KR20240044101A - 반도체 공정의 유해가스 내 NOx 제거 시스템 - Google Patents

반도체 공정의 유해가스 내 NOx 제거 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20240044101A
KR20240044101A KR1020220123426A KR20220123426A KR20240044101A KR 20240044101 A KR20240044101 A KR 20240044101A KR 1020220123426 A KR1020220123426 A KR 1020220123426A KR 20220123426 A KR20220123426 A KR 20220123426A KR 20240044101 A KR20240044101 A KR 20240044101A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pcd
harmful gas
reactor
catalyst
removal system
Prior art date
Application number
KR1020220123426A
Other languages
English (en)
Inventor
한재현
사공권
Original Assignee
주식회사 비에이치피
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 비에이치피 filed Critical 주식회사 비에이치피
Priority to KR1020220123426A priority Critical patent/KR20240044101A/ko
Publication of KR20240044101A publication Critical patent/KR20240044101A/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67017—Apparatus for fluid treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/228—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/77—Liquid phase processes
    • B01D53/78—Liquid phase processes with gas-liquid contact
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/77—Liquid phase processes
    • B01D53/79—Injecting reactants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/8621—Removing nitrogen compounds
    • B01D53/8625—Nitrogen oxides
    • B01D53/8628—Processes characterised by a specific catalyst
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2251/00—Reactants
    • B01D2251/30—Alkali metal compounds
    • B01D2251/304—Alkali metal compounds of sodium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2251/00—Reactants
    • B01D2251/30—Alkali metal compounds
    • B01D2251/306—Alkali metal compounds of potassium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2251/00—Reactants
    • B01D2251/40—Alkaline earth metal or magnesium compounds
    • B01D2251/404—Alkaline earth metal or magnesium compounds of calcium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/70—Non-metallic catalysts, additives or dopants
    • B01D2255/702—Carbon

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Treating Waste Gases (AREA)

Abstract

PCD(Pulsed Corona Discharge) 반응기, 필터 및 촉매를 이용하여, 반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx를 보다 효율적으로 제거하는 NOx 제거 시스템에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx를 제거하는 시스템으로서, 공급된 유해가스를 코로나 상태로 변환시켜, 유해가스 내 NOx를 산화 및 집진시키는 PCD(Pulsed Corona Discharge) 반응기; 이온 교환 멤브레인을 포함하며, 상기 PCD 반응기로부터 배출된 유해가스를 상기 이온 교환 멤브레인에 통과시키면서 유해가스 내 산화된 NOx를 1차적으로 제거하는 필터; 및 상기 필터로부터 제거되지 않은 산화된 NOx를 흡착하여 2차적으로 제거하는 촉매;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 공정의 유해가스 내 NOx 제거 시스템{SYSTEM FOR REMOVING NOx FROM HARMFUL GAS EMITTED FROM SEMICONDUCTOR PROCESS}
본 발명은 PCD(Pulsed Corona Discharge) 반응기, 필터 및 촉매를 이용하여, 반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx를 보다 효율적으로 제거하는 NOx 제거 시스템에 관한 것이다.
반도체 공정은 회로 설계, 마스크 제작, 식각, 세정, 연마 등 다양한 제조 단계를 포함한다.
반도체 공정에는 유독성 가스 및 화학 약품 등이 사용되며, 반도체 공정에서 배출되는 가스에는 더스트 및 NOx와 같은 유해성분이 다량 포함되어 있다.
반도체 공정에서 배출되는 유해 가스에 포함된 NOx는 유독성, 및 부식성이 강하기 때문에 인체에 유해할 뿐만 아니라, 그대로 대기 중에 방출될 경우에는 환경오염을 유발할 수도 있다. 이러한 유해가스의 유해성분을 기준치 이하로 낮추기 위해서는 정화처리 과정을 반드시 거치도록 법적으로 의무화되어 있다.
한편, 반도체 공정에서 배출되는 유해가스를 제거하기 위해, 별도의 오존 발생기를 사용하여 생성된 오존을 유해가스가 흐르고 있는 챔버 또는 덕트로 유입시키는 리모트 플라즈마(remote plasma) 기술이 사용되고 있다. 오존은 NOx의 대부분을 NO2로 산화시키는 역할을 하며, 반응이 안정적으로 진행되기도 하지만, 산화 반응 속도가 상대적으로 느리고, 결과적으로 NOx 제거 효율이 상대적으로 낮은 단점이 있다.
따라서, 환경 규제가 더 엄격해진 상황에서, 반도체 공정 중에 발생하는 유해가스 내 NOx의 제거 효율을 보다 높일 수 있는 제거 방법의 연구가 필요가 실정이다.
본 발명의 목적은 반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx의 제거 효율이 우수한 NOx 제거 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 요소수, 암모니아와 같은 환원제, 스팀 등의 부가적인 요소 없이 NOx를 효율적으로 제거할 수 있는 NOx 제거 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 촉매의 수명을 연장시킬 수 있는 NOx 제거 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx를 제거하는 시스템으로서, 공급된 유해가스를 코로나 상태로 변환시켜, 유해가스 내 NOx를 산화 및 집진시키는 PCD(Pulsed Corona Discharge) 반응기; 이온 교환 멤브레인을 포함하며, 상기 PCD 반응기로부터 배출된 유해가스를 상기 이온 교환 멤브레인에 통과시키면서 유해가스 내 산화된 NOx를 1차적으로 제거하는 필터; 및 상기 필터로부터 제거되지 않은 산화된 NOx를 흡착하여 2차적으로 제거하는 촉매;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 PCD 반응기는 격자로 배치된 수전극(-) 배관 및 상기 격자로 배치된 수전극 배관 내부에 배치되며, 막대 형상의 방전극(+)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 PCD 반응기는 직렬 또는 병렬로 연결된 복수개의 PCD 반응기를 포함할 수 있다.
상기 PCD 반응기의 전단에는 공급된 유해가스의 흐름 방향을 균일하게 제어하는 배플(baffle)이 배치될 수 있다.
상기 NOx 제거 시스템은 상기 이온 교환 멤브레인의 상부에 배치되며, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화칼륨(KOH) 중 1종 이상의 알칼리 용액을 분사하여, 상기 산화된 NOx를 흡착 및 낙하시키는 스크러버를 더 포함할 수 있다.
상기 이온 교환 멤브레인은 Fe2O3, Pt, CuO, WO3, TiO2 및 V2O5 중 1종 이상의 촉매가 코팅된 것일 수 있다.
상기 촉매는 세라믹 다공성 촉매를 포함하거나, KOH, Ca(OH)2 및 NaOH 중 1종 이상의 알칼리 성분이 함침된 탄소계 다공성 촉매를 포함할 수 있다. 촉매는 고체 흡착 모듈로서, 필터로부터 제거되지 않은 산화된 NOx를 흡착하여 2차적으로 제거할 수 있다.
상기 촉매는 NOx로부터 N2, O2 등 무해한 가스를 배출하면서 재생할 수 있는 특성을 가질 수 있다.
상기 촉매는 서로 이격 배치된 복수개의 촉매를 포함할 수 있다.
상기 촉매는 산화된 NOx를 20 ~ 150℃에서 2차적으로 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx를 제거하는 시스템으로서, 공급된 유해가스를 코로나 상태로 변환시켜, 유해가스 내 NOx를 산화 및 집진시키는 PCD(Pulsed Corona Discharge) 반응기; 및 상기 PCD 반응기로부터 제거되지 않은 산화된 NOx를 흡착하여 제거하는 촉매;를 포함할 수 있고, 이 경우 필터를 포함하지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx를 제거하는 시스템으로서, 공급된 유해가스를 코로나 상태로 변환시켜, 유해가스 내 NOx를 산화 및 집진시키는 PCD(Pulsed Corona Discharge) 반응기; 및 이온 교환 멤브레인을 포함하며, 상기 PCD 반응기로부터 배출된 유해가스를 상기 이온 교환 멤브레인에 통과시키면서 유해가스 내 산화된 NOx를 제거하는 필터;를 포함할 수 있고, 이 경우 촉매를 포함하지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 NOx 제거 시스템은 반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx의 제거 효율이 우수한 효과가 있다.
또한 요소수, 암모니아와 같은 환원제, 순수 산소, 스팀 등의 부가적인 요소 없이 NOx를 효율적으로 제거하는 효과가 있다.
또한 NOx 제거 시스템은 이온 교환 멤브레인을 포함하거나, 촉매에 흡착된 NOx를 무해한 가스로 재생시킴으로써, 촉매의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 NOx 제거 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 PCD 반응기의 평면도와 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 촉매를 이용한 NOx 제거 메커니즘이다.
도 4는 본 발명의 촉매가 복수개로 서로 이격 배치된 구조를 나타낸 개략도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 반도체 공정의 유해가스 내 NOx 제거 시스템을 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 NOx 제거 시스템은 NOx의 산화와 집진 기능을 가진 PCD(Pulsed Corona Discharge) 반응기와, 산화된 NO2를 대부분 제거하는 스크러버와 필터, 그리고 잔류하는 NO2를 흡착 및 환원시켜 제거하는 촉매를 포함하는 것으로, 반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx의 제거 효율이 우수한 효과가 있다.
또한 상온에서 배출되는 유해가스의 경우 선택적 촉매 환원 반응을 사용할 수 없는데, 본 발명의 NOx 제거 시스템은 요소수, 암모니아와 같은 환원제, 순수 산소, 스팀 등의 부가적인 요소 없이, 상온에서 배출되는 유해가스 내 NOx를 효율적으로 제거하는 효과가 있다. 또한 NOx 제거 시스템은 촉매의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 언급된 질소산화물(NOx)은 질소와 산소의 결합상태에 따라 여러 종류의 화합물이 존재한다. NOx는 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2), 삼산화질소(N2O3), 오산화질소(N2O5)로 구분될 수 있다.
반도체 공정 중에 배출되는 유해가스에는 NO와 NO2가 주로 포함되어 있으며, NO와 NO2 중에서도 NO가 대부분의 양을 차지한다.
NO는 무색, 무취의 기체이고 물에는 거의 녹지 않는다. NO2는 NO가 대기 중에서 산화되어 생성된 것이며, NO2는 수분과 결합하여 질산(HNO3)을 생성할 수 있다.
본 발명에서는 NOx 이외에도 0.1 ~ 500㎛ 직경을 갖는 이물질이나, 분진, 탄소 등을 포함하는 더스트, 벤젠, 포름알데히드, 톨루엔, 아세트알데히드 등과 같은 휘발성유기화합물(VOCs)의 더스트와, HF 가스를 포함할 수도 있으며, NOx를 제거하면서 더스트와 HF 가스도 함께 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 NOx 제거 시스템의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx를 제거하는 시스템에 관한 것으로, NOx 제거 시스템은 PCD 반응기, 이온 교환 멤브레인을 포함하는 필터, 촉매를 포함할 수 있다.
유해가스를 PCD 반응기 내부로 공급하기 전에, PCD 반응기 전단에 배치된 여과기에 유해가스를 통과시켜, 유해가스에 포함된 큰 먼지를 사전에 제거할 수 있다.
유해가스 내 크기가 큰 먼지, 이물질과 같은 먼지, 탄소 등을 사전에 제거한 후, PCD 반응기에서 유해가스의 집진, 가열, 산화를 진행하는 경우, 유해가스 내 먼지의 농도가 감소하여 유해가스의 반응성을 더욱 향상시킬 수 있다.
여과기는 유해가스 내 큰 입자들을 충분히 여과할 수 있는 재질이라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 여과기는 금속 재질, 합금 재질, 세라믹 재질, SUS 재질 등의 메쉬 필터가 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
PCD 반응기는 공급된 유해가스를 코로나 상태로 변환시켜, 유해가스 내 NOx를 산화(전처리) 및 집진시킬 수 있다.
PCD 반응기에서는 해리와 산화에 의해 NO를 NO2로 산화시킬 수 있고, 필요에 따라 4 ~ 6kg/hr의 스팀을 사용하는 경우 코로나가 발생하는 동안 OH 라디칼, H 라디칼, O 라디칼을 생성할 수 있다. 또한 코로나로부터 방출된 가스에서 H2O와 O2를 발생시킬 수 있다.
이에 따라, OH 라디칼, H 라디칼 및 O 라디칼의 산화에 의해 NO가 NO2로 산화되고, N2로 환원되기까지 NO의 전환율이 증가하는 이점이 있다. 또한, 탄소(C), 일산화탄소(CO), 탄화수소(CH), 탄화수소화합물과 같은 더스트가 CO2 형태로 산화 및 침출될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, PCD 반응기는 챔버와 같은 구조를 가지며, 병렬로 연결된 복수개의 PCD 반응기를 포함할 수 있다. 복수개의 PCD 반응기를 병렬로 연결하면, 가동 멈춤 없이 유해가스의 산화와 집진을 일정한 분위기에서 연속적으로 수행할 수 있다.
예를 들어, 한 세트당 2 ~ 42kW를 갖는 코로나 방전 발생기를 2개 마련하고, 총 4 ~ 84kW의 전력을 각각의 PCD 반응기에 나눠서 공급하여 플라즈마 반응을 수행할 수 있다. 2개의 PCD 반응기가 병렬로 배치된 경우, 전력을 분할 공급하여 하나의 PCD 반응기에 2 ~ 42kW를 공급하고, 다른 하나의 PCD 반응기에 2 ~ 42kW를 공급할 수 있다.
복수개의 PCD 반응기를 병렬로 연결하면, 코로나 방전이 상호 보완적으로 진행되어 각 PCD 반응기의 코로나 반응을 교대로 사용할 수 있는 이점이 있다.
코로나 반응이 수행되는 장치의 크기는 소형화된 크기로 제작되어, 이동성과 편리성을 모두 나타낼 수 있다. 예를 들어, 챔버 하나의 크기는 가로 Χ 세로 Χ 높이가 1400mm × 1400mm × 1900mm ~ 3200mm × 3200mm × 6100mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편으로, 상기 복수개의 PCD 반응기는 필요에 따라, 직렬로 구성될 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, PCD 반응기는 격자로 배치된 수전극(-) 배관 및 상기 격자로 배치된 수전극 배관 내부에 배치되며, 막대 형상의 방전극(+)을 포함할 수 있다.
구체적으로, SUS 재질의 정사각형의 소격자로 이루어진 수전극(-) 배관이 배치되고, 막대 형상의 방전극(+)을 수전극 배관 내부에 끼워, 수전극(-) 배관 내부마다 하나의 방전극(+)이 배치된 PCD 반응기를 마련할 수 있다.
유해가스가 흐르고 있는 PCD 반응기의 방전극(+)에 고전압을 인가하면 코로나 방전이 발생하게 되고, 발생된 전하는 방전극으로부터 수전극(-)으로 이동하게 된다. 그리고 전하와 공기가 결합하여, 방전극(+)과 수전극(-) 사이의 공간을 전기적으로 이온화시킨다. 이온화된 공기 중으로 유해가스가 유입되면, 이온화된 공기와 유해가스가 결합하여 유해가스를 대전(charging)시킨다. 대전된 유해가스는 전기장 내에서 수전극(-) 방향으로 발생하는 쿨롱력(Coulomb force)에 의해 수전극(-) 표면으로 이동하여, 수전극(-)에 전기적으로 부착됨으로써, 유해가스 자체가 코로나 상태를 나타낼 수 있고, 유해가스가 집진 및 산화될 수 있다. 특히, 본 발명에서는 격자 형태의 수전극(-) 배관과 방전극(+)을 이용하여, 코로나 방전의 파워가 모든 영역에 골고루 분산되어 전달되기 때문에, 반응 속도와 반응 효율을 더욱 높이는 효과가 있다.
추가로, PCD 반응기의 전단에는 공급된 유해가스의 흐름 방향을 균일하게 제어하는 배플(baffle)이 배치될 수 있다. 배플은 두께를 갖는 판에 일정 간격을 두고 미세한 구멍(홀)이 형성된 것으로, PCD 반응기의 입구 크기에 해당하는 배플 면적에 미세한 구멍이 형성되는 것이 바람직하다.
PCD 반응기의 입구에 배플(baffle)을 설치하면, 유해가스가 중심 통로로만 이동하지 않고, 미세한 구멍을 통해 전체 영역에 골고루 퍼지면서 이동하기 때문에 유해가스의 산화 반응을 더욱 높이는 효과가 있다.
유해가스가 통과하는 PCD 반응기 내부에 고주파 에너지를 직접 인가하여, 유해가스를 플라즈마 상태의 일종인 고에너지 코로나 상태로 변화시킬 수 있다. 이때 아래 해리 반응처럼, OH 라디칼 및 O 라디칼과 같은 반응성이 강하고 반응 속도가 빠른 중간체인 산화제가 생성된다. 이러한 산화제는 오존(O3)보다 에너지 상태가 높아서 반응성이 강하기 때문에, NOx의 산화 반응에 사용되기에 유리하다.
<해리 반응>
2H2O → 2OH* + 2H*
2H2O → H2 + O* + O2
O2 → O*
그리고, 아래 산화 반응처럼, 상기 해리 반응에서 생성된 산화제가 유해가스 내 포함된 NOx와 반응하여 NO2로 산화된다.
<산화 반응>
NO + O* → NO2
NO + 2(OH)* → NO2 + H2O
N2O + 2(OH)* → NO2 + N2 + H2O
NOx + O* + OH* → NO2 + H2O + ??
이처럼, 유해가스가 흐르고 있는 PCD 반응기 내부로 에너지를 직접 인가하여 중간체인 산화제를 생성함과 동시에 유해가스 자체를 코로나 형태로 만들기 때문에, 유해가스 내 NOx의 대부분을 NO2로 전환할 수 있다. 이에 따라, 산화와 집진이 동시에 진행되기 때문에, 별도의 집진기를 사용할 필요가 없고, 유해가스의 공급량이 많더라도 산화 효율을 향상시키는 효과가 있다.
예를 들어, 2개의 PCD 반응기 각각에 1 ~ 2kW의 전력을 공급하면, NOx의 70 ~ 90%가 NO2로 산화될 수 있다. 그리고 동시에 유기, 무기 더스트의 95% 이상을 산화시킬 수 있다.
PCD 반응기 외부로 배출된 유해가스에는 일부 NO, 산화된 NO2, 일부 더스트와 CO2 등이 포함될 수 있고, NO 함량(ppm(v/v))은 초기 공급된 유해가스 내 NO 함량보다 적을 수 있고, NO2 함량은 초기 공급된 유해가스 내 NO2 함량보다 많을 수 있다.
NOx 제거 시스템은 필터를 포함한다.
필터는 이온 교환 멤브레인을 포함하며, PCD 반응기로부터 배출된 유해가스를 이온 교환 멤브레인에 통과시키면서 유해가스 내 산화된 NOx를 1차적으로 제거할 수 있다.
필터는 PCD 반응기에서 산화된 과량의 NO2와 소량의 NOx를 대부분 제거할 수 있다.
이온 교환 멤브레인은 Fe2O3, Pt, CuO, WO3, TiO2 및 V2O5 중 1종 이상의 촉매가 코팅된 것이거나, 또는 이온 교환 멤브레인 자체가 금속으로 이루어진 소재일 수 있다. 이온 교환 멤브레인은 큰 표면적을 갖는 다공성 막이다.
촉매가 코팅된 멤브레인은 물리적 및 화학적 흡착 방식에 의해 산화된 NOx를 흡착하고 있다가, 이후 스크러버의 알칼리 용액과 함께 씻겨 내려가면서 NOx를 1차적으로 제거할 수 있다.
구체적으로, 촉매가 코팅된 멤브레인은 이온 교환 방식의 중성화 반응에 의해 NOx를 흡착하여 보유하고 있다가, 이후 NaOH, Ca(OH)2와 같은 알칼리 용액을 멤브레인에 수직 또는 수평방향으로 흘려주면서, 멤브레인을 재생시키므로 멤브레인의 수명을 연장시킨다. 이때, 알칼리 용액은 NOx을 하부 방향으로 흘러 보내면서, 이온 교환 방식의 중성화 반응에 의해 NOx를 흡착한 멤브레인을 연속적으로 재생시키므로, 장비의 작동을 중지시키지 않고, 산화된 NOx를 연속적으로 제거할 수 있다. 멤브레인을 재생하기 위하여 흘려주는 상기 알칼리 용액에는 재생을 촉진하기 위하여, 황산 또는 질산 등의 산성 용액이 미량 섞여 있을 수 있다. 알칼리 용액 내의 산성 용액의 함량은 알칼리 용액의 함량보다 적을 수 있다.
NOx 제거 시스템은 이온 교환 멤브레인의 상부에 배치되는 스크러버를 더 포함할 수 있다. 스크러버 역시, PCD 반응기에서 산화된 과량의 NO2와 소량의 NOx를 대부분 제거할 수 있다.
PCD 반응기 후단에는 필터만 배치되어 제거 반응이 이루어질 수 있고, 챔버 내부에 스크러버와 필터가 함께 배치되어 제거 반응이 이루어질 수도 있다.
스크러버와 필터가 함께 배치되는 경우, 필터의 이온 교환 멤브레인의 상부에 스크러버가 배치되되 직렬로 연결되어, 산화된 NOx를 2 스텝에 걸쳐 제거할 수 있다.
스크러버는 산화된 유해가스가 통과하고 있는 이온 교환 멤브레인에 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화칼륨(KOH) 중 1종 이상의 알칼리 용액을 분사하여, 알칼리 용액에 상기 산화된 NOx를 흡착시킴과 동시에 낙하시킬 수 있다. 산화된 NOx가 이온 교환 멤브레인을 통과할수록, 멤브레인에 흡착된 NOx의 양이 많아지기 때문에 멤브레인이 포화될 수 있다. 멤브레인이 포화되지 않도록 알칼리 용액을 연속적 또는 간헐적으로 분사하면, 중력 방향인 하부 방향으로 알칼리 용액이 흘러내리기 때문에, 멤브레인의 재생이 진행되면서 멤브레인의 수명을 연장시키는 효과가 있다.
알칼리 용액을 이용한 스크러버는 0 ~ 150℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 10 ~ 100℃에서 수행될 수 있고, 보다 바람직하게는 18 ~ 40℃에서 수행될 수 있다. 스크러버의 반응 온도가 0 ~ 150℃를 만족함으로써, 유해가스(배기가스) 내 산화된 NOx와 더스트를 제거하는 효과를 더욱 높일 수 있다.
만일, 스크러버에서의 제거 반응이 0 ~ 150℃를 벗어나는 경우, 알칼리 용액이 고체화되거나 기체화되기 때문에 알칼리 용액을 충분히 낙하시키기 어렵고, 유해가스 내 산화된 NOx와 더스트의 영구 흡착성이 낮아지게 된다.
이에 따라, 고용량의 유해가스를 반응시킬 수 있어, 고용량의 NOx를 제거하는 효과가 있다. 또한, 촉매와 반응시키기 전에 스크러버를 사용함으로써, 촉매의 수명을 연장시키는 효과가 있다.
필터와 스크러버를 통과하여 배출된 유해가스 내 NO 함량, NO2 함량 (ppm(v/v))은 PCD 반응기를 통과하여 배출된 유해가스 내 NO 함량, NO2 함량보다 적을 수 있다.
NOx 제거 시스템은 촉매를 포함한다.
촉매는 고체 흡착 모듈로서, 필터로부터 제거되지 않은 산화된 NOx를 흡착하여 2차적으로 제거할 수 있다.
촉매는 활성탄과 석고를 주원료로 하는 허니컴형 타입의 촉매 또는 세라믹 다공성 촉매로, 표면적이 넓고 내구성이 우수하며, 안정적이고 재생이 가능한 특징이 있다. 이러한 촉매는 세라믹 다공성 촉매를 포함하거나, KOH, Ca(OH)2 및 NaOH 중 1종 이상의 알칼리 성분이 함침된 탄소계 다공성 촉매를 포함할 수 있다. 알칼리 성분이 함침된 탄소계 다공성 촉매는 촉매 표면에 OH, K, Na, Ca 중 1종 이상의 알칼리성으로 표면 처리된 구조, 촉매 표면과 내부에 흡착된 구조, 촉매 표면과 내부에 분산된 구조, 촉매 표면에 코팅된 구조이거나, 촉매 내부에 함침된 구조일 수 있고, 탄소계 다공성 촉매는 활성탄을 포함할 수 있다.
또한 세라믹 다공성 촉매는 세라믹을 발포시켜 만든 다공성 구조로, AlO, FeO, SiO, KOH 등 금속 산화물이 내부에 포함되어 있는 것을 사용할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, I) 단계에서 유해가스 내 NO2 가스 분자가 산화된 KOH, Ca(OH)2 및 NaOH 중 1종 이상의 알칼리성을 포함하는 흡수체인 탄소계 촉매에 흡착하게 되면서, 흡수체인 탄소계 촉매의 격벽 표면에 분산될 수 있다. 이후 II) 흡착된 유해가스 내 NO2가 알칼리성과 중화 반응하여 KNO2, KNO3와 같은 염을 생성할 수 있고, N2와 H2O를 생성할 수 있다. 반응식은 아래와 같다.
2NO2 + 2KOH → KNO3 + KNO2 + H2O
NO2 + NO + 2KOH → 2KNO2 + H2O
4NO2 + 2KOH + 8H* → N2 + 2KNO2 + 4H2O
2NO2 → N2 + 2O2
마지막으로, III) 단계에서 KNO2, KNO3와 같은 염이 탄소계 다공성 촉매의 내부까지 침투하게 되고 흡수된다.
이처럼, 유해가스 내 NO2가 탄소계 다공성 촉매에 함침되어 있는 알칼리 성분과 중화 반응을 할 수 있고, 상온(24±3℃) 및 상압(대기압) 조건에서 KNO2, KNO3와 같은 염의 형태로 촉매 내부로 흡수되어 제거될 수 있다. 이렇게 흡수된 NO2는 자연에 방출되지 않고, N2, O2 로 분해되어 방출될 수 있다.
상기 반응식은 다공성 세라믹 촉매에서도 똑같이 적용될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 촉매는 서로 이격 배치된 복수개의 촉매를 포함할 수 있다. 이는 하나의 실시예로 도시한 것일 뿐, 촉매의 구성이 도 4에 한정되는 것은 아니다.
도 4와 같이, 복수개의 촉매를 이격 배치하면, 허니컴 구조의 촉매를 최대한 넓은 면적에 통과시켜 NO2로 변환된 NOx를 최대한 제거하는 효과가 있다.
그리고, 촉매는 산화된 NOx를 20 ~ 150℃에서 2차적으로 제거할 수 있고, 바람직하게는 40 ~ 120℃에서 2차적으로 제거할 수 있다.
촉매를 이용한 제거 반응이 비교적 저온에서 수행되는 경우, 에너지 절감 효과가 있으며, 안전하면서 운용비용이 절감되는 효과가 있다.
NOx 제거 효율 관련하여, 800 ~ 1200ppm(v/v)의 NOx를 PCD 반응기에 공급한 후, NO2가 700 ~ 1140ppm이고, NOx는 60ppm 이하인 유해가스를 배출할 수 있다. 배출된 유해가스를 필터와 스크러버에 통과시켜, NO2를 95% 이상 제거함으로써, NO2가 1 ~ 55ppm이고, NOx(NO2 외)는 60ppm 이하인 유해가스를 배출할 수 있다. 이어서, 배출된 유해가스를 촉매를 통과시켜, 잔류하는 NO2를 95% 이상 제거함으로써, NO2가 0.1 ~ 3ppm이고, NOx(NO2 외)는 60ppm 이하인 청정가스를 배출할 수 있다.
배출된 청정가스는 메인 스크러버로 공급될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 실시예로서, NOx 제거 시스템에 스크러버와 필터를 포함하지 않을 수 있다.
반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx를 제거하는 시스템은, 공급된 유해가스를 코로나 상태로 변환시켜, 유해가스 내 NOx를 산화 및 집진시키는 PCD(Pulsed Corona Discharge) 반응기, 및 상기 PCD 반응기로부터 제거되지 않은 산화된 NOx를 흡착하여 제거하는 촉매를 포함할 수 있다.
PCD(Pulsed Corona Discharge) 반응기와 촉매에 대한 설명은 전술한 바와 동일하다.
PCD 반응기와 촉매로 구성된 NOx 제거 시스템에서도, NOx 제거 효율이 우수한 효과가 있다.
또 다른 실시예로서, NOx 제거 시스템에 촉매를 포함하지 않을 수 있다.
반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx를 제거하는 시스템은, 공급된 유해가스를 코로나 상태로 변환시켜, 유해가스 내 NOx를 산화 및 집진시키는 PCD(Pulsed Corona Discharge) 반응기, 및 이온 교환 멤브레인을 포함하며, 상기 PCD 반응기로부터 배출된 유해가스를 상기 이온 교환 멤브레인에 통과시키면서 유해가스 내 산화된 NOx를 제거하는 필터를 포함할 수 있다.
이 때, 필터에 인접하도록 스크러버를 더 포함할 수 있으며, 스크러버에 대한 설명은 전술한 바와 같다.
PCD 반응기와 필터로 구성된 NOx 제거 시스템에서도, NOx 제거 효율이 우수한 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
10 : PCD 반응기
20 : 스크러버
30 : 필터
40 : 촉매

Claims (10)

  1. 반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx를 제거하는 시스템으로서,
    공급된 유해가스를 코로나 상태로 변환시켜, 유해가스 내 NOx를 산화 및 집진시키는 PCD(Pulsed Corona Discharge) 반응기;
    이온 교환 멤브레인을 포함하며, 상기 PCD 반응기로부터 배출된 유해가스를 상기 이온 교환 멤브레인에 통과시키면서 유해가스 내 산화된 NOx를 1차적으로 제거하는 필터; 및
    상기 필터로부터 제거되지 않은 산화된 NOx를 흡착하여 2차적으로 제거하는 촉매;를 포함하는 NOx 제거 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PCD 반응기는 격자로 배치된 수전극(-) 배관 및 상기 격자로 배치된 수전극 배관 내부에 배치되며, 막대 형상의 방전극(+)을 포함하며,
    병렬로 연결된 복수개의 PCD 반응기를 포함하는 NOx 제거 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PCD 반응기의 전단에는 공급된 유해가스의 흐름 방향을 균일하게 제어하는 배플(baffle)이 배치되는 NOx 제거 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 NOx 제거 시스템은
    상기 이온 교환 멤브레인의 상부에 배치되며, 멤브레인에 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화칼륨(KOH) 중 1종 이상의 알칼리 용액을 분사하여, 알칼리 용액에 상기 산화된 NOx를 흡착 및 낙하시키는 스크러버를 더 포함하는 NOx 제거 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이온 교환 멤브레인은 Fe2O3, Pt, CuO, WO3, TiO2 및 V2O5 중 1종 이상의 촉매가 코팅된 것인 NOx 제거 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 세라믹 다공성 촉매를 포함하거나, KOH, Ca(OH)2 및 NaOH 중 1종 이상의 알칼리 성분이 함침된 탄소계 다공성 촉매를 포함하는 NOx 제거 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 서로 이격 배치된 복수개의 촉매를 포함하는 NOx 제거 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 산화된 NOx를 20 ~ 150℃에서 2차적으로 제거하는 NOx 제거 시스템.
  9. 반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx를 제거하는 시스템으로서,
    공급된 유해가스를 코로나 상태로 변환시켜, 유해가스 내 NOx를 산화 및 집진시키는 PCD(Pulsed Corona Discharge) 반응기; 및
    상기 PCD 반응기로부터 제거되지 않은 산화된 NOx를 흡착하여 제거하는 촉매;를 포함하는 NOx 제거 시스템.
  10. 반도체 공정 중에 배출되는 유해가스 내 NOx를 제거하는 시스템으로서,
    공급된 유해가스를 코로나 상태로 변환시켜, 유해가스 내 NOx를 산화 및 집진시키는 PCD(Pulsed Corona Discharge) 반응기; 및
    이온 교환 멤브레인을 포함하며, 상기 PCD 반응기로부터 배출된 유해가스를 상기 이온 교환 멤브레인에 통과시키면서 유해가스 내 산화된 NOx를 제거하는 필터;를 포함하는 NOx 제거 시스템.
KR1020220123426A 2022-09-28 2022-09-28 반도체 공정의 유해가스 내 NOx 제거 시스템 KR20240044101A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220123426A KR20240044101A (ko) 2022-09-28 2022-09-28 반도체 공정의 유해가스 내 NOx 제거 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220123426A KR20240044101A (ko) 2022-09-28 2022-09-28 반도체 공정의 유해가스 내 NOx 제거 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240044101A true KR20240044101A (ko) 2024-04-04

Family

ID=90637748

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220123426A KR20240044101A (ko) 2022-09-28 2022-09-28 반도체 공정의 유해가스 내 NOx 제거 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20240044101A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gholami et al. Technologies for the nitrogen oxides reduction from flue gas: A review
Cheng et al. Desulfurization and Denitrification Technologies of Coal-fired Flue Gas.
US9895657B2 (en) High-efficiency method for removing sulfur and mercury of coal-fired flue gas, and apparatus thereof
KR102566436B1 (ko) 철-에틸렌디아민사아세트산을 이용한 질소화합물 포집용 전기분해장치
KR101767894B1 (ko) 질소 순환형 질소산화물 처리 시스템 및 방법
KR101774710B1 (ko) 플라즈마와 촉매를 이용한 하이브리드 건식 유해가스 처리 장치 및 이의 운전방법
CN102679454A (zh) 一种室内空气净化装置
CN109925850B (zh) 电化学协同液相催化硫硝尘一体化净化方法及装置
KR20170133177A (ko) 플라즈마와 촉매를 적용한 하이브리드 건식 유해가스 처리 시스템 및 이의 운전방법
Yuan et al. Abatement of NO/SO2/Hg0 from flue gas by advanced oxidation processes (AOPs): Tech-category, status quo and prospects
CN109433006A (zh) 一种烟气处理工艺流程及其装备配置
WO1990009227A1 (en) Exhaust gas cleaning method
CN107497265B (zh) 臭氧协同微波激发飞灰诱导自由基的一体化烟气净化系统及方法
RU2491109C1 (ru) Устройство для очистки воздуха в обитаемых герметичных объектах от вредных примесей
KR20060089277A (ko) 복합형 세라믹필터
KR20070010725A (ko) 집진장치를 이용한 분진 및 질소산화물, 황산화물처리기술개발.
CN112316679B (zh) 一种低温等离子体VOCs净化装置及方法
KR20240044101A (ko) 반도체 공정의 유해가스 내 NOx 제거 시스템
AU2017267474A1 (en) Clean gas stack
CN210097385U (zh) 一种烟气处理系统
JP2003240226A (ja) 排煙処理装置及び処理方法
CN105169941A (zh) 一种室内光裂解吸附气体净化装置
JP2009202099A (ja) 窒素酸化物除去装置および窒素酸化物除去方法
JP2005034705A (ja) 吸着材の再生方法及び再生装置
KR102025919B1 (ko) 미세먼지 저감을 위한 배기가스 정화 시스템