KR20240079016A - 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치 - Google Patents

반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치 Download PDF

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주식회사 케이텍
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Abstract

반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치가 개시된다. 상기 초고순도 석영 분말 제조장치는, 반응가스를 회수하여 재공급함으로써 유해물질을 줄일 수 있고, 반응가스의 비용을 절감할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 상태의 예에 따른 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치는 하우징, 로심관 및 반응가스 회수장치를 포함한다. 상기 로심관은 상기 하우징의 내부에 배치된다. 상기 반응가스 회수장치는 로심관으로부터 배출되는 반응가스를 회수하고 냉각하여 다시 로심관으로 공급한다.

Description

반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치{MANUFACTURING DEVICE OF ULTRA PURITY SILICA POWDER INCLUDING CHLORINE GAS RECOVERY DEVICE}
본 발명은 초고순도 석영 분말 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치에 관한 것이다.
석영 분말은 반도체 공정에 필수 불가결한 고순도 재료로 실리콘과 원자 구성의 차이가 적은 점, 5N ~ 6N으로 고순도화가 가능한 점, 고온에서 사용 가능한 점, 다른 세라믹 재료 대비 상대적으로 매장량이 풍부한 점, 가격이 저렴한 점 등에서 대량으로 사용되고 있다.
반도체의 공정 미세화가 진행됨에 따라 석영 분말의 고순도화에 대한 요구가 더욱 심화되어 열화학 처리 등을 통해 알칼리 금속을 최소화하는 방향으로 기술이 개발되고 있다. 6N 이상의 순도를 갖는 합성 석영 분말을 사용하는 경우도 있으나, 합성 석영은 천연 석영 대비 4배 이상 고가이며 고온에서의 점도가 낮아 완전히 대체되기는 어렵다.
고온 열화학 처리에 사용되는 반응가스(염소 혹은 염산 계의 할로겐 가스)는 매우 유독하고 환경 부하가 큰 물질로 최근 그 사용에 많은 제한을 받고 있다. 또한, 열화학 처리공정에서 사용되는 할로겐 계열 가스는 고순도일 필요가 있어 그 비용이 매우 높은 상황이다.
이러한 할로겐 계열 가스의 사용량을 최소화하고자 미국 등록 특허 제6746655호는 회수 장치의 개념을 제시하였다. 상기 미국 등록 특허에 제시된 회수 장치는 반응가스의 사용량을 줄인다. 하지만, 상기 미국 등록 특허는 고온의 반응가스를 냉각시키는 별도의 장치를 구비하고 있지 않아서, 공정의 장시간 반복시 순환 장치가 고온이 되어 장치의 수명이 단축되고, 반응가스가 유출되는 위험성이 존재한다.
미국 등록 특허 제6746655호 (2004.06.08)
본 발명의 목적은, 반응가스(할로겐 계열 가스)를 회수하여 로심관에 재공급함으로써 유해물질을 줄일 수 있고 반응가스의 사용량을 줄여 제조비용을 절감할 수 있는, 반응가스 회수장치를 구비한 초고순도 석영 분말 제조장치를 제공하려는 데에 있다.
전술한 본 발명의 목적은 후술하는 구체적인 내용에 의하여 달성된다.
본 발명의 실시 상태의 예에 따른 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치는 하우징, 로심관 및 반응가스 회수장치를 포함한다. 상기 로심관은 상기 하우징의 내부에 배치된다. 상기 반응가스 회수장치는 로심관으로부터 배출되는 반응가스를 회수하고 냉각하여 다시 로심관으로 공급한다.
구체적으로, 상기 반응가스 회수장치를 통해 로심관으로 재공급되는 반응가스의 온도는 10℃ ~ 300℃이다.
구체적으로, 상기 반응가스 회수장치는 복수 개의 냉각실과 가스 회수 라인과 펌프를 포함한다. 상기 복수 개의 냉각실은 회수된 반응가스를 냉각시킨다. 상기 가스 회수 라인은 로심관과 복수 개의 냉각실을 서로 연결한다. 상기 펌프는 가스 회수 라인과 연결된다.
구체적으로, 상기 복수 개의 냉각실은 가스 회수 라인을 통하여 차례로 연결되는 제1 냉각실과 제2 냉각실과 제3 냉각실을 포함한다.
구체적으로, 상기 가스 회수 라인은 제1 회수 라인과 제2 회수 라인과 제3 회수 라인과 제4 회수 라인과 제5 회수 라인을 포함한다. 상기 제1 회수 라인은 로심관의 일측과 제1 냉각실을 연결한다. 상기 제2 회수 라인은 제1 냉각실과 제2 냉각실을 연결한다. 상기 제3 회수 라인은 제2 냉각실과 제3 냉각실을 연결한다. 상기 제4 회수 라인은 제3 냉각실과 펌프를 연결한다. 상기 제5 회수 라인은 펌프와 로심관의 타측을 연결한다.
구체적으로, 상기 펌프는 진공 펌프이고, 복수 개의 냉각실 중 펌프와 직접적으로 연결된 냉각실의 진공도를 0.01Pa ~ 10Pa이 되도록 구동한다.
구체적으로, 상기 반응가스 회수장치는 반응가스의 온도 또는 펌프를 제어하는 온도 제어부를 더 포함한다.
구체적으로, 상기 온도 제어부는 펌프를 제어하여 로심관으로 재공급되는 반응가스의 온도를 10℃ ~ 300℃가 되도록 한다.
본 발명의 실시 상태의 예에 따른, 반응가스 회수장치를 구비한 초고순도 석영 분말 제조장치는 유해물질을 줄일 수 있고, 반응가스의 사용량을 줄여 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 상태의 예에 따른, 반응가스 회수장치를 구비한 초고순도 석영 분말 제조장치는 석영 분말의 오염을 없앨 수 있고, 석영 분말의 생산성을 높일 수 있으며, 석영 분말의 생산비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 상태의 예에 따른 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치의 구성도를 간략하게 나타낸 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 상태의 예들을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성요소 중 종래기술에 의하여 통상의 기술자가 명확하게 파악할 수 있고 용이하게 재현할 수 있는 것에 관하여는 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위하여 그 구체적인 설명을 생략하도록 한다.
초고순도 석영 분말을 제조하기 위해서는 열화학 처리 로(로심관)에서 석영 원료와 반응시키기 위한 반응가스(염소 혹은 염산 계의 할로겐 계열 가스)가 필요하다. 상기 반응가스는 유해하고 비싸다.
열화학 처리 공정에서는, 반응가스와 함께 질소(N2) 가스가 캐리어(carrier)로 활용되어 열화학 처리 로에 주입된다. 이때, 상대적으로 가스 분압이 높은 질소를 이용하여 반응가스를 운반하기 위해서는 반응가스 또한 일정 압력 이상이 될 필요가 있다. 이 과정에서 반응가스와 질소의 상대적인 압력비가 결정되며, 이 압력비는 일반적으로 1/2 ~ 1/20 범위에 해당한다. 그에 따라 반응가스의 사용량이 결정되며, 이것이 반응가스가 처리하고자 하는 금속 불순물의 당량비를 과도하게 넘어서는 이유가 된다.
석영 분말에서 금속 불순물을 제거하기 위해서는 열화학 처리 공정이 장시간 수행되어야 한다. 열화학 처리 공정은 대체로 2시간 ~ 6시간 동안 수행되며, 그 시간 동안 열화학 처리 로에 반응가스가 주입되어야 하므로, 반응가스의 사용량은 증가하게 된다.
초고순도의 석영 분말을 제조함에 있어, 종래의 초고순도 석영 분말 제조장치는 반응가스 회수장치를 구비하지 않거나, 구비하더라도 별도의 냉각장치를 구비하지 않아서, 반응가스의 사용량 증가로 인한 제조비용이 많이 증가되고 있는 실정이다.
반응가스는 상온에서 쉽게 온도를 빼앗기기 때문에, 반응가스는 별도의 냉각 장치가 구비되지 않더라도 온도가 쉽게 내려간다. 하지만 반응가스를 냉각시키는 과정에서 반응가스를 대기압에 노출시킬 수 없기 때문에, 반응가스와 반응하지 않으며, 장시간 사용해도 부식 등의 오염이 발생하지 않는 반응가스 회수장치가 필요하다.
이러한 점에 착안하여 본 발명의 초고순도 석영 분말 제조장치는 반응가스 회수장치를 구비하며, 상기 반응가스 회수장치는 반응가스를 자연 냉각시키며, 반응가스와 반응하지 않고, 장시간 사용해도 부식 등의 오염이 발생하지 않는 것을 특징으로 한다.
이하에서는, 본 발명의 실시 상태의 예에 따른 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치에 대하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시 상태의 예에 따른 반응가스 회수 장치를 포함하는 초고순도 석영 분말 제조 장치의 구성도를 간략하게 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 상태의 예에 따른 반응가스 회수장치를 포함하는 초고순도 석영 분말 제조 장치는 하우징(10), 로심관(20), 가열장치(30), 덕트(duct)(40), 집진기(50), 반응가스 회수장치(60) 및 반응가스 저장부(70)를 포함한다.
하우징(10)은 본 발명의 초고순도 석영 분말 제조장치의 외관을 형성한다.
하우징(10)의 내부에는 로심관(20) 및 가열장치(30) 등이 배치된다.
하우징(10)은 상부 격실(11)과 하부 격실(12)을 포함한다. 상기 상부 격실(11)과 상기 하부 격실(12)은 하우징(10)의 내부 공간이며, 내부 격벽(13)에 의해 구획된다.
구체적으로, 하우징(10)의 내부는 상부와 하부를 분리시키는 내부 격벽(13)이 형성된다. 내부 격벽(13)의 상부는 미리 설정된 체적의 내부 공간인 상부 격실(11)이 형성되고, 내부 격벽(13)의 하부는 미리 설정된 체적의 내부 공간인 하부 격실(12)이 형성된다.
하우징(10)의 상부면(14)과 내부 격벽(13)에는 각각 관통공이 형성된다.
로심관(20)은 미리 설정된 직경과 길이를 갖는 원통형으로 형성된다.
로심관(20)은 고온 열화학 처리 로이다.
로심관(20)은 석영 분말을 고온에서 가열한다.
로심관(20)에는 반응가스(할로겐 계열 가스, 주로 염소(Cl)와 염산(HCl) 가스)가 주입되며, 석영 분말과 반응가스는 600℃ ~ 1400℃의 고온에서 장시간 가열되고, Li, Na, Ca, K를 열화물의 형태로 반응시켜 제거하게 된다.
로심관(20)은 길이 방향으로 수직되게 배치된다. 구체적으로, 로심관(20)은 원통의 길이방향이 수직되게 배치된다.
로심관(20)은 하우징(10)의 상부 격실(11)에 배치된다.
구체적으로, 로심관(20)의 일측(상단부측)(21)은 하우징(10)의 상부면(14)에 형성된 관통공을 관통하여 하우징(10)의 외부에 배치되고, 로심관(20)의 타측(하단부측)(22)은 하우징(10)의 내부 격벽(13)에 형성된 관통공을 관통하여 하부 격실(12)에 배치된다.
로심관(20)은 상단부와 하단부 각각이 개구된 상단 개구부(23)와 하단 개구부(미도시)를 구비한다.
상기 상단 개구부(23)는 하우징(10)의 외부에 노출되고, 상기 하단 개구부는 하우징(10)의 하부 격실(12)에 위치한다.
로심관(20) 내부의 반응가스(염소 가스 및 질소 가스)는 열화학 공정 이후에 덕트(40) 및/또는 반응가스 회수장치(60)로 이동한다.
로심관(20)은 석영 원료를 수용한다. 상기 석영 원료는 흔히 파우더(powder)로 명명된다.
석영 원료는 로심관(20)의 일측(상단부측)(21)에 형성된 파우더 주입구(24)로 유입된다. 상기 파우더 주입구(24)는 상단 개구부(23)와 미리 설정된 거리로 이격되어 배치된다.
반응가스와 질소가스는 로심관(20)의 타측(하단부측)(22)에 연결된 가스 공급 라인(71)을 통해 로심관(20)의 내부로 유입된다. 열화학 처리 공정은 초기에는 반응가스의 안정적인 공급이 필요하기 때문에, 로심관(20)의 하단부측(22)으로 반응가스와 질소가스가 주입된다.
로심관(20)에서의 열화학 반응이 완료된 이후에 최종 생산된 로심관(20) 내부의 초고순도 석영 분말은 하단 개구부(미도시)를 통해 로심관(20)의 외부로 배출된다.
가열장치(30)는 하우징(10)의 내부에 배치된다. 구체적으로 가열장치(30)는 하우징(10)의 상부 격실(11)에 배치된다.
가열장치(30)는 로심관(20)의 외주면을 감싸며, 로심관(20)을 가열하여 로심관(20)의 내부의 온도를 높인다.
가열장치(30)는 일종의 비금속 발열체(예를 들어, SiC heater)일 수 있다.
하우징(10)의 내부에는 단열재(미도시)가 더 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 단열재는 하우징(10)의 상부 격실(11)의 내면에 설치될 수 있다.
단열재는 로심관(20)과 가열장치(30)를 감싸도록 설치되며, 가열장치(30)에서 발생한 열이 상부 격실(11)의 외부로 빠져나가지 않도록 하여 상부 격실(11)에서의 열손실을 줄인다.
덕트(40)는 하우징(10) 및 로심관(20)의 상부에 배치된다.
덕트(40)는 로심관(20) 또는 반응가스 회수장치(60)에서 유출될 수 있는 반응가스 또는 열을 배출시키는 통로이다.
덕트(40)의 일단부는 개구된다. 또한, 덕트(40)의 일단부는 후술하는 제1 회수 라인(631)의 일단부(6311)의 둘레를 따라 감싸도록 형성되며, 제1 회수 라인(631)의 일단부(6311)와 반경 방향으로 미리 설정된 거리만큼 이격(공간(SO)이 형성됨)되어 배치된다.
다시 말하면, 덕트(40)의 일단부와 제1 회수 라인(631)의 일단부(6311) 사이에는 반경 방향으로 미리 설정된 거리로 이격된 공간(SO)이 형성된다. 이로 인하여, 로심관(20)의 내부로부터 상단 개구부(23)를 통과한 반응가스는 상기 공간(SO)으로 유출될 수 있고, 상기 공간(SO)을 통하여 덕트(40)의 내부 및 후술하는 집진기(20)로 이동할 수 있다. 덕트(40)와 집진기(50)는 반응가스의 외부 누출을 방지한다.
반응가스가 회수되는 과정에서 일부 반응가스는 상기 공간(SO)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 일부 유출된 반응가스로 인하여 열화학 공정 중 부족한 반응가스는 반응가스 저장부(70)에서 가스 공급 라인(71)을 통해 로심관(20)으로 보충된다. 이에 따라, 반응가스의 농도가 희석되는 것은 방지된다.
덕트(40)의 타단부는 집진기(scrubber)(50)와 연결될 수 있다.
집진기(50)는 반응가스 속에 부유하고 있는 고체나 액체의 미립자, 반응가스의 유해물질 등을 포집하고 제거하는 장치이다.
반응가스 회수장치(60)는 로심관(20)의 내부로부터 외부로 이동한 반응가스를 회수하고 냉각하여 다시 로심관(20)으로 공급하는 장치이다.
반응가스 회수장치(60)를 통해 로심관(20)으로 재공급되는 반응가스의 온도는 구체적으로 10℃ ~ 300℃이다.
반응가스는 염소(Cl2) 가스 및 질소(N2) 가스이다.
질소 가스는 염소 가스를 운반하는 일종의 운반 가스(carrier gas)이며, 염소 가스는 로심관(20)에서 석영 원료와 반응하여 불순물을 제거하는 반응가스이다. 염소 가스는 유해하고 고가이기 때문에 회수될 필요가 있다.
반응가스 회수장치(60)는 염소 가스와 질소 가스를 구분하지 않고 회수한다.
반응가스 회수장치(60)는 복수 개의 냉각실(61), 온도 제어부(64), 가스 회수 라인(63), 펌프(pump)(62)를 포함한다.
복수 개의 상기 냉각실(61)은 회수된 반응가스를 냉각시킨다.
냉각실(61)은 외부에 노출된다. 회수된 반응가스는 냉각실(61)의 외부의 공기에 의해 냉각될 수 있다.
복수 개의 냉각실(61)은 제1 냉각실(611), 제2 냉각실(612) 및 제3 냉각실(613)을 포함한다.
본 발명의 실시 상태의 예에 따라, 냉각실(61)은 별도의 냉각장치 없이 대기압에 그 외부가 노출된 구조이며, 반응가스는 냉각실(61)과 접촉하여 냉각된다. 석영 유리와 반응가스의 열용량 차이가 크기 때문에 장시간 사용해도 온도 상승폭은 크지 않으나, 일부 반응가스가 냉각실(61)과 접촉하여 냉각되기 전에 펌프(62)와 접촉하는 것을 피하기 위해 최소 3개 이상의 냉각실(61)이 필요하다.
제1 냉각실(611), 제2 냉각실(612) 및 제3 냉각실(613)은 가스 회수 라인(63)을 통하여 차례로 연결된다.
회수된 반응가스는 제1 냉각실(611) 내지 제3 냉각실(613)을 통과하면서 로심관(20)에 유입될 수 있는 미리 설정된 온도에 이른다.
냉각실(61)은 특정한 형상으로 한정되지 않으며, 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
냉각실(61)은 회수된 반응가스가 머무를 수 있는 내부 공간을 가지며, 반응가스의 흐름을 제한하기 위한 복수 개의 돌출부가 내면으로부터 돌출되어 형성될 수 있다.
냉각실(61)은 석영 재질로 형성될 수 있다. 석영 재질은 열에 강하고, 반응가스가 침투되는 것을 억제한다.
냉각실(61)은 냉각핀(미도시), 냉매를 이용하여 반응가스를 냉각시킬 수 있는 각종 냉각장치(미도시) 또는 온도 제어부(64)를 더 포함할 수 있다.
냉각실(61)은 반응가스의 온도를 제어할 수 있는 온도 제어부(64)와 연결될 수 있다.
온도 제어부(64)는 회수된 반응가스가 다시 로심관(20)에 유입되는 데 적합한 온도(미리 설정된 온도)가 되도록 반응가스의 온도 및/또는 펌프(62)의 성능(예를 들어, 회전수)을 제어할 수 있다.
온도 제어부(64)는 후술하는 펌프(62)와 전기적으로 연결되어, 냉각실(61)에서의 반응가스의 온도가 미리 설정된 온도보다 높은 경우에 반응가스가 냉각실(61)에서 더 오래 머무르도록 펌프(62)의 구동을 멈추거나 또는 펌프(62)의 성능(예를 들어, 회전수)을 낮출 수 있다.
다시 말하면, 온도 제어부는 냉각실(61)에서의 반응가스의 온도가 로심관(20)에 유입되는데 적합한 온도(미리 설정된 온도)에 다다른 경우에 반응가스가 로심관(20)으로 유입되도록 펌프(62)의 구동을 온/오프(on/off)하거나 또는 펌프(62)의 성능(예를 들어, 회전수)을 제어할 수(높이거나 또는 낮출 수) 있다.
온도 제어부(64)는 펌프(62)를 제어하여 로심관(20)으로 재공급되는 반응가스의 온도를 10℃ ~ 300℃가 되도록 한다.
상기 가스 회수 라인(63)은 회수된 반응가스가 이동할 수 있는 관(pipe)이며, 석영 재질 또는 스테인리스 스틸(Stainless Steel) 재질로 형성될 수 있다.
상기 가스 회수 라인(63)은 제1 회수 라인(631), 제2 회수 라인(632), 제3 회수 라인(633), 제4 회수 라인(634) 및 제5 회수 라인(635)을 포함한다.
상기 제1 회수 라인(631)은 로심관(20)과 제1 냉각실(611)을 연결한다.
로심관(20)의 내부로부터 상단 개구부(23)를 통과한 반응가스는 상기 제1 회수 라인(631)을 통하여 제1 냉각실(611)로 이동할 수 있다.
제1 회수 라인(631)의 일단부(6311)는 개구되고, 덕트(40)의 내부에 배치된다. 또한, 제1 회수 라인(631)의 일단부(6311)는 로심관(20)의 상단 개구부(23)의 둘레를 따라 감싸도록 형성되며, 상단 개구부(23)와 반경 방향으로 미리 설정된 거리만큼 이격(공간(SP)이 형성됨)되어 배치된다.
다시 말하면, 제1 회수 라인(631)의 일단부(6311)와 로심관(20)의 상단 개구부(23) 사이에는 반경 방향으로 미리 설정된 거리로 이격된 공간(SP)이 형성된다. 이로 인하여, 로심관(20)의 내부로부터 상단 개구부(23)를 통과한 반응가스는 상기 공간(SP)을 통하여 덕트(40)의 내부로 이동할 수 있게 된다.
제1 회수 라인(631)의 일단부(6311)는 로심관(20)의 상단 개구부(23)와 직결되어 있지 않고, 상기 공간(SP) 만큼 일부가 열려 있는 구조이다. 밀폐 구조는 열화학 처리 과정에서 지나친 흡인 압력을 형성하며, 이는 석영관을 파손시키고 반응에 필요한 시간을 지나치게 단축시키는 문제를 발생시킨다. 이러한 문제점을 해소하기 위해, 일부가 열려 있는 구조가 본 발명에 적용되었다.
제1 회수 라인(631)은 덕트(40)의 측벽을 관통하여 덕트(40)의 외부로 이어진다.
제1 회수 라인(631)의 타단부(6312)는 제1 냉각실(611)의 상부와 연결된다. 제1 냉각실(611)의 상부에 존재하는 고온의 반응가스는 상부에 머무르다가 냉각되면 하부로 이동하고, 하부에 존재하는 저온의 반응가스는 제1 냉각실(611)의 하부와 연결된 제2 회수 라인(632)을 통하여 제2 냉각실(612)로 이동하게 된다.
상기 제2 회수 라인(632)은 제1 냉각실(611)과 제2 냉각실(612)을 연결한다. 반응가스는 제2 회수 라인(632)을 통하여 제1 냉각실(611)로부터 제2 냉각실(612)로 이동할 수 있다.
제2 회수 라인(632)의 일단부(6321)는 제1 냉각실(611)의 하부와 연결되고, 제2 회수 라인(632)의 타단부(6322)는 제2 냉각실(612)의 하부와 연결된다.
제2 냉각실(612)의 하부에 존재하는 반응가스는 하부에 머무르다가 펌프(62)의 구동에 의해 상부로 이동하게 되고, 상부에 존재하는 반응가스는 제2 냉각실(612)의 상부와 연결된 제3 회수 라인(633)을 통하여 제3 냉각실(613)로 이동하게 된다. 펌프(62)가 구동하지 않으면, 반응가스는 제2 냉각실(612)에 머무를 수 있으며, 머무르는 동안 계속 냉각될 수 있다.
상기 제3 회수 라인(633)은 제2 냉각실(612)과 제3 냉각실(613)을 연결한다. 반응가스는 제3 회수 라인(633)을 통하여 제2 냉각실(612)로부터 제3 냉각실(613)로 이동할 수 있다.
제3 회수 라인(633)의 일단부(6331)는 제2 냉각실(612)의 상부와 연결되고, 제3 회수 라인(633)의 타단부(6332)는 제3 냉각실(613)의 상부와 연결된다.
제3 냉각실(613)의 상부에 존재하는 반응가스는 상부에 머무르다가 냉각되면 하부로 이동하고, 하부에 존재하는 반응가스는 제3 냉각실(613)의 하부와 연결된 제4 회수 라인(634)을 통하여 펌프(62)로 이동하게 된다.
상기 제4 회수 라인(634)은 제3 냉각실(613)과 펌프(62)를 연결한다. 반응가스는 제4 회수 라인(634)을 통하여 제3 냉각실(613)로부터 펌프(62)로 이동할 수 있다.
제4 회수 라인(634)의 일단부(6341)는 제3 냉각실(613)의 하부와 연결되고, 제4 회수 라인(634)의 타단부(6342)는 펌프(62)의 일측과 연결된다.
상기 제5 회수 라인(635)은 펌프(62)와 로심관(20)을 연결한다. 제5 회수 라인(635)은 하우징(10)의 측벽을 관통하여 하우징(10)의 하부 격실(12)로 이어진다.
반응가스는 제5 회수 라인(635)을 통하여 펌프(62)로부터 로심관(20)의 내부로 이동할 수 있다.
제5 회수 라인(635)의 일단부(6351)는 펌프(62)의 다른 일측과 연결되고, 제5 회수 라인(635)의 타단부(6352)는 로심관(20)의 타측(하단부측)(22)과 연결된다.
상기 펌프(62)는 반응가스를 이동시키는 기계장치이다.
펌프(62)는 전원(미도시)과 전기적으로 연결되며, 전원에서 전기가 공급되면 구동한다.
펌프(62)가 구동하면, 반응가스는 가스 회수 라인(63) 및 냉각실(61)에서 이동한다. 그리고, 펌프(62)가 구동하지 않으면, 반응가스는 가스 회수 라인(63) 및 냉각실(61)에서 이동하지 않는다.
냉각실(61)을 통해 반응가스는 냉각되고, 펌프(62)의 구동에 의해 반응가스는 순환하게 된다. 펌프(62)의 구동으로 회수된 반응가스는 다시 로심관(20)으로 유입된다. 이 방식의 장점은 질소를 운반 가스로 사용하지 않아도 공기가 흡입되므로 운반 가스의 사용량을 대폭 줄일 수 있다는 것이다.
또한, 펌프(62)는 온도 제어부(64)와 전기적으로 연결된다.
펌프(62)의 구동 및 성능(예를 들어, 회전수)은 온도 제어부(64)에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 실시 상태의 예에 따라, 펌프(62)는 진공 펌프일 수 있다. 상기 진공 펌프(62)는 복수 개의 냉각실(61) 중 진공 펌프(62)와 직접적으로 연결된 냉각실(구체적으로, 제3 냉각실(613))의 진공도를 0.01Pa ~ 10Pa이 되도록 구동될 수 있다.
펌프(62)로 블로워(blower)(기류를 불어 내는 장치)가 아닌 진공 펌프가 사용되는 이유는, 진공 펌프는 내산성이 높은 PTFE 혹은 테프론 계열의 불소 수지를 사용한 장치를 사용할 수 있기 때문이다. 반면에, 블로워 방식은 가스 유출 방지를 위한 밀폐 구조 형성이 어렵고, 내산성의 확보도 어려운 단점이 있다.
한편, 반응가스 저장부(70)는 반응가스를 저장하는 저장 탱크(storage tank)이다. 여기서, 반응가스는 염소(Cl2) 가스 및 질소(N2) 가스이다. 질소 가스는 염소 가스를 운반하는 일종의 운반 가스이며, 염소 가스는 로심관(20)에서 석영 원료와 반응하여 불순물을 제거하는 반응가스이다.
반응가스 저장부(70)에 저장된 반응가스는 가스 공급 라인(71)을 통해 로심관(20)으로 유입된다.
상기 가스 공급 라인(71)은 반응가스가 이동할 수 있는 관(pipe)이며, 석영 재질 또는 스테인리스 스틸 재질로 형성될 수 있다.
가스 공급 라인(71)은 반응가스 저장부(70)와 로심관(20)을 연결한다. 가스 공급 라인(71)은 하우징(10)의 측벽을 관통하여 하우징(10)의 하부 격실(12)로 이어진다.
반응가스는 가스 공급 라인(71)을 통하여 반응가스 저장부(70)로부터 로심관(20)의 내부로 이동할 수 있다.
가스 공급 라인(71)의 일단부(711)는 반응가스 저장부(70)와 연결되고, 가스 공급 라인(71)의 타단부(6342)는 로심관(20)의 타측(하단부측)(22)과 연결된다.
도시되지는 않았지만, 가스 공급 라인(71)에는 커넥터(connector) 및 질량 유량 조절장치(Mass Flow Controller, MFC)가 배치될 수 있다.
커넥터는 질량 유량 조절장치와 가스 공급 라인(71)을 연결하는 일종의 부품이다.
질량 유량 조절장치(MFC)는 가스 공급 라인에 배치되며, 로심관(20)으로 유입되는 반응가스의 유량을 조절하거나 일정하게 유지시킨다.
반응가스 회수장치(60)가 작동함에도 불구하고, 반응가스의 일부는 덕트(40)의 내부로 유입되거나 또는 석영 분말 제조장치의 외부로 유출될 수 있다. 이에 따라, 일부 유출된 반응가스 및 열화학 공정 중 부족한 반응가스는 반응가스 저장부(70)에서 가스 공급 라인(71)을 통해 로심관(20)으로 보충된다.
본 발명의 실시 상태의 예에 따른 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치는, 반응가스 회수장치를 통해 반응가스(염소 가스)를 반복하여 사용한 결과(회수하여 재사용한 결과) 반응가스의 사용량을 1/10까지 경감하였다(아래 표 1 참조).
또한, 반응가스 회수 장치를 구비한 본 발명의 초고순도 석영 분말 제조장치는, 반응가스 회수장치가 구비되지 않은 종래의 초고순도 석영 분말 제조장치와 비교하여 금속 불순물의 저감 능력이 거의 동일하였다(아래 표 1 참조).
본 발명의 실시 상태의 예에 따른 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치는 다음과 같은 특징을 가진다.
질량 유량 조절장치(MFC)를 통해 반응가스인 염소 가스는 0.1-10L/min으로 공급될 수 있고, 질소 가스는 0.2-40L/min으로 공급될 수 있다.
로심관(20)으로 공급되는 반응가스는 압력이 0.5-50psi일 수 있다.
로심관(20) 내에서 석영 원료와 반응가스는 500-1200도 온도 범위에서 1-12시간 반응될 수 있다.
로심관(20)에서의 열화학 반응이 완료된 이후에 최종 생산된 초고순도 석영 분말은 아래 표 1과 같은 불순물 함량을 나타낸다.
이렇듯, 본 발명의 실시 상태의 예에 따른 반응가스 회수장치를 구비한 초고순도 석영 분말 제조장치는, 반응가스(염소 가스)를 회수하여 재공급함으로써 유해물질을 줄일 수 있고, 반응가스의 사용량을 줄여 제조비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 상태의 예에 따른 반응가스 회수장치를 구비한 초고순도 석영 분말 제조장치는, 석영 분말의 오염을 없앨 수 있고, 석영 분말의 생산성을 높일 수 있으며, 석영 분말의 생산비용을 줄일 수 있다.
이상에서 실시 상태들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 상태에 포함되며, 반드시 하나의 실시 상태에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 상태에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 상태들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 상태들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시 상태를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 상태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 즉, 실시 상태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 하우징
11: 상부 격실
12: 하부 격실
13: 내부 격벽
14: 하우징의 상부면
20: 로심관
21: 로심관의 일측(상단부측)
22: 로심관의 타측(하단부측)
23: 로심관의 상단 개구부
24: 파우더 주입구
30: 가열장치
40: 덕트
50: 집진기
60: 반응가스 회수장치
61: 냉각실
611: 제1 냉각실
612: 제2 냉각실
613: 제3 냉각실
62: 펌프
63: 가스 회수 라인
631: 제1 회수 라인
632: 제2 회수 라인
633: 제3 회수 라인
634: 제4 회수 라인
635: 제5 회수 라인
64: 온도 제어부
70: 반응가스 저장부
71: 가스 공급 라인

Claims (8)

  1. 하우징;
    상기 하우징의 내부에 배치되는 로심관; 및
    상기 로심관으로부터 배출되는 반응가스를 회수하고 냉각하여 다시 로심관으로 공급하는 반응가스 회수장치를 포함하는, 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응가스 회수장치를 통해 상기 로심관으로 재공급되는 반응가스의 온도는 10℃ ~ 300℃인, 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응가스 회수장치는, 회수된 반응가스를 냉각시키는 복수 개의 냉각실과, 상기 로심관과 상기 복수 개의 냉각실을 서로 연결하는 가스 회수 라인과, 상기 가스 회수 라인과 연결되는 펌프를 포함하는, 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수 개의 냉각실은 상기 가스 회수 라인을 통하여 차례로 연결되는 제1 냉각실과 제2 냉각실과 제3 냉각실을 포함하는, 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가스 회수 라인은, 상기 로심관의 일측과 상기 제1 냉각실을 연결하는 제1 회수 라인과, 상기 제1 냉각실과 상기 제2 냉각실을 연결하는 제2 회수 라인과, 상기 제2 냉각실과 상기 제3 냉각실을 연결하는 제3 회수 라인과, 상기 제3 냉각실과 상기 펌프를 연결하는 제4 회수 라인과, 상기 펌프와 상기 로심관의 타측을 연결하는 제5 회수 라인을 포함하는, 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 펌프는 진공 펌프이고, 상기 복수 개의 냉각실 중 상기 펌프와 직접적으로 연결된 냉각실의 진공도를 0.01Pa ~ 10Pa이 되도록 구동하는, 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 반응가스 회수장치는 반응가스의 온도 또는 상기 펌프를 제어하는 온도 제어부를 더 포함하는, 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 온도 제어부는 상기 펌프를 제어하여 상기 로심관으로 재공급되는 반응가스의 온도를 10℃ ~ 300℃가 되도록 하는, 반응가스 회수장치를 구비하는 초고순도 석영 분말 제조장치.
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