KR102567698B1 - 반응챔버 내면에 단열부를 구비하는 단열구조의 플라즈마 스크러버 및 그 제조방법 - Google Patents

반응챔버 내면에 단열부를 구비하는 단열구조의 플라즈마 스크러버 및 그 제조방법 Download PDF

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윤성식
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Abstract

플라즈마 형성가스 공급부로부터 주입되는 가스에 의해 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부(10) 및 폐가스가 유입되며 플라즈마 발생부(10)에서 생성된 플라즈마에 의해 폐가스를 열분해하는 원통형 반응챔버(30)를 포함하는 단열구조의 플라즈마 스크러버는, 반응챔버(30)의 내경(D1)보다 작은 외경(d2)을 가지는 단열재질의 원통형 단열부(40); 및 원통형 단열부의 외주면과 반응챔버의 내주면 사이에 충전되는 접착제층(50)을 포함하며, 원통형 단열부(40)는 반응챔버(30) 내에서 동심으로 배열된다.

Description

반응챔버 내면에 단열부를 구비하는 단열구조의 플라즈마 스크러버 및 그 제조방법{PLASMA SCRUBBER HAVING INSULATION STRUCTURE ON THE INNER SURFACE OF THE REACTION CHAMBER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 스크러버 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 플라즈마 스크러버의 반응챔버의 내면에 단열부를 구비하는 단열구조의 플라즈마 스크러버 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체는 회로 설계, 마스크 제작, 노광, 식각, 확산, 박막, 세정, 연마 등 다양한 제조공정을 거쳐 제조되는데, 이러한 반도체 제조공정에서 유독성, 가연성 및 부식성이 강한 가스가 사용된다. 따라서, 반도체 공정 중 배출되는 폐가스에는 유해 성분이 다량 함유될 수 있다.
이와 같은 폐가스(유해가스)가 별도의 정화 처리 과정 없이 외부로 유출될 경우, 주변 제조 설비의 손상과 함께 심각한 환경오염 및 작업자의 안전사고를 초래할 수 있다. 이에 따라, 폐가스의 유해성분을 기준치 이하로 낮추기 위해서, 정화처리 과정을 반드시 거치도록 법적으로 의무화되어 있다.
폐가스를 처리하기 위하여 스크러버(Scrubber)가 사용될 수 있는데, 반도체 산업에서 사용되는 스크러버는 반도체 제조공정 중에 발생하는 각종 독성가스, 산성가스, 가연성가스(SiH4, SiH6, As3, PH3 등), 환경유해가스(PFC계: SF6, NF3, CF4, C2F6, C3F8 등) 등을 정제하여 배출한다. 이러한 스크러버는 처리 방식에 따라 습식(wet-type), 건식(dry-type), 연소식(burn-type), 흡착식, 플라즈마식 등으로 분류될 수 있다.
특히, 플라즈마 스크러버는 고온 및 높은 화학적 활성을 이용하여 온난화 지수가 높고, 열적, 화학적으로 매우 안정한 난분해성 물질 등을 처리하는데 매우 효과적이다. 또한, 낮은 운전 비용 및 사용의 편리성 등의 장점을 가진다. 이러한 장점들로 인해 플라즈마 스크러버는 경쟁력 있는 기술로 인정받고 있다. 이에 따라, 일반적으로, 반도체 후처리 공정에서는 플라즈마 스크러버 시스템(Plasma Scrubber System)이 적용되고 있다. 도 1 및 도 2는 한국 등록특허 제10-2471366호에 개시된 플라즈마 스크러버 시스템의 일례를 나타낸다.
전 세계 반도체 산업의 호황으로 반도체의 생산량이 증가하고, 반도체 제조공정에서의 고집적화(나노 공정)의 확대로 인하여, 전력을 포함한 에너지의 사용량이 증가하여, 에너지 효율 향상, 재생에너지 사용 확대, 공정배출가스의 감소 등에 관한 기준이 더욱 강화되고 있다.
플라즈마 스크러버의 반응챔버에서는 폐가스를 높은 온도에서 열분하기 위해서 반응챔버의 내부 온도가 약 1200℃ - 1300℃의 고온으로 유지되는 것이 바람직한 반면, 반응챔버의 외벽에 인접하는 배관들이 반응챔버의 외벽으로부터 발산되는 고열에 의해 과열되어 손상되거나 작업자의 안전 환경을 조성하기 위하여 반응챔버의 외벽에는 냉각수(PCW)가 흐르는 냉각 챔버가 형성될 수 있다. 이와 같이, 반응챔버의 내부 온도는 고온으로 유지되어야 하는 반면, 반응챔버의 외벽은 냉각 챔버에 의해 온도를 낮추어야 하는 양면성이 있으므로, 반응챔버의 내주면의 단열성능이 우수할수록 플라즈마 스크러버의 에너지 효율이 증대될 수 있다.
한국 등록특허 제10-1493786호에서는 난분해성 유해가스 소각처리를 위한 스크러버 시스템(500)에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 반응챔버(501)의 외벽을 단열시키기 위한 단열층(502)을 포함하는 것을 개시하고 있다. 그러나, 상기 한국 등록특허 제10-1493786호에서 반응챔버의 외벽의 단열층을 어떻게 형성하는 것인가에 대하여는 개시되어 있지 않다.
플라즈마 스크러버의 반응챔버의 외벽의 내주면에 단열층을 형성하는 방법으로서 내주면에 내화타일을 접착시키는 것이 고려될 수 있으나, 통상 약 200mm 내지 700mm의 내경을 가진 반응챔버의 내주면에 두께가 균일하게 내화타일을 시공하기가 어려운 문제가 있다.
또한, 플라즈마 스크러버의 반응챔버의 내주면은 항상 고온의 열에 노출되어 있으므로 쉽게 부식되어 플라즈마 스크러버의 내구성이 저하되며 플라즈마 스크러버의 처리효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 플라즈마 스크러버의 반응챔버에서의 열효율을 향상시키고 반응챔버의 내주면의 내식성을 향상시키기 위하여, 플라즈마 스크러버의 반응챔버의 내면에 단열부를 구비하는 고강도의 단열구조의 플라즈마 스크러버 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 그러나, 이러한 과제들은 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버는, 플라즈마 형성가스 공급부로부터 주입되는 가스에 의해 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부 및 폐가스가 유입되며 상기 플라즈마 발생부에서 생성된 플라즈마에 의해 폐가스를 열분해하는 원통형 반응챔버를 포함하는 플라즈마 스크러버에 있어서, 상기 반응챔버의 내경보다 작은 외경을 가지는 단열재질의 원통형 단열부; 및 상기 원통형 단열부의 외주면과 상기 반응챔버의 내주면 사이에 배치되는 접착제층을 포함하며, 상기 원통형 단열부는 상기 반응챔버 내에서 동심으로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버에서, 상기 반응챔버의 내주면과 상기 원통형 단열부의 외주면 사이의 접착제층의 두께는 약 5mm 내지 약 15mm의 범위로 설정될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버에서, 상기 원통형 단열부가 상기 반응챔버 내에서 동심으로 배열될 수 있도록, 상기 원통형 단열부의 외주면의 상하부에는 각각 적어도 3개의 간격유지 돌출부가 형성되며, 상기 간격유지 돌출부의 높이는 약 5mm 내지 약 15mm의 범위로 설정될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버에서, 상기 원통형 단열부는 산화알루미늄(Al2O3)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버에서, 상기 접착제층은 세라믹 본드로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버에서, 상기 세라믹 본드에는 내화시멘트(refractory cement)가 약 30중량% 내지 약 70중량% 혼합될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시례에 따르면, 플라즈마 스크러버의 반응챔버의 내주면에 단열부를 형성하는 방법은, 플라즈마 형성가스 공급부로부터 주입되는 가스에 의해 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부 및 상기 플라즈마 발생부에서 생성된 플라즈마에 의해 폐가스를 열분해하는 원통형 반응챔버를 포함하는 플라즈마 스크러버에서, 상기 반응챔버의 내경보다 작은 외경을 가지는 단열재질의 원통형 단열부를 준비하는 단계; 상기 반응챔버 내에 상기 원통형 단열부를 동심으로 배열하는 단계; 및 상기 원통형 단열부의 외주면과 상기 반응챔버의 내주면 사이에 세라믹 본드를 충전하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시례에 따른 플라즈마 스크러버의 반응챔버의 내주면에 단열부를 형성하는 방법에서, 상기 반응챔버와 상기 원통형 단열부 사이에 충전된 세라믹 본드를 약 800℃ 내지 약 1200℃에서 소성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시례에 따른 플라즈마 스크러버의 반응챔버의 내주면에 단열부를 형성하는 방법에서, 상기 반응챔버의 내주면과 상기 원통형 단열부의 외주면 사이의 세라믹 본드층은 약 5mm 내지 약 15mm의 범위로 설정될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시례에 따른 플라즈마 스크러버의 반응챔버의 내주면에 단열부를 형성하는 방법에서, 상기 원통형 단열부는 산화알루미늄(Al2O3)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시례에 따른 플라즈마 스크러버의 반응챔버의 내주면에 단열부를 형성하는 방법에서, 상기 원통형 단열부의 외주면과 상기 반응챔버의 내주면 사이에 충전되는 세라믹 본드에는 내화시멘트(refractory cement)가 약 30중량% 내지 약 70중량% 혼합될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버 및 그 제조방법에 의하면, 플라즈마 반응챔버의 내면에 단열부를 구비할 수 있어서, 플라즈마 스크러버의 반응챔버에서의 열효율이 향상되고 반응챔버의 내주면의 내식성 및 강도가 향상될 수 있다. 물론, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 종래 기술의 플라즈마 스크러버 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 종래 기술의 플라즈마 스크러버 시스템의 정면도이다.
도 3은 종래 기술의 유해가스 소각처리를 위한 스크러버 시스템에서의 반응챔버의 단열구조를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버의 개략 단면도이다.
도 5는 도 4의 단열구조의 플라즈마 스크러버의 분해 단면도이다.
도 6은 도 4의 단열구조의 플라즈마 스크러버의 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버에서의 단열부의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시례에 따른 플라즈마 스크러버의 반응챔버의 내주면에 단열부를 형성하는 방법의 흐름도이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시례를 통하여 보다 분명해질 것이다.
이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시례를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시례들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시례들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 개념에 따른 실시례는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시례들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시례들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어 있다"거나 "접속되어 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어 있다"거나 또는 "직접 접속되어 있다"고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "∼사이에"와 "바로 ∼사이에" 또는 "∼에 인접하는"과 "∼에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시례를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시례들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버의 개략 단면도이며, 도 5는 도 4의 단열구조의 플라즈마 스크러버의 분해 단면도이며, 도 6은 도 4의 단열구조의 플라즈마 스크러버의 횡단면도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버에서의 단열부의 개략도이다.
본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버(100)는 플라즈마 형성가스 공급부로부터 주입되는 플라즈마 형성가스에 의해 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부(10) 및 폐가스가 유입되며 상기 플라즈마 발생부(10)에서 생성된 플라즈마에 의해 폐가스를 열분해하는 원통형 반응챔버(30)를 포함하는 플라즈마 스크러버에 있어서, 상기 반응챔버(30)의 내경(D1)보다 작은 외경(d2)을 가지는 단열재질의 원통형 단열부(40); 및 상기 원통형 단열부의 외주면과 상기 반응챔버의 내주면 사이에 배치되는 접착제층(50)을 포함하며, 상기 원통형 단열부(40)는 상기 반응챔버(30) 내에서 동심으로 배열될 수 있다.
상기 상기 원통형 단열부(40)는 산화알루미늄(Al2O3)을 포함할 수 있다. 이러한 구성에 의해 플라즈마 스크러버(100)의 반응챔버(30)는 고온의 열에 의한 부식이 잘 발생하지 않는 우수한 내식성을 가질 수 있다. 또한, 상기 원통형 단열부(40)는 단열성능과 강도를 향상시키기 위하여 내화성이 우수한 실리카(SiO2)를 더 포함할 수 있다. 이 경우에 산화알루미늄(Al2O3)과 혼합된 실리카(SiO2)를 굳혀 줄 바인더(binder)를 더 포함할 수 있으며, 필요에 따라 다른 성분들을 더 포함할 수 있다. 이러한 구성에 의해, 플라즈마 스크러버의 반응챔버가 높은 내식성과 단열성과 강도를 가진 단열구조의 플라즈마 스크러버를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버(100)에서, 상기 원통형 단열부(40)의 외주면과 상기 반응챔버(30)의 내주면 사이에 배치되는 접착제층(50)은 세라믹 본드를 충전하여 형성할 수 있다. 원통형 단열부(40)와 반응챔버(30)의 사이에 충전되는 세라믹 본드는 상온에서도 경화될 수 있으나, 빠른 경화, 내열성 및 강도 향상을 위하여는 약 800℃ 내지 약 1200℃에서 소성되는 것이 바람직하다.
원통형 단열부(40)와 반응챔버(30)의 사이에 배치되는 접착제층(50)의 내열성을 강화하기 위하여 세라믹 본드에 내화시멘트(예를 들어, 캐스타블(castable) 등)가 약 30중량% 내지 약 70중량% 혼합될 수 있다. 세라믹 본드에 내화시멘트가 약 30중량% 이상 혼합되어야 내화성의 향상 효과가 증대되며, 세라믹 본드에 내화시멘트가 약 70중량% 이상 혼합되면 원통형 단열부(40)와 반응챔버(30)를 결합시키는 접착제층(50)의 결합력이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버(100)에서, 원통형 단열부(40)를 원통형 반응챔버(30) 내에 배열할 때, 원통형 단열부(40)의 중심을 원통형 반응챔버(30)의 중심과 일치시켜야 접착제층(50)의 두께가 균일하게 형성될 수 있다. 접착제층(50)의 두께가 균일하지 않으면 두께가 얇은 부위의 강도가 약하게 되어 접착체층(50)에 균열이 발생될 수 있으며, 이로 인하여 플라즈마 스크러버의 수명이 짧아지는 원인이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버(100)에서, 상기 반응챔버(30)의 내주면과 상기 원통형 단열부(40)의 외주면 사이의 접착제층(50)의 두께(t)는 약 5mm 내지 약 20mm인 것이 바람직하다. 접착제층(50)의 두께(t)가 5mm이하로 될 경우에는 원통형 단열부(40)와 반응챔버(30)의 결합력이 저하될 수 있다. 접착제층(50)의 두께(t)가 20mm 이상으로 되더라도 원통형 단열부(40)와 반응챔버(30)의 결합력이 증대되는 효과는 크지 않으며, 오히려 반응챔버(30) 내의 열분해 유효반응영역이 감소하게 된다.
본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버(100)에서, 원통형 단열부(40)는 반응챔버(30) 내에서 동심으로 배열되어 원통형 단열부(40)의 외주면과 반응챔버(30)의 내주면 사이의 간격(G)을 균일하게 유지할 필요가 있다. 이를 위하여, 본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버(100)에서는, 상기 원통형 단열부(40)가 상기 반응챔버(30) 내에서 동심으로 배열될 수 있도록, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 원통형 단열부(40)의 외주면의 상하부에는 각각 적어도 3개의 간격유지 돌출부(41)가 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 간격유지 돌출부(41)의 높이(h)는 약 5mm 내지 약 15mm로 설정될 수 있다. 상기 간격유지 돌출부(41)의 높이(h)를 약 5mm 내지 약 15mm로 설정하는 것은 원통형 단열부(40)의 외주면과 반응챔버(30)의 내주면의 간격(G)을 약 5mm 내지 약 15mm로 유지하여 접착제층(50)으 두께(t)를 약 5mm 내지 약 15mm로 형성하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버(100)의 변형례에 따르면, 반응챔버(30)의 바닥부가 아래방향으로 수렴되는 원추형으로 이루어진 경우(깔대기 모향으로 형성된 경우)에도 반응챔버(30)의 바닥부의 원추형 내면과 원추형 단열부의 사이에 접착제층을 형성할 수 있다. 이러한 경우에, 반응챔버(30)의 내주면과 원통형 단열부(40)의 외주면 사이에 접착제층(50)이 형성되는 것과 동일한 작용 효과를 얻을 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한, 통상 상온의 폐가스가 약 1200℃ - 1300℃ 정도의 고온의 플라즈마와 접촉하게 될 경우에는, 폐가스가 열분해되기 시작하는 약 700℃까지 폐가스의 온도가 상승할 때까지는 열분해 작용이 지연되어 효율이 저하되는 문제가 있으므로, 이러한 열분해 작용의 지연을 방지하기 위하여 폐가스를 열분해에 적합한 온도까지 미리 상승시키는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버(100)에서는, 반응챔버(30) 내에서의 플라즈마에 의한 폐가스의 열분해 효율을 향상시키기 위하여, 폐가스가 플라즈마에 접촉되기 전에 폐가스의 온도를 소정의 온도까지 상승시킬 수 있는 폐가스 예열부(도시하지 않음)가 반응챔버(30)의 내부에 배치될 수 있다. 이러한 구성에 의해, 폐가스 예열부로부터 토출되는 폐가스의 온도는 약 800℃까지 상승된다. 상기 폐가스 예열부는 고온의 반응챔버(30) 내에 배치되므로, 내열성을 구비한 금속재질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 스테인레스강으로 제조될 수 있는 것으로, SUS 304, SUS 316 스테인레스강 등으로 제조될 수 있다.
통상, 반도체 제조 공정에서 반도체 제조 설비로부터 배출되는 폐가스(유해가스)는 유입부를 통해 플라즈마 스크러버(100) 내로 유입된다. 상기 폐가스는 반도체 제조 공정에서 사용되는 PFC 계열의 가스를 포함할 수 있다. 이러한 PFC 계열의 유해가스에는 CF4, C2F6, C3F8, CHF3, SF6 등이 있을 수 있다. 상기 유입부의 일측에는 플라즈마 발생부(10)가 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버(100)에서, 상기 플라즈마 발생부(10)는 플라즈마 형성가스 공급부(도시하지 않음)로부터 주입되는 플라즈마 형성가스에 의해 플라즈마를 생성하며, 바닥면에 대하여 수직 또는 수평으로 배치될 수 있다. 플라즈마 발생부(10)에는 고주파 방전관이 구비될 수 있으며, 고주파 방전관에서 플라즈마 형성가스를 방전시켜 플라즈마를 생성한다.
플라즈마 발생부(10)는 유입부의 일측에 연결되며, 유입부를 통해 유입된 폐가스를 연소시키기 위하여 플라즈마(화염)를 생성할 수 있다. 이러한 플라즈마는 플라즈마 형성 가스(예를 들어, 질소 가스)가 애노드 전극체(도시하지 않음) 및 캐소드 전극체(도시하지 않음)의 상호작용에 의해서 발생될 수 있다. 또한, 상기 플라즈마의 온도는 예를 들어 약 1000℃ 내지 3000℃ 정도일 수 있다. 다만, 가스의 종류, 유입량, 압력 조건 등에 따라 상기 온도는 달라질 수 있다. 일반적으로, 고체상태인 물질에 에너지를 가하면 순차적으로 액체, 기체로 변한다. 이러한 기체 상태의 물체에 가열이나 방전에 의해 에너지를 더욱 더 가하면 기체는 더 작은 입자인 원자, 이온, 전자 등으로 해리되는데, 이러한 상태를 플라즈마 상태라고 한다. 플라즈마 상태는 전리된 상태이기 때문에 고체, 액체, 기체 상태와는 달리 전기가 흐르고, 전체적으로 양이온(+)과 음이온(-)이 평행을 이루고 있기 때문에 전기적으로는 중성이다. 이러한 플라즈마를 이용한 스크러버는 높은 반응성을 가진다. 상기 플라즈마 발생부(10)는 상류에 설치된 플라즈마 형성가스 공급부를 통하여, 예를 들어, CO2와 같은 플라즈마 형성가스를 전자파 방전관(도시하지 않음)으로 공급할 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 발생부는 하류에 설치된 반응가스 공급부(도시하지 않음)를 통하여, 예를 들어, CH4, H2O, O2와 같은 반응가스를 고주파 방전관(도시하지 않음)으로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버(100)에서, 반응챔버(30)는 상기 플라즈마 발생부(10)로부터 유입되는 플라즈마에 의해 폐가스를 열분해한다. 상기 반응챔버(30)의 외주벽의 내부로 냉각매체(PCW: process cooling water)를 유동시켜 상기 반응챔버(30)를 냉각할 수 있다. 예를 들어, 냉각매체(PCW)의 유입구(도시하지 않음)가 반응챔버(30)의 상류측 외주벽에 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버(100)는 전자파 발진기로부터 발생된 전자파가 전송되며 플라즈마 발생부(10)를 가로질러 배치되어 상기 플라즈마 발생부에 전자파를 제공하는 전자파 도파관(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 이러한 전자파 도파관에 의해, 전자파가 혼입된 플라즈마가 방전챔버(30)로 유입될 수 있다. 이와 같이, 전자파가 플라즈마에 혼입됨으로 인하여 폐가스의 분해율이 상승되어 종래의 기술에 비하여 낮은 전력으로도 동일한 폐가스의 열분해율을 달성할 수 있게 된다. 본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 스크러버(100)는 하이브리드 플라즈마 토치를 이용함으로써, 종래의 플라즈마 스크러버에 비하여 약 20% 정도의 전력 저감을 가져올 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 단열구조의 플라즈마 스크러버(100)는 수처리 탱크(도시하지 않음) 및 아웃렛 타워(도시하지 않음)와 결합되어 사용될 수 있다.
수처리 탱크는 단열구조의 플라즈마 스크러버(100)의 하부에 위치할 수 있으며, 플라즈마 스크러버(100)를 통과하여 열분해(연소)된 폐가스(유해 가스)를 정화 처리할 수 있다. 수처리 탱크에서는 플라즈마 스크러버(100)를 통과한 폐가스가 유입되어 물(water)에 접촉된다. 이에 따라, 폐가스 처리 과정에서 발생하는 부산물(파우더) 및/또는 수용성 가스가 녹을 수 있다.
아웃렛타워(도시하지 않음)는 수처리 탱크의 상부에 위치하며, 수처리 탱크를 통과하여 수처리 탱크로부터 상승하는 가스에 포함되어 있는 이물질을 제거할 수 있다. 아웃렛타워를 통과한 가스는 정화 처리된 무해한 가스로서 외부로 배출된다.
이어서, 도 8을 참조하여, 본 발명의 다른 실시례에 따른 플라즈마 스크러버의 반응챔버의 내주면에 단열부를 형성하는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명에서는 플라즈마 형성가스 공급부로부터 주입되는 플라즈마 형성가스에 의해 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부(10); 및 상기 플라즈마 발생부(10)에서 생성된 플라즈마에 의해 폐가스를 열분해하는 원통형 반응챔버(30)를 포함하는 플라즈마 스크러버에서 상기 원통형 반응챔버(30)의 내주면에 단열부를 형성하는 것이다.
플라즈마 스크러버(100)의 반응챔버(30)의 내주면에 단열부를 형성하는 방법의 단계 S10에서는, 반응챔버(30)의 내경(D1)보다 작은 외경(d2)을 가지는 단열재질의 원통형 단열부(40)를 준비한다. 상기 원통형 단열부(40)는 산화알루미늄(Al2O3)을 포함할 수 있다. 이러한 구성에 의해 플라즈마 스크러버(100)의 반응챔버(30)는 고온의 열에 의한 부식이 잘 발생하지 않는 우수한 내식성을 가질 수 있다. 또한, 상기 원통형 단열부(40)는 단열성능을 향상시키기 위하여 내화성이 우수한 실리카(SiO2)를 더 포함할 수 있다. 이 경우에 산화알루미늄(Al2O3)과 혼합된 실리카(SiO2)를 굳혀 줄 바인더를 더 포함할 수 있으며, 필요에 따라 다른 성분을 더 포함할 수 있다.
다음에, 단계 S20에서는, 상기 반응챔버(30) 내에 상기 원통형 단열부(40)를 동심으로 배열한다. 이러한 구성에 의해, 원통형 단열부(40)의 외주면과 반응챔버(30)의 내주면 사이의 간격(G)을 일정하게 유지할 수 있다. 상기 반응챔버(30)의 내주면과 상기 원통형 단열부(40)의 외주면 사이의 간극(G)은 약 5mm 내지 약 15mm의 범위로 설정될 수 있다.
다음에, 단계 S30에서는, 상기 원통형 단열부(40)의 외주면과 상기 반응챔버(30)의 내주면 사이에 접착제를 충전한다. 상기 단계 S20에 의해서 원통형 단열부(40)의 외주면과 반응챔버(30)의 내주면 사이의 간격(G)이 일정하게 유지됨으로써, 원통형 단열부(40)와 반응챔버(30)의 사이에 충전되는 접착제의 두께(t)도 일정하게 될 수 있다.
또한, 상기 원통형 단열부(40)의 외주면과 상기 반응챔버(30)의 내주면 사이에 충전되는 접착제는 세라믹 본드로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 원통형 단열부(40)의 외주면과 상기 반응챔버(30)의 내주면 사이에 충전되는 세라믹 본드에는 내화시멘트가 약 30중량% 내지 약 70중량% 혼합될 수 있다. 세라믹 본드에 내화시멘트가 약 30중량% 이상 혼합되어야 내화성의 향상 효과가 증대되며, 세라믹 본드에 내화시멘트가 약 70중량% 이상 혼합되면 원통형 단열부(40)와 반응챔버(30)를 결합시키는 접착제층(50)의 결합력이 저하될 수 있다.
다음에, 단계 S40에서는, 상기 반응챔버(30)와 상기 원통형 단열부(40) 사이에 충전된 세라믹 본드를 약 800℃ 내지 약 1200℃에서 소성한다.
800℃보다 낮은 온도에서 세라믹 본드를 소성할 경우에는 접착력 및 내열성이 떨어질 수 있다. 또한, 1200℃ 이상의 온도에서 세라믹 본드를 소성할 경우에는 접착제가 갈라지게 되며 부스러지기 때문에 세라믹 본드를 소성하기 어렵다.
본 발명의 다른 실시례에 따른 플라즈마 스크러버의 반응챔버의 내주면에 단열부를 형성하는 방법의 변형례에 따르면, 반응챔버의 바닥부가 아래방향으로 수렴되는 원추형으로 이루어진 경우(깔대기 모향으로 형성된 경우)에도 반응챔버의 바닥부의 원추형 내면과 원추형 단열부의 사이에 접착제층을 형성할 수 있다. 이러한 경우에, 반응챔버의 내주면과 원통형 단열부의 외주면 사이에 접착제층이 형성되는 것과 동일한 작용 효과를 얻을 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시례를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시례가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 플라즈마 발생부
30: 반응챔버
40: 원통형 단열부
41: 돌기부
50: 접착제층
100: 플라즈마 스크러버
D1: 반응챔버의 내경
d1: 원통형 단열부의 내경
d2: 원통형 단열부의 외경
G: 원통형 단열부와 반응챔버 사이의 간격
t: 접착체층의 두께

Claims (11)

  1. 플라즈마 형성가스 공급부로부터 주입되는 가스에 의해 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부(10) 및 폐가스가 유입되며 상기 플라즈마 발생부(10)에서 생성된 플라즈마에 의해 폐가스를 열분해하는 원통형 반응챔버(30)를 포함하는 플라즈마 스크러버에 있어서,
    상기 반응챔버(30)의 내경(D1)보다 작은 외경(d2)을 가지는 단열재질의 원통형 단열부(40); 및
    상기 원통형 단열부의 외주면과 상기 반응챔버의 내주면 사이에 배치되는 접착제층(50)을 포함하며,
    상기 원통형 단열부(40)는 상기 반응챔버(30) 내에서 동심으로 배열될 수 있도록, 상기 원통형 단열부(40)의 외주면의 상하부에는 각각 적어도 3개의 간격유지 돌출부(41)가 형성되는 것을 특징으로 하는
    단열구조의 플라즈마 스크러버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응챔버(30)의 내주면과 상기 원통형 단열부(40)의 외주면 사이의 접착제층(50)의 두께(t)는 5mm 내지 15mm인 것을 특징으로 하는
    단열구조의 플라즈마 스크러버.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 단열부(40)는 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    단열구조의 플라즈마 스크러버.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접착제층(50)은 세라믹 본드로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    단열구조의 플라즈마 스크러버.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 세라믹 본드에는 내화시멘트가 30중량% 내지 70중량% 혼합되는 것을 특징으로 하는
    단열구조의 플라즈마 스크러버.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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