KR20170083402A

KR20170083402A - 용존 가스 제거장치

Info

Publication number: KR20170083402A
Application number: KR1020160002818A
Authority: KR
Inventors: 전재선; 임준형
Original assignee: 전재선; 임준형
Priority date: 2016-01-08
Filing date: 2016-01-08
Publication date: 2017-07-18

Abstract

본 발명은 용존 가스 제거장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용존 가스를 포함한 유체가 일방향으로 흐르도록 유입구와 출구를 구비하고 보호관내에 위치하는 자외선 광원을 구비한 반응기를 포함하여 용존가스가 자외선에 의해 분해되도록 한 용존 가스 분해장치에 있어서, 상기 유입구과 출구는 각각 유체가 반응기 내부에서 와류를 형성하도록 경사지게 형성되어 있고 반응기의 내부에 유체 흐름과 반대방향으로 라디칼 제거제를 공급하도록 설치된 분사기를 구비한 것을 특징으로 하는 용존 가스 분해장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 용존 가스 분해장치는 간단한 구조를 가지면서도 유체에 와류 및 난류를 형성하여 유체의 반응기 내 체류시간을 길게 하고 또한 반응기 내벽에 자외선에 대한 반사율을 높여 광효율을 제고하여 용존 가스 분해효율을 극대화할 수 있으면서 또한 반응 후 잔류 라디칼의 제거까지 가능하다.

Description

용존 가스 제거장치{DEVICE FOR REMOVING DISSOLVED GAS IN SOLUTION}

본 발명은 용존 가스 제거장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용존 가스를 포함한 유체가 일방향으로 흐르도록 유입구와 출구를 구비하고 보호관내에 위치하는 자외선 광원을 구비한 반응기를 포함하여 용존가스가 자외선에 의해 분해되도록 한 용존 가스 분해장치에 있어서, 상기 유입구과 출구는 각각 유체가 반응기 내부에서 와류를 형성하도록 경사지게 형성되어 있고 반응기의 내부에 유체 흐름과 반대방향으로 라디칼 제거제를 공급하도록 설치된 분사기를 구비한 것을 특징으로 하는 용존 가스 분해장치에 관한 것이다.

반도체용 실리콘기판, 액정용 유리기판, 포토마스크용 기판 등의 전자재료의 가공전후 그 표면으로부터 이물을 제거하는 것은 제품의 품질과 수율을 확보하는 점에서 중요하고, 이 목적을 위해 습윤세정이 널리 행하여지고 있다. 유기물 오염이나 금속 오염의 제거에는 강한 산화력을 가진 세정액의 적용이 유효하고, 종래, 황산과 과산화수소의 혼합액(SPM 세정액)이나, 염산과 과산화수소와 초순수의 혼합액(SC2 세정액) 등에 의한 고온세정이 채용되고 있었다. 최근, 세정공정의 간략화, 자원절약화, 실온화가 요구되게 되어, 용존 오존농도가 수 ㎎/ℓ정도이나, 극히 강한 산화력을 발휘해서, 전자재료 표면의 유기물 오염이나 금속 오염을 효과적으로 제거하는 오존 용해수가 습윤 세정에 사용되게 되었다. 순수에 오존이 용존된 오존용해수는 반도체, 디스플레이 등의 전자부품 또는 전자제품 제조공정, 특히 세정공정 등에 사용된다.

그런데, 오존수는 유기물 제거에 효과적이나, 세정 후의 오존수를 그대로 폐액하면 각종 설비의 배관을 부식해버린다. 따라서, 사용이 끝난 오존수를 폐액할 때에는 오존수 중에 용해된 오존 및 유기물을 분해하여 순수로 되돌린 후에 배수할 필요가 있다. 그래서 종래에는, 오존수 중의 용존 오존을 분해하는 방법으로서 용존 오존 분해 장치를 이용하고 있었다. 통상 용존 오존의 분해에 자외선을 이용한 것으로, 케이스 내에 오존수가 흐르는 유로관을 설치하고, 이 유로관의 외주 또는 내부에 복수 개의 자외선 램프를 배치한 장치가 사용된다. 그리고, 유로관 내에 오존수를 흐르게 하고, 자외선 램프로부터 발광되는 자외선을 오존수에 조사하여, 오존수 중의 용존 오존을 분해하도록 되어 있다. 자외선은 강한 에너지를 가지므로, 유해물이나 유기물의 분해 등 다방면에 걸쳐 이용되고 있다. 도 1은 종래 알려진 유기물 분해장치의 일례를 설명하기 위한 단면구조도이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 자외선 방전등(30)을 내부에 수납한 스테인리스제 실린더(1) 내에 수용하여, 피처리 액체가 상기 실린더(1) 내에 도입되어서 방전등(30)으로부터 발광한 자외선이 조사된다. 방전등(30)으로서는 185㎚ 단파장 영역 자외선과 254㎚ 파장 영역의 자외선의 양쪽을 방사하는 수은 증기 방전등이 사용될 수 있다. 방전등(30)의 발광관 벌브(10)는 자외선 투과성이 뛰어난 석영 유리를 사용할 수 있다. 방전등(30)은 자외선 투과성 외관(보호관)(20)의 내부에 수납되어 피처리 액체로부터 격리된다. 실린더(1)의 양단은 플랜지(1a, 1b)로 닫혀 있고, 입수구(1c)로부터 유입된 피처리 액체가 실린더(1) 내를 통과하는 과정에서 자외선이 조사되며, 출수구(1d)로부터 배출된다. 피처리 액체는 입수구(1c)로부터 출수구(1d)를 향해서 실린더(1) 내를 유통하게 되지만, 피처리 액체가 숏트 패스(short pass)하지 않도록, 도중에 다수매(도면에서는 5장)의 환류판(1e∼1i)을 배치한 구조로 되어 있다.

한편, 이러한 자외선을 이용하여 가스 함유 세정액의 사용 후 용존 가스, 특히 용존 오존을 분해하는 장치에 관한 연구 역시 활발히 이루어지고 있다. 이러한 용존 가스 분해장치가 다수 개발된 바 있다. 대한민국 특허 제854139호의 특허공보에는 급수구로부터 케이스 내의 분해탑으로 오존수를 유입시켜, 그 분해탑에서 오존수 중의 용존 오존을 분해하고, 분해 후의 액체를 배수구로부터 유출하는 용존 오존 분해 장치로서, 상기 분해탑은, 상기 급수구에 연통한 입구와 상기 배수구에 연통한 출구를 가지는 유로관과, 상기 유로관 내를 흐르는 오존수의 흐름을 조절하는 수류 조절 기구와, 상기 유로관 내에 설치되고, 자외선 투과 재료로 구성된 보호관과, 상기 보호관 내에 수용되고, 상기 유로관 내를 흐르는 오존수에 자외선을 조사하는 자외선 램프를 구비하고, 상기 수류 조절 기구는, 상기 유로관 내에 원반의 일부를 절결한 형상의 조절판을 배치하여, 상기 유로관 내를 흐르는 오존수의 진로를 부분적으로 차단한 구조인 것을 특징으로 하는 용존 오존 분해 장치가 개시되어 있다.

그러나, 상기 장치는 단지 유체의 흐름을 방해하는 수준에서 반응시간을 늘인다는 아이디어이기는 하나, 복수의 조절판을 설치하여야 하기 때문에 내부구조가 복잡하고 제조단가가 높아지며 실제 유체의 체류시간은 단위시간당 유입되는 오존수의 유량에 의해 결정될 뿐이어서 실제 제거효율을 높이기에는 한계가 있을 뿐 아니라 처리된 유체에 라디칼이 그대로 유지되어 배관의 부식을 촉진하고 배수된 후 환경오염을 유발할 위험이 있다.

대한민국 특허 제854139호

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 용존 가스가 잔존한 사용후 세척액에서 용존 가스를 효율적으로 분해할 수 있으면서 처리 후 유체에 라디칼이 존재하지 않는 용존 가스 분해장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 용존 가스를 포함한 유체가 일방향으로 흐르도록 유입구와 출구를 구비하고 보호관내에 위치하는 자외선 광원을 구비한 반응기를 포함하여 용존가스가 자외선에 의해 분해되도록 한 용존 가스 분해장치에 있어서, 상기 유입구과 출구는 각각 유체가 반응기 내부에서 와류를 형성하도록 경사지게 형성되어 있고 반응기의 내부에 유체 흐름과 반대방향으로 라디칼 제거제를 공급하도록 설치된 분사기를 구비한 것을 특징으로 하는 용존 가스 분해장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 용존가스가 오존인 것을 특징으로 하는 용존 가스 분해장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 라디칼 제거제가 수소인 것을 특징으로 하는 용존 가스 분해장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 보호관이 표면에 돌기를 구비한 것을 특징으로 하는 용존 가스 분해장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 반응기는 내벽에 자외선 반사코팅막을 더 포함한 것을 특징으로 하는 용존 가스 분해장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 분사기가 유입구와 출구 중 출구에 더 가까운 쪽에 위치한 것을 특징으로 하는 용존 가스 분해장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 반응기의 출구를 통해 직렬연결되어 있으며 가열수단을 구비한 히팅챔버를 더 포함한 용존 가스 분해장치를 제공한다.

본 발명에 따른 용존 가스 분해장치는 간단한 구조를 가지면서도 용존 가스를 포함한 유체에 와류 및 난류를 형성하여 유체의 반응기 내 체류시간을 길게 하고 또한 반응기 내벽에 자외선에 대한 반사율을 높여 광효율을 제고하여 용존 가스 분해효율을 극대화할 수 있으면서 또한 반응 후 잔류 라디칼의 제거까지 가능하다.

도 1은 종래 용존 가스 분해장치의 구조를 설명하기 위한 단면도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 용존 가스 분해장치의 구조를 설명하기 위한 단면도
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조된 용존 가스 분해장치의 구조를 설명하기 위한 부분 분해 사시도

이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따라 제조된 용존가스 분해장치(100)의 일예의 단면구조도이고, 도 3은 본 발명에 따라 제조된 용존가스 분해장치(100)의 일예의 부분 분해 사시도이다. 도 2 및 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 용존가스 분해장치(100)는 용존 가스를 포함한 유체(200)가 일방향으로 흐르도록 유입구(11)와 출구(12)를 구비하고 보호관(15)내에 위치하는 자외선 광원(14)을 구비한 반응기(10)를 포함하여 용존가스가 자외선에 의해 분해되도록 한 용존 가스 분해장치(100)에 있어서, 상기 유입구(11)과 출구(12)는 각각 유체(200)가 반응기(10) 내부에서 와류를 형성하도록 경사지게 형성되어 있고 반응기(10)의 내부에 유체(200) 흐름과 반대방향으로 라디칼 제거제를 공급하도록 설치된 분사기(16)를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서 상기 '용존가스를 포함한 유체(200)'는 가스를 용해한 액체를 의미하며 통상 반도체 공정 등에 세척액으로 사용되는 오존 또는 수소를 용해한 초순수의 사용 후 세정액을 의미하나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 가스의 종류는 제한되는 것은 아니나 실제 세정액 등에 적용되는 가스의 종류와 자외선에 의해 분해가 되어야 하는 특성상 오존, 산소, 수소 등의 가스인 것이 바람직하다.

기존 용존 가스 분해장치(100)는 자외선을 조사하는 자외선 광원(14)을 유체(200)와 직접 접촉이 되지 않도록 보호관(15)을 씌워 반응기(10) 내부에 수납하고 가스가 용존된 유체(200)를 흐르도록 하여 자외선과 용존가스를 반응시켜 가스를 분해하였다. 이 과정에서 가스의 분해효율을 높이기 위하여 사용된 방법은 자외선 광원(14)의 파워를 높이거나 반응기(10) 내부를 흐르는 유체(200)의 속도를 늦추는 방법이 사용되었음은 전술한 바와 같다. 본 발명의 용존 가스 분해장치(100) 역시 기본적인 가스 분해메카니즘은 기존의 용존 가스 분해장치(100)와 동일하며, 기본적인 반응기(10)와 자외선 광원(14) 및 보호관(15) 등 역시 공지의 용존 가스 분해장치(100)의 것을 그대로 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 반응기(10)의 재질은 스테인리스 등 자외선과 용존 오존 등에 강한 내구성을 보이는 금속재질일 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다. 또한, 자외선 광원(14) 역시 자외선을 조사하는 수은램프 등 공지의 자외선 광원(14)을 사용할 수 있으며, 보호관(15) 역시 석영 등 자외선 투과율이 높고 용존 가스에 부식 등의 문제가 없이 강한 내구성을 보이는 재질이면 특별히 제한되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 반응기(10)의 재질이나 형태, 자외선 광원(14) 및 보호관(15)에 관한 사항은 상식에 속할 것이므로 본 명세서에서 더 이상의 상세한 설명은 하지 않기로 한다.

본 발명의 용존 가스 분해장치(100)에 있어서 상기 반응기(10)의 유입구(11)과 출구(12)는 유체(200)가 반응기(10) 내부에서 와류를 형성하도록 각각 경사지게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 전술한 바와 같이, 자외선과 용존 가스의 분해율을 높이려면 유체(200)의 반응기(10) 내부에서의 체류 시간을 증대시키거나 자외선 광원(14)에서 조사되는 광량을 증가시키는 방법이 있다. 유체(200)의 체류시간 증대와 관련하여 전술한 대한민국 특허 제854139호와 같이 유로의 흐름에 방해가 되는 복수의 조절판을 두어 유로를 길게 하는 방법이 대표적이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 이러한 조절판을 반응기(10) 내부에 설치하는 것은 복잡한 구조 때문에 제작단가가 높아질뿐더러 라디칼의 미제거라는 문제가 발생하고, 자외선 광원(14)에서 조사되는 광량을 증대하는 것은 에너지 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 유입구(11)와 출구(12)의 형태와 위치를 조절하여 반응기(10) 내부에서 유체(200)가 와류를 형성하도록 하여 실질적으로 유로를 길게 하여 용존가스 분해효율을 높이고, 또한 출구(12)쪽에 유체(200) 흐름과 반대방향으로 라디칼 제거제(20)를 공급하도록 설치된 분사기(16)를 통해 라디칼을 제거할 수 있도록 하였다.

상기 라디칼 제거제(20)의 경우 용존 가스의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 용존 가스가 오존인 경우 수소 가스나 전해수일 수 있다. 수소는 자외선에 의해 수소 라디칼로 분해되어 오존의 분해산물인 산소 라디칼과 반응하거나 수산화 라디칼과 반응하여 물을 생성할 수 있고, 전해수는 그 자체에 양이온, 음이온과 라디칼이 풍부하여 산소 라디칼이나 수산화 라디칼과 반응하여 물을 생성한다. 라디칼 제거제(20)가 수소나 전해수인 경우 순수를 전기분해하여 생성할 수 있으며 용존 가스 분해장치(100)와 병행하여 전기분해셀(미도시)을 그 주위에 설치할 수 있다.

본 발명의 용존 가스 분해장치(100)의 경우 상기 분사기(16)의 형태는 특별히 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 일실시예에서는 사워헤드 형태의 분사기(16)를 적용하였으나 이에 한정되는 것은 아니고 반응기(10)의 벽면에서 라디칼 제거제(20)가 분사되어 나오도록 복수의 분사구를 구비한 형태인 것도 가능하다. 이 때 분사기(16)에서 분사되는 라디칼 제거제의 경우 유입구(11)에서 출구(12)방향으로 흐르는 유체(200)의 흐름을 방해하고 난류(turbulance)가 형성되어 다시 한 번 반응기(10) 내 체류시간을 늦출 수 있도록 유체(200)흐름 방향과 반대방향으로 분사되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 분사기(16)에서 분사되는 라디칼 제거제(20)의 경우 연속적으로 또는 단속적으로 분사될 수 있으며, 단위시간당 동일한 양이 분사된다면 단속적인 분사가 난류 형성에 보다 유리하기 때문에 단속적 분사가 보다 바람직하다. 라디칼 제거제의 단속적 분사시 그 분사 간격은 유체의 유속에 따라 조절이 가능하나 본 발명자들의 실험결과 유속과 무관하게 0.1 내지 2초 범위인 것이 난류 형성에 보다 바람직함을 알 수 있었다. 라디칼 제거제(20) 단독 또는 순수나 캐리어 가스에 용해된 형태로 분사될 수도 있다. 상기 분사기(16)의 위치는 유입구(11)와 출구(12) 중 출구(12)에 더 가까운 쪽에 위치한 것이 바람직하다. 오존을 비롯한 용존 가스가 자외선과의 충분한 반응을 거져 분해된 후에 산소 또는 수산화 라디칼 등의 라디칼과 라디칼 제거제(20)가 반응하여 라디칼을 소멸시켜야 하기 때문이다.

또한, 본 발명의 용존 가스 분해장치(100)는 광효율을 높이기 위하여 반응기(10) 내벽에 자외선 반사코팅막(13)을 더 포함할 수 있다. 용존가스를 분해하는데 효율적인 200nm 이상의 파장을 가진 자외선 B 등은 물에 대한 투과율이 매우 높다. 따라서, 반응기(10) 내벽에 상기 자외선에 대한 반사도가 높은 자외선 반사코팅막(13)을 형성하면 용존 가스 분해효율을 높일 수 있다. 본 명세서에서 '자외선 반사코팅막'의 용어는 자외선에 대한 반사율이 70% 이상인 재질로 된 박막을 통칭하는 의미로 사용된다. 상기 자외선 반사코팅막(13)을 형성하는 재질은 자외선, 용제 및 오존 등 용존가스에 대한 내구성이 높은 것이면 특별히 제한되지는 않는다. 상기 금속의 바람직한 예로는 자외성에 대한 반사율이 70% 이상인 PTFE, 알루미늄, 산화 마그네슘, 탄산 칼슘, 탄산 마그네슘, 금, 은, 백금 및 구리로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. 상기 자외선 반사코팅막(13)의 형성은 공지의 박막 형성방법, 예를 들면 도금, CVD 등의 방법으로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 용존 가스 분해장치(100)에 있어서 상기 보호관(15)은 전술한 바와 같이 용존가스에 대한 내구성을 갖고 자외선 투과율이 높은 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 다만, 유입구(11)와 출구(12)의 위치 및 형태로 형성된 와류의 유지와 자외선과의 반응성을 높이기 위하여 보호관(15)의 표면에 돌기(미도시)를 형성하는 것이 바람직하다. 상기 돌기는 그 형태에 제한이 없으나 유체의 와류 내지 난류형성에 유리한 형태인 것이 바람직하다. 따라서, 상기 돌기는 나선형의 형태이거나 또는 크기가 상이한 반구형 돌기가 보호관 표면에 불규칙하게 형성된 형태일 수 있다. 상기 돌기의 존재로 인해 반응기(10) 내부 유체(200)의 와류 유지와 난류의 형성을 기대할 수 있어 유로를 길게 할 수 있고 자외선과의 반응시간을 길게 할 수 있어 용존 가스 분해효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 용존 가스 분해장치는 상기 반응기의 출구를 통해 직렬연결되어 있으며 가열수단을 구비한 히팅챔버(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 히팅챔버에서 반응기를 통과한 유체를 가열 반응기에서 미반응된 용존 가스 및/또는 라디칼 제거제 성분을 유체로부터 제거하여 용존 가스 제거 효율을 높일 수 있다.

앞에서 설명된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

10: 반응기 11: 유입구
12: 출구 13: 자외선 반사코팅막
14: 자외선 광원 15: 보호관
16: 분사기 20: 라디칼 제거제
100: 용존 가스 분해장치 200:유체

Claims

용존 가스를 포함한 유체가 일방향으로 흐르도록 유입구와 출구를 구비하고 보호관내에 위치하는 자외선 광원을 구비한 반응기를 포함하여 용존가스가 자외선에 의해 분해되도록 한 용존 가스 분해장치에 있어서,
상기 유입구과 출구는 각각 유체가 반응기 내부에서 와류를 형성하도록 경사지게 형성되어 있고 반응기의 내부에 유체 흐름과 반대방향으로 라디칼 제거제를 공급하도록 설치된 분사기를 구비한 것을 특징으로 하는 용존 가스 분해 장치.
제1항에 있어서,
상기 용존가스는 오존인 것을 특징으로 하는 용존 가스 분해장치.
제2항에 있어서,
상기 라디칼 제거제가 수소 또는 전해수인 것을 특징으로 하는 용존 가스 분해장치.
제1항에 있어서,
상기 보호관은 표면에 돌기를 구비한 것을 특징으로 하는 용존 가스 분해장치.
제1항에 있어서,
상기 반응기는 내벽에 자외선 반사코팅막을 더 포함한 것을 특징으로 하는 용존 가스 분해장치.
제1항에 있어서,
상기 분사기는 유입구와 출구 중 출구에 더 가까운 쪽에 위치한 것을 특징으로 하는 용존 가스 분해장치.
제1항에 있어서,
상기 반응기의 출구를 통해 직렬연결되어 있으며 가열수단을 구비한 히팅챔버를 더 포함한 용존 가스 분해장치.