KR102129988B1 - 반도체 생산 시 발생하는 폐가스를 처리하기 위한 처리 장치 및 처리 방법 - Google Patents

반도체 생산 시 발생하는 폐가스를 처리하기 위한 처리 장치 및 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 생산 시 발생하는 폐가스를 처리하기 위한 처리 장치 및 처리 방법에 관한 것이다. 폐가스는 N2O가스를 포함하며, 본 발명에 따른 처리 장치는 외부로부터 유입되는 폐가스의 이물질을 제거하는 필터부; 상기 필터부를 거친 폐가스 중 N2O 가스를 선택적으로 흡착 및 탈착하는 제1흡착제를 포함하는 흡착컬럼부; 상기 흡착컬럼부의 후단에 위치하며 상기 흡착컬럼부에서 탈착되는 N2O 가스를 분해처리하는 촉매반응기; 상기 촉매반응기에 수소를 공급하는 수소공급부; 및 상기 촉매반응기 후단에 위치하는 냉각기를 포함한다.

Description

반도체 생산 시 발생하는 폐가스를 처리하기 위한 처리 장치 및 처리 방법{Apparatus for treating waste gas in producing semiconductor and method for treating waste gas}
본 발명은 반도체 생산 시 발생하는 폐가스를 처리하기 위한 처리 장치 및 처리 방법에 관한 것이다.
반도체, 디스플레이, LED, LCD 등의 전자 산업에서 다양한 가스가 사용된다. 반도체, LCD, AMOLED 제조 공정에서 증착 및 클리닝 공정 가스로 사용되거나 생성 물질로 배출된다.
N2O 가스는 반도체 소자의 플라즈마를 이용한 박막 형성에 있어서 박막 특성을 높이는데 사용된다. 또한 Silicon oxide 및 Silicon oxinitride와 같은 증착 필름용 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition) 공정 가스로 이용된다.
N2O가스는 온실가스의 일종으로 온실가스감축대상이다. 따라서 N2O를 사용하는 반도체 및 디스플레이 공정의 경우 필히 N2O를 처리해야 한다.
종래 개발된 N2O 처리장치는 암모니아와 같은 환원제 사용을 필요로 한다.
그런데, N2O처리장치가 적용될 반도체 공장 등에서는 암모니아 공급을 위한 장치 설치가 매우 어렵다.
따라서 환원제를 사용하지 않은 N2O가스의 처리 기술 개발이 필요하다.
한국특허등록 제0966909호(2010.06.30.)
본 발명의 목적은 반도체 생산 시 발생하는 폐가스를 처리하기 위한 처리 장치 및 처리 방법을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은 반도체 생산 시 발생하는 폐가스를 처리하기 위한 처리 장치에 있어서, 상기 폐가스는 N2O가스를 포함하며, 외부로부터 유입되는 폐가스의 이물질을 제거하는 필터부; 상기 필터부를 거친 폐가스 중 N2O 가스를 선택적으로 흡착 및 탈착하는 제1흡착제를 포함하는 흡착컬럼부; 상기 흡착컬럼부의 후단에 위치하며 상기 흡착컬럼부에서 탈착되는 N2O 가스를 분해처리하는 촉매반응기; 상기 촉매반응기에 수소를 공급하는 수소공급부; 및 상기 촉매반응기 후단에 위치하는 냉각기를 포함하는 것에 의해 달성된다.
상기 필터부는, 제1방향으로 길게 연장된 사이클론 하우징; 상기 사이클론 하우징의 측면에 위치한 유체 입구; 상기 사이클론 하우징 내부에 위치하는 필터; 및 상기 필터를 일정한 간격을 두고 감싸고 있는 흡입배관을 포함하며, 상기 폐가스는 상기 사이클론 하우징의 내부 공간에 도입되어 상기 흡입배관을 감싸고 회전하면서 하부로 이동한 후, 상승하면서 상기 필터를 거쳐 외부로 유출될 수 있다.
상기 필터부는, 상기 사이클론 하우징의 하부에 위치하는 더스트 포집유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 필터는, 상기 더스트 포집유닛을 향한 하부면은 유체가 통과할 수 없는 중공의 원통 형상이며, 상기 필터부는, 상기 필터와 연결되어 상기 필터를 상기 제1방향과 평행한 축을 중심으로 회전시키는 모터 및 스핀들을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각기는, 상기 분해처리된 N2O 가스의 유로 내에 위치하며 내부에 냉각유체가 흐르는 코일 파이프; 상기 분해처리된 N2O 가스의 유로와 인접하여 공기층을 사이에 두고 이격되어 상기 유로를 감싸고 내부에 냉각유체가 흐르는 냉각챔버를 포함할 수 있다.
상기 흡착컬럼부는, 병렬로 연결된 제1컬럼과 제2컬럼을 포함할 수 있다.
상기 제1흡착제는 CaX 제올라이트를 포함할 수 있다.
상기 폐가스는 NOx 가스를 더 포함하며, 상기 제1컬럼과 상기 제2컬럼 각각은, 물을 선택적으로 흡착하는 제2흡착제, NOx 가스를 선택적으로 흡착하는 제3 흡착제 및 상기 제1흡착제가 순차적으로 배치되어 있을 수 있다.
상기 흡착컬럼부에 흡착된 N2O 가스와 NOx 가스를 탈착시키기 위해 상기 흡착컬럼부에 질소가스를 공급하는 질소가스공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 제3흡착제는 활성탄소를 포함할 수 있다.
상기 활성탄소는 산화처리되어 있으며, 산소 성분은 6중량% 내지 12중량%일 수 있다.
상기 촉매반응기는 Pd/알루미나 촉매가 충전되어 있을 수 있다.
상기 수소공급부는 상기 Pd/알루미나 촉매를 환원시키기 위해 수소를 공급할 수 있다.
상기 본 발명의 목적은 반도체 생산 시 발생하는 폐가스를 처리하기 위한 처리 방법에 있어서, 상기 폐가스는 N2O가스를 포함하며, 상기 폐가스의 이물질을 제거하는 단계; 이물질이 제거된 상기 폐가스 중 N2O 가스를 흡착하는 단계; 상기 흡착된 N2O가스를 탈착시키는 단계; 탈착된 N2O가스를 촉매를 이용하여 분해처리하는 단계; 상기 분해처리된 N2O가스를 냉각시키는 단계; 및 상기 분해처리 시 상기 촉매에 수소를 공급하는 단계를 포함하는 것에 의해 달성된다.
상기 이물질 제거는 필터부를 통해 수행되며, 상기 필터부는, 제1방향으로 길게 연장된 사이클론 하우징; 상기 사이클론 하우징의 측면에 위치한 가스 입구; 상기 사이클론 하우징 내부에 위치하는 필터; 및 상기 필터를 일정한 간격을 두고 감싸고 있는 흡입배관을 포함하며, 상기 폐가스는 상기 사이클론 하우징의 내부 공간에 도입되어 상기 흡입배관을 감싸고 회전하면서 하부로 이동한 후, 상승하면서 상기 필터를 거쳐 외부로 유출될 수 있다.
상기 필터부는, 상기 사이클론 하우징의 하부에 위치하는 더스트 포집유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 필터는, 상기 더스트 포집유닛을 향한 하부면은 유체가 통과할 수 없는 중공의 원통 형상이며, 상기 필터부는, 상기 필터와 연결되어 상기 필터를 상기 제1방향과 평행한 축을 중심으로 회전시키는 모터 및 스핀들을 더 포함할 수 있다.
상기 흡착은 N2O 가스를 선택적으로 흡착하는 제1흡착제를 포함하는 흡착컬럼부를 통해 수행되며, 상기 흡착컬럼부는, 병렬로 연결된 제1컬럼과 제2컬럼을 포함할 수 있다.
상기 제1흡착제는 CaX 제올라이트를 포함할 수 있다.
상기 폐가스는 NOx가스를 더 포함하며, 상기 제1컬럼과 상기 제2컬럼 각각은, 물을 선택적으로 흡착하는 제2흡착제, NOx를 선택적으로 흡착하는 제3흡착제 및 상기 제1흡착제가 순차적으로 배치되어 있을 수 있다.
상기 흡착컬럼부에 흡착된 N2O 가스와 NOx 가스의 탈착은 상기 흡착컬럼부에 질소가스를 공급하여 수행될 수 있다.
상기 제1컬럼과 상기 제2컬럼은 흡착과 재생을 교대로 수행할 수 있다.
상기 제3흡착제는 활성탄소를 포함할 수 있다.
상기 활성탄소는 산화처리되어 있으며, 산소 성분은 6중량% 내지 12중량%일 수 있다.
상기 촉매는 Pd/알루미나 촉매를 포함할 수 있다.
탈착되는 N2O 가스와 NOx 가스의 농도를 측정하는 단계를 더 포함하며, 상기 분해처리의 조건은 상기 측정결과에 따라 조절될 수 있다.
본 발명에 따르면 반도체 생산 시 발생하는 폐가스를 처리하기 위한 처리 장치 및 처리 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 처리장치의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착제의 적층구조이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에서 촉매처리부 및 냉각기의 구성을 나타낸 것이고,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에서 필터부의 구성을 나타낸 것이고,
도 5a, 5b 및 도 5c는 본 발명의 일실시예에서 필터부의 작동을 나타낸 것이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 처리방법의 순서도이고,
도 7은 본 발명의 실험예에서 활성탄소의 산화시간에 따른 NOx탈착을 나타낸 그래프이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 처리대상인 가스는 반도체 제조 공정 또는 디스플레이 제조 공정에서 발생한 폐가스일 수 있다. 이에 한정되지는 않으나, 폐가스는 습식 스크러버를 거쳐서 공급될 수 있다. 폐가스는 N2O 가스를 포함하며, NOx가스를 더 포함할 수 있다.
이하의 실시예에서는 폐가스가 N2O가스와 NOx가스를 모두 포함하는 경우에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 처리장치의 구성도이다.
처리장치(1)는 흡착컬럼부(11, 12), 촉매반응기(20), 냉각기(25), 질소공급부(30), 수소공급부(40), 센서(51, 52), 밸브(61, 62, 63) 및 필터부(70)를 포함한다.
도면에서 온도조절장치, 예를 들어, 쟈켓히터 또는 쿨러 등은 도시를 생략하였다. 온도조절장치는 흡착컬럼부(11, 12), 촉매반응기(20), 질소공급부(30) 및/또는 수소공급부(40)에 설치될 수 있으며, 배관 상에도 형성될 수 있다.
흡착컬럼부(11, 12)는 병렬로 연결된 제1컬럼(11)과 제2컬럼(12)을 포함한다. 다른 실시예에서 컬럼은 3개 이상으로 마련될 수도 있다.
제1컬럼(11)과 제2컬럼(12)의 각각의 내부에는 도 2와 같이 N2O 가스를 선택적으로 흡착하는 제1흡착제(110), 물을 선택적으로 흡착하는 제2흡착제(120) 및 NOx 가스를 선택적으로 흡착하는 제3흡착제(130)가 마련되어 있다. 흡착제(110, 120, 130)는 폐가스가 유입되는 방향으로 따라 제2흡착제(120), 제3흡착제(130) 및 제1흡착제(110)의 순서로 적층되어 있다. 즉 폐가스 중의 물이 가장 먼저 흡착되고 이어서 NOx 가스와 N2O 가스가 순차적으로 흡착된다.
이에 한정되지 않으나, 제1흡착제(110)로는 CaX 제올라이트를 사용할 수 있으며 제3흡착제(130)로는 활성탄소를 사용할 수 있다. 특히 활성탄소는 부분적으로 산화되어 있을 수 있다.
촉매반응기(20)는 내부에 N2O가스와 NOx가스를 분해할 수 있는 촉매를 포함한다. 촉매는, 이에 한정되지 않으나, Pd/알루미나(알루미나에 담지된 Pd) 촉매일 수 있다. 다른 실시예에서, 촉매반응기(20)는 수직방향으로 배치되고 폐가스는 하부로 유입되어 상부로 유출될 수 있다.
촉매반응기(20)의 하단에서는 냉각기(25)가 위치하고 있다.
도 3을 참조하여 촉매반응기(20) 및 냉각기(25)에 대해 상세히 설명한다.
촉매반응기(20)는 외부 본체(210), 촉매 수용체(220), 촉매(230) 및 히터(240)를 포함한다.
외부 본체(210)는 냉각기(25)까지 연장되어 있으나, 다른 실시예에서는 외부 본체(210)는 냉각기(25)까지 연장되지 않을 수 있다.
촉매 수용체(220)는 길게 연장되어 있으며 내부에 촉매(230)를 수용하고 있다. 히터(240)는 촉매 수용체(220)를 감싸면서 촉매(230)의 온도를 제어한다. 히터(240)는 열선 또는 자켓 타입 등으로 마련될 수 있다.
냉각기(25)는 촉매반응기(20)와 연결되어 있으며, 촉매반응기(20)에서의 유출가스, 즉 분해처리된 폐가스, N2O가스 및/또는 NOx가스 등을 냉각시킨다.
도시하지는 않았지만, 촉매반응기(20)는 수소공급부(40)로부터 수소를 공급받기 위한 구성을 추가로 포함할 수 있다.
냉각기(25)는 냉각챔버(250) 및 코일파이프(260)를 포함한다.
냉각챔버(250)는 폐가스(처리된 가스) 유로와 인접하여 폐가스 유로를 감싸고 있는데, 공기층(271)을 사이에 두고 폐가스 유로와 이격되어 있다. 냉각챔버(250)에는 유체입구(251)와 유체출구(252)가 형성되어 있다. 냉각챔버(250)의 외부에는 보온층(272)이 위치한다.
폐가스의 열은 코일파이프(260)에 의해 1차 냉각되고 2차로 열전도율이 낮은 공기층(271)에서 냉각된다. 남은 잔열은 냉각챔버(250)를 통해 최종적으로 냉각된다.
이와 같이 본 발명에서는 폐가스의 열을 3단계 냉각과정을 통해 안정적으로 냉각시킨다.
코일파이프(260)는 폐가스 유로 상에 코일 상태로 위치하며 유체 입구(261)와 유체 출구(262)를 포함한다.
냉각챔버(250)와 코일파이프(260)에 공급되는 유체는 냉각유체로서 냉각수일 수 있다.
질소공급부(30)는 흡착컬럼부(11, 12)에 질소를 공급하며, 수소공급부(40)는 촉매반응기(20)에 수소를 공급한다.
센서(51)는 흡착컬럼부(11, 12)로 유입되는 폐가스의 성분 및 농도를 분석하고, 센서(52)는 촉매반응기(20)로 유입되는 폐가스의 성분 및 농도를 분석한다.
밸브(61, 62, 63)는 모두 3-way밸브로 유입되는 가스의 유출여부 및/또는 유출방향을 결정한다.
필터부(70)는 유입되는 폐가스의 이물질을 제거하여 흡착컬럼부(11, 12)에 공급한다.
이하 도 4a 내지 도 5c를 참조하여 필터부(70)에 대해 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에서 필터부의 구성을 나타낸 것이고, 도 5a, 5b 및 도 5c는 본 발명의 일실시예에서 필터부의 작동을 나타낸 것이다.
필터부(70)는 제1방향으로 길게 연장된 사이클론 하우징(721)을 포함한다. 사이클론 하우징(721)은 하부로 갈수록 폭이 좁게 형성되어 있으며, 측면에 유체입구(711)가 형성되어 있다. 유체입구(711)는 유체의 유입방향이 사이클론 연장방향과 직각을 이루도록 형성되어 있을 수 있다.
사이클론 하우징(721) 내부에는 흡입배관(722), 필터(723) 및 필터하우징(724)이 위치한다. 이들은 유입되는 폐가스가 필터(723)와 바로 접촉하도록 사이클론 하우징(721)의 상부에 위치하고 있다.
필터(723)는 속이 빈 원통형이며, 하부면(723a)은 폐가스가 통과하지 못하게 마련되어 있다. 흡입배관(722) 역시 원통형이며 사이클론 하우징(721)에 고정되어 있다. 흡입배관(722)의 단부는 필터(723)의 하부보다 하부에 위치하며, 흡입배관(722)은 일정한 간격을 두고 필터(723)를 감싸고 있다. 흡입배관(722)의 하부는 개방되어 있다.
사이클론 하우징(721)의 하부에는 더스트 포집유닛(731)이 위치한다.
사이클론 하우징(721)의 상부에는 모터(741), 스핀들(742) 및 유체출구(712)가 위치한다.
스핀들(742)은 필터(723)에 연결되어 필터(723)가 제1방향과 평행한 축을 중심으로 회전하도록 한다.
도 5a와 같이 외부에서 폐가스가 유체입구(711)를 통해 유입되면, 폐가스는 흡입배관(722)의 외면을 감싸면서 회전하며 하부로 이동한다. 하부로 이동한 폐가스 중의 수분 및/또는 더스트의 일부는 더스트 포집유닛(731)에 포집될 수 있다.
이후 폐가스는 도 5b와 같이 다시 상승하는데, 필터(723)의 하부면(723a)이 막혀있으므로 흡입배관(722)과 필터(723) 측면의 사이로 유입된 후 필터(723)를 통과하여 유체출구(712)를 통해 외부로 유출된다.
필터(723)는, 이에 한정되지 않으나, 30 내지 60 rpm으로 회전할 수 있다. 폐가스의 더스트의 일부는 필터(723)에 의해 포집되며, 일부는 필터(723)의 회전에 의해 발생하는 유체 흐름에 의해 흡입배관(722)과 필터(723) 사이에서 부유하게 된다. 부유 상태에서 무게가 무거워지면 아래로 떨어지면서 더스트 포집유닛(731)에 포집된다.도시하지는 않았지만 각 기기의 온도, 유량 및 흐름방향 등을 조절하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다.
이하 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 N2O가스의 처리방법에 대해 설명한다.
먼저 필터부(70)를 거친 폐가스의 N2O가스와 NOx가스를 흡착제(100)에 흡착시킨다(S100).
흡착은 컬럼(11, 12)을 교대로 사용하여 수행한다. 제1컬럼(11)에 폐가스를 공급하고, 이후 밸브(61)의 유출방향을 변경하여 제2컬럼(12)에 폐가스를 공급한다.
제1컬럼(11)과 제2컬럼(12)을 교대하는 기준은 흡착제(100)의 흡착용량 등을 감안하여 결정될 수 있다. 구체적으로는, 흡착용량과 함께, 센서(51)에서 감지한 폐가스 중의 N2O가스와 NOx가스의 농도 및 운전시간을 감안하여 결정할 수 있다. 또한, 누적 운전시간의 증가에 따른 흡착용량의 감소도 고려할 수 있다. 폐가스 중의 N2O가스와 NOx가스의 농도가 높은 경우에는 농도가 낮은 경우에 비해 교대주기를 빠르게 할 수 있다.
센서(51)가 없는 경우에는 흡착용량, 운전시간 및 흡착용량의 감소를 기준으로 컬럼(11, 12)을 교대할 수도 있다.
N2O가스를 선택적으로 흡착하는 제1흡착제(110)는 CaX 제올라이트일 수 있다.
N2O(1,000ppm)가스를 대상으로 상온 및 상압에서 다양한 제올라이트 및 활성탄소 등에 대해 흡착실험을 수행하였다.
CaX 제올라이트가 제거용량 및 파과시간에서 모두 뛰어남을 알 수 있었다.
NOx가스를 흡착하는 제3흡착제(130)는 활성탄소일 수 있다.
활성탄소는 산화되어 있을 수 있으며, 산소의 함량은 0.8중량% 내지 16중량%, 2중량% 내지 14중량%, 6중량% 내지 12중량% 또는 2중량% 내지 6중량5일 수 있다.
산소의 함량이 0.8중량%보다 낮으면 탈착 시 CO의 농도가 높고 흡착용량이 작아진다. 반면 산소의 함량이 16중량%보다 높으면 다시 흡착용량이 작아진다.
활성탄소에서의 산소함량에 대한 자세한 설명은 다음과 같다.
Figure 112020024108966-pat00001
상기 반응식 (1) ~ (3) 으로 흡착, 반응식 (4) ~ (6) 으로 탈착이 진행되어 활성탄소를 이용한 NOx 흡탈착 반복 시 CO 및 CO2 발생으로 활성탄소의 내구성이 감소한다.
활성탄소의 산화처리를 통하여 표면을 산소 작용기로 개질하여, 반응식의 CO 발생을 최소화할 수 있다.
즉, 표면개질을 통하여 흡착 전 -CO 결합을 형성하여 반응식 (2)에서의 -C(O) 메커니즘을 제어한다. 이를 통해 CO 및 CO2 가스 발생 억제를 통한 소재의 내 구성을 향상시킬 수 있다.
활성탄소 산화 및 NOx 흡착 실험
NOx 흡착 후 탈착과정 시 발생되는 CO 발생량을 활성탄소의 산화시간 별 비교하였으며, 이를 통해 활성탄소의 산화를 통한 표면개질 및 CO 발생 억제에 따른 내구성 증대 여부를 관찰하였다.
실시예 1
가스유량 1000 cc를 기준으로 O2 농도를 5%(나머지는 질소)로 맞춘 후, 활성탄소(퓨어스피어에서 생산한 PureCarbon으로 BET 비표면적 1,600 m2/g) 200 ml이 충전된 반응기에 가스를 흘려준다. 반응기를 상온에서부터 10 ℃/min 의 속도로 승온 시킨 후 470 ℃ 도달 후 1시간을 유지하여 산화를 진행했다. 산화 후 시료를 실온 까지 냉각하고 NO2 1,000 ppm 에서 한 시간 흡착을 실시했다. 흡착 종료 후 2 ℃/min 의 속도로 100 ℃ 승온 후 탈착 시 발생하는 가스농도는 가스분석기 (MK6000, eurotron 제)를 이용하여 측정했다.
실시예 2
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 470℃ 도달 시 5시간을 유지하여 산화를 진행했다.
실시예 3
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 470℃ 도달 시 10시간을 유지하여 산화를 진행했다.
실시예 4
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 470℃ 도달 시 15시간을 유지하여 산화를 진행했다.
비교예 1
활성 탄소(퓨어스피어에서 생산한 PureCarbon으로 BET 비표면적 1,600 m2/g) 가 충전된 반응기에 N2 가스를 흘려주며 10 ℃/min 의 속도로 900℃ 까지 가열한 후 15분 유지 후 상온까지 자연냉각하여 활성탄소 내 산소 함량을 감량 (환원)했다. 환원 후 NO2 1,000 ppm 에서 한 시간 흡착을 실시했다. 흡착 종료 후 2 ℃/min 의 속도로 100 ℃ 승온 후 탈착 시 발생하는 가스농도는 가스분석기 (MK6000, eurotron 제)를 이용하여 측정했다.
비교예 2
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 470℃ 도달 시 25시간을 유지하여 산화를 진행했다.
흡착실험의 조건은 표 1과 같으며 탈착실험의 조건은 표 2와 같다.
<표 1>
Figure 112020024108966-pat00002
<표 2>
Figure 112020024108966-pat00003
동일조건에서 흡착된 샘플을 2 ℃/min 속도로 승온하여 100 ℃에서 150분간 유지하였다. 탈착과정에서 발생되는 가스양 및 탈착경향을 비교하였다.
<실험결과>
도 7에 산화시간별 탈착 그래프를 나타내었으며, 다음 표 3에 산화시간 별 원소분석 데이터를 나타내었다.
<표 3>
Figure 112020024108966-pat00004
미산화 샘플의 경우 N2 (환원) 처리를 통하여 산소농도를 감소시켜 O 함량 변화에 따른 탈착경향을 비교하고자 하였다.
산화처리 시간이 늘어날수록 샘플의 산소 원소 함량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
산소 원소 농도가 증가될수록 상대 적인 탄소 원소 함량이 감소하는 경향을 보였다. 원소분석은 FlashSmart (Thermo Fisher Scientific 제)를 이용하여 진행하였다.
다음 표 4는 실시예와 비교예의 흡탈착 비교결과이다.
<표 4>
Figure 112020024108966-pat00005
활성탄소의 산화를 통하여 탈착 시 CO 발생량이 억제되는 경향을 확인하였으며, 과산화를 통해 산소함량이 다소 높거나 탄소함량이 낮을 경우 흡착용량에 영향 을 주는 것을 확인할 수 있다.
산소 함량이 8.9% 일 때 탈착 시 CO 배출최대 농도가 12 ppm 으로 가장 낮았으며, 산소 함량이 18.31% 일 때 흡착용량이 감소하는 경향을 보였다.
산화시간을 25 시간(산소 함량 18.31%)으로 처리할 경우 CO 발생 억제는 가능하였으나, 탄소 함량의 감소로 인하여 흡착용량이 감소하였다.
이를 통해 활성탄소의 산화처리를 통하여 산소 원소함량을 제어할 경우 탈착 시 CO 발생을 억제할 수 있는 것을 확인하였다.
흡착제(110)는 물을 흡착하는 제2흡착제(120)와 N2O가스를 흡착하는 제1흡착제(110)가 NOx를 흡착하는 제3흡착체(130)를 사이에 두고 서로 이격되도록 배치되어 있다. 이는 제1흡착제(110)로 사용되는 CaX 제올라이트에 물이 흡착되어 N2O가스 흡착용량이 감소하는 문제를 최소화한 것이다.
흡착되지 않은 가스는 바로 외부(GAS Out 방향)로 배출된다.
이후 N2O가스와 NOx가스를 탈착시킨다(S200).
탈착은 질소공급부(30)를 통해 질소를 공급 하거나/공급하면서 해당 컬럼(11, 12)의 온도를 높이면서 수행된다. 탈착은 컬럼(11, 12)의 온도를 약 100℃로 올린 상태에서 진행될 수 있으며, 이 때 흡착된 물도 같이 탈착될 수 있다.
탈착이 완료된 컬럼(11, 12)은 재생과정을 거쳐 재생된다. 재생은, 예를 들어, 탈착과정보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 재생과정에서도 질소를 공급할 수 있으며, 재생에 사용된 질소 가스 역시 외부로 배출된다.
이상과 같이 컬럼(11, 12) 중 어느 하나가 흡착과정을 거칠 때 다른 하나는 탈착과 재생과정을 거치면서 컬럼(11, 12)은 교대로 운전된다. 이를 통해 연속운전 이 가능해진다.
다음으로 탈착된 N2O가스와 NOx 가스를 분해처리한다(S300).
촉매처리부(20)에는 Pd/알루미나 촉매가 충전되어 있다. 분해 온도는 300℃ 내지 900℃ 또는 700℃ 내지 800℃일 수 있다.
N2O가스의 처리 반응식은 다음과 같으며 분해 온도는 400℃ 내지 600℃일 수 있다.
Pd + N2O --> PdO + N2
분해과정에서 수소공급부(40)를 통해 수소를 공급하여 PdO로 변경된 촉매를 환원하여 재생한다. 즉, 팔라듐의 산화상태를 일정하게 조절해 주는 것이다.
PdO + H2 - -> Pd + H2O
수소는 일정유량으로 지속적으로 공급되거나 간헐적으로 공급될 수 있다. 구체적으로는, 이에 한정되지 않으나, 10시간 이내 마다 촉매충전량의 약 3배의 수소를 흘려서 700±50℃에서 Pd 촉매성분을 환원시킨다(PdO -> Pd). (예를 들어 가스유량 총 1,000 L/min 일 때 촉매를 6 L 충전하면, 수소를 10시간 마다 18 L 이상 흘려준다). 수소는 폐가스 처리 전에만 공급될 수 있으며, 폐가스 처리 중에도 공급될 수도 있다.
단, 수소 폭발하한치(LEL, low explosive limit)가 4 vol% 이므로 안전율 (LEL/4)까지 고려하여, 수소의 농도를 1 vol%를 초과하지 않는 농도범위에서 수소를 흘려준다 [수소를 희석을 많이 하여 1 L/min (1,000 ppmv)으로 18분 (18 L = 1 L/min x 18 min) 흘려줄 수 있다.]
다른 실시예에서는 센서(52)에서 측정한 N2O가스와 NOx가스의 농도를 기초로 촉매처리부(20)의 운전조건을 변경할 수 있다 .
센서(52)의 측정결과 N2O가스가 많으면 분해온도를 낮추고 NOx가스가 많으면 분해온도를 올릴 수 있다. 또한 센서(52)의 측정결과에 따라 수소의 공급유량/공급 시기도 변경할 수 있다.
또 다른 실시예에서는 흡착컬럼부(11, 12)에서 N2O가스와 NOx가스를 선택적으로 탈착하고, 탈착되는 가스에 따라 촉매처리부(20)의 운전조건(온도 및 수소공급량)을 조절할 수 있다.
또 다른 실시예에서는 촉매처리부(20)를 복수로 마련하여 서로 운전조건을 달리할 수도 있다.
또 다른 실시예에서는 촉매처리부(20)의 길이방향(폐가스의 흐름방향)을 따 라 또는 촉매처리부(20)의 두께 방향을 따라 촉매처리부(20)의 온도가 달라질 수 있다. 예를 들어 온도가 낮은 일영역에서는 N2O가스의 분해가 일어나고 온도가 높은 다른 영역에서는 NOx가스의 분해가 일어날 수 있다. 영역간의 온도 차이는 80℃ 내지 120℃ 또는 50℃ 내지 100℃일 수 있다.
촉매처리부(20)를 거쳐 N2O가스와 NOx 가스가 분해된 폐가스는 냉각기(25)에서 냉각된 후 외부로 배출된다.
이상 설명한 본 발명에 따르면 질소가스의 농축(흡착, 탈착) 및 분해를 통해 환원제없이 탈질을 수행할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치 환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims (26)

  1. 반도체 생산 시 발생하는 폐가스를 처리하기 위한 처리 장치에 있어서,
    상기 폐가스는 N2O가스를 포함하며,
    외부로부터 유입되는 폐가스의 이물질을 제거하는 필터부;
    상기 필터부를 거친 폐가스 중 N2O 가스를 선택적으로 흡착 및 탈착하는 제1흡착제를 포함하는 흡착컬럼부;
    상기 흡착컬럼부의 후단에 위치하며 상기 흡착컬럼부에서 탈착되는 N2O 가스를 분해처리하는 촉매반응기;
    상기 촉매반응기에 수소를 공급하는 수소공급부; 및
    상기 촉매반응기 후단에 위치하는 냉각기를 포함하며,
    상기 흡착컬럼부는,
    병렬로 연결된 제1컬럼과 제2컬럼을 포함하며,
    상기 제1흡착제는 CaX 제올라이트를 포함하며,
    상기 폐가스는 NOx 가스를 더 포함하며,
    상기 제1컬럼과 상기 제2컬럼 각각은,
    물을 선택적으로 흡착하는 제2흡착제, NOx 가스를 선택적으로 흡착하는 제3 흡착제 및 상기 제1흡착제가 순차적으로 배치되어 있는 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필터부는,
    제1방향으로 길게 연장된 사이클론 하우징;
    상기 사이클론 하우징의 측면에 위치한 유체 입구;
    상기 사이클론 하우징 내부에 위치하는 필터; 및
    상기 필터를 일정한 간격을 두고 감싸고 있는 흡입배관을 포함하며,
    상기 폐가스는 상기 사이클론 하우징의 내부 공간에 도입되어 상기 흡입배관을 감싸고 회전하면서 하부로 이동한 후, 상승하면서 상기 필터를 거쳐 외부로 유출되는 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 필터부는,
    상기 사이클론 하우징의 하부에 위치하는 더스트 포집유닛을 더 포함하는 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 필터는,
    상기 더스트 포집유닛을 향한 하부면은 유체가 통과할 수 없는 중공의 원통 형상이며,
    상기 필터부는,
    상기 필터와 연결되어 상기 필터를 상기 제1방향과 평행한 축을 중심으로 회전시키는 모터 및 스핀들을 더 포함하는 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각기는,
    상기 분해처리된 N2O 가스의 유로 내에 위치하며 내부에 냉각유체가 흐르는 코일 파이프;
    상기 분해처리된 N2O 가스의 유로와 인접하여 공기층을 사이에 두고 이격되어 상기 유로를 감싸고 내부에 냉각유체가 흐르는 냉각챔버를 포함하는 처리 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 흡착컬럼부에 흡착된 N2O 가스와 NOx 가스를 탈착시키기 위해 상기 흡착컬럼부에 질소가스를 공급하는 질소가스공급부를 더 포함하는 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제3흡착제는 활성탄소를 포함하는 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 활성탄소는 산화처리되어 있으며,
    산소 성분은 6중량% 내지 12중량%인 처리 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 촉매반응기는 Pd/알루미나 촉매가 충전되어 있는 처리 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 수소공급부는 상기 Pd/알루미나 촉매를 환원시키기 위해 수소를 공급하는 처리 장치.
  14. 반도체 생산 시 발생하는 폐가스를 처리하기 위한 처리 방법에 있어서,
    상기 폐가스는 N2O가스를 포함하며,
    상기 폐가스의 이물질을 제거하는 단계;
    이물질이 제거된 상기 폐가스 중 N2O 가스를 흡착하는 단계;
    상기 흡착된 N2O가스를 탈착시키는 단계;
    탈착된 N2O가스를 촉매를 이용하여 분해처리하는 단계;
    상기 분해처리된 N2O가스를 냉각시키는 단계; 및
    상기 분해처리 시 상기 촉매에 수소를 공급하는 단계를 포함하며,
    상기 흡착은 N2 O 가스를 선택적으로 흡착하는 제1흡착제를 포함하는 흡착컬럼부를 통해 수행되며,
    상기 흡착컬럼부는,
    병렬로 연결된 제1컬럼과 제2컬럼을 포함하며,
    상기 제1흡착제는 CaX 제올라이트를 포함하며,
    상기 폐가스는 NOx가스를 더 포함하며,
    상기 제1컬럼과 상기 제2컬럼 각각은,
    물을 선택적으로 흡착하는 제2흡착제, NOx를 선택적으로 흡착하는 제3흡착제 및 상기 제1흡착제가 순차적으로 배치되어 있는 처리 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 이물질 제거는 필터부를 통해 수행되며,
    상기 필터부는,
    제1방향으로 길게 연장된 사이클론 하우징;
    상기 사이클론 하우징의 측면에 위치한 가스 입구;
    상기 사이클론 하우징 내부에 위치하는 필터; 및
    상기 필터를 일정한 간격을 두고 감싸고 있는 흡입배관을 포함하며,
    상기 폐가스는 상기 사이클론 하우징의 내부 공간에 도입되어 상기 흡입배관을 감싸고 회전하면서 하부로 이동한 후, 상승하면서 상기 필터를 거쳐 외부로 유출되는 처리 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 필터부는,
    상기 사이클론 하우징의 하부에 위치하는 더스트 포집유닛을 더 포함하는 처리 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 필터는,
    상기 더스트 포집유닛을 향한 하부면은 유체가 통과할 수 없는 중공의 원통 형상이며,
    상기 필터부는,
    상기 필터와 연결되어 상기 필터를 상기 제1방향과 평행한 축을 중심으로 회전시키는 모터 및 스핀들을 더 포함하는 처리 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제14항에 있어서,
    상기 흡착컬럼부에 흡착된 N2O 가스와 NOx 가스의 탈착은 상기 흡착컬럼부에 질소가스를 공급하여 수행되는 처리 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1컬럼과 상기 제2컬럼은 흡착과 재생을 교대로 수행하는 처리 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제3흡착제는 활성탄소를 포함하는 처리 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 활성탄소는 산화처리되어 있으며,
    산소 성분은 6중량% 내지 12중량%인 처리 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 촉매는 Pd/알루미나 촉매를 포함하는 처리 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    탈착되는 N2O 가스와 NOx 가스의 농도를 측정하는 단계를 더 포함하며,
    상기 분해처리의 조건은 상기 측정결과에 따라 조절되는 처리 방법.
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