KR101791478B1 - 폐가스 처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐가스 처리 시스템에 관한 것으로, 특히 반도체 제조공정에서 발생된 폐가스를 스팀과 함께 반응시키는 동시에 고열로 연소시키고, 연소 후 발생한 연소가스를 물과 함께 반응시켜 유해물질을 포집하며, 잔류 가스는 흡착에 의해 걸러냄으로써 처리성능을 증대시키는 동시에 연속 처리 가능하게 할 목적으로, 일측에 스팀주입관(11)이 연결된 폐가스주입관(10); 마이크로전자기파 및 플라스마의 고열을 이용하여 폐가스를 연소시키는 제1, 2연소부(20,30); 연소가스를 냉각시키는 냉각부(40); 연소가스를 물과 함께 반응시켜 포집하는 저수부(50) 및 혼합부(70); 잔류 가스를 흡착하는 흡착부(80); 를 포함하는 폐가스 처리 시스템이 제공된다.

Description

폐가스 처리 시스템{TREATING SYSTEM OF WASTE GAS}
본 발명은 폐가스 처리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 공정 등으로부터 배출되는 유독성 가스를 효과적으로 처리하기 위한 폐가스 처리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조공정에서는 각종 유독성, 부식성, 인화성 가스를 다량으로 사용한다.
예를 들어 CVD 공정에서는 다량의 실란, 디클로로 실란, 암모니아, 산화질소, 아르신, 포스핀, 디보린, 보론, 트리클로라이드 등을 사용하는데, 제조공정 중에서는 이들 중 소량만이 소비되고, 배출되는 폐가스(PFC 가스)는 비교적 고농도의 유독 물질인 CF4, SF6, NF3 등을 함유하고 있다.
또한, 저압 CVD공정, 플라즈마강화 CVD, 플라즈마 에칭, 에피택시 증착 등과 같은 여러 반도체 공정들에서도 각종의 유독성 폐가스를 생성하고 있으며, 이러한 유독성 폐가스가 그대로 대기에 방출되는 경우, 환경오염은 물론 인체에 심각한 피해를 가할 수 있기 때문에 반도체 제조공정으로부터 유출되는 폐가스를 처리하기 위한 여러 가지의 방법들이 연구되고 실용화되고 있다.
일 예로서, 대한민국 등록특허 제 10-1231301호에서는, 반도체 관련 공장, 연구소 및 대학 실험실에서 발생하는 폐가스를 처리하는 습식 분진 및 폐가스 집진 장치에 있어서, 상측에 가스 배출구와, 하측에 폐수 배출구를 가지며, 하측과 근접한 측면부에 폐가스 유입구를 가지는 스크러버 몸체; 상기 폐가스 유입구에 설치되어, 유입되는 폐가스에 수 내지 수십 마이크론 크기의 미세 액적을 분무하는 미세 액적 분사 장치; 상기 몸체의 측벽면에 설치되는 냉각판; 상기 냉각판을 냉각하는 적어도 하나 이상의 냉각장치; 상기 냉각판을 가진하는 가진유닛; 및 상기 냉각장치 및 가진유닛을 제어하는 제어유닛;을 포함하는 미세 액적 분무 및 액적 포집장치가 부착된 습식 분진 및 폐가스 집진장치가 제안된 바 있다.
특허문헌 1의 폐가스 처리방법은 폐가스 내에 물을 비산시켜 물과 반응하는 유독성분의 반응입자를 수집하는 것으로, 유독성분의 처리 측면에 있어서는 우수한 성능을 갖고 있다고 할 수 있으나, 처리공정 중 비산물에 의해 드레인을 손상시킬 수 있고, 유독성분을 포함한 물방울 입자가 배기통로 쪽으로 비산함으로써 배기덕트를 부식시킬 수 있으며, 사용된 물은 폐기 전에 반드시 유해 반응물 및 각종 수용성 오염물질을 제거하여야 한다는 단점이 있다.
1. 대한민국 등록특허 제 10-1231301호(2013.2.7 공고)
이와 같은 종래 기술이 내포한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 반도체 제조공정에서 발생된 폐가스를 스팀과 함께 반응시키는 동시에 고열로 연소시키고, 연소 후 발생한 연소가스를 물과 함께 반응시켜 유해물질을 포집하며, 잔류 가스는 흡착에 의해 걸러냄으로써 처리성능을 증대시키는 동시에 연속 처리 가능한 폐가스 처리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폐가스 처리 시스템은,
일측에 스팀이 유입되는 스팀주입관이 연결되고 폐가스가 유입되는 폐가스주입관;
상기 폐가스주입관 일측에 구비되어 폐가스가 통과하는 발열관과, 마그네트론에서 발생한 전자기파를 상기 발열관 외측으로 유도하는 하나 또는 다수 개의 도파관을 포함하여, 상기 발열관의 발열에 의해 상기 폐가스를 연소시키는 제1연소부;
상기 폐가스주입관 내부에 플라스마를 발생시켜 상기 폐가스를 연소시키는 하나 또는 다수 개의 제2연소부;
상기 폐가스주입관의 외면에서 외측으로 일정거리 이격 설치된 외측관이 구비되어 폐가스주입관과 외측관 사이의 공간으로 냉각수를 순환시켜서 상기 제2연소부에서 배출되는 연소가스의 온도를 낮추는 냉각부;
상기 냉각부 하부에 배치되고 물이 수용된 저수부;
상기 연소가스를 물과 혼합시키는 혼합부;
상기 혼합부에서 배출된 잔류가스의 잔류물을 흡착하는 흡착부;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 폐가스 처리 시스템에 의하면, 반도체 제조공정에서 발생된 폐가스를 스팀과 함께 반응시키는 동시에 고열로 연소시키고, 연소 후 발생한 연소가스를 물과 함께 반응시켜 유해물질을 포집하며, 잔류 가스는 흡착에 의해 걸러냄으로써 처리 성능을 증대시키는 동시에 연속 처리가 가능하여, 간단하면서도 처리 능력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폐가스 처리 시스템의 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 폐가스 처리 시스템 중 연소부의 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 폐가스 처리 시스템 중 냉각부의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 폐가스 처리 시스템 중 냉각부의 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 폐가스 처리 시스템 중 혼합부, 흡착부 및 배기관의 확대도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 보인 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 첨부된 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시예이므로 본 발명을 한정하는 것으로 의도되지 않으며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 기술이거나 용이하게 도출되는 정도의 기술에 대해서는 그에 관한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 폐가스 처리 시스템의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 폐가스 처리 시스템 중 연소부의 평면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 폐가스 처리 시스템 중 냉각부의 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 폐가스 처리 시스템 중 냉각부의 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 폐가스 처리 시스템 중 혼합부, 흡착부 및 배기관의 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하는 바와 같이, 본 발명의 폐가스 처리 시스템은, 주요 구성요소로서 폐가스주입관(10), 제1연소부(20), 제2연소부(30), 냉각부(40), 혼합부(70) 및 흡착부(80)를 포함하여 구성되며, 또한 물을 수용한 저수부(50)를 더 포함할 수 있다.
상기 폐가스주입관(10)은 반도체 생산 공정시 발생한 폐가스가 유입되는 관로이며, 상기 폐가스주입관(10)에는 스팀 폐가스주입관(11)이 연결되어서 폐가스 내에 증기가 유입되게 할 수 있다.
상기 제1연소부(20)는 마이크로웨이브를 이용하여 상기 폐가스주입관(10) 내의 폐가스를 고열(1000~1300℃)로 연소시키는 장치이다.
이를 위해 상기 폐가스주입관(10) 일측에 폐가스가 통과하는 발열관(21)이 구비되고, 상기 발열관(21)의 외측에는 마이크로웨이브가 발열관(21)에 도달하도록 유도하는 도파관(23)이 배치되며, 상기 도파관(23)의 외측 단부에는 마이크로웨이브를 발생시키는 마그네트론(22)이 구비된다.
상기 발열관(21)은 실리콘카바이드(SiC) 또는 카본(C)으로 제조된 것으로 마이크로웨이브에 의해 고열로 발열하므로 발열관(21) 내부 공간을 경유하는 폐가스를 연소시킬 수 있다.
상기 마그네트론(22) 및 도파관(23)은 하나 또는 다수 개가 설치될 수 있고, 다수 개일 경우, 폐가스주입관(10)에 대해 순차적으로 적용될 수 있으며, 또한 방사상으로 배열될 수 있다.
상기 도파관(23)은 상기 발열관(21)의 중심축선과 직각을 이루되, 도 2와 같이 나선형의 곡선상으로 이루어질 수 있으며, 이와 같은 곡선은 마치 달팽이관이나 해바라기에서 씨가 배열된 것과 같이 일종의 피보나치 수열에 따른 곡선으로 형성될 수 있다.
도파관(23)이 나선형의 곡선상으로 이루어진 경우 마이크로웨이브가 도파관(23)의 내부 곡면 벽에 부딪혀 반사될 때, 어느 위치라도 원통형 발열관(21)으로 반사되기 때문에 원형 공간 내에서의 공진에 의해 마이크로웨이브가 거의 손실되지 않고 발열관(21)으로 집중 조사되어 효율이 증가한다.
상기 제2연소부(30)는 플라스마를 이용하여 상기 폐가스주입관(10) 내의 폐가스를 고열(1500~2000℃)로 연소시키는 장치이다.
상기 제2연소부(30)는 폐가스가 경유하는 방향을 기준으로 상기 제1연소부(20)의 후단에 배치될 수 있고, 하나 또는 다수 개가 적용될 수 있으며, 공지의 플라스마 발생장치를 적용할 수 있다.
공지된 플라스마 발생장치의 일 예로 본 발명자가 제안한 바 있는 한국 등록실용신안 제 20-0476960호와 같이 코로나 방전에 의한 복합 플라스마 발생장치가 적용될 수 있고, 그 외에 공지의 다른 플라스마 발생장치가 적용될 수 있는바, 이와 같이 공지의 장치를 적용하는 것이 당업자에게 있어 용이하므로 제2연소부(30)에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 냉각부(40)는, 상기 제2연소부(30)에서 배출되는 연소가스의 온도를 낮추는 장치이다.
이를 위해 상기 폐가스주입관(10)의 외면에서 외측관(41)을 외측 방향으로 일정 거리 이격 설치하여 폐가스주입관(10)과 외측관(41) 사이에 공간을 형성하고, 상기 공간으로 냉각수를 순환시킨다.
더 구체적으로, 도 3 및 도 4를 참조하는 바와 같이 상기 냉각부(40)는, 상기 폐가스주입관(10) 외면과 상기 외측관(41) 내면 사이를 세로 방향으로 폐쇄하는 세로격판(42)과, 상기 폐가스주입관(10) 외면과 상기 외측관(41) 내면 사이를 가로 방향으로 폐쇄하고 다수 개가 상하로 이격 설치된 가로격판(43)을 포함한다.
이때 상기 가로격판(43)의 일측 단부는 상기 세로격판(42)에 접하고 타측단부에는 통로(44)가 형성되며, 상하로 이웃한 가로격판(43) 단부의 각 통로(44)가 서로 반대 방향으로 배치된다.
따라서, 냉각수 입구(41a)를 통해 공간으로 유입된 냉각수는 가로격판(43)을 따라 수평방향으로 이동한 후, 통로(44)를 통해 하부로 이동하고 다시 반대의 수평방향으로 이동하게 되므로, 냉각수가 폐가스주입관(10)의 외면에서 지그재그 형태로 순환되므로 채류 시간을 증가시켜서 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 폐가스주입관(10)으로 유입된 폐가스 내에는 온실가스의 일종인 사불화탄소(CH4)가 내포되어 있으므로 이를 효과적으로 제거하기 위해 스팁주입관(11)을 통해 수증기(H2O)를 투입하며, 2개 물질은 각 연소부(20)(30)에서 연소되면서 불산용액(4HF)과 이산화탄소(CO2)로 변환되는데 그 반응식은 하기와 같다.
CH4 + H2O ―> 4HF + CO2
여기서 불산용액(4HF)은 수용성 물질이기 때문에 이를 물과 혼합시켜서 제거하는 동시에 이산화탄소(CO2)는 별도의 장소로 이송할 필요가 있다.
이를 위해 상기 냉각부(40) 하부에는 물을 수용하는 저수부(50)가 구비되고, 상기 외측관(41) 하부는 상기 저수부(50)의 바닥까지 연장된 연장관(51)을 형성하며, 상기 연장관(51) 하부에는 저수부(50)의 수용된 물이 연장관(51) 내부로 유입될 수 있도록 하기 위해 물이 왕래하는 적어도 하나의 통공(52)이 구비된다.
이때 상기 폐가스주입관(10) 하단은 상기 저수부(50)의 수위보다 높은 위치에 배치되고, 상기 연장관(51) 일측에는 냉각부(40)를 경유한 연소가스가 상기 혼합부(70)로 이송되게 하는 이송관(60)이 연결된다.
이와 같이 구성하면, 냉각부(40)를 경유한 연소가스 중 불산용액(4HF)은 저수부(50)로 낙하하여 물에 혼합되어 제거되고, 이산화탄소(CO2)는 연결관(60)을 경유하여 혼합부(70)로 이동한다.
상기 혼합부(70)는 이산화탄소(CO2)를 포함한 연소가스를 물과 혼합시키는 장치이며, 혼합율을 높이기 위해 상기 물은 고압으로 살포되도록 하는 것이 바람직하다.
이를 위해 도 5를 참조하는 바와 같이 상기 혼합부(70)는, 물이 유입되는 급수관(71)과, 상기 급수관(71)에 연결되어 물을 고압으로 분사하도록 관의 단면이 점차 축소되는 분사관(72)과, 관의 단면이 좁은 통로를 형성한 벤추리관(73)과, 관의 단면이 점차 확장되는 확장관(74)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때 상기 연결관(60)은 상기 분사관(72)과 벤추리관(73) 사이에 연결됨으로써 상기 냉각부(40)를 경유한 연소가스가 상기 분사관(71)에서 고압으로 살포된 물과 만나게 한 후 벤추리관(73)에서 믹싱되도록 하여 혼합 효율을 높일 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 냉각부(40) 하부에 물을 수용하는 저수부(50)가 구비된 경우, 상기 급수관(71)과 상기 확장관(74)은 각각 상기 저수부(50)와 연결되게 할 수 있으며, 이 경우 상기 저수부(50)에 수용된 물이 워터펌프 등의 이송수단에 의해 상기 급수관(71)으로 송기된 후 확장관(74)을 통해 다시 저수부(50)로 회수되므로 물 사용량을 감소시켜서 운용비용을 최소화할 수 있다.
상기 흡착부(80)는, 상기 혼합부(70)에서 배출된 잔류가스의 잔류물을 흡착하기 위한 장치이다.
이를 위해, 상기 흡착부는, 잔류가스의 수분을 흡착하는 제습제(81)와, 잔류가스 중의 불소(F)를 흡착하는 불소흡착제(82)를 포함하여 구성된다.
상기 제습제(81)는 잔류가스 중의 수분을 제거하여 후술하는 배기관(90)(92)의 부식을 방지하기 위한 것이고, 불소흡착제(82)는 불소(F)를 흡착시켜서 대기로 방출되는 것을 방지하기 위한 것으로, 제습제(81) 및 불소흡착제(82)(absorber)는 시판되고 있는 것을 적용하는 것이 가능하므로 이에 관한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 흡착부(80)는, 흡착 처리된 정화가스를 배출하는 제1배기관(90)과, 상기 제1배기관(90)을 개폐하는 개폐기(91)를 더 포함할 수 있으며, 상기 제1배기관(90)은 본 발명의 시스템 외에 구비된 블러워와 연결되어 정화 가스를 배출할 수 있다.
만약, 본 발명의 폐가스 처리 시스템이 설치될 장소에 블로워가 없거나 혹은 흡입력이 약한 경우, 상기 흡착부(70) 상에 흡착 처리된 정화가스를 배출하는 제2배기관(92)을 설치하고, 상기 제2배기관(92)에는 정화가스를 빨아들이는 블로워(93)를 설치하여 자체의 블로워(93)를 통해 정화가스를 배출시킬 수 있으며, 이때 상기 제2배기관(92)에는 개폐기(94)가 설치될 수 있다.
이와 같이 상기 제1배기관(90)과 제2배기관(92)은 시스템이 적용될 장소의 환경에 따라 어느 하나만 설치하거나 모두 설치할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이상의 설명은 비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구범위에 속함은 자명하다.
10: 폐가스주입관 11: 스팀주입관
20: 제1 연소부 21: 발열관
22: 마그네트론 23: 도파관
30: 제2 연소부
40: 냉각부 41: 외측관 42: 세로격판
43: 가로격판 44: 통로
50: 저수부 51: 연장관
52: 통공 53: 유도로 60: 이송관
70: 혼합부 71: 급수관 72: 분사관
73: 벤추리 74: 확장관
80: 흡착부 81: 제습제 82: 불소흡착제
90: 제1배기관 91: 개폐기 92: 제2배기관
93: 블로워 94: 개폐기

Claims (9)

  1. 일측에 스팀이 유입되는 스팀주입관(11)이 연결되고 폐가스가 유입되는 폐가스주입관(10);
    상기 폐가스주입관 일측에 구비되어 폐가스가 통과하는 발열관(21)과, 마그네트론(22)에서 발생한 전자기파를 상기 발열관(21) 외측으로 유도하는 하나 또는 다수 개의 도파관(23)을 포함하여, 상기 발열관의 발열에 의해 상기 폐가스를 연소시키는 제1연소부(20);
    상기 폐가스주입관 내부에 플라스마를 발생시켜 상기 폐가스를 연소시키는 하나 또는 다수 개의 제2연소부(30);
    상기 폐가스주입관의 외면에서 외측으로 일정거리 이격 설치된 외측관(41)이 구비되어 폐가스주입관과 외측관 사이의 공간으로 냉각수를 순환시켜서 상기 제2연소부(30)에서 배출되는 연소가스의 온도를 낮추는 냉각부(40);
    상기 연소가스를 물과 혼합시키는 혼합부(70);
    상기 혼합부에서 배출된 잔류가스의 잔류물을 흡착하는 흡착부(80); 를 포함하되,
    상기 냉각부는, 상기 폐가스주입관 외면과 외측관 내면 사이를 세로 방향으로 폐쇄하는 세로격판(42) 및 상기 폐가스주입관 외면과 외측관 내면 사이를 가로 방향으로 폐쇄하고 다수 개가 상하로 이격 설치된 가로격판(43)을 포함하고, 상기 가로격판의 일측 단부는 상기 세로격판에 접하고 타측단부에는 통로(44)가 형성되며, 상하로 이웃한 가로격판 단부의 각 통로가 서로 반대 방향에 배치된 것을 특징으로 하는 폐가스 처리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 도파관은 상기 발열관의 중심축선과 직각을 이루되, 나선형의 곡선상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐가스 처리 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각부 하부에 물을 수용하는 저수부(50)가 구비되고, 상기 외측관 하부는 상기 저수부의 바닥까지 연장된 연장관(51)을 이루며, 상기 연장관에 상기 물이 왕래하는 적어도 하나의 통공(52)이 구비되되, 상기 폐가스주입관 하단은 상기 저수부의 수위보다 높은 위치에 배치되고, 상기 연장관 일측에는 냉각부를 경유한 연소가스가 상기 혼합부로 이송되게 하는 이송관(60)이 연결된 것을 특징으로 하는 폐가스 처리 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합부는, 물이 유입되는 급수관(71)과, 상기 급수관에 연결되어 물을 고압으로 분사하도록 관의 단면이 점차 축소되는 분사관(72)과, 관의 단면이 좁은 통로를 형성한 벤추리관(73)과, 관의 단면이 점차 확장되는 확장관(74)을 포함하되 상기 냉각부를 경유한 연소가스는 상기 분사관과 벤추리관 사이로 유입되는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 냉각부 하부에 물을 수용하는 저수부(50)가 구비되고, 상기 급수관과 확장관은 각각 상기 저수부와 연결됨으로써 상기 저수부에 수용된 물이 상기 급수관으로 송기된 후 저수부로 회수되게 한 것을 특징으로 하는 폐가스 처리 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착부는, 잔류가스의 수분을 흡착하는 제습제(81)와, 잔류가스 중의 불소를 흡착하는 불소흡착제(82)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 흡착부는, 흡착 처리된 정화가스를 배출하는 제1배기관(90)과, 상기 제1배기관을 개폐하는 개폐기(91)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리 시스템.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 흡착부는, 흡착 처리된 정화가스를 배출하는 제2배기관(92)과, 정화가스를 제2배기관(92)으로 빨아들이는 블로워(93) 및 상기 제2배기관을 개폐하는 개폐기(94)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리 시스템.
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