KR102041555B1 - 반도체 제조 공정에서 배출되는 유해가스 통합 처리시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 제조 공정 시 발생되는 유해가스를 정화 처리하여 배출하기 위한 통합 처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하우징 내에 세정집진부, 전기집진부, 촉매반응부가 통합적으로 구비되어 배출되는 산가스인 HF가스와 HCl 가스, 온실가스인 N2O가스 및 질소산화물과 미세물질을 동시에 처리가 가능하며, 열교환기를 통해 에너지를 절약할 수 있는 유해가스 통합 처리시스템에 관한 것이다.

Description

반도체 제조 공정에서 배출되는 유해가스 통합 처리시스템{TOXIC GAS TREATING SYSTEM}
본 발명은 반도체 제조 공정 시 발생되는 유해가스를 정화 처리하여 배출하기 위한 통합 처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하우징 내에 세정집진부, 전기집진부, 촉매반응부가 통합적으로 구비되어 배출되는 산가스인 HF가스와 HCl 가스, 온실가스인 N2O가스 및 질소산화물과 미세물질을 동시에 처리가 가능하며, 열교환기를 통해 에너지를 절약할 수 있는 유해가스 통합 처리시스템에 관한 것이다.
반도체 제조 공정 중 증착 및 에칭 공정 등에 사용된 후 배출되는 폐가스는 대부분 유해물질을 포함하고 있기 때문에, 적절한 처리를 통해 정화한 후 배출되고 있다.
예를 들어 등록특허 제10-0521091호 "유해가스 및 분진을 효과적으로 제거할 수 있는 가스스크러버"와 같이 폐가스를 플라즈마 또는 연소하거나 습식처리를 통해 폐가스 중에 유해성분을 제거하고 있는데, 이러한 폐가스에는 다양한 유해물질을 포함하기 때문에, 여러 과정을 통해 처리하지 않으면 완전한 처리가 이루어지지 않게 된다.
따라서 기존에는 여러 종류의 가스 처리장치를 준비하고 있는 실정이다.
더구나 근래 들어 환경에 대한 관심이 높아지면서 규제가 한층 강화되기 때문에 많은 현장에서는 기존의 처리 장치들 외에 추가적인 장치를 부설하고 있다.
이와 같이 복합적인 유해물질을 포함하는 폐가스에는 동시에 처리하기가 어려운 조합이 있는데, 그 중 부식의 원인이 되는 산 가스의 대표적인 가스가 HF가스와 HCl가스이며, 온실가스인 N2O, NOx와 미세물질(particle material)등이 있다.
이 중 N2O 가스의 경우, 지구온난화지수(GWP)는 CO2에 비해 매우 높은 수치로 310배 정도 높게 나타나는 가스이다. 현재 전자 사업장에서 많은 양의 N2O 가스가 배출되고 있으나, 법적인 규제가 없어 처리하지 않고 대기 중으로 배출하고 있는 실정이므로 이를 처리할 수 있는 시스템이 절실한 실정이다.
이들 복합가스를 포함하는 폐가스를 처리하는 전통적인 방식으로는, 각각 처리 타깃 가스가 정해진 개별적인 장치로 가스를 이송하면서 처리하는 것이었다. 그러나 이는 장치들이 차지하는 점유면적이 커지게 되어 경제적이지 못하다.
그런가 하면, 자동차 매연과 같이 질소산화물과 미세물질을 포함하는 폐가스를 처리하기 위해 촉매를 이용하는 복합처리 장치가 제안된 바 있다.
그러나, 이러한 촉매를 이용하는 처리 시스템은 과도한 에너지가 사용되기 때문에 자동차 매연과 같이 소량의 폐가스를 처리하는데 적용할 수는 있으나, 반도체 제조 공정과 같이 대규모 시설에는 적용하기 어렵다.
그래서 N2O가스와 질소산화물을 제거하기 위한 촉매 반응에 필요한 열원을 재회수하여 에너지 사용을 줄일 수 있는 복합장치가 필요하다.
최근에는 스마트폰, 스마트패드, 대형 디스플레이 등이 주력 생산 제품으로 떠오르면서 지속적으로 제조설비의 확대가 이루어지고 있다. 그만큼 배출되는 폐가스의 양이 늘어나고 있기 때문에 산 가스와 온실가스인 N2O, 질소산화물과 미세물질을 동시에 처리할 수 있으며, 에너지를 절약할 수 있는 통합적인 처리 시스템 역시 필요하다.
따라서 본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로서,
하우징 내에 세정집진부, 전기집진부 및 촉매반응부를 모두 구비하도록 하여, 유입되는 유해가스 중 산가스, 액적, 미스트 및 온실가스를 모두 제거하여 배출할 수 있도록 하는 유해가스 통합 처리시스템을 제공함을 목적으로 한다.
또한 열교환기를 구비하여, 촉매반응부로 유입되는 유해가스와, 촉매반응부로부터 배출되는 폐가스의 온도차이를 이용하여 유해가스의 온도는 상승시키고, 폐가스의 온도는 하강시킬 수 있도록 하여, 에너지를 절감할 수 있는 유해가스 통합 처리시스템을 제공함을 목적으로 한다.
나아가 상기 촉매반응부 전단에 프리히터를 구비하여, 유입되는 가스가 촉매활성온도까지 상승하도록 하여 촉매반응을 촉진시켜 반응효과를 향상시킬 수 있는 유해가스 통합 처리시스템을 제공함을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 유해가스 통합 처리시스템은
유해가스가 유입되는 유입부와, 정화된 폐가스가 배출되는 배출부가 구비되는 하우징;
상기 유입부에 연결되어 유해가스가 관통하는 복수개의 필터부재와, 상기 필터부재에 세정액을 분사하는 복수개의 노즐이 구비되는 스크러버로 구성되어, 유해가스 내의 HF가스와 HCl가스를 제거하는 세정집진부;
상기 세정집진부 후단에 구비되어 유해가스 내의 액적 및 미스트를 제거하는 전기집진부;
상기 전기집진부를 통과한 유해가스가 유입되어 환원촉매와 반응하여 N2O가스를 제거하여 유해성분이 제거된 폐가스를 배출하는 촉매반응부;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 유해가스 통합 처리시스템은
하우징 내에 세정집진부, 전기집진부 및 촉매반응부를 모두 구비함에 따라 가스인 HF가스와 HCl가스, 온실가스인 N2O가스, 그리고 질소산화물과 미세물질을 동시에 처리할 수 있는 효과를 갖는다.
특히, 유해가스 전처리 시스템인 세정집진부, 전기집진부, 메인 반응부인 촉매반응부를 순차적으로 통과하면서 복합적인 가스물질 및 미세물질을 효과적으로 처리할 수 있다. 또한 촉매반응부에서 사용되는 300~400℃의 열원을 열교환기를 통해 재회수하여 에너지 사용량을 줄이게 되며, 시스템 후단에서는 냉각기를 통해 배출가스의 온도를 낮춰, 후단 설비에 영향이 없도록 한다.
또한 본 발명은 부생물이 최소화될 수 있고, 그에 따라 별도의 처리가 부가될 필요가 없어서 경제적인 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유해가스 통합 처리시스템의 개념도
도 2는 본 발명에 따른 유해가스 통합 처리시스템의 평면도
도 3은 본 발명에 따른 유해가스 통합 처리시스템의 정면투영도
도 4는 본 발명에 따른 유해가스 통합 처리시스템의 후면투영도
도 5는 본 발명에 따른 유해가스 통합 처리시스템의 일부 확대도
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.
또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
먼저 본 발명에 따른 유해가스 복합 처리시스템(S)은 도1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징(10)과, 상기 하우징(10)에 구비되는 세정집진부(20), 전기집진부(30) 및 촉매반응부(40)를 포함하여 이루어져 있다.
상기 하우징(10)은 반도체 제조 공정에서 배출되는 유해가스가 유입될 수 있도록 일측에 유입부(15)가 형성되고, 내부에는 상기 구성장치들이 수용될 수 있는 수용부가 형성되며, 상단에는 유해가스가 제거된 깨끗한 폐가스가 배출될 수 있도록 배출부(17)가 구비되어 있다..
또한 상기 하우징(10)에는 각각의 구성요소들을 유지보수할 수 있도록 개폐 가능한 도어가 구비되는 것이 바람직하며, 일측에 디스플레이부가 구비되어 사용자가 동작을 제어할 수 있도록 이루어진다.
나아가 상기 수용부는 하우징(10)의 전면을 기준으로 제1 공간부(11)와 제2 공간부(13)로 구분되어 이루어져 있다.
상기 제1 공간부(11)에는 세정집진부(20) 및 전기집진부(30)가 구비되고, 제2 공간부(13)에는 촉매반응부(40)가 구비되며, 이들은 별도의 관을 통하여 연통되게 된다.
결과적으로 상기 제1 공간부(11)에는 유해가스가 유입될 수 있는 유입부(15)가 형성되는 것이 바람직하며, 상기 제2 공간부(13)에는 폐가스가 배출될 수 있도록 배출부(17)가 형성되게 된다.
먼저 도 1을 참조하여, 유해가스의 이동경로를 간략히 설명하면,
유입부(15)로 들어온 유해가스는 세정집진부(20)를 통과하고, 이 후 전기집진부(30)를 통과하게 된다.
전기집진부(30)를 통과한 유해가스는 열교환기(E), 프리히터(H) 및 촉매반응부(40)를 통과하며 정화된다.
촉매반응부(40)에서 배출된 폐가스는 다시 열교환기(E)를 통과하고, 냉각기(C)를 거쳐 배출부(17)를 통하여 배출되게 된다.
도 2 내지 도 4를 참고하여 각각의 구성에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
먼저 상기 세정집진부(20)는 산가스인 HF와 HCl을 제거하기 위한 것으로서, 습식 스크러버로 이루어진다.
기존의 습식 스크러버의 경우, 반응부 내부에 패킹이라는 충진재를 채우고, 이 곳에 물을 분사하여 오염가스를 통과시켜 오염원을 제거하였다.
그러나 이러한 기술은 시스템의 부피가 커지고 효율이 좋지 못하며, 저감효율을 높이기 위해선 충진재와 물 사용량을 높여야 하므로 시스템의 부피가 커져 통합처리시스템(S)에는 적용하기 힘들다.
따라서 본 발명은 이를 보완하여 필터부재(21)를 메쉬망과 3D-Grid가 조합된 형상으로 구현하여 시스템의 부피를 줄였다.
또한 필터부재(21)의 부피 면적을 최대로 이용하여 오염물질을 확산에 의한 흡수 및 제거 시킬 수 있도록 한다.
이 때 유입되는 먼지까지 일정부분 처리할 수 있다.
상기 습식 스크러버는 2 Pass type으로 이루어지는 것으로서, 서로 연통되는 제1 및 제2 본체(25)(27)로 이루어지고, 각각의 본체에 상, 하부 이단으로 필터부재(21)를 구비하고 있다.
상기 각각의 본체 상부에는 분사노즐(23)이 구비되어 세정액을 분사시키게 된다.
이러한 구성으로 상부의 필터부재(21)를 통과한 세정액이 자연 낙하하여 하부의 필터부재(21)로 전달됨에 따라 세정액과 접촉된 필터부재(21) 구간을 통과하는 오염가스가 제거될 수 있다.
이 때 세정액에는 NaOH의 환원제를 복합 사용하여, 하기 반응식에 따라 HF와 HCl을 동시에 제거할 수 있다.
<반응식>
HF + NaOH -> NaF + H2O
HCl + NaOH -> NaCl + H2O
다시 도 1 내지 도 5를 참고하여 설명하면 세정집진부(20)를 통과한 유해가스는 전기집진부(30)로 유입되어 액적 및 미스트를 제거하게 된다.
본 발명의 전기집진부(30)는 세정집진부(20) 후단에 설치되는 것으로, 후술하는 촉매반응부(40)에 장입되는 촉매의 보호 및 반응기 내의 촉매활성화 온도를 유지하려는 목적이다.
전기집진부(30)는 집진부, 방전부, 절연부, 고전압발생장치로 구성된다.
방전부의 청소 등 유지보수를 간편하게 하기 위해 플랜지형으로 구성하여 집진부와 방전부의 분리가 용이하도록 구성된다.
또한 코로나 방전시 유입되는 가스의 Dead-Space를 최소화하기 위해 집진부를 원통형으로 구성하였다.
설치면적이 좁은 경우나, 처리가스량이 적은 경우에 적용이 유리한 수직형으로 집진부를 구성하여 상기 세정집진부(20)와 결합한 일체형 시스템으로 구성된다.
상기 전기집진부(30)를 통과한 유해가스는 촉매반응부(40)로 유입되는데,
상기 촉매반응부(40)로 유입되기 전에 열교환기(E)와 프리히터(H)를 순차적으로 통과하게 된다.
상기 열교환기(E)는 서로 독립된 제1 및 제2 기로가 형성되며, 상기 유해가스가 제1 기로를 통과하고, 후술하는 폐가스가 제2 기로로 통과하게 된다.
상기 제1 기로를 통과하는 유해가스는 폐가스에 의해 온도가 상승하게 되는데, 이는 하기에 보다 상세하게 설명하도록 한다.
구체적으로 상기 전기집진부(30)를 통과한 유해가스는 약 20℃의 온도를 유지하게 되는데, 열교환기(E)를 통과함에 따라 약 100~200℃로 상승하게 되고, 상기 프리히터(H)를 통과하면서 약 300~400℃까지 상승하게 된다.
이는 촉매활성화온도까지 유해가스의 온도를 상승시켜 후술하는 촉매반응부(40)에서 반응이 활발하게 이루어지게 하기 위함이다.
다시 이렇게 온도가 상승된 유해가스는 촉매반응부(40)로 유입되어 환원반응에 의하여 N2O가스를 제거하게 된다.
상기 촉매반응부(40)는 촉매의 종류 및 성질에 따라 구분되어 장착이 가능하도록 구성한다.
일반적으로 N2O 가스를 제거하기 위해 가스의 농도 및 성분에 따라 암모니아를 환원제로 사용하는 환원촉매와, 환원제를 사용하지 않는 분해촉매를 사용할 수 있다.
상기 환원촉매와 분해촉매는 설치 환경에 따라 사용자가 선택할 수 있도록 구성된다.
또한 촉매의 형상을 Honey-Comb형과 Pellet형으로 구분하여 환경에 맞게 선택하여 적용할 수 있다.
또한 본 촉매반응부는 환원촉매를 사용할 수 있도록 별도의 1채널의 암모니아 주입부를 구성하였다.
또한 촉매층 공간속도(G.H.S.V)는 10,000hr-1 기준으로 설계하여 촉매활성화 온도를 300~400℃, 최대 반응온도를 500℃로 설계하였다.
촉매반응부(40)의 재질은 STS-304이며, 촉매를 장입하는 바스켓 하부에 Honey-Comb 촉매의 지지를 위한 격자 지지대 설치 및 Pellet 촉매의 지지를 위한 이중 Mesh Screen을 설치하였다.
또한 하부에서 유입되는 유해가스 및 환원제(암모니아)의 효과적인 분산을 위해 촉매 바스켓 하부에 분배판을 설치하여 반응률을 상승시켰다.
따라서 본 발명은 상기 촉매반응부(40) 전단에 프리히터(H)를 구비하여, 유입되는 유해가스의 촉매활성화온도 도달까지의 시간 단축 및 온도유지가 가능하도록 구성하였다.
상기와 같이 촉매반응부(40)를 관통한 폐가스(유해가스 내에서 유해성분이 제거된 가스)는 다시 열교환기(E)의 제2 기로를 통과함에 따라 온도가 감소하게 된다.
즉, 열교환기(E)는 상기 폐가스의 높은 열을 유해가스로 전달시키는 기능을 하는 것으로서,
상기 폐가스는 약 300~400℃를 유지하고 있고, 유해가스는 약 20℃를 유지하고 있음에 따라, 폐가스의 온도는 낮아지고, 유해가스의 온도는 상승하는 효과를 갖도록 한다.
따라서 본 발명은 촉매반응부(40)를 통해 배출된 폐가스의 열회수를 통해 에너지 사용량을 낮추는 효과를 갖는다.
이렇게 열교환기(E)를 통과한 폐가스는 후단의 냉각기(C)를 통과하여 온도를 낮춰 상기 배출부(17)를 통해 배출됨에 따라 후단 설비에 영향이 없도록 하는 특징을 갖는다.
나아가 보다 효과적인 폐가스의 배출을 위하여 배출부(17) 전단에는 별도의 팬(F)이 구비되는 것이 바람직하나, 이에 권리범위를 제한 해석해서는 안 된다.
또한 상기와 같은 각각의 구성요소들은 하나의 하우징(10)에 구비함에 따라 시스템의 소형화를 충족할 수 있어 공간활용도가 향상되는 특징이 있다.
또 이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조 및 구성을 갖는 유해가스 복합 처리시스템을 위주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능하고, 이러한 수정, 변경 및 치환은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
S : 유해가스 복합 처리시스템 10 : 하우징
20 : 세정집진부 30 : 전기집진부
40 : 촉매반응부 E : 열교환기
H : 프리히터 C : 냉각기
F : 팬

Claims (4)

  1. 유해가스가 유입되는 유입부(15)가 구비된 제1공간부(11)와, 정화된 폐가스가 배출되는 배출부(17)가 구비된 제2공간부(13)가 형성되는 하우징(10);
    상기 제1공간부(11)에 구비되되, 상기 유입부(15)에 연결되어 유해가스가 관통하는 복수개의 필터부재(21)와, 상기 필터부재(21)에 세정액을 분사하는 복수개의 분사노즐(23)이 구비되는 스크러버로 구성되어, 유해가스 내의 HF가스와 HCl가스를 제거하는 세정집진부(20);
    상기 제1공간부(11)에 구비되되, 상기 세정집진부(20) 후단에 구비되어 유해가스 내의 액적 및 미스트를 제거하는 전기집진부(30);
    상기 제2공간부(13)에 구비되되, 상기 전기집진부(30)를 통과한 유해가스가 유입되어 분해촉매 또는 환원촉매와 반응하여 N2O가스를 제거하여 유해성분이 제거된 폐가스를 배출하는 촉매반응부(40);
    를 포함하여 이루어지고,
    상기 스크러버는 서로 연통되는 제1본체(25)와 제2본체(27)로 이루어져, 상기 필터부재(21)가 상기 각각의 본체 상부와 하부에 2단으로 구비되고,
    상기 분사노즐(23)을 통해 배출되는 세정액은 NaOH 환원제를 더 포함하고,
    사기 촉매반응부(40)에는 암모니아 주입부를 더 구비하며,

    상기 촉매반응부(40) 전단에는 프리히터(H)를 더 구비하여,
    상기 전기집진부(30)를 통과한 유해가스가 상기 프리히터(H)를 통과함에 따라 온도가 상승되어 촉매활성화온도 도달까지의 시간을 단축시켜 촉매반응부(40)로 유입되고,
    상기 배출부(17) 전단에는 배출되는 폐가스를 냉각시키는 냉각기(C)가 더 구비되며,
    상기 프리히터(H) 전단에는 서로 독립된 제1 및 제2 기로가 형성된 열교환기(E)가 더 구비되어,
    상기 전기집진부(30)를 통과한 유해가스가 프리히터(H)를 통과하기 전에 열교환기의 제1 기로를 1차적으로 통과하고,
    상기 촉매반응부(40)를 통과한 가열된 폐가스가 상기 열교환기(E)의 제2 기로를 2차적으로 통과하여 상기 하우징(10)의 배출부(17)로 배출되도록 이루어져,
    제1 기로의 유해가스와 제2 기로의 폐가스의 온도차이로 인하여 상기 폐가스의 온도를 낮춤과 동시에 유해가스의 온도를 높일 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 유해가스 통합 처리시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매반응부(40)는
    촉매를 장입하는 바스켓과, 상기 바스켓 하부에 투입된 촉매를 지지하는 격자 지지대와 메쉬스크린을 포함하여 이루어지되,
    상기 바스켓 하부에 분배판이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 유해가스 통합 처리시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기집진부(30)는
    집진부와, 방전부, 절연부 및 고전압발생장치로 이루어진 플랜지형으로 이루어지되,
    상기 집진부와 방전부가 분리 가능하게 이루어지는 것을 특징으로 하는 유해가스 통합 처리시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 필터부재는
    메쉬망과 3D-Grid가 조합된 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유해가스 통합 처리시스템.
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