KR102296714B1 - 질소 산화물 제거장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 및 디스플레이 제조공정에서 배출되는 배기가스 내 질소산화물 제거장치에 관한 것으로, 상기 배기가스가 유입되는 유입구와, 유입된 배기가스가 배출되는 배출구가 형성된 하우징과, 상기 하우징 내에 배치되는 복수의 촉매를 포함하되, 상기 촉매는, 고체 암모니아로 이루어진 1차 촉매, 세라믹으로 이루어진 2차 촉매, 소석회로 이루어진 3차 촉매를 포함하고, 상기 유입구로 유입된 배기가스는 상기 1차 촉매와 2차 촉매와 3차 촉매를 순서대로 통과한 뒤, 상기 배출구로 배출된다.
Description
본 발명은 유독가스 내, 질소 산화물 제거장치에 관한 것이다.
지구온난화로 인한 기후변화 문제가 심각해짐에 따라 전세계적으로 온실가스에 대한 관심이 매우 높아지고 있다. 일반적으로 온실가스는 이산화탄소와 CH4, N2O, PFCs, HFCs, SF6 등을 포함하는 Non-CO2 온실가스로 구분되는데 N2O가스는 CO2와 비교하여 지구온난화지수(GWP)가 약 310배로 매우 높은 특징을 가지고 있다.
최근 디스플레이와 같은 전자제품을 제조하는 공정에서 N2O의 사용량이 급격히 증가하고 있다. 일반적으로 반도체 소자는 반도체 기판 상부에 반도체막, 도전막 또는 절연막을 형성하고, 이러한 다양한 종류의 막들을 반도체 소자의 설계 구조에 따라 식각 및 증착 공정이 반복되어 제조된다. 이러한 반도체 소자의 제조 공정에서 박막의 형성 공정과 식각 공정에 사용되는 플라즈마 설비는 필수적인 핵심 설비로서, 반도체 제조 공정 중에서 널리 사용되고 있으며, 액정디스플레이와 같은 디스플레이 소자에서도 이와 동일한 플라즈마 식각 설비가 사용되고 있다.
이러한 플라즈마 설비를 사용하는 식각 공정에 대해 살펴보면, 소정 두께의 박막이 증착된 반도체 기판을 플라즈마 식각 챔버내에 로딩한 후 식각 챔버에 반응 가스를 공급하고, 식각 챔버에 고주파 전원을 인가하여 반응가스를 플라즈마 상태가 되도록 한다. 플라즈마 상태의 반응 가스에 의해 반도체 기판 상부의 증착된 박막이 식각된다. 이때, 상기 플라즈마 상태의 반응 가스에 의해 식각되지 않은 장벽층을 선택적으로 박막 위에 형성함으로써, 원하는 형태와 구조로 상기 증착된 박막의 식각이 가능해진다. 이러한 플라즈마 공정에는 NF3와 같은 과불소화합물(PFC)이 식각 또는 반응 가스로 사용되는데, 이러한 반응가스들이 공정 진행 후 배출될 때에는 아산화질소와 같은 오염원을 다수 포함하게 된다.
특히 상기 PFC는 반도체 식각공정의 에칭제(etchant) 및 화학증착공정(chemical vapor deposition process)의 반응기(chamber) 세정제로 널리 쓰이는 가스이다. 이러한 용도로 사용되는 PFC로는 CF4, CHF3, CH2F2, C2F4,C2F6, C3F6, C3F, C4F8, C4F10, NF3, SF6 등이 사용될 수 있고, 반도체 공정이 아니라도 PFC는 종래에 사용되던 클로로-플루오로카본(chloro-fluorocarbon; CFC)을 대체하여 세정제, 에칭제, 용매, 반응원료 등의 목적으로 사용되거나 각종 제조공정 및 작업장에서 배출되는 배기가스에도 포함될 수 있어, 종래 기술로 배기가스 중의 과불화화합물 분해제거용 촉매와 이를 이용한배기가스중의 과불화화합물 분해제거 방법이 연구된 바가 있다.(공개특허공보 제2004-0024775호: 2004년 3월 22일 공개)
또한 고온에서 분해되어 PFC와 함께 포함되어 있는 질소 및 산소가 반응하여 유해 물질인 질소산화물(thermal NOx)이 다량 생성될 수 있으며, 뿐만 아니라 식각 및 증착공정에서 분진과 산성가스등이 매우 많이 발생할 수밖에 없기 때문에 배기가스 내에 높은 농도로 존재하게 된다.
따라서, 반도체 및 디스플레이 제조공정에서 배출되는 배기가스 중에서 질소산화물과 아산화질소를 저감시키는 촉매 제거장치의 적용이 요구된다.
본 발명의 목적은, 반도체 및 디스플레이 제조공정에서 배출되는 배기가스 내에 포함된 질소산화물 및 오염물질을 저감시킬 수 있는 질소 산화물 제거장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명에 따른 질소 산화물 제거장치는, 디스플레이 및 반도체 제조공정에서 배출되는 배기가스가 유입되는 유입구와, 유입된 배기가스가 배출되는 배출구가 형성된 하우징과, 상기 하우징 내에 배치되는 복수의 촉매를 포함한다.
상기 촉매는, 고체 암모니아로 이루어진 1차 촉매와, 세라믹으로 이루어진 2차 촉매와, 소석회로 이루어진 3차 촉매를 포함할 수 있다.
상기 유입구로 유입된 배기가스는 상기 1차 촉매와 2차 촉매와 3차 촉매를 순서대로 통과한 뒤, 상기 배출구로 배출될 수 있다.
상기 1차 촉매의 주변에 배치되어, 상기 1차 촉매를 가열하는 제1 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 히터는 30℃ 내지 50℃로 1차 촉매를 가열할 수 있다.
상기 2차 촉매는, 이산화 지르코늄(ZrO2)과 이산화티타늄(TiO2)이 코팅될 수 있다.
상기 2차 촉매는, 알루미나 세라믹(Al2O3)으로 이루어질 수 있다.
상기 2차 촉매는 허니컴 구조로 이루어질 수 있다.
상기 2차 촉매의 주변에 배치되어, 상기 2차 촉매를 가열하는 제2 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 히터는 100℃ 내지 150℃로 2차 촉매를 가열할 수 있다.
상기 유입구로 유입되는 배기가스는, 스크러버(scrubber)에서 처리된 상태일 수 있다.
상기 유입구는 상기 하우징의 하단에 형성되고, 상기 배출구는 상기 하우징의 상단에 형성될 수 있다.
상기 1차 촉매의 상부에 상기 2차 촉매가 배치되고, 상기 2차 촉매의 상부에 상기 3차 촉매가 배치될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 반도체 및 디스플레이 제조공정에서 배출되는 배기가스 내에 포함된 질소산화물 및 오염물질을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 복수의 촉매를 거치면거, CO, CO2 까지 제거된 후, 배출될 수 있는 효과도 있다.
또한, 유해 가스인 NO, NO2(질산염), CO, CO2 을 처리하여 대기중으로 배출하여, 대기의 질을 향상시킬 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 질소 산화물 제거장치의 구성을 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일부 구성요소인 2차 촉매의 도면이다.
도 2는 본 발명의 일부 구성요소인 2차 촉매의 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록한다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적인 실시예에서만 설명하고, 그 외의 다른 실시예에서는 대표적인 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 산화물 제거장치에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 질소 산화물 제거장치의 구성을 보인 도면이다. 그리고, 도 2는 본 발명의 일부 구성요소인 2차 촉매의 도면이다.
본 발명에 따른 질소산화물 제거장치는, 반도체 및 디스플레이 제조공정에서 배출되는 배기가스 내 질소산화물 (NOx)를 제거하기 위해 구비된다.
또한, 본 발명에 따른 질소산화물 제거장치는, 반도체 관련 칩 제조장치 ㅁ및 반도체 ETCH/CVD 장치는 물론, 유독가스를 사용하는 산업시설 및 대기오염 제거장치 등에 적용될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 질소산화물 제거장치(10)는 하우징(100)과 복수의 촉매(200,300,400)를 포함한다.
먼저, 상기 하우징(100)은, 반도체 및 디스플레이 제조공정에서 배출되는 배기가스가 유입되는 유입구(110)와, 유입된 배기가스가 배출되는 배출구(120)를 포함한다.
또한, 상기 하우징(100)의 내부에는 상기 유입구(110) 및 배출구(120)와 연통하는 반응 공간(130)이 형성되고, 상기 반응 공간(130)에는 복수의 촉매(200,300,400) 가 배치된다.
상기 촉매(200,300,400)는, 배기가스의 유동방향을 기준으로, 1차 촉매(200), 2차 촉매(300), 3차 촉매(400)가 순서대로 배치될 수 있다.
즉, 유입구(110)로 유입된 배기가스는 1차 촉매(200)를 먼저 통과한 뒤, 2차 촉매(300)를 통과하고, 마지막으로 3차 촉매(400)를 통과할 수 있다.
3차 촉매(400)를 통과한 배기가스는 배출구(120)를 통해서, 하우징(100)의 외측으로 토출될 수 있다.
일 예로, 상기 유입구(110)는 상기 하우징(100)의 하단에 형성되고, 상기 배출구(120)는 상기 하우징(100)의 상단에 형성될 수 있다.
그리고, 상기 반응 공간(130)의 하부에 1차 촉매(200)가 배치되고, 1차 촉매(200)의 상부에 상기 2차 촉매(300)가 배치되고, 상기 2차 촉매(300)의 상부에 상기 3차 촉매(400)가 배치될 수 있다.
상기 1차 촉매(200), 2차 촉매(300), 3차 촉매(400)는 서로 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 하우징(100)은 적어도 일부가 원통형으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 하우징(100)은 상기 배출구(120)가 형성된 상부에, 상측으로 갈수록 직경이 좁아지면서, 원뿔 형태로 경사진 경사면(140)이 형성될 수 있다.
따라서, 상기 1차 촉매(200), 2차 촉매(300), 3차 촉매(400)를 통과한 배기가스는 상기 경사면(140)을 따라 모이게 되고, 결과적으로 배출구(120)를 통해서, 용이하게 토출될 수 있다.
또한, 상기 하우징(100)은 상기 유입구(110)가 형성된 하부에, 상측으로 갈수록 직경이 넓어지면서, 경사면이 형성될 수 있다.
따라서, 상기 유입구(110)로 유입된 배기가스는 경사면을 따라 확산된 후, 1차 촉매(200)의 전체 영역을 통과하면서, 반응할 수 있다.
또한, 상기 유입구(110) 및 배출구(120)는 중공의 파이프 형상으로 구비될 수 있다.
또한, 스크러버(scrubber)에서 처리된 상태의 배기가스가 상기 유입구(110)로 유입될 수 있다.
참고로, 반도체 제조 공정에서 웨이퍼상에 박막을 형성하거나 또는 식각을 위해 사용되는 다양한 종류의 반응가스는 산화성분, 인화성분 및 유독성분 등을 갖고 있기 때문에 사용을 마친 반응가스(이하, 배기가스라 칭함)를 그대로 대기중에 방출할 경우 인체에 유해할 뿐만 아니라 환경 오염을 유발시키게 된다.
이에 따라, 반도체 설비의 배기 라인에는 배기가스의 산화성분, 인화성분 및 유독성분 등을 제거한 후 대기중으로 배출시키기 위한 스크러버가 설치된다.
이와 같이 반도체 제조 공정중 반도체 배기가스를 제거하는 스크러버는 크게 세가지로 분류할 수 있다.
첫째, 간접 연소 습식형으로서, 유도가열 방식을 이용하여 배기가스를 태운후 물을 이용해서 한번 더 걸러주는 힛웨트 스크러버(heatwet scrubber)라고도 한다.
둘째, 습식형으로서 물을 이용하여 배기가스를 포집한 후, 물을 정화하는 방법으로 웨트 스크러버(wet scrubber)라고도 한다.
셋째, 직접 연소 습식형으로서, 고온의 불꽃으로 배기가스를 태운후 물을 이용해서 포집하는 방법으로 번웨트(burnwet)이라고도 한다.
전술한 바와 같이, 현재 반도체 칩(Chip)의 생산라인에서, 반도체 칩을 생산하기 위하여, 많은 공정이 진행된다.
특히, 공정 중의 Etch, CVD 등 핵심 사용 장비는 칩 생산을 위하여, 패턴 생성을 형성하는 방법으로, 인체에 가장 유독한 가스(C2F6, C2F4, Cl2, PF3 등)를 사용한다.
상기와 같이, Etch, CVD 장비들은 진공 챔버 내에서 유독가스를 이용하여 공정을 진행하게 되어있다.
이때, 진공 챔버 내에서 사용하게 되는 유독가스는 공정을 진행한 후 특수, 특정 배관을 통하여, 외부로 배출되게 되어 있으며, 공정 사용 후의 잔류 가스는 바로 외부로 배출하지 못하고, 사용 장비의 후단에 스크러버(scrubber, plasma scrubber, burn wet scrubber)를 이용하여 고온의 불꽃을 발생시켜 장비에서 반출되는 유독가스를 고온 (1500~2500℃)에서 태운 후, 대기중으로 배출한다.
상기와 같이 처리된 유독가스는 완전한 상태는 아니지만, 일부는 대기중으로 유입되고 있으며, 특히 태우고 난 잔류가스는 인체에 위험한 요소가 되는 NO, NO2, CO 등 가스가 처리되지 않은 상태로 대기중으로 유입되고 있다.
상기 NO, NO2,는 일반적으로 질산염으로 불리고 있으며, 현재 환경문제가 되고있는 대기중 미세먼지에 포함되어 있는 질산염과 동일한 유해물질이 배출된다.
따라서, 본 발명의 경우, 스크러버를 통과한 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 복수의 촉매를 이용해서, 제거하고자 한다.
즉, 본 발명에 따른 질소산화물 제거장치는, 반도체 소자 메이커에서 발생하는 유독가스 내 질산염 제거, LCD/LED 소자 메이커에서 발생하는 유독가스 내 질산염 제거, 및 일반 대기중의 미세먼지 속 질산염 제거를 위해 복수의 촉매를 구비한다.
이하, 본 발명의 '촉매'에 대해 설명한다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 촉매(200,300,400)는 고체 암모니아로 이루어진 1차 촉매(200)와, 세라믹으로 이루어진 2차 촉매(300)와, 소석회로 이루어진 3차 촉매(400)를 포함한다.
그리고, 상기 유입구(110)로 유입된 배기가스는 상기 1차 촉매(200)와 2차 촉매(300)와 3차 촉매(400)를 순서대로 통과한 뒤, 상기 배출구(120)로 배출된다.
본 발명에 따르면, 스크러버를 통과한 뒤, 유입된 배기가스가 3단의 촉매(200,300,400)를 통과한 뒤, 대기 중으로 배출되어 NO, NO2 등이 제거 및 저감될 수 있다. 또한, 유해 가스인 NO, NO2(질산염)을 처리하여 대기중으로 배출하여, 대기의 질을 향상시킬 수 있다.
먼저, 1차 촉매(200)는 고체 암모니아로 형성될 수 있다.
그리고, 1차 촉매(200)의 주변에는 고체 암모니아의 승화를 위해 제1 히터(210)가 구비될 수 있다.
상기 제1 히터(210)는 30℃~50℃로, 고체 암모니아를 가열할 수 있다.
상기와 같이 고체 암모니아가 승화되면, 기체 암모니아와 제거 하고자하는 NO, NO2(질산염)의 반응에 의해, NO, NO2(질산염)이 1차 소멸될 수 있다. (아래, 화학식 1-5참조)
또한, 제1 히터(210)에 의해, 고체 암모니아의 온도가 유지되면, 고체 암모니아가 지속적으로 기체로 승화되고, 결과적으로 1차 촉매(200)의 NO, NO2(질산염)제거 효율이 유지되거나, 향상될 수 있다.
[화학식 1]
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
[화학식 2]
6NO + 4NH3 → 5N2 + 6H2O
[화학식 3]
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O
[화학식 4]
6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O
[화학식 5]
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O
참고로, 상기 고체 암모니아는 덩어리 형태로 구비될 수 있다.
한편, 상기 2차 촉매(300)는 세라믹 소재로 구비될 수 있다.
상기 2차 촉매(300)는 이산화 지르코늄(ZrO2) 및/또는 이산화티타늄(TiO2)이 코팅된 세라믹 소재로 구비될 수 있다.
상기 2차 촉매(300)는, 알루미나 세라믹(Al2O3)으로 구비될 수 있다.
상기 2차 촉매(300)는 허니컴 구조로 이루어질 수 있다.
일 예로, 상기 2차 촉매(300)는, 이산화 지르코늄(ZrO2) 및/또는 이산화티타늄(TiO2)으로 구비되고, 허니컴 구조로 이루어질 수 있다.
상기 2차 촉매(300)의 주변에 배치되어, 상기 2차 촉매(300)의 효율 향상을 위해 2차 촉매(300)를 가열하는 제2 히터(310)를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 히터(310)는 2차 촉매(300)를 100℃ 내지 150℃로 가열할 수 있다.
상기 제2 히터(310)는 2차 촉매(300)를 100℃ 내지 150℃로 상시 가열할 수 있다.
도 2를 참조하면, 2차 촉매(300)는 허니컴 구조를 갖는다
그리고, 상기 2차 촉매(300)는 알루미나 세라믹(Al2O3) 계열의 모체에 산화 지르코늄(ZrO2)과 이산화티타늄(TiO2)을 코팅하여 구비될 수 있다.
그리고, 2차 촉매(300)의 효율 향상을 위해서, 제2 히터(310)는 약 100℃ 내지 150℃로 2차 촉매(300)를 가열 시킬 수 있다.
상기와 같이, 1차 촉매(200)를 통과한 배기가스가, 알루미나 세라믹(Al2O3) 계열의 모체에 이산화 지르코늄(ZrO2) 및/또는 이산화티타늄(TiO2)을 코팅하여 구비되고, 약 100℃ 내지 150℃로 가열된 2차 촉매(300)를 추가로 통과하면, 촉매 환원 반응에 의해, 잔류 NO, NO2(질산염)가 한 번더 제거될 수 있다.
즉, 1차 촉매(200)와 2차 촉매(300)를 통과하면서, 배기가스 내 NO, NO2(질산염)이 두 단계로 제거되어, 배기가스 내 NO, NO2(질산염)의 제거율이 증가될 수 있다.
한편, 3차 촉매(400)는 소석회(Ca(OH)2)로 구비될 수 있다.
상기 3차 촉매(400)는 1차 촉매(200)와 2차 촉매(300)를 통과한 배기가스 내, 잔류 CO,CO2를 제거하기 위해 구비된다.
1차 촉매(200)와 2차 촉매(300)를 통과한 배기가스는, 소석회(Ca(OH)2)와 촉매 환원 반응하여 CO,CO2가 제거될 수 있다. (화학식 6 참조)
[화학식 6]
Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O
상기와 같이, 배기가스는 1차 촉매(200), 2차 촉매(300), 3차 촉매(400)를 거치면서, NO, NO2는 물론, CO, CO2 가 촉매(200,300,400)와 작용을 하여, 촉매(200,300,400)에 접촉 및 제거된 후 배출될 수 있다.
100 : 하우징
200 : 1차 촉매
300 : 2차 촉매
400 : 3차 촉매
200 : 1차 촉매
300 : 2차 촉매
400 : 3차 촉매
Claims (10)
- 반도체 및 디스플레이 제조공정에서 배출되는 배기가스 내 질소산화물 제거장치에 있어서,
상기 배기가스가 유입되는 유입구와, 유입된 배기가스가 배출되는 배출구가 형성된 하우징과, 상기 하우징 내에 배치되는 복수의 촉매를 포함하되,
상기 촉매는:
고체 암모니아로 이루어진 1차 촉매;
세라믹으로 이루어진 2차 촉매;
소석회(Ca(OH)2)로 이루어진 3차 촉매;를 포함하고,
상기 유입구로 유입된 배기가스는 상기 1차 촉매와 2차 촉매와 3차 촉매를 순서대로 통과한 뒤, 상기 배출구로 배출되는 질소산화물 제거장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 1차 촉매의 주변에 배치되어, 상기 1차 촉매를 가열하는 제1 히터를 더 포함하는 질소산화물 제거장치.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 히터는 30℃ 내지 50℃로 상기 1차 촉매를 가열하는 질소산화물 제거장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 2차 촉매는, 이산화 지르코늄(ZrO2) 및/또는 이산화티타늄(TiO2)이 코팅되는 질소산화물 제거장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 2차 촉매는, 알루미나 세라믹(Al2O3)으로 이루어진 질소산화물 제거장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 2차 촉매는 허니컴 구조로 이루어진 질소산화물 제거장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 2차 촉매의 주변에 배치되어, 상기 2차 촉매를 가열하는 제2 히터를 더 포함하는 질소산화물 제거장치.
- 제 7항에 있어서,
상기 제2 히터는 100℃ 내지 150℃로 상기 2차 촉매를 가열하는 질소산화물 제거장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 유입구로 유입되는 배기가스는, 스크러버(scrubber)에서 처리된 상태인 질소산화물 제거장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 유입구는 상기 하우징의 하단에 형성되고, 상기 배출구는 상기 하우징의 상단에 형성되며,
상기 1차 촉매의 상부에 상기 2차 촉매가 이격 배치되고, 상기 2차 촉매의 상부에 상기 3차 촉매가 이격 배치되는 질소산화물 제거장치.
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- 2020-11-11 KR KR1020200150380A patent/KR102296714B1/ko active IP Right Grant
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