KR101127911B1

KR101127911B1 - 원심 분리 장치

Info

Publication number: KR101127911B1
Application number: KR1020050008117A
Authority: KR
Inventors: 안명호; 홍덕영
Original assignee: 삼성코닝정밀소재 주식회사
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2012-03-21
Also published as: KR20060087197A

Abstract

원심 분리시 수율을 향상시킬 수 있는 원심 분리 장치가 제공된다. 원심 분리 장치는 회전축을 중심으로 회전하는 원통부; 고체 입자들이 분산된 용액이 수용되도록 상기 원통부의 둘레에 소정 거리로 이격되어 위치하는 외벽부; 상기 용액에서 분리하고자 하는 입경을 가지는 고체 입자들이 배출되도록 상기 원통부 둘레에 형성되는 배출구를 포함하며, 상기 회전축으로부터 상기 배출구 외측까지의 거리가 상기 회전축으로부터 상기 외벽부까지의 거리의 70% 이상으로 이루어진다.

원심 분리, 잔류 확률, 수율

Description

원심 분리 장치{A centrifugal separator}

도 1은 본 발명에 적용되는 자연 침강법이 도시된 개략도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원심 분리 장치가 도시된 사시도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원심 분리 장치에서 용액의 두께에 따른 잔류 확률이 도시된 그래프.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

110: 회전축 120: 원통부

130: 외벽부 140: 노즐

150: 배출구

본 발명은 원심 분리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원심 분리시 수율을 향상시킬 수 있는 원심 분리 장치에 관한 것이다.

침강 분리법은 자연 침강법과 원심분리법을 통칭하는 것으로 산업 전반에 널리 사용되고 있다. 이러한 침강 분리법은 다시 밀도차에 의한 분리 방법과 침강 속도차에 의한 분리 방법으로 나뉘어진다.

이때, 밀도차에 의한 분리 방법은 액상-액상, 액상-고상 등과 같이 각 구성물의 밀도가 서로 다를 때 밀도가 큰 구성물을 중력 가속도(예를 들어, 자연 침강법 등)나 원심 가속도(예를 들어, 원심 분리법 등) 방향으로 이동시켜 구성물을 분리하게 된다. 또한, 침강 속도차에 의한 분리 방법은 액상에 분산된 고체 입자(이하, '입자'라 함)들이 크기에 따라 침강 속도가 다른 것을 이용하여 소정 크기보다 큰 입자들만 선택적으로 제거하기 위해 사용된다.

이와 같이 침강 속도차에 의한 분리 방법은 소정 크기보다 큰 입자를 제거할 경우, 제거하고자 하는 입자의 최소 크기(이하, '절사입경'이라 함)를 가지는 입자의 침강 속도를 계산하고, 절사 입경 입자가 입자들이 분산되어 있는 용액의 상부로부터 하부까지 이동하는데 소요되는 시간동안 침강시키게 된다. 이때, 절사 입경 입자보다 크기가 큰 입자들은 절사 입경 입자보다 크기가 작은 입자에 비하여 침강 속도가 빠르기 때문에 절사 입경보다 큰 입자들을 제거할 수 있게 된다.

한편, 절사 입경 입자보다 큰 입자들이 침강된 침강층에 인접한 입자들은 그 크기가 절사 입경 입자보다 작은 경우에도 절사 입경 입자들과 함께 제거되는 경우가 발생하는데, 이와 같이 절사 입경보다 크기가 작은 입자들이 제거되어 분리하고자 하는 입자들에 대한 수율이 감소하게 된다.

이때, 용액에 분산되어 있는 입자들을 인위적인 원심 가속도로 침강 속도를 가속시키는 원심 분리법은 자연 침강법에 비하여 그 처리 속도는 월등하나 낮은 수율을 가지게 된다. 이는 원심 분리법에서는 중력 가속도 보다 높은 원심 가속도로 입자의 침강 속도를 가속시키게 되고, 이로 인해 절사 입경 입자보다 작은 입자의 침강 속도가 자연 침강법에 비하여 높아지게 되므로 절사 입경 입자들과 더불어 함께 제거되는 입자들이 증가하기 때문이다. 따라서, 원심 분리법과 같이 빠른 처리 속도를 유지하면서도 높은 수율을 보장할 수 있는 방안이 요구되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 원심 분리법을 사용하여 절사 입경 입자보다 큰 입자를 제거할 경우, 빠른 처리 속도와 아울러 높은 수율을 보장할 수 있는 원심 분리 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 원심 분리 장치는, 회전축을 중심으로 회전하는 원통부; 고체 입자들이 분산된 용액이 수용되도록 상기 원통부의 둘레에 소정 거리로 이격되어 위치하는 외벽부; 상기 용액에서 분리하고자 하는 입경을 가지는 고체 입자들이 배출되도록 상기 원통부 둘레에 형성되는 배출구를 포함하며, 상기 회전축으로부터의 상기 배출구 외측까지의 거리가 상기 회전축으로부터 상기 외벽부까지의 거리의 70% 이상으로 이루어진다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이때, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 자연 침강법에서 용액에 분산되어 있는 입자들을 침강 분리시 절사 입경 입자보다 작은 입자가 용액에 잔류할 잔류 확률에 대하여 먼저 살펴보기로 한다.

침강 분리법에서 소정 크기의 입자가 침강되지 않고 용액에 잔류할 확률은 입자의 크기에 의존하게 된다. 구체적으로, 입자의 크기를 d라 하고, 침강 분리 후 용액에 잔류하게 될 확률을 P(d)라 하며, 제거하고자 하는 입자의 절사 입경을 dc라 할 경우, 입자가 침강 분리후 용액에 잔류할 잔류 확률 P(d)는 식 1과 같다.

[식 1]

P(d) = 0 (d

dc)

0< P(d) <1 (d < dc)

이와 같이, 절사 입경보다 큰 입자를 침강 분리법을 통해 분리할 경우, 용액에 잔류할 확률은 0이라고 볼수 있다. 이때, 절사 입경보다 큰 입자가 침강된 침강층과 인접한 위치에 있는 입자들은 절사 입경보다 작은 경우에도 절사 입경 입자와 함께 침강되어 제거되는 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 절사 입경 입자보다 작은 입자가 제거되는 확률을 감소시킬수록 침강 분리법에 의한 수율은 증가할 수 있게 된다.

구체적으로, 도 1과 같이, 입자들이 분산되어 있는 용액의 높이를 h인 경우, 입자가 용액의 하부까지 침강하는데 소요되는 침강 시간을 t라 하고, 침강 시간동안 용액의 상부로부터 입자가 이동한 거리를 x라 하면, 입자가 침강되지 않고 용액에 잔류할 잔류 확률 P(d)는 식 2와 같다.

[식 2]

P(d)=(h-x)/h

자연 침강법의 경우, 입자의 침강 속도 v(d)는 입자의 입경인 d의 제곱에 비례하며, 용액내에서 입자의 위치에 따른 침강 속도 차이는 발생하지 않게 된다. 따라서, 침강 속도 v(d)는 v(d) = a*d² 가 되고, 입경이 dc인 입자가 h의 거리를 침강하는데 소요되는 침강 시간 tc는 tc = h/v(dc) 가 될 수 있다. 또한, 입경이 d인 입자가 tc동안 침강하는 거리 x는 x = v(d)*tc 가 될 수 있다.

이때, 전술한 식 2의 잔류 확률 P(d)에서 x를 v(d)*tc로 대체하고, tc를 h/v(dc)로 대체하게 되면, 입자가 잔류할 잔류 확률 P(d)는 식 3과 같다.

[식 3]

P(d) = (h-x)/h

= (h-(v(d)*tc))/h

= (h-(v(d)*(h/v(dc)))/h

= 1-(v(d)/v(dc))

= 1-(d/dc)²

이와 같이, 자연 침강법에서는 입자의 잔류 확률 P(d)가 입자의 입경에 대한 이차 곡선을 나타나게 된다.

한편, 원심 분리법의 경우, 입자의 침강 속도는 입자의 크기뿐만 아니라 용액내의 위치에 의해 달라지게 된다. 다시 말해서, 원심 분리법은 중력 가속도가 일정하게 유지되는 자연 침강법에 비해 입자의 침강 속도가 회전축으로부터의 거리에 비례하여 증가하기 때문이다. 이와 같이, 입자들의 침강 속도가 회전축으로부터의 거리에 따라 다르기 때문에 원심 분리법은 자연 분리법보다 수율이 낮아지게 된다.

본 발명의 실시예에서는 원심 분리법의 빠른 처리 속도는 유지하면서 자연 침강법에 근접하는 수율을 얻기 위한 원심 분리 장치에 관한 것으로서, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원심 분리 장치가 도시된 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원심 분리 장치(100)는 소정의 회전축(110)을 중심으로 회전하는 원통부(120)와, 원통부(120)와 소정 거리로 이격되게 위치되어 그 사이에 입자들의 분산된 용액이 주입될 수 있는 외벽부(130)와, 원통부(120)와 외벽부(130) 사이에 용액을 주입하는 노즐(140)과, 원통부(120) 둘레에 형성되어 원심 분리시 소정의 입경에 비하여 작은 고체 입자들이 배출시키는 적어도 하나 이상의 배출구(150)를 포함할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어 중 회전축(110)으로부터 원통부(120) 둘레에 형성된 배출구(150) 외측까지의 거리를 ri라 하고, 회전축(110)으로부터 외벽부(130)까지의 거리를 ro라 하며, ro-ri를 이격 거리(h)라 칭하기로 한다. 또한, 용액내에 분산되어 있는 입자가 침강되는 방향을 상측으로 하여, 입자가 이동한 거리를 x라 칭하기로 한다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어 중 회전축(110)으로부터 가장 멀리 떨어진 배출구(150)의 소정 부분을 배출구(150) 외측이라 칭하기로 한다.

배출구(150) 원심 분리법에서는 입자의 침강 속도는 입자의 입경과 위치에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 원심 분리법에서 입자가 소정 시간동안 침강한 거리 x는 식4와 같다.

[식 4]

x = v dt = vo * (ro-x)/ro dt

식 4에서 vo는 입자가 외벽부(130)에 위치할때의 침강 속도이며, 입자가 원통부(120)에 근접할수록 입자의 속도는 외벽부(130)부터 멀어지는 거리에 비례하여 낮아지게 된다. 이는 원심 가속도가 회전축(110)으로부터의 거리에 비례하기 때문이다. 또한, 식 4은 1/(ro-x) dx = vo/ro dt로 정리될 수 있다.

이때, 전술한 식 4의 좌변을 0에서 x까지 적분하고, 우변을 0부터 t까지 적분하게 되면 소정 시간(t)동안 입자가 침강한 거리 x를 구할 수 있으며, 이러한 x는 식 5와 같다.

[식 5]

x = ro(1-exp(-vo/ro*t)

이때, 잔류 확률 P(d)는 전술한 자연 침강법과 마찬가지로 P(d)=(h-x)/h로 구해질 수 있으며, x를 전술한 식5로 대체하면, 식 6과 같은 잔류 확률을 구할 수 있다.

[식 6]

P(d) = (h-x)/h

= (ro-ri-x)/(ro-ri)

= (ro-ri-ro+exp(-vo/ro*t))/(ro-ri)

= (exp(-vo/ro*t)-(ri/ro))/(1-(ri/ro))

이때, ri/ro를 R이라 하면, 잔류 확률 P(d)는 P(d) = (exp(-vo/ro*t)-R)/(1-R)이 될 수 있다. R은 본 발명의 실시예에 따른 원심 분리 장치(100)에서 회전축(110)으로부터 원통부(120) 둘레에 형성된 배출구(150) 외측까지의 거리에 대한 회전축(110)으로부터 외벽부(130)까지의 거리의 비로 이해될 수 있다. 이때, 일반적으로 처리 속도만을 고려한 원심 분리 장치에서 R은 0.7 미만의 값을 가지게 된다.

한편, 입자가 침강되는 소요되는 시간 t는 전술한 식 5로부터 구해질 수 있으며, 구해진 t는 식 7과 같다.

[식 7]

t = ro/vc ln(ro/ri)

이때, 식 7에서 vc는 절사 입경 dc를 가지는 입자가 외벽부(130)에서의 침강 속도를 의미한다.

따라서, 전술한 식 7을 전술한 식 6에 대입하면, 잔류 확률 P(d)는 식 8과 같다.

[식 8]

P(d) = (R^-vo/vc - R)/(1 - R)

= (

- R)/(1 - R)

전술한 식 8에서 R을 변경시킨 경우, 각 R에 대한 잔류 확률 및 자연 침강법의 잔류 확률과의 차이는 표 1과 같다.

[표 1]

표 1과 같이, R이 0.5인 경우에 비하여 R=0.7인 경우 잔류 확률이 자연 침강법의 잔류 확률에 근접하는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 용액에 잔류하는 입자의 크기(d)에 대한 배출구(150)로 배출될 수 있는 최소 크기의 입자(절사 입경(dc))에 대한 비인 d/dc 이 0.30 내지0.85인 경우, R=0.5일 때 자연 침강법의 잔류 확률과의 차이에 비하여 R=0.7일 때 자연 침강법의 잔류 확률과의 차이가 절반가량 증가한 것을 알 수 있다. 따라서, 회전축(110)으로부터 원통부(120) 둘레에 형성된 배출구(150) 외측까지의 거리와 회전축(110)으로부터 외벽부(120)까지의 거리의 관계가 잔류 확률 P(d)를 결정하는데 중요한 설계 변수가 된다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 자연 침강법에서 전술한 d/dc에 대한 잔류 확률에 대해서, R이 0.7 이상인 경우의 잔류 확률이 근접하게 되는 것을 알 수 있다. 이때, R이 1인 경우, 배출구(150) 외측과 외벽부(130)가 이격된 거리가 너무 얇아지게 되어 용액의 입출시, 큰 입자의 재분산을 방지하기 위해 처리 속도를 늦춰야 하기 때문에 R은 0.7 이상 0.98미만인 경우가 바람직하다.

다시 말해서, 배출구(150) 외측과 외벽부(130)의 거리가 너무 얇아지게 되면, 절사 입경보다 작은 입자도 배출구(150)를 통해 배출될 수 있기 때문에 잔류 확률 P(d)가 감소하게 된다.

표 2는 본 발명의 실시예에 따라 반도체 공정 중 층간연마(CMP)에서의 원심 분리법을 사용한 경우의 예를 도시하고 있다.

[표 2]

표 2와 같이, 본 발명의 실시예에서는 반도체 공정 중 층간연마에서 사용되는 평균 입경 0.28um의 산화세륨 슬러리를 0.5um의 절사 조건으로 자연 침강법 및 원심 분리법을 사용하여 큰 입자를 제거한 경우을 살펴보기로 한다.

R이 클 경우(R=0.70)의 원심 분리법이 상대적으로 R이 작은 경우(R=0.27)의 원심 분리법에 비하여 자연 침강법에 근접한 잔류 확률을 가지게 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 처리 속도는 자연 침강법에 비하여 빠르고 잔류 확률 또한 자연 침강법과 근접하게 되는 것을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 원심 분리 장치를 예시된 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않으며 그 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

상기한 바와 같은 본 발명의 원심 분리 장치에 따르면, 자연 침강법에 비하여 높은 처리 속도를 유지하면서도 자연 침강법에 근접한 높은 수율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims

회전축을 중심으로 회전하는 원통부;

고체 입자들이 분산된 용액이 수용되도록 상기 원통부의 둘레에 소정 거리로 이격되어 위치하는 외벽부; 및

상기 용액에서 분리하고자 하는 입경을 가지는 고체 입자들이 배출되도록 상기 원통부 상부 둘레에 형성되는 배출구를 포함하고,

상기 배출구는 상기 회전축으로부터 배출구 외측까지의 거리가 상기 회전축으로부터 상기 외벽부까지의 거리의 70% 이상 98% 미만인 것을 특징으로 하는 원심 분리 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 용액에 잔류시키려는 고체 입자의 잔류 확률 P(d)는
를 통해 구해지고, 상기 P(d)는 입경이 d인 입자의 잔류 확률, 상기 R은 상기 배출구로부터 상기 외벽부까지의 거리에 대한 상기 회전축으로부터 상기 외벽부까지의 거리의 비, 상기 d는 상기 용액에 잔류 시키려는 입자의 입경, 상기 dc는 상기 배출구를 통해 배출시키려는 입자의 절사 입경인 원심 분리 장치.