KR20100046430A - 가스 스크러빙 장치 및 가스 스크러빙 방법 - Google Patents
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Abstract
가스 스크러빙 장치 및 가스 스크러빙 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 가스 스크러빙 장치는 반응가스가 유입되는 반응관;
상기 반응관과 연결되며, 상기 유입된 반응가스를 플라즈마화시키는 반응기; 및 상기 반응기 내의 플라즈마에 물을 주입하기 위한 물 주입부를 포함하며, 별도의 히터를 사용하지 않고, 플라즈마의 열원을 이용하여 물을 증기화시키기 때문에 매우 경제적인 가스 스크러빙을 가능하게 한다. 더 나아가, 플라즈마화된 반응가스가 배출되는 최적의 영역에서 물을 직접 증기화시켜 반응가스를 스크러빙하므로, 가스 스크러빙의 효율 또한 향상된다.
Description
본 발명은 가스 스크러빙 장치 및 가스 스크러빙 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경제적인 가스 스크러빙 방식을 구현할 수 있고, 플라즈마화된 반응가스가 배출되는 최적의 영역에서 물을 직접 증기화시키므로 가스 스크러빙의 효율이 향상된 가스 스크러빙 장치 및 가스 스크러빙 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조 공정은 다양한 화학반응을 수반하게 되며, NF3, CF4 등과 같이 불소계열의 가스, VOC 등과 같은 폐가스가 생성, 배출된다. 이러한 폐가스가 소정농도 이하로 정화되지 않은 상태에서 대기중으로 방출되는 경우 심각한 대기 및 환경 오염을 초래하게 되므로, 가스 스크러버 방식을 이용하여 폐가스를 현재 세정하고 있다.
종래 기술에 따른 가스 스크러버는 여러 가지의 유해가스 중 수용성 가스들을 물에 용해시켜 처리하는 습식 스크러버(wet type gas scrubber), 가연성 가스를 연소시켜 처리하는 버닝 스크러버(burning type gas scrubber), 히터에 의해 폐가 스를 직접 산화시키며 산화가스에 살수기를 이용하여 분사시킴에 따라 산화가스에 함유된 파우더를 분리시키는 방법, 반데르 발스 인력을 이용한 흡착제에 의하여 유해 가스를 제거하는 흡착/촉매 방식 등이 있다. 이 중 습식 타입의 스크러버가 보다 일반적으로 사용되는데, 그 이유는 타 방식에 비하여 효과가 우수하고, 또한 공정 경제성이 우수하기 때문이다.
도 1은 종래의 반도체 공정용 가스세정장치에서 사용되는 습식타입의 가스 스크러버를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 가스 스크러버(1)는 상부에 습식챔버(10)와 하부에 물순환 탱크(20)로 구성된다. 습식챔버(10)는 상부에 가스 유입구(11)가 설치되고, 일측면으로는 가스배출구(12)가 설치된다. 또한 습식챔버(10)의 내부 일부를 분리하는 격벽(13)이 축방향으로 설치된다. 격벽(13)의 하단 근접부에는 물과 반응하여 수용성 가스를 걸러내는 흡수제(16)가 설치되며, 흡수재(16)에는 물을 분사하는 노즐(15)이 구비된 물공급관(14)이 습식챔버(10)의 일측면으로부터 관통 설치된다. 또한 물순환탱크(20)는 일측면에 상기 습식챔버(10)로 공급되었던 물이 유입되어 순환하여 배출되는 물배출구(22)가 설치된다.
상기 구성의 가스 스크러버(1)는 습식챔버(10)의 중간부분에 물을 분사해주고 효율을 높이기 위하여 흡수재(16)를 통과하면서 가스의 흐름을 지연시키며, 수용성 가스를 물과 반응시킨다. 하지만 이와 같은 습식 타입은, 다량의 물을 사용하 여 물 소비량이 많으며, 물의 분자크기가 큰 상태에서 흐르기 때문에 반응이 잘 일어나지 않고 잦은 노즐의 막힘으로 유지 보수가 빈번한 문제점이 있었다.
따라서, 물 분자 크기를 소형화시킴으로써 스크러빙 공정의 효율을 향상시키고자 시도가 있었는데, 이러한 시도 중 하나로서 대한민국 특허 10-0501533(이하 인용기술)은 물을 증기화시키는 변화시킴으로써 작아진 물분자와 가스가 쉽게 반응하게 하며, 그 결과 물의 사용량이 줄어든 가스 스크러버를 개시하고 있다. 하지만, 이 경우 별도의 히터 또는 초음파 장치가 필요하므로, 경제성이 떨어지고, 장치의 크기가 불필요하게 커지는 문제가 있다.
따라서 본 발명의 첫 번째 과제는 보다 경제성이 우수하고, 효과적인 장치 구성이 가능한 가스 스크러빙 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 두 번째 과제는 상기 가스 스크러빙 장치를 이용한 효과적인 가스 스크러빙 방법을 제공하는데 있다.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위한 첫 번째 구성으로 본 발명은 반응가스가 유입되는 반응관; 상기 반응관과 연결되며, 상기 유입된 반응가스를 플라즈마화시키는 반응기; 및 상기 반응기 내의 플라즈마에 물을 주입하기 위한 물 주입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 물 주입부는 물을 일정 속도의 방울 형태로 떨어뜨리는 드로퍼 형태일 수 있으며, 상기 반응관으로부터 10 내지 20cm만큼 이격된 거리에 구비될 수 있다. 또한 상기 물 주입 속도는 분당 2 내지 10 ml일 수 있다.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위한 두 번째 구성으로 본 발명은 반응가스가 유입되는 반응관; 상기 반응관과 연결되며, 상기 유입된 반응가스를 플라즈마화시키는 반응기; 및 상기 반응기 내로 물을 외부 압력에 의하여 직접 주입하기 위한 노즐을 포함하며, 상기 노즐을 통하여 반응기 내에 주입된 물을 플라즈마 열원에 의하여 기화시켜 상기 반응가스와 플라즈마 반응을 시키는 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 장치를 제공하며, 상기 노즐은 상기 반응관으로부터 10 내지 20cm만큼 이격된 거리에 구비될 수 있다.
또한 본 발명은 상기 첫 번째 과제를 해결하기 위한 세 번째 구성으로 반응가스가 유입되는 반응관; 상기 반응관과 연결되며, 상기 유입된 반응가스를 플라즈마화시키는 반응기; 상기 반응기와 접하며 내부에 물이 채워지는 배관 라인; 및 상기 반응기 열에 의하여 기화된 상기 배관 라인의 물이 상기 반응기 내로 주입하기 위한 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 장치를 제공하며, 상기 노즐은 상기 반응관으로부터 10 내지 20cm만큼 이격된 거리에 구비될 수 있다. 또한 상기 배관 라인은 상기 배관라인은 상기 반응기의 벽내에 위치할 수 있으며, 이로써 상기 반응기는 이중벽을 형성할 수 있다.
상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 반응 가스를 유입시키는 단계; 상기 반응 가스를 플라즈마화시키는 단계; 및 상기 반응가스 플라즈마에 의한 열원을 이용하여 물을 증기화시켜 플라즈마화된 반응 가스에 유입시켜 플라즈마 반응을 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 방법을 제공한다. 이때, 상기 물은 상기 반응가스 플라즈마 화염의 시작지점으로부터 10 내지 20cm 만큼 이격된 지점에서 증기화되어 최대 반응 효과를 낼 수 있다.
본 발명에 따른 가스 스크라빙 장치는 별도의 히터를 사용하지 않고, 플라즈마의 열원을 이용하여 물을 증기화시키기 때문에 매우 경제적인 가스 스크러빙을 가능하게 한다. 더 나아가, 플라즈마화된 반응가스가 배출되는 최적의 영역에서 물을 직접 증기화시켜 반응가스를 스크러빙하므로, 가스 스크러빙의 효율 또한 향상된다.
본 발명은 상술한 바와 같이 플라즈마를 통한 반응가스의 분해와 상기 플라즈마의 열원을 이용한 물의 증기화를 동시에 유도하게 된다. 특히 이러한 과정을 하나의 반응기 내에서 유도함으로써 증기화된 물은 즉각적으로 플라즈마화된 반응가스와 반응하므로, 매우 빠르고 신속한 반응가스 제거가 이루어질 수 있다.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 반응가스는 플라즈마에 의하여 분해되어 제거되는 가스를 지칭하는 것으로, 반도체 공정 등으로부터 배출되는 PFC, VOC 등을 모두 포함한다. 하지만, 본 발명의 범위는 단순히 반도체 공정 자체에만 국한되지 않으며, 플라즈마에 의하여 분해된 후, 수증기 등에 의하여 스크러빙될 수 있는 임의의 모든 가스가 본 명세서의 반응가스에 속한다.
본 발명은 특히 반도체 공정에서 발생하는 PFC 등이 플라즈마에 의하여 분해되는 경우 다양한 종의 라디칼이 형성되고, 상기 라디칼 등은 물과 보다 용이하게 반응하여 제거될 수 있다. 또한 물의 반응면적을 증가시키기 위하여 종래 기술은 별도의 히터를 사용하여 물을 증기상태로 변환시키는 장치가 요구되었으나, 본 발명은 플라즈마에 의하여 발생한 높은 열에 의하여 물이 반응기 주입 즉시 증기화되므로, 히터 등과 같은 장치가 불필요하게 된다. 더 나아가, 종래 기술의 경우 증기 를 별도의 장치에서 생성시킨 후 이를 폐가스에 주입시키는 단계를 거치게 되나, 본 발명은 활성화된 반응가스가 배출되는 반응기 자체에서 증기를 생성, 반응가스와 반응시키므로, 증기 이동시 온도 저하에 따른 표면 응축 등과 같은 문제가 본질적으로 예방될 수 있다. 또한 종래기술은 이러한 표면 응축을 예방하기 위해서 별도의 히팅 코일 등과 같은 장치를 필요로 하였으나, 본 발명은 이러한 장치의 사용을 근본적으로 피할 수 있으므로, 매우 경제적이다.
본 발명에서 상기 반응기라는 용어는 반응가스가 플라즈마화되며 동시에 증기화된 물과 플라즈마에 의하여 활성화된 반응가스가 결합하는 물리, 화학적 반응이 수행되는 곳을 지칭하는 용어로서, 반응기 형태는 도관 또는 베슬 형태일 수 있다. 하지만, 상기 반응기 내에서 플라즈마 열원에 의하여 물이 증기화되고, 증기화된 물이 상기 플라즈마에 의하여 활성화된 반응가스와 반응, 결합하는 한 상기 반응기 형태에 본 발명은 제한되지 않는다.
보다 용이한 본 발명의 이해를 위하여 이하 도면을 이용하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 스크러빙 장치의 모식도이다.
도 2를 참조하면, 대기로 방출되지 않아야하는, 즉 스크러빙 대상이 되는 반응가스가 반응관(110)에 유입된다. 이후, 상기 반응가스 플라즈마화를 위한 토치반 응이 상기 반응관(110)에서 진행되는데, 상기 반응관의 형태는 본 발명에 따라 특별히 제한되지 않으며, 상기 반응가스를 점화(ignition)할 수 있는 어떠한 구조도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 플라즈마 공정은 마이크로웨이브 플라즈마 법에 의하여 수행되었으나, 반응가스를 플라즈마화시킬 수 있으며, 주입되는 물을 증기화시킬 수 있는 수준의 온도를 달성할 수 있는 한 어떠한 형태의 플라즈마법도 모두 본 발명의 범위에 속한다.
상기 반응관에서 점화된 반응가스는 이후 반응관(110) 및 상기 반응관과 연결된 반응기(130)쪽으로 배출된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 반응기(130)는 관 형태이나, 하기 설명되는 또 다른 일 실시예와 같이 상기 반응기(130)는 관이 아닌 베슬 형태일 수도 있다.
반응기에서 상기 플라즈마 화염(120)은 상기 반응기로부터 소정 길이(L)만큼 토출된 형태이며, 상기 반응기(130) 내에서 반응가스가 플라즈마화되어 활성 종으로 전환된다. 상술한 바와 같이 본 발명은 상기 플라즈마화된 활성 반응가스가 동시에 존재하는 상기 플라즈마(120)에 물을 주입하는 경우, 플라즈마(120)에 의하여 고온 조건이 형성된 반응기(120) 내에서 물이 증기화되고, 동시에 증기화된 물이 활성 반응가스와 효과적으로 반응할 수 있다는 점에 착안한 것이다. 따라서 본 발명에 따른 가스 스크러빙 장치는 반응기(130)에 물을 주입하기 위한 물 주입부(140)를 구비하는데, 상기 물 주입부(140)는 미세한 물분자를 분사시키는 노즐 형태 또는 일정 속도로 물을 특정 지점에 방울형태로 낙하시키는 드롭퍼(dropper) 형태일 수 있다. 특히 드롭퍼 형태인 경우 물 주입 속도는 분당 2 내지 10 ml가 바람직한데, 만약 상기 주입속도보다 낮은 경우 스크러빙 효과가 미미하고, 상기 주입속도보다 높은 경우 플라즈마 공정에 영향을 미쳐 방전이 소멸되거나 H2O에 의한 반응 자체가 일어나지 않게 되는 문제가 있다.
본 발명자는 반응기(130)내의 플라즈마 형태에서 특정 범위에 물을 주입하는 경우 활성 반응가스와 수증기가 매우 효과적으로 반응하는 점을 발견하였는데, 바람직하게는 반응관(110)으로부터 10 내지 20cm이고, 보다 바람직하게는 18cm이다. 상기 수치 범위의 기술적 의의는 아래에서 도면을 이용하여 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 물 주입 구성을 나타내는 모식도이다.
도 3을 참조하면, 만약 반응관(110)으로부터 너무 가까이 물을 주입하는 경우, 즉 반응관으로부터 10cm 이내, 상기 범위에서는 반응가스가 충분히 활성화되지 않은 상태이므로 증기화된 물과 반응가스간의 반응이 충분히 일어나지 않게 되며, 반대로 20cm보다 먼 거리에서 물을 주입하는 경우라면 물이 충분히 기화되지 않는 문제가 있다. 따라서, 물 주입부를 노즐 형태로 쓰는 경우는 상기 노즐의 최대 분무량이 상기 범위 내에 들도록 구성하는 것이 바람직하다(예를 들면 노즐을 사기 거리 범위 내에 설치한 후 방사되는 물의 반경이 상기 범위 내로 들어오게 구성할 수 있다). 또한 드롭퍼 형태인 경우라면, 드롭퍼로부터 물방울이 상기 범위 내로 낙하되는 구성을 도출할 수 있다. 여기에서, 본 발명에서의 습식 효과를 달성하기 위하여 상기 노즐 또는 드롭퍼을 단일 구성할 수도 있으나, 복수의 노즐 또는 드롭퍼에 의하여 넓은 영역에서의 반응을 유도할 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 일 실시예를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에서 반응기(330)은 전체적으로 원통의 베슬 형태이며, 물은 반응기의 외측면과 접하는 배관 라인(340)을 채우고 있다.
상술한 실시예와 동일하게 반응기(310) 내에서 반응가스의 플라즈마화가 진행되면, 상기 반응기(330) 내의 플라즈마(320)는 반응기(330)의 온도를 상승시키게 된다. 이 경우 반응기(330) 온도에 의하여 상기 라인(340)내의 물 또한 온도가 상승되어, 기화된다. 이때 상기 배관 라인(340) 내의 압력은 기화된 물에 의하여 서서히 상승할 것이며, 이 경우 노즐(350)을 통하여 상기 기화된 물은 배출되어 반응기내로 이동하게 된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 배관 라인은 반응기 외측에도 구비될 수 있으나, 상기 반응기 벽 내부에 위치할 수 있으며, 이 경우 상기 반응기는 이중벽 구조를 가지게 된다. 즉, 반응기 이중벽의 내부을 통하여 물이 유입되며, 플라즈마 발생에 따라 반응기 온도가 상승하며, 이중벽 내의 증기화된 물이 반응기 내로 유입된다. 이때 상기 증기화된 물은 플라즈마화된 반응가스와 반응을 일으키게 되어, 배기 가스의 유해 성분이 제거될 수 있다. 상기 구성은 특히 별도의 압력 공급 없이 플라즈마의 열원을 이용하여 물을 증기화시켜 분무시킬 수 있다. 따라서, 종래 기술과 같이 별도의 이젝터, 초음파 등을 이용한 분무화 공정이 요구되지 않으므로 경제적으로 매우 우수하다. 더 나아가 또한 플라즈마 반응 종료 후 잔류하는 H2O는 반응기 내의 HF를 스크러빙할 수 있으므로, 반응 후 반응기에 대한 별도의 습식 세정이 필요하지 않다는 장점이 있다.
도 5는 도 4에서 개시된 구성과 일부 상이한 구성을 갖는 본 발명의 가스 스크러빙 장치를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 반응기와 물을 접촉시킨 후 반응기의 열에 따라 물을 기화시키는 구성 대신, 물을 직접 외부 압력에 의하여 반응기 내로 주입하게 된다. 하지만, 어떠한 구성에 따르더라도 본 발명에 따른 모든 구성은 별도의 히터 사용을 피할 수 있으며, 실시간으로 즉각적인 습식 스크러빙을 유도함으로써, 경제적이면서도 우수한 세정효과를 달성할 수 있다.
상기 도면 및 실시예를 통하여 제공되는 구성은 모두 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위는 상기 기술된 구체적인 실시예 및 도면에 의하여 제한되지 않으며, 본 발명의 권리범위는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 보다 넓게 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래의 반도체 공정용 가스세정장치에서 사용되는 습식타입의 가스 스크러빙 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 스크러빙 장치의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 물 주입 구성을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 가스 스크러빙 장치의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 가스 스크러빙 장치의 모식도이다.
Claims (11)
- 반응가스가 유입되는 반응관;상기 반응관과 연결되며, 상기 유입된 반응가스를 플라즈마화시키는 반응기; 및상기 반응기 내의 플라즈마에 물을 주입하기 위한 물 주입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 물 주입부는 물을 일정 속도의 방울 형태로 떨어뜨리는 드로퍼 형태인 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 물 주입부는 상기 반응관으로부터 10 내지 20cm만큼 이격된 거리에 구비되는 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 물 주입 속도는 분당 2 내지 10 ml인 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 장치.
- 반응가스가 유입되는 반응관;상기 반응관과 연결되며, 상기 유입된 반응가스를 플라즈마화시키는 반응기; 및상기 반응기 내로 물을 외부 압력에 의하여 직접 주입하기 위한 노즐을 포함하며, 상기 노즐을 통하여 반응기 내에 주입된 물을 플라즈마 열원에 의하여 기화시켜 상기 반응가스와 플라즈마 반응을 시키는 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 장치.
- 제 5항에 있어서,상기 노즐은 상기 반응관으로부터 10 내지 20cm만큼 이격된 거리에 구비되는 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 장치.
- 반응가스가 유입되는 반응관;상기 반응관과 연결되며, 상기 유입된 반응가스를 플라즈마화시키는 반응기; 상기 반응기와 접하며 내부에 물이 채워지는 배관 라인; 및상기 반응기 열에 의하여 기화된 상기 배관 라인의 물이 상기 반응기 내로 주입하기 위한 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 장치.
- 제 7항에 있어서,상기 배관라인은 상기 반응기의 벽 내에 위치하며, 이로써 상기 반응기는 이 중벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 장치.
- 제 7항에 있어서,상기 노즐은 상기 반응관으로부터 10 내지 20cm만큼 이격된 거리에 구비되는 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 장치.
- 반응 가스를 유입시키는 단계;상기 반응 가스를 플라즈마화시키는 단계; 및상기 반응가스 플라즈마에 의한 열원을 이용하여 물을 증기화 시켜 플라즈마화된 반응 가스에 유입시켜 플라즈마 반응을 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 방법.
- 제 10항에 있어서,상기 물은 상기 반응가스 플라즈마 화염의 시작지점으로부터 10 내지 20cm 만큼 이격된 지점에서 증기화되는 것을 특징으로 하는 가스 스크러빙 방법.
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