KR101923429B1

KR101923429B1 - 실시간 고속 믹서

Info

Publication number: KR101923429B1
Application number: KR1020170121389A
Authority: KR
Inventors: 정병일; 박범수
Original assignee: 호산이엔지 주식회사
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2019-02-27
Also published as: KR20180080096A

Abstract

본 발명은 LCD 또는 반도체 생산 공정에서, 공정에 필요한 케미컬을 기준 농도로 혼합하여 케미컬 이용 공정(POU:Point of Use)에 실시간 대량으로 공급할 수 있는 실시간 대유량 공급이 가능한 고속 케미칼 믹싱 공급 시스템 및 그 용도의 실시간 고속 믹서에 관한 것으로, 본 발명에 따른 실시간 고속 믹서는, 관체 형상이고 입구와 출구에는 축지지부(27a, 27b)가 마련된 믹서하우징(25)와, 상기 믹서하우징(25)의 입구측 축지지부(27a)에 회전축(55a)의 일단이 지지되고 상기 믹서하우징(25) 입구를 통하여 유입되는 액체의 흐름에 의하여 회전하는 제1토크발생수단(31a);
상기 제1토크발생수단(31a)의 회전축(55a)의 타단에 연결되어 상기 제1토크발생수단(31a)의 회전력을 반전시켜 축 전달하는 제1반전기어조립체(39a)와, 상기 제1반전기어조립체(39a)에 회전축(35b)의 일단이 연결되어 제1토크발생수단(31a)의 회전력이 반전되어 전달되고, 브레이드의 스큐 방향이 제1토크발생수단(31a)와 반대 방향으로 형성되어 상기 믹서하우징(25) 입구를 통하여 유입되는 액체의 흐름에 의하여 상기 제1토크발생수단(31a)와 반대방향으로 회전하는 제2토크발생수단(31b)와, 상기 제2토크발생수단(31b)의 회전축 타단에 연결되어 상기 제2토크발생수단(31b)의 회전력을 반전시켜 전달하는 제2반전기어조립체(39b)와, 상기 제2반전기어조립체(39b)에 회전축(35b)의 일단이 연결되어 상기 제2토크발생수단(31b)의 구동력에 의하여 제2토크발생수단(31b)와 반대 방향으로 회전하는 제1액교반수단(57a);을 포함한다.

Description

실시간 고속 믹서{REAL-TIME HIGH-SPEED CHEMICAL MIXER}

본 발명은 케미칼 믹싱 공급 시스템 및 그 용도의 실시간 고속 믹서에 관한 것으로, 더 상세하게는 LCD 또는 반도체 생산 공정에서, 공정에 필요한 케미컬을 기준 농도로 혼합하여 케미컬 이용 공정(POU:Point of Use)에 실시간 대량으로 공급할 수 있는 실시간 대유량 공급이 가능한 고속 케미칼 믹싱 공급 시스템 및 그 용도의 실시간 고속 믹서에 관한 것이다.

종래, LCD 또는 반도체 생산 공정에서 2종의 약액(chemical)을 믹싱(Mixing)함에 있어서는, 탱크(Tank)에 교반기를 직접 설치하고 일정량의 약액을 투입한 후 교반기에 의하여 믹싱하는 방식과, 약액의 무게비를 산출하여 무게를 측정한 후 믹싱하는 로드셀(Load Cell)방식과, 스태틱 믹서(Static Mixer)를 사용한 소량의 믹싱 방법과, 정해진 혼합약액의 량을 탱크(Tank)에 주입 후 믹싱하는 배치(Batch) 방식의 믹싱이 있다.

배치 방식의 예를 들면, 믹싱 탱크 용량에 따라 희석하고 싶은 정해진 량의 원액을 1차로 투입하고, 2차로 탱크에 설치된 하이 레벨(High Level) 감지 센서까지 DIW(De-Ionized Water)를 투입한 후 교반(Circulation)하는 방식으로, 농도를 변경하고자 할 때는 1차로 투입한 원액량을 변경하여야 하는 데, 원액량을 변경 설정하기 위해 원액 밸브를 조작하여 원액량 유량을 셋팅(Setting)하고 몇 회에 걸친 테스트(Test)를 통해 재연성 검증을 해야만 했다.

또한 종전의 배치 방식 믹싱의 경우 1차 믹싱 완료 후 2차 믹싱을 위한 보정(원액 또는 DIW)을 진행하고 교반(Circulation)함으로써 믹싱을 최종 완료되므로, 3㎥ 1 탱크 기준 믹싱에 소요되는 시간이 최대 약 24~27분 정도이며, 2차 믹싱이 실패하여 3차 믹싱까지 갈 경우의 소요되는 시간은 최대 약 41분이다. 따라서, 종래 배치 방식의 믹싱은 믹싱시 최소 3개의 탱크를 필요로 하고, 믹싱 절차가 복잡할 뿐만 아니라, 믹싱 시간이 과다하게 소요되어 POU(Point Of Use)의 요구에 빠르게 대응하기 어려운 단점이 있는 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 실시간 혼합 약액 공급 장치가 한국 등록특허공보 제10-1661502호에 개시되어 있다. 한국 등록특허공보 제10-1661502호는, 적어도 2가지의 약액들을 원하는 비율에 따라 혼합하여 공급하는 약액 공급 장치에 적용되어 상기 약액들을 혼합하여 공급하는 약액 혼합용 매니폴드에 있어서, 상기 약액 혼합용 매니폴드는 상기 약액들이 각각 주입되는 적어도 2개의 주입구와, 상기 주입구가 결합되어 상기 약액들이 주입되며, 원주면의 측면을 갖는 혼합챔버와, 상기 혼합챔버로부터 외부로 혼합된 약액을 배출하는 배출구를 포함하고, 상기 주입구는 상기 혼합챔버의 원주면에 접하는 주입방향을 갖도록 상기 원주면에 접하여 상기 혼합챔버에 결합하고, 상기 각 주입구는 상기 혼합챔버의 상하방향으로 서로 이격하여 배치되는 것을 특징으로 하는 약액 혼합용 매니폴드 및 이를 포함하는 실시간 혼합 약액 공급 장치를 개시하고 있다.

그러나, 매니폴드 방식의 약액 혼합 장치는 약액의 비중차가 있는 경우 약액이 균일한 농도로 썩이지 못할 뿐만 아니라, 빠른 속도의 믹싱이 어렵기 때문에 대유량 공급이 필요한 공정에서는 사용할 수 없는 단점이 있다.

한국등록특허공보 제10-1661502호(등록일자 : 2016.09.26)

본 발명은 상술한 종래 케미칼 믹싱 공급 시스템 및 믹서의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 제1과제는 약액의 혼합률 및 혼합 속도를 높여 균일하고 안정된 농도를 갖는 대유량의 혼합액을 실시간으로 공급할 수 있는 고속 케미칼 믹싱 공급 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 제1과제는 대용량의 약액의 빠른 흐름을 액교반수단의 회전 동력으로 이용하여 POU(Point of Use)의 요구 시점에 매우 빠르고 균일하게 2종이상의 대용량 약액을 일정한 농도로 실시간 혼합하여 공급할 수 있는 실시간 고속 믹서를 제공하는 데 있다.

상술한 본 발명의 제1과제는, 케미컬 레저버로부터 케미컬원액을 수송하는 배관이고 케미컬원액 비례제어밸브와 제1자동밸브와 케미컬원액 플로우미터가 마련된 케미컬원액 공급배관과, DIW 레저버로부터 DIW를 수송하는 배관이고 DIW 비례제어밸브와 DIW 플로우미터와 제2자동밸브와 마련된 DIW 공급배관과, 상기 케미컬원액 공급배관과 DIW 공급배관에 연결되어 케미컬원액과 DIW가 합류하는 액합류배관과, 액합류배관으로부터 케미컬원액과 DIW를 투입받아 믹싱(mixing)한 후 혼합액배출배관을 통해 실시간 배출하는 실시간 고속 믹서와, 혼합액배출배관에 의해 상기 실시간 고속 믹서와 연결되어 상기 실시간 고속 믹서 내에서의 유체흐름을 생성하고 실시간 고속 믹서에서 생성된 혼합액을 출력측에 연결된 혼합액공급배관에 가압 추진하는 펌프와, 사용자로부터 혼합액 총용량과 기준 농도를 입력 받고 입력 받은 기준 농도에 맞게 상기 케미컬원액 산출 총량과 DIW 산출 총량과 케미컬원액 산출 공급속도와 DIW 산출 공급속도를 계산하여 상기 케미컬원액 비례제어밸브 및 DIW 비례제어밸브를 개폐 조절하고 상기 케미컬원액 플로우미터와 DIW 플로우미터로부터 케미컬원액 공급 총량 및 DIW 공급 총량을 입력받고 이들이 각각 케미컬원액 산출 총량 및 및 DIW 산출 총량에 도달하였을 때 상기 제1자동밸브 및 제2자동밸브를 닫는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 실시간 대유량 공급이 가능한 고속 케미칼 믹싱 공급 시스템에 의하여 해결할 수 있다.

상기 제어부에는 메모리를 마련하고, 상기 메모리에는 기준 농도값에 따른 케미컬원액 공급속도 및 DIW 공급속도 계산식과, 상기 케미컬원액 비례제어밸브의 개방 궤도율과 케미컬원액 공급속도간의 실측 상관관계 데이터와, DIW 비례제어밸브의 개방 궤도율과 DIW 공급속도간의 실측 상관관계 데이터를 저장한다.

상기 DIW 공급배관의 DIW 플로우미터 및 제2자동밸브 사이에는 제3자동밸브가 마련된 DIW 회수배관을 마련하고, DIW 비례제어밸브의 개방 궤도율과 DIW 플로우미터의 유량값을 이용하여 DIW 비례제어밸브의 개방 궤도율과 DIW 공급속도간의 실측 상관관계 데이터를 획득한다.

상기 케미컬원액 공급배관에는 케미컬원액 공급 속도를 셋팅값으로 자동 제어하는케미컬 레귤레이터를 더 마련하고, 상기 제어부는 케미컬원액 산출 공급속도에 따라 상기 케미컬 레귤레이터를 셋팅한다.

상기 케미컬원액 공급배관이 액합류배관에 합류하는 지점에는 케미컬원액 공급배관에서 공급되는 케미컬원액을 액합류배관에 확산하여 분사할 수 있는 스프레이 노즐(Spray Nozzle)을 마련하다.

상기 실시간 고속 믹서는 상기 액합류배관에 연결되는 믹서하우징과, 상기 펌프를 통해 상기 믹서하우징 내부에 발생한 유체의 흐름을 회전력으로 전환하는 유체구동회전수단과, 상기 유체구동회전수단에 의하여 회전하면서 케미컬원액과 DIW를 교반하는 제1액교반수단을 포함한다.

상기 유체구동회전수단은 상기 믹서하우징 내부에 유입되는 액의 흐름에 의하여 회전하는 제1토크발생수단와 상기 제1토크발생수단와 제1반전기어조립체에 의하여 축이음되어 제1토크발생수단와 반대 방향으로 회전하는 제2토크발생수단로 구성될 수 있다.

상기 제1액교반수단은 상기 제2토크발생수단와 제2반전기어조립체에 의하여 축이음되어 제2토크발생수단와 반대 방향으로 회전하는 허브와 상기 허브에 방사 방향으로 60°간격을 두고 설치된 6개의 포울(pole)로 구성될 수 있다.

상기 반전기어조립체는 구동측 축에 연결되는 구동베벨기어와, 피동측 축에 연결되는 피동베벨기어와, 상기 구동베벨기어 및 피동베벨기어 사이에 결합되어 구동베벨기어의 회전력을 반전시켜 피동베벨기어에 전달하는 2개의 아이들베벨기어와, 상기 베벨기어들을 내부에 수용하면서 기어축을 지지하는 기어박스를 포함하여 구성될 수 있다.

상술한 본 발명의 제1과제는, 관체 형상이고 입구와 출구에는 축지지부가 마련된 믹서하우징과, 상기 믹서하우징의 입구측 축지지부에 회전축의 일단이 지지되고 상기 믹서하우징 입구를 통하여 유입되는 액체의 흐름에 의하여 회전하는 제1토크발생수단와, 상기 제1토크발생수단의 회전축의 타단에 연결되어 상기 제1토크발생수단의 회전력을 반전시켜 축 전달하는 제1반전기어조립체와, 상기 제1반전기어조립체에 회전축의 일단이 연결되어 제1토크발생수단의 회전력이 반전되어 전달되고, 브레이드의 스큐 방향이 제1토크발생수단와 반대 방향으로 형성되어 상기 믹서하우징 입구를 통하여 유입되는 액체의 흐름에 의하여 상기 제1토크발생수단와 반대방향으로 회전하는 제2토크발생수단와, 상기 제2토크발생수단의 회전축 타단에 연결되어 상기 제2토크발생수단의 회전력을 반전시켜 전달하는 제2반전기어조립체와, 상기 제2반전기어조립체에 회전축의 일단이 연결되어 상기 제2토크발생수단의 구동력에 의하여 제2토크발생수단와 반대 방향으로 회전하는 제1액교반수단을 포함하는 실시간 고속 믹서에 의하여 해결할 수 있다.

상기 각 반전기어조립체는 구동측 회전축에 축 결합된 구동베벨기어와, 피동측 회전축에 축 결합된 피동베벨기어와, 상기 구동베벨기어 및 피동베벨기어 사이에 결합되어 구동베벨기어의 회전력을 반전시켜 피동베벨기어에 전달하는 2개의 아이들베벨기어와, 상기 베벨기어들을 내부에 수용하면서 기어축을 지지하는 기어박스를 포함하여 구성 될 수 있다.

상기 제1액교반수단은 회전축에 조립된 허브와 상기 허브에 방사 방향으로 60°간격을 두고 설치된 6개의 포울(pole)로 구성될 수 있다.

상기 제1액교반수단에는, 상기 제1반전기어조립체 또는 제2반전기어조립체와 동일한 구조의 반전기어조립체에 의하여 연결되어 선행하는 액교반수단과 반대 방향으로 회전하는 액교반수단이 적어도 1개 이상 더 연결되고 최후의 액교반수단의 회전축 타단은 상기 믹서하우징의 출구측 축지지부에 의해 지지 될 수 있다.

본 발명에 의하면, 제어부가 사용자로부터 혼합액 총용량과 기준 농도를 입력 받고, 입력 받은 기준 농도에 맞게 상기 케미컬원액 산출 총량, DIW 산출 총량, 케미컬원액 산출 공급속도 및 DIW 산출 공급속도를 계산하여 상기 케미컬원액 비례제어밸브(PV1) 및 DIW 비례제어밸브(PV2)를 개폐 조절하고, 실시간 고속 믹서의 반전하는 2개의 프로펠러에 의하여 약액의 빠른 흐름을 액교반수단의 강한 회전 동력으로 전환하여 약액을 혼합함으로써, 약액의 혼합률 및 혼합 속도가 매우 높고, 혼합액의 농도가 균일하고 안정될 뿐만 아니라, 대유량의 혼합액을 실시간으로 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한, 농도변경 또는 공급유량확보를 위해 믹싱시 최소 3개의 탱크를 사용하던 믹싱 장비를, 실시간 고속 믹서를 사용함으로써, 탱크 없이 운용하거나 최대 2개의 혼합액 저장 탱크만 사용하여 운용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 2종의 액체의 혼합액 농도를 POU에서 요구하는 농도에 맞게 실시간으로 변경하여 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한, 다양한 약액의 농도 Program이 입력된 제어부(PLC)를 사용하여 사용자가 간단한 조작만으로도 다양한 약액에 대해 다양한 농도로 실시간 믹싱 공급이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시간 대유량 공급이 가능한 고속 케미칼 믹싱 공급 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 부분 절개 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시간 고속 믹서의 제1프로렐러 및 제2토크발생수단에 대한 배면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시간 고속 믹서의 반전기어조립체에 대한 분해사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 반전기어조립체의 조립도이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시간 고속 믹서의 유체구동회전수단에 대한 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시간 고속 믹서의 액교반수단에 대한 정면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 스프레이 노즐에 대한 부분 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세히 설명한다.

본 발명은 LCD 및 반도체 제조공정 중 사용되는 현상액혼합물 또는 그 외 Alkali혼합물(이후 혼합액) 등의 공정액 생성 및 공급에 사용된다. 최근 Glass 및 Wafer의 대형화에 따라, 실시간 대유량 공급이 가능한 Chemical Mixer와 공급장비에 대한 수요가 발생하고 있다. 이하 본 발명의 실시 예에서는 TMAH(Tetramethylammonium hydroxide)와 DIW(De-Ionized Water)의 혼합액(현상액혼합물) 생성 공급을 예시적으로 설명하지만, 본 발명이 다른 공정액 생성 및 공급에도 그대로 적용될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 실시간 대유량 공급이 가능한 고속 케미칼 믹싱 공급 시스템은 실시간 고속 믹서(23)에 의하여 생성된 혼합액을 POU에 실시간으로 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 선택에 따라, 생성된 혼합액을 저장탱크(T1, T2)에 저장한 후 사후적으로 POU에 공급할 수 있다. 이를 위하여 실시간 고속 믹서(23)에서 혼합되고 펌프(21)에서 가압 된 혼합액을 수송하는 혼합액공급배관(P5)은 POU측 제1공급배관(P17)과 저장탱크측 공급배관(P6)으로 분지되고, 저장탱크측 공급배관(P6)은 제1저장탱크측 공급배관(P7)과 제2저장탱크측 공급배관(P8)으로 분지된다. 또한, 상기 POU측 제1공급배관(P17)에는 제11자동밸브(V11)가 마련되고, 상기 제1저장탱크측 공급배관(P7)에는 제5자동밸브(V5)가 마련되며, 제2저장탱크측 공급배관(P8)에는 제6자동밸브(V6)가 마련된다. POU측 제1공급배관(P17)은 POU에 혼합액을 수송하는 POU측 연결배관(P18)에 연결된다. POU측 연결배관(P18)에는 불순물을 걸러줄 수 있는 파이널 필터(11)가 마련된다. 저장탱크(T1,T2)에 저장된 혼합액을 POU에 공급하기 위해서, 각 저장탱크(T1,T2) 바닥에 혼합액배출관(P9, P12)을 마련한다.제1저장탱크의 혼합액배출관(P9)은 실시간 고속 믹서(23) 및 펌프(21)측으로 연결된 펌프측 혼합액분지관(P10)과 상기 POU측 제1공급배관(P17)에 합류하는 POU측 제2공급배관(P15)에 연결된 POU측 혼합액분지관(P11)으로 분지한다. 펌프측 혼합액분지관(P10)에는 제7자동밸브(V7)를 마련하고 POU측 혼합액분지관(P11)에는 제8자동밸브(V1)를 마련한다. 제2저장탱크의 혼합액배출관(P12)은 실시간 고속 믹서(23) 및 펌프(21)측으로 연결된 펌프측 혼합액분지관(P13)과 상기 POU측 제1공급배관(P17)에 합류하는 POU측 제2공급배관(P15)에 연결된 POU측 혼합액분지관(P14)으로 분지한다. 펌프측 혼합액분지관(P13)에는 제9자동밸브(V9)를 마련하고 POU측 혼합액분지관(P14)에는 제10자동밸브(V10)를 마련한다. 상기 각 저장탱크(T1,T2) 상부에는 고압질소 공급관(P19,P20)과 공기배출관(P21,P22)을 마련한다. 제1저장탱크의 공기배출관(P21)에는 제12자동밸브(V12)를 마련하고, 제2공기배출관(P22)에는 제13자동밸브(13)를 마련한다.

실시간 고속 믹서(23)에서 생성된 혼합액을 펌프(21)에 의하여 가압하여 POU에 실시간 공급할 때는 제11자동밸브(V11)를 열고, 제5자동밸브(V5), 제6자동밸브(V6), 제7자동밸브(V7), 제8자동밸브(V8), 제9자동밸브(V9) 및 제10자동밸브(V10)를 닫는다. 실시간 고속 믹서(23)에서 생성된 혼합물을 펌프(21)에 의하여 가압하여 저장탱크(T1,T2)에 저장할 때는 제11자동밸브(V11), 제7자동밸브(V7), 제8자동밸브(V8), 제9자동밸브(V9) 및 제10자동밸브(V10)를 닫고, 제5자동밸브(V5) 또는 제6자동밸브(6) 중 혼합물을 저장하는 저장탱크측 자동밸브를 연다. 저장탱크(T1,T2)에 저장된 혼합물을 펌프(21)로 가압하여 POU에 공급할 때는 제7자동밸브(V7) 또는 제9자동밸브(V9) 중 혼합물을 공급하는 저장탱크측 자동밸브, 제12자동밸브(V12) 또는 제13자동밸브(V13) 중 혼합물을 공급하는 저장탱크측 자동밸브 및 제11자동밸브(V11)를 열고, 나머지 자동밸브를 모두 닫는다. 저장탱크(T1,T2)에 저장된 혼합물을 고압질소에 의하여 POU에 공급할 때는 제8자동밸브(V8) 또는 제10자동밸브(V10) 중 혼합물을 공급하는 저장탱크측 자동밸브를 열고, 나머지 자동밸브를 모두 닫는다. 동시에 혼합물을 공급하는 저장탱크측 고압질소 공급관(P19,P20)에 고압질소를 투입한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시간 대유량 공급이 가능한 고속 케미칼 믹싱 공급 시스템은 케미컬원액 공급배관(P1)과, DIW 공급배관(P2)과, 액합류배관(P3)을 구비한다. 상기 케미컬원액 공급배관(P1)은 케미컬 레저버로부터 케미컬원액을 수송하는 배관이고 여기에는 케미컬원액 비례제어밸브(PV1)와 제1자동밸브(V1)와 케미컬원액 플로우미터(3)가 마련된다. DIW 공급배관(P2)은 DIW 레저버로부터 DIW를 수송하는 배관이고 여기에는 DIW 비례제어밸브(PV2)와 DIW 플로우미터(5)와 제2자동밸브(V2)와 마련된다. 액합류배관(P3)은 상기 케미컬원액 공급배관(P1)과 DIW 공급배관(P2)에 연결되어 케미컬원액과 DIW가 합류하는 배관이고, 실시간 고속 믹서(23)와 연결되어 케미컬원액과 DIW를 실시간 고속 믹서(23)에 공급한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시간 대유량 공급이 가능한 고속 케미칼 믹싱 공급 시스템은, 상기 액합류배관(P3)으로부터 케미컬원액과 DIW를 투입받아 믹싱(mixing)한 후 혼합액배출배관(P4)을 통해 실시간 배출하는 실시간 고속 믹서(23)와, 혼합액배출배관(P4)에 의해 상기 실시간 고속 믹서(23)와 연결되어 상기 실시간 고속 믹서(23) 내에서의 유체 흐름을 생성하고 실시간 고속 믹서(23)에서 생성된 혼합액을 출력측에 연결된 혼합액공급배관(P5)에 가압 추진하는 펌프(21)와, 사용자로부터 혼합액 총용량과 기준 농도를 입력 받고, 입력 받은 기준 농도에 맞게 상기 케미컬원액 산출 총량, DIW 산출 총량, 케미컬원액 산출 공급속도 및 DIW 산출 공급속도를 계산하여 상기 케미컬원액 비례제어밸브(PV1) 및 DIW 비례제어밸브(PV2)를 개폐 조절하고, 상기 케미컬원액 플로우미터(3)와 DIW 플로우미터(5)로부터 케미컬원액 공급 총량 및 DIW 공급 총량을 입력받고 이들이 각각 케미컬원액 산출 총량 및 및 DIW 산출 총량에 도달하였을 때 상기 제1자동밸브(V1) 및 제2자동밸브(V2)를 닫는 제어부(1)를 구비한다. 상기 제어부(1)는 상술한 다른 자동밸브(V5~V13)도 개폐 제어한다.

상기 펌프(21)의 출력측에 연결된 혼합액공급배관(P5)으로부터 분지된 후 다시 혼합액공급배관(P5)에 합류하는 분지배관(P16)에는 농도센서(9)를 구비한다. 상기 농도센서(9)는 실시간 고속 믹서(23)에서 생성된 혼합액의 농도를 측정한 후 농도에 대응하는 전기 신호를 상기 제어부에 출력하고, 상기 제어부는 측정 농도를 피드백 받고 상기 기준 농도와의 오차값에 따라 상기 케미컬원액 비례제어밸브(PV1) 및 DIW 비례제어밸브(PV2)를 실시간 개폐 조절할 수 있다.

상기 제어부(1)에는 메모리가 마련되고, 상기 메모리에는 기준 농도값에 따른 케미컬원액 공급속도 및 DIW 공급속도 계산식과, 상기 케미컬원액 비례제어밸브(PV1)의 개방 궤도율과 케미컬원액 공급속도간의 실측 상관관계 데이터와, DIW 비례제어밸브(PV2)의 개방 궤도율과 DIW 공급속도간의 실측 상관관계 데이터를 저장한다.

상기 DIW 공급배관(P2)의 DIW 플로우미터(5) 및 제2자동밸브(V2) 사이에는 제3자동밸브(V3)가 마련된 DIW 회수배관(P23)을 마련하고, DIW 비례제어밸브(PV2)의 개방 궤도율과 DIW 플로우미터(5)의 유량값을 이용하여 DIW 비례제어밸브(PV2)의 개방 궤도율과 DIW 공급속도간의 실측 상관관계 데이터를 획득한다. DIW 회수배관(P23)과 DIW 공급배관(P2) 사이에는 제4자동밸브(V4)가 마련된 DIW 순환배관(P24)을 더 마련할 수 있다.

상기 케미컬원액 공급배관(P1)에는 케미컬원액 공급 속도를 셋팅값으로 자동 제어하는 케미컬 레귤레이터(7)를 더 마련하고, 상기 제어부(1)는 케미컬원액 산출 공급속도에 따라 상기 케미컬 레귤레이터(7)를 셋팅한다.

상기 케미컬원액 공급배관(P1)이 액합류배관(P3)에 합류하는 지점에는 케미컬원액 공급배관(P1)에서 공급되는 케미컬원액을 액합류배관(P3)에 확산하여 분사할 수 있는 스프레이 노즐(Spray Nozzle)(13)을 마련한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 스프레이 노즐(13)은 노즐 몸체(15)와 노즐 몸체(15)에 결합되어 노즐캡(17)과 노즐캡(17) 내부에 마련된 베인(19)을 포함하고, 상기 베인(19)은 노즐캡(17)을 통하여 케미컬 원액이 분사될 때 분사액을 확산시키는 기능을 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 실시간 고속 믹서(23)는 상기 액합류배관(P3)에 연결되는 믹서하우징(25)과, 상기 펌프(21)를 통해 상기 믹서하우징(25) 내부에 발생한 빠른 유체의 흐름을 강한 회전력으로 전환하는 유체구동회전수단(31a,31b,39a)과, 상기 유체구동회전수단(31a,31b,39a)에 의하여 회전하면서 케미컬원액과 DIW를 교반하는 제1액교반수단(57a)을 포함한다.

도 2 및 제3에 도시된 바와 같이, 상기 유체구동회전수단(31a,31b,39a)은 상기 믹서하우징(25) 내부에 유입되는 액의 흐름에 의하여 회전하는 제1토크발생수단(31a)와 상기 제1토크발생수단(31a)와 제1반전기어조립체(39a)에 의하여 축이음되어 제1토크발생수단(31a)와 반대 방향으로 회전하는 제2토크발생수단(31b)로 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1토크발생수단(31a)와 제2토크발생수단(31b)는 브레이드(33a, 33b)의 스큐(skew) 방향이 반대 방향으로 형성됨에 의하여 동일한 방향의 유체 흐름에 의하여 반대방향의 회전을 한다.

약액 내에서 프로펠러가 고속으로 회전하게 되면 기포가 발생하면서 액압이 저하되는데 발생한 기포는 압력이 높은 부분에 이르면 급격히 부서져 소음이나 진동이 발생하고, 프로펠러의 동력 전환 효율을 떨어뜨리는 Cavitation이 발생 되는데, 본 발명은 반전하는 제2토크발생수단(31a)를 제1토크발생수단(31b)에 연결하여 이문제를 해결하였을 뿐만 아니라, 제2토크발생수단(31a)의 회전력을 제1토크발생수단(31a)의 회전력에 의하여 보강함으로써, 단일 프로펠러를 사용하는 경우에 비하여 토크를 2배로 키웠다. 또한, 프로펠러 브레이드(33a, 33b)에 스큐(skew)를 크게 주고, 4개의 브레이드를 사용하여 확장 면적비를 증가시켰을 뿐만 아니라, Rake Lines의 경사각을 15°로 낮게 하여 직접적인 추력의 효율성을 높이고 빠른 회전력을 얻도록 하였다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제1토크발생수단(31a)에 의하여 발생한 회전력은 제1반전기어조립체(39a)를 통하여 제2토크발생수단(31b)에 전달되고, 제2토크발생수단(31a)에는 유체 흐름에 의한 자체적인 회전력뿐만 아니라 제1토크발생수단(31a)에서 전달된 회전력도 작용하여 큰 토크가 발생하고, 별도의 다른 동력 없이도 연결된 제1액교반수단(57a)을 고속으로 회전시킬 수 있게 된다.

도 2 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1액교반수단(57a)은 상기 제2토크발생수단(31b)와 제2반전기어조립체(39b)에 의하여 축이음되어 제2토크발생수단(31b)와 반대 방향으로 회전하는 허브(58)와 상기 허브(58)에 방사 방향으로 60°간격을 두고 설치된 6개의 포울(pole)(63)로 구성될 수 있다.

상기 제1액교반수단(57a)에는 상기 반전기어조립체(39c ~ 39g)를 매개로 다수의 액교반수단(57b ~ 57f)이 연결될 수 있고, 인접한 액교반수단은 모두 반전기어조립체에 의하여 반대방향의 고속 회전을 하게 된다. 따라서, 대유량의 혼합액을 빠르게 생성할 수 있는 것이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 반전기어조립체(39a,39b)는 구동측 축에 연결되는 구동베벨기어(41)와, 피동측 축에 연결되는 피동베벨기어(43)와, 상기 구동베벨기어(41) 및 피동베벨기어(43) 사이에 결합되어 구동베벨기어(41)의 회전력을 반전시켜 피동베벨기어(43)에 전달하는 2개의 아이들베벨기어(45)와, 상기 베벨기어들(41,43,45)을 내부에 수용하면서 기어축(55a,55b,47)을 지지하는 기어박스(49a,49b)를 포함하여 구성할 수 있다.

다시 도 2 및 도 6을 참조하면 알수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시간 고속 믹서는 관체 형상이고 입구와 출구에는 축지지부(27a, 27b)가 마련된 믹서하우징(25)과, 상기 믹서하우징(25)의 입구측 축지지부(27a)에 회전축(55a)의 일단이 지지되고 상기 믹서하우징(25) 입구를 통하여 유입되는 액체의 흐름에 의하여 회전하는 제1토크발생수단(31a)와, 상기 제1토크발생수단(31a)의 회전축(55a)의 타단에 연결되어 상기 제1토크발생수단(31a)의 회전력을 반전시켜 축 전달하는 제1반전기어조립체(39a)와, 상기 제1반전기어조립체(39a)에 회전축(35b)의 일단이 연결되어 제1토크발생수단(31a)의 회전력이 반전되어 전달되고, 브레이드의 스큐 방향이 제1토크발생수단(31a)와 반대 방향으로 형성되어 상기 믹서하우징(25) 입구를 통하여 유입되는 액체의 흐름에 의하여 상기 제1토크발생수단(31a)와 반대방향으로 회전하는 제2토크발생수단(31b)와, 상기 제2토크발생수단(31b)의 회전축 타단에 연결되어 상기 제2토크발생수단(31b)의 회전력을 반전시켜 전달하는 제2반전기어조립체(39b)와, 상기 제2반전기어조립체(39b)에 회전축(35b)의 일단이 연결되어 상기 제2토크발생수단(31b)의 구동력에 의하여 제2토크발생수단(31b)와 반대 방향으로 회전하는 제1액교반수단(57a)을 포함하여 구성되어, 인접하여 설치된 펌프(21)에 의한 유체 흐름을 빠른 액교반수단의 회전으로 전환시킴으로써, 약액의 혼합률 및 혼합 속도가 매우 높고, 혼합액의 농도가 균일하고 안정될 뿐만 아니라, 대유량의 혼합액을 실시간으로 공급할 수 있는 효과가 있다. 이때, 상기 각 반전기어조립체(39a, 39b)는 구동측 회전축에 축 결합된 구동베벨기어(41)와, 피동측 회전축에 축 결합된 피동베벨기어(43)와, 상기 구동베벨기어(41) 및 피동베벨기어(43) 사이에 결합되어 구동베벨기어(41)의 회전력을 반전시켜 피동베벨기어(43)에 전달하는 2개의 아이들베벨기어(45)와, 상기 베벨기어들(41,43,45)을 내부에 수용하면서 기어축(55a,55b,47)을 지지하는 기어박스(49a,49b)를 포함하여 구성될 수 있고, 상기 제1액교반수단(57a)은 회전축(59)에 조립된 허브(58)와 상기 허브(58)에 방사 방향으로 60°간격을 두고 설치된 6개의 포울(pole)(63)로 구성될 수 있으며, 상기 제1액교반수단(57a)에는, 상기 제1반전기어조립체(39a)와 동일한 구조의 반전기어조립체(39c ~ 39g)에 의하여 연결되어 선행하는 액교반수단(57a ~ 57e)과 반대 방향으로 회전하는 액교반수단(57b ~ 57f)이 적어도 1개 이상 더 연결되고 최후의 액교반수단(57f)의 회전축 타단은 상기 믹서하우징(25)의 출구측 축지지부(27b)에 의해 지지 되는 것이다.

이와 같이, 본 발명에 따른 실시간 대유량 공급이 가능한 고속 케미칼 믹싱 공급 시스템은 일체형 Type의 하우징 내에 유체 흐름에 의하여 강한 회전력을 만드는 이중 반전 프로펠러(31a, 31b)와 60°간격으로 포울(pole)이 설치된 액교반수단(57a ~ 57f)과 각 프로펠러(31a, 31b) 및 액교반수단 의 사이에 동력을 반전 시켜 전달하는 반전기어조립체(39a ~ 39g)를 수용한 실시간 고속 믹서(23)와, 유량계(플로우미터), 레귤레이터, 자동밸브, 비례제어밸브 등을 통해 유량제어신호를 출력하는 제어부와, 혼합액의 농도를 검측하는 농도 센서를 가지는 장비로서, 요구하는 혼합액의 농도를 Program화한 후 실시간 고속 믹서에 공급되는 유량조절을 통하여 정량비율의 케미컬원액과 DIW(De-Ionized Water)의 혼합이 가능하고, 이 공급량이 변하여도 유량 제어를 통해 실시간 대유량 공급 대응이 가능한 시스템이다.

본 발명에 따른 System은 사용자의 간단한 조작에 의해 원하는 농도를 설정하면 제어부(1)에 삽입된 농도 Program과 비례제어밸브(PV1, PV2)의 궤도율이 적용돼 유량조절을 통하여 그 투입량을 맞출 수 있다.

특히 믹싱 전 유량검증 프로세스를 적용 DIW의 유량변동을 감지하기 위해 DIW 플로우미터(3)를 통해 Setting유량을 검증하고 Setting값이 변한 경우 이를 제어부(1)통해 비례제어밸브의 궤도를 유동적으로 조절할수 있다.

본 발명에 의하면, 2차 Mixing이 필요가 없으며 표 2의 기준으로 3㎥ 1Tank Mixing에 최대 15분밖에 소요되지가 않는다.

또한 공급방식에 있어 N₂ 가압방식과 Pump 가압방식을 모두 사용하여, 사용자가 종전의 Mixing 방식을 원할 경우에도 간단한 조작에 의해 믹싱이 가능하다.

<실시 예>

2종 Mixing으로 가장 많이 사용되는 현상액(TMAH)2.38%의 경우 Tank용량 별 조합비는 다음과 같다.

이때 Mixer로 유입되는 원액과 DIW의 분당유량은 다음과 같다.

(최소 유량이며 요구 농도 및 Tank용적에 따라 DIW, 원액비율도 증, 감할 수 있다)

이외에도 다른 농도 별 Data도 Program화 하여간단한 조작으로 변경이 가능하다.

케미컬원액 비례제어밸브(PV1)와 유량속도(liter/m)의 상관 관계는 다음과 같다.

[원액]

도 1에 도시된 바와 같이, DIW는 믹싱 전 유량검증 프로세스를 통해 제2자동밸브(V2)가 Close된 상태에서 제4자동밸브(V4)가 Close되고 제3자동밸브(V3)가 Open 되면서 DIW플로우미터(5)가 DIW의 유량을 측정한 후 Setting된 유량값에 맞추어 비례제어밸브(PV2)가 궤도를 조정하면, 제3자동밸브(V3)가 Close되고, 제2자동밸브(V2)가 Open 되면서 공급을 시작한다. 제2비례제어밸브(PV2)의 궤도율에 따른 유량 확인결과는 다음과 같다.

[DIW]

케미컬원액을 위한 제1자동밸브(V1)가 Open 되고 TMAH2.38%, 3㎥, 1Tank기준으로 가정하면 표 2 값이 적용되어 케미컬 레귤레이터(8)의 Setting값으로 공급되도록 케미컬원액 비례제어밸브(PV1)의 궤도률이 조정되며, 공급유량을 케미컬원액 플로우미터(3)가 Monitoring하면서 유량이 변할 경우 유동적으로 케미컬원액 비례제어밸브(PV1)의 궤도를 조정한다.

특히 케미컬원액의 경우는 실시간 고속 믹서(23)로 유입되기 전 DIW와 혼합률을 높이기 위해 Spray Nozzle(13)을 이용하여 분사하였다. 이렇게 할 경우 DIW와의 혼합률이 높아져 실시간 고속 믹서(23)로 유입되는 과정에서 1차 믹싱의 효과를 얻게 된다. 스프레이 노즐은 Orifice 직경 6.7mm를 사용하였으며 공급압력은 0.5~1.5kg/㎠, 사용 시 분사각도는 88~91°로 설정 하였다.

표 2에 근거하여 기준 농도 2.38%, 3㎥ 1Tank기준 실시간 고속 믹서 이후 농도센서에서의 판정 결과는 펌프 주파수 대역이 40~60[Hz]이고, 프로펠러(31a, 31b)의 회전수가 1150~1750[RPM]사이일 때 TMAH2.38%의 관리 스펙인 2.377~2.379%의 농도가 검출되었고 Mixing 완료시간은 약 14분이 소요되었다.

상기의 조건들로 실시한 본 발명의 실시간 고속 믹서의 성능 Test결과는 다음과 같다.

1 : 제어부 3 : 케미컬원액 플로우미터
5 : DIW 플로우미터 7 : 케미컬 레귤레이터
9 : 농도 센서 11 : 파이널 필터
13 : 스프레이 노즐 15 : 노즐몸체
17 : 노즐캡 19 : 베인
21 : 펌프 22 : 노즐연결구
23 : 실시간 고속 믹서 25 : 믹서 하우징
27a, 27b : 축지지부 29 : 메시
31a, 31b : 프로펠러 33a, 33b : 브레이드
35a, 35b : 회전축 36 : 보스
37 : 기어축 결합홈 39a ~ 39g : 반전기어조립체
41 : 구동베벨기어 43 : 피동베벨기어
45 : 아이들베벨기어 47 : 기어축
49a, 49b : 기어박스 51 : 기어축공
53 : 베어링 55a, 55b : 기어축
57a ~ 57f :액교반수단 58 : 허브
59 : 회전축 61 : 기어축 결합공
63 : 포울(pole) P1 ~ P24 : 배관
V1 ~ V13 : 자동밸브 PV1, PV2 : 비례제어밸브
T1, T2 : 저장 탱크

Claims

관체 형상이고 입구와 출구에는 축지지부(27a, 27b)가 마련된 믹서하우징(25);
브레이드(33a)와 회전축(55a)으로 이루어지고 상기 믹서하우징(25)의 입구측 축지지부(27a)에 상기 회전축(55a)의 일단이 지지되고 상기 믹서하우징(25) 입구를 통하여 유입되는 액체의 흐름에 의하여 브레이드(33a)가 회전하면서 회전축(55a)에 토크를 발생시키는 제1토크발생수단(31a);
상기 제1토크발생수단(31a)의 회전축(55a)의 타단에 연결되어 상기 제1토크발생수단(31a)의 회전력을 반전시켜 축 전달하는 제1반전기어조립체(39a);
브레이드(33b)와 회전축(55b)으로 이루어지고 상기 제1반전기어조립체(39a)에 상기 회전축(55b)의 일단이 연결되어 액체의 흐름에 의하여 제1토크발생수단(31a)에 발생한 회전력이 상기 제1토크발생수단(31a)의 회전축(55a)과 상기 제1반전기어조립체(39a)에 의해 반전되어 전달되고, 상기 브레이드(33b)의 스큐 방향이 제1토크발생수단(31a)과 반대 방향으로 형성되어 상기 믹서하우징(25) 입구를 통하여 유입되는 동일 방향의 액체의 흐름에 의하여 상기 제1토크발생수단(31a)와 반대방향의 토크가 상기 회전축(55b)에 발생하여, 상기 제1반전기어조립체(39a)에 의하여 전달된 상기 제1토크발생수단(31a)의 회전력과 액체의 흐름에 의하여 자체적으로 발생하는 회전력이 결합하여 2배의 토크가 회전축(55b)에 작용하는 제2토크발생수단(31b);
상기 제2토크발생수단(31b)의 회전축(55b) 타단에 연결되어 상기 제2토크발생수단(31b)의 회전력을 반전시켜 전달하는 제2반전기어조립체(39b);
상기 제2반전기어조립체(39b)에 회전축(35b)의 일단이 연결되어 상기 제2토크발생수단(31b)의 구동력에 의하여 제2토크발생수단(31b)과 반대 방향으로 회전하는 제1액교반수단(57a);을 포함하는 실시간 고속 믹서.
제1항에 있어서,
상기 각 반전기어조립체(39a, 39b)는 구동측 회전축에 축 결합된 구동베벨기어(41)와, 피동측 회전축에 축 결합된 피동베벨기어(43)와, 상기 구동베벨기어(41) 및 피동베벨기어(43) 사이에 결합되어 구동베벨기어(41)의 회전력을 반전시켜 피동베벨기어(43)에 전달하는 2개의 아이들베벨기어(45)와, 상기 베벨기어들(41,43,45)을 내부에 수용하면서 기어축(55a,55b,47)을 지지하는 기어박스(49a,49b)를 포함하여 구성된 것를 특징으로 하는 실시간 고속 믹서.
제1항에 있어서,
상기 제1액교반수단(57a)은 회전축(59)에 조립된 허브(58)와 상기 허브(58)에 방사 방향으로 60°간격을 두고 설치된 6개의 포울(pole)(63)로 구성된 것을 특징으로 하는 실시간 고속 믹서.
제1항에 있어서,
상기 제1액교반수단(57a)에는, 상기 제1반전기어조립체(39a)와 동일한 구조의 반전기어조립체(39c ~ 39g)에 의하여 연결되어 선행하는 액교반수단(57a ~ 57e)과 반대 방향으로 회전하는 액교반수단(57b ~ 57f)이 적어도 1개 이상 더 연결되고 최후의 액교반수단(57f)의 회전축 타단은 상기 믹서하우징(25)의 출구측 축지지부(27b)에 의해 지지 되는 특징으로 하는 실시간 고속 믹서.