KR102619579B1 - 배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치 - Google Patents
배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102619579B1 KR102619579B1 KR1020210105815A KR20210105815A KR102619579B1 KR 102619579 B1 KR102619579 B1 KR 102619579B1 KR 1020210105815 A KR1020210105815 A KR 1020210105815A KR 20210105815 A KR20210105815 A KR 20210105815A KR 102619579 B1 KR102619579 B1 KR 102619579B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- plasma
- cathode electrode
- electrode body
- coolant
- exhaust gas
- Prior art date
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 48
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 51
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 36
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 36
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 21
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims description 18
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 6
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 41
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 abstract description 39
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 abstract description 39
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 135
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 3
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 2
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229920006926 PFC Polymers 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/32—Plasma torches using an arc
- H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J3/00—Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
- B01J3/006—Processes utilising sub-atmospheric pressure; Apparatus therefor
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/32—Plasma torches using an arc
- H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
- H05H1/3423—Connecting means, e.g. electrical connecting means or fluid connections
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J12/00—Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor
- B01J12/002—Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor carried out in the plasma state
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
- F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
- F23G7/06—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
- F23G7/061—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating
- F23G7/063—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating electric heating
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/28—Cooling arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/32—Plasma torches using an arc
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H2242/00—Auxiliary systems
- H05H2242/10—Cooling arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H2245/00—Applications of plasma devices
- H05H2245/10—Treatment of gases
- H05H2245/17—Exhaust gases
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
- Y02C20/30—Capture or disposal of greenhouse gases of perfluorocarbons [PFC], hydrofluorocarbons [HFC] or sulfur hexafluoride [SF6]
Abstract
본 발명은 배기가스 처리 장치 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공펌프에 연결시에도 플라즈마 토치의 전극 수명을 연장할 수 있는 플라즈마 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 플라즈마 장치는 진공펌프와의 연결을 위한 연결부에 오리피스를 장착하여 진공펌프의 압력 강하를 차단함으로써, 플라즈마 장치의 플라즈마 토치를 포함하는 플라즈마 반응부의 압력을 상압과 유사하게 유지시킬 수 있기 때문에 플라즈마 토치 내의 텅스텐 전극 마모를 줄일 수 있어 전극 수명을 연장시킬 수 있다.
Description
본 발명은 배기가스 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공펌프에 연결시에도 플라즈마 토치의 전극 수명을 연장할 수 있는 플라즈마 장치에 관한 것이다.
반도체, LCD등 산업의 대형화와 생산 증가에 따라 그 공정에 사용되는 가스 또한 증가하고 있다. 반도체 제조 공정은 수많은 단계를 가지며, 이에 사용되는 가스 종류는 수많은 단계의 공정만큼이나 다양하다.
예를 들어, 반도체 소자 제조공정에 있어서, 공정챔버에 공급된 웨이퍼에 대해 포토리소그래피, 식각, 확산 및 금속증착 등의 공정들이 반복적으로 수행된다. 이러한 반도체 제조 공정 중에는 다양한 공정 가스가 사용되며, 공정이 완료된 후에는 공정챔버로부터 배기가스가 진공펌프에 의해 배출되는데, 배기가스는 유독성분을 포함할 수 있으므로, 진공펌프에 의해 배출되기 전에 스크러버와 같은 배기가스 처리장치에 의해 정화된다.
현재 국가적으로 반도체 생산량 및 수요 증대에 따라 국내 IT 제조 공정에서 배출되는 유해가스를 정화하는 POU 스크러버(Scrubber) 장비 도입을 늘리고 있는 실정이며, 기존 설비의 성능 저하 문제를 개선할 신규 기술 도입이 요구되고 있다.
따라서 현재 반도체 공정 배기가스 처리 공정에서 PFCs 를 분해 처리하기 위한 1 차 POU 스크러버 용도 또는 염 발생에 의한 진공 펌프의 잦은 유지보수 문제를 해결하기 위한 용도 등 여러 위치에 접목이 가능한 플라즈마 방식 과불화합물(PFC) 배기가스 처리장치를 설명하고자 한다.
구체적으로, 상기 플라즈마 방식 배기가스 처리장치는 과불화화합물(PFC)을 포함하는 배기가스가 유입되면 이를 플라즈마 발생용 질소(N2)와 인입 전기에 의해 생성되는 고온의 플라즈마 영역에서 분해하도록 상부에 구비된 플라즈마 토치와, 상기 플라즈마 토치의 하부에 구비된 플라즈마 챔버와, 상기 플라즈마 토치 및 상기 플라즈마 챔버의 사이에 반응수가 공급되도록 구비된 반응수 주입부로 이루어진 플라즈마 반응기; 및 상기 플라즈마 반응기의 하부에 연통 구비되어 상기 플라즈마 반응기를 거쳐 분해된 가스가 진공펌프로 이동하기 위한 연결부를 포함한다.
그러나, 이러한 플라즈마 방식의 배기가스 처리장치는 진공펌프에 연결시, 진공이 배기가스 처리장치의 연결부를 통해 플라즈마 반응기에 이르기까지 영향을 미침으로써, 플라즈마 반응기의 산화전극으로 사용되는 텅스텐이 낮은 압력에 의해 끓는점이 낮아져 기화됨으로써 수명/성능이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 진공펌프에 연결시에도 전극 수명을 연장시킬 수 있는, 배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 플라즈마 장치는 진공펌프와 연결되어 배기가스 처리를 위한 장치로서, 플라즈마 토치와, 상기 플라즈마 토치의 하부에 구비된 배기가스 주입부와, 상기 배기가스 주입부 하부에 구비된 반응 챔버와, 상기 플라즈마 토치 및 상기 반응 챔버에 냉각수가 공급되도록 구비된 냉각수 챔버를 포함하는 플라즈마 반응부; 상기 플라즈마 반응부 하부에 연통되어 형성되고, 통로와 상기 통로를 둘러싸는 냉각수 챔버가 구비된 냉각부; 및 상기 냉각부와 진공펌프를 연결하는 연결부를 포함한다.
상기 연결부에는 진공펌프에 의한 압력 강하를 차단하기 위한 오리피스가 구비될 수 있다.
상기 오리피스는 연결부의 통로를 가로막는 몸체와, 상기 몸체의 일부에 형성되는 적어도 하나의 오리피스 구멍을 포함할 수 있다.
상기 오리피스 구멍의 크기는 배기가스의 유입 유량에 비례하여 증대될 수 있다.
상기 플라즈마 반응부는 플라즈마 토치와, 배기가스 주입부와, 반응 챔버가 일체형으로 형성될 수 있다.
상기 플라즈마 토치는 내부가 채워진 기둥 형상을 갖는 캐소드 전극; 상기 캐소드 전극를 감싸도록 형성되고, 하부가 볼록한 볼록부를 갖는 캐소드 전극체; 상기 캐소드 전극 및 상기 캐소드 전극체 상부를 덮는 커버; 상기 캐소드 전극체 하부에 소정거리 이격되어 배치된 애노드 전극체; 상기 캐소드 전극체와 상기 애노드 전극체 사이에 배치되고, 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생 가스를 공급하는 플라즈마 발생 가스공급부; 및 상기 캐소드 전극체 및 상기 애노드 전극체에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수공급부를 포함할 수 있다.
상기 캐소드 전극 하부의 일단은 상기 캐소드 전극체에 소정부분 노출될 수 있다.
상기 볼록부 내부에는 플라즈마 발생 가스의 와류가 발생되도록 원통 형상의 홈으로 된 아크 발생부가 형성될 수 있다.
상기 애노드 전극체 내부에는 하부 방향으로 갈수록 직경이 넓어지는 원통형의 배출부가 형성될 수 있다.
상기 플라즈마 발생 가스공급부는, 내부에 공간이 형성된 링 형상의 몸체; 및 상기 몸체에 형성되어 가스를 주입하는 플라즈마 발생 가스주입관을 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 발생 가스주입관은 상기 몸체 내부 공간의 원주방향에 접하도록 형성되되, 두 개의 플라즈마 발생 가스주입관이 서로 180°가 되도록 배치될 수 있다.
상기 플라즈마 발생 가스주입관의 가스배출구 직경은 가스주입구의 직경보다 작게 형성될 수 있다.
상기 반응 챔버 및 냉각부에 구비된 냉각수 챔버는 가스 기포 형성을 방지하기 위해 냉각수주입구를 냉각수 챔버의 최하단에 구비하고, 냉각구배출구를 냉각수 챔버의 최상단에 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 장치는 진공펌프와의 연결을 위한 연결부에 오리피스를 장착하여 진공펌프의 압력 강하를 차단함으로써, 플라즈마 장치의 플라즈마 토치를 포함하는 플라즈마 반응부의 압력을 상압과 유사하게 유지시킬 수 있기 때문에 플라즈마 토치 내의 텅스텐 전극 마모를 줄일 수 있어 전극 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 장치 내의 플라즈마 토치는 플라즈마 발생 가스를 캐소드 전극체 하부에 형성된 원통형의 아크 발생부에 의해 고속 회전하여 강한 와류를 형성할 수 있기 때문에 정밀하고, 안정적인 플라즈마를 유지시킬 수 있으며, 저전력 운전에도 가스처리 효율을 향상시킬 수 있으며, 캐소드 전극체에 형성된 아크 발생부에 의해 플라즈마 발생 가스가 회전하여 일정한 플라즈마를 유지시킬 수 있기 때문에 전극 마모를 줄일 수 있어 전극 수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치가 진공펌프에 연결된 상태를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 플라즈마 토치를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 플라즈마 토치를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 플라즈마 토치의 가스공급부를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 플라즈마 토치 내부에서 플라즈마 발생 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모길이 측정을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 오리피스를 포함하지 않을 때의 운전 시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모길이를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 오리피스를 포함하지 않을 때의 상압에서 운전시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모상태를 나타내는 사진이다(약 250일 가동 후).
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 오리피스를 포함하지 않을 때의 상압에서 운전시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모상태를 나타내는 사진이다(약 600일 가동 후).
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 오리피스를 포함하는 경우의 운전 시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모상태를 나타내는 사진이다(2일차, 20시간 가동 후).
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 오리피스를 포함하는 경우의 운전 시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모상태를 나타내는 사진이다(3일차, 28시간 가동 후).
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 플라즈마 토치를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 플라즈마 토치를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 플라즈마 토치의 가스공급부를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 플라즈마 토치 내부에서 플라즈마 발생 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모길이 측정을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 오리피스를 포함하지 않을 때의 운전 시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모길이를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 오리피스를 포함하지 않을 때의 상압에서 운전시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모상태를 나타내는 사진이다(약 250일 가동 후).
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 오리피스를 포함하지 않을 때의 상압에서 운전시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모상태를 나타내는 사진이다(약 600일 가동 후).
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 오리피스를 포함하는 경우의 운전 시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모상태를 나타내는 사진이다(2일차, 20시간 가동 후).
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 오리피스를 포함하는 경우의 운전 시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모상태를 나타내는 사진이다(3일차, 28시간 가동 후).
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치가 진공펌프에 연결된 상태를 나타내는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 장치(100)는 반도체 공정으로부터 발생되어 진공펌프로 향하는 배기가스에 대해 처리를 하는 배기가스 처리 장치일 수 있다. 본 발명 따른 플라즈마 장치(100)는, 반도체 메인(Main) 공정에서 진공펌프(Vacuum Pump)로 배출되는 특수 가스로 인한 부산물(By-Products)이 진공펌프로 유입되어 펌프 유지 관리 및 설비 운영 등의 문제를 발생시키는 것을 방지하는 장치로 적용될 수 있다. 이에 따라, 펌프 유지 관리 및 설비 운영의 효율이 향상되고 진공펌프의 수명(V/P Life Time)이 개선될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치를 나타내는 개략도이다.
본 발명에 따른 배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치(100)는 도 2를 참조하면, 플라즈마 반응부(10), 냉각부(20) 및 연결부(30)를 포함한다.
상기 플라즈마 반응부(10)는 플라즈마 토치(11)와, 상기 플라즈마 토치의 하부에 구비된 배기가스 주입부(12)와, 상기 배기가스 주입부 하부에 구비된 반응 챔버(13)와, 상기 플라즈마 토치 및 상기 반응 챔버에 냉각수가 공급되도록 구비된 냉각수 챔버(14)를 포함한다.
상기 플라즈마 토치(11)는 당 업계에서 공지된 플라즈마 토치를 사용할 수 있으며, 예컨대 RF 플라즈마 토치, 마이크로파(Microwave) 플라즈마 토치, 아크(Arc) 플라즈마 토치 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
바람직하게는 상기 플라즈마 토치는 아크 플라즈마 토치를 사용할 수 있으며, 상기 아크 플라즈마 토치는 다음과 같이 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 플라즈마 토치를 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 플라즈마 토치를 나타내는 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 토치(11)는 캐소드 전극(110), 캐소드 전극체(120), 커버(130), 애노드 전극체(140), 플라즈마 발생 가스공급부(150) 및 냉각수공급부(160)를 포함한다.
캐소드 전극(110)은 내부가 채워진 상하부로 길게 형성된 기둥 형상을 가질 수 있다. 캐소드 전극(110)의 상부 단면은 평평한 형상을 갖지만, 하부 단면은 하부 방향으로 볼록한 반구 형상을 가질 수 있다. 이는 후술할 가스공급부(150)에서 공급된 플라즈마 발생 가스가 캐소드 전극(110) 하부에서 회전하여 와류를 형성할 때, 와류의 형성을 방해하지 않고 효과적으로 와류를 형성할 수 있도록 하기 위함이다.
또한, 캐소드 전극(110)의 재질은 바람직하게는 텅스텐일 수 있다. 종래에는 텅스텐으로 된 캐소드 전극(110)을 제작하기 위해 텅스텐 가루를 고온에서 응축하여 틀을 형성하여 제작하였기 때문에 견고하지 않아 플라즈마 토치 가동 시 캐소드 전극 수명이 단축되는 문제가 있었다. 하지만, 본 발명의 캐소드 전극(110)은 종래와 같이 텅스텐 가루를 고온에서 응축하는 방식이 아닌 순수 텅스텐을 가공하여 제작하는 방식을 사용한다. 따라서, 종래의 캐소드 전극보다 견고하게 제작될 수 있기 때문에 캐소드 전극(110)의 수명을 연장시킬 수 있다.
캐소드 전극체(120)는 상기 캐소드 전극(110)을 감싸도록 형성될 수 있다. 캐소드 전극체(120)는 캐소드 전극(110)을 수용하도록 내부 중앙에 전극 수용홀(121)이 형성될 수 있다. 또한, 캐소드 전극체(120)의 하부는 하부방향으로 볼록한 형상의 볼록부(122)를 포함하되, 볼록부(122) 내부는 플라즈마 발생 가스의 와류가 발생되도록 원통 형상의 홈으로 된 아크 발생부(123)가 형성될 수 있다. 즉, 캐소드 전극체(120) 내부에 형성된 전극 수용홀(121)과 하부에 형성된 아크 발생부(123)는 서로 연통될 수 있다. 형성된 아크 발생부(123)의 지름은 상기 전극 수용홀(121)의 지름보다 크게 형성됨이 바람직하다.
캐소드 전극(110)은 캐소드 전극체(120)의 전극 수용홀(121)에 삽입되어 장착되되, 캐소드 전극(110) 하부단면 즉, 캐소드 전극(110) 하부의 볼록한 반구 형상을 갖는 부위는 캐소드 전극체(120)의 아크 발생부(123)에 노출되도록 배치될 수 있다. 따라서, 캐소드 전극체(120)의 아크 발생부(123)는 캐소드 전극(110)의 하부 단면 주위를 감싸는 형태일 수 있다.
또한, 캐소드 전극체(120) 내부에는 플라즈마에 의해 발생되는 열을 식히기 위해 캐소드 전극체(120) 내부에 냉각수가 유동하도록 냉각수공급부(160)를 포함할 수 있다. 냉각수공급부(160)는 냉각수가 캐소드 전극체(120) 내부로 유동하도록 캐소드 전극체(120) 내부에 형성된 냉각홀(161)과 냉각수가 캐소드 전극체(120)로 주입되도록 형성된 냉각수주입구(162) 및 냉각수가 캐소드 전극체(120) 내부를 유동하여 냉각한 후 배출될 수 있도록 냉각수배출구(163)를 포함할 수 있다.
커버(130)는 상기 캐소드 전극(110)의 타단 및 캐소드 전극체(120)의 상부를 덮을 수 있다. 또한, 커버(130)는 절연물질로 형성될 수 있다. 이때, 상기 절연물질은 폴리염화비닐 또는 테프론, 세라믹 등으로 형성될 수 있다. 따라서, 커버(130)는 캐소드 전극(110) 및 캐소드 전극체(120)를 효과적으로 절연시킬 수 있다.
애노드 전극체(140)는 상기 캐소드 전극체(120) 하부에 소정거리 이격되어 배치될 수 있다. 애노드 전극체(140)의 상부는 상기 캐소드 전극체(120)와 이격되게 설치되어 캐소드 전극체(120)에서 발생된 아크를 수용하는 (+)극성 전극체의 역할을 수행할 수 있다. 바람직하게는 애노드 전극체(140)는 전기전도율이 높은 구리로 형성될 수 있다. 또한, 애노드 전극체(140)의 내부는 열분해 반응 후의 기체, 질소 가스 및 플라즈마를 배출하는 배출부(141)를 포함할 수 있다.
애노드 전극체(140)의 배출부(141)는 원통형으로 형성될 수 있으며, 배출부(141)의 직경은 하부 방향으로 갈수록 넓어지되, 제1 배출부(142), 제2 배출부(143) 및 제3 배출부(144)로 구분될 수 있다. 즉, 제2 배출부(143)의 직경은 제1 배출부(142)의 직경보다 크고, 제3 배출부(144)의 직경은 제2 배출부(143)의 직경보다 크게 형성될 수 있다.
제2 배출부(143)의 직경이 제1 배출부(142)의 직경보다 크게 형성하기 위해 제2 배출부(143)와 제1 배출부(142) 사이에 제1 경사부(145)가 형성될 수 있다. 즉, 제1 경사부(145)는 하부 방향으로 갈수록 직경이 넓어지도록 경사가 형성될 수 있다. 바람직하게는 상기 제1 경사부(145)는 플라즈마 발생 가스가 배출부(141)를 통해 배출될 때, 배출되는 가스가 배출부(141)에 접촉되는 면을 증가시켜 내부에서 고속 회전하도록 함으로써 효과적으로 와류를 발생시킬 수 있도록 130°이상 150°이하의 경사를 갖을 수 있으며, 더욱 바람직하게는 경사부는 140°의 경사를 갖을 수 있다. 또한, 제3 배출부(144)의 직경이 제1 배출부(142) 및 제2 배출부(143)의 직경보다 크게 형성될 수 있다. 즉, 제3 배출부(144)의 직경을 제2 배출부(143)의 직경보다 크게 형성하기 위해 제3 배출부(144)와 제2 배출부(143) 사이에 제2 경사부(146)가 형성될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 플라즈마 토치(11)의 애노드 전극체(140)의 배출부(141)의 크기를 3단계로 구분하고, 각각의 배출부(142,143,144) 사이에 경사면(145,146)을 형성하여 배출부(141)를 확장시킴으로써 배출가스가 배출부(141)에 접촉되는 면을 최대한 증가시킬 수 있기 때문에 배출가스는 배출부(141) 내부에서 고속 회전하면서 배출될 수 있다. 이러한 고속 회전하는 배출가스는 배출부(141) 내부에서 강한 와류를 발생시킬 수 있기 때문에 저전력에서도 고효율로 폐가스를 처리할 수 있어 에너지 사용량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 애노드 전극체(140)의 상부는 배출부(141)의 주변이 돌출되도록 돌출부(147)가 형성될 수 있다. 애노드 전극체(140)의 돌출부(147)는 가스공급부(150)에서 분사되는 가스가 상기 캐소드 전극체(120)의 아크 발생부(123) 방향으로 고속으로 인입될 수 있도록 하는 가이드 역할을 수행할 수 있다.
애노드 전극체(140) 내부는 캐소드 전극체(120)와 같이 플라즈마에 의해 발생되는 열을 식히기 위해 애노드 전극체(140) 내부에 냉각수가 유동하도록 냉각수공급부(160)를 포함할 수 있다. 냉각수공급부(160)는 냉각수가 애노드 전극체(140) 내부로 유동하도록 애노드 전극체(140) 내부에 형성된 냉각홀(161)과 냉각수가 애노드 전극체(140)로 주입되도록 형성된 냉각수주입구(162) 및 냉각수가 애노드 전극체(140) 내부를 유동하여 냉각한 후 배출될 수 있도록 냉각수배출구(163)를 포함할 수 있다. 즉, 냉각수공급부(160)는 캐소드 전극체(120)와 애노드 전극체(140)에 각각 형성될 수 있다.
플라즈마 발생 가스공급부(150)는 캐소드 전극체(120)와 애노드 전극체(140) 사이에 링 형상으로 배치될 수 있다. 좀 더 상세하게는 플라즈마 발생 가스공급부(150)는 상기 캐소드 전극체(120)의 볼록부(122)에 삽입되는 형태로 배치될 수 있다.
플라즈마 발생 가스공급부(150)는 플라즈마 토치(11) 내부에서 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생 가스를 토치 내부로 공급할 수 있다. 일예로, 플라즈마 발생 가스는 N2 가스일 수 있다.
또한, 플라즈마 발생 가스공급부(150)는 내부에 공간이 형성된 원통형의 몸체(151) 및 상기 몸체(151)에 형성되어 플라즈마 발생 가스를 주입하는 플라즈마 발생 가스주입관(152)을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치의 플라즈마 발생 가스공급부(150)를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 플라즈마 발생 가스공급부(150)의 몸체(151)는 내부에 공간이 형성된 링 형상을 가지며, 캐소드 전극체(120)의 볼록부(122)에 삽입되는 형태로 장착될 수 있다.
플라즈마 발생 가스공급부(150)의 플라즈마 발생 가스주입관(152)은 도 5에서와 같이, 상기 몸체(151) 내부 공간의 원주방향에 접하도록 형성되되, 두 개의 플라가스주입관(152)이 서로 180°가 되도록 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 플라즈마 발생 가스주입관(152)을 통해 배출되는 가스의 배출 압력을 높이기 위해 플라즈마 발생 가스주입관(152)의 플라즈마 발생 가스배출구(154)는 플라즈마 발생 가스주입구(153)보다 직경이 작도록 형성될 수 있다. 즉, 플라즈마 발생 가스주입관(152)의 플라즈마 발생 가스주입구(153)보다 플라즈마 발생 가스배출구(154)의 직경이 작기 때문에 플라즈마 발생 가스배출구(154)를 통해 배출되는 가스를 강하게 분사할 수 있고, 서로 180°이격되어 배치된 가스주입관(152) 구조에 의해 강한 와류를 형성할 수 있다.
플라즈마 발생 가스주입관(152)의 플라즈마 발생 가스배출구(154)의 위치는 플라즈마 발생 가스공급부(150)가 캐소드 전극체(120)의 볼록부(122)에 삽입되었을 때 플라즈마 발생 가스배출구(154)가 볼록부(122)를 바라보도록 배치하는 것이 바람직하다. 이는 가스배출구(154)에서 분사되는 배출가스가 캐소드 전극체(120)의 볼록부(122)를 따라 흐르게 함으로써 캐소드 전극체(120)의 아크 발생부(123)로 가스를 유도하기 위함이다.
도 6은 본 발명의 플라즈마 장치에 있어서, 플라즈마 토치 내부에서 플라즈마 발생 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 플라즈마 발생 가스공급부(150)를 통해 주입되는 플라즈마 발생 가스는 플라즈마 발생 가스공급부(150)의 두 개의 플라즈마 발생 가스주입관(152)을 통해 몸체(151) 내부로 분사된다. 분사된 가스는 캐소드 전극체(120)의 볼록부(122)와 애노드 전극체(140)의 돌출부(147)를 통해 캐소드 전극체(120)의 아크 발생부(123) 방향으로 강하게 인입된다. 아크 발생부(123)로 강하게 인입된 가스는 원통형의 아크 발생부(123)에서 고속 회전하여 강한 와류를 발생시킨다. 이러한 와류에 의해 플라즈마 발생시 안정적인 플라즈마를 유지시킬 수 있기 때문에 저전력 운전에서도 가스처리 효율을 높일 수 있다.
또한, 분사되는 플라즈마 발생 가스의 와류가 약하면 플라즈마 방전시 아크가 발생되는 지점에서 전극이 마모되는 문제가 발생된다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5 및 도 6의 플라즈마 토치는 플라즈마 발생 가스주입관(152)에 의해 강하게 분사되는 가스와 캐소드 전극체(120) 하부에 형성된 홈 형상의 아크 발생부(123) 구조에 의해 강한 와류가 발생되어 일정한 플라즈마를 유지할 수 있기 때문에 전극이 마모되는 것을 감소시킬 수 있다. 따라서, 종래의 플라즈마 토치와 대비하여 전극 수명을 두 배 이상 연장시킬 수 있다.
다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 애노드 전극체(140)의 상부 및 하부에는 각각 제1 절연부(170)와 제2 절연부(180)가 더 포함될 수 있다.
제1 절연부(170)는 상기 애노드 전극체(140)의 돌출부(147)를 감싸도록 형성될 수 있다. 제1 절연부(170)는 가스공급부(150)의 하부에 배치되어 캐소드 전극체(120)와 애노드 전극체(140)를 서로 절연시키기 위해 전극 간 거리 유지 역할을 수행한다. 제1 절연부(170)의 재질로는 내열성과 강성이 우수한 절연재질이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
제2 절연부(180)는 상기 애노드 전극체(140) 하부를 감싸도록 형성될 수 있다. 제2 절연부(180)는 애노드 전극체(140)와 애노드 전극체(140)를 지지하는 플레이트 사이에 배치되어 애노드 전극체(140)를 플레이트로부터 절연시킬 수 있다. 제2 절연부(180)의 재질로는 내열성과 강성이 우수한 절연재질이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 플라즈마 토치에서 형성된 플라즈마는 와류에 의해 상기 플라즈마 토치의 하부에 구비된 반응 챔버(13)로 이동한다.
한편, 상기 플라즈마 토치와 반응 챔버 사이에는 배기가스 주입부(12)가 형성된다. 상기 배기가스 주입부(12)에서 주입된 배기가스는 상기 배기가스 주입부 하부에 구비된 반응 챔버(13)로 이동한다.
상기 반응 챔버(13)는 배기가스 주입부(12)에서 주입된 배기가스와 플라즈마가 반응하여 상기 플라즈마에 의해 과불화물이 분해되어 분해가스가 생성될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 플라즈마 반응부는 반응 챔버(13)가 구비되어, 배기가스는 직접 플라즈마 토치에 분사되지 않고, 플라즈마 토치의 하부에 위치한 반응 챔버(13)로 인입됨으로써, 플라즈마 토치의 전극에 영향을 미치지 않으므로, 플라즈마 토치의 전극의 수명이 향상될 수 있다.
상기 분해가스는 고온의 플라즈마에 의해 고온으로 존재하는 바, 외부로 배출되기 위하여 상기 반응 챔버(13) 내에 형성된 냉각수 챔버(14)에 충진된 냉각수에 의해 1차 냉각되어, 상기 반응 챔버(13)의 하단에 있는 냉각부(20)로 이동한다.
상기 냉각수 챔버(14)는 상기 플라즈마 토치, 상기 반응 챔버, 그리고 후술할 냉각부의 벽면에 냉각수가 공급되도록 구비된다. 이때 상기 플라즈마 토치 내에 구비된 냉각수 챔버는 전술한 냉각수공급부(160), 냉각홀(161), 냉각수주입구(162) 및 냉각수배출구(163)를 포함하며, 이에 대한 자세한 설명은 전술한 바와 같다.
상기 반응 챔버(13) 내에 형성된 냉각수 챔버(14)에 있어서, 가스의 기포 형성을 방지하기 위하여 가스의 냉각은 최하단부터 수행되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 반응 챔버(13)에 구비된 냉각수 챔버(14)는 냉각수주입구(25)를 냉각수 챔버의 최하단에 설치하고, 냉각수배출구(26)를 냉각수 챔버의 최상단에 설치할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 플라즈마 반응부는 플라즈마 토치(11), 배기가스 주입부(12) 및 반응 챔버(13)를 일체형으로 제작하여 플라즈마의 형성과 반응을 안정적으로 수행할 수 있다.
상기 냉각부(20)는 상기 플라즈마 반응부(10)의 하부에 연통 구비되어 상기 플라즈마 반응부를 거쳐 분해된 가스가 진공펌프로 이동하기 전 온도를 낮추는 역할을 한다. 상기 냉각부(20)는 내부 관 냉각효과를 위해, 이동 통로(21)와 냉각수 챔버(22)의 2중 구조 엘보(elbow) 파트로 구성될 수 있다.
이때, 가스의 기포 형성을 방지하기 위하여 가스의 냉각은 최하단부터 수행되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 냉각부(20)에 구비된 냉각수 챔버(22) 또한 가스 기포 형성을 방지하기 위해 냉각수주입구(23)를 냉각수 챔버의 말미(최하단)에 설치하고, 냉각수배출구(24)를 냉각수 챔버의 최상단에 설치할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 연결부(30)는 상기 플라즈마 장치를 진공펌프와 연결하는 부분이다.
그런데, 상기 진공펌프는 10-3 Torr의 진공도를 유지하므로, 본 발명에 따른 플라즈마 장치를 상기 진공펌프에 그대로 연결하는 경우, 플라즈마 장치의 연결부를 통해 플라즈마 반응부 내부에도 10-3 Torr에 가까운 진공도가 형성됨으로써, 플라즈마 토치 내의 텅스텐 전극이 낮은 압력에 의해 끓는점이 낮아져 기화됨으로써 수명/성능이 저하되는 문제가 있었다.
이에, 본 발명자들은 진공펌프에 의한 상기 플라즈마 장치 내의 압력 저하를 방지하기 위한 방법을 연구하던 중, 상기 연결부(30)에 오리피스(31)를 설치함으로써 가스 유량을 제어하여, 플라즈마 토치를 포함하는 플라즈마 반응부 내부의 압력 강하를 차단함으로써, 이에 플라즈마 토치 내의 텅스텐 전극의 기화를 억제하여 수명을 향상시킬 수 있음을 발견하였다.
따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 상기 연결부(30)는 오리피스(31)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 오리피스(31)는 연결부의 통로를 가로막는 몸체와, 상기 몸체의 일부에 형성되는 오리피스 구멍을 포함한다.
상기 오리피스 구멍은 적어도 한개가 형성될 수 있으며, 상기 오리피스 구멍의 크기는 진공을 상쇄시킬 수 있는 크기로 형성될 수 있다. 예를 들면 상기 오리피스 구멍은 직경이 3~5 mm 정도의 원형 크기일 수 있으나, 배기가스의 유입 유량에 비례하여 증대될 수 있다. 그러나, 만일 상기 오리피스 구멍의 크기가 배기가스의 유입 유량 대비 너무 크게 형성되면, 압력 강하 차단 효과가 저하되어 플라즈마 토치 내의 텅스텐 전극의 기화로 전극 마모가 지속되는 문제가 있다.
이하 실험예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 하기 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 기술된 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실험예
본 발명의 플라즈마 토치가 장착된 플라즈마 장치를 진공펌프에 연결할 때에, 연결부(30)에 설치된 오리피스가 플라즈마 토치 내의 텅스텐 전극의 마모에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위하여, 다음과 같은 실험을 수행하였다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 토치(11)와, 상기 플라즈마 토치의 하부에 구비된 배기가스 주입부(12)와, 상기 배기가스 주입부 하부에 구비된 반응 챔버(13)와, 상기 플라즈마 토치 및 상기 반응 챔버에 냉각수가 공급되도록 구비된 냉각수 챔버(14)를 포함하는 플라즈마 반응부(10); 상기 플라즈마 반응부 하부에 연통되어 형성된 냉각부(20) 및 연결부(30)를 포함하는 플라즈마 장치를 제작하였다.
상기 플라즈마 장치에 있어서, 상기 연결부에 오리피스를 장착한 경우와 장착하지 않은 경우에 대하여, 진공펌프에 연결하고 플라즈마 장치를 구동하면서 운전 시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모길이를 측정하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모길이 측정을 나타내는 도면이다.
상기 텅스텐 전극의 마모길이는 도 7에 나타낸 바와 같이, 장치 구동 전의 텅스텐 전극의 길이에서 장치 구동 후의 텅스텐 전극의 길이를 뺀 차이를 나타낸다. 상기 텅스텐 전극은 15 mm가 마모되면 수명이 다 한것으로 판단되었다.
먼저, 연결부에 오리피스를 장착하지 않은 경우에 대하여, 플라즈마 장치의 운전 시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모길이를 측정하여 표 1 및 도 8에 나타내었다. 플라즈마 장치의 운전은 1일당 평균 10시간 정도 수행하였다.
| 날짜 | Pump N2(L/m) | 공급 N2(L/m) | 전류(A) | 전압(V) | 텅스텐 전극 마모길이(mm) |
| 1일차 | 23 | 6 | 20 | 80 | 4 |
| 2일차 | 23 | 6 | 20 | 90 | 7 |
| 3일차 | 23 | 6 | 20 | 95 | 9 |
| 4일차 | 23 | 6 | 20 | 100 | 10 |
| 5일차 | 23 | 6 | 20 | 100 | 11 |
| 6일차 | 23 | 6 | 20 | 105 | 11 |
| 7일차 | 23 | 6 | 20 | 120 | 13 |
| 8일차 | 23 | 10 | 20 | 120 | 15 |
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 연결부에 일 구성요소인 오리피스를 장착하지 않을 때의 진공펌프에 연결된 플라즈마 장치의 운전 시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모길이를 나타내는 그래프이다.
표 1 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 장치에 있어서 연결부에 오리피스를 장착하지 않은 경우, 진공펌프에 연결된 플라즈마 장치는 81시간(약 8일)만에 플라즈마 토치의 텅스텐 전극이 수명이 다함으로써, 더이상 상기 플라즈마 장치를 현장에 적용하는 것이 어려움을 확인하였다.
한편, 비교예로서 본 발명에 따른 플라즈마 장치에 있어서 연결부에 오리피스를 장착하지 않은 경우, 상압에서 플라즈마 장치를 반도체 공정 내 설치하여 운전하고, 운전 시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모길이를 측정하여 표 2에 나타내었다. 플라즈마 장치의 운전은 600일 정도 수행하였다.
| 날짜 | 공급 N2(L/m) | 전류(A) | 전압(V) | 텅스텐 전극 마모길이(mm) |
| 가동 전 | 40 | 22 | 207 | 0 |
| 250일차 | 40 | 22 | 204 | 0.4 |
| 600일차 | 40 | 22 | 205 | 0.4 |
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 일 구성요소인 오리피스를 포함하지 않을 때의 상압에서 약 250일 가동 후 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모상태를 나타내는 사진이고, 도 10은 약 600일 가동 후 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모상태를 나타내는 사진이다.
표 2, 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 장치에 있어서 연결부에 오리피스를 장착하지 않은 경우, 상압에서의 플라즈마 장치는 반도체 공정에 도입하여 운전하였을 때, 250일, 600일 후에도 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극 마모길이는 0.5mm 미만으로 나타나, 텅스텐 전극의 마모가 거의 일어나지 않았음을 확인하였다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 연결부에 오리피스를 장착한 후에 진공펌프에 연결된 플라즈마 장치의 운전 시간에 따른 플라즈마 토치 내부의 전극의 마모길이를 측정하여 표 3, 도 11 및 도 12에 나타내었다.
| 날짜 | Pump N2(L/m) | 공급 N2(L/m) | 전류(A) | 전압(V) | 텅스텐 전극 마모길이(mm) |
| 1일차 | 40 | 6 | 20 | 94 | 0.6 |
| 2일차 | 40 | 6 | 20 | 100 | 0.7 |
| 3일차 | 40 | 6 | 20 | 105 | 0.8 |
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 있어서, 연결부에 오리피스를 장착한 경우의 2일차, 20시간 가동 후 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모상태를 나타내는 사진이고, 도 12는 3일차, 28시간 가동 후 플라즈마 토치 내부의 텅스텐 전극의 마모상태를 나타내는 사진이다.
표 3, 도 11 및 도 12에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 장치에 있어서 연결부에 오리피스를 장착한 경우, 진공펌프에 연결된 플라즈마 장치는 3일차가 되었음에도 텅스텐 전극 마모길이는 1mm 미만으로 나타나, 상압에서의 텅스텐 전극의 마모와 동등한 정도로 나타났다. 이로부터 플라즈마 장치의 연결부에 오리피스를 장착함으로써 압력 강하 차단 효과에 의해 플라즈마 장치의 압력이 상압과 유사하게 유지될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 장치는 진공펌프와의 연결을 위한 연결부에 오리피스를 장착하여 진공펌프의 낮은 압력을 차단함으로써, 플라즈마 장치의 플라즈마 토치를 포함하는 플라즈마 반응부의 압력을 상압과 유사하게 유지시킬 수 있기 때문에 플라즈마 토치 내의 텅스텐 전극 마모를 줄일 수 있어 전극 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 장치 내의 플라즈마 토치는 플라즈마 발생 가스를 캐소드 전극체 하부에 형성된 원통형의 아크 발생부에 의해 고속 회전하여 강한 와류를 형성할 수 있기 때문에 정밀하고, 안정적인 플라즈마를 유지시킬 수 있으며, 저전력 운전에도 가스처리 효율을 향상시킬 수 있으며, 캐소드 전극체에 형성된 아크 발생부에 의해 플라즈마 발생 가스가 회전하여 일정한 플라즈마를 유지시킬 수 있기 때문에 전극 마모를 줄일 수 있어 전극 수명을 연장시킬 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 플라즈마 장치 10 : 플라즈마 반응부
11 : 플라즈마 토치 12 : 배기가스 주입부
13 : 반응 챔버 14 : 냉각수 챔버
20 : 냉각부 21 : 이동 통로
22 : 냉각수 챔버
23, 25 : 냉각수주입구 24, 26 : 냉각수배출구
30 : 연결부 31 : 오리피스
110 : 캐소드 전극 120 : 캐소드 전극체
121 : 전극 수용홀 122 : 볼록부
123 : 아크 발생부 130 : 커버
140 : 애노드 전극체 141 : 배출부
142 : 제1 배출부 143 : 제2 배출부
144 : 제3 배출부 145 : 제1 경사부
146 : 제2 경사부 147 : 돌출부
150 : 플라즈마 발생 가스공급부 151 : 몸체
152 : 플라즈마 발생 가스주입관
153 : 플라즈마 발생 가스주입구
154 : 플라즈마 발생 가스배출구
160 : 냉각수공급부 161 : 냉각홀
162 : 냉각수주입구 163 : 냉각수배출구
170 : 제1 절연부 180 : 제2 절연부
11 : 플라즈마 토치 12 : 배기가스 주입부
13 : 반응 챔버 14 : 냉각수 챔버
20 : 냉각부 21 : 이동 통로
22 : 냉각수 챔버
23, 25 : 냉각수주입구 24, 26 : 냉각수배출구
30 : 연결부 31 : 오리피스
110 : 캐소드 전극 120 : 캐소드 전극체
121 : 전극 수용홀 122 : 볼록부
123 : 아크 발생부 130 : 커버
140 : 애노드 전극체 141 : 배출부
142 : 제1 배출부 143 : 제2 배출부
144 : 제3 배출부 145 : 제1 경사부
146 : 제2 경사부 147 : 돌출부
150 : 플라즈마 발생 가스공급부 151 : 몸체
152 : 플라즈마 발생 가스주입관
153 : 플라즈마 발생 가스주입구
154 : 플라즈마 발생 가스배출구
160 : 냉각수공급부 161 : 냉각홀
162 : 냉각수주입구 163 : 냉각수배출구
170 : 제1 절연부 180 : 제2 절연부
Claims (12)
- 진공펌프와 연결되어 배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치에 있어서,
플라즈마 토치와,
상기 플라즈마 토치의 하부에 구비된 배기가스 주입부와,
상기 배기가스 주입부 하부에 구비된 반응 챔버와,
상기 플라즈마 토치 및 상기 반응 챔버에 냉각수가 공급되도록 구비된 냉각수 챔버를 포함하는 플라즈마 반응부;
상기 플라즈마 반응부 하부에 연통되어 형성되고, 통로와 상기 통로를 둘러싸는 냉각수 챔버가 구비된 냉각부; 및
상기 냉각부와 진공펌프를 연결하는 연결부를 포함하고,
상기 연결부에는 진공펌프에 의한 압력 강하를 차단하기 위한 오리피스가 구비되며,
상기 오리피스는 연결부의 통로를 가로막는 몸체와, 상기 몸체의 일부에 형성되는 적어도 하나의 오리피스 구멍을 포함하고,
상기 오리피스 구멍의 크기는 배기가스의 유입 유량에 비례하여 증대되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 반응부는 플라즈마 토치와, 배기가스 주입부와, 반응 챔버가 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치. - 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 토치는
내부가 채워진 기둥 형상을 갖는 캐소드 전극;
상기 캐소드 전극를 감싸도록 형성되고, 하부가 볼록한 볼록부를 갖는 캐소드 전극체;
상기 캐소드 전극 및 상기 캐소드 전극체 상부를 덮는 커버;
상기 캐소드 전극체 하부에 소정거리 이격되어 배치된 애노드 전극체;
상기 캐소드 전극체와 상기 애노드 전극체 사이에 배치되고, 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생 가스를 공급하는 플라즈마 발생 가스공급부; 및
상기 캐소드 전극체 및 상기 애노드 전극체에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치. - 제5항에 있어서,
상기 캐소드 전극 하부의 일단은 상기 캐소드 전극체에 소정부분 노출되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치. - 제5항에 있어서,
상기 볼록부 내부에는 플라즈마 발생 가스의 와류가 발생되도록 원통 형상의 홈으로 된 아크 발생부가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치. - 제5항에 있어서,
상기 애노드 전극체 내부에는 하부 방향으로 갈수록 직경이 넓어지는 원통형의 배출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치. - 제5항에 있어서,
상기 플라즈마 발생 가스공급부는,
내부에 공간이 형성된 링 형상의 몸체; 및
상기 몸체에 형성되어 가스를 주입하는 플라즈마 발생 가스주입관을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치. - 제9항에 있어서,
상기 플라즈마 발생 가스주입관은 상기 몸체 내부 공간의 원주방향에 접하도록 형성되되, 두 개의 플라즈마 발생 가스주입관이 서로 180°가 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치. - 제9항에 있어서,
상기 플라즈마 발생 가스주입관의 가스배출구 직경은 가스주입구의 직경보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치. - 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 반응부 및 상기 냉각부에 구비된 냉각수 챔버는 가스 기포 형성을 방지하기 위해 냉각수주입구를 냉각수 챔버의 최하단에 구비하고, 냉각수배출구를 냉각수 챔버의 최상단에 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210105815A KR102619579B1 (ko) | 2021-08-11 | 2021-08-11 | 배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치 |
| JP2022128415A JP7351567B2 (ja) | 2021-08-11 | 2022-08-10 | 排気ガス処理のためのプラズマ装置 |
| US17/885,505 US20230063837A1 (en) | 2021-08-11 | 2022-08-10 | Plasma device for treating exhaust gas |
| CN202210956261.5A CN115707165A (zh) | 2021-08-11 | 2022-08-10 | 用于处理废气的等离子装置 |
| TW111130226A TWI836551B (zh) | 2021-08-11 | 2022-08-11 | 用於處理廢氣的等離子裝置 |
| EP22189983.4A EP4135485A1 (en) | 2021-08-11 | 2022-08-11 | Plasma device for treating exhaust gas |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210105815A KR102619579B1 (ko) | 2021-08-11 | 2021-08-11 | 배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230023929A KR20230023929A (ko) | 2023-02-20 |
| KR102619579B1 true KR102619579B1 (ko) | 2023-12-29 |
Family
ID=83444870
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210105815A KR102619579B1 (ko) | 2021-08-11 | 2021-08-11 | 배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230063837A1 (ko) |
| EP (1) | EP4135485A1 (ko) |
| JP (1) | JP7351567B2 (ko) |
| KR (1) | KR102619579B1 (ko) |
| CN (1) | CN115707165A (ko) |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5749937A (en) * | 1995-03-14 | 1998-05-12 | Lockheed Idaho Technologies Company | Fast quench reactor and method |
| US7438880B2 (en) | 2006-12-20 | 2008-10-21 | Ppg Industries Ohio, Inc. | Production of high purity ultrafine metal carbide particles |
| US9445488B2 (en) * | 2007-10-16 | 2016-09-13 | Foret Plasma Labs, Llc | Plasma whirl reactor apparatus and methods of use |
| KR101142184B1 (ko) | 2009-05-07 | 2012-05-04 | (주)플라즈마텍 | 플라즈마 토치 |
| KR101065013B1 (ko) * | 2009-10-16 | 2011-09-15 | 한국기계연구원 | 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기 및 이의 구동 방법 |
| KR20110043805A (ko) * | 2009-10-22 | 2011-04-28 | (주)엔플라 | 배기가스 정화용 수냉식 플라즈마 반응장치 |
| FR2953278B1 (fr) | 2009-11-27 | 2012-01-27 | Commissariat Energie Atomique | Procede et dispositif de destruction thermique de composes organiques par un plasma d'induction. |
| JP5710177B2 (ja) | 2010-08-20 | 2015-04-30 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | 微粒子生成装置および微粒子生成方法 |
| TW201210679A (en) * | 2011-09-29 | 2012-03-16 | Resi Corp | Plasma apparatus for the abating emissions of per-fluoro compounds and plasma vortex reactor for making the plasma apparatus |
| KR101345907B1 (ko) * | 2011-12-19 | 2013-12-30 | 호서대학교 산학협력단 | 이산화탄소 분해와 산화금속 입자의 동시 생성 장치 및 방법 |
| KR102130061B1 (ko) * | 2013-03-15 | 2020-07-03 | 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 | 매우 대칭적인 4-폴드 가스 주입부를 갖는 플라즈마 반응기 |
| KR101930486B1 (ko) * | 2017-02-20 | 2018-12-31 | (주)엔노피아 | 폐가스 처리를 위한 플라즈마 토치 |
| JP7271461B2 (ja) | 2020-02-19 | 2023-05-11 | 信越化学工業株式会社 | 有機膜形成用材料およびパターン形成方法 |
-
2021
- 2021-08-11 KR KR1020210105815A patent/KR102619579B1/ko active IP Right Grant
-
2022
- 2022-08-10 US US17/885,505 patent/US20230063837A1/en active Pending
- 2022-08-10 CN CN202210956261.5A patent/CN115707165A/zh active Pending
- 2022-08-10 JP JP2022128415A patent/JP7351567B2/ja active Active
- 2022-08-11 EP EP22189983.4A patent/EP4135485A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202307371A (zh) | 2023-02-16 |
| JP7351567B2 (ja) | 2023-09-27 |
| EP4135485A1 (en) | 2023-02-15 |
| JP2023026397A (ja) | 2023-02-24 |
| US20230063837A1 (en) | 2023-03-02 |
| CN115707165A (zh) | 2023-02-17 |
| KR20230023929A (ko) | 2023-02-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100807806B1 (ko) | 직류 아크 플라즈마트론 장치 및 사용 방법 | |
| US11430638B2 (en) | Plasma generating apparatus and gas treating apparatus | |
| KR101930486B1 (ko) | 폐가스 처리를 위한 플라즈마 토치 | |
| KR102619579B1 (ko) | 배기가스 처리를 위한 플라즈마 장치 | |
| EP3570964B1 (en) | Gas treating apparatus with a nitrogen oxide reduction apparatus | |
| KR100568238B1 (ko) | 플라즈마 유해가스 처리장치 | |
| KR102014942B1 (ko) | 유해가스 분해용 반응기 | |
| TWI836551B (zh) | 用於處理廢氣的等離子裝置 | |
| KR101142184B1 (ko) | 플라즈마 토치 | |
| KR100972829B1 (ko) | 폐가스 처리장치 | |
| KR100921702B1 (ko) | 보조 열처리부가 구비된 폐가스 처리장치 | |
| US20220151053A1 (en) | Thermal plasma processing apparatus | |
| KR101177283B1 (ko) | 화학기상증착 공정의 폐가스 처리를 위한 플라즈마 토치 | |
| KR20200057162A (ko) | 열플라즈마 발생장치 | |
| US11985754B2 (en) | Nitrogen oxide reduction apparatus and gas treating apparatus | |
| KR101177276B1 (ko) | 에칭 공정의 폐가스 처리를 위한 플라즈마 토치 | |
| KR102520818B1 (ko) | 돌출 전극을 갖는 스크러버, 이를 포함하는 스크러버 시스템, 스크러버 구동 방법 | |
| KR101177272B1 (ko) | 화학기상증착 공정의 폐가스 처리를 위한 플라즈마 토치 | |
| KR20010108731A (ko) | 셀프 리펠러 방식 이온소스부를 갖는 이온주입기 | |
| KR20090011072A (ko) | 반도체 제조용 고밀도 플라즈마 화학기상증착장치 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |