실용신안등록청구의범위청구항 1 상부가장자리에플랜지 (11) 가형성된원통형펌프하우징 (10) 내측으로수직장착된원통형냉동실린더 (30) 위로연장형성된연결관 (31) 을중심으로뒤집어진접시형상의극저온판 (41) 이다수개적층된극저온판조립체 (40) 와진공용기 (radiation

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그린 강
6 years ago
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1 (51) Int. Cl. (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 공개실용신안공보 (U) F04B 37/08 ( ) F04B 37/04 ( ) (21) 출원번호 (22) 출원일자 2007 년 11 월 09 일 심사청구일자 전체청구항수 : 총 2 항 2007 년 11 월 09 일 (54) 크라이오진공펌프용극저온판의고기능흡착구조 (11) 공개번호 (43) 공개일자 2009년05월13일 (71) 출원인 주식회사스타백 경기성남시중원구상대원동 현대아이밸리 212 호 (72) 고안자 백낙근 서울광진구광장동 484 현대아파트 304 동 1404 호 (74) 대리인 황의창 (57) 요약 본고안은반도체제조에쓰이는크라이오진공펌프극저온판 (cold panel) 의활성탄흡착구조를높은표면적을가져진공실의가스흡착능이극대화되게끔다공성이면서미립자상의입상활성탄 (granular activated carbon) 으로극저온판표리양면에걸쳐 3 차원적그물형상을가지는소정두께다층구조의흡착제층또는다층구조로피복된활성탄흡착제층전체면에걸쳐서홀가공을하여세공의관통홀이일정간격으로다수개형성된흡착제층을형성하는방법으로극저온판을고기능의활성탄흡착구조로표면개질시킴으로써기체분자크기에따라기체의선택적인흡착을가능하게하고증가된표면적으로진공실통과기체의접촉체류시간을증가시키게하여단위면적당가스포집및부착능력이최대화된크라이오진공펌프용극저온판의고기능흡착구조에관한것이다. 대표도 - 도 4-1 -

2 실용신안등록청구의범위청구항 1 상부가장자리에플랜지 (11) 가형성된원통형펌프하우징 (10) 내측으로수직장착된원통형냉동실린더 (30) 위로연장형성된연결관 (31) 을중심으로뒤집어진접시형상의극저온판 (41) 이다수개적층된극저온판조립체 (40) 와진공용기 (radiation shield))(20) 가소정간격의동심원상으로중첩되고상단부로는배플 (50) 이장착된 2 단계 (2 stage) 가스흡착구조의크라이오진공펌프에있어서, 상기극저온판 (41) 의표면및이면에는소정두께로다공성의미립자상입상활성탄 (granular activated carbon) 을둘러싸고접착제 (43) 가녹아서골고루스며들도록접착되어연속적인기공구조를구비하여기체접촉표면적이증가되는다층피복구조의흡착제층 (42) 이 3차원적그물형상으로형성됨을특징으로하는크라이오진공펌프용극저온판의고기능흡착구조청구항 2 제 1항에있어서, 기체분자크기에따라기체의선택적인흡착을가능하게하고표면적이증가되게끔다공성활성탄을둘러싸서접착제 (43) 가점착된다층구조의극저온판 (41) 표면및이면의전체면에걸쳐서활성탄미세기공에비하여상대적으로대 ( 大 ) 구경의관통홀 (hole)(44) 이일정간격으로반복형성됨을특징으로하는크라이오진공펌프용극저온판의고기능흡착구조 명세서 고안의상세한설명 <1> 기술분야본고안은크라이오진공펌프용극저온판의고기능흡착구조에관한것으로서, 더욱자세히는반도체제조에쓰이는크라이오진공펌프극저온판의활성탄흡착구조를높은표면적을가져진공실의가스흡착능이극대화되게끔다공성이면서미립자상의입상활성탄 (granular activated carbon) 으로극저온판 (cold panel) 표리양면에걸쳐 3차원적그물형상을가지는소정두께다층구조의흡착제층또는다층구조로피복된활성탄흡착제층전체면에걸쳐서홀 (hole) 가공을하여세공의관통홀이일정간격으로다수개형성된흡착제층을형성하는방법으로극저온판을고기능의활성탄흡착구조로표면개질시켜입자크기에따라기체의선택적인흡착을가능하게하고증가된표면적으로진공실통과기체의접촉체류시간을증가시키게하여단위면적당가스포집및부착능력이최대화된크라이오진공펌프용극저온판의고기능흡착구조에관한것이다. <2> <3> <4> <5> 배경기술일반적으로반도체장치제조는고진공산업으로서반도체장치는반도체기판으로사용되는실리콘웨이퍼상에전기적인회로를형성하는팹 (fabrication;'fab') 공정과, 팹공정에서형성된반도체장치들의전기적인특성을검사하는공정및상기반도체장치들을각각에폭시수지로봉지하고개별화시키기위한패키지조립공정을통하여제조되는데, 이러한반도체장치제조공정은대부분고진공상태에서수행되며공정이수행되는공정챔버를고진공상태로형성하기위해서크라이오펌프 (Cryo pump) 가사용되고있다. 크라이오펌프 (Cryo pump) 는조셉슨효과에의한기체의흡착및응축이론에기초하여극저온을형성하기위한냉매로액체질소또는압축된헬륨을이용진공용기속에극저온 (cryo-) 냉각면을만들고, 그차가운표면위에냉각기체를응축또는흡착시켜제거함으로써고진공상태를형성하게된다. 통상의크라이오펌프는진공을형성하기위해기체분자를다공성의활성탄에흡착저장하는방식을채택하고있는데, 냉각된표면에서기체분자를제거하는방법은냉온응축 (Cryocondensation) 과냉온흡착 (Cryosorption) 의방법을이용하게되며, 증기압이낮은기체들을 120K 영역이하에서차갑게하여액화시킨다음얼리는냉온응축의경우 80K 단계에서물분자가먼저제거되고, 15K 영역에서는질소, 산소및아르곤이제거되며, 냉온흡착방법으로는극저온상태에서 15K 영역이하에서도응축되지않는헬륨, 수소및네온과같은증기압이높은 - 2 -

3 기체들의운동에너지를빼앗아활성탄등의흡착제층표면에서움직이지못하게하는것이다. <6> <7> <8> <9> <10> <11> <12> <13> <14> <15> <16> <17> 도 1과도 2는크라이오진공펌프를도시한도면인데, 상부가장자리에플랜지 (11) 가형성된원통형펌프하우징 (10) 내측으로수직장착된원통형냉동실린더 (30) 위로연장형성된연결관 (31) 을중심으로뒤집어진접시형상의극저온판 (41) 이다수개적층된극저온판조립체 (40) 와진공용기 (radiation shield))(20) 가소정간격의동심원상으로중첩되고상단부로는배플 (50) 이장착된 2단 (2 stage) 구조로서, 전도성구리 (copper) 재질의극저온판 (41) 표면으로는초저온으로냉각해도응축이곤란한수소, 헬륨등의분자를효율적으로흡착제거하기위하여접착제로활성탄등의흡착제가일정두께로고착된흡착제층 (42) 이형성되어, 콤프레서 ( 미도시함 ) 작동으로냉매공급관 (60) 을통하여펌프하우징 (10) 에질소나헬륨등의냉각기체가공급되면압축된헬륨이펌프하우징 (10) 내부에서단열팽창하면서극저온판 (41) 이나배플 (50) 등을냉각하게되며, 냉각된표면이기체분자를포획하는방법은앞서설명한냉온응축 (cryo-condensation) 과냉온흡착 (cryo-sorption) 의원리를이용하여 50~80K로냉각된배플 (50) 에의해주로수증기가포착되고, 10~20K로냉각된극저온판 (41) 에의해아르곤가스나질소가스등을응축및흡착하도록되어있는구성이다. 상기한바와같이크라이오펌프 (100) 는펌프하우징 (10) 으로유입되는가스의방향을일정하게유지하여공정챔버 ( 미도시함 ) 로유입기체가역류됨을방지하게끔핀이다중으로중첩되어형성된배플 (50) 이극저온에서증기압이낮은기체를냉온응축시키기게되며증기압이높은기체는가장자리가공정챔버와반대방향으로가장자리가휘어져서뒤집어진접시형상의극저온판 (41) 이다수개등간격으로적층된극저온판조립체 (40) 에서유입기체를냉온흡착하게되는데, 상기흡착물질은주로입상의활성탄 (granular activated charcoal) 을사용하게된다. 상기와같이극저온판 (41) 의표면을형성하는대표적인흡착제로서활성탄 (activated charcoal) 은고비표면적및기공구조의발달에따른흡착능력및흡착속도가우수한탄소물질로서, 그구조가미세공이잘발달되고미세공간의통로로연결되어있으며넓은내부면적 ( 표면적 ) 을갖고있는무정형탄소의집합체로서흡착특성이매우우수하여증기압이높은가스들을용이하게흡착할수있는흡착물질인바, 분말활성탄에비하여원주형의입상의활성탄 (granular activated charcoal) 은압력손실을줄이면서가스의흐름을원활하게하며재생이용이한성질이있어가스흡착용도로많이쓰이고있다. 도 3은종래의기술에의한극저온판표면의활성탄피막구성을도시한도면으로서, 구리재질의극저온판 (41) 표면에는활성탄의가는입자가잘부착되고, 소량으로도충분한흡착성능을나타내는미립자상태의활성탄으로고성능의활성탄층을얻기위해서접착제 (43) 를사용하여표면에골고루고착시킨소정두께의비표면적이확대된흡착제층 (42) 을형성하여유입되는기체를용이하게냉온흡착하게된다. 그러나상기와같이종래의단층 (single) 으로노출형성된극저온판표면활성탄흡착제층은체적에비해상대적으로작은비표면적이형성되어접촉되는면적이적어지게되어흡착성능이떨어지게되며따라서크라이오펌프기기전체의성능저하및수명단축을초래하는문제점이있다. 그리고극저온판의기체접촉면적이적게되면열스트레스에대해활성탄이탈락되기쉬우며, 극저온판에부착된활성탄이비록접착제로부착은되어있으나내부의온도변화가급격히이루어지면서접착제의접착력이극격히약화되고, 일정기간사용하게되면활성탄성능저하로진공을형성시키는능력이저하됨에따라질소가스와같은불활성의재생용가스를펌프내부에주입하여활성탄의표면에흡착되어축적된기체분자를주기적으로제거하는펌프재생 (Regeneration) 시에도펌프에내압이걸리게되면부착된활성탄이극저온판에서떨어져나가는문제점이있으며이는펌프효율을떨어뜨리게된다. 또한극저온판한쪽표면에만활성탄이부착되게되면공정챔버로부터공급되는자유로운기체 ( 냉온흡착되지않은기체 ) 에의하여쉽게탈락될수있어극저온판하부에도활성탄이부착되어야만표면탈락되는기체들을용이하게흡착할수있다. 그러나종래상용화되고있는기술의활성탄이도포된극저온판흡착구조는기공도및비표면적에많은문제점이도출되어유입기체에대한흡착능력및저장용량한계로빠르게포화됨에따라크라이오펌프의성능저하를야기시키게되며이러한성능저하를사전에예측할수없게되면크라이오펌프의작동이중단되어반도 - 3 -

4 체등의작업공정에엄청난피해를초래하게된다. <18> <19> 따라서크라이오펌프극저온판활성탄흡착제층표면구조를개질시켜유입기체에대한크라이오펌프의흡 착및저장용량을증가시키는것이당면과제로대두되어있다. 고안의내용 <20> <21> <22> <23> 해결하고자하는과제전술한바와같이종래기술은, 크라이오펌프에장착된극저온판표면활성탄흡착제층이 2차원적단층으로만형성되어체적에비해상대적으로작은비표면적이형성되고이에따라기체의접촉되는면적이작아져서발생하게되는흡착성능떨어짐을방지하여야하는기술과제와, 크라이오펌프극저온판표면에접촉되는유입기체의내부체류및저장공간을확보하여체류시간을연장시켜서흡착효율을향상시켜야하는과제, 활성탄의극저온판표면부착성을개선하여구조적으로도안정된표면을형성하여극저온판 ( 콜드패널 ) 표면에부착된활성탄의부착력저하에따른활성탄탈락됨을방지하여야하는과제등해결하여야하는종합문제점이있다. <24> <25> <26> <27> 과제해결수단본고안은전술한제반문제점을해결하기위하여안출한것으로서, 반도체제조에쓰이는크라이오진공펌프극저온판의활성탄흡착구조를높은표면적을가져진공실의가스흡착능이극대화되게끔미립자상의다공성활성탄을접착제가골고루스며들도록접착하되극저온판표리양면에걸쳐 3차원적그물형상을가지는소정두께다층구조의흡착제층을형성함으로써활성탄의극저온판표면부착력이향상됨과동시에표면적이극대화되도록하는극저온판의고기능흡착구조를제공함에목적이있다. 또한다층구조로피복된미세기공의활성탄흡착제층전체면에걸쳐서홀 (hole) 가공을하여상대적으로대기공의관통홀이일정간격으로다수개형성된흡착제층을형성하는방법으로극저온판을고기능의활성탄흡착구조로표면개질시켜입자크기에따라기체의선택적인흡착을가능하게하고증가된표면적으로진공실통과기체의접촉체류시간을증가시키고가스저장공간을확장시켜단위면적당가스포집및부착능력이최대화된크라이오진공펌프용극저온판의고기능흡착구조를제공함에또다른목적이있다. <28> <29> <30> 효과이와같이된본고안의크라이오진공펌프용극저온판의고기능흡착구조는, 극저온판표리양면에걸쳐 3차원적그물형상을가지는소정두께다층구조흡착제층을제공함으로써활성탄의표면부착력이향상되고비표면적이확대되어종래기술에비하여크라이오진공펌프진공실의가스흡착능이월등히향상되게하는효과가있다. 또한극저온판표면의다공성흡착제층을다층으로구비하되다수의미세직경관통홀이서로이격되게형성하는방법으로표면적을증가시킴으로써분자크기에따라선택적인흡착을가능하게하되표면에형성되는연속된기공구조로기체접촉체류시간을연장시킴과동시에기체저장공간을확장시켜흡착효율을대폭향상시키게되는효과가있다. <31> 고안의실시를위한구체적인내용상기한목적을달성하기위한본고안의구성을첨부도면에의하여상세히설명하면다음과같으며본발명을설명함에있어관련된공지기능에대한구체적인설명이본발명의요지를불필요하게흐릴수있다고판단되는경우그설명은생략한다. 또한설명의중복을피하기위하여종래기술과일치하는부분에대해서는종래 - 4 -

5 도면부호를그대로인용한다. <32> <33> <34> <35> <36> <37> <38> <39> <40> <41> <42> <43> <44> <45> <46> 본고안이적용되는크라이오진공펌프 (100) 는, 펌프하우징 (100과, 상기펌프하우징 (10) 내에설치되어펌프유입가스를포획하는배플 (50) 및극저온판조립체 (40) 를포함하는크라이오진공펌프로서, 냉온응축 (cryo-condensation) 과냉온흡착 (cryo-sorption) 의원리를이용하여 50~80K로냉각된배플 (50) 에의해주로수증기가포착되고, 10~20K로냉각된극저온판조립체 (40) 에의해아르곤가스나질소가스등을응축및흡착하도록되어있는구성이며, 이러한 2단구성은앞서설명한도 1과도 2의종래크라이오진공펌프구성과동일한구성을갖는다. 본고안은상기극저온판조립체 (40) 를구성하는극저온판 (41) 표면에부착된활성탄흡착제층 (42) 의고기능흡착구조에관한것으로서, 상기극저온판 (41) 의표면및이면에는소정두께로다공성의미립자상입상활성탄 (granular activated carbon) 을둘러싸고접착제 (43) 가녹아서골고루스며들도록접착된다층구조의흡착제층 (42) 이 3차원적그물형상으로형성되는데, 접착제가공경이작은개개의입자활성탄입자기공이나표면에형성된구멍 ( 공경이비교적큰기공 ) 에들어가서활성탄입자사이에물리적결합을형성함으로써접착제입자가연속성있게연결되어점착성이우수하면서도구조적으로강하며연속적인기공구조를극저온판 (41) 양면에다층으로형성하여종래기술에비하여비표면적이확장된표면구조를형성하는것이다. 또다른실시예는상기와같이 3차원적그물형상으로형성된다공성활성탄을둘러싸서접착제 (43) 가점착된다층구조의극저온판 (41) 표면및이면전체면에걸쳐서다수의공경이큰기공의관통홀 (hole)(44) 이서로이격되게인위적으로형성하는구조로서접착성형과정에서미세기공은물론미세기공에비하여상대적인대 ( 大 ) 기공을형성하게된다. 이하본고안의바람직한실시예를첨부도면에의하여상세히설명한다. 본고안은전술한바와같이상부가장자리에플랜지 (11) 가형성된원통형펌프하우징 (10) 내측으로상단부로는배플 (50) 이장착되고, 수직장착된원통형냉동실린더 (30) 위로연장형성된연결관 (31) 을중심으로뒤집어진접시형상의극저온판 (41) 이다수개적층된극저온판조립체 (42) 와이를일정간격으로둘러싸는진공용기 (20) 가소정간격의동심원상으로중첩되는 2단 (2 stage) 구조의극저온판 (41) 에있어서, 상기극저온판 (41) 표면과이면에 3차원적그물형상을가지는소정두께다층구조활성탄흡착제층 (42) 을형성한다. 즉, 구리재질의극저온판 (cold panel)(41) 상하양면으로는랜덤하게확산배열된입상의활성탄을접착제 (43) 가둘러싸서독립기공에의한점조직이연속기공의연속조직으로전환된 3차원적그물형상을가지므로활성탄흡착제층 (42) 이확장된소정두께다층구조의흡착제층을형성하게되며, 이렇게형성된다층구조의흡착제층은층이얇은단층의종래기술극저온판활성탄충전층의피복구조에비하여, 형태적으로안정화시키기위한접착제의활성탄접착코팅과정에서공경이비교적큰대기공이발달형성되어활성탄자체의공경이작은미세기공과어우러지는촘촘한충전밀도 (bulk density) 의미세기공분포를구성하여기공이연속적으로형성되는연속기공을형성하면서극저온판표면에축적되는기공부피를증가시켜, <47> 대소직경의가스분자를선택적으로흡착할수있을뿐아니라, 극저온판표면으로확산분포되는활성탄사이를통과하게하는극저온기체의비표면적이확장되고기체가활성탄흡착제층의요철표면에서지그재그로유동되어골고루접촉되면서가스흡착능력이증대되는데상하양면에서흡착하게됨으로써증기압이높은수소, 헬륨등의가스접촉면적확장으로가스의표면흐름시간연장과미세기공에의한가스저장능력극대화로고효율의가스분자흡착은물론표면탈락되는기체들도용이하게흡착시킬수있게되며활성탄을둘러싸는접착제의접착력으로부착력이향상되어압력등에의한활성탄의표면탈락을감소시키게되는것이다

6 <48> <49> 또한다른실시예로서상기와같이극저온판 (41) 상하양면에서 3차원망상의다중으로활성탄이고착된표면의흡착제층 (42) 전체면에걸쳐서상하좌우일정간격으로다수개의공경이큰관통홀 (44) 을도트 (dot) 형상으로형성하는홀 (hole) 가공을하여표면을더적극적으로개질시키게되면, 증가된표면적은물론기공크기를다르게하는관통홀의기공확산구조로인하여압력손실없이기체를확산시켜기체의유동면적확장과접촉체류시간연장, 가스저장능력향상으로극저온에서도응축되지않는 H 2 나 He 등의가스분자를포획하는데용이한구조로단위면적당가스포집및저장능력을향상시킬수있게되는 것이다. <50> <51> <52> <53> <54> <55> 이는표면적이같은활성탄이라도유입대상기체분자의입자크기에따라흡착능력에차이가나는문제점을해결하기위하여크라이오진공펌프의극저온판표면기공구조와기공의공간분포를개선표면적을확장시켜흡착성능을향상시킨것으로서, 중간통로기능의활성탄자체의미세기공보다상대적으로큰직경의깊이가있는관통홀에서는접근되는비교적분자직경이큰큰가스등의기체를흡착하게되고작은물질은공경이작은활성탄표면에확산되면서물질이동대가길어져서표면에농축되어흡착되는물질문자간의평형분포를이루어지게하면서도가스의흡착능력을향상시키게되는것이다. 이렇게본고안의크라이오진공펌프용극저온판조립체 (array) 의활성탄피복구조는 3차원의확산형그물 (net) 형상을가진활성탄의적층구조체로서, 구조적강도가높을뿐만아니라높은표면적을가지게되어크라이오진공펌프진공실의가스흡착능을월등히향상시키게되는것으로활성탄의탈락이방지되어극저온판유지보수를위한재생주기를연장시키게하는효과도있다. 그리고본고안에따른전도성소재극저온판 ( 콜드패널 ) 을일정간격의다중으로적층되는조립체를형성함에있어, 리벳등의체결부재를스테인레스재질로형성하여활성탄의안정성을유지하게하고, 진공실을형성하는 Radiation shield( 방사실드 ) 를도전성의산화피막처리 (anodizing) 된소재로구성하게되면, 극저온판표면개질에따른활성탄의흡착성능개선과더불어재생주기의연장, 장비가동율향상등크라이오펌프의성능을더욱향상시키게될것이다. 다음의표는본원고안이채용된크라이오펌프와종래기술의크라이오펌프사용량에따른진공도변화를본출원인이대비측정한것으로서, 이에따르면크라이오펌프가빠른재생없이사용할경우 700Kwh까지사용이가능한데반하여본원고안의크라이오진공펌프는종래기술의빠른재생없이도 900Kwh까지사용가능함을확인할수있어가스의흡착및저장능력이종래기술에비하여월등히향상되었음을알수있었다. <56> 표 1 사용량 (Kwh) 진공도본원고안종래고안 E E E E E E E E E E E E E E E E-06 <57> 이상에서설명한본고안은본고안이속하는기술분야에서통상의지식을가진자에게있어서본고안의기술 적사상을벗어나지않는범위내에서여러가지치환, 변경이가능하므로전술한실시예에한정되는것은아 니다. 도면의간단한설명 <58> <59> <60> 도 1 은본고안이적용되는크라이오펌프의전체적구성을나타내는절개사시도 도 2 는본고안이적용되는극저온판조립체발췌도면 도 3 은종래기술에의한극저온판표면구조를도시한측단면구성도 - 6 -

7 <61> <62> <63> <64> <65> <66> <67> <68> <69> <70> 도 4는본고안에적용되는일실시예의극저온판상하양면다중흡착구조의측단면구성도도 5는본고안에적용되는다른실시예의극저온판상하양면다중흡착구조의측단면구성도 도면의주요부분에대한부호의설명 100: 크라이오펌프 10: 펌프하우징 11: 플랜지 20: 진공용기 (radiation shield) 30: 냉동실린더 31: 연결관 40: 극저온판조립체 41: 극저온판 42: 흡착제 43: 활성탄접착제층 44: 관통홀 (hole) 50: 배플 60: 냉매공급관 도면 도면 1-7 -

8 도면 2 도면 3 도면 4-8 -

9 도면 5-9 -

(72) 발명자 김도규 서울특별시성북구장위 3 동 박준일 서울특별시강서구등촌동 서광아파트 103 동 803 호 유형규 경기도광명시광명 4 동한진아파트 101 동 1801 호 - 2 -

(72) 발명자 김도규 서울특별시성북구장위 3 동 박준일 서울특별시강서구등촌동 서광아파트 103 동 803 호 유형규 경기도광명시광명 4 동한진아파트 101 동 1801 호 - 2 - (51) Int. Cl. (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 공개특허공보 (A) F25B 30/06 (2006.01) (21) 출원번호 10-2008-0088941 (22) 출원일자 2008 년 09 월 09 일 심사청구일자 전체청구항수 : 총 7 항 2008 년 09 월 09 일 (54) 지중열교환기의공급파이프 (11) 공개번호 10-2010-0030143