KR102032788B1 - 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치 - Google Patents

마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치에 관한 것으로, 습식 스크러버로 유입되는 잔류 불산가스는 가열마이크로파를 통해 물입자를 가열시킴으로서 불산수용액 상태로 용해되는 과정을 활성화시키는 한편, 악취를 포함한 유해성분은 탄화과정을 통해 제거하고 이 때 승온된 배기가스는 폐가스 공급관과 열교환시킴으로써, 폐가스 공급관으로 공급되는 유해가스를 활성화시켜 플라즈마 반응을 촉진시킬 수 있는 특징이 있다.

Description

마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치{TREATMENTING APPARATUS FOR HARMFUL GAS USING MICROWAVE AND PLASMA}
본 발명은 과불화 화합물과 악취와 같은 유해성분이 포함된 유해가스를 보다 효율적으로 처리하기 위한 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응기에서 분리된 불산가스를 물에 용해시켜 제거하고, 습식 스크러버로 유입되는 잔류 불산가스는 마이크로파를 통해 물입자를 가열시킴으로서 불산수용액 상태로 용해되는 과정을 활성화시키는 한편, 악취를 포함한 유해성분은 탄화과정을 통해 제거한 후 클린 상태의 배기가스가 배출될 수 있도록 한 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치에 관한 것이다.
일반적으로 과불화 화합물(Perfluoro compound)은 반도체 식각공정의 에칭제(etchant) 및 화학증착공정(chemical vapor deposition process)의 반응기(chamber) 세정제로 널리 쓰이는 가스이다.
그런데, 반도체공정에 사용되는 과불화 화합물은 공정중에 전량 소비되지 않기 때문에 미 반응 가스가 잔류되는 경우가 많고, 이에 더하여 부차적으로 생성되는 가스가 발생되는 경우도 있으며, 심지어는 원료 가스가 그대로 진공 펌프에서 배출되는 경우도 있다.
이러한 용도의 과불화 화합물로는 CF4, CHF3, NF3, SF6 등이 사용될 수 있고, 더욱이 반도체 공정뿐만 아니라 종래에 사용되던 클로로-플루오로카본(chloro-fluorocarbon; CFC)을 대체하여 세정제, 에칭제, 용매, 반응원료등의 목적으로 사용되는 공정 및 작업장에서 배출되는 폐가스에도 포함될 수 있다.
비록 과불화 화합물이 종래에 사용되던 CFC보다도 안전하고 안정한 물질이지만 지구온난화 지수(global warming potential)가 이산화탄소 대비 수천∼수만 배로 매우 높다.
따라서, 과불화 화합물을 대기 중으로 배출하는 것은 환경 보호를 위해 규제의 대상이 되고 있고, 앞으로도 그 규제가 더욱 강화될 전망이다.
종래의 "과불화화합물 가스를 포함하는 대용량 배기가스 처리방법및 그 처리장치(대한민국 등록특허 제0766749호)"의 경우, 수용성가스 처리부가 불산을 제거하는 역할을 하게 된다.
하지만 종래의 기술은 불산을 제거하기 위해 수용성가스 처리부는 2단으로 구성되어 있어 장치의 규모가 커지는 문제점이 있으며, 또한 수용성가스 처리부는 악취와 같은 성분은 제거하지 못하는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제0766749호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 습식 스크러버로 유입되는 잔류 불산가스는 가열마이크로파를 통해 물입자를 가열시킴으로서 불산수용액 상태로 용해되는 과정을 활성화시키는 한편, 악취를 포함한 유해성분은 탄화과정을 통해 제거한 후 클린 상태의 배기가스가 배출될 수 있도록 한 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 2목적은, 악취를 포함한 유해성분은 탄화과정을 통해 제거하고 이 때 승온된 배기가스는 폐가스 공급관과 열교환시킴으로써, 폐가스 공급관으로 공급되는 유해가스를 활성화시켜 플라즈마 반응을 촉진시킬 수 있는 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치를 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 특징에 따르면, 제 1발명은 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치에 관한 것으로, 이를 위해 과불화 화합물을 포함하는 유해가스가 공급되는 폐가스 공급관;과, 폐가스 공급관을 통해 유입된 유해가스에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부;와, 플라즈마 영역에서 분해된 불산가스를 물과 반응시켜 불산수용액을 생성하는 반응기;와, 상기 반응기의 하부에 연설되어 불산수용액을 저장하는 수조탱크;와, 상기 반응기에서 물에 용해되지 않는 불산가스에 수조탱크의 물을 분사하여 잔여 불산가스를 제거하는 습식 스크러버;와, 상기 습식 스크러버의 상부에 연설되어 배출되는 배기가스 중 탄소성분과 악취성분을 탄화시켜 제거하는 탄화부; 및 상기 폐가스 공급관으로 공급되는 유해가스를 활성화시키기 위해 상기 탄화부을 거쳐 배출되는 고온의 배기가스와 열교환시킬 수 있도록 상기 폐가스 공급관에 외장되는 열교환탱크;을 포함하여 이루어지되, 상기 수조탱크에는 내부에 격벽을 마련하여 반응기에서 유입되는 불산수용액의 불산 성분을 침전시키고, 격벽으로 월류되는 물이 습식 스크러버로 공급될 수 있도록 구성되고, 상기 습식 스크러버는 불산을 흡착하는 습식칼럼(wet packing column)과, 상기 습식칼럼의 상부에 배치되어 불산가스를 용해시키는 불산가스 처리부와, 상기 불산가스 처리부의 상부에 배치되는 제1물분사부로 구성되고, 상기 불산가스 처리부는 한쌍의 타공판과, 마이크로파를 발진시키는 마그네트론과, 상기 마이크로파를 타공판의 사이로 전달하는 도파관과, 불산가스에 물을 분사하기 위해 2개의 타공판 중 상부에 배치된 타공판의 저면으로 다수의 분사노즐이 노출되게 결합되는 제2물분사부와, 마이크로파를 난반사시켜 물입자의 가열속도 및 발열정도를 증대시키는 반사판으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 2발명은 제 1발명에서, 상기 불산가스 처리부의 반사판은 마이크로파가 확산될 수 있도록 다수의 통공이 더 형성되고, 난반사 효율을 증대시키기 위해 2개의 타공판 중 하부에 배치된 타공판에 일정 간격을 두고 수직방향으로 다수 배치되고, 상부 타공판과 하부 타공판의 중간 높이를 갖는 것을 특징으로 한다.
제 3발명은, 제 1발명에서, 상기 탄화부는 배기관의 외주면을 따라 방사상으로 다수의 화염노즐이 결합되어 구성되고, 상기 화염노즐의 방향은 배기 방향으로 경사지게 배치되어 보다 넓은 면적에 화염을 방사시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 4발명은, 제 1발명에서, 상기 폐가스 공급관은 열교환탱크와 열교환이 효율이 증대될 수 있도록 다수의 주름이 형성되고, 상기 열교환탱크와 연결되는 배기관은 열교환탱크의 접선방향으로 연결되어 배기가스가 열교환탱크의 내부에서 선회 배출되도록 하여 유해가스와 배기가스의 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 구성되는 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치에 따르면,습식 스크러버로 유입되는 잔류 불산가스는 가열마이크로파를 통해 물입자를 가열시킴으로서 불산가스의 용해 효율을 향상시키고, 이에 따라 다단 설치되는 습식 스크러버를 단일개로 축소할 수 있는 효과가 있다
또한 악취를 포함한 유해성분은 탄화과정을 통해 제거하고 이 때 승온된 배기가스는 폐가스 공급관과 열교환시킴으로써, 폐가스 공급관으로 공급되는 유해가스를 활성화시켜 플라즈마 반응을 촉진시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치의 구성도,
도 2는 도 1에서 발췌된 습식 스크러버의 불산가스 처리부를 나타낸 확대도,
도 3은 본 발명에 따른 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치의 작동도이다.
이하의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에서 발췌된 습식 스크러버의 불산가스 처리부를 나타낸 확대도이고, 도 3은 본 발명에 따른 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치의 작동도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 과불화 화합물과 악취와 같은 유해성분이 포함된 유해가스를 보다 효율적으로 처리하기 위한 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치(100)에 관한 것이다.
본 발명의 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치(100)는 반응기에서 분리된 불산가스를 물에 용해시켜 제거하고, 습식 스크러버로 유입되는 잔류 불산가스는 마이크로파를 통해 물입자를 가열시킴으로서 불산수용액 상태로 용해되는 과정을 활성화시키는 한편, 악취를 포함한 유해성분은 탄화과정을 통해 제거한 후 클린 상태의 배기가스가 배출될 수 있도록 한 구성이다.
본 발명을 설명하기에 앞서, 유해가스는 "과불화 화합물"은 탄소와 불소로 이루어진 탄화수소로서 수소 대신 불소가 치환되어 과불화(-CnF2n+1)된 알킬화합물질을 총칭하는 개념이다. 구체적으로, 상기 과불화 화합물은 CF4, CHF3, C2F6, C3F8, C4F8, C4F10, C5F8, SF6, NF3 또는 이의 조합일 수 있다. 또한 유해가스는 다이옥신 및 악취를 포함한 유해성분을 포함한다.
본 발명의 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치(100)는 크게 6개 부분으로 구성되는데, 이는 플라즈마 발생부(20)와, 반응기(70)와, 수조탱크(30)와, 습식 스크러버(40)와, 탄화부(50) 및 열교환탱크(60)로 구성된다.
상기 플라즈마 발생부(20)는 플라즈마를 형성하기 위해 질소공급관(21)이 연결되고, 더불어 폐가스 공급관(10)을 통해 유입된 유해가스에 물을 분사할 수 있도록 물공급관(22)이 더 연결되는 구성이다.
상기 물은 불소(F)이온이 포함된 가스를 그대로 놓아두게 되면 플라즈마 상태에서는 분해되어있는 상태로 된다고 할 수 있지만, 플라즈마 영역을 벗어난 상태에서는 다시 탄소(C)와 황(S)과 같은 성분과 결합하여 다시 유해가스의 성상으로 되돌아가는 현상을 막고자 하는 것이다.
상기 반응기(70)는 플라즈마가 형성되는 것으로, 이러한 반응기(70)의 내부에서는 플라즈마 영역에서 분해된 불소(F)이온이 물과 반응하여 불산(HF)가스를 형성하게 된다.
이 때 플라즈마 영역 바깥쪽에서는 불산가스가 물입자에 용해되어 제거되고, 불산이 함유된 불산수용액은 수조탱크(30)로 낙하된다.
한편 상기 수조탱크(30)는 내부에 물이 저장된 상태이며, 상기 반응기(70)의 하부에 연설되어 반응기(70)의 하부로 낙하되는 불산수용액을 저장하는 기능을 한다.
이러한 수조탱크(30)는 내부에 수위센서(31)가 형성되어 있어, 만수위(滿水位)에 의해 잔류 불산가스의 이동 경로가 차단되는 것을 방지하는 한편, 내부 수위가 고수위일 경우, 이를 배출하기 위한 배출관(32)이 형성될 수 있으며, 수조탱크(30)에 저장된 물을 습식 스크러버(40)로 공급하기 위한 펌프(33)가 연결될 수 있다.
또한 상기 수조탱크(30)에는 내부에 격벽(34)을 마련하여 반응기(70)에서 유입되는 불산수용액의 불산 성분을 침전시키고, 격벽(34)으로 월류되는 불산 함유량이 적은 물이 습식 스크러버(40)로 공급될 수 있도록 구성된다.
상기 습식 스크러버(40)는 상기 반응기(70)에서 물에 용해되지 않는 불산가스에 물을 분사하여 불산을 제거하는 것으로, 상기 수조탱크(30)의 상부에 연설된다.
이러한 상기 습식 스크러버(40)는 불산을 흡착하는 습식칼럼(wet packing column)과, 상기 습식칼럼(41)의 상부에 배치되어 불산가스를 용해시키는 불산가스 처리부(42)와, 상기 불산가스 처리부(42)의 상부에 배치되는 제1물분사부(424)로 구성된다.
상기에서 습식 스크러버(40)는 통상의 공지된 기술이고, 습식칼럼(41)은 충진되는 물질은 제한하지 않으나, 불산 등과 같은 산화성 가스의 흡착, 분해 가능한 공지의 충진제를 사용한다.
다만 본 발명의 습식 스크러버(40)는 불산가스를 보다 효율적으로 제거하기 위해 불산가스 처리부(42)가 더 구비되는데, 이러한 불산가스 처리부(42)는 상호 간 간격을 두고 배치되는 한쌍의 타공판(421)과, 마이크로파를 발진시키는 마그네트론(M)과, 상기 마이크로파를 상기 각 타공판(421)의 사이로 전달하는 도파관(WG)과, 불산가스에 물을 분사하기 위해 2개의 타공판(421) 중 상부에 배치된 타공판(421)의 저면으로 다수의 분사노즐(422a)이 노출되게 결합되는 제2물분사부(422)와, 마이크로파를 난반사시켜 물입자의 가열속도 및 발열정도를 증대시키는 반사판(423)으로 구성된다.
여기서 상기 각 타공판(421)은 마이크로파를 내부로 난반사시키고, 제1물분사부(424)에서 분사되는 물이 하부로 낙하될 수 있도록 기능한다.
그리고 반사판(423)은 마이크로파가 확산될 수 있도록 다수의 통공(423a)이 더 형성되고, 난반사 효율을 증대시키기 위해 2개의 타공판(421) 중 하부에 배치된 타공판(421)의 일정 간격을 두고 수직방향으로 다수 배치되고, 상부 타공판(421)과 하부 타공판(421)의 중간 높이를 갖는다.
상술된 불산가스 처리부 기능은 다음과 같다.
상기 습식칼럼(41)을 통과한 잔류 불산가스을 제거하기 위해 제2물분사부(422)로 물을 분사하게 된다.
이 때 도파관(WG)을 통해 전달되는 마이크로파가 상기 반사판(423)과 반사판(423)의 사이에서 진행방향을 변경하면서 충돌과 난반사가 수 없이 이루어지도록 해 진폭이 증대되도록 한다. 그러면 물(전기쌍극자)은 마이크로파의 주파수와 동일한 진동을 일으켜 물(전기쌍극자)의 가열속도 및 발열정도가 상승하게 된다.
이렇게 가열된 물은 입자가 활성화되어 불산가스의 용해 효율을 향상시킬 수 있게 되어 다단 설치되는 습식 스크러버를 단일개로 축소할 수 있는 효과가 있다.
한편 제1물분사부(424)는 수조탱크(30)의 물을 분사함으로써 상부 타공판(421)을 거쳐 배출되는 소량의 불산가스까지 용해시켜 완벽히 제거할 수 있게 된다.
상기 탄화부(50)는 상기 습식 스크러버(40)의 상부에 연설되어 배출되는 배기가스 중 악취성분을 탄화시켜 무취 무해 성분상태로 배출될 수 있도록 기능한다.
이러한 상기 탄화부(50)는 배기관(51)의 외주면을 따라 방사상으로 다수의 화염노즐(52)이 결합되어 구성되고, 상기 화염노즐(52)의 방향은 배기 방향으로 경사지게 배치되어 보다 넓은 면적에 화염을 방사시킬 수 있고, 이로 인해 악취성분의 제거 효율을 증대시킬 수 있게 된다.
악취성분이 제거된 배기가스는 고온으로 승온된 상태로. 이러한 고온의 배기가스는 상기 폐가스 공급관(10)에 외장되는 열교환탱크(60)를 거쳐 최종 배출된다.
그리고 상기 열교환탱크(60)와 연결되는 배기관(51)은 열교환탱크(60)의 접선방향으로 연결되어 배기가스가 열교환탱크의 내부에서 선회 배출되도록 하여 유해가스와 배기가스의 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 구성된다.
이 때 상기 폐가스 공급관(10) 역시 표면적으로 넓힐 수 있도록 다수의 주름(11)이 형성되어 열교환 효율을 가일층 증대시킬 수 있으며, 이에 따라 폐가스 공급관(10)으로 공급되는 유해가스를 활성화시켜 플라즈마 반응을 촉진시킬 수 있게 된다.
본 발명의 마이크로파는 2Hz ~ 22MHz 정도의 주파수 대역을 갖지만, 이에 한정하지 아니하고, 전자렌지와 같은 물분자를 가열할 때 사용되는 최적화된 주파수 대역을 갖는다.
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.
10: 폐가스 공급관 11: 주름
20: 플라즈마 발생부 21: 질소공급관 22: 물공급관
30: 수조탱크 31: 수위센서 32: 배출관
33: 펌프 34: 격벽
40: 습식 스크러버 41: 습식칼럼 42: 불산가스 처리부
421: 타공판 422: 제2물분사부
422a: 분사노즐 423: 반사판
423a: 통공 424: 제1물분사부
50: 탄화부 51: 배기관 52: 화염노즐
60: 열교환탱크
70: 반응기
M: 마그네트론 WG: 도파관
100: 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치

Claims (4)

  1. 과불화 화합물을 포함하는 유해가스가 공급되는 폐가스 공급관(10);
    폐가스 공급관(10)을 통해 유입된 유해가스에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부(20);
    플라즈마 영역에서 분해된 불산가스를 물과 반응시켜 불산수용액을 생성하는 반응기(70);
    상기 반응기(70)의 하부에 연설되어 불산수용액을 저장하는 수조탱크(30);
    상기 반응기(70)에서 물에 용해되지 않는 불산가스에 수조탱크(30)의 물을 분사하여 잔여 불산가스를 제거하는 습식 스크러버(40);
    상기 습식 스크러버(40)의 상부에 연설되어 배출되는 배기가스 중 탄소성분과 악취성분을 탄화시켜 제거하는 탄화부(50); 및
    상기 폐가스 공급관(10)으로 공급되는 유해가스를 활성화시키기 위해 상기 탄화부을 거쳐 배출되는 고온의 배기가스와 열교환시킬 수 있도록 상기 폐가스 공급관(10)에 외장되는 열교환탱크(60);을 포함하여 이루어지되,
    상기 수조탱크(30)에는 내부에 격벽(34)을 마련하여 반응기(70)에서 유입되는 불산수용액의 불산 성분을 침전시키고, 격벽(34)으로 월류되는 물이 습식 스크러버(40)로 공급될 수 있도록 구성되고,
    상기 습식 스크러버(40)는 불산을 흡착하는 습식칼럼(wet packing column)과, 상기 습식칼럼(41)의 상부에 배치되어 불산가스를 용해시키는 불산가스 처리부(42)와, 상기 불산가스 처리부(42)의 상부에 배치되는 제1물분사부(424)로 구성되고,
    상기 불산가스 처리부(42)는 한쌍의 타공판(421)과, 마이크로파를 발진시키는 마그네트론(M)과, 상기 마이크로파를 타공판(421)의 사이로 전달하는 도파관(WG)과, 불산가스에 물을 분사하기 위해 2개의 타공판(421) 중 상부에 배치된 타공판(421)의 저면으로 다수의 분사노즐(422a)이 노출되게 결합되는 제2물분사부(422)와, 마이크로파를 난반사시켜 물입자의 가열속도 및 발열정도를 증대시키는 반사판(423)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 불산가스 처리부(42)의 반사판(423)은 마이크로파가 확산될 수 있도록 다수의 통공(423a)이 더 형성되고, 난반사 효율을 증대시키기 위해 2개의 타공판(421) 중 하부에 배치된 타공판(421)에 일정 간격을 두고 수직방향으로 다수 배치되고, 상부 타공판(421)과 하부 타공판(421)의 중간 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 탄화부(50)는 배기관(51)의 외주면을 따라 방사상으로 다수의 화염노즐(52)이 결합되어 구성되고, 상기 화염노즐(52)의 방향은 배기 방향으로 경사지게 배치되어 보다 넓은 면적에 화염을 방사시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 폐가스 공급관(10)은 열교환탱크(60)와 열교환이 효율이 증대될 수 있도록 다수의 주름(11)이 형성되고,
    상기 열교환탱크(60)와 연결되는 배기관(51)은 열교환탱크(60)의 접선방향으로 연결되어 배기가스가 열교환탱크(60)의 내부에서 선회 배출되도록 하여 유해가스와 배기가스의 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 구성되는 특징으로 하는 마이크로파와 플라즈마를 이용한 유해가스 처리장치.
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