KR20000074657A

KR20000074657A - 가변성 이산화탄소 상변화 노즐 및 노즐을 이용한 표면 세척장치

Info

Publication number: KR20000074657A
Application number: KR1019990018741A
Authority: KR
Inventors: 박광헌
Original assignee: 박광헌
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2000-12-15

Abstract

산업계에서 발생하는 표면 오염물을 제거하기 위한 종래의 기술은 제품 표면을 손상시키고, 세척 장치가 복잡하며, 2차 폐기물을 대량으로 발생시키는 등의 단점을 갖고 있다. 이를 극복하기. 위해 드라이 아이스 눈 입자 세척법을 응용하여 이 세척법에 사용되는 가변성 노즐을 발명하여 생성되는 눈입자의 크기와 분포를 조절할 수 있게 하였다. 또한 세척시 표면에 발생하는 드라이 아이스 얼음막을 제거하기 위해 열풍기를 장착하여 세척 효율을 높일 수 있게 하였다.

Description

가변성 이산화탄소 상변화 노즐 및 노즐을 이용한 표면 세척장치{An adjustable nozzle for dry ice snow and surface cleaning apparatus using nozzle}

산업계에서 표면 오염물을 제거하는 기술은 제품의 성능 및 부품의 운용 효율성 제고를 위해서 필요하다. 기존의 반도체 웨이퍼(Wafer), 전자, 광학, 계측 장비 등의 표면에 제거해야 하는 마이크로미터 정도의 미세 입자뿐만이 아니라, 원자력 분야에서 장비나 부품의 표면에 흡착된 방사성 오염물의 제염에도 표면 오염물 제거 기술은 매우 중요하다.

표면 오염물은 유기성 기름, 대기중의 먼지, 사람의 지문 등등 매우 다양하다. 이러한 표면 오염물을 제거하기 위한 종래의 세척 방법은 크게 두 가지로 나누어진다. 첫째, 물리적 건식 제거 방법이다. 사람의 손으로 세척하는 방법, 고속의 기체 흐름을 이용한 방법, 모래 분사 세척, 증기 분사 세척, 플라즈마 세척 등이 이곳에 속한다. 둘째, 화학적 습식 제거 방법이다. 화학 약품의 용제를 이용한 것으로 HF 기체 또는 HF 수용액이 많이 쓰이고 있고, 초음파 세척, 불화 탄화 수소 세척 등이 있다.

이러한 종래의 기술은 다음과 같은 장·단점이 있다. 물리적인 세척방법을 사용하면 오염원의 성분에 관계없이 모두 세척이 가능하지만 그에 따라 세척장치가 복잡해지고 제품의 표면을 손상시키는 정도가 심하다. 화학적인 방법은 오염원의 성분을 선택하여 세척가능 하지만 공정을 단순하게 개발하는 것이 어렵다. 아울러, 위의 두 가지 기술의 가장 큰 단점은 2차폐기물을 대량으로 발생시킨다는 것에 있다. 오염원을 제거하기 위해 쓰인 물질은 세척과정 중에 오염원에 의해 재오염되어 2차폐기물이 된다. 이렇게 생성된 2차폐기물을 일반 환경중에 그대로 방출할 수 없어서, 많은 비용을 들여 정화하거나 재처리하여 오염의 정도를 낮추어 방출한다. 또한 불소계열 및 독성물을 사용한 세척방법은 사용규제가 훨씬 강화되어 가고 있는 추세이다.

최근에는 드라이 아이스 눈 입자 세척법(Dry Ice Snow Cleaning)이 개발되어, 위에서 언급한 단점을 극복하고자 하였다. 그러나 기존의 드라이 아이스 눈 입자 세척법은 그 시스템의 복잡성으로 인해 제작과 사용상에 상당한 어려움이 있다. 이 세척법의 핵심 기술인 이산화탄소 상변화 노즐의 경우, 고정된 크기와 분포를 갖는 눈(Snow) 입자만을 생성하여 다양한 표면 오염물을 제거하는 데 어려움이 있다. 그리고, 세척 과정중 제품 표면에 생성되는 드라이 아이스 얼음막이 세척을 방해하여 세척효과를 떨어뜨리며, 제품 표면을 극저온으로 냉각시켜 표면을 손상시키는 요소로 작용한다.

따라서, 앞에서 언급한 기존의 표면 세척법과 기존의 드라이 아이스 눈 입자 세척법의 단점(표면 손상 증대, 세척장치의 복잡성, 2차 폐기물 대량 발생)을 극복하기 위하여, 좀 더 개선된 드라이 아이스 눈 입자 세척 방법 및 장치의 발명이 절실히 요구된다.

위에서 언급한 단점을 갖지 않는 새로운 세척 방법 및 장치를 발명 하는 데 있다. 드라이 아이스 눈 입자 세척법(Dry Ice Snow Cleaning)을 사용하여 2차 폐기물 발생을 최소화 하고, 형성되는 눈의 크기 및 분포를 다양하게 조절할 수 있게 노즐을 발명하고, 제품 표면에 생성되는 드라이 아이스 얼음막을 제거함으로써, 제품의 표면 손상을 억제하고, 세척장치를 단순화시킨다.

도 1은 본 발명에서 드라이 아이스 눈 입자 세척법의 간단한 원리를 설명한 도이다.

도 2는 본 발명에 따른 표면 세척 방법 및 장치에 적용되는 가변성 이산화탄소 상변화 노즐의 단면을 도시한 도이다.

도 3a 및 도 3b는 도 2의 노즐을 포함하는 본 발명에 따른 열풍기를 장착한 드라이 아이스 눈입자 세척기의 단면과 정면을 도시한 도이다.

도 4a는 도 2의 노즐의. 드라이 아이스 눈 형성공간(60) 부피를 최소로 했을 때, 형성되는 드라이 아이스 눈 입자의 크기 및 분포를 촬영한 도이다.

도 4b는 도 2의 노즐의 드라이 아이스 눈 형성공간(60) 부피를 적절하게 했을 때, 형성되는 드라이 아이스 눈 입자의 크기 및 분포를 촬영한 도이다.

도 5a는 깨끗한 유리 표면 위에 일정한 힘으로 사람의 지문을 남긴 세척전 모습을 촬영한 도이다.

도 5b는 도 3의 열풍기를 장착한 드라이 아이스 눈입자 세척기를 사용하여 도 5a의 지문을 세척한 모습을 촬영한 도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 …… 1차노즐 20 …… 2차노즐 30 …… 입구공간

40 …… 입구관 50 …… 나사선

60 …… 드라이 아이스 눈 형성공간 70 …… 출구관

80 …… 출구공간 90 …… 온도조절기 100 …… 전열선

110 …… 팬 120 …… 고온의 공기

130 …… 드라이 아이스 눈입자 및 액체 및 기체 이산화탄소

140 …… 단열재 150 …… 노즐스위치 160 …… 안전망

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 가변성 이산화탄소 상변화 노즐 및 이 노즐을 이용한 표면 세척 방법과 그 장치를 설명한다.

도 1은 드라이 아이스 눈 입자 세척법의 간단한 원리 및 그 장치를 설명한 도이다. 이산화탄소용 고압 용기(10)와 고압 호스(30)와 가변성 이산화탄소 상변화 노즐(40) 및 열풍기(90)로 구성되어 있다. 용기(10)속에 들어 있는 고압(약 50bar)의 액체 이산화탄소(20)가 호스(30)를 지나서 노즐(40)을 통과하여 교축과정(Throttling Process)을 겪으면, 작은 드라이 아이스 눈 입자(50)가 생성되고, 고속의 기체 및 액체 이산화탄소(60)가 발생한다. 생성된 드라이 아이스 눈 입자 또는 액체 이산화탄소(50)와 기체 이산화탄소(60)가 제품 표면(80) 위에 흡착되어 있는 미세 입자와 유기성 오염물(70)을 제거한다. 제거 과정중 제품 표면에 발생하는 드라이 아이스 얼음막(100)은 열풍기(90)를 사용하여 제거된다. 제거 원리는 다음 세 가지로 나타낼 수 있다.

첫째, 항력을 이용하여 제거한다. 고속으로 움직이는 기체 및 액체 이산화탄소(60)의 항력은 오염 입자(70)의 표면에 가하여 진다. 오염 입자(70)에 가해지는 항력이 오염 입자(70)와 제품 표면(80) 사이의 접착력 보다 클 때, 오염 입자(70)가 제거된다. 둘째, 운동에너지를 이용하여 제거한다. 드라이 아이스 눈 입자(50)와 오염 입자(70)가 서로 충돌하면서, 드라이 아이스 눈 입자(50)가 갖고 있던 운동에너지를 오염 입자(70)에게 전달한다. 이때 전달된 운동에너지가 오염입자(70)의 표면접착력보다 크면 오염 입자(70)는 제거된다. 셋째, 이산화탄소의 용해성을 이용하여 제거한다. 이산화탄소는 유기물질과 비극성물질에 뛰어난 용해성을 갖고 있다. 드라이 아이스 눈 입자(고체) 또는 액체 이산화탄소(50)가 오염 입자(70)와 충돌하면서 오염입자를 용해시킨다. 오염 입자(70)를 함유한 드라이 아이스 눈 입자(고체) 또는 액체 이산화탄소(50)와 기체 및 액체 이산화탄소(60)는 관성 충돌에 의해 튀어 오르고, 곧 승화하며 표면의 오염 물질을 제거한다. 승화한 기체를 수집하면 2차 폐기물 발생을 극소화시킬 수 있다. 이때, 표면(80)에 형성된 드라이 아이스 얼음막(100)의 승화를 돕기 위해 열풍기(90)를 이용해 승화열을 공급한다.

위의 원리에 따라 제거.효율을 증가시키기 위해서는 세척 대상물에 따라 눈 입자(50)의 크기와 분포를 조절할 수 있는 노즐이 필요하다. 이러한 요구를 충족시키기 위하여 액체 이산화탄소를 고체(눈)이산화탄소로 상변화를 시킬 수 있으며, 생성된 고체(눈)이산화탄소의 크기 및 분포를 조절할 수 있는 노즐을 발명하였다.

도 2는 드라이 아이스 눈 형성공간(60)의 부피를 조절할 수 있는 가변성 이산화탄소 상변화 노즐(10, 20)의 단면도이다. 가변성 이산화탄소 상변화 노즐(10, 20)은 크게 두 부분으로 나누어져 있다. 수나사 형태의 1차노즐(10)과 암나사 형태의 2차노즐(20)을 결합하여 사용한다. 1차노즐(10)은 도 1의 고압호스와 연결하여 사용한다. 수나사 형태의 1차노즐(10)과 암나사 형태의 2차노즐(20)을 돌려가면서 드라이 아이스 눈 형성공간(60)의 부피를 조절할 수 있다. 드라이 아이스 눈 형성공간(60)을 조절하기 위해, 나사선 형태를 이용한 것이 도 2이다. 나사선 형태를 사용하는 것 외에 피스톤 형태 등등 다양한 방법으로 형성공간을 조절할 수 있다.

고압의 액체 이산화탄소는 입구공간(30)을 지나서 직경이 좁아지는 입구관(40)을 통과하면서 속도가 증가하고 압력은 낮아진다. 이렇게 통과한 액체 이산화탄소는 드라이 아이스 눈 형성공간(60)을 지나면서 압력이 낮아져 팽창하여 드라이 아이스 눈 입자를 형성한다. 형성된 눈 입자와 기체 및 액체 이산화탄소는 출구관(70)을 거쳐 출구공간(80)을 통과하여 분출된다. 나사선(50) 형태로 된 1차노즐(10)과 2차노즐(20)을 결합하여, 2차노즐(20)을 회전시키면서 눈형성공간(60)의 부피를 조절할 수 있다. 눈형성공간(60)의 부피가 적절할 때, 형성되는 이산화탄소 눈의 최대 크기를 얻을 수 있다. 또한 눈형성공간(60)의 부피를 적절하게 조절하면서, 눈의 분포를 조절할 수 있다.

가변성 이산화탄소 상변화 노즐 통과후 교축과정에 의해 이산화탄소 눈 입자는 약 -80℃로서 제품 표면 위에 드라이 아이스 얼음막을 형성할 수 있다. 이 얼음막은 세척을 방해하는 요소로 작용하는데, 이를 제거하기 위해 고체 이산화탄소의 승화열(573.02J/g) 이상의 열에너지를 지속적으로 공급한다. 열에너지를 공급하는 방법으로 열풍기를 장착하였다.

도 3a 는 열풍기를 장착한 드라이 아이스 상변화 노즐(10, 20)을 이용한 표면세척 장치의 단면도이다. 2차노즐(20) 주위에 전열선(100)을 원형으로 배치하여 열을 발생시키고 발생된 열이 드라이 아이스 상변화 노즐(10, 20)에 전달되는 것을 막기 위해 단열재(140)를 원형으로 설치하였다. 그리고, 전열선(100)에 의해 발생되는 열량을 고온의 공기 형태로 분사시키기 위해 팬(110)을 장착하였다. 열풍기를 장착 하는 방법에 있어, 도 3a 또는 도 3b 와 같이 하나의 열풍기를 노즐 주위를 둘러싸는 방식으로 배치시키는 것 외에,·독립된 두 개의 열풍기를 노즐 상하로 배치하거나, 독립된 네 개의 열풍기를 상하좌우로 배치하는 등의 다양한 방법으로 노즐 주위에 열풍기를 배치할 수 있다.

노즐 스위치(150)를 조작하여 액체 이산화탄소를 입구공간(30)속으로 흐르게 한다. 액체 이산화탄소가 가변성 이산화탄소 상변화 노즐(10, 20)을 지나면서 눈형성공간(60)에서 드라이 아이스 눈 입자를 생성하고 고속의 액체 및 기체 이산화탄소(130)와 함께 분출되어 표면에 흡착되어 있는 오염물을 제거한다. 이때 극저온의 얼음막이 형성되어 세척을 방해할 수 있는데, 이를 제거하기 위하여 열풍기로 열량을 공급한다. 전원을 사용하여 전열선(100)으로 열을 발생시키고, 전원을 사용하여 팬(110)을 회전시켜 고온의 공기(120)를 얼음막에 고속으로 분사하면서 생성된 얼음막을 제거한다. 전열선(100)으로부터 나오는 열량은 온도조절기(90)를 사용하여 조절 가능하다. 적절한 온도를 설정하여 고온의 공기로 인한 제품 표면의 손상을 막을 수 있으며, 온도를 조정하며 얼음막에 제거되는 정도를 조절할 수 있다. 도 3b는 열풍기를 장착한 드라이 아이스 상변화 노즐(10, 20)의 정면도이다. 눈입자의 크기 및 분포를 조절하는 형성공간(60)의 크기 변화는 2차노즐(20)의 회전에 의해 가능하며, 2차노즐(20)의 회전이 가능하도록 +자 형태의 홈(170)을 앞면에 만든다.

본 발명에서는 다양한 크기와 분포를 갖는 드라이 아이스 눈(Snow)입자를 얻기 위해 도 2 와 같은 노즐을 제작하였다. 도 2의 형성공간(60)을 적절하게 조절하면서 생성되는 드라이 아이스 눈 입자의 크기 및 분포를 살펴보았다. 도 4는 그 결과를 나타낸다. 도 4a 및 도 4b는 도 2의 노즐 출구 공간(80) 끝에서 2cm떨어진 곳의 드라이 아이스 눈 입자의 크기 및 분포를 촬영한 사진이다. 도 4a는 도 2의 드라이 아이스 눈 형성공간(60)의 부피를 최소로 했을 때의 모습이다. 형성되는 드라이 아이스 눈 입자가 작아서, 거의 측정이 안되고 있다. 도 4b는 도 2의 드라이 아이스 눈 형성공간(60)의 부피가 증가했을 때의 사진이다. 형성된 드라이 아이스 눈 입자가 커졌으며, 눈의 평균 직경은 대략 10㎛로 나타나고 있다. 도 2의 드라이 아이스 눈 형성공간(60)의 부피를 조절하면, 드라이 아이스 눈 입자의 크기가 변하는 것을 확인할 수 있으며, 이를 이용하여 다양한 표면 오염물을 효과적으로 제거할 수 있다.

본 노즐을 이용한 표면세척장치의 효과를 알아보기 위하여, 제거 대상물을 사람의 지문으로 선정하였다. 정밀하고 민감한 광학 및 전자 부품의 경우에 지문과 같은 오염물의 제거가 필수적이기 때문이다. 도 5a는 깨끗한 유리 표면 위에 일정한 힘으로 사람의 지문을 남긴 세척전 모습을 촬영한 도이다. 본 발명에서 제안한 도 3의 표면 세척장치를 사용하여 도 5a의 지문을 세척한 후의 모습을 도 5b에 나타내었다. 지문이 제거된 깨끗한 표면을 보여주고 있다. 열풍기를 사용하지 않고 이산화탄소 상변화 노즐만을 사용하는 기존의 세척법은 표면에서 발생하는 드라이 아이스 얼음막이 세척을 방해하는 요소로 작용하여 세척효과가 떨어진다. 또한, 세척종료 후 극 저온의 드라이 아이스 얼음막이 녹으면서 대기중의 습기를 응축 시켜 제품 표면에 물자국을 남긴다. 습기로 인한 물 자국을 발생시키지 않으려면, 습기가 전혀 없는 격리 공간 안에서 세척을 시행해야 한다. 습기가 없는 격리공간을 제작 하기에는 기술적으로나 경제적으로 많은 어려움이 따른다. 그러나 본 발명품은 열풍기를 이용하여 드라이 아이스의 승화열을 지속적으로 공급하여, 제품 표면에 얼음막이 형성되지 않아, 세척 효율을 극대화시킬 수 있고, 대기중의 습기 응축도 발생하지 않는다. 따라서, 세척시에 기술적으로나 경제적으로 제작하기 어려운 격리 공간을 필요로 하지 않고, 간단하게 효과적으로 세척이 가능하다.

Claims

표면에 흡착되는 오염물을 제거하는 방법에 있어서, 드라이 아이스 눈 입자의 크기를 조절할 수 있는 노즐을 고압의 이산화탄소 용기 및 고압호스 연결하여 사용하고, 표면에 열을 공급하는 것을 특징으로 하는 세척 방법 및 장치
제 1 항에 있어서, 노즐의 경우에, 입구관과 출구관 사이의 드라이 아이스 눈 입자가 형성되는 내부공간(형성공간)의 부피를 조절하여, 드라이 아이스 눈 입자 크기를 조절하는 방법 및 장치
제 2 항의 있어서, 형성공간의 부피를 조절하는데 있어서, 암나사와 수나사의 결합에 의한 공간 형태 및 피스톤 모양의 공간 형태 등을 사용하여 형성 공간의 부피를 조절하는 방법 및 장치
제 1 항에 있어서, 노즐 주위에 원형으로 또는 노즐 근처에 온도 조절 가능한 열풍기를 부착하여 세척시 발생되는 드라이 아이스 얼음막을 제거하는 방법 및장치