KR101038295B1 - 글라이딩 아크 방전을 이용한 과불화 화합물 가스 분해장치 - Google Patents

글라이딩 아크 방전을 이용한 과불화 화합물 가스 분해장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 글라이딩 아크 방전을 이용한 과불화 화합물 가스 분해장치에 관한 것으로, 구체적으로 상부에 배기구가 구비되어 있는 원통형 반응기와; 상기 반응기 내부에 두 개의 칼날 형상으로 장착된 전극부와; 상기 반응기 외부에 설치되며 상기 전극부에 전기를 인가하여 글라이딩 아크를 유도하는 전원과; 상기 반응기 내부의 전극부 사이에 원료가스인 과불화 화합물 가스와 희석가스를 혼합시켜 공급하는 혼합기와; 상기 혼합기로 공급되는 과불화 화합물 가스 저장장치 및 희석가스 저장장치를 포함하는 글라이딩 아크를 이용한 과불화 화합물 가스 분해장치 및 이를 이용한 과불화 화합물 가스 분해 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 과불화 화합물 가스 분해장치에 사용되는 글라이딩 아크는 이온이나 라디칼과 같은 화학 활성종들을 많이 생성하기 때문에 안정하고 분해하기 어려운 과불화 화합물 가스를 효과적으로 분해시킬 수 있다. 또한, 단위시간 당 많은 양의 유체를 처리할 수 있고, 구조가 간단한 장점이 있어 반도체 및 디스플레이 공정에 적용된다면 보다 효율적으로 과불화 화합물 가스를 처리할 수 있다.
PFCs, 글라이딩 아크, 분해, 온실효과

Description

글라이딩 아크 방전을 이용한 과불화 화합물 가스 분해장치{Apparatus for decomposition of PFCs gas using gliding arc discharge}
본 발명은 글라이딩 아크 방전을 이용한 과불화 화합물 가스 분해장치에 관한 것이다.
최근 지구 온난화에 대한 관심과 우려가 높아지고 있다. 이에 따라 지구 복사열의 방출을 막음으로써 지구 온난화 현상을 유발시키는 물질의 발생을 억제하는 기술 및 발생된 물질을 처리하는데 필요한 효율적인 기술의 필요성이 크게 대두되고 있다.
이러한 물질로써 과불화 탄소(perfluoro carbon) 또는 과불화 화합물(perfluoro compound)이라고 불리는 PFCs 가스는 다수의 불소가 포함된 가스로서 CF4, C3F8, C2F6와 같이 탄소를 포함한 경우와 NF3, SF6와 같은 무기성 가스로 구분할 수 있다.
PFCs는 반도체나 LCD 같은 디스플레이 소재 제조공정으로부터 배출가스 중 식각(etching) 및 증착(CVD) 공정에서 차지하는 비중이 크며 높은 안정성 및 지구온난화 지수로 인하여 환경적 문제가 되고 있다. 상기 PFCs는 상대적으로 안전하고 독성은 없으나, 지구상에서 분해되는 시간이 약 1,000∼10,000년 이상 걸리기 때문에 지구에 잔존하는 시간이 상당히 길며, 지구의 복사열의 방출을 막아서 지구 온난화 현상을 일으킨다. 따라서, PFCs에 대한 분해기술을 비롯하여 회수 및 대체 물질 개발에 관한 연구가 필요하다.
현재 PFCs 분해기술은 수소를 이용한 고온소각법이나 촉매 등을 이용하는 열화학적 처리방법이 있다. 그러나 고온소각법은 대량처리하기엔 비용이 많이 들며, 촉매 등을 이용하는 열화학적 처리방법은 기판의 용적에 제한이 따르는 문제가 있다.
이에 본 발명자들은 대량처리가 가능하고, 경제적이며, 효과적으로 난분해성 과불화 화합물 가스를 분해하기 위하여 연구하던 중 글라이딩 아크 방법을 이용한 과불화 화합물 가스 분해장치를 개발하여 과불화 화합물 가스를 높은 유량에서 효율적으로 분해시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 글라이딩 아크 방법을 이용한 과불화 화합물 가스 분해장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 과불화 화합물 가스 분해장치를 이용하여 과불화 화합물 가스를 분해하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원통형 내부공간을 제공하고 그 상부에는 배기구가 구비되어 있는 반응기와; 상기 반응기 내부에 두 개의 칼날 모양으로 장착된 전극부와; 상기 반응기 외부에 설치되며 상기 전극부에 전기를 인가하여 글라이딩 아크를 유도하는 전원과; 상기 반응기 내부에 원료가스인 과불화 화합물 가스와 희석가스를 혼합시켜 공급하는 혼합기와; 상기 혼합기로 공급되는 과불화 화합물 가스 저장장치 및 희석가스 저장장치를 포함하는 글라이딩 아크를 이용한 과불화 화합물 가스 분해장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 과불화 화합물 가스 분해장치를 이용하여 과불화 화합물 가스를 분해하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 과불화 화합물 가스 분해장치는 글라이딩 아크 방전을 이용 하는데, 상기 글라이딩 아크는 평형상태와 비평형상태를 모두 지니고 있기 때문에 저온 플라즈마의 범주에 속하면서도 열플라즈마의 성향을 띠고 있으며, 이온이나 라디칼과 같은 화학 활성종들을 많이 생성하기 때문에 안정하고 분해하기 어려운 과불화 화합물 가스를 효과적으로 분해시킬 수 있다. 또한, 단위시간 당 많은 양의 유체를 처리할 수 있고, 구조가 간단한 장점이 있어 반도체 및 디스플레이 공정에 적용된다면 보다 효율적으로 과불화 화합물 가스를 처리할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 상부에 배기구가 구비되어 있는 원통형 반응기와; 상기 반응기 내부에 두 개의 칼날 형상으로 장착된 전극부와; 상기 반응기 외부에 설치되며 상기 전극부에 전기를 인가하여 글라이딩 아크를 유도하는 전원과; 상기 반응기 내부의 전극부 사이에 원료가스인 과불화 화합물 가스와 희석가스를 혼합시켜 공급하는 혼합기와; 상기 혼합기로 공급되는 과불화 화합물 가스 저장장치 및 희석가스 저장장치를 포함하는 글라이딩 아크를 이용한 과불화 화합물 가스 분해장치를 제공한다.
본 발명에 따른 과불화 화합물 가스 분해장치에 있어서, 상기 반응기에서 과불화 화합물 가스가 분해된 후 배출되는 가스를 정성, 정량 분석하기 위해 배기구 말단에 구비된 분석장치를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 도 1을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 과불화 화합물 가스 분해장치는 소정직경의 원통형 내부공간을 제공하는 반응기(1)와, 상기 반응기 내부에 장착된 전극부(3)와, 상기 전극부에 전기를 인가하여 글라이딩 아크를 유도하는 전원(4)과; 상기 반응기 내부에 원료가스인 과불화 화합물 가스와 희석가스를 혼합시켜 공급하는 혼합기(5)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 반응기(1)는 원통의 형태를 취하며, 내벽면은 일정 직경을 갖는 원통형 내부공간을 제공한다. 상기 내부공간에는 전극부(3)가 수직으로 위치하며, 내벽면의 내주면과 전극부 외주면의 사이공간에 아크 방전에 의한 플라즈마영역이 형성된다.
상기 반응기의 상부에는 배기구(2)가 구비된다. 상기 배기구(2)는 반응기에 공급된 과불화 화합물 가스가 반응기에서 아크 방전에 의하여 분해된 후 배출 가스가 배출되는 통로이다. 상기 배출 가스를 정성, 정량 분석하기 위해 배기구 말단에 FT-IR과 같은 분석장치를 구비할 수 있다.
다음으로, 상기 전극부(3)는 반응기 내부에 수직으로 위치하며, 칼날 모양의 두개의 전극으로 이루어져 있다. 상기 칼날 모양의 전극 사이로 아크 방전이 일어 나게 된다. 이때 효과적인 아크 방전을 위하여 상기 두 전극 사이의 간격은 2~3 mm인 것이 바람직하다. 또한, 상기 전극의 재질은 스테인레스스틸 합금(SUS)인 것이 바람직하다. 이는 상기 SUS가 과불화 화합물 가스가 분해될 때 발생되는 플루오린과 반응하여 FeF3을 형성하여 과불화 화합물의 재결합 억제 및 분해 반응을 촉진시키는 촉매역할을 수행하기 때문이다(도 8 참조).
다음으로, 상기 전원(4)은 전극부에 전기를 인가하여 글라이딩 아크를 유도하는 역할을 한다. 이때 전원은 펄스 AC 전원(pulsed AC power)을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 펄스 AC 전원은 종래 AC 및 DC 방전보다 효율적으로 아크를 발생 및 유지시킬 수 있다.
다음으로, 상기 혼합기(5)는 원료가스인 과불화 화합물 가스와 희석가스를 혼합시켜 반응기 내부로 공급하는 역할을 한다. 이때, 상기 혼합기를 통하여 고순도의 과불화 화합물 가스와 희석가스를 혼합시켜 과불화 화합물의 농도를 다양하게 조절 할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 사용되는 과불화 화합물 가스는 CF4, NF3, SF6 등을 사용할 있으며, 상기 혼합기를 통하여 농도가 조절된 과불화 화합물 가스는 1/8인치 노즐을 통해 반응기로 공급된다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 상기 반응기에 공급되는 과불화 화합물 가스 의 유량은 3~10 L/min로 조절되었다. 만일 상기 과불화 화합물 가스의 유량이 너무 작으면 아크를 밀어 올리지 못하여 플라즈마 영역을 생성하지 못하는 문제가 있고, 상기 과불화 화합물 가스의 유량이 너무 크면 반응기 내 체류시간이 줄어들어 반응이 충분히 일어나지 못하여 분해율이 감소하는 문제가 있다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 과불화 화합물 가스 분해장치를 이용하여 과불화 화합물 가스를 분해하는 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
처리 대상 과불화 화합물 가스를 1/8인치 노즐을 통해 반응기에 도입시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 도입된 과불화 화합물 가스가 두 개의 칼날모양의 전극 사이를 지나면서 상기 전극 사이에서 발생된 아크 방전에 의해 분해되는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 분해된 가스를 배기구를 통해 배출하는 단계(단계 3).
구체적으로, 상기 단계 1은 처리 대상 과불화 화합물 가스를 1/8인치 노즐을 통해 반응기에 도입시키는 단계이다. 상기 단계에서는 혼합기를 통해 과불화 화합물 가스, 예를 들면 CF4, NF3, SF6 등을 희석 가스와 혼합하여 반응기에 도입시키게 되며, 이때 일정량의 도입을 위하여 1/8인치 노즐을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응기에 공급되는 과불화 화합물 가스의 유량은 3~10 L/min로 조절되었다. 만일 상기 과불화 화합물 가스의 유량이 너무 작으면 아크를 밀어 올리지 못하여 플라즈마 영역을 생성하지 못하는 문제가 있고, 상기 과불화 화합물 가스의 유량이 너무 크면 반응기 내 체류시간이 줄어들어 반응이 충분히 일어나지 못하여 분해율이 감소하는 문제가 있다.
상기 단계 2는 단계 1에서 도입된 과불화 화합물 가스를 아크 방전을 통해 분해시키는 단계이다. 상기 단계에서 아크 방전은 반응기 내의 두 개의 칼날 모양의 전극 사이에서 발생되며, 상기 반응기에 도입된 과불화 화합물 가스는 이 전극 사이를 통과하면서 발생된 아크와 반응을 일으켜 플라즈마 영역이 형성되고, 이로 인해 과불화 화합물 가스가 분해된다. 이때, 효과적인 아크 방전을 위하여 상기 두 전극 사이의 간격은 2~3 mm인 것이 바람직하다. 또한, 상기 전극의 재질은 스테인레스스틸 합금(SUS)인 것이 바람직하다. 이는 상기 SUS가 과불화 화합물 가스가 분해될 때 발생되는 플루오린과 반응하여 FeF3을 형성하여 과불화 화합물의 재결합 억제 및 분해 반응을 촉진시키는 촉매역할을 수행하기 때문이다.
다음으로, 단계 3은 상기 단계 2에서 분해된 가스를 배출하는 단계이다. 상기 단계 2에서 분해된 가스는 배기구를 통해 배출된다. 분해 가스를 분해율 측정을 위하여 FT-IR과 같은 분석기를 통과시킬 수 있다.
본 발명에서 사용되는 글라이딩 아크는 특성상 평형상태와 비평형상태를 모두 지니고 있기 때문에 저온 플라즈마의 범주에 속하면서도 열플라즈마의 성향을 띠고 있으며, 이온이나 라디칼과 같은 화학 활성종들을 많이 생성하기 때문에 과불화 화합물 가스와 같은 안정하고 분해하기 어려운 유해가스를 효율적으로 분해시킬 수 있다. 또한, 단위시간 당 많은 양의 유체를 처리할 수 있고, 구조가 간단한 장점이 있어 반도체 및 디스플레이 공정에 적용된다면 보다 효율적으로 과불화 화합물 가스를 처리할 수 있다.
이하, 본 발명을 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
단, 하기 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실험예에 한정되는 것은 아니다.
< 실험예 1> 가스 유량에 따른 과불화 화합물 가스의 분해율 측정
도 1의 과불화 화합물 가스 분해장치에 PFCs가스로서 난 분해가스로 손꼽히는 CF4, NF3 또는 SF6를 사용하여 가스 유량에 따른 분해율을 측정하였다.
(1) 과불화 화합물 가스 분해장치
반응관은 내경 95 mm 길이 300 mm의 파이렉스관을 사용하였다. 반응관의 위와 아래는 베이크라이트 판으로 실링하였다. 반응관 내의 전극은 길이 150 mm, 재질은 SUS-304, 전극의 최대간격이 20 mm인 칼날모양의 전극을 이용하였다. 반응관내 설치된 전극은 최소 근접 간격을 2.5 mm로 하였고 반응 가스는 양전극 사이에 내경이 2 mm인 튜브를 통하여 직접 분사하였다. 이때 튜브와 전극간의 거리는 5 mm로 설치하였다. 플라즈마 발생전원은 초단펄스 전원 발생장치(EN TECHNOLOGIES, IHP-1002)를 이용하여 아크방전을 발생시켰다. 전원 발생장치의 출력 주파수는 40 kHz, On time을 5μsec로 고정시켰다. 실험에서 글라이딩 아크 플라즈마 방전관으로 인가하는 전압은 분해율이 가장 좋은 10 kV로 고정하여 실험하였다. 반응관에 투입되는 가스의 유량은 MFC(mass flow meter, Sierra c100)와 볼-플로우미터(ball-flowmeter)를 사용하여 조절하였다. 반응관 내에서 아크 방전 플라즈마에 의해 분해된 가스는 방전관과 연결된 튜브에 의해 FT-IR로 포집되어 분해후 가스의 분해율을 관찰하였고 분해후 가스내에 남아있는 성분들을 분석하였다.
(2) 분해율 측정
고 순도의 공기와 함께 CF4, NF3 또는 SF6를 각각 볼-플로우미터와 MFC(mass flow controller)를 조절하여 혼합기로 유입한 후 공기와 충분히 혼합된 각각의 가스가 반응기로 흘러가는 유량을 하기 표 1과 같이 각각 조절하여 실시하였다. 분 해된 가스의 분해율을 분석하기 위해 도입된 기체의 농도는 5000 ppm으로 고정하였다. 측정 결과를 도 2~4 및 표 2에 나타내었다.
가스 가스유량(sccm)
CF4 4130 6130 8130 10130
NF3 7050 8060 9065 10060
SF6 7080 8095 9110 10125
CF4 NF3 SF6
가스유량
(sccm)		 분해율
(%)		 가스유량
(sccm)		 분해율
(%)		 가스유량
(sccm)		 분해율
(%)
4130 82.7 7050 98.8 7080 98.9
6130 71.7 8060 96.7 8095 92.7
8130 59.2 9065 84 9110 88.7
10130 54.6 10060 79.6 10125 86.9
도 2는 가스유량에 따른 CF4의 분해율을 나타내며, 도 3은 NF3의 분해율, 도 4는 SF6의 분해율을 나타낸다.
도 2~4 및 표 2에서 나타낸 바와 같이, 가장 안정한 물질인 CF4의 경우 4L/min에서 최대 82% 분해되었으며, NF3, SF6의 경우 7L/min에서 99% 가량 분해되었다. 또한 유량이 증가함에 따라 반응기 내 체류시간이 줄어들어 반응이 충분히 일어나지 못하여 분해율이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
< 실험예 2> 배출 가스 정성분석
실험예 1에서 CF4, NF3 또는 SF6를 분해한 후, 배출 가스를 FT-IR을 통해 정성분석하여 그 결과를 각각 도 5~7에 나타내었다.
도 5~7에 나타낸 바와 같이, 공기를 희석가스로 사용할 경우 배출가스로 NO, NO2 및 HF가 공통적으로 생성되었으며, CF4, SF6의 경우에는 CO2, SO2F2가 각각 부산물로 생성되었다.
< 실험예 3> 반응기 내벽에 증착된 분말 분석
실험예 1에서 과불화 화합물 가스를 분해한 후 반응기 내벽에 증착된 분말을 XRD법으로 분석하여 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 증착된 분말은 FeF3로 밝혀졌으며, 분말의 합성으로 인해 과불화 화합물 가스 분해시 발생되는 플루오린 가스의 양을 상당량 저감시키는 효과를 가져왔고 재결합 반응 또한 억제되기 때문에 철 성분이 반응에 있어서 촉매역할을 했음을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 글라이딩 아크 방전을 이용한 과불화 화합물 가스 분해 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가스 유량에 따른 CF4의 분해율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 유량에 따른 NF3의 분해율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가스 유량에 따른 SF6의 분해율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 CF4의 분해 후 배출가스를 FT-IR을 통해 정성분석한 스펙트럼이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 NF3의 분해 후 배출가스를 FT-IR을 통해 정성분석한 스펙트럼이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 SF6의 분해 후 배출가스를 FT-IR을 통해 정성분석한 스펙트럼이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 반응기 내벽에 증착된 분말을 XRD법으로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
<도면 부호에 대한 간단한 설명>
1: 반응기 2: 배기부
3: 전극부 4: 전원공급장치
5: 혼합기 6: 과불화 화합물(PFCs) 가스 저장장치
7: 희석 가스 저장장치 8: 분석기(FT-IR)

Claims (4)

  1. 상부에 배기구가 구비되어 있는 원통형 반응기와; 상기 반응기 내부에 두 개의 스테인레스스틸 합금(SUS) 재질의 칼날 형상의 전극이 2~3 mm의 간격으로 장착된 전극부와; 상기 반응기 외부에 설치되며 상기 전극부에 전기를 인가하여 글라이딩 아크를 유도하는 펄스 AC 전원과; 상기 반응기 내부의 전극부 사이에 원료가스로 과불화 화합물 가스인 CF4, NF3 또는 SF6 가스와 희석가스를 혼합시켜 공급하는 혼합기와; 상기 혼합기로 3~10 L/min의 속도로 공급되는 과불화 화합물 가스 저장장치 및 희석가스 저장장치를 포함하는 글라이딩 아크를 이용한 과불화 화합물 가스 분해장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응기에서 과불화 화합물 가스가 분해된 후 배출되는 가스를 정성, 정량 분석하기 위해 배기구 말단에 구비된 분석장치를 더 포함하는 글라이딩 아크를 이용한 과불화 화합물 가스 분해장치.
  3. 삭제
  4. 과불화 화합물 가스를 1/8인치 노즐을 통해 반응기에 도입시키는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 도입된 과불화 화합물 가스가 두 개의 칼날모양의 전극 사이를 지나면서 상기 전극 사이에서 발생된 아크 방전에 의해 분해되는 단계(단계 2);
    상기 단계 2에서 분해된 가스를 배기구를 통해 배출하는 단계(단계 3)를 포함하는 제1항의 분해장치를 이용하여 과불화 화합물 가스를 분해하는 방법.
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