KR101654715B1 - 고효율 용존 수소수의 제조 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수도수, 역삼투압 정수, 또는 초순수를 원료수로서 전해법을 이용하여 직접 원료수 중에 수소 분자를 생성하고 용존 수소 분자 농도를 높이는 것을 가능하게 하는 고효율 용존 수소수의 제조 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 고효율 용존 수소수의 제조 장치는, 고효율 용존 수소수의 제조를 위한 전기 분해 장치로서, 각각 입수구와 출수구를 가진 제1 실 및 제2 실이 서로 이웃하도록 형성된 전해조 바디; 상기 제1실 및 제2 실 간의 격벽으로 형성된 양극 전극; 상기 양극 전극의 양측면을 둘러싸도록 형성된 이온 교환막; 상기 제1 실내에 상기 양극 전극의 일측면과 대향하도록 형성된 제1 음극 전극; 상기 제2 실내에 상기 양극 전극의 타측면과 대향하도록 형성된 제2 음극 전극; 상기 양극 전극의 일측면 상의 이온 교환막과 상기 제1 음극 전극 사이에 충진된 제1 충진재; 및 상기 양극 전극의 타측면 상의 이온 교환막과 상기 제2 음극 전극 사이에 충진된 제2 충진재를 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 충진재는 전도성 금속 섬유 또는 이온교환수지를 포함할 수 있다.

Description

고효율 용존 수소수의 제조 장치 및 방법{Apparatus and Method for generating Dissolved hydrogen water}
본 발명은 반도체 세정용 및 음용으로 적용이 가능한 용존 수소 분자 농도가 높은 고효율 수소 분자 용존수의 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
수소 분자가 용해된 물(이하, 수소 분자 용존수라 총칭한다)은 항산화 작용을 가지는 기능수(機能水)로서 주목받고 있다.
최근, 초순수(超純水)에 수소 분자를 용해시킨 기능수를 반도체 제조 공정에서 이용되는 케이스가 증가하고 있다. 그 이유로서 실리콘 등의 반도체에 관해서, 실리콘 웨이퍼의 제조 공정에 있어서, 표면의 이물을 제거하기 위해서 여러 가지의 세정 공정이 필요하게 된다.
예를 들면, 화학 기계적 폴리싱(CMP) 등의 연마 후의 실리콘 웨이퍼 표면은, 콜로이달 실리카, 유기 아민이나 무기 알칼리 등의 이물이 부착되어 있다. 이 때문에, 웨이퍼 표면으로부터 재빨리 상기 이물을 제거하지 않으면 면이 거칠어지고, 흠, 케미컬 등의 불량을 발생시켜 버리는 원인이 되는 것으로부터, 연마 후에 즉시 순수(純水) 등에 의한 세정을 한다. 종래의 세정 공정에서는, 연마 후에, 순수 린스 처리 또는 순수＋계면활성제 처리를 행하고, 그 후, 순수 보관에 의한 SC-1 세정(H2O-H2O2-NH4OH 혼합액에 의한 세정) 또는 스크라빙 하여 SC-1 세정 등을 행하고 있었다.
종래 반도체용 실리콘 기판이나 액정용 유리 기판 등의 세정은 주로 과산화 수소수와 황산의 혼합액, 과산화 수소수와 염산과 물의 혼합액, 과산화 수소수와 암모니아수와 물의 혼합액 등, 과산화 수소를 베이스로 하는 농후한 물약을 이용하여 고온으로 세정한 후에 초순수로 헹구고, 이른바 RCA 세정법에 따라 행하여져 왔었다. RCA 세정법은 반도체 표면의 금속분을 제거하기 위해서 유효한 방법이지만, 동시에 반도체 표면에 부착된 미립자도 제거된다.
그러나, 전술한 종래 방법에서는 과산화 수소수, 고농도의 산, 알칼리 등을 다량으로 사용하기 위해서 물약 비용이 비싸고, 더욱이 린스용의 초순수의 비용, 폐수 처리 비용, 약품 증기를 배기하여 새롭게 청정 공기를 조제하는 공기조절 비용 등, 많은 비용을 필요로 한다. 이러한 비용을 저감하고, 더욱이 물의 대량 사용, 약물의 대량 폐기, 배기가스의 방출이라고 하는 환경에의 부하 저감을 도모하기 위해서, 근래 습식(Wet) 세정 공정의 재검토가 진행되고 있다.
근래에 습식 세정 공정으로 제거해야 할 불순물 중, 특히 전자 부품 성능에의 영향이 크게 문제시되고 있는 미립자가 수소 가스를 용해한 초순수에 의해 극히 효과적으로 제거되는 것을 발견하고, 저농도의 약품으로 실온에서 높은 세정 효과를 얻을 수 있는 방법으로서 수소 함유 초순수를 이용하는 전자재료의 세정방법이 제안된 바 있다.
이것에 동반하여, 수소 함유 초순수를 안전하고 자유롭게 조종하기 위해서, 원하는 용존 수소 가스 농도의 초순수를 용해 효율을 높여 수소 가스를 낭비 없이 이용하고, 확실하게 제조할 수 있는 수소 함유 초순수의 제조 방법의 확립이 요구되고 있다.
공개특허공보 제10-2011-0082568호 (2011.07.19. 공개)
본 발명의 목적은 수도수, 역삼투압 정수, 또는 초순수를 원료수(原料水)로서 전해법을 이용하여 직접 원료수 중에 수소 분자를 생성하고 용존 수소 분자 농도를 높이는 것을 가능하게 하는 고효율 용존 수소수의 제조 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 고효율 용존 수소수의 제조 장치는, 고효율 용존 수소수의 제조를 위한 전기 분해 장치로서, 각각 입수구와 출수구를 가진 제1 실 및 제2 실이 서로 이웃하도록 형성된 전해조 바디; 상기 제1실 및 제2 실 간의 격벽으로 형성된 양극 전극; 상기 양극 전극의 양측면을 둘러싸도록 형성된 이온 교환막; 상기 제1 실내에 상기 양극 전극의 일측면과 대향하도록 형성된 제1 음극 전극; 상기 제2 실내에 상기 양극 전극의 타측면과 대향하도록 형성된 제2 음극 전극; 상기 양극 전극의 일측면 상의 이온 교환막과 상기 제1 음극 전극 사이에 충진된 제1 충진재; 및 상기 양극 전극의 타측면 상의 이온 교환막과 상기 제2 음극 전극 사이에 충진된 제2 충진재를 포함할 수 있고, 상기 양극 전극을 둘러싼 상기 이온 교환막 안쪽으로 상기 제1 실 및 제2 실의 물이 침투할 시, 상기 이온 교환막과 상기 양극 전극 사이의 물을 외부로 배출하도록 (상기 양극 전극의 하부 측의) 상기 전해조 바디 부분에 형성된 배출구; 상기 제1 실 및 제2 실의 입수구 상에 각각 설치된 제1 및 제2 펌프; 상기 제1 실 및 제2 실의 출수구 상에 각각 설치된 제1 및 제2 밸브; 및 수소분자가 높은 압력에서 용해가 더 용이한 조건을 만들기 위하여, 상기 제1 및 제2 펌프의 펌핑 동작 또는 상기 제1 및 제2 밸브의 개폐를 제어하여 상기 제1 실 및 제2 실내의 압력을 조절하기 위한 제어부 중 적어도 하나의 구성을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 충진재는 전도성 금속 섬유 또는 이온교환수지를 포함할 수 있고, 상기 전도성 금속 섬유는 백금, 이리듐, 팔라듐 중 적어도 하나가 도금된 티타늄 섬유 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따른 고효율 용존 수소수의 제조 방법은, 양측 음극실 간의 격막으로서의 이온 교환막으로 양극 전극을 둘러싸고, 상기 양측 음극실 내에 각각 음극전극을 상기 양극 전극과 마주보게 배치하고, 상기 양극전극을 둘러싼 상기 이온 교환막과 상기 음극 전극 사이에는 전도성 금속 섬유또는 이온교환수지를 충진하여, 용존 수소량을 증가하여 높은 농도의 용존수소수를 얻을 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 다양한 측면에 따르면, 양극 전극을 둘러싼 이온 교환막의 구성에 의해 불필요한 양극수의 생성 및 낭비를 기존 대비 1/20 이하로 줄일 수 있고, 제1 및 제2 실내의 압력을 제어할 수 있는 구성으로 인해 수소분자가 높은 압력에서 용해가 더 용이한 조건을 만들 수 있으므로 용존 수소 분자 농도의 수명을 늘리는 것이 가능해지고 수소 분자 용존수로서 극히 유용하다. 따라서 반도체 세정뿐만 아니라 음용을 위한 수소 용존수가 풍부한 물의 제조가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 용존 수소수의 제조 장치의 구성을 나타낸 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 구체적으로 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하였다. 또한, 본 발명의 실시예에 대한 설명 시 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 용존 수소수의 제조 장치(또는 전기 분해 장치라 칭함)의 개략적인 단면도로, 동 도면에 도시된 바와 같이, 전해조 바디(10), 입수구(20), 출수구(30), 전극(40), 이온 교환막(50), 충진재(60), 펌프(70), 밸브(80), 배출구(90), 및 제어부(100)를 포함할 수 있다.
전해조 바디(10)는 본 발명에 따른 전기 분해 장치의 몸체로서, 서로 이웃하도록 형성된 제1 실(11) 및 제2 실(12)을 포함할 수 있다.
입수구(20)는 외부의 수도수 또는 초순수를 제1 및 제2 실(11,12)내로 공급하기 위한 입구로서, 제1 실(11)의 하부에 형성된 제1 입수구(21) 및 제2 실(12)의 하부에 형성된 제2 입수구(22)를 포함할 수 있다.
출수구(30)는 제1 및 제2 실(11,12)내의 물을 외부로 출수하기 위한 출구로서, 제1 실(11)의 상부에 형성된 제1 출수구(31) 및 제2 실(12)의 상부에 형성된 제2 출수구(32)를 포함할 수 있다.
전극(40)은 제1 및 제2 실(11,12)내 물의 전기 분해를 위한 전극으로서, 제1 실(11) 및 제2 실(12) 간의 격벽으로 형성된 양극 전극(41), 제1 실(11) 내에 양극 전극(41)의 일측면과 대향하도록 형성된 제1 음극 전극(42), 및 제2 실(12) 내에 양극 전극(41)의 타측면과 대향하도록 형성된 제2 음극 전극(43)을 포함할 수 있다.
양극 전극(41)은 제1 실(11)에서의 반응물(즉, 전해질 이온)을 제2 실(12)로 이동시키거나 제2 실(12)에서의 반응물(즉, 전해질 이온)을 제1 실(11)로 이동시키기 위하여 하나 이상의 홀(41a)을 가진 평판으로 형성될 수 있고, 음극 전극(42,43)은 홀이 없는 평판으로 형성될 수 있다.
이온 교환막(50)은 제1 실(11)과 제2 실(12) 간의 격막으로서 양극 전극(41)의 양측면을 둘러싸도록 형성되어 있다.
충진재(60)는 양극 전극(41)의 일측면 상의 이온 교환막(50)과 제1 음극 전극(42)의 사이에 충진된 제1 충진재(61), 및 양극 전극(41)의 타측면 상의 이온 교환막(50)과 제2 음극 전극(43)의 사이에 충진된 제2 충진재(62)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 충진재(61,62)는, 일 예로 백금, 이리듐, 팔라듐 중 적어도 하나가 도금된 티타늄 섬유 또는 탄소 섬유를 포함하는 전도성 금속 섬유로 구성하거나, 다른 예로 고체 전해질(Solid Electrolyte)로서의 불소계 이온교환수지(Ion Exchange Resin) 등으로 구성할 수 있다.
펌프(70)는 제1 실(11) 및 제2 실(12) 내에 공급되는 물의 양을 조절하기 위한 것으로, 제1 실(11)의 입수구(21) 상에 설치된 제1 펌프(71) 및 제2 실(12)의 입수구(22) 상에 설치된 제2 펌프(72)를 포함할 수 있다.
밸브(80)는 제1 실(11) 및 제2 실(12)로부터 출수되는 물의 양을 조절하기 위한 것으로, 제1 실(11)의 출수구(31) 상에 설치된 제1 밸브(81) 및 제2 실(12)의 출수구(32) 상에 설치된 제2 밸브(82)를 포함할 수 있다.
배출구(90)는 양극 전극(41)을 둘러싼 이온 교환막(50) 안쪽으로 제1 실(11) 및 제2 실(12)의 물이 침투할 시, 이온 교환막(50)과 양극 전극(41)과의 사이의 존재하는 소량의 물을 외부로 배출하기 위한 것으로, 양극 전극(41)의 하부 측의 전해조 바디(10) 부분에 형성될 수 있다. 이러한, 배출구(90)는 경우에 따라 선택적으로 형성하지 않을 수도 있다.
제어부(100)는 펌프(70) 및/또는 밸브(80)의 동작을 제어하여 제1 실(11) 및 제2 실(12) 내의 압력을 조절하기 위한 것으로, 수소분자가 높은 압력에서 용해가 더 용이한 조건을 만들기 위하여 제1 및 제2 펌프(71,72)의 펌핑 동작 또는 제1 및 제2 밸브(81,82)의 개폐 정도를 제어하여 제1 실(11) 및 제2 실(12) 내의 압력을 조절하기 위한 것이다. 이러한, 제어부(100)는 경우에 따라 선택적으로 구성하지 않고 펌프(70) 및 밸브(80)의 동작을 수동으로 조절할 수도 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따르면, 양극 전극(41)의 양쪽면을 이온 교환막(50)으로 둘러싸고 그 양쪽에 음극전극(42,43)을 마주보게 배치하고 양극 전극(41)을 둘러싼 이온 교환막(50)과 양측 음극 전극(42,43)과의 사이에는 백금, 이리듐, 팔라듐등이 도금된 티타늄 또는 탄소 섬유를 충진하거나 이온교환수지를 충진함으로써, 용존 수소량이 증가된 높은 농도의 용존 수소수를 얻을 수 있다.
또한, 일 예로 양극 전극(41)을 둘러싼 이온 교환막(50)의 안쪽으로 음극실(11,12)의 물이 침투하여 소량의 물이 양극 전극(41)의 하부에 형성된 배출구(90)를 통해 드레인 되도록 하여 불필요한 양극수의 생성 및 낭비를 기존 대비 대략 1/20 이하로 줄일 수 있고, 다른 예로 양극 전극(41)의 양측면에 이온교환막(50)을 밀착한 구조에 의해 별도의 양극실이 형성되지 않음으로써 양극수의 생성 및 낭비를 완전히 배제할 수 있게 되고 이 경우에는 배출구(90)를 형성하지 않아도 된다.
또한, 수소분자가 용해되기 용이한 높은 압력 조건을 만들기 위하여, 펌프(70) 또는 수도의 압력을 조절하여 입수구(20)를 통해 음극실(11,12) 내에 투입되는 물의 압력을 높이거나, 밸브(80)의 개폐 정도를 조절하여 출수구(30)의 출수량이 입수구(20)의 입수량 보다 더 작게 함으로써, 전해조 바디(10)의 음극실(11,12) 내의 압력을 높여 수소분자의 용해를 용이하게 할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 전해조 바디
11: 제1 실
12: 제2 실
20,21,22: 입수구
30,31,32: 출수구
40: 전극
41: 양극 전극
41a: 양극 전극에 형성된 홀
42,43: 음극 전극
50: 이온 교환막
60,61,62: 충진재
70,71,72: 펌프
80,81,82: 밸브
90: 배출구
100: 제어부

Claims (10)

  1. 고효율 용존 수소수의 제조를 위한 전기 분해 장치로서,
    각각 입수구와 출수구를 가진 제1 실 및 제2 실이 서로 이웃하도록 형성된 전해조 바디;
    상기 제1실 및 제2 실 간의 격벽으로 형성된 양극 전극;
    상기 양극 전극의 양측면을 둘러싸도록 형성된 이온 교환막;
    상기 제1 실내에 상기 양극 전극의 일측면과 대향하도록 형성된 제1 음극 전극;
    상기 제2 실내에 상기 양극 전극의 타측면과 대향하도록 형성된 제2 음극 전극;
    상기 양극 전극의 일측면 상의 이온 교환막과 상기 제1 음극 전극 사이에 충진된 제1 충진재; 및
    상기 양극 전극의 타측면 상의 이온 교환막과 상기 제2 음극 전극 사이에 충진된 제2 충진재를 포함하는 고효율 용존 수소수의 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 충진재는 전도성 금속 섬유 또는 이온교환수지를 포함하는 고효율 용존 수소수의 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 금속 섬유는 백금, 이리듐, 팔라듐 중 적어도 하나가 도금된 티타늄 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 용존 수소수의 제조 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 금속 섬유는 백금, 이리듐, 팔라듐 중 적어도 하나가 도금된 탄소 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 용존 수소수의 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양극 전극을 둘러싼 상기 이온 교환막 안쪽으로 상기 제1 실 및 제2 실의 물이 침투할 시, 상기 이온 교환막과 상기 양극 전극 사이의 물을 외부로 배출하도록 상기 양극 전극의 하부 측의 상기 전해조 바디 부분에 형성된 배출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 용존 수소수의 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 실 및 제2 실의 입수구 상에 각각 설치된 제1 및 제2 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 용존 수소수의 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 실 및 제2 실의 출수구 상에 각각 설치된 제1 및 제2 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 용존 수소수의 제조 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    수소분자의 용해가 더 용이한 높은 압력 조건을 만들기 위하여, 상기 제1 및 제2 펌프의 펌핑 동작 또는 상기 제1 및 제2 밸브의 개폐를 제어하여 상기 제1 실 및 제2 실내의 압력을 조절하기 위한 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 용존 수소수의 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 양극 전극에는 다수의 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 용존 수소수의 제조 장치.
  10. 양측 음극실 간의 격막으로서의 이온 교환막으로 양극 전극을 둘러싸고, 상기 양측 음극실 내에 각각 음극전극을 상기 양극 전극과 마주보게 배치하고, 상기 양극전극을 둘러싼 상기 이온 교환막과 상기 음극 전극 사이에는 전도성 금속 섬유또는 이온교환수지를 충진하여, 용존 수소량을 증가하여 높은 농도의 용존수소수를 얻는 고효율 용존 수소수의 제조 방법.
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