KR101538388B1 - 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치 - Google Patents

디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실란에서 디실란뿐만 아니라 트리실란, 테트라실란을 연속 공정으로 제조할 수 있는 반응장치로, 반응장치 내부는 고주파 장치에 연결되어있는 방전 전극봉과, 이를 외부로 둘러싸고 있는 다공성 관재로 내부를 구성하며, 방전 전극봉의 재질, 방전 전극봉 및 다공성 관재의 간격 등을 조절하여, 실란에서 디실란, 트리실란, 테트라실란의 연속 제조가 가능하면서도 높은 수율을 가지는 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치에 관한 것이다.

Description

디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치{Dielectric Barrier Discharge Reactor for making Disilane, Trisilane and Tetrasilane from Silane}
본 발명은 실란에서 디실란, 트리실란, 테트라실란을 연속으로 제조할 수 있도록 한 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 반응장치에 관한 것이다.
일반적으로 디실란을 실란으로부터 만들 수 있는 방법으로는, 열분해 반응이나 촉매 반응 등이 있으나, 이들 공정의 수율이 2~3% 대를 넘기지 못하고 있다.
이는 실란(Silane)에서 진행될 수 있는 수많은 반응들의 열역학 속도가 서로 유사하여 디실란(disilane)으로의 반응을 제어하기 어렵기 때문이며, 실제 디실란의 생성반응은 고분자 반응으로 만들어진 solid formation 반응 및 실란의 분해 반응과 동시에 일어나고 있다.
Silane의 polymerization(중합) 속도 혹은 열분해 속도를 보다 세밀하게 조절할 수 있는 기술로 고주파나 플라즈마를 사용하는 것인데, 플라즈마는 반응 압력이 진공 압력을 요구하므로 안정성(safety) 측면이나 경제성 관점에서 관심의 대상에서 벗어난다.
고주파의 한 영역인 Dielectric Barrier Discharge(DBD, 유전체 장벽 방전)를 이용한 기술로는 US 5478453이 있으나, 이러한 기술의 반응기는 하기와 같은 단점이 있다.
반응기 내 액 레벨의 조절 불가, 쌓여진 디실란 액으로 인한 피드(feed) 라인의 클로깅(Clogging)과 반응기 존(Zone) 영역(area) 감소, 생성된 디실란이 high frequency 하에 계속 노출되어 있어 분해되거나 폴리머 생성 가능성 등이다.
또한, 생성물이 반응기에 갇혀있게 되므로, 부반응 물질인 Hisilane 등이 -120 ~ -145℃에서 얼거나 액의 점도가 증가하므로, 실질적인 연속 공정은 불가능하다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하고 연속적으로 디실란, 트리실란, 테트라실란을 실란으로부터 제조할 수 있는 반응장치의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 실란에서 디실란, 트리실란, 테트라실란을 연속적으로 제조할 수 있는 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 반응장치를 제공하고자 하는 것으로, 내부에 다공성 관재를 설치하여 반응존과 응축존을 구획하고, 방전 전극봉과 방전 하우징 또는 방전 전극봉과 다공성 관재 상호간의 이격 간격 등을 조절하여, 반응효율을 상승시켜 수율이 증가될 수 있도록 하면서도 연속적인 제조공정이 가능할 뿐만 아니라, 디실란 및 트리실란과 테트라실란 제조에도 사용될 수 있는 다용도의 유전체 장벽 방전 반응장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시 예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 내부로 원료가스가 유입되고, 반응가스가 배출되는 방전 하우징(10); 고주파 발생 연결장치와 연결되어, 상기 방전 하우징(10)에 내설되어 방전되는 방전 전극봉(20); 상기 방전 하우징(10) 내에서 방전 전극봉(20)의 외주연에 설치되는 절연부재(30); 상기 방전 하우징(10)의 외주연에 설치되어, 가열되는 방전 하우징(10)의 반응온도를 조절할 수 있도록 하는 냉각수단(40); 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 디실란, 트리실란, 테트라실란을 높은 수율로 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 디실란 및 트리실란과 테트라실란의 연속적인 제조가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 종래의 반응장치에 비해, 간단한 구성을 가지고 있어 제조가 용이함과 동시에, 안정성 및 경제성 측면에서도 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치를 나타낸 첫번째 실시예의 정면 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치를 나타낸 두번째 실시예의 정면 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치를 나타낸 세번째 실시예의 정면 단면도.
본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이러한 본 발명에 따른 실시예를 살펴보면, 첫번째 실시예로, 내부로 실란(SiH4)가스, 헬륨가스, 수소가스 혼합물 중 하나의 원료가스가 유입되고, 내부에서 생성된 반응가스가 배출되는 반응가스 배출구(12)가 형성되어 있는 방전 하우징(10); 고주파 발생 연결장치와 연결되어, 상기 방전 하우징(10)에 내설되어 방전되는 방전 전극봉(20); 상기 방전 하우징(10) 내에서 방전 전극봉(20)의 외주연에 설치되는 절연부재(30); 상기 방전 하우징(10)의 외주연에 설치되어, 가열되는 방전 하우징(10)의 반응온도를 조절할 수 있도록 하는 냉각수단(40); 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 두번째 실시예로, 내부로 실란(SiH4)가스, 헬륨가스, 수소가스 혼합물 중 하나의 원료가스가 유입되고, 내부에서 생성된 반응가스가 배출되는 반응가스 배출구(12)가 형성되어 있는 방전 하우징(10); 고주파 발생 연결장치와 연결되어, 상기 방전 하우징(10)에 내설되어 방전되는 방전 전극봉(20); 상기 방전 하우징(10) 내에서 방전 전극봉(20)의 외주연에 설치되는 절연부재(30); 상기 방전 하우징(10)의 외주연에 설치되어, 가열되는 방전 하우징(10)의 반응온도를 조절할 수 있도록 하는 냉각수단(40); 상기 방전 하우징(10) 내에서 방전 전극봉(20)이 내설되도록 설치되어, 상기 방전 전극봉(20)과 방전 하우징(10) 사이의 공간을 반응존(A)과 응축존(B)으로 구획하여, 생성된 반응가스가 반응존에서 방전에 장기간 노출되지 않고 빨리 다공성 관재(50) 를 통해 빠져나갈 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다
또한, 세번째 실시예로, 내주연에 절연체(14)가 형성되어 있는 방전 하우징(10); 상기 방전 하우징(10)에 내설되어, 내부로 실란(SiH4)가스, 헬륨가스, 수소가스 혼합물 중 하나의 원료가스가 유입되고, 방전 하우징(10)에 형성된 반응가스 배출구(12)를 통해 반응가스가 배출되며, 고주파 발생 연결장치와 연결되어 방전되는 방전 전극봉(20); 상기 방전 전극봉(20) 내주연에 설치되는 절연부재(30); 상기 방전 전극봉(20) 내부로 관통설치되어, 반응가스를 응축시켜 가열되는 방전 하우징(10)의 반응온도를 조절할 수 있도록 하는 냉각수단(40); 상기 방전 전극봉(20) 및 냉각수단(40) 사이에 설치되어, 방전 전극봉(20)과 냉각수단(40) 사이의 공간을 반응존(A)과 응축존(B)으로 구획하는 다공성 관재(50); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방전 전극봉(20)은 절연 부싱(61), 절연 가스켓(62)과 절연부재(30)을 통해 방전 하우징(10)과 절연되는 특징으로 한다.
또한, 상기 방전 하우징(10) 및 방전 전극봉(20)은 전기가 통전되는 금속재질이 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절연부재(30)는 PFA(Perfluoro alkoxy), PTFE(Polytetrafluoroethylene), Glass(유리), Quartz(석영), Ceramic(세라믹), Silicon rubber(실리콘 고무) 중 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방전 전극봉(20)과 다공성 관재(50)는 방전 전극봉(20)과 다공성 관재(50) 사이가 상호간 0.5 내지 3mm의 이격거리를 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반응존(A)과 응축존(B)은 10:1 ~ 1:10의 부피비로 구획되는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디실란(Disilane)과 트리실란(Trisilane)과 테트라실란(Tetrasilane)의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치를 상세히 설명하도록 한다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치는 실란에서 디실란 뿐만 아니라, 트리실란, 테트라실란 등을 연속적으로 제조할 수 있는 것으로서, 방전 하우징(10), 방전 전극봉(20), 절연부재(30), 냉각수단(40), 다공성 관재(50)를 포함한다.
본 발명의 이러한 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치는 세가지의 실시예를 가진다
첫번째 실시예의 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, Dielectric barrier discharge(DBD, 유전체 장벽 방전)를 이용한 기본형의 파이프형으로써, 방전 하우징(10), 방전 전극봉(20), 절연부재(30) 및 냉각수단(미도시)을 포함한다.
상기 방전 하우징(10)은 상, 하단이 개구되고 내부가 비어있는 관체 형상으로, 이러한 상기 방전 하우징(10)의 상단에는 원료가스(예: 실란(SiH4)가스, 헬륨가스, 수소가스 혼합물 등)를 유입하기 위한 원료가스 주입구(11)가 형성되어 있고, 하단에는 방전 하우징(10)에서 생성된 반응가스(예: 디실란, 트리실란, 테트라실란 등)가 배출되는 반응가스 배출구(12)가 형성되어 있다.
상기 방전 전극봉(20)은 금속 파이프 혹은 금속 막대 형태로, 전술된 방전 하우징(10)의 내부에 소정길이 내설되는 것으로서, 상기 방전 전극봉(20)의 상단으로 일정부분 돌출되어, 외부에 설치된 고주파를 발생시키는 고주파 발생 연결장치(미도시)와 연결되어 있도록 한다.
상기 고주파(high frequency) 발생장치는 120V 용으로 반응의 조건에 따라 공진(Resonation)되는 주파수가 결정되며, 본 발명에서는 20 ~ 100kHz, 좋게는 20 ~ 50kHz로 유지되었다.
상기 절연부재(30)는 전술된 방전 전극봉(20)의 외주연에 형성되어 있는 것으로, 튜브형태 등으로 이루어져 방전 전극봉(20)과 일체가 되도록 하는 것이며, 이로써 상기 방전 전극봉(20)은 방전 하우징(10)과 직접적으로 통전되는 것이 방지된다.
상기 냉각수단(미도시)은 전술된 방전 하우징(10)의 외주연에 설치되는 것으로, 다양한 냉각부재(예: 냉매)가 유입 및 배출되는 유입구(41) 및 유출구(42)가 형성되어 있으며, 별도의 가열수단(예: 히터 등 방전 하우징(10)을 가열할 수 있는 다양한 장비)에 의해 가열되는 방전 하우징(10)의 내부온도가, 사용자가 원하는 사전설정된 반응온도가 될 수 있도록, 방전 하우징(10)을 냉각시켜, 반응온도 조절이 가능토록 하는 것이다. 이를 위한 냉각수단은 코일 형태로 방전 하우징(10)의 외주연에 권취되는 냉각코일(cooling coil)이나, 내부가 길이방향으로 비어있어 방전 하우징(10)의 외주연에 씌워지는 냉각자켓(cooling jacket) 형태로 설치될 수 있음이다.
더불어, 이러한 상기 방전 전극봉(20)이 내설되어 있는 방전 하우징(10)의 상, 하단 등에는 방전 전극봉(20)이 중앙을 관통하되 방전 하우징(10) 내에 결합되는 절연 부싱(60)을 통해 방전 전극봉(20)과 방전 하우징(10)은 상호간 완벽하게 절연되도록 하며, 방전 전극봉(20)과 고주파 발생 연결장치(미도시)로 연결된 배관을 제외한 방전 하우징(10)에 연결된 모든 장치들은 접지가 되도록 해야 한다.
상기와 같은 첫번째 실시예의 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치를 사용하면, 실란(Silane)에서 디실란(Disilane)으로의 수율이 조건(원료가스량, 고주파 발생 연결장치의 주파수, 방전 전극봉(20)과 방전 하우징(10) 상호간의 이격거리, 방전 하우징(10) 내부 온도 등)에 따라 35~85% 정도로 나오며 디실란 뿐만 아니라 트리실란(Trisilane)과 테트라실란(Tetrasilane)을 연속적으로 만드는 것이 가능하다.
상기와 같이 구성된 첫번째 실시예의 예시는 하기와 같다.
5/8 인치 350mm 플랜지(63) 타입의 파이프형 방전 하우징(10)과, 1/4 인치 방전 전극봉(20)과, 3/8 인치 PFA 절연부재(30)를 이용하여, 본 발명의 첫번째 실시예의 반응장치(본 발명의 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치)를 조립하고, 방전 전극봉(20)은 고주파 발생 장치에 연결하고, 반응장치 및 관련 장치들은 모두 접지한다.
여기에 0.01L/min의 SiH4 가스와 0.5L/min의 헬륨가스, 0.5L/min의 수소가스를 상온에서 반응장치에 주입하여, 생성되어 나오는 가스(반응가스)를 검출기인 GC-FID(Flame ionization detector)와 GC-Mass(Mass selective detector)를 사용하여 in-situ(실시간)로 매시간 분석 한 결과, 0.3~0.35W/cm3, 35kHz 및 1.5 psig 압력 하에서, 디실란 73% 수율과 6.8% trisilane, 0.1%의 tetra silane의 수율을 얻었다.
두번째 실시예의 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 저온에서 액으로 쌓여진 디실란 등이 더 이상 반응존(A) 내의 고주파에 노출되거나, 반응존(A) 공간(area)을 감소시키는 등 부정적 영향을 주지 않으면서, 효율적으로 방전 하우징(10)을 빠져 나갈 수 있도록 한 다공성 파이프형 장치로 특히 저온의 반응에 유효한 Cryogenic Reaction System(극저온 반응 시스템)용 반응장치이다.
이를 위한 두번째 실시예는 방전 하우징(10), 방전 전극봉(20), 절연부재(30), 냉각수단(40), 다공성 관재(50)를 포함하는 것으로, 방전 하우징(10), 방전 전극봉(20), 절연부재(30), 냉각수단(40)의 구성은 전술된 첫번째 실시예와 유사하다.
상기 방전 하우징(10)은 양단이 개구되고 내부가 비어있으며, 양단에 플랜지(63), 절연 부싱(60, 61)과 절연 가스켓(62)이 설치되어 있으며, 상, 하단 각각에는 원료가스를 유입하기 위한 원료가스 주입구(11)와, 사용된 원료가스를 배출하는 원료가스 배출구(13)와, 방전 하우징(10)에서 생성된 반응가스가 응축되어 액상인 상태로 배출되는 반응가스 배출구(12)가 각각 형성되어 있다.
상기 방전 전극봉(20)은 고주파 발생 연결장치와 전기적으로 연결되어, 전술된 방전 하우징(10)에 내설되어 있되, 외주연에 절연부재(30)가 형성되어 있도록 하며, 상단은 절연 부싱(60)을 관통하여 외부로 일정길이 돌출되고, 방전 하우징(10) 내에 위치한 단부에는 절연 부싱(61)이 설치되어 후술될 다공성 관재(50)가 전극봉과의 일정한 거리를 두고 고정되는 형태가 되도록 한다.
또한, 이러한 방전 하우징(10)의 외주연에는 냉각부재의 유입구(41) 및 유출구(42)가 형성되어, 방전 하우징(10) 내 반응 온도를 조절하는 냉각수단(40)이 설치되어 있다.
상기 다공성 관재(50)는 외주연에 다수의 홀(다공성 관재(50)의 홀 크기는 2~3mm 이고 20~30% 개폐율을 가지고 있다.)이 천공형성되어 있는 관재로써, 전술된 방전 하우징(10)에 내설되되, 이러한 방전 다공성 관재(50) 내에 전술된 방전 전극봉(20)이 위치되도록 한다. 즉, 상기 다공성 관재(50)는 방전 하우징(10)과 방전 전극봉(20) 사이에 위치되어 있는 것으로, 다공성 관재(50) 및 방전 하우징(10) 어느 구성과도 접촉되지 않고 이격된 상태를 유지하는 것이며, 다공성 관재(50)의 내부(다공성 관재(50)와 방전 전극봉(20) 사이)에는 반응존(A)이 형성되고, 다공성 관재(50)의 외부(다공성 관재(50)와 방전 하우징(10) 사이)에는 응축존(B)이 형성되는 것이다. 이때, 반응존(A)과 응축존(B)의 부피 비율은 2:3 정도가 좋다.
이러한 두번째 실시예에서는, 반응온도를 필요에 따라 초저온으로 유지해야 할 경우, 내부에서 생성된 Disilane, Trisilane, Tetrasilane 등이 응축되거나 혹은 응결되어 방전(Electric Discharge)이 되고 있는 반응존(A)에 머물러 영향을 주게 되는데, 이 경우 반응의 효율이 낮아지게 될 뿐 아니라 궁극적으로 반응이 불가하게 된다. 따라서 두번째 실시예에서는 저온 반응에서의 이러한 단점을 보완되는 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 절연부재(30)로 감싸진 방전 전극봉(20) 외부로 다공성 관재(50)가 설치되면 방전은 방전 전극봉(20)과 다공성 관재(50) 사이(반응존(A))에서 일어나게 되고, 생성된 Disilane 가스 등은 반응존(A)(또는 electric discharge Zone(방전존))에서 벗어나 외부의 차가워진 방전 하우징(10) 벽에 응축되어 아래로 낙하하게 된다. 이 경우 생성된 반응가스는 더 이상 방전(Electric discharge)에 노출되지 않으므로, 분해되거나 고분자화 되는 현상을 막을 수 있으며, 반응존(A)이 응축된 반응가스에 의해 변화되지 않으므로 저온에서도 연속적으로 사용이 가능한 것이다.
상기와 같이 구성된 두번째 실시예의 예시는 하기와 같다.
1인치 600mm의 플랜지(63) 타입의 파이프형 방전 하우징(10), 3/4인치 다공성 관재(50), 1/4 인치 방전 전극봉(20), 3/8인치 PFA 절연부재(30)를 이용하여, 두번째 실시예에 따른 반응장치(본 발명의 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치)를 조립하고, 방전 전극봉(20)은 고주파 발생 장치에 연결하고, 반응장치 및 관련 장치들은 접지한다.
여기에 0.01L/min의 SiH4 가스와 0.5L/min의 헬륨가스, 0.5L/min의 수소가스를 -120 ~ -130℃에서 반응장치에 주입하여, 반응하여 나오는 생성가스를 GC-FID와 GC-Mass를 사용하여 in-situ로 매시간 분석 한 결과, 0.45~0.5W/cm3, 35 kHz, 1.5 psig 압력 하에서, 디실란 85% 수율과 9.2% trisilane, 0.2%의 tetra silane의 수율을 얻었다.
세번째 실시예의 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 첫번째 및 두번째 실시예와 달리, 냉각수단(40)이 방전 하우징(10)의 외부에 자켓이나 코일 형태로 설치되는 것이 아니라, 방전 하우징(10) 중앙에 설치되어, 반응에 의해 생성된 반응가스를 중심에서 응축시키는 역할을 하는 것이다.
이를 위한 세번째 실시예는 방전 하우징(10), 방전 전극봉(20), 절연부재(30), 냉각수단(40), 다공성 관재(50)를 포함한다.
상기 방전 하우징(10)은 상, 하단이 개구되고 내부가 비어있되, 상, 하단에는 절연 가스켓(62) 및 플랜지(63)가 설치되어 있도록 하고, 하단에는 단열재(70)가 설치되어 있도록 하며, 외주연 상단에는 원료가스 유입을 위한 원료가스 주입구(11)가 형성되어 있으며, 하단에는 단열재(70)를 관통하여 외부로 돌출되는 반응가스 배출구(12)가 형성되어 있도록 한다. 또한, 내주연에는 절연체(14)가 일체로 형성되어 있도록 한다.
상기 방전 전극봉(20)은 상, 하단이 개구된 형태이며, 내주연에 절연부재(30)가 형성되어 있는 상태로 전술된 방전 하우징(10)의 내부에 길이방향으로 이격설치되는 것으로, 방전 하우징(10)의 외주연에 설치되어 있는 고주파 발생 연결장치(21) 또는 고주파 발생 연결장치(21)의 전력단자와 연결되어 있도록 한다. 이러한 상기 방전 전극봉(20)은 방전 하우징(10) 내부에 설치되도록 하며, 상기 방전 전극봉(20)의 상단에는 절연 부싱(61)이 설치되어 있도록 한다. 이에, 상기 방전 하우징(10)에 형성되어 있는 원료가스 주입구(11)를 통해 유입된 원료가스는, 방전 하우징(10)과 방전 전극봉(20) 사이에는 절연체(14)가 설치되어 있기 때문에 그 사이로는 유입되지 못하고, 상기 방전 하우징(10)에 내설되어 있는 방전 전극봉(20) 내부로 유입되게 된다.
상기 방전 하우징(10)과 방전 전극봉(20) 사이는 상호간 이격되어 있되, 방전 하우징(10) 벽 가까이에 방전 전극봉(20)이 존재하게 되므로, 상기 방전 하우징(10)의 내주연에는 절연체(14)가 설치되도록 함으로써, 상기 방전 하우징(10)과 방전 전극봉(20) 사이에 위치된 절연체(14)로 인하여 상호간이 통전되지 않도록 한다.
상기 냉각수단(40)은 전술된 방전 전극봉(20)의 내부에 이격되어 내설되어 있되, 일단은 방전 하우징(10)의 상단측 플랜지(63)를 관통하여 돌출되도록 한다. 또한 돌출된 상부측에는 유입구(41)와 유출구(42)가 각각 형성되어 냉각부재의 유입 및 유출되도록 하는데, 이 중 유입구(41)에 형성된 유입관(43)은 상기 냉각수단(40)의 내부에 길이방향으로 내입되는 형태가 되도록 한다.
상기 다공성 관재(50)는 전술된 냉각수단(40)과 방전 전극봉(20) 사이에 설치되는 것으로서, 냉각수단(40)과 방전 전극봉(20) 사이를 두번째 실시예와 마찬가지로, 반응존(A)(방전 전극봉(20) 내주연과 다공성 관재(50) 외주연 사이)과 응축존(B)(다공성 관재(50) 내주연과 냉각수단(40) 외주연 사이)의 두공간으로 구획하는 것이다. 또한 다공성 관재(50)의 상단은 절연체(61)을 이용하여 절연되도록 한다.
이렇듯, 세번째 실시예의 경우, 상기 냉각수단(40)은 다공성 관재(50) 내에 내설, 상기 다공성 관재(50)는 방전 전극봉(20) 내에 내설, 상기 방전 전극봉(20)은 방전 하우징(10) 내에 내설되는 4중관 형태의 구성을 가진다.
또한, 이러한 세번째 실시예는 상기와 같이 구성함으로써, 상기 반응존(A)의 부피가 응축존(B)의 부피보다 커지게 되는데, 이는 파이프형태의 반응장치에서 내경과 관련된 사항이다. 반응존(A)의 부피가 응축존(B)의 부피보다 커지면 반응가스가 더 많이 반응존(A)으로 들어가게 되어 효율이 증가한다. 세번째 실시예서는 두번째 실시예에 비해 실란에서 디실란으로의 수율이 약 10% 이상 증가하였다.
더불어, 전술된 바와 같이 구성된 첫번째, 두번째, 세번째 실시예에서,
상기 방전 하우징(10) 및 방전 전극봉(20)은 금속재질로 된 파이프로서, 금속재질이라 함은 전기가 통전되는 것으로, Stainless steel(스틸), Carbon steel(카본 스틸), Copper(구리), Alumina(알루미나) 등 사용자에 의해 다양한 금속이 사용될 수 있음이다.
또한, 상기 절연부재(30)로는 PFA(Perfloro alkoxy), PTFE(Polytetrafluoroethylene), Glass(유리), Quartz(석영), Ceramic(세라믹), Silicon rubber(실리콘 고무) 중 어느 하나가 사용된다. (이들 중 PFA가 가장 큰 전기 절연특성과 가장 낮은 dissipation factor (전자소실)를 가지고 있으며 내구성도 뛰어났다.)
더불어, 상기 방전 하우징(10)과 방전 전극봉(20) 상호간의 이격거리(간극)는 0.5~3mm 이며 좋게는 1~2 mm 가 되도록 하며, 상기의 절연부재(30)로 싸여진 방전 전극봉(20)과 다공성 관재(50) 사이의 이격거리(간극)은 0.5 ~ 3mm 이며 좋게는 1~2 mm가 되도록 한다.
또한, 두번째와 세번째 실시예에서의 반응존(A) 부피와 응축존(B)의 부피비는 10:1 ~ 1:10 이나 좋게는 3:2 ~ 2:3가 되도록 한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.
10: 방전 하우징 11: 원료가스 유입구
12: 반응가스 배출구 13: 원료가스 배출구
14: 절연체 20: 방전 전극봉
21: 고주파 발생 연결장치 30: 절연부재
40: 냉각수단 41: 유입구
42: 유출구 43: 유입관
50: 다공성 관재 60: 절연 부싱
61: 절연 부싱 62: 절연 가스켓
63: 플랜지 70: 단열재
A: 반응존 B: 응축존

Claims (8)

  1. 내부로 실란(SiH4)가스, 헬륨가스, 수소가스 혼합물 중 하나의 원료가스가 유입되고, 내부에서 생성된 반응가스가 배출되는 반응가스 배출구(12)가 형성되어 있는 방전 하우징(10);
    고주파 발생 연결장치와 연결되어, 상기 방전 하우징(10)에 내설되어 방전되는 방전 전극봉(20);
    상기 방전 하우징(10) 내에서 방전 전극봉(20)의 외주연에 설치되는 절연부재(30);
    상기 방전 하우징(10)의 외주연에 설치되어, 가열되는 방전 하우징(10)의 반응온도를 조절할 수 있도록 하는 냉각수단(40);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치.
  2. 내부로 실란(SiH4)가스, 헬륨가스, 수소가스 혼합물 중 하나의 원료가스가 유입되고, 내부에서 생성된 반응가스가 배출되는 반응가스 배출구(12)가 형성되어 있는 방전 하우징(10);
    고주파 발생 연결장치와 연결되어, 상기 방전 하우징(10)에 내설되어 방전되는 방전 전극봉(20);
    상기 방전 하우징(10) 내에서 방전 전극봉(20)의 외주연에 설치되는 절연부재(30);
    상기 방전 하우징(10)의 외주연에 설치되어, 가열되는 방전 하우징(10)의 반응온도를 조절할 수 있도록 하는 냉각수단(40);
    상기 방전 하우징(10) 내에서 방전 전극봉(20)이 내설되도록 설치되어, 상기 방전 전극봉(20)과 방전 하우징(10) 사이의 공간을 반응존(A)과 응축존(B)으로 구획하여, 생성된 반응가스가 방전에 노출되지 않도록 하는 다공성 관재(50);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치.
  3. 내주연에 절연체(14)가 형성되어 있는 방전 하우징(10);
    상기 방전 하우징(10)에 내설되어, 내부로 실란(SiH4)가스, 헬륨가스, 수소가스 혼합물 중 하나의 원료가스가 유입되고, 방전 하우징(10)에 형성된 반응가스 배출구(12)를 통해 반응가스가 배출되며, 고주파 발생 연결장치와 연결되어 방전되는 방전 전극봉(20);
    상기 방전 전극봉(20) 내주연에 설치되는 절연부재(30);
    상기 방전 전극봉(20) 내부로 관통설치되어, 반응가스를 응축시켜 가열되는 방전 하우징(10)의 반응온도를 조절할 수 있도록 하는 냉각수단(40);
    상기 방전 전극봉(20) 및 냉각수단(40) 사이에 설치되어, 방전 전극봉(20)과 냉각수단(40) 사이의 공간을 반응존(A)과 응축존(B)으로 구획하는 다공성 관재(50);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방전 전극봉(20)은 절연 부싱(60), 절연체(14) 또는 절연 가스켓(62)을 통해 방전 하우징(10)과 절연되는 특징으로 하는 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방전 하우징(10) 및 방전 전극봉(20)은
    전기가 통전되는 금속재질이 사용되는 것을 특징으로 하는 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연부재(30)는
    PFA(Perfluor alkoxy), PTFE(Polytetrafluoroethylene), Glass(유리), Quartz(석영), Ceramic(세라믹), Silicon rubber(실리콘 고무) 중 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치.
  7. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 방전 전극봉(20)과 다공성 관재(50)는
    방전 전극봉(20)과 다공성 관재(50) 사이가 상호간 0.5 내지 3mm의 이격거리를 유지하는 것을 특징으로 하는 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치.
  8. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 반응존(A)과 응축존(B)은
    10:1 ~ 1:10의 부피비로 구획되는 것을 특징으로 하는 디실란과 트리실란과 테트라실란의 제조를 위한 유전체 장벽 방전 반응장치.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5478453A (en) * 1993-03-11 1995-12-26 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Process for preparing disilane from monosilane by electric discharge and cryogenic trapping
US6221155B1 (en) * 1997-12-15 2001-04-24 Advanced Silicon Materials, Llc Chemical vapor deposition system for polycrystalline silicon rod production
KR100893183B1 (ko) * 2008-06-24 2009-04-15 (주)티에스티아이테크 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의제조장치 및 방법
US20110305604A1 (en) * 2009-01-22 2011-12-15 Schmid Silicon Technology Gmbh Reactor for producing polycrystalline silicon using the monosilane process

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008014607A1 (en) * 2006-07-31 2008-02-07 Tekna Plasma Systems Inc. Plasma surface treatment using dielectric barrier discharges

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5478453A (en) * 1993-03-11 1995-12-26 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Process for preparing disilane from monosilane by electric discharge and cryogenic trapping
US6221155B1 (en) * 1997-12-15 2001-04-24 Advanced Silicon Materials, Llc Chemical vapor deposition system for polycrystalline silicon rod production
KR100893183B1 (ko) * 2008-06-24 2009-04-15 (주)티에스티아이테크 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의제조장치 및 방법
US20110305604A1 (en) * 2009-01-22 2011-12-15 Schmid Silicon Technology Gmbh Reactor for producing polycrystalline silicon using the monosilane process

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