KR20100003561A - 가스 스크러버 - Google Patents

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    • B01D—SEPARATION
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    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/75—Multi-step processes

Abstract

본 발명은 가스 스크러버에 관한 것으로, 처리가스가 유입되는 가스유입구가 형성되며, 유입된 처리가스를 연소시키기는 버닝챔버; 상기 버닝챔버의 하측에 설치되며, 내부에는 처리가스의 진행 방향을 안내하는 가스안내관이 설치되고, 처리가스를 냉각시킴과 함께 처리가스에 포함된 유해물질을 여과하기 위해 적어도 1개 이상의 업소버가 내재되며, 벽면의 일측에는 냉각된 처리가스를 배출하기 위한 가스배출라인이 구비된 냉각챔버; 상기 냉각챔버의 일측에 설치되며, 공정 진행시 발생하는 수분을 저장하는 드레인챔버를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 버닝챔버로부터 유입된 고열의 처리가스를 냉각하기 위하여 처리가스에 직접 냉각수를 분사하지 않고 열교환 방식으로 냉각함으로써 처리가스의 냉각 효율을 안정화시킬 수 있을 뿐만 아니라 냉각수를 직접 분사함에 따른 비용 소모를 현저히 줄일 수 있다.
가스 스크러버, 버닝챔버, 냉각챔버, 업소버

Description

가스 스크러버{Gas Scrubber}
본 발명은 처리가스, 특히 반도체 제조 공정시 발생하는 발화성 가스 또는 유독성 가스를 포함하는 배기가스를 정화 처리하여 배출하는 가스 스크러버(Gas Scrubber)에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 화학공업, 반도체 또는 LCD 제조 공업 및 기타 여러 산업분야에서 발생하는 염화수소, 불화수소, 황산화물, 질소산화물, 황화수소, 아황산가스 등의 산성가스 성분을 함유한 각종 유해성 가스를 효율적으로 연소 및 제거하기 위한 가스 스크러버에 관한 것이다.
반도체 소자를 생산하는 공정 중에는 독성 가스를 배출하는 공정이 많다. 예를 들면, 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 공정, 이온주입(ion implantation) 공정, 식각 공정, 확산 공정 등에 사용되는 SiH4, SiH2, NO, AsH3, PH3, NH3, N2O, SiH2Cl2 등의 가스들이 사용되는데, 공정을 거치고 배출되는 가스들 은 여러 종류의 독성 물질을 함유하고 있다.
이런 독성 가스는 인체에 해로울 뿐만 아니라 가연성과 부식성도 있어 화재 등의 사고를 유발하기도 한다. 또한, 이런 독성 가스가 대기로 방출되면 심각한 환경오염을 유발하므로 가스가 대기 중에 방출되기 전에 가스 스크러버를 통과하여 가스를 정화하는 공정을 거치게 된다.
가스 스크러버는 크게 웨팅(wetting) 방식과 버닝(burning) 방식으로 대별된다.
웨팅방식 스크러버는 물을 이용하여 배기가스를 세정 및 냉각하는 구조로써, 비교적 간단한 구성을 가지므로 제작이 용이하고 대용량화할 수 있다는 장점은 있으나, 불수용성의 가스는 처리가 불가능하고, 특히 발화성이 강한 수소기를 포함하는 배기가스의 처리에는 부적절한 문제가 있다.
버닝방식 스크러버는 수소 버너 등의 버너 속을 배기가스가 통과되도록 하여 직접 연소시키거나, 또는 열원을 이용하여 고온의 챔버를 형성하고 그 속으로 배기가스가 통과되도록 하여 간접적으로 연소시키는 구조를 갖는다. 이러한 버닝방식 스크러버는 발화성 가스의 처리에는 탁월한 효과가 있으나, 잘 연소되지 않은 토직가스의 처리에는 부적절하다.
한편, 수소 등의 발화성 가스 및 실란(SiH4) 등의 토직가스를 사용하는 반응공정 예컨대, 반도체 제조공정은 상온보다 높은 고온에서 이루어지므로, 배기가스를 처리함에 있어서 유독성 가스의 정화와 동시에 배기가스를 냉각시킬 필요가 있 다.
이에 따라, 반도체 제조공정에서는, 웨팅방식의 스크러버와 버닝방식의 스크러버를 결합한 혼합형 가스 스크러버가 사용되고 있다. 이러한 혼합형 가스 스크러버는 먼저, 배기가스를 연소실에서 1차로 연소시켜 발화성 가스 및 폭발성 가스를 제거한 후에, 2차적으로 수조에 수용시켜 수용성의 유독성 가스를 물에 용해시키는 구조를 가진다.
그러나, 기존의 가스 스크러버는 열분해시 생성되는 고열의 처리가스를 냉각하기 위하여 처리가스에 직접 냉각수를 분사하여 냉각하였으나, 냉각수를 직접 분사함에 따른 비용이 과다하게 소모되고, 처리가스에 냉각수를 분사한 이후 생성되는 폐수의 처리 비용이 발생하는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 본 발명은, 직접적인 냉각수 분사에 의한 직접적인 냉각 타입이 아닌 반도체 공정 라인의 냉각수를 이용한 열교환 타입으로 처리가스를 냉각하는 가스 스크러버에 관련된 것이다.
상술한 과제를 달성하기 위하여, 처리가스가 유입되는 가스유입구가 형성되며, 유입된 처리가스를 연소시키기는 버닝챔버; 상기 버닝챔버의 하측에 설치되며, 내부에는 처리가스의 진행 방향을 안내하는 가스안내관이 설치되고, 처리가스를 냉각시킴과 함께 처리가스에 포함된 유해물질을 여과하기 위해 적어도 1개 이상의 업소버가 내재되며, 벽면의 일측에는 냉각된 처리가스를 배출하기 위한 가스배출라인이 구비된 냉각챔버; 상기 냉각챔버의 일측에 설치되며, 공정 진행시 발생하는 수분을 저장하는 드레인챔버를 포함하는 가스 스크러버가 제공된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 버닝챔버로부터 유입된 고열의 처리가스를 냉각하기 위하여 처리가스에 직접 냉각수를 분사하지 않고 열교환 방식으로 냉각함으로써 처리가스의 냉각 효율을 안정화시킬 수 있을 뿐만 아니라 냉각수를 직접 분사함에 따른 비용 소모를 현저히 줄일 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 의한 가스 스크러버의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참고하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 가스 스크러버는 독성 또는 폭발성의 처리가스를 연소시키기 위한 버닝챔버(100)와, 연소된 처리가스를 냉각하기 위한 냉각챔버(300) 및 공정 진행 중 발생하는 이물질 또는 수분을 저장하는 드레인챔버(400)를 포함한다.
버닝챔버(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 대략 원통형으로 이루어지며, 상측에는 독성가스나 폭발성가스 등의 처리가스가 투입되도록 가스유입구(101)가 형성된다.
본 실시예의 버닝챔버(100)는 헤드유닛만 교체하면 간단히 간접가열방식과 직접가열방식의 전환이 가능하다. 예컨대, 간접가열방식은 버닝챔버(100)의 내측에 소정 직경의 파이프(110)가 설치되고, 버닝챔버(100)와 파이프(110) 사이에는 충분한 열량(본 실시예에서는 1100℃ 이상)을 제공하는 히터(120)가 설치된다. 즉, 파이프(110)를 통해 유도되는 처리가스를 연소 분해하기 위해 버닝챔버(100) 내측면에 열량을 제공하는 히터(120)가 설치되며, 이 히터(120)의 가열에 의해 연소되는 처리가스는 버닝챔버(100)의 하측으로 유도되어 처리 배출된다.
따라서, 버닝챔버(100)를 가동하게 되면, 반도체 제조과정에 사용되는 각종 처리가스가 유입수단을 통해 버닝챔버(100) 내부로 유입되게 되는데, 이때 버닝챔버(100)는 그 외면에 설치된 히터(120)에 의해 고온으로 가열되게 되어 버닝챔버(100) 내부로 유입되는 처리가스가 공기와 반응하면서 가열된다.
이때 가열되는 처리가스 예컨대, 수소나 암모니아 가스는 공기와 반응하는 과정에서 물이 생성된다. 즉, 2H2 + O2 → H2O, 4NH3 + 5O2 → 6H2O + 4NO 이다.
한편, 직접가열방식은 버닝챔버(100)의 상단에 LNG, LPG, H2를 연소가스로 이용하는 버너(102)가 장착된다. 즉, 버닝챔버(100) 내부로 유입되는 처리가스는 연소가스를 주원료로 하는 버너(102)의 발화에 의해 직접 연소되는 것이다.
냉각챔버(300)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 원통형으로 이루어져 버닝챔버(100)의 하측에 연결된다.
냉각챔버(300)의 내부에는 처리가스의 이동 경로를 안내하기 위한 가스안내관(310)이 소정 간격을 두고 설치된다. 이때, 가스안내관(310)의 길이는 냉각챔버(300)의 바닥면에 닿지 않도록 형성된다. 따라서, 냉각챔버(300)와 가스안내관(310) 사이에는 소정의 틈이 형성되고, 이 틈이 덕트 역할을 하게 되어 처리가스의 이동 경로가 되는 것이다. 이때, 가스안내관(310)의 하단에 대응되는 위치에는 제1업소버(absorber)(330)가 설치되어 처리가스를 냉각함과 아울러 처리가스에 포함된 유해물질을 여과한다.
그리고 냉각챔버(310)의 일측에는 가스안내관(310)과 연통되도록 가스배출라 인(360)이 연결된다. 냉각 및 정화된 처리가스는 냉각챔버(300)와 가스안내관(310) 사이로 유입되어 가스배출라인(360)으로 배출된다.
또한, 냉각챔버(300)의 바닥면의 소정 높이 상측에는 제2업소버(340)가 설치되어 처리가스의 냉각 효과를 증가시킴과 아울러 처리가스에 함유된 유독성 가스를 재여과할 수 있다.
드레인챔버(400)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 냉각챔버(300)의 일측에 연결 설치되며, 이 드레인챔버(400)에는 공정 진행 중 수소나 암모니아 등의 처리가스가 공기와 반응하면서 변환된 물 또는 이물질이 저장된다.
드레인챔버(400)에는 그 내부에 저장되는 물의 수위를 측정하기 위한 수위감지기(410)가 장착되는 것이 바람직하다. 그리고 드레인챔버(400)에 저장되는 물 또는 이물질이 적정 수위를 벗어나면 외부로 배출시킬 수 있도록 드레인챔버(400)의 일측에는 드레인펌프(420)가 설치된다.
한편, 본 실시예에서는 도 5에 도시된 바와 같이 냉각챔버(300)의 일측에는 가스배출라인(360)과 연결되는 가스냉각라인(510)이 설치된 보조냉각챔버(500)가 더 구비된다. 이때, 보조냉각챔버(500)의 내부에는 가스배출라인(360)과 연결된 가스냉각라인(510)이 수회 지그재그로 설치된다.
이를 보다 상세하게 설명하면, 도 5와 같이 충분한 내용적을 갖는 보조냉각챔버(500)의 내부에는 가스냉각라인(510)이 수직 방향으로 수회 지그재그 순환 설 치된다. 이 가스냉각라인(510)와 연결된 가스배출라인(360)을 통해 처리가스가 보조냉각챔버(500) 내부로 유입되면 보조냉각챔버(500)의 내부에 수용된 냉각수에 의해 열교환되어 고열의 처리가스는 충분히 냉각된다. 그 후, 처리가스는 충분히 정화 및 냉각된 후 가스냉각라인(510)의 상부에 형성된 배기포트를 통해 외부로 배출된다. 보조냉각챔버(500)의 일측에는 냉각수 공급라인(350)이 설치되고, 다른 일측에는 드레인챔버(400)와 연결되는 냉각수 배출라인(520)이 설치된다.
한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예를 보인 것으로, 버닝챔버(100)의 하측에는 냉각챔버 내부로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수안내기(200)가 설치될 수 있다.
냉각수안내기(200)는 도 5에 도시된 바와 같이, 크게 버닝챔버(100)를 지지하는 플레이트(210)와, 냉각챔버(300)에 결합되는 연결부(220)로 구성된다.
플레이트(210)의 중앙에는 처리가스가 유입될 수 있도록 홀(211)이 형성되고, 연결부(220)에는 냉각수가 유입될 수 있도록 냉각수유입구(221)가 형성된다.
그리고 연결부(220)의 내부에는 대략 사다리꼴 형태로 이루어진 회전판(230)이 구비되어 회전판(230)의 회전에 따라 냉각수가 냉각챔버(300) 측으로 와선을 형성하면서 유입되어 고열의 처리가스를 냉각시킬 수 있도록 한다.
한편, 도 6a은 본 발명의 다른 실시예를 보인 것으로, 버닝챔버(100)의 하측에는 전술한 냉각챔버(300) 내부로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 안내기(200)가 설치될 수 있다.
전술한 냉각수 안내기(200)는 도 5에 도시된 바와 같이 버닝챔버(100)를 지지하는 플레이트(210)와, 냉각챔버(300)에 결합되는 연결부(220)로 구성된다.
바람직하기로는 전술한 버닝챔버(100)를 지지하는 플레이트(210)는 그 외주연을 감싸는 보강부재(215)를 설치하여 처리가스로 인해 플레이트의 내 부식성을 향상시킬 수 있도록 형성된다.
더 바람직하기로는 전술한 보강부재(215)는 그 내부가 속이 빈 형태의 공간부(216)가 형성된다.
이와 같은 플레이트(210)의 중앙에는 버닝챔버(100)로 부터 공급되는 처리가스가 유입될 수 있도록 홀(211)이 형성되고, 연결부(220)에는 냉각수가 유입될 수 있도록 냉각수 유입구(221)가 형성된다.
또한, 전술한 연결부(220)의 내부에는 대략 사다리꼴 형태로 이루어진 회전81판(230)이 형성되는데, 도 6b에서와 같이 전술한 냉각수 유입구(221)를 통해 유입되는 냉각수는 회전판(230)에 형성된 경사면을 따라 냉각수가 회전하게 되는데, 이때 냉각수는 냉각챔버(300)측으로 이동되면서 와류현상을 일으키게 되고, 결국, 유입되는 고열의 처리가스의 냉각효율을 향상 시킬 수 있는 것이다.
이하에서는, 본 실시예에 의한 가스 스크러버의 작용을 설명한다.
예를 들어, 반도체 제조장치의 반응로에서 발생하는 독성 또는 폭발성의 처리가스는 가스유입구(101)를 통해 버닝챔버(100)로 인입된다. 가스유입구(101)는 스크러버의 최대 처리능력을 고려하여 적절한 수로 구비될 수 있다.
처리가스의 인입과 동시에 버닝챔버(100)에는 공기의 유입이 이루어지고, 공 기와 적당히 혼합하면서 버닝챔버(100)에서 골고루 확산된 처리가스는 히터(120)를 통과하면서 가열된다.(간접가열방식의 경우임)
즉, 버닝챔버(100)의 내부에는 세라믹 히터(120)가 내장되어 약 1100도 정도의 온도로 가열되므로 처리가스는 히터(120)를 통과하면서 충분한 열을 획득하게 되고, 그 결과로 버닝챔버(100) 내에서 수소기 등의 연소 가능한 발화성 가스 또는 폭발성 가스들이 모두 연소된다.
이와 같이 버닝챔버(100)를 거치면서 폭발성 및 발화성 가스가 제거된 처리가스는 가스안내기(200)에 의해 하부의 냉각챔버(300)로 유입된다.
냉각챔버(300)로 유입된 처리가스는 먼저 제1업소버(330)의 중앙으로 유입된 후, 덕트 구조를 이루는 가스안내관(310)에 의해 냉각챔버(300)의 상측으로 상승하여 가스배출라인(360)으로 배출된다. 이때, 제1, 제2업소버(330)(340) 및 수냉재킷(320)에 수용된 냉각수의 열교환 작용에 의해 고열의 처리가스는 적당하게 냉각된다. 또한, 이 과정에서 처리가스 중에 포함되어 있는 수소나 암모니아 등은 산소와 반응하여 물로 변환되어 드레인챔버(400)로 유입된다.
다음으로, 가스배출라인(360)을 통해 냉각수가 충진된 보조냉각챔버(500)로 유입된 배기가스는 상하 방향으로 다수의 가스냉각라인(510)을 지그재그 통과하게 되는데, 이에 따라 냉각수에 접촉되는 경로가 더 길어져 처리가스의 냉각효과가 커지게 된다. 이 과정에서 처리가스와 산소가 반응하여 물로 변환되면, 가스냉각라인(510)과 연결된 드레인라인(520)을 통해 드레인챔버(400)로 유입된다.
따라서, 최종적으로 업소버(330)(340)를 통과한 처리가스는 발화성 또는 폭 발성 가스가 모두 제거된 가스이며, 이는 냉각챔버(300) 및 보조냉각챔버(500)에 의해 냉각된 후 배기포트를 통하여 대기로 방출된다.
한편, 드레인챔버(400)에 수용되는 물을 포함하는 부산물의 양이 적정 높이를 초과하게 되면, 이를 수위감지기(410)가 감지하여 드레인펌프(420)에 신호를 보내게 된다. 따라서, 드레인챔버(400)에 저장된 물 및 부산물은 드레인펌프(420)에 의해 외부로 배출됨으로써 적정 수위가 지속적으로 유지된다.
도 1은 본 발명에 의한 가스 스크러버를 도시한 단면도.
도 2는 도 1에 의한 가스 스크러버의 버닝챔버를 도시한 단면도.
도 3은 도 1에 의한 가스 스크러버의 냉각챔버를 도시한 단면도.
도 4는 도 3의 "Ⅳ-Ⅳ"선을 보인 단면도.
도 5는 도 1에 의한 가스 스크러버의 보조냉각챔버를 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 가스 스크러버를 도시한 단면도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 ; 버닝챔버 110 ; 파이프
120 ; 히터
200 ; 냉각수안내기
300 ; 냉각챔버 310 ; 가스안내관
320 ; 워터재킷 330 ; 제1업소버
340; 제2업소버
400 ; 드레인챔버 410 ; 수위감지기
420 ; 드레인펌프
500 ; 보조냉각챔버 510 ; 가스냉각라인
520 ; 드레인라인

Claims (5)

  1. 처리가스가 유입되는 가스유입구가 형성되며, 유입된 처리가스를 연소시키기는 버닝챔버;
    상기 버닝챔버의 하측에 설치되며, 내부에는 처리가스의 진행 방향을 안내하는 가스안내관이 설치되고, 처리가스를 냉각시킴과 함께 처리가스에 포함된 유해물질을 여과하기 위해 적어도 1개 이상의 업소버가 내재되며, 벽면의 일측에는 냉각된 처리가스를 배출하기 위한 가스배출라인이 구비된 냉각챔버;
    상기 냉각챔버의 일측에 설치되며, 공정 진행시 발생하는 수분을 저장하는 드레인챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각챔버의 벽면 둘레에는 처리가스를 냉각시키기 위한 냉각수가 저장된 수냉재킷이 구비되는 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 냉각챔버의 일측에는 1차 냉각된 처리가스를 더 냉각하기 위한 보조냉각챔버가 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 보조냉각챔버에는 가스배출라인과 연결되는 가스냉각라인이 지그재그 순환되도록 설치된 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 버닝챔버와 냉각챔버 사이에는 냉각수를 냉각챔버 측으로 투입시키는 냉각수안내기가 개재되는 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
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