KR102014942B1 - 유해가스 분해용 반응기 - Google Patents

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Abstract

유해가스 분해용 반응기가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유해가스 분해용 반응기는, 플라즈마 토치의 일단을 감싸면서 상기 플라즈마 토치와 함께 플라즈마 제트 발생 공간을 형성하며, 수분을 첨가한 제1 가스가 유입되는 제1 유입로 및 유해가스가 유입되는 유해가스 유입로를 구비하는 제1 반응부; 상기 제1 반응부에서 연장 형성되며, 내부에 단열재를 구비하는 제2 반응부; 상기 제2 반응부에서 연장 형성되며, 제2 가스가 유입되는 제2 유입로를 구비하는 제3 반응부; 및 상기 제3 반응부에서 연장 형성되며, 상기 제3 반응부를 통과한 처리가스에 수분을 분사하는 분사부를 포함한다.

Description

유해가스 분해용 반응기{A REACTOR FOR HARMFUL GAS DECOMPOSITION}
본 발명은 유해가스 분해용 반응기에 관한 것이다.
물질의 상태는 고체, 액체, 기체로 구분된다. 고체에 에너지를 가하면 액체가 되고, 상기 액체에 다시 에너지를 가하면 기체가 된다. 이러한 기체에 보다 높은 에너지를 가하면 전기적 극성을 갖는 전자 및 이온으로 구성된 제 4의 물질 상태인 플라즈마가 발생된다. 자연 상태에서는 번개, 오로라, 대기 속의 이온층 등으로 관찰되며, 일상 생활에서 볼 수 있는 인공적인 플라즈마 상태로는 형광등, 수은등, 네온사인 등이 있다.
일반적으로, 플라즈마는 발생 시의 압력 조건에 따라 발생기술 및 사용영역이 다르다. 구체적으로, 압력이 낮은 진공 조건에서는 플라즈마를 안정적으로 발생시킬 수 있기 때문에 반도체 공정, 신소재 합성 공정 등의 경우에는 플라즈마를 발생시켜 화학반응, 증착, 부식에 이용하며, 대기압 상태의 플라즈마는 환경에 유해한 가스를 처리하거나 새로운 물질을 만드는데 이용된다.
특히, 반도체 공정이나 LCD 공정 등에서 배출되는 가스는 유독성, 폭발성 및 부식성이 강하기 때문에 인체에 유해할 뿐만 아니라, 대기 중으로 방출될 경우에는 환경 오염을 유발하는 원인이 되기도 한다. 이에, 반도체 공정 등에서 배출되는 가스를 처리하는 과정이 반드시 필요하다.
예를 들면, 반도체 공정에서 발생되는 CF4, NF3, 및 C2F6, C3F8, C4F10, CHF3, SF6 등과 같은 과불화화합물(Perfluorocompounds; PFCs)은 지구 온난화를 유발하고, 인체에 유해하므로, 대기로 배출되기 전에 스크러버(Scrubber)를 이용한 처리 과정을 거쳐야 한다.
일반적으로, 과불화화합물(Perfluorocompounds; PFCs)은 난분해성 물질로 처리 온도가 높아, 플라즈마 방식의 스크러버에서 완전한 처리를 위해서는 많은 양의 전기 에너지가 필요할 수 있다.
또한, 플라즈마 스크러버 내 반응기를 거치면서 과불화화합물(Perfluorocompounds; PFCs)은 처리 가능한 새로운 부산물로 전환되고 wet spray과정을 거치면서 다량의 부식성 물질들이 배출될 수 있다.
대한민국 등록특허 1111207호 (2012.01.25. 등록) 대한민국 등록특허 1573844호 (2015.11.26. 등록)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반도체 공정 등에서 발생하는 과불화화합물(PFCs) 등을 포함하는 유해가스의 처리 과정에서 수분(H2O)을 첨가하여 처리온도를 낮추어 처리에 필요한 전기에너지를 줄일 수 있는 유해가스 분해용 반응기를 제공한다.
또한, 과불화화합물(PFCs) 등을 포함하는 유해가스들이 반응기를 거쳐 생성된 부산물 중 HF 등의 농도를 높여 wet spray 공정에서 흡수가 많아지도록 하여 덕트(Duct)로 배출되는 부식성 물질을 최소화할 있는 유해가스 분해용 반응기를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유해가스 분해용 반응기는, 플라즈마 토치의 일단을 감싸면서 상기 플라즈마 토치와 함께 플라즈마 제트 발생 공간을 형성하며, 수분을 첨가한 제1 가스가 유입되는 제1 유입로 및 유해가스가 유입되는 유해가스 유입로를 구비하는 제1 반응부; 상기 제1 반응부에서 연장 형성되며, 내부에 단열재를 구비하는 제2 반응부; 상기 제2 반응부에서 연장 형성되며, 제2 가스가 유입되는 제2 유입로를 구비하는 제3 반응부; 및 상기 제3 반응부에서 연장 형성되며, 상기 제3 반응부를 통과한 처리가스에 수분을 분사하는 분사부를 포함한다.
또한, 상기 제1 반응부는, 상기 유해가스 유입로가 상기 제1 유입로의 상부에 위치할 수 있다.
또한, 상기 유해가스 유입로가 상기 플라즈마 제트 발생 공간으로 돌출된 상기 플라즈마 토치의 측부에 근접하여 위치할 수 있다.
또한, 상기 제1 반응부는, 상기 제1 유입로가 형성되는 제1 노즐을 구비하며, 상기 제1 노즐은, 상기 플라즈마 토치의 하부에 근접한 상기 제1 노즐의 모서리 부분이 사선으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 반응부는, 상기 수분을 첨가하는 혼합기류 형성모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 혼합기류 형성모듈은, 소정의 속도로 가스가 흐르는 홀을 구비한 제1 유입관과, 상기 홀에 수직으로 연결되어 상기 홀의 연결 부위까지 물이 채워지는 수분 노즐을 포함할 수 있다.
또한, 상기 혼합기류 형성모듈은, 상기 홀의 연결 부위의 물의 표면장력에 의해 상기 홀의 연결 부위를 지나면서 상기 가스에 수분이 첨가될 수 있다.
또한, 상기 제1 반응부는, 상기 플라즈마 토치의 플라즈마 제트의 형성 방향에 수직한 방향 또는 상기 플라즈마 제트의 형성 방향에 평행한 방향 중 적어도 하나의 방향으로 상기 제1 가스를 유입시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 유입로는, 상기 플라즈마 토치의 플라즈마 제트의 형성 방향에 수직한 방향으로 상기 제1 가스를 유입시키는 제1 배출홀 및 상기 플라즈마 제트의 형성 방향에 평행한 방향으로 상기 제1 가스를 유입시키는 제2 배출홀을 구비할 수 있다.
또한, 상기 제2 반응부는, 상기 제1 반응부 측에서 상기 제3 반응부 측으로 갈수록 내경이 줄어들 수 있다.
또한, 상기 제3 반응부는, 상기 제2 반응부를 통과하는 처리가스의 흐름 방향에 수직한 방향 또는 상기 제3 반응부를 통과하는 처리가스의 흐름 방향에 평행한 방향 중 적어도 하나의 방향으로 상기 제2 가스를 유입시킬 수 있다.
그리고, 상기 제2 유입로는, 상기 제2 반응부를 통과하는 처리가스의 흐름 방향에 수직한 방향으로 상기 제2 가스를 유입시키는 제3 배출홀 및 상기 제3 반응부를 통과하는 처리가스의 흐름 방향에 평행한 방향으로 상기 제2 가스를 유입시키는 제4 배출홀을 구비할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 공정 등에서 발생하는 과불화화합물(PFCs) 등을 포함하는 유해가스의 처리에 소요되는 전력을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해가스 분해용 반응기의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 유해가스 분해용 반응기의 제1 반응부의 제1 유입로를 포함하여 확대 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 제1 유입로에 연결되는 혼합기류 형성모듈을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 유해가스 분해용 반응기의 제2 반응부의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1의 유해가스 분해용 반응기의 제2 반응부의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 도 1의 유해가스 분해용 반응기의 제3 반응부의 제2 유입로를 포함하여 확대 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 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 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 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.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "이루어지다(made of)"는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해가스 분해용 반응기의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유해가스 분해용 반응기(10)는 제1 반응부(100), 제2 반응부(200), 제3 반응부(300), 분사부(400)를 포함한다. 제1 반응부(100)에서 플라즈마 제트 발생 공간(101)을 형성하여 1차적으로 유해가스를 처리한다. 제1 반응부(100)에서 일부 처리된 유해가스는 상기 제1 반응부(100)와 연통된 제2 반응부(200)로 이동하며, 상기 제1 반응부(100)에서 상기 제2 반응부(200)까지 플라즈마 제트(P)를 형성하여 상기 상기 제2 반응부(200)에서 유해가스를 처리한다. 제2 반응부(200)를 통과한 처리가스는 상기 제2 반응부(200)와 연통된 제3 반응부(300)로 이동하며, 제3 반응부(300)에서 3차적으로 유해가스를 처리한다. 그리고, 제3 반응부(300)와 연통된 분사부(400)에서 제3 반응부(300)를 통과한 처리가스에 수분을 분사하여 처리한다.
이하에서는 유해가스 분해용 반응기(10)의 각 구성요소를 상세히 살펴보도록 한다.
도 2는 도 1의 유해가스 분해용 반응기의 제1 반응부의 제1 유입로를 포함하여 확대 도시한 도면이다. 또한, 도 3은 도 2의 제1 유입로에 연결되는 혼합기류 형성모듈을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1 반응부(100)는 플라즈마 토치(50)의 일단을 감싸면서 상기 플라즈마 토치(50)와 함께 플라즈마 제트 발생 공간(101)을 형성한다.
여기에서, 도면에 구체적으로 도시하지 않았으나, 플라즈마 토치(50)는 음극 전극(미도시) 및 상기 음극 전극에 이격되어 위치하는 양극 전극(미도시)을 구비한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 플라즈마 토치(50)의 일부분, 즉 플라즈마 토치(50)의 일단이 플라즈마 제트 발생 공간(101)으로 돌출되어 위치하며, 통전을 방지하기 위해, 음극 전극이 위치하는 음극 어셈블리(미도시)와 양극 전극이 위치하는 양극 어셈블리(미도시)의 접촉 부위는 절연체(미도시)가 게재된다.
도면에 도시하지 않았으나, 보다 구체적으로 음극 어셈블리의 일단에 고전압이 인가되는 음극 전극이 하부에 구비되고, 내부에는 냉각수가 흐르는 통로(미도시)가 형성될 수 있다. 상기 냉각수가 흐르는 통로는 음극 전극까지 연장되도록 함으로써, 작동 시 고온의 음극 전극을 효율적으로 냉각하여 음극 전극의 마모를 방지할 수 있다.
여기에서, 음극 전극은 하프늄 재질, 이트륨 또는 토륨이 함유된 텅스텐 재질 등으로 구성될 수 있으나, 이에만 한정되지 않는다. 이러한 음극 전극은 양극 전극에 비해 전위가 낮고, 고전압이 인가되어 걸리게 된다.
그리고, 양극 어셈블리는 음극 전극을 감싸며, 양극 전극 및 음극 전극에 의해 플라즈마 불꽃을 일으킬 수 있다. 이러한 양극 어셈블리는 원통형 등의 형상을 가질 수 있다. 양극 어셈블리는 고전압 인가 시, 음극 전극 사이에 플라즈마를 발생하는 양극 전극을 구비한다.
여기에서, 양극 전극은 고전압 인가 시, 아크를 생성할 수 있는 구리(Cu) 또는 텅스텐(W) 재질로 구성될 수 있으나, 이에만 한정되지 않는다. 이러한 양극 전극은 음극 전극에 비해 전위가 높고, 고전압이 인가되어 걸리게 된다. 또한, 양극 전극은 음극 전극을 감싸는 형태로써, 실린더 타입으로 구성될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 플라즈마 토치(50) 및 제1 반응부(100)에 의해 플라즈마 제트 발생 공간(101)을 형성한다. 구체적으로, 제1 반응부(100)는 제1 지지체(105)에 플라즈마 토치(50)가 연결되며, 제1 몸체(110)가 상기 제1 지지체(105)에 연결되어 플라즈마 제트 발생 공간(101)을 형성한다.
또한, 제1 몸체(110)에 유해가스가 유입되는 유해가스 유입로(126)가 형성되며, 제1 노즐(115)에 수분을 첨가한 제1 가스가 유입되는 제1 유입로(116)가 형성된다. 보다 구체적으로, 제1 유입로(116)는 제1 몸체(110)에 연결되는 측부 지지체(112) 및 제1 노즐(115)을 관통하여 형성될 수 있다.
유해가스 유입로(126)는 플라즈마에 의해 처리되는 유해가스가 유입되는 통로이다. 유해가스는 CF4, NF3, 및 C2F6, C3F8, C4F10, CHF3, SF6 등과 같은 과불화합물(Perfluorocompounds; PFCs)을 포함하며, 이에만 제한되지 않고 플라즈마에 의해 처리되는 모든 유해가스를 포함한다. 예를 들어, 과불화합물(Perfluorocompounds), 염화불화탄소(Chlorofluorocarbons), 수소화염화탄소(Hydrofluorocarbons), 수소화염화불환탄소(Hydrochlorofluoro carbons), 다이옥신(Dioxin), 퓨란(Furan), 휘발성유기화합물(VOCs), 폴리염화비페닐(Polychlorinatedbiphenyl) 및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 적어도 하나일 수 있다.
제1 유입로(116)는 유해가스와 반응이 이루어지는 반응물질이 유입되는 통로이다. 반응물질이 유입되는 통로는 제1 유입로(116)와 제2 유입로(316)가 있으며, 제1 유입로(116)는 제1 노즐(115)을 관통하여 형성되며, 제2 유입로(316)는 제3 반응부(300)의 제2 노즐(315)을 관통하여 형성된다.
상기 제1 유입로(116)에는 수분을 첨가한 제1 가스가 유입된다. 제1 가스는 반응물질인 공기, 아르곤, 질소, 헬륨, 수소, 산소 및 이들 중 복수개를 혼합한 가스로 구성될 수 있으며, 여기에 물(H2O)을 공급하여 수분이 첨가된다.
보다 구체적으로, 제1 가스에 첨가된 수분은 플라즈마 제트(P) 근처에 위치한 제1 노즐(115)에 형성된 제1 유입로(116)를 통과하면서 상기 플라즈마 제트(P)의 고열에 의해 가열된 제1 노즐(115)의 내부를 통과하게 되어 급격히 가열이 된다. 이에 따라, 제1 가스에 첨가된 수분은 스팀 또는 건증기가 되어, 플라즈마 제트 발생 공간(101)에 공급된다.
이에, 과불화화합물(PFCs)이 단독으로 분해할 경우 고온의 온도가 필요하지만, 상기 공기, 수분과 같은 반응물질을 분해 반응에 추가로 첨부할 경우 분해 온도를 낮출 수 있다. 특히, 과불화화합물(PFCs)을 반응물질 없이 단독으로 분해, 처리하는 데 800℃ 이상의 높은 분해온도를 가질 경우, 더욱 바람직하게는 수분을 반응물로 첨가하는 것이 분해, 처리 공정에 필요한 전력을 낮추는 데 효과적일 수 있다. 또한, 바람직하게는 과불화화합물(PFCs)이 분해되는 과정에서 발생하는 불소(F2)가 가열된 수분을 통해 공급되는 수소(H)와 결합하여 HF 형태로 전환되고, 탄소(C)와 수분 중의 산소(O) 소스와 반응하여 CO2로 전환될 수 있다.
구체적인 반응식은 다음과 같다.
CF4 + 2H2O → 4HF + CO2
이때, 유해가스 유입로(126)가 제1 유입로(116)의 상부에 위치하는 것이 바람직하다. 유해가스 유입로(126)가 제1 유입로(116)의 상부에 위치하여 유해가스는 수분을 첨가한 반응물질이 공급되는 플라즈마 제트 발생공간(101)을 통과하게 되고, 보다 낮은 분해온도에서 PFC의 처리 효율을 더 높일 수 있게 된다.
또한, 유해가스 유입로(126)는 플라즈마 토치(50)에 근접 위치하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 유해가스 유입로(126)는 플라즈마 제트 발생 공간(101)으로 돌출된 플라즈마 토치(50)의 측부에 근접 위치할 수 있다. 유해가스 유입로(126)가 플라즈마 토치(50)에 근접 위치하여 플라즈마 제트(P)가 시작되는 부분에서부터 유해가스가 유입될 수 있고, 유해가스가 플라즈마 제트의 흐름과 연동하여 유입되면서 처리될 수 있다.
또한, 유해가스 유입로(126)를 통해 유입된 유해가스의 원활한 이동 및 고른 분산을 위해, 플라즈마 토치(50)의 하부에 근접한 제1 노즐(115)의 모서리 부분이 사선(115A)으로 형성될 수 있다. 제1 노즐(115)의 모서리 부분이 사선(115A)으로 형성되어 플라즈마 토치(50)의 하부에 근접 위치한 유해가스 유입로(126)를 통해 유입되는 유해가스가 제1 노즐(115)의 모서리 부분의 사선(115A)을 따라 원활히 이동할 수 있고, 고르게 분산될 수 있게 된다.
여기에서, 제1 반응부(100)는 플라즈마 토치(50)의 플라즈마 제트(P)의 형성 방향에 수직한 방향 또는 상기 플라즈마 제트(P)의 형성 방향에 평행한 방향 중 적어도 하나의 방향으로 제1 가스를 유입시킬 수 있다. 즉, 제1 유입로(116)를 통해 유입되는 제1 가스의 방향은 플라즈마 제트(P)의 형성 방향에 수직 방향 또는 수평 방향일 수 있다.
바람직하게는, 플라즈마 제트(P)의 형성 방향에 수직 방향 및 수평 방향으로 제1 유입로(116)를 통해 제1 가스가 유입될 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 유입로(116)가 플라즈마 토치(50)의 플라즈마 제트(P)의 형성 방향에 수직한 방향으로 제1 가스를 유입시키는 제1 배출홀(116a)과, 상기 플라즈마 토치(50)의 상기 플라즈마 제트(P)의 형성 방향에 평행한 방향으로 상기 제1 가스를 유입시키는 제2 배출홀(116b)을 구비할 수 있다.
상기 제1 배출홀(116a)을 따라 상기 제1 가스가 유입되는 경우, 상기 제1 가스가 플라즈마 제트(P) 측으로 바로 유입되고, 고열에 의해 스팀이 공급되는 공간이 형성될 수 있다. 상기 제1 배출홀(116a)을 따라 유입되는 제1 가스가 PFC 분해 효율 향상 기능을 수행하는 가상의 에어커튼(air curtain)과 같은 역할을 한다.
상기 제2 배출홀(116b)을 따라 상기 제1 가스가 유입되는 경우, 상기 제1 가스가 플라즈마 제트(P)가 생성되는 방향을 따라 상기 제1 가스가 유입될 수 있다. 특히, 상기 제2 배출홀(116b)을 따라 상기 제1 가스가 바로 제2 반응부(200)로 유입되도록 하여 제2 반응부(200)에서 PFC 분해 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 반응부(110)는 가스에 수분을 첨가하는 혼합기류 형성모듈(130)을 더 포함할 수 있다. 혼합기류 형성모듈(130)은 유해가스와 반응하는 반응물질을 포함하는 가스에 수분을 첨가하여 제1 유입로(116)로 제1 가스가 유입되게 한다.
이러한 혼합기류 형성모듈(130)은 소정의 속도로 가스가 흐르는 홀을 구비한 제1 유입관(132)과, 상기 홀에 수직으로 연결되어 상기 홀의 연결 부위까지 물(W)이 채워지는 수분 노즐(134)을 포함할 수 있다. 제1 유입관(132)은 측부 지지체(112)에 연결되고, 유해가스와 반응하는 반응물질을 포함하는 가스가 흐르는 곳이며, 제1 유입관(132)의 소정 부위에 홀(hole)이 형성된다. 수분 노즐(134)은 말단이 제1 유입관(132)의 소정 부위에 형성된 홀(hole)에 연결되며, 수분 노즐(134)을 통해 일정하게 물의 공급이 이루어진다.
이때, 혼합기류 형성모듈(130)은 홀의 연결 부위의 물의 표면장력에 의해 상기 홀의 연결 부위를 지나면서 상기 제1 유입관(132)을 흐르는 가스에 수분이 첨가될 수 있다. 물은 표면 장력에 의해 표면이 원형으로 유지하려는 성질을 가지고 있고, 물의 수위가 홀과의 경계에 있는 경우, 공급되는 물의 양만큼 상기 표면 장력에 의해 상기 경계에서 물이 돌출된다. 여기에서, 제1 유입관(132)을 흐르는 가스는 유속을 가지고 있으므로, 상기 가스의 유속에 의해 홀에서 물의 표면장력에 의해 돌출된 일부의 물이 상기 가스에 첨가되어 제1 가스가 된다. 이를 통해, 제1 유입관(132)을 흐르는 가스에 지속적으로 수분을 첨가할 수 있게 된다.
도 4는 도 1의 유해가스 분해용 반응기의 제2 반응부의 일 실시예를 도시한 도면이다. 또한, 도 5는 도 1의 유해가스 분해용 반응기의 제2 반응부의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
다시 도 1을 참조하면, 제2 반응부(200)는 제1 반응부(100)에서 연장 형성되며, 플라즈마 발생공간(101)에서 유해가스의 일부를 처리한 처리가스가 유입되어 2차적으로 처리한다. 이를 위해, 제2 반응부(200)는 제2 반응공간(201)을 형성하는 제2 몸체(210)를 구비할 수 있다. 제2 반응부(200)의 제2 몸체(210)는 제2 지지체(205)에 연결되고, 제1 노즐(115) 등의 하단으로부터 연장되어 돌출된다. 이에, 제2 반응공간(201)은 플라즈마 발생공간(101)과 연통 형성된다.
또한, 제2 반응부(200)의 제2 몸체(210) 내측에는 단열재(215)가 위치한다. 상기 단열재(215)는 세라믹을 포함할 수 있다. 상기 단열재(215)에 의해 플라즈마에 의하여 발생하는 열을 효과적으로 축열할 수 있어, 고온의 반응온도를 유지할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제2 반응부(200)는 제1 반응부(100) 측에서 제3 반응부(300) 측으로 갈수록 내경이 줄어들 수 있다. 이때, 도 4에 도시한 바와 같이, 단열재(215)의 두께를 다르게 형성하여 제2 반응공간(201)의 공간 크기를 다르게 할 수 있다. 구체적으로, 제2 반응부(200)의 제2 몸체(210)의 두께는 동일하게 하고, 제2 반응공간(201)을 형성하는 단열재(215)의 두께를 제1 반응부(100) 측에서 제3 반응부(300) 측으로 갈수록 크게 하여 제2 반응공간(201)의 내경이 갈수록 줄어들게 할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제1 반응부(100) 측에서 제3 반응부(300) 측으로 갈수록 제2 반응부(200)의 내경이 줄어들면(즉, 제2 반응공간의 크기가 갈수록 줄어들면), 제2 반응부(200)를 통과하는 제1 가스의 속도, 플라즈마 제트의 속도가 제1 반응부(100) 측에서 제3 반응부(300) 측으로 점점 증가하게 된다. 이에, 제1 반응부(100)에서 처리된 유해가스가 제2 반응부(200)로 들어와 제1 가스와 플라즈마 제트에 의해 반응하여 PFC의 분해 속도를 더욱 빠르게 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제2 반응부(200)는 제1 반응부(100) 측에서 제3 반응부(300) 측으로 갈수록 내경이 계단식으로 줄어들 수 있다. 계단식으로 제2 반응부(200)의 제2 반응공간(201)이 줄어듬에 따라 제2 반응부(200)를 통과하는 플라즈마 제트의 흐름을 제약하여 플라즈마 제트에 의한 반응 시간을 늘일 수 있는 효과가 있다. 이때, 도 5에 도시한 바와 같이, 단열재(215)의 두께를 다르게 적층 형성하여 제2 반응공간(201)의 공간 크기를 다르게 할 수 있다. 구체적으로, 몸체(210)의 두께는 동일하게 하고, 제2 반응공간(201)을 형성하는 단열재(215)의 두께를 제1 반응부(100) 측에서 제3 반응부(300) 측으로 갈수록 계단식으로 크게 하여 제2 반응공간(201)의 내경이 갈수록 계단식으로 줄어들게 할 수 있다.
또한, 계단식으로 형성되는 부분에서의 유해가스, 가스의 흐름을 방해하여 체류가 발생하는 것을 방지하기 위해, 경사면(217)이 형성될 수 있다. 이러한 경사면(217)에 의해 가스의 흐름이 단속되어 끊기지 않고, 연속적으로 진행될 수 있어, 연속적인 플라즈마 반응이 가능하다. 상기 경사면(217)은 단열재(215)와 동일한 재질일 수도 있으나, 단열재(215)의 보호를 위해 다른 재질로 형성될 수도 있다.
도 6은 도 1의 유해가스 분해용 반응기의 제3 반응부의 제2 유입로를 포함하여 확대 도시한 도면이다.
다시 도 1을 참조하면, 제3 반응부(300)는 제2 가스가 유입되는 제2 유입로(314)를 구비하여 제2 반응부(200)에서 연장 형성된다. 이때, 제2 가스는 물, 공기, 아르곤, 질소, 헬륨, 수소, 산소 및 이들 중 복수개를 혼합한 가스로 구성될 수 있다. 또는, 제2 가스가 제1 가스와 동일하게 구성될 수도 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 상술한 바와 같으므로, 생략하도록 한다.
제3 반응부(300)는 제2 반응공간(201)에서 유해가스를 2차 처리한 처리가스가 유입되어 3차적으로 처리한다. 이를 위해, 제3 반응부(300)는 제3 반응공간(301)을 형성하는 제3 몸체(310)를 구비할 수 있다. 제3 반응부(300)의 제3 몸체(310)는 제2 반응부(200)의 단열재(212)를 지지하는 제3 지지체(305) 하단으로부터 연장되어 돌출된다. 이에, 제3 반응공간(301)은 제2 반응공간(201)과 연통 형성된다.
여기에서, 제3 반응부(300)는 제2 반응부(200)를 통과하는 처리가스의 흐름 방향에 수직한 방향 또는 상기 제3 반응부(300)를 통과하는 처리가스의 흐름 방향에 평행한 방향 중 적어도 하나의 방향으로 제2 가스를 유입시킬 수 있다. 즉, 제2 유입로(316)를 통해 유입되는 제2 가스의 방향은 처리가스의 흐름 방향에 수직 방향 또는 수평 방향일 수 있다.
바람직하게는, 처리가스의 흐름 방향에 수직 방향 및 수평 방향으로 제2 유입로(316)를 통해 제2 가스가 유입될 수 있다.
여기에서, 제2 유입로(316)는 제2 반응부(200)의 단열재(215)를 지지하는 제3 지지체(305)에 연결된 제2 노즐(315)에 형성될 수 있다.
도 1 및 도 6에 도시한 바와 같이, 제2 유입로(316)가 제2 반응부(200)를 통과하는 처리가스의 흐름 방향에 수직한 방향으로 제2 가스를 유입시키는 제3 배출홀(316a)과, 제3 반응부(300)를 통과하는 처리가스의 흐름 방향에 평행한 방향으로 상기 제2 가스를 유입시키는 제4 배출홀(316b)을 구비할 수 있다.
상기 제3 배출홀(316a)을 따라 상기 제2 가스가 유입되는 경우, 상기 제2 가스가 제2 반응공간(201) 및 제3 반응공간(301)의 경계 부분으로 유입되고, 플라즈마 부가 반응 같은 역할을 할 수 있다. 이를 통해, 확장된 플라즈마 반응대가 형성되어 PFC 분해 효율을 더욱 향상할 수 있다.
상기 제4 배출홀(316b)을 따라 상기 제2 가스가 유입되는 경우, 상기 제2 가스가 제3 반응공간(301)의 길이 방향을 따라 상기 제2 가스가 유입되고, 주 가스흐름의 쉬스 가스(sheath gas) 같은 역할을 하여 HF와 같은 부식성 생성가스가 제3 몸체(310)와 접촉하는 것을 억제할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 분사부(400)는 제3 반응부(300)에서 연장 형성되며, 제3 반응부(300)를 통과한 처리가스에 수분을 분사한다. 이를 위해, 분사부(400)는 분사 공간(401)을 형성하는 제4 몸체(410)를 구비할 수 있다. 분사부(400)의 제4 몸체(410)는 제4 지지체(405)에 연결되고, 상기 제4 지지체(405)의 하단으로부터 연장되어 돌출된다.
또한, 분사부(400)는 수분을 분사하는 분사 노즐(415)을 구비하며, 이러한 분사 노즐(415)은 분사 공간(401)으로 돌출된 제4 지지체(405)에 설치된다.
이에, 분사부(400)는 수분을 분사하여 제3 반응공간(301)에서 처리되어 분사 공간(401)으로 배출되는 처리가스에 포함되어 있는 수용성 가스나 미립자를 제거한다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 유해가스 분해용 반응기(10)는 제1 반응부(100), 제2 반응부(200), 제3 반응부(300), 분사부(400)로 구성되어 플라즈마 반응의 효율을 높일 수 있다. 특히, 유해가스와 반응하는 반응물질에 수분을 첨가하여 공급함으로써, PFC 처리에 따른 분해온도를 낮출 수 있어 소요 전력을 절감할 수 있다.
구체적으로, 플라즈마 제트 발생 공간으로 유입되는 제1 가스의 유량 및 수분에 따른 처리효율 및 소요 전력은 다음의 표 1과 같다.
가스 유량
(L/min)		 수분
(ml/min)		 CF4 유입농도
(ppm)		 CF4 배출농도
(ppm)		 처리 효율
(%)		 소요 전력
(kW)
0 0 5,053 3,815 24.5 16.6
(80A,208V)
5 0 4,939 341 93.1 16.6
(80A,208V)
1.2 5,082 356 93.0 15.0
(70A,214V)
2.5 5,108 332 93.5 15.0
(70A,214V)
여기에서, CF4 1 L/min 및 희석가스 N2 150 L/min의 혼합가스를 유해가스 유입로에 유입시키고, 플라즈마 토치에 플라즈마 발생가스 30 L/min의 조건으로 점화(On)시켜 희석된 CF4를 처리하였다.이때, 제1 노즐은 내경 40 mm이며, 사선으로 형성되는 모서리 부분의 사선 각도가 40도이다. 또한, 혼합기류 형성모듈은 유입관 내경 4.5 mm, 홀 내경 2 mm 이고, 니들 밸브(niddle valve)로 수분 공급량을 조절하였다. 또한, 단열재는 그 내경이 상부 70 mm, 하부 45 mm 이며, 높이 200 mm로 하여 제2 반응부에 설치하였다. 그리고, 제2 가스는 Air(공기) 15 L/min을 제3 반응부로 유입시켰다.
유해가스 분해용 반응기에서 분해 반응 및 수분 분사를 통한 wet scrubbing 처리 후 배출되는 라인에 1/4 inch 관을 연결하여 퓨리에변환적외선분광기(FT-IR, 오츠카사 IG-2000 모델)의 10cm cell로 분석하였다.
CF4 처리 효율(%)은 상기 가스들이 모두 적용된 동일한 조건에서 플라즈마를 OFF인 상태에서 측정한 CF4 농도와 플라즈마를 ON인 상태에서 측정한 CF4 농도의 비를 계산하여 산출하였으며, CF4 처리 효율의 계산식은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112018123485916-pat00001
표 1을 참조하면, 플라즈마 제트 발생 공간에 가스가 유입되지 않은 경우, CF4의 유입농도에 배출농도의 처리 효율이 약 24.5%로 매우 낮은 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, 플라즈마 제트 발생 공간에 가스가 유입되면 수분(H2O)의 첨가에 상관 없이 처리 효율이 비슷한 것을 알 수 있다.
그리고, 가스에 수분을 첨가한 경우, 수분을 첨가하지 않은 경우와 비교하여 소요 전력이 16.6kW에서 15.0kW로 개선된 것을 확인할 수 있다. 이는 수분을 첨가하여 가스를 공급함으로써, 유해가스 처리에 따른 분해온도를 낮출 수 있어 소요 전력을 절감할 수 있는 것이다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 유해가스 분해용 반응기(10)는 PFC 처리에 따른 분해온도를 낮출 수 있어 소요 전력을 절감할 수 있다. 또한, 반응기(10)에서 반응 후 HF 등의 수용성 산가스의 함량을 높일 수 있어, wet scrubbing 공정 후의 HF 배출을 억제할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 유해가스 분해용 반응기
50: 플라즈마 토치
100: 제1 반응부
200: 제2 반응부
300: 제3 반응부
400: 분사부

Claims (12)

  1. 플라즈마 토치의 일단을 감싸면서 상기 플라즈마 토치와 함께 플라즈마 제트 발생 공간을 형성하며, 유해가스와 반응하는 반응물질을 포함하는 제1 가스에 수분을 첨가하는 혼합기류 형성모듈과, 상기 수분을 첨가한 제1 가스가 유입되는 제1 유입로 및 상기 유해가스가 유입되는 유해가스 유입로를 구비하는 제1 반응부;
    상기 제1 반응부에서 연장 형성되며, 내부에 단열재를 구비하는 제2 반응부;
    상기 제2 반응부에서 연장 형성되며, 제2 가스가 유입되는 제2 유입로를 구비하는 제3 반응부; 및
    상기 제3 반응부에서 연장 형성되며, 상기 제3 반응부를 통과한 처리가스에 수분을 분사하는 분사부를 포함하며,
    상기 혼합기류 형성모듈은, 소정의 속도로 상기 제1 가스가 흐르는 홀을 구비한 제1 유입관과, 상기 홀에 수직으로 연결되어 상기 홀의 연결 부위까지 물이 채워지는 수분 노즐을 구비함으로써, 상기 홀의 연결 부위의 물의 표면장력에 의해 상기 제1 가스가 홀의 연결 부위를 지나면서 상기 제1 가스에 수분이 첨가되는, 유해가스 분해용 반응기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 반응부는,
    상기 유해가스 유입로가 상기 제1 유입로의 상부에 위치하는, 유해가스 분해용 반응기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 유해가스 유입로가 상기 플라즈마 제트 발생 공간으로 돌출된 상기 플라즈마 토치의 측부에 근접하여 위치하는, 유해가스 분해용 반응기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 반응부는,
    상기 제1 유입로가 형성되는 제1 노즐을 구비하며,
    상기 제1 노즐은,
    상기 플라즈마 토치의 하부에 근접한 상기 제1 노즐의 모서리 부분이 사선으로 형성되는, 유해가스 분해용 반응기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 반응부는,
    상기 플라즈마 토치의 플라즈마 제트의 형성 방향에 수직한 방향 또는 상기 플라즈마 제트의 형성 방향에 평행한 방향 중 적어도 하나의 방향으로 상기 수분을 첨가한 제1 가스를 유입시키는, 유해가스 분해용 반응기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1 유입로는,
    상기 플라즈마 토치의 플라즈마 제트의 형성 방향에 수직한 방향으로 상기 수분을 첨가한 제1 가스를 유입시키는 제1 배출홀 및 상기 플라즈마 제트의 형성 방향에 평행한 방향으로 상기 수분을 첨가한 제1 가스를 유입시키는 제2 배출홀을 구비하는, 유해가스 분해용 반응기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 반응부는,
    상기 제1 반응부 측에서 상기 제3 반응부 측으로 갈수록 내경이 줄어드는, 유해가스 분해용 반응기.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제3 반응부는,
    상기 제2 반응부를 통과하는 처리가스의 흐름 방향에 수직한 방향 또는 상기 제3 반응부를 통과하는 처리가스의 흐름 방향에 평행한 방향 중 적어도 하나의 방향으로 상기 제2 가스를 유입시키는, 유해가스 분해용 반응기.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제2 유입로는,
    상기 제2 반응부를 통과하는 처리가스의 흐름 방향에 수직한 방향으로 상기 제2 가스를 유입시키는 제3 배출홀 및 상기 제3 반응부를 통과하는 처리가스의 흐름 방향에 평행한 방향으로 상기 제2 가스를 유입시키는 제4 배출홀을 구비하는, 유해가스 분해용 반응기.
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