KR100527284B1 - 불연성 물질을 분해하기 위한 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조가 단순하고 CF₄와 같은 상대적으로 높은 열분해 온도를 가지는 물질조차도 99% 이상의 높은 효율로 열분해할 수 있는 불연성 물질을 분해하기 위한 버너를 제공한다. 이러한 버너는 불연성 물질을 포함하는 가스가 원통형 몸체(2)의 중심축(L) 방향을 따라서 중심 부근에 주입되어질 수 있도록 원통형 몸체(2)의 한쪽 끝에 장착된 불연성 물질을 포함하는 가스를 주입하는 노즐(40), 및 원통형 몸체(2)의 중심축(L)과 동축인 원형의 라인상에 그리고 상기 라인을 따라 위치하는 방식으로 배치되는 산화제 및 연료를 내뿜는 다수의 노즐을 포함한다. 이러한 내뿜는 노즐(50)은 상기 노즐로부터 배출되는 불꽃(f)이 원통형 몸체(2)의 중심축 상의 대략 같은 지점으로 모여질 수 있는 각도로 기울어져 있다.

Description

불연성 물질을 분해하기 위한 버너{Burner for decomposing nonflammable materials}

본 발명은 불연성 물질을 분해하기 위한 버너에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체를 제조하는 과정에서 방출되는 배출 가스를 포함하는 PFC(perfluorocarbon) 등등을 고효율로 열분해하는 것에 사용하기 적합한 버너에 관한 것이다.

반도체를 제조하는 과정에서 방출되는 배출 가스는 다양한 해로운 가스 성분을 포함하는 것으로 알려져 있다. 그러므로, 배출 가스가 외부의 대기로 방출되기 전에 그러한 해로운 배출 가스를 처리하기 위한 다양한 종류의 배출 가스 분해 장치들이 제안되어져 왔다. 예를 들어, 일본 특허 무심사 공개 제 2001-165422호는 불연성 가스인 C₂F₆과 같은 PFC를 효과적으로 분해하기 위하여 고안된 배출 가스 처리 장치를 묘사하고 있다. 상기 배출 가스 처리 장치는 다수의 연료 가스 연소 노즐이 수직으로 배치된 원통형 몸체에 다단식으로 배열되어져 있으며, 각각의 연료 가스 연소 노즐의 불꽃을 배출하는 방향이 원통형 몸체의 중심축과 직각으로 교차하는 면에 대하여 기울어져 있는 구조로 되어 있다. 이러한 구조 때문에, 배출 가스의 체재 시간이 고온의 이러한 넓은 연소 영역에서 지연될 수 있어서, 불연성 가스의 열분해를 촉진시키고 불연성 물질을 포함하는 가스를 제거하게 된다.

더 나아가, 일본 특허 무심사 공개 제 2001-280629호는 연소 타입 배출 가스 처리 장치를 묘사하고 있다. 상기 장치는 외부 실린더 및 내부 실린더로 구성된 연소 실린더; 배출 가스 통로와, 상기 배출 가스 통로 주변 및 동축상에 배열되고 상기 내부 실린더의 밑부분에 배열된 연료 가스 공급 통로를 구비한 배출 가스 연소 노즐; 및 내부 실린더 안으로 대기압보다 더 높은 압력으로 가압된 연소를 지탱하는 가스를 공급하기 위한 수단을 포함한다. 이러한 장치에 따라, 불꽃은 배출 가스 통로를 에워쌀 만큼 발생되고, 대기압보다 더 높은 압력으로 가압된 연소를 지탱하는 가스는 상기 불꽃안으로 내뿜어져서 배출 가스내의 불연성 PFC와 같은 불연성의 해로운 성분들이 쉽게 열분해된다.

본 발명자들은 반도체 제조 과정에서 방출된 배출 가스와 같은 불연성의 물질을 포함하는 배출 가스를 효과적으로 분해하기 위하여 반복하여 실험과 연구를 수행함으로써 종래에 제안되었던 상기에서 언급한 모든 처리 장치가 다소 구조가 복잡하고, 불가피하게 크기가 커져서 제조 산업 분야에서 유용한 주위 공간이 한정된다는 관점에서 처리 장치의 소형화가 필요하다는 점을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 반복 실험과 연구를 통해서 비록 이러한 종래의 처리 장치들이 상대적으로 낮은 온도에서 열분해될 수 있는 C₂F₆과 같은 물질에 대해서는 높은 처리 효율을 보이지만, 상대적으로 높은 열분해 온도를 가지는 CF₄ 또는 SF₆에 대해서는 반드시 높은 처리 효율을 얻을 수 있는 것은 아니라는 점을 발견하였다.

본 발명은 상기에서 언급한 문제점들을 극복하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 구조가 간단하고 CF₄ 또는 SF₆과 같은 상대적으로 높은 열분해 온도를 가지는 물질도 99% 이상의 고효율로 열분해할 수 있는 불연성 물질을 분해하기 위한 버너를 제공하는 것이다.

상기에서 언급된 문제점들을 극복하기 위한 목적으로, 본 발명은 한쪽 끝에 차단벽(blocking wall)을 가지는 원통형의 몸체;

상기 원통형 몸체의 중심축 주위에 불연성 물질을 포함하는 가스가 주입되도록 상기 차단벽에 단단히 고정된 불연성 물질을 포함하는 가스를 주입하는 노즐; 및

상기 원통형의 몸체의 중심축과 동축인 원형의 선상 및 상기 선을 따라서 위치하는 방식으로 상기 차단벽에 부착되어 있는 산화제 및 연료를 내뿜는 다수의 노즐을 포함하고,

상기 산화제 및 연료를 내뿜는 다수의 노즐은 상기 산화제 및 연료를 내뿜는 노즐로부터 배출된 불꽃을 상기 원통형의 몸체의 중심축과 대략 같은 지점으로 모을 수 있을 만큼의 각도로 기울어져 있는 불연성의 물질을 분해하기 위한 버너를 제공한다.

본 발명에 따른 불연성 물질을 분해하기 위한 버너가 단순히 원통형 몸체, 불연성 물질을 포함하는 가스를 주입하는 노즐, 및 원통형 몸체의 중심축과 동축인 원형의 선상 및 상기 선을 따라서 위치한 산화제 및 연료를 내뿜는 다수의 노즐을 포함하고 있기 때문에, 본 발명 버너는 구조가 매우 단순하고, 전장(overall length)이 상대적으로 짧게 고안되어질 수 있다. 그러므로, 이제 이를테면 반도체를 제조하는 공장의 바닥 아래에 배출 가스 처리 장치를 쉽게 설치할 수 있게 된다.

게다가, 불연성 물질을 포함하는 가스를 주입하는 노즐과 동축에 위치한 산화제 및 연료를 내뿜는 다수의 노즐로부터 방출된 불꽃이 원통형 몸체의 중심축 상의 대략 같은 지점으로 모아질 수 있기 때문에, 고온의 연소 영역이 불꽃이 모아진 영역 주변에 형성될 수 있다. 더욱이, 불연성 물질을 포함하는 가스 또는 이를테면 반도체 제조 장치로부터 방출된 배출 가스는 틀림없이 이러한 고온의 연소 영역을 통해 통과하기 때문에, PFC와 같은 불연성 물질의 열분해 과정이 효과적으로 진행될 수 있다. 본 발명자들에 의해 실시된 실험들에 따라, 분해 온도가 높은 CF₄의 분해가 99% 이상의 분해율로 수행될 수 있으며, 심지어 SF₆에 관하여는 CF₄와 거의 같은 분해율을 얻을 수 있음이 발견되었다. CF₄ 및 SF₆와 비교했을 때 상대적으로 낮은 열분해 온도를 가지는 C₂F₆와 같은 다른 종류의 PFC에 관하여, 높은 열분해율을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 불연성 물질을 분해하기 위한 버너의 경우에, 원통형 몸체의 중심축에 대한 상기 산화제 및 연료를 내뿜는 노즐 각각의 축의 기울기에 대한 최적 각도는 불연성 물질을 포함하는 가스를 주입하는 노즐로부터 배출되는 불연성 물질을 포함하는 가스의 유속(flow rate)이나 속도(velocity), 산화제 및 연료를 내뿜는 노즐로부터 배출된 불꽃의 크기, 산화제 및 연료를 내뿜는 노즐과 불꽃의 끝단 사이의 거리에 따라 변화될 수 있다. 비록 상기에서 언급한 기울기각의 최적값이 주어지는 조건에 따라서 실험적으로 측정될 수 있을지라도, 본 발명자들에 의하여 실시된 실험을 통하여 산화제 및 연료를 내뿜는 노즐 각각의 축은 실제적으로 보이는 지점에서 바람직하게는 원통형 몸체의 중심축에 대하여 15 내지 50도의 각으로 기울어져 있으며, 더욱 바람직하게는 30 내지 45도의 각으로 기울어져 있다. 만약 이러한 기울기각이 50도보다 더 크다면, 불꽃은 차단벽의 뒷면에 너무 가깝게닿게 되고 차단벽을 구성하는 내화 물질을 열적으로 손상시키는 것을 가속화시키는 결과를 초래하게 된다. 반면에, 만약 이러한 기울기각이 15도 보다 작다면, 불꽃은 원통형 몸체의 내부벽에 너무 가깝게 닿아서 역시 원통형을 구성하는 내화 물질을 열적으로 손상시키는 것을 가속화하게 되며, 동시에 불연성 물질을 포함하는 가스의 흐름속으로 불꽃을 충분히 끌고 가는 것이 어렵게 되어 분해율의 저하와 같은 다양한 문제를 야기시킨다.

본 발명에 따른 불연성 물질을 분해하기 위한 버너를 작동시키는 경우에, 불연성 물질을 포함하는 가스를 주입하는 노즐로부터 원통형 몸체 안으로 주입되는 불연성 물질을 포함하는 가스의 속도를 늦추는 것이 바람직하다. 불연성 물질을 포함하는 가스의 속도가 상기와 같이 늦춰졌을 때, 고온의 연소 영역에서의 불연성 물질을 포함하는 가스의 체재 시간이 지연될 것이며, 이에 따라 높은 열분해 효율을 얻는 것이 가능하게 된다. 유속(flow rate)이 일정하게 유지되는 경우에, 가스의 흐름 속도(flow velocity)는 불연성 물질을 포함하는 가스를 주입하는 노즐의 직경에 따라 다양해지며, 따라서, 노즐의 직경을 환경적 관점에서 허용될 수 있을만큼 길게 증가시키는 것이 더욱 바람직하다. 더 나아가, 만약 불연성 물질을 포함하는 가스의 흐름 속도가 증가한다면, 불연성 물질을 포함하는 가스는 불꽃이 옆으로 세게 밀쳐지면서 불꽃을 통과해서 지나가게 만듬으로써 가스의 열분해를 저하시키게 된다. 그러므로, 유속의 최적 값(불연성 물질을 포함하는 가스를 주입하는 노즐의 직경)은 상기에서 언급한 상황들을 고려하여 실험적으로 정해져야 한다.

본 발명에 따른 불연성 물질을 분해하기 위한 버너의 일 실시예는 하기 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1(a) 및 도 1(b)는 불연성 물질을 분해하기 위한 버너(1)의 일 실시예를 나타내고 있다. 상세하게는, 상기 버너(1)는 원통형의 몸체(2)와 상기 원통형 몸체(2)의 한쪽 끝을 막는 차단벽(3)을 포함한다. 이 버너(1)는 그것의 상부 끝에 플랜지(21)를 가지는 외부 덮개(22), 및 두겹의(2-ply) 라미네이트로 형성된 내화성 벽돌과 같은 적절한 내화 물질(23)로 덮여 있는 외부 덮개(22)의 내부 벽을 포함한다. 원통형 몸체(2)의 하부 열린 끝은 적절한 관 모양의 통로에 의하여 본 발명과 같은 종류의 종래 버너와 같은 방식으로 대기와 통해 있다.

차단벽(3)은 그것의 하부 끝에 형성된 플랜지(31)를 가지는 상부 덮개(32), 및 다겹의(multi-layered) 내화 물질(33)로 채워진 상부 덮개(32)의 내부를 포함한다. 차단벽(3)은 그것의 플랜지(31)가 원통형 몸체(2)의 플랜지(21) 위로 포개져서 나사로 고정됨에 따라 밀폐되고 통합되어 원통형 몸체(2)의 상부 끝을 닫는다.

차단벽(3)을 원통형 몸체(2)의 상부에 앉힌 상태에서 불연성 물질을 포함하는 가스를 주입하는 노즐(40)은 차단벽(3)의 부분에 배열됨으로써 불연성 물질을 포함하는 가스가 상기 원통형 몸체(2)의 중심축(L) 주변으로 주입될 수 있게 된다. 더 나아가, 산화제 및 연료를 내뿜는 다수의 노즐(50)은 이들 노즐(50)들이 원통형 몸체(2)의 중심축(L)과 동축인 원형의 라인 상에 그리고 상기 라인을 따라 위치하는 방식으로 차단벽(3)에 붙어 있다. 도면으로 나타낸 실시예에서는, 네 개의 산화제 및 연료를 내뿜는 노즐(50)이 차단벽(3)에 붙어 있다. 그러나, 산화제 및 연료를 내뿜는 노즐(50)이 최소한 세 개 이상이면 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 도면에서 보여지듯이, 산화제 및 연료를 내뿜는 노즐(50) 각각의 축은 미리 정한 각(바람직하게는, 15 내지 50도)으로 기울어져 있어, 상기 노즐로부터 방출되는 모든 불꽃이 상기 원통형 몸체(2)의 중심축(L) 상의 대략 같은 지점으로 모이게 된다.

도면에서 보여주는 실시예에서, 중심 연료 노즐(51)로부터 도시 가스(city gas), 프로판 가스(propane gas), 수소 가스(hydrogen gas) 등등이 주입되고 산화제 노즐(52)로부터 산소 가스(oxygen gas) 또는 대기(air)가 주입되도록, 내뿜는 노즐(50) 각각은 중심 연료 노즐(51), 및 상기 중심 연료 노즐(51)을 둘러싸도록 배열된 산화제 노즐(52)로 구성된다. 분해 작업 중, 배출 가스가 일정한 유속(flow rate)으로 원통형 몸체(2) 안으로 주입될 수 있도록, 상기 배출 가스는 이를테면 반도체 제조 장치로부터 불연성 물질을 포함하는 가스를 주입하는 노즐(40) 안으로 주입된다. 네 개의 내뿜는 노즐(50)로부터 배출된 모든 연소 불꽃 "f"는 원통형 몸체(2)의 중심축(L) 상의 대략 같은 지점으로 모임으로써 모인 지점 주변에 고온의 연소 영역 S를 형성하게 된다. 원통형 몸체(2) 안으로 주입된 배출 가스가 상기 방식으로 형성된 고온의 연소 영역 S를 통해서 통과하는 기간 동안, 불연성 물질의 열분해 과정이 효과적으로 진행된다. 그 후 분해된 배출 가스는 원통형 몸체(2)의 하부 끝 밖으로 흘러가게 된다.

또한, 본 발명의 다른 실험적 예를 설명한다. 우선, 도면 1(a) 및 1(b)에서 보여지듯이 구성된 불연성 물질을 분해하기 위한 버너(1)가 준비되는데 원통형 몸체의 내부 직경은 140mm이다. 그 후, 처리될 CF₄(N₂-희석 가스)를 포함하는 배출 가스가 불연성 물질을 포함하는 가스를 주입하는 노즐(40)을 통해서 원통형 몸체(2) 안으로 주입된다. 이러한 경우에, 처리될 배출 가스의 유속은 80L/min, 연료로서 사용하는 메탄의 유속은 16L/min, 산화제로서 사용하는 산소 가스의 유속은 37L/min이다. 비교의 목적으로, 많은 실험들이 불연성 물질을 포함하는 가스를 주입하는 노즐(40)의 내부 직경을 변화시키고 처리될 가스의 유속을 변화시키는 것을 제외하고 같은 조건 하에서 수행되었다. 특별히, 비교 1에는 불연성 물질을 포함하는 가스를 주입하는 노즐(40)의 내부 직경은 35.7mm로 하였고, 비교 2에는 불연성 물질을 주입하는 노즐(40)의 내부 직경을 12.7mm로 하였다. 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 한편, 처리될 가스가 열분해되지 않는 출구에서 CF₄의 농도는 2000ppm이었다.

표 1에서 보여지듯이, 99% 이상의 높은 CF₄의 분해율을 통하여 본 발명에 따른 불연성 물질을 분해하기 위한 버너의 효능을 알 수 있다. 비록 비교 1의 분해율이 비교 2보다 약간 더 높지만, 이것은 처리될 가스의 흐름 속도가 달라 불꽃의 외형이 변형되었기 때문이다. 더 나아가, 원통형 몸체의 내부 벽 온도가 비교 1에 비교 2에 비하여 대략 100℃ 가량 낮다. 이러한 이유 때문에, 비교 1의 불꽃은 비교 2에 비하여 원통형 몸체의 중심축에 인접한 영역에 더 밀집하여 형성됨으로써, 버너의 구조적 특징에 의존하며, 원통형 몸체의 벽을 구성하는 내화 물질의 열적 악화가 오랜 기간동안 억제될 수 있다.

본 발명에 따라서, 구조가 단순하고 CF₄와 같은 상대적으로 높은 열분해 온도를 가지는 물질조차도 99% 이상의 높은 효율로 열분해할 수 있는 불연성 물질을 분해하기 위한 버너를 제공할 수 있게 된다.

도 1(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 불연성 물질을 분해하기 위한 버너의 평면도이다.

도 1(b)는 도 1(a)의 불연성 물질을 분해하기 위한 버너의 종단면도이다.

Claims (4)

1. 한쪽 끝에 차단벽(blocking wall)을 가지는 원통형의 몸체;

   상기 원통형 몸체의 중심축 주위에 불연성 물질을 포함하는 가스가 주입되도록 상기 차단벽에 단단히 고정된 불연성 물질을 포함하는 가스를 주입하는 노즐; 및

   상기 원통형의 몸체의 중심축과 동축인 원형의 선상 및 상기 선을 따라 위치하는 방식으로 상기 차단벽에 부착되어 있는 산화제 및 연료를 내뿜는 다수의 노즐을 포함하고,

   상기 산화제 및 연료를 내뿜는 다수의 노즐은 상기 산화제 및 연료를 내뿜는 노즐로부터 배출된 불꽃을 상기 원통형의 몸체의 중심축과 대략 같은 지점으로 모을 수 있을 만큼의 각도로 기울어져 있음을 특징으로 하는 불연성의 물질을 분해하기 위한 버너.
2. 제 1항에 있어서, 상기 산화제 및 연료를 내뿜는 노즐 각각의 축은 상기 원통형 몸체의 중심축에 대하여 15 내지 30도의 각도로 기울어져 있음을 특징으로 하는 불연성의 물질을 분해하기 위한 버너.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 불연성 물질을 포함하는 가스는 퍼플루오로카본(perfluorocarbon; PFC)을 포함하는 배출 가스임을 특징으로 하는 불연성의 물질을 분해하기 위한 버너.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 불연성 물질을 포함하는 가스는 반도체를 제조하는 기기로부터 방출되며 CF₄ 또는 SF₆을 포함하는 배출 가스임을 특징으로 하는 불연성의 물질을 분해하기 위한 버너.