수 있는 분야가 있다. 도 10은 종래 알려진 광화학 반응 처리 장치로서 폐쇄형 액체 처리용 자외선 조사 장치의 일례를 나타낸다. 도 10에는 편의상 방전등(20)을 1개만 탑재한 장치를 도시하지만, 실용적으로는 다등식의 대용량 장치가 사용되는 경우가 많다. 방전등(30)을 외관(보호관)(20) 내에 수납한 것이 스테인리스제 실린더(10) 내에 수납되어, 피처리 액체가 상기 실린더(10) 내에 도입되어서 방전등(30)으로부터 발광한 자외선이 조사된다. 방전등(30)으로서는 예를 들면 185㎚ 파장 영역의 자외선을 방사하는 저압 수은 증기 방전등이 사용된다. 방전등(30)의 발광관 밸브(40)는 자외선 투과성이 뛰어난 석영 유리로 되어 있다. 방전등(30)은 자외선 투과성 외관(보호관)(20)의 내부에 수납되어, 상기 방전등(30)이 피처리 액체로부터 액밀(液密)하게 격리된다. 이러한 외관(20)도 자외선 투과성이 뛰어난 석영 유리로 되고 있다. 실린더(10)의 양단은 플랜지(10a, 10b)로 닫혀 있고, 입수구(10c)로부터 유입된 피처리 액체가 실린더(10) 내를 통과하는 과정에서 자외선이 조사되어, 출수구(10d)로부터 배출된다. 피처리 액체는 입수구(10c)로부터 출수구(10d)를 향해서 실린더(10) 내를 유통하게 되지만, 피처리 액체가 숏트 패스(short pass)하지 않도록, 도중에 다수매(도면에서는 5장)의 환류판(10e∼10i)을 배치한 구조로 되어 있다. 방전등(30)으로부터 발생한 자외선은 외관(20)을 투과하여, 피처리 액체에 조사된다. 조사된 자외선은 예를 들면 수중에 존재하는 유기물을 다음식과 같이 무해한 CO, CO₂, H₂O로 분해하는 작용을 달성하게 된다.

H₂O + hν(185㎚) → H + OH 라디칼

C_nH_mO_k + OH 라디칼 → CO, CO₂, H₂O(n, m, k는 1, 2, 3, …)

그런데, 이 광 반응 처리에 있어서, 광량 과다에 의해 새로운 문제가 발생하는 것을 밝혀냈다. 예를 들면, 반도체의 칩을 세정하기 위한 초순수 플랜트에 이용한 경우, 과잉의 OH 라디칼이 과산화수소(H₂O₂) 등의 여러 가지 과산화물을 발생시키고, 처리수가 유통하는 후단계의 이온 교환 수지를 통과한 때, 산소가 빠져서 DO(Dissolved Oxygen: 용존 산소) 값을 높인다. 이온 교환 수지는 유기산(유기물의 중간체) 등을 제거하기 위한 것이지만, 고농도의 과산화수소, 과산화물은 이온 교환 수지의 수명을 단축함과 더불어, DO치가 높은 초순수로 세정된 반도체는 손상을 받는 것이 알려져 있다.

예를 들면, 40개의 광원을 탑재한 종래 장치에 있어서의 TOC(Total Organic Carbon: 전체 유기체 탄소) 분해 처리 능력의 추이에 대해서 예시하면, 1년 후의 처리 능력은 장치의 사용 초기 혹은 광원 일제 교환 직후에 대하여 대략 반감하는 것이 확인되고 있다. 이것은 광원의 열화에 의한 것이지만, 장치는 1년 후의 처리 능력이 요구 레벨을 확보하도록 설계되어 있기 때문에, 점등 시간의 어린 시기(즉, 사용 초기 혹은 광원 교환 후의 어느 정도의 시기)는 광량 과다에 빠지기 쉽다.

본 발명은 상술의 점을 감안하여 행하여진 것으로, 광 조사량을 소정 수준으로 제어함으로써, 광량 과다에 의한 의도하지 않은 광 반응을 제어하는 동시에, 더불어 에너지 절약 ·보수유지 절약의 광 반응 처리 장치 및 방법을 제공하고자 하 는 것이다.

본 발명에 관한 광화학 반응 장치는 다수의 광원을 구비하고, 상기 광원으로부터의 광 조사에 의해 피조사체의 광화학 반응 처리를 행하는 광화학 반응 처리 장치에 있어서, 점등하는 광원을 사용시간 경과에 따라서 제어함으로써, 상기 피조사체에 대한 광 조사량을 소정 수준으로 제어하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 상기 다수의 광원 중 일부의 광원을 점등하고, 점등하는 광원의 조합을 순차로 전환하는 것, 및 광원의 경시적 조도 저하 특성을 기초로, 사용시간 경과에 따라, 점등하는 광원수와 소등하는 광원수의 비율을 변경시킴으로써, 광 조사량을 소정 수준으로 제어하고, 광량 과다에 의한 의도하지 않은 광 반응을 억제할 수 있다. 한편, 점등이란 소정 정격 전압 혹은 전류로 점등하는 경우에 한정하지 않고, 조광 점등하는 경우도 포함하는 것으로 한다.

또, 본 발명에 의하면, 상기 점등 혹은 조광 점등하는 광원의 조합 및 전환 시기 및 상기 사용시간 경과에 따른 점등 혹은 조광 점등 광원수와 소등 광원수의 상기 비율의 변경 형태를 장치의 운전 개시 전에 미리 설정하고, 이 설정에 따라서 점등 혹은 조광 점등하는 광원을 시간 경과에 따라서 제어함으로써, 유지보수 없이 장치의 운전을 행할 수 있다. 또한, 상기 설정 내용을 운전 개시 후에 수정을 가함으로써, 보다 효과적인 점등 제어를 행할 수 있다.

또, 본 발명에 관한 광화학 반응 장치의 광원은 자외선을 방사하는 광원인 것을 특징으로 하고 있다. 자외선의 광자는 에너지가 높으므로, 난분해의 처리에 도 응용할 수 있다.

본 발명에 관한 광화학 반응 처리 방법은 상기한 바와 같은 장치를 이용하고, 광원으로부터 빛을 조사하며, 피조사체에 대하여 광화학 반응 처리를 행하는 것을 특징으로 한다. 또, 점등 혹은 조광 점등시키는 광원과 소등시키는 광원의 비율의 변경이나, 점등 혹은 조광 점등시키는 광원의 로테이션에 의해, 광원의 일제 교환기간을 연장시키는 것을 특징으로 한다.

(발명의 실시 형태)

도 1은 본 발명에 관한 광화학 반응 처리 장치의 일실시예인 다등식의 액체 처리용 자외선 조사 장치를 나타내는 단면 개략도이다. 자외선 램프로 이루어지는 광원(3)은 보호용의 석영 유리관(2) 내에 액밀하게 삽입되어 이루어지고, 본 실시예에 관한 처리 장치의 본체를 구성하는 통상 실린더(1) 내에 다수개(이 예에서는 40개) 병설되어 있다. 한편, 본 실시예에 관한 처리 장치는 도 10과 마찬가지의 폐쇄형 액체 처리 장치이며, 실린더(1)는 도 10의 실린더(10)와 마찬가지로 입수구(1c)와 출수구(도시 생략)를 구비한다.

전술한 대로, 종래 장치에 있어서는, 광원의 경년(經年) 열화를 고려하여 소정 기간(예를 들면 1년) 경년한 시점에서의 처리 능력을 기준으로 설계되어 있기 때문에, 예를 들면 장치의 개시 사용으로부터 1년 후에 있어서, 어떤 처리 능력을 확보하기 위해서 40개의 광원을 탑재할 필요가 있는 종래 장치는 장치 사용 초기에 광량 과다가 되어, 의도하지 않은 광 반응이 발생하고 있었다. 이것에 대하여, 본 발명에 관한 자외선 조사 장치에 있어서는, 설치된 다수의 광원(3)의 중 1개 내지 다수의 소정수를 점등 혹은 조광 점등하고, 또한 점등 혹은 조광 점등되는 광원의 조합 및 점등 개수를 시간 경과에 따라 적당히 변경하는 운용을 행하는 것을 특징으로 하고 있다. 다시 말해, 점등 혹은 조광 점등하는 광원의 조합과 그 전환 시기와 점등 개수를 광원의 경년 열화에 의한 조도 저하 특성에 따라, 사용 기간 경과에 따라 변경함으로써, 통년의 광 조사량이 소정 수준(범위)으로 유지되도록 운용하는 것을 특징으로 하고 있다.

이 운용 방법의 일례를 나타내면, 우선 사용 개시시에 있어서, 광원(3)의 총수(M)에 대하여, 특정한 N₁개(단 N₁<M)의 광원만을 점등하고, 소정 기간 경과하면, 상기 점등하는 N₁개의 특정한 광원의 조합을 다른 특정한 N₁개의 광원의 조합으로 전환하여 돌려쓴다(로테이션한다). N₁개의 수의 적절한 설정에 의해, 사용 초기 때에 있어서의 광량 과다 현상을 적절히 방지할 수 있다. 로테이션을 적당히 반복하며, 또한 다른 소정 기간 경과하면, 특정한 광원 점등수를 N₂개(단 적어도 N₁<N ₂)로 하며, 상술과 마찬가지로, 점등하는 광원의 조합을 순차로 전환하여 돌려쓴다. 이렇게 점등하는 광원수를 증가시킴으로써, 광원의 경년 열화를 보상하고, 전체적인 광량을 소정 수준으로 유지할 수 있다. 이후 필요에 따라서, 또한 소정 기간 경과하는 것에 따라, 광원 점등수를 N₃, N₄ …N_n개(단 N₁<N₂ <N₃<N₄< …<N_n ≤M)라는 방식으로 적당히 순차로 증가하도록 로테이션을 변경하여 돌려써도 된다.

광원(3)의 점등 ·소등의 로테이션을 설정하는 데 있어서는, 실린더(1) 내를 유통하는 피처리 액체가 균등하게 처리되도록, 점등되는 광원이 밸런스 좋게 배치 되도록 설정하는 것으로 한다. 예를 들면, 도 1에 있어서, 실린더(1)의 횡단면에 있어서 중심에서 교차하는 선 A-A', B-B'에서 4등분된 4개의 존을 상정하고, 동시 점등 광원수를 N으로 할 때, 각 존 내에서 N/4개의 광원을 밸런스 좋은 배치로 점등 하도록 설정한다.

한편, 본 실시예에 있어서, 점등이란 소정 정격 전압 혹은 전류로 점등하는 경우에 한정하지 않고, 그것 이하의 전압 혹은 전류로 광량 조절하여 점등하는(조광 점등) 경우도 포함한다. 조광 점등할 경우는 광량 및 수명이 정격으로 점등하는 경우와는 다르므로, 점등 ·소등 로테이션의 설정 내용도 그것에 따른 것으로 된다. 점등 ·소등 로테이션에 있어서, 동시에 점등하는 광원을 모두 정격으로 점등해도 되고, 혹은 모두 조광 점등해도 되며, 혹은 정격에서의 점등과 조광 점등을 혼재시켜도 된다.

한편, 자세하게는 후술하는 바와 같이, 본 장치에 있어서는 자외선 방사 효율이 좋은 방전등을 이용하므로, 점등수가 적어도 필요 충분한 처리 능력을 확보 할 수 있다.

광원(3)으로서 사용하는 방전등(31)의 일례를 도 2에 나타낸다. 이 방전등(31)은 이하 자세히 설명하는 바와 같이, 185㎚ 자외선을 지극히 효율적으로 방사시키며, 성능 유지율이 높은 저압 수은 증기 방전등으로서 구성된 것이다. 이 종류의 고능률 방전등(31)을 광원(3)으로서 사용하는 경우에 있어서는, 동시에 점등하는 광원수가 종래와 비교하여 적게 들므로, 본 발명에 따라서 점등 ·소등의 로테이션을 적절히 설정하여 운용하는 것이, 광량 과다 방지와 램프 수명의 비약적 증대화의 점에서 지극히 의미가 있다.

우선, 방전등(31)의 기본적 구조에 대해서 설명하면, 방전등(31)은 합성 석영 유리로 이루어지는 유리관(11)과, 상기 유리관(11) 내에서 그 양단에 배치된 한 쌍의 필라멘트(21a, 21b)와, 상기 유리관(11)의 양단에 형성된 밀봉부(4a, 4b) 및 구금부(5a, 5b)를 포함한다. 필라멘트(21a, 21b)는 예를 들면 산화바륨계의 발광체(emitter)를 도포하여 이루어진다. 이 필라멘트(21a, 21b)는 밀봉부(4a, 4b)로부터 나오고 있는 인너 리드(22a∼22d)에 의해 각각 유지되어 있다. 구금부(5a, 5b)는 세라믹제이며, 한 쪽 구금부(5a)에 있어서 한 쌍의 전기 단자(31a, 31b)가 구비되어 있다. 밀봉부(4a, 4b)는 몰리브덴박(24a∼24d)에 의해 기밀성을 유지하면서, 또한 인너 리드(22a∼22d), 몰리브덴박(24a∼24d), 아우터 리드(25a, 25b 및 26)를 통하여, 필라멘트(21a, 21b)와 전기 단자(31a, 31b)를 전기적으로 접속하는 역할을 담당하고 있다. 유리관(11) 내에는 20㎎ 정도의 수은과 약 400㎩의 희소 가스를 봉입하고 있다. 한편, 도면의 예에서는, 일례로서 방전등(31)은 2단자 타입의 방전등으로서 구성되어 있다. 다시 말해, 한 쪽 필라멘트(21a)의 일단이 인너 리드(22b), 몰리브덴박(24b), 아우터 리드(25a)를 통하여 한 쪽 전기 단자(31a)에 접속되어, 다른 쪽 필라멘트(21b)의 일단이 인너 리드(22c), 몰리브덴박(24c), 아우터 리드(25b, 26)를 통하여 다른 쪽 전기 단자(31b)에 접속되어 있다.

방전등(31)은 유리관(11)을 합성 석영 유리로 구성한 것, 및 파장 185㎚ 자외선을 효율적으로 발광할 수 있도록 소정 조건으로 상기 방전등(31)의 치수(밸브 내경이나 필라멘트간 거리 등의 제 사이즈)를 결정한 것을 특징으로 하고 있다. 이 점에 대해서 설명하면, 이 방전등(31)에 있어서는, 합성 석영 유리로 이루어지는 유리관(11)의 내경(D)(단위는 ㎜)의 사이즈는 8㎜ 이상으로 하며, 필라멘트(21a, 21b)의 간격을 L(단위는 ㎝), 점등시의 램프 전압을 V(단위는 V(볼트)), 램프 전류를 I(단위는 A(암페어))로 할 때, 각 값의 관계가 다음 관계식을 갖도록, 설정하는 것을 특징으로 하고 있다.

(V-Vf)/L=X/(√D ·√I) 단, 2.6 ≤X ≤4.2

여기서, Vf는 양극 강하 전압이며, 점등 전원에 의해 일의적으로 결정되는 팩터(정수 요인)이며, 1㎑ 이상의 고주파 전원으로 점등한 경우는 Vf=10이며, 1㎑ 미만의 전원으로 점등한 경우는 Vf=50으로 한다.

다음에, 파장 185㎚ 자외선을 효율적으로 발광할 수 있도록 하는 조건으로서 상기한 바와 같은 관계식을 도출한 근거에 대해서 설명한다.

본 발명자들은 기본 구조가 도 2에 나타내는 바와 같은 구조로 이루어지는 저압 수은 증기 방전등(31)을 각종 사이즈로 다수 준비하고, 이들을 대상으로 해서 여러 가지 실험을 행하고, 방전등의 전기 특성과 185㎚ 자외선 강도의 관계를 평가했다. 구체적으로는, 이 실험에 있어서 이용한 각 방전등의 사이즈는 내경 8㎜, 13㎜, l8㎜, 23㎜의 각각의 관 직경으로, 두께 1㎜, 관 길이 100∼160㎝의 합성 석영 유리관을 이용하고, 필라멘트간 거리(L)[㎝]를 95∼153㎝로 설정하여 이루어지는 것이다. 실험에 있어서는, 중앙부에 185㎚ 자외선 강도 측정용 가지관을 부착하여 T자형으로 구성한 유리관 내에, 실험 대상인 방전등을 삽입하고, 상기 유리관 내를 질소 분위기로 충만시킴과 더불어 외측에는 냉각수를 유통시켰다. 또, 점등 전원에는 약 40㎑의 전자(電子) 밸러스트(안정기)와 상용 주파수의 전자(電磁) 밸러스트(안정기)의 2종을 준비하고, 점등시의 램프 전류를 0.4A, 0.6A, 0.8A, 1.0A, 1.4A(암페어)의 5단계로 했다. 한편, 185㎚ 자외선 강도의 측정에는 주식회사 오크제작소의 자외선 조도계 UV-185(상품명)를 사용했다.

상술의 조건하에서, 전류를 대략 일정하게 유지하면서, 냉각수의 온도를 변화시키면서 각종 전기 특성 즉 램프 전압(V), 램프 전류(I), 램프 전력과, 185㎚ 자외선 강도를 측정했다. 냉각수의 온도를 변화시키는 이유는 수은 증기압을 변화시키는 데 있다. 즉, 185㎚ 자외선 방사 효율이나 전기 특성은 수은 증기압에 의존한다고 추정되므로 그 관계를 명확히 하기 위해서이다. 냉각수의 온도를 변화시킴으로써 잉여의 수은이 체류하는 최냉부의 온도를 변화시키고, 수은의 증기압을 변화시키게 된다. 덧붙이자면, 램프 전압(V)은 램프 내의 수은 증기압 즉 증발량에 의존하므로, 최냉부의 온도를 변화시킴으로써, 램프 전압(V)이 가변 설정되게 된다. 어떤 물리적 사이즈로 이루어지는 방전등에 있어서는, 램프 전류(I)도 밸러스트에 의해 결정되는 정수 요인이므로, 185㎚ 자외선 강도를 좌우할 수 있는 요인은 주로 램프 전압(V)이다. 그래서, 냉각수의 온도를 변화시킴으로써 결과적으로 램프 전압(V)의 값을 여러 가지로 변화시키고, 상기 램프 전압(V)의 값을 측정함과 더불어 그때마다 185㎚ 자외선 강도를 측정함으로써, 해당 물리적 사이즈 또한 소정 램프 전류(I)로 이루어지는 조건하에 있어서의 185㎚ 자외선 강도와 램프 전압(V)의 상관성이 밝혀진다. 따라서, 그렇게 하여 측정을 행한다.

이 측정 결과에 기초하여, 185㎚ 자외선 강도에 대해서는, 「소비 전력당 자 외선 강도」라는 관점에서 측정한 185㎚ 자외선 강도의 값을 측정한 램프 전력으로 나눗셈하여, 그 몫을 「방사 효율」의 지표(즉 「185㎚ 자외선 방사 효율」)로 했다. 또, 램프 전압에 대해서는, 「단위 길이당 전압」이라는 관점에서 측정한 램프 전압의 값(V)[V]으로부터 양극 강하 전압(Vf)이라는 고정적인 값(Vf)[V]을 빼고, 그 해 「V-Vf」를 필라멘트간 거리(L)로 나누고, 그 몫을 「전위 경도」(즉, 필라멘트간 거리의 단위 길이당 램프 전압)로 했다. 다시 말해, 측정한 「185㎚ 자외선 강도」와 「램프 전압(V)」를 각각 「185㎚ 자외선 방사 효율」과 「전위 경도」(필라멘트간 거리의 단위 길이당 램프 전압)로 환산함으로써, 「전위 경도」의 각 값에 대한 「185㎚ 자외선 방사 효율」의 값을 대비할 수 있고, 방사 효율이 좋은 조건이 어느 부근에 있을지를 파악할 수 있다. 한편, 양극 강하 전압(Vf)은 전술한 대로, 1㎑ 이상의 고주파 전원으로 점등한 경우는 Vf=10으로 하며, 1㎑ 미만의 전원으로 점등한 경우는 Vf=50으로 했다.

도 3은 일례로서, 두께 1㎜의 합성 석영 유리관을 사용한 방전등의 사이즈가 내경 13㎜, 관 길이 154㎝, 필라멘트간 거리 147㎝의 물리적 조건하에서, 전기적 조건으로서는 램프 전류(I)가 1A(암페어)로, 약 40㎑의 전자 밸러스트를 사용하는(즉 Vf=10) 경우에 있어서의 「전위 경도」와 「185㎚ 자외선 방사 효율」의 측정 결과를 나타내는 것으로, 「전위 경도」의 값을 횡축에 취하며, 그것에 대응하는 「185㎚ 자외선 방사 효율」의 값을 종축에 취하여, 측정 결과를 플롯한 것이다. 램프 전압(V)은 전술한 대로 냉각수의 온도를 변화시킴으로써 변화시켰다. 도 3에 따르면, 「전위 경도」가 약 0.88(V/㎝)일 때, 「185㎚ 자외선 방사 효율」이 가장 높은 값(약「6」)을 나타내는 것을 알 수 있다. 여기에서 알 수 있는 것은 「185㎚ 자외선 방사 효율」이 그 최고치 즉 피크치(도 3의 예에서는 약「6」)를 포함하는 적당한 허용 범위 내로 들어가도록, 물리적 및 전기적 제 조건을 설정하기만 하면, 185㎚ 자외선을 효율적으로 방사할 수 있는 방전등 및 자외선 조사 장치를 제공할 수 있는 것이다. 이 허용 범위로서는, 실제 자외선 조사 상태를 관찰함으로써, 피크치의 「185㎚ 자외선 방사 효율」의 약 6∼7할 정도까지는 허용 범위에 포함시키는 것이 적당하다고 밝혀졌다. 예를 들면, 도 3의 예에서는, 「185㎚ 자외선 방사 효율」의 값이 최저라도 약 3.6 이상이면, 효율적인 방사가 얻어지고 있다고 간주할 수 있다. 그 경우, 「전위 경도」가 약 0.72∼1.16 정도의 범위 내로 들어가도록 제 조건이 설정되면 괜찮다는 것이 도면에서 밝혀진다.

또한, 다른 실측 결과에 대해서 설명한다. 도 3과 마찬가지의 관 직경 13㎜, 관 길이 154㎝, 필라멘트간 거리 147㎝의 사이즈의 방전등에 있어서, 램프 전류(I)를 여러 가지로 다르게 해서, 각 램프 전류치에 있어서의 「185㎚ 자외선 방사 효율」이 피크치가 되는 최적 전위 경도를 탐색했다. 그 결과 얻어진 각 램프 전류치(종축)에 있어서의 최적 「전위 경도」(횡축)를 플롯한 도면이 도 4이다. 이 도 4로부터, 최적 「전위 경도」는 대략 램프 전류치(I)의 평방근(√I)에 반비례하고 있는 것을 알 수 있다.

이하 마찬가지로 하여, 본 실험에 이용한 상술한 제 사이즈의 방전등에 대해서, 「185㎚ 자외선 방사 효율」이 피크치가 되는 최적 「전위 경도」를 탐색한 결과, 어느 쪽의 관 직경에서도 최적 「전위 경도」는 대략 전류치(I)의 평방근(√I) 에 반비례하는 것을 밝혀냈다. 또, 관 직경(D)을 파라미터로서 최적 「전위 경도」를 플롯한 결과, 도 5에 나타내는 바와 같이 어느 쪽의 전류에 있어서도 대체로 관 직경(D)의 평방근(√D)에도 반비례하는 것이 밝혀졌다. 다시 말해, 내경(D)이 8∼23㎜의 방전등에 있어서, 램프 전류 0.4∼1.4A의 범위에서 동작시킨 경우에, 최대의 185㎚ 방사 효율을 얻기 위한 최적 「전위 경도」는 관 직경(D)과 전류(I)의 평방근(√D 및 √I)에 반비례하는 것을 밝혀냈다. 이것은 고주파의 전자 밸러스트와 상용 주파수의 전자 밸러스트의 어느 쪽에 있어서도 점등 전류의 팩터를 고려하기만 하면, 포함되는 결과가 되었다.

상기로부터, 최적 「전위 경도」에 있어서는, 「전위 경도」 즉 「(V-Vf)/L」은 관 직경(D)의 평방근(√D) 및 램프 전류(I)의 평방근(√I)에 반비례하는 관계에 있고, 그 비례 정수를 X로 하면, 하기와 같은 관계식으로 나타낼 수 있게 된다.

(V-Vf)/L=X/(√D ·√I)

상기 도 3의 예의 경우, 내경(D)=13㎜, 램프 전류(I)=1A이었기 때문에, (√D ·√I)는 약 3.605이며, 「전위 경도」가 상술한 약 0.72∼1.16 정도의 허용 범위 내로 들어가기 위해서는, 비례 정수 X는 대략 「2.6 ≤X ≤4.2」 범위의 값을 취하면 괜찮게 된다.

이상과 같은 실험 결과를 고려하여, 도 2에 나타내는 바와 같은 합성 석영 유리로 구성한 유리관(11)을 이용한 방전등(31)에 있어서, 합성 석영 유리로 이루어지는 유리관(11)의 내경(D)(단위는 ㎜)의 사이즈는 8㎜ 이상으로 하며, 필라멘트(21a, 21b)의 간격을 L(단위는 ㎝), 점등시의 램프 전압을 V(단위는 V(볼 트)), 램프 전류를 I(단위는 A(암페어))로 할 때, 각 값의 관계가 다음 관계식을 가지도록 설정하는 것이, 185㎚ 자외선을 효율적으로 방사하기 위한 조건으로 하는 것이 좋다라는 결론에 도달했다.

(V-Vf)/L=X/(√D ·√I) 단, 2.6 ≤X ≤4.2

여기서, 전술한 대로, 점등 전원에 의해 일의적으로 결정되는 팩터인 양극 강하 전압(Vf)은 1㎑ 이상의 고주파 전원으로 점등한 경우는 Vf=10이며, 1㎑ 미만의 전원으로 점등한 경우는 Vf=50으로 한다.

그런데, 방전등(31)은 발광관으로서 합성 석영 유리를 사용하는 것을 특징으로 하고 있다. 합성 석영 유리는 사염화규소를 출발 원료로 하여 제조되는 석영 유리로, 불순물이 지극히 적고, 단파장 영역의 자외선 투과율이 뛰어나다. 상술한 「최대의 185㎚ 방사 효율을 얻기 위한 전위 경도와 관 직경 및 램프 전류의 관계」는 합성 석영 유리가 제일인 것은 아니지만, 통상의 (천연) 석영 유리를 이용하여 실시한 경우에는 185㎚ 자외선 유지율이 급속히 저하하므로 실제 사용할 수 없는 것이다. 통상의 (천연) 석영 유리를 사용한 경우는, 본래 단파장 영역의 자외선 투과율이 낮은 것을 시작으로, 185㎚ 방사 효율이 높아지면 많은 185㎚ 자외선을 흡수하여, 유리 자신이 변질되며, 흐림 발생에 의해 자외선 투과율이 저하해버린다. 그 때문에, 추가로 투과율 저하와 변질의 사이클을 반복하고, 185㎚ 자외선이 급속히 저하하는 것으로 추정된다. 따라서, 합성 석영 유리를 사용하는 것을 필수 요소로 한다.

상술한 방전등(31)을 이용한 유기물의 분해 처리 장치 즉 자외선 조사 장치 는 예를 들면 반도체 제조 공정에서 사용되는 초순수의 정제에 이용되는 것으로, 그 경우, 1년∼3년의 장기 연속 운전에 견디어내는 것이지 않으면 안 된다. 합성 석영 유리는 초기의 자외선 투과율이 뛰어나며, 또한 변질의 핵이 되는 불순물의 함유량이 적기 때문에, 185㎚ 자외선의 방사 효율이 높은 영역에서 동작시켜도 자외선 유지율을 높은 수준으로 확보할 수 있다. 물론, 이러한 방전등을 이용한 자외선 조사 장치는 반도체 제조 공정에 한정하지 않고, 음료 제조, 식품 제조, 의료, 물 처리 등, 유기물의 분해 처리 ·살균 ·소독 등의 처리를 요하는 모든 분야에서 이용 가능하다.

도 6은 본 실시예에서 제안하는 도 2에 나타내는 바와 같은 고효율형 자외선 방전등(31)을 탑재한 자외선 조사 장치(A)와, 종래 기술에 의한 자외선 방전등을 탑재한 자외선 조사 장치(B)에 대해서, TOC 농도 10ppb의 원수를 1ppb 이하로 할 수 있는 처리 능력을 단위 소비 전력량당 유량으로 비교한 실측 데이터를 도시하는 도면이다. 도면은 장치(B)의 초기치를 100%로서 표시하고 있다. 장치(B)와 장치(A)에서는 우선 초기에 있어서 큰 성능차이가 있으며, 사용시간이 진행함에 따라서 차이가 더욱 커지는 것을 알 수 있다. 덧붙이자면, 종래 기술의 방전등을 탑재한 자외선 조사 장치의 1년간의 사용 기준이 되는 8500시간 후의 능력을 1로 하면, 방전등(31)을 탑재한 자외선 조사 장치(A)는 약 2.5배 이상이 되는 것이 확인되었다. 본 실시예에서 제안하는 방전등(31)과 같은 자외선 방사 효율이 좋은 방전등을 이용하면, 종래 장치와 비교하여 점등 개수를 적게 해도, 필요 충분한 처리 능력을 확보할 수 있다.

상술한 바와 같이, 초순수의 정제에 있어서의 자외선 처리 장치는 1년∼3년의 장기 연속 운전을 고려하고 있으며, 장치의 운전을 유지보수 없이 행하고 싶다는 요구도 이용자에 있어 고조되고 있다. 이 점에 대하여, 본 발명의 일실시예에 의하면, 점등하는 광원의 조합과, 그 전환 시기와, 점등 개수의 변경 형태를 미리 설정하고, 이 설정에 따라서 광원의 점등을 시간 경과에 따라서 제어하는 점등 ·소등 로테이션의 시퀀스 제어 장치를 구비함으로써, 자동적으로 점등 제어하고, 보수유지 없이 장치의 운전을 행할 수 있으므로 바람직하다.

도 7은 도 1의 실시예와 관련하여 설치되는 상기 점등 ·소등 로테이션의 시퀀스 제어 장치의 일례를 나타내는 블록도이다. CPU, 메모리 등을 포함하여 이루어지는 전환 시퀀서(sequencer)(6)에 대하여, 시계 회로(6a)와 설정기(7)가 접속되어 있으며, 운전 개시 전에 미리, 설정기(7)에서 각 광원(도면에 있어서 3-1∼3-40)의 점등 ·소등의 조합 형태와 그 전환 시기(즉 로테이션)를 설정하고, 이것을 전환 시퀀서(6)의 메모리에 기억한다. 시계 회로(6a)는 사용 개시시부터의 경과 시간을 잰다. 전환 시퀀서(6)는 메모리에 기억한 시퀀스에 따라, 현시점에서의 점등 ·소등 로테이션에 대응하는 각 광원(3-1∼3-40)의 점등 ·소등을 설정하는 제어 신호를 점등 ·소등 전환 회로(8)에 입력한다. 점등 ·소등 전환 회로(8)는 입력된 제어 신호에 따라 소정 광원을 점등하고, 다른 광원을 소등하도록 전환 제어를 행한다. 이 점등 ·소등의 조합 형태는 전환 시퀀서(6)로부터 부여되는 점등 ·소등 설정 제어 신호에 따라 시간 경과에 따라서 자동적으로 변경 제어된다.

전환 시퀀서(6)의 메모리에 미리 기억한 상기 로테이션의 설정 내용은 운전 개시 후에 있어서 수시로, 처리한 액체에 있어서의 처리 결과를 모니터하는 TOC 모니터나 DO 모니터로부터의 피드백 값에 기초해 자동적으로 혹은 수동 조작에 의해 수정 가능하다. 이것으로, 처리 상황에 따른 효과적인 제어를 할 수 있다. 물론, 상술한 바와 같은 시퀀스 제어 장치를 설치하지 않고, 개개의 광원에 연결되는 안정기의 전원을 적당히 온/오프시켜, 수동으로 점등 ·소등 전환을 행해도 된다.

다음에, 도 2∼도 6을 참조하여 설명한 바와 같은 자외선 방사 효율이 좋은 방전등(31)을 도 1에 나타내는 처리 장치에 있어서의 광원(3)으로서 사용한 경우의 점등 ·소등 로테이션의 일례를 도 8에 나타낸다. 도 8에 있어서, 횡축은 장치 사용 개시시부터의 시간적 경과를 나타내고, 종축의 숫자 1∼40은 40개의 각 광원(3)을 개별로 특정하는 숫자이다. 이하, 40개의 각 광원(3)을 개별로 구별하는 부호로서 3-1∼3-40을 이용한다. 이 예에서는 각 광원(3-1∼3-40)의 점등 ·소등 로테이션은 3월 단위로 전환되고 있고, 각 광원(3-1∼3-40)이 점등하는 기간을 양방향 화살표로 나타낸다. 또한, 도면에 있어서 횡축 하부에 나타낸 숫자는 각 기간에 있어서의 광원의 점등 개수를 나타낸다. 또, 종축 우측에 나타낸 숫자는 각 광원(3-1∼3-40)의 총점등월수를 나타낸다.

예를 들면, 장치 사용 개시로부터 3개월째까지의 제1 기간에 있어서는, 18개의 광원(3-1∼3-18)만을 점등하고, 다른 광원을 소등한다. 이어서, 3∼6개월째까지의 제2 기간에 있어서는, 점등하는 18개의 광원(3)의 조합을 광원(3-7∼3-24)으로 전환한다. 다음 6∼9개월째의 제3 기간에 있어서, 광원의 점등수를 20개로 하며, 또한 점등하는 광원의 조합을 광원(3-13∼3-32)으로 전환한다. 이와 같이, 자 외선 방사 효율이 좋은 방전등(31)을 사용하고 있기 때문에, 점등하는 광원수는 사용 초기시에 있어서 전체의 반수 이하(40개 중 18개)여도 필요 충분한 광량을 얻을 수 있고, 또한 광원의 점등수를 적절히 설정함으로써 광량 과다 현상을 적절하게 방지하고 있다. 또, 소정 기간 경과시에 점등하는 광원수를 증가시킴으로써, 광원의 경년 열화에 따른 광량 부족을 보상하고, 전체적인 광량을 소정 수준으로 유지할 수 있다. 이후, 기간 경과에 따라, 광원 점등수를 22, 24 …28개라는 방식으로 적당히 순차로 증가하며 또는 점등하는 광원의 조합을 적절하게 전환하도록 점등 ·소등 로테이션이 설정된다. 이렇게 적절하게 로테이션을 설정함으로써, 통년의 광 조사량이 소정 수준(범위)으로 유지되도록 제어할 수 있다.

도 8의 종축 우측에 나타낸 바와 같이, 합계 42개월의 운전 기간에 대하여, 각 광원(3-1∼3-40)의 총점등시간(월수)은 21∼24개월로 평준화되어 있다. 예를 들면 개개의 광원(3)의 교환 수명을 24개월로 설정했다 해도, 실제는 그 2배인 42개월의 기간으로 운전을 지속할 수 있는 것이 되고, 광원(3)으로서 사용하는 방전등(31)의 일괄 교환 시기는 실질적으로 42개월로 연장되어, 교환 보수유지의 수고 및 비용을 대폭 삭감할 수 있다.

도 9는 도 8의 점등 ·소등 로테이션으로 운전한 본 발명 장치에 있어서의 TOC 분해 처리 능력의 추이예를 실선으로 나타내고, 이것과의 비교를 위해, 종래 장치에 의한 TOC 분해 처리 능력의 추이예를 파선으로 나타내는 그래프이다. 도면에 있어서, 종축은 TOC 분해 처리 능력을 나타내고, 종래 장치의 TOC 분해 처리 능력의 초기치를 100%로 하며, 종래 장치의 1년 후의 처리 능력을 50%로 하고 있다. 전술한 대로, 종래 장치에 있어서는, 광원의 경년 열화를 고려하여, 소정 기간(예를 들면 1년) 경년한 시점에서의 처리 능력이 소정 요구 수준(도면에 나타내는 50%)을 확보하도록 설계되어 있기 때문에, 종래 장치는 점등 시간의 어린 시기에는 광량 과다가 된다. 이것에 대하여, 본 발명에 따르면, 사용 초기시에 있어서 광원의 점등수를 적절하게 설정하고, 또한 광원의 경년 열화에 의한 조도 저하 특성에 따라, 사용 기간 경과에 따라 적당히 점등수를 증가시키면서 점등 ·소등 로테이션을 전환함으로써, 사용 개시 직후로부터 상기 처리 능력의 요구 수준(50%)을 다소 상회하는 처리 능력(즉 소정 수준)을 대체로 유지하면서 3년간 이상 사용할 수 있는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명 장치의 실험 결과에 대해서 설명한다. 본 발명자들은 종래 장치와 비교하면서 1년간에 걸쳐, 본 발명 장치의 수중의 TOC 분해 실용 평가 시험을 행했다. 종래 장치는 1년간을 통해서 160W의 광원 40개를 전부 점등으로 사용하고, 본 발명 장치는 동일 와트의 광원을 도 8에 나타낸 점등 ·소등 로테이션으로 사용했다. 그 결과, 종래 장치의 처리수에서는 초기에 DO치의 상승이 보인 것에 대해서, 본 발명 장치를 이용한 처리수는 연간을 통해서 DO치의 상승이 없고, 또한 목표로 하는 TOC 분해 성능을 얻었다. 또, 요전의 본 발명 장치로 점등한 광원의 개수는 평균 19개로, 2만 8000kWH 남짓의 절전 효과를 얻었다. 한편, 3년간의 가동을 1사이클로서 시산한 경우는 종래 장치 40개 ×160W ×8500시간 ×3년에 대하여 평균 21.5개의 점등으로 족하기 때문에, 7만 5000kWH 남짓의 절전이 예상된다.

한편, 상술의 실시예에서는 도 2∼도 6에서 설명한 바와 같은 고효율의 방전등(31)을 광원(3)으로서 탑재한 예를 들었지만, 본 발명은 반드시 그러한 고성능의 광원에 한정하지 않고, 종래 공지의 통상 효율의 광원을 사용해도 좋다. 다시 말해, 사용시간과 함께 광량이 저하하는 광원을 사용하는 어떠한 타입의 광화학 처리 장치에 있어서도, 본 발명을 채용함으로써, 유효한 작용 ·효과를 발휘하는 것이다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면, 광 조사량을 소정 수준으로 제어하고, 의도하지 않은 광 반응을 제어함과 더불어, 에너지 절약 ·보수유지 절약 효과를 도모할 수 있다.

Claims (13)

1. 관체가 합성 석영 유리로 이루어진 방전등을 복수 구비하고, 상기 방전등으로부터의 자외선 조사에 의해 피조사체의 광화학 반응 처리를 행하는 광화학 반응 처리 장치로서, 상기 방전등의 점등을 제어하는 점등 제어 장치를 구비하고, 상기 피조사체에 대한 광 조사량을 제어함으로써, 과잉의 자외선 조사량에 의해서 생성되는 의도하지 않은 부생성물을 억제하도록 한 것을 특징으로 하는 광화학 반응 처리 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 방전등은 그 합성 석영 유리 관체가 내경 8㎜ 이상이고, 이 관체의 양단에 L(단위는 ㎝)의 간격으로 한 쌍의 필라멘트를 구비하고, 적량의 금속수은과 희소 가스를 봉입하는 방전등으로서, 상기 방전등을 0.4A∼1.4A의 램프 전류로 동작시키고, 점등시의 램프 전압 V[V], 램프 전류 I[A], 필라멘트간 거리 L(㎝), 방전로의 내경 D(㎜)에 대해, 다음의 관계식을 가지는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 처리 장치.

   (V-Vf)/L=X/(√D ·√I) 또한, 2.6 ≤X ≤4.2.

   (여기서, Vf는 점등 전원에 의존하는 정수 요인으로, 1㎑ 이상의 고주파 전원으로 점등한 경우는 Vf=10이며, 1㎑ 미만의 전원으로 점등한 경우는 Vf=50으로 한다.)
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 점등 제어 장치는, 점등하는 방전등의 수 또는 조광을 제어함으로써, 상기 피조사체에 대한 자외선 조사량을 소정의 수준으로 제어하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 처리 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 점등 제어 장치는, 점등하는 방전등의 수 또는 조광을 사용 시간 경과에 따라 제어하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 처리 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 방전등 중 일부의 방전등을 점등 혹은 조광 점등하고, 점등 혹은 조광 점등하는 방전등의 조합을 순차 전환함으로써, 자외선 조사량을 소정 수준으로 제어하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 처리 장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 방전등의 경시적 조도 저하 특성을 기초로, 사용시간 경과에 따라, 점등 혹은 조광 점등하는 방전등 수와 소등하는 방전등 수의 비율을 변경시키는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 처리 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 점등 혹은 조광 점등하는 방전등의 조합 및 전환 시기 및 상기 사용시간 경과에 따른 점등 혹은 조광 점등 방전등 수와 소등 방전등 수의 상기 비율의 변경 형태를 장치의 운전 개시 전에 미리 설정하고, 이 설정에 따라서 점등 혹은 조광 점등하는 방전등을 시간 경과에 따라 제어하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 처리 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 설정 내용은 운전 개시 후에 수정 가능한 것을 특징으로 하는 광화학 반응 처리 장치.
9. 제1항 또는 제2항 기재의 장치를 이용하여, 방전등으로부터 빛을 조사하여, 피조사체에 대하여 광화학 반응 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 처리 방법.
10. 제1항 또는 제2항 기재의 장치를 이용하여, 점등 혹은 조광 점등시키는 방전등과 소등시키는 방전등의 비율의 변경이나, 점등 혹은 조광 점등시키는 방전등의 로테이션에 의해, 방전등의 일제 교환기간을 연장시키는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 처리 방법.
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