KR20090107383A

KR20090107383A - 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버

Info

Publication number: KR20090107383A
Application number: KR1020080032878A
Authority: KR
Inventors: 이영주; 황서연; 최성욱
Original assignee: (주)이에이앤지
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2009-10-13
Also published as: KR100978350B1

Abstract

본 발명은 반도체·액정·전자회로 제조공정 등에서 배출되는 과불화화합물(Perfluoro compounds : PFCs) 가스 처리용 고온 스크러버에 관한 것으로, PFCs 가스가 유입되는 유도관과 기체(N2, Air) 및 수증기를 유입시키는 다기관(Manifold)이 상부에 형성되고, 내부에는 히터가 상기 다기관에 근접되게 설치되어 상기 다기관을 통해 유입된 기체와 수증기가 히터의 발열 효과 상승을 유도하여 상기 유도관을 통해 유입된 PFCs 가스를 고온 분해 처리하는 히팅챔버와, 상기 히팅챔버의 하부에 형성되며 상기 히팅챔버에서 고온 분해 처리된 가스를 미세부산물과 같이 냉각시키면서 습식챔버로 유도하는 쿨링존와, 상기 쿨링존의 하부에 형성되어 상기 쿨링존을 통해 유도된 가스를 용해 처리하는 제1습식챔버와, 상기 제1습식챔버의 상부 일측에 형성되어 상기 제1습식챔버에서 처리된 가스를 2차 용해 처리하는 제2습식챔버와, 상기 제2습식챔버의 상부 일측에 형성되어 상기 제2습식챔버를 통해 처리된 불순물과 수분을 포집하는 데미스터(Demister)로 구성됨을 특징으로 하는 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버에 관한 것이다.

온실가스, 과불화화합물, PFCs, 미세물방울, 제거, 세정, 처리

Description

과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버{HIGH TEMPERATURE SCRUBBER FOR DISPOSAL OF PFCs GAS}

본 발명은 반도체·액정·전자회로 제조공정 등에서 배출되는 과불화화합물(Perfluoro compounds : PFCs) 가스 처리용 고온 스크러버에 관한 것으로, 히터가 구비된 히팅챔버에 수증기를 유입시켜 발열 효과를 증대시켜 반도체·액정·전자회로 제조공정 등에서 배출되는 PFCs 가스의 처리 효율을 상승시킬 수 있도록 구성된 PFCs 가스 처리용 고온 스크러버에 관한 것이다.

통상적으로 PFC는 반도체 제조공정에서 식각공정의 에칭제(etchant) 및 화학증착공정(chemical vapor deposition process)의 반응기(chamber) 세정제로 널리 쓰이는 가스이며, 대표적으로 CF₄, CHF₃, C₃F₆, CH₂F₂, C₃F₄, C₂F₆, C₃F₈, C₄F₁₀, C₅F₈, SF₆, NF₃ 등이 있다. 반도체 제조공정이 아니더라도 PFC는 종래에 사용되던 클로로-플루오로카본(chloro-fluorocarbon; CFC)을 대체하여 세정제ㅇ에칭제ㅇ용매ㅇ반응원료 등의 목적으로 사용하거나 제조하는 공정 및 작업장에서 배출되는 폐 가스에도 포함될 수 있다.

비록 PFC가 종래에 사용되던 CFC보다 안전하고, 안정한 물질이지만 지구온난화 지수(global warming potential)가 이산화탄소 대비 수천~수만 배로 매우 높아 대기 중으로 배출하는 것은 환경보호를 위해 규제의 대상이 되고 있고, 기후 변화 협약, 교토 의정서 등에 근거하여 앞으로 더욱 강화될 전망이다.

따라서 PFC 사용공정 및 제조공정에서 배출되는 과불화화합물 포함 배기가스의 처리가 요구되고 있다.

PFC포함 배기가스의 처리방법은 회수법(미국특허 제5,626,023호, 제5,533,338호, 제5,799,509호, 대한민국특허출원 제2000-3559호, 제2000-7007206호 등), 연소 및 열분해법(대한민국특허출원 제2003-6942호, 제2003-6945, 제1998-18388, 제2003-7012263호, 제2003-7016148호, 제2003-76183호, 제2000-42342호, 제2000-3615호, 제2002-21642호, 제2000-58975호, 미국특허 제7,055,117 B2호), 플라즈마 분해법(대한민국특허출원 제2001-14373호 등), 촉매 분해법(대한민국특허출원 제1998-48707호, 제2002-7013638호, 제2002-56218호) 등 여러 가지 방법이 제시되어 있다.

이 중에서 회수법은 폐 가스에 포함된 PFC성분을 PSA(pressure swing adsorption) 또는 분리막(membrane) 등을 사용하여 분리한 다음 회수하는 방법으로서, PFC의 재활용이 가능하다는 측면에서 바람직하지만 반도체 공정에서와 같이 불규칙적으로 소량 배출되는 PFC를 처리하는 경우에 있어서는 경제성이 낮은 방법이다.

또, 직접 연소법은 PFC를 포함하는 폐 가스를 가연성 가스를 이용해 1200℃ 이 상의 고온에서 직접 연소하는 방법으로써, 가장 간편한 PFC 처리방법 중의 하나이다. 그러나 반응온도가 높으므로 인하여 여러 가지 부가적인 문제점이 발생한다. 즉, 폐 가스 중에 PFC와 함께 포함되어 있는 질소 및 산소가 반응하여 유해 물질인 질소산화물(thermal NOx)이 다량 생성될 뿐만 아니라, PFC 분해 시 발생되는 HF에 의하여 장치의 부식이 심하게 일어나 질소산화물 처리 및 장치의 유지 보수를 위한 비용이 많이 들며, PFC 포함 대용량 배기가스를 연소하기 위해 가연성 연료를 대량 사용하기 때문에 비용이 많이 드는 단점이 있다.

또한, 플라즈마 분해법은 폐 가스를 플라즈마 영역을 통과시켜 분해ㅇ제거하는 기술로서, PFC는 90% 이상 분해 하지만 유량의 증가에 따라 효율이 급격히 저하되는 단점을 가지고 있으며, 높은 에너지 상태의 플라즈마를 사용하기 때문에 PFC의 무차별 분해에 의해 생성된 유리기(radical) 들의 2차 반응으로 다양한 종류의 부산물이 생성되는 문제점이 있다. 또한, 플라즈마를 안정적으로 장시간 발생시키기 위한 플라즈마 발생장치의 내구성 및 경제성에 있어서도 문제가 많다.

한편, 촉매 분해법은 촉매와 수증기를 사용하여 PFC 분해가 400~800℃의 저온에서 일어나게 유도함으로써 질소 산화물(thermal NOx)의 발생 및 장치 부식을 크게 낮출 수 있기 때문에 직접 분해법 및 플라즈마 분해법의 대안으로 위의 다른 기술들보다 높은 신뢰성과 분해효율을 나타내며, 폐 가스에 포함된 PFC를 100% 수준으로 분해할 수 있는 활성을 지니며 장기간 촉매 활성이 유지되는 내구성을 지닌 촉매가 개발되어 소형 PFC 배기가스 처리장치에 활용되고 있다. 그러나 폐 PFC 가스가 PFC 물질 외에 다른 물질 및 입자까지 포함하고 있기 때문에 촉매활성의 급격 한 저하가 기술발전의 가장 큰 장애 요인이다. 따라서 이러한 기술은 전처리 공정을 거친 후 촉매를 이용하는 공정으로 발전하고 있다.

본 발명은 PFCs 가스 처리 방법 중 직접 열분해법을 적용한 스크러버의 PFCs 가스 처리 효율을 극대화 시키고자 하는 것으로서, 히터가 1400℃ 이상의 온도로 가열되는데 소요되는 시간을 단축시키고, PFCs 분해시 생성된 잔여 플루오르기를 물과 반응시켜 물의 용해도가 높은 HF가스로 변환시켜 HF 가스를 2차에 걸쳐 용해 시킨 후 최종적으로 건식 원심력 챔버를 적용한 데미스터를 통해 불순물과 수분을 포집시켜 PFCs의 처리 효율을 높일 수 있으며, PFC 분해 시 발생되는 HF 가스에 의하여 장치가 부식되지 않도록 구성된 PFCs 가스 처리용 고온 스크러버를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 PFCs 가스 처리 방법 중 직접 열분해법을 적용한 스크러버의 PFCs 가스 처리 효율을 극대화 시키고자 하는 것으로서, PFCs 가스가 유입되는 유도관과 기체(N2, Air) 및 물입자를 유입시키는 다기관(Manifold)이 상부에 형성되고, 내부에는 히터(Heater)가 상기 다기관에 근접되게 설치되어 상기 다기관을 통해 유입된 기체와 물입자가 히터의 발열 효과 상승을 유도하여 상기 유도관을 통해 유입된 PFCs 가스를 고온 분해 처리하는 히팅챔 버(Heating Chamber)와, 상기 히팅챔버의 하부에 형성되며 상기 히팅챔버에서 고온 분해 처리된 가스를 미세부산물과 같이 냉각시키면서 습식챔버로 유도하는 쿨링존와, 상기 쿨링존을 통해 유도된 가스를 용해 처리하는 제1습식챔버와, 상기 제1습식챔버에서 처리된 가스를 2차 용해 처리하는 제2습식챔버와, 상기 제2습식챔버를 통해 처리된 불순물과 수분을 포집하는 데미스터(Demister)로 구성된다.

상기 쿨링존은 내부에 냉각수가 측면에서 투입되도록 구성하여 물의 회전율, 즉 소용돌이 형상으로 흐르는 수(水)막을 통해 히팅챔버에서 고온 분해 처리된 가스를 미세부산물과 같이 냉각시키면서 제1습식챔버로 유도하게 된다.

상기 제1습식챔버는 상기 쿨링존을 통해 유도된 가스를 용해 처리하는 장치로서, 시수가 탱크(Tank)내에 지속적으로 투입이 되면 탱크 내에 수위가 올라가 탱크 상부지점의 배수구를 통해 자연적으로 시수가 드레인(Drain)되도록 하는 구조, 또한 하부에 여비의 배수구를 두어 펌프(Pump)를 이용한 강제 드레인(Drain)을 할 수 있는 구조로 설계된다.

즉, 오퍼플로우(Overflow) 구조와 펌프 드레인(Pump Drain) 구조 겸용으로 사용 가능하고, 간접식에 의한 오류 동작 방지를 위해 레벨센서(Level Sensor) 접촉식을 적용한다.

상기 제2습식챔버는 상기 제1습식챔버에서 처리된 가스를 2차 용해 처리하는 장치로서, 장기간 사용에 의한 미세 부산물을 제거하도록 클리닝 시스템(Cleaning System) 적용한다.

상기 클리닝 시스템은 노즐을 통해 시수분사를 하여 적층된 미세 부산물을 씻겨내는 구조이다.

상기 데미스터는 상기 제2습식챔버를 통해 처리된 불순물과 수분을 포집하는 통상의 건식 원심력 챔버를 적용하여 수분과 함께 유입된 정화된 가스가 원심력을 이용하여 무거운 수분은 하부에 떨어져 쌓여 배출되도록 하여 수분을 포집하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 핵심기술은 다기관(Manifold)을 통해 히팅챔버 내부에 형성된 히터에 기체(N2, Air)와 물입자를 근접 유출시켜, 기체(N2, Air)와 수증기가 히터의 발열 효과의 상승을 유도한 것이다.

또한, PFCs 가스를 고온 분해시 발생되는 HF 가스를 제거하기 위해, 물과 반응율이 높은 HF의 특성을 이용하여 2개의 습식챔버를 구성하여 1,2차에 걸쳐 HF 가스를 용해처리하여 지구 온난화의 원인이 되는 플루오르화합물 가스를 99% 이상 제거될 수 있도록 구성한 것이다.

또한, 고온과 산성을 띄는 HF 가스에 접하게 되는 장치의 재질을 부식과 고온 에 강한 재질로 형성 또는 코팅하여 PFCs 가스를 고온 분해 처리시 발생되는 HF 가스와 고온에 의해 부식되지 않도록 구성한 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 히터가 1400℃ 이상의 온도로 가열되는데 소요되는 시간을 단축시켜 PFCs 가스 처리 효율을 증대시킬 수 있으며, PFCs 가스를 고온 분해시 발생되는 HF 가스를 제거하기 위해, 물과 반응율이 높은 HF의 특성을 이용하여 2개의 습식챔버를 구성하여 1,2차에 걸쳐 HF 가스를 용해처리하여 지구 온난화의 원인이 되는 HF 가스를 99% 이상 제거될 수 있으며, 고온과 산성을 띄는 HF 가스에 접하게 되는 장치의 재질을 부식과 고온에 강한 재질로 형성 또는 코팅하여 PFCs 가스를 고온 분해 처리시 발생되는 HF 가스와 고온에 의해 부식되지 않는 등의 효과가 있다.

본 발명은 도1에 도시된 바와 같이, PFCs 가스가 유입되는 유도관(10)과 기체(N2, Air) 및 물입자를 유입시키는 다기관(Manifold)(20)이 상부에 형성되고, 내부에는 히터(Heater)(30)가 상기 다기관(20)에 근접되게 설치되어 상기 다기관(20)을 통해 유입된 기체와 물입자가 히터(30)의 발열 효과 상승을 유도하여 상기 유도관(10)을 통해 유입된 PFCs 가스를 고온 분해 처리하는 히팅챔버(Heating Chamber)(40)와, 상기 히팅챔버(40)의 하부에 형성되며 상기 히팅챔버(40)에서 고온 분해 처리된 가스를 미세부산물과 같이 냉각시키면서 습식챔버로 유도하는 쿨링존(50)와, 상기 쿨링존(50)을 통해 유도된 가스를 용해 처리하는 제1습식챔버(60) 와, 상기 제1습식챔버(60)에서 처리된 가스를 2차 용해 처리하는 제2습식챔버(70)와, 상기 제2습식챔버(70)를 통해 처리된 불순물과 수분을 포집하는 데미스터(Demister)(80)로 구성되며,

상기 쿨링존(50)은 도3에 도시된 바와 같이, 내부에 냉각수가 측면에서 투입되도록 구성하여 물의 회전율, 즉 소용돌이 형상으로 흐르는 수(水)막을 통해 히팅챔버에서 고온 분해 처리된 가스를 미세부산물과 같이 냉각시키면서 제1습식챔버로 유도하게 된다.

상기 제1습식챔버(60)는 도4에 도시된 바와 같이, 시수가 탱크(Tank)내에 지속적으로 투입이 되면 탱크 내에 수위가 올라가 탱크 상부지점의 배수구를 통해 자연적으로 시수가 드레인(Drain)되도록 하는 구조, 또한 하부에 여비의 배수구를 두어 펌프(Pump)를 이용한 강제 드레인(Drain)을 할 수 있는 구조로, 오퍼플로우(Overflow) 구조와 펌프 드레인(Pump Drain) 구조 겸용으로 사용 가능하고, 간접식에 의한 오류 동작 방지를 위해 레벨센서(Level Sensor) 접촉식을 적용한다.

상기 제2습식챔버(70)는 장기간 사용에 의한 미세 부산물을 제거하도록 클리닝 시스템을 적용한다. 상기 클리닝 시스템은 도5에 도시된 바와 같이, 노즐을 통해 시수분사를 하여 적층된 미세 부산물을 씻겨내는 구조이다.

상기 데미스터(80)는 상기 제2습식챔버(70)를 통해 처리된 불순물과 수분을 포집하는 통상의 건식 원심력 챔버를 적용하여 수분을 포집하도록 구성된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 수분과 함께 유입된 정화된 가스가 원심력에 의해 무거운 수분은 하부에 떨어져 쌓여 배출되도록 하여 수분을 포집하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 실시예를 살펴보면 히팅챔버(40) 상부에 형성된 다기관(Manifold)(20)을 통해 히터(30)에 기체(N2, Air)와 물입자를 근접 유출시켜, 기체(N2, Air)와 수증기가 히터(30)의 발열 효과의 상승을 유도한다.

온도 테스트 결과를 살펴보면

<온도 테스트 1>

히터 설정 : 1500℃

히터 시작 : 상온(23℃)

Gas Flow : 0 lpm

Gas Press. : 0 Kg/cm²로 하였을 경우, 도7에 도시된 바와 같이 히터(30) 가동후 약 8분 뒤 히터온도가 1500℃에 도달하였으며, 히팅챔버(40)와 히팅챔버 Out단 온도는 16분 뒤에 1500℃ 가까이 상승한 것으로 나타났다.

<온도 테스트 2>

히터 설정 : 1500℃

히터 시작 : 1500℃

Gas Flow : 600 lpm

Gas Press. : 2 Kg/cm²로 하였을 경우, 도8에 도시된 바와 같이 히터(30) 가동 후부터 히팅챔버(40)의 온도가 PFCs 가스를 분해 가능한 1400℃로 나타났다.

이에 따라 히팅챔버(40)는 상기 다기관(20)을 통해 유입된 물입자가 히터(30)와 반응(Heater + 2H2O-> Heater + H2 + O2↑)하여, 상기 히터(30)가 1400℃ 이상의 온도로 급속도로 가열되고 유도관을 통해 유입된 PFCs 가스는 히터에 의해 고온 분해 처리되게 된다.

F2 + 2H20 → 2HF + 02↑

상기 히팅챔버(40)를 통해 PFCs 가스가 고온 분해 처리되면 쿨링존(50)을 통해 제1습식챔버(60)로 처리된 가스와 처리시 발생된 미세부산물이 유도되게 된다. 이때 쿨링존(50)에 소용돌이 형상으로 수(水)막이 형성되어 냉각효과가 극대화 되며, 또한, 쿨링존(50)에 미세 부산물이 적층되는 것이 방지되게 된다.

상기 쿨링존(50)을 통해 유도된 HF 가스는 제1습식챔버(60)를 통해 1차 용해 처리된 후, 제2습식챔버(70)를 통해 2차 용해 처리되고 가스 처리시 발생된 미세 부산물은 클린 시스템(Cleaning System)에 의해 필터링 된 후, 건식 원심력 챔버를 적용한 데미스터(80)에 의해 수분이 포집되어 유해 가스인 HF가 제거되게 된다.

본 발명에 따른 PFCs 가스 처리용 고온 스크러버를 통해 PFCs 가스의 처리 테스트 결과를 살펴보면,

<가스 테스트 1>

Waste 가스 : C₂F₆

가스 Flow : C₂F₆ - 2 lpm 로 설정하였을 경우, 도9에 도시된 바와 같이 Inlet : 2400 ppm으로 측정되었고, Outlet은 도10에 도시된 바와 같이 0.92ppm으로 측정되어, 99.9%의 가스 처리율을 보이고 있는 것으로 나타났다.

도 1은 본 발명에 따른 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버의 전체 구성도

도 2는 본 발명에 따른 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버의 히팅챔버 구성도

도 3은 본 발명에 따른 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버의 쿨링존 구성도(a : 측단면도, b : 평면도)

도 4는 본 발명에 따른 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버의 제1습식챔버 구성도(a : 외형, b: 내부)

도 5는 본 발명에 따른 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버의 제2습식챔버 및 데미스터 구성도

도 6은 본 발명에 따른 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버의 데미스터 작동상태도

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버의 온도 테스트 결과

도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버의 가스 처리 테스트 결과

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

유도관(10), 다기관(20), 히터(30), 히팅챔버(40), 쿨링존(50), 제1습식챔버(60), 제2습식챔버(70), 데미스터(80)

Claims

반도체·액정·전자회로 제조공정 등에서 배출되는 과불화화합물(Perfluoro compounds : PFCs) 가스 처리용 고온 스크러버에 있어서, PFCs 가스가 유입되는 유도관과 기체(N2, Air) 및 물입자를 유입시키는 다기관(Manifold)이 상부에 형성되고, 내부에는 히터(Heater)가 상기 다기관에 근접되게 설치되어 상기 다기관을 통해 유입된 기체와 물입자가 히터의 발열 효과 상승을 유도하여 상기 유도관을 통해 유입된 PFCs 가스를 고온 분해 처리하는 히팅챔버(Heating Chamber)와, 상기 히팅챔버의 하부에 형성되며 상기 히팅챔버에서 고온 분해 처리된 가스를 미세부산물과 같이 냉각시키면서 습식챔버로 유도하는 쿨링존와, 상기 쿨링존을 통해 유도된 가스를 용해 처리하는 제1습식챔버와, 상기 제1습식챔버에서 처리된 가스를 2차 용해 처리하는 제2습식챔버와, 상기 제2습식챔버를 통해 처리된 불순물과 수분을 포집하는 데미스터(Demister)로 구성됨을 특징으로 하는 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버.
제1항에 있어서, 상기 히팅챔버는 다기관(Manifold)을 통해 히팅챔버 내부에 형성된 히터에 기체(N2, Air)와 과불화화합물 , 물입자를 근접 유출시켜, 기체(N2, Air)와 물입자가 히터의 발열 효과의 상승을 유도한 것을 특징으로 하는 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버.
제1항에 있어서, 상기 쿨링존은 내부에 냉각수가 소용돌이 형상으로 흐르는 수(水)막이 형성되도록 구성하여 히팅챔버에서 고온 분해 처리된 가스를 미세부산물과 같이 냉각시키면서 제1습식챔버로 유도하도록 구성됨을 특징으로 하는 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버.
제1항에 있어서, 상기 제1습식챔버는 오퍼플로우(Overflow) 구조와 펌프 드레인(Pump Drain) 구조 겸용으로 사용 가능하고, 간접식에 의한 오류 동작 방지를 위해 레벨센서(Level Sensor) 접촉식을 적용함을 특징으로 하는 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버.
제1항에 있어서, 상기 제2습식챔버는 장기간 사용에 의한 미세 부산물을 제거하도록 Cleaning System을 적용함을 특징으로 하는 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버.
제1항에 있어서, 상기 데미스터는 건식 원심력 챔버를 적용하여 수분을 포집하도록 구성됨을 특징으로 하는 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버.
제1항에 있어서, 고온과 산성을 띄는 HF 가스에 접하게 되는 상기 히터, 히팅챔버, 제1,2습식챔버의 재질을 부식과 고온에 강한 재질로 형성 또는 코팅하여 PFCs 가스를 고온 분해 처리시 발생되는 HF 가스와 고온에 의해 부식되지 않도록 구성함을 특징으로 하는 과불화화합물 가스 처리용 고온 스크러버.