KR101470560B1

KR101470560B1 - 드라이아이스 분사 세정 장치

Info

Publication number: KR101470560B1
Application number: KR1020120158372A
Authority: KR
Inventors: 박선순; 이해룡; 최용남
Original assignee: 주식회사 다원시스
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2014-12-10
Also published as: KR20140087760A

Abstract

본 발명은 드라이아이스 분사 세정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 드라이아이스 분사 입자의 크기를 조절할 수 있는 분사 세정 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 드라이 아이스 분사 세정 장치는, 액체 이산화탄소 공급원과, 캐리어 가스 공급원과, 상기 캐리어 가스 공급원에 연결되어 공급되는 캐리어 가스를 가열하여 배출시키기 위한 가열수단과, 상기 액체 이산화탄소 공급원에 연결된 제1 유입구와, 상기 가열수단의 캐리어 가스 배출구에 연결된 제2 유입구와, 유출구를 구비한 분사노즐을 포함한다. 또한, 상기 분사노즐은 제1 유입구로 공급된 액체 이산화탄소를 감압과 동시에 단열 팽창되도록 하여 드라이아이스로 변화되도록 하고, 제2 유입구로 공급된 캐리어 가스와 혼합되어 배출구로 분사하도록 구성되어 있다. 상기 캐리어 가스는 질소 또는 공기를 사용할 수 있다. 상기 가열수단은 전열 히터나 연료를 사용하는 버너 등 열에너지를 캐리어 가스에 공급하기 위한 수단은 어느 것이나 가능하다.

Description

드라이아이스 분사 세정 장치{DRYICE INJECTION CLEANING DEVICE}

본 발명은 드라이아이스 분사 세정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 드라이아이스 분사 입자의 크기를 조절할 수 있는 분사 세정 장치에 관한 것이다.

반도체 기판, 광학 부품, 수지 성형품 등 피처리 대상물의 표면에 붙어 있는 미물질을 제거하기 위한 드라이아이스 분사 세정 장치가 사용되고 있다.

종래의 드라이아이스 분사 세정 장치는 펠렛(pellet) 형태의 드라이아이스를 압축 공기와 함께 분사 노즐로부터 분사시키거나, CO2 가스로 스노우 드라이아이스를 형성해서 분사 노즐로부터 분사시키는 장치가 사용되고 있다. 펠렛 형태의 드라이아이스를 분사하여 세정하기 위한 장치는 드라이아이스를 펠렛 형태로 분쇄하여 투입하는 작업이 필요하여 공정이 복잡하고, 비교적 크기가 큰 펠렛 형태의 드라이아이스를 분사시키기 때문에 세정 대상물 표면이 얼어버리거나, 결로가 생기거나, 세정 대상물의 표면이 충격으로 손상되는 문제점이 있다. 또한, 스노우 드라이아이스를 분사하여 세정하는 장치도 공정이 복장하고 입자가 부드럽기 때문에 충분한 세정효과를 얻지 못한다는 결점이 있다.

세정 대상물이나 세정 대상물의 표면에 부착된 이물질의 상태에 따라서, 세정에 적당한 입자 크기를 갖는 드라이아이스를 간편하게 생성하여 분사할 수 있는 세정 장치의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 액체 상태의 이산화탄소와 캐리어 가스를 분사노즐에 공급하여, 분사 노즐에서 원하는 크기를 갖는 드라이아이스를 생성하고, 캐리어 가스와 함께 분사하여 대상물 표면을 세정할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 드라이 아이스 분사 세정 장치는, 액체 이산화탄소 공급원과, 캐리어 가스 공급원과, 상기 캐리어 가스 공급원에 연결되어 공급되는 캐리어 가스를 가열하여 배출시키기 위한 가열수단과, 상기 액체 이산화탄소 공급원에 연결된 제1 유입구와, 상기 가열수단의 캐리어 가스 배출구에 연결된 제2 유입구와, 유출구를 구비한 분사노즐을 포함한다. 또한, 상기 분사노즐은 제1 유입구로 공급된 액체 이산화탄소를 감압과 동시에 단열 팽창되도록 하여 드라이아이스로 변화되도록 하고, 제2 유입구로 공급된 캐리어 가스와 혼합되어 배출구로 분사하도록 구성되어 있다. 상기 캐리어 가스는 질소 또는 공기를 사용할 수 있다. 상기 가열수단은 전열 히터나 연료를 사용하는 버너 등 열에너지를 캐리어 가스에 공급하기 위한 수단은 어느 것이나 가능하다.

상기 분사노즐은, 제1 유입구로 공급된 액체 이산화탄소를 드라이아이스로 변화시키는 드라이아이스 생성공간과, 제2 유입구로 공급된 캐리어 가스와 드라이아이스를 혼합하여 배출구로 배출시키는 혼합공간을 포함한다. 또한, 상기 혼합공간은 배출구를 향하여 체적이 감소하도록 형성되어 있고, 상기 제2 유입구는 상기 드라이아이스 생성공간을 통과하여 상기 혼합공간까지 분사노즐 내부로 연장되도록 하는 것이 바람직하다.

제1 유입구를 통하여 드라이아이스 생성공간으로 공급된 액체 상태의 이산화탄소는 압력이 강하되어 기체로 변화하고 동시에 단열 팽창되어 드라이아이스로 변화된다. 드라이아이스 생성공간에서 형성된 드라이아이스는 캐리어 가스와 혼합되어 배출구로 배출된다. 세정에 적당한 드라이아이스는 세정 대상물의 표면을 얼리거나 손상시킬 정도로 지나치게 크지 않고, 세정 효과를 얻을 수 없을 정도로 지나치게 작지 않은 입자의 크기여야 한다. 분사노즐에서 배출되는 혼합 가스에는 드라이아이스와 이산화탄소 가스와 캐리어 가스가 혼합되어 있다. 가열수단은 분사노즐로 배출되는 혼합 가스의 온도가 20 내지 40 ℃ 범위가 되도록 캐리어 가스를 가열하는 것이 바람직하다. 분사노즐로 배출되는 혼합가스의 온도가 상기 범위에 있는 경우에, 세정에 적당한 입자의 드라이아이스가 노즐 내에서 생성되어 분사된다. 또한, 상기 캐리어 가스가 공기인 경우, 캐리어 가스 공급수단에서 분사노즐로 공급되는 공기의 압력은 4 - 8 kgf/㎠ 범위인 것이 바람직하다.

또한, 상기 분사노즐은, 일단이 제2 유입구와 연결되어 내부에 설치된 캐리어 가스 유도관을 더 포함하고, 상기 캐리어 가스 유도관의 타단은 상기 배출구를 향하도록 배치되어 있고, 상기 제1 유입구는 분사노즐의 측면에 배치되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 캐리어 가스 유도관의 직경이 상기 배출구의 직경보다 작게 형성하는 것이 바람직하다. 배출구로 배출되는 혼합가스의 중심에 캐리어 가스가 배치되어, 가열된 캐리어 가스가 중심에서 드라이아이스와 이산화탄소 가스를 적당한 온도로 가열하여 드라이아이스의 입자크기를 조절하게 된다.

본 발명에 따른 드라이아이스 분사 세정 장치는, 액체 이산화탄소로 드라이아이스를 생성하고 생성된 드라이아이스를 가열된 캐리어 가스와 혼합하여 분사되도록 한다. 또한, 캐리어 가스를 가열하여 분사되는 드라이아이스 입자의 크기를 조절할 수 있어서, 세정 대상물이나 세정 대상물의 표면에 부착된 이물질의 상태에 따라서, 세정에 적당한 입자 크기를 갖는 드라이아이스를 간편하게 생성하여 분사할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 드라이아이스 분사 세정 장치를 사용하여 세정을 하면 세정 대상물의 표면이 얼거나 결로되는 현상을 방지할 수 있다.

도 1은 이산화탄소의 위상 다이어그램
도 2는 드라이아이스를 이용한 기판의 세정 작용 설명도
도 3은 본 발명에 따른 드라이아이스 분사 세정 장치의 일 실시 예의 개략도
도 4는 분사 노즐의 일 실시예의 개략도

본 발명의 목적과 특징은, 다음의 설명과 첨부된 도면을 참조하면 보다 분명히 이해될 것이다. 도면은 오로지 실시예를 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호 범위를 한정하는 것은 아니다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

일반적으로, 물질은 온도와 압력 조건에 따라 고체, 액체, 기체 중의 한가지 상태일 수 있다. 예를 들면, 일정한 온도에서 압력이 증가할 경우, 기체는 일반적으로 액화되고, 액체는 고체로 될 수 있다. 어떤 물질의 온도와 압력 조건에 따른 물질의 고체. 액체. 기체와 같은 상태를 나타낸 것을 위상 다이어그램이라고 한다.

도 1은 이산화탄소의 위상 다이어 그램이다. 도 1에 도시된 것과 같이, 이산화탄소는 -56.6 ℃, 5.11 atm에서 고체, 액체, 기체가 동시에 존재할 수 있는 상태가 되고(삼중점), 73.8 atm에서 31.1 ℃ 이상에서는 압력의 변화에 상관없이 액화되지 않는 초임계 상태(supercritical state)가 된다(임계온도, critical temperature). 위상 다이어그램에서, 이러한 초임계 상태가 시작되는 최소의 온도와 압력을 임계점(critical point)이라고 한다. 또한, 대기압 상태에서 고체 상태의 이산화탄소(드라이아이스)는 -78.5 ℃ 이상이 되면 바로 기체로 변화하는 승화 현상이 일어 난다.

본 발명은 상기와 같이, 드라이아이스가 기체로 승화하는 현상을 이용하여 대상물의 표면을 세정하는 장치에 관한 것이다. 도 2는 드라이아이스를 이용한 기판의 세정 작용 설명도이다. 웨이퍼나 유리판과 같은 도 2 (a)에 도시된 것과 같이, 기판(1)의 표면에 부착된 이물질(2)에 부착되어 있는 경우, 기판(1)의 표면에 드라이아이스 입자(3)를 분사한다. 드라이아이스 입자(3)는 이물질(2)과 충돌하여 드라이아이스 입자(3)의 운동량이 이물질(2)로 전이되어, 이물질(2)은 기판(1)에서 분리되고 드라이아이스 입자(3)가 기판(1)에 부착되게 된다. 이러한 작용이 일어나기 위하여는 드라이아이스의 입자의 운동량(드라이아이스 입자의 분사 속도와 드라이아이스 입자의 질량의 곱)이 기판에 부착된 이물질을 분리시킬 정도로 충분히 커야 한다. 효과적인 세정을 위하여 드라이아이스의 입자의 크기가 이물질의 크기와 비슷한 것이 바람직하다. 기판(1)에 부착된 드라이아이스 입자(3)는 승화하여 기체가 되어 날라가기 때문에 기판(1)을 재오염 시키지 않고 세정을 하게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 드라이아이스 분사 세정 장치의 일 실시 예의 개략도이고, 도 4는 분사 노즐의 일 실시예의 개략도이다.

본 실시예의 드라이아이스 분사 세정 장치(100)는, 분사노즐(30)에 액체 상태의 이산화탄소(CO2)를 공급하고 온도와 압력을 적당히 조절하여 고체 상태의 드라이아이스가 생성되도록 하여 분사하는 장치이다. 분사세정장치(100)는, 액체 이산화탄소 공급원(10)과, 캐리어 가스 공급원(40)을 포함한다. 액체 이산화탄소 공급원(10)에는 배출되는 액체 이산화탄소의 압력과 유량을 조절하기 위한 버퍼탱크(20)가 배관(b1)으로 연결되어 있고, 버퍼 탱크(20)는 배관(b2)으로 분사노즐(30)에 연결되어 있다. 캐리어 가스 공급원(40)에는 배출되는 캐리어 가스를 가열하여 분사노즐(30)로 공급되는 캐리어 가스의 온도를 조절하기 위한 가열수단(50)이 연결되어 있다. 배관(a1)을 통하여 가열수단(50)에 공급된 캐리어 가스는 가열되어 배관(a2)을 통하여 분사노즐(30)로 공급된다.

캐리어 가스는 정화된 공기(clean dry air)를 사용하는 것이 바람직하나, 질소, 아르곤, 헬륨 등의 가스를 사용할 수도 있다. 가열 수단(50)은 전열히터나 연료를 사용하는 버너 등을 사용할 수 있다. 배관들(a1, b1, b2)에는 각각 밸브들(12, 22, 42)이 설치되어 공급되는 액체 이산화탄소나 캐리어 가스의 유량과 압력을 조절하도록 되어 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 필요에 따라서 압력 조절 밸브나 유량 조절 밸브를 추가로 설치할 수 있다. 또한, 분사세정장치(100)는 밸브들(12, 22, 42)과 가열수단(50)을 제어하기 위한 제어유닛(60)을 포함한다.

도 4을 참조하면, 분사노즐(30)은 하우징(31)과, 하우징의 내부에 설치된 캐리어 가스 유도관(35)을 포함한다. 하우징(31)에는 제1 유입구(32)와, 제2 유입구(33)와, 배출구(34)가 형성되어 있다. 또한, 제1 유입구(32)는 액체 이산화탄소가 유입되도록 배관(b2)에 연결되어 있고, 제2 유입구(33)는 캐리어 가스가 유입되도록 배관(a2)에 연결되어 있다. 캐리어 가스 유도관(35)의 일단은 제2 유입구와 연결되어 캐리어 가스를 하우징(31)의 배출구(34)에 인접한 하우징 내부로 직접 공급되도록 한다. 또한, 도시된 것과 같이, 배출구(34)와 제2 유입구(33)는 동일한 축 선에 정렬되도록 배치되어 있고, 캐리어 가스 유도관의 타단은 배출구(34)의 근방에서 분출되는 캐리어 가스가 배출구를 향하도록 배치되어 있다. 또한, 상기 제1 유입구(32)는 분사노즐(30) 하우징(31)의 측면에 형성되어 있다.

하우징(31)은 드라이아이스 생성공간(36)과 혼합공간(38)으로 구분된다. 드라이아이스 생성공간(36)은 제1 유입구(32)로 유입된 액체 이산화탄소가 캐리어 가스와 혼합되기 전까지의 공간 즉, 제1 유입구와 연통되고 캐리어 가스 유도관(35)의 타단까지 걸치는 하우징(31) 내부 영역(점선으로 구분)이다. 혼합공간(38)은 캐리어 가스유도관(35)의 단부로부터 배출구(34)까지 걸치는 하우징(31)의 내부 영역이다. 하우징(31)의 혼합공간(38)은 배출구(34)를 향하여 연장되고, 배출구(34)를 향하는 방향으로 체적이 감소하도록 테이퍼가 형성되어 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 드라이아이스 분사세정장치(100)의 작용에 대하여 설명한다.

분사노즐(30)의 제1 유입구(32)로 삼중정 이상의 온도와 압력 상태에서 유입된 액체 이산화탄소는 드라이아이스 생성공간(36)에서 압력이 강하되어 기체로 변화한다. 기체로 변화한 이산화탄소 가스는 드라이아이스 생성공간에서 단열 팽창되면서 드라이아이스로 상변화를 한다. 즉, 드라이아이스 생성공간에는 기체 상태의 이산화탄소와 고체 상태의 드라이아이스가 동시에 존재한다.

한편, 가열수단(50)에서 가열되어 제2 유입구로 유입된 캐리어 가스는 혼합공간(38)에서 고체 상태의 드라이아이스와 기체 상태의 이산화탄소 가스와 혼합되어 배출구(34)로 배출된다. 제어유닛(60)은 캐리어 가스의 공급압력을 조절하여 드라이아이스 생성공간(36)의 압력이 삼중점 압력 이하가 되도록 조절한다. 몇몇 실시예에서, 분사노즐(30)에는 드라이아이스 생성공간(36)의 압력을 측정하기 위한 압력 센서를 추가로 설치할 수 있다. 가열된 캐리어 가스는 드라이아이스를 가속하여 분사시키면서 동시에 드라이아이스와 이산화탄소를 가열하여 배출되는 드라이아이스 입자의 크기와 이산화탄소 가스의 온도를 조절하게 된다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 분사 세정장치에 있어서, 분사노즐(30)의 배출구(34)로 젯트 형태로 분사되어 배출되는 혼합가스(드라이아이스와 이산화탄소와 공기의 혼합물)의 중심 코어 부분에는 가열된 고온의 캐리어 가스가 주로 분포하므로 온도가 높고 드라이아이스의 입자의 크기가 작고, 가장자리 부분은 온도가 낮고 입자의 크기가 중심 코어 부분의 입자에 비하여 큰 입자가 분포한다. 따라서, 기판에 표면에 부착된 다양한 크기의 이물질을 세정할 수 있다.

본 발명에 따른 드라이아이스 분사세정장치(100)를 사용하여 다음과 같은 조건으로 유리 기판에 대한 세정 실험을 실시하였다. 실험에서, 액체 이산화탄소 공급압력이나 유량 및 공기 공급압력이나 유량은 세정 대상물의 세정 면적에 따라서 분사노즐의 형상과 크기를 선택하고, 분사노즐의 드라이아시스 생성공간의 압력이 삼중점 압력 이하가 되도록 반복적인 실험을 통하여 적당히 선택하였다.

가. 액체 이산화탄소 공급압력 : 6 atm

나. 공기 공급압력 : 7 atm

다. 공기 공급 온도에 따른 세정 효과

실시예	유입구 공기온도(℃)	배출구 혼합가스 온도(℃)	세정효과	결로발생
1	20	10	X	O
2	50	12	△	O
3	100	17	O	O
4	150	23	◎	△
5	200	32	◎	X
6	250	38	◎	X

상기와 같은 세정 실험에서 알 수 있는 바와 같이, 공급되는 액체 이산화탄소의 양에 대하여 배출구로 배출되는 혼합 가스의 온도가 20 - 40 ℃의 범위가 되도록 캐리에 가스인 공기를 가열하면, 세정 대상물인 유리 기판의 표면에 결로가 생기는 것을 방지하면서 동시에 우수한 세정효과를 얻을 수 있었다.

10 액체 이산화탄소 공급원
20 버퍼탱크
30 분사노즐
40 캐리어 가스 공급원
50 가열수단
60 제어유닛

Claims

액체 이산화탄소 공급원과,
캐리어 가스 공급원과,
상기 캐리어 가스 공급원에 연결되어 공급되는 캐리어 가스를 가열하여 배출시키기 위한 가열수단과,
상기 액체 이산화탄소 공급원에 연결된 제1 유입구와, 상기 가열수단의 캐리어 가스 배출구에 연결된 제2 유입구와, 유출구를 구비한 분사노즐을 포함하고,
상기 분사노즐은, 제1 유입구로 공급된 액체 이산화탄소를 감압과 동시에 단열팽창되도록 하여 드라이아이스로 변화시키는 드라이아이스 생성공간과, 제2 유입구로 공급된 캐리어 가스와 드라이아이스를 혼합하여 유출구로 배출시키는 혼합공간을 포함하고, 상기 혼합공간은 유출구를 향하여 체적이 감소하도록 형성되어 있고,
일단이 제2 유입구와 연결되어 상기 드라이아이스 생성공간을 통과하도록 배치되고, 타단이 상기 혼합공간까지 연장된 캐리어 가스 유도관을 포함하는 드라이아이스 분사 세정 장치.
제1항에 있어서,
상기 캐리어 가스는 공기이고,
상기 가열수단은, 분사노즐로 배출되는 이산화탄소 가스와 공기의 혼합 가스의 온도가 20 내지 40 ℃ 범위가 되도록 공기를 가열하도록 구성된 드라이아이스 분사 세정 장치.
제2항에 있어서,
상기 캐리어 가스 공급수단에서 분사노즐로 공급되는 공기의 압력은 4 - 8 kgf/㎠ 범위인 드라이아이스 분사 세정 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 유입구는 분사노즐의 측면에 배치된 드라이아이스 분사 세정 장치.
제4항에 있어서,
상기 캐리어 가스 유도관의 직경이 상기 유출구의 직경보다 작게 형성된 드라이아이스 분사 세정 장치.
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