KR20170040109A

KR20170040109A - 삼불화질소 제조용 전해조의 콜렉터 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20170040109A
Application number: KR1020160126819A
Authority: KR
Inventors: 원지연; 권철현
Original assignee: 후성정공 주식회사; 주식회사 효성
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: TWI600800B; KR101771862B1; WO2017057950A1; TW201720965A

Abstract

본 실시예에 따른 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터는 소정 개수의 애노드 전극들 주위를 감싸는 사각 관 형상의 측면부, 상기 측면부의 상단에 대하여 수직으로 연장하여 형성되는 플랜지, 및 상기 측면부의 하단 측에 배치되어 설정 높이까지 상기 측면부를 둘러싸도록 형성되는 판상의 링 형상의 보강링을 포함하고, 상기 측면부는, 상기 하단에서 상기 보강링의 높이에 상응하는 높이까지 상기 보강링의 두께에 상응하는 크기만큼 내측으로 돌출되도록 두껍게 형성되는 보강링 결합부가 형성 것을 특징으로 한다.

Description

삼불화질소 제조용 전해조의 콜렉터 및 그 제조 방법{COLLECTOR OF ELECTROLYZER FOR MANUFACTURING NITROGEN TRIFLUORIDE AND MANUFACTURING METHOD THE SAME}

본 발명은 삼불화질소(NF₃) 제조용 전해조의 콜렉터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 불소가스는 반도체 제조분야에서 빠질 수 없는 기간 가스이며, 그 중에서도 삼불화질소(NF₃) 가스는 반도체의 클리닝 가스나 드라이 에칭 가스로서 반도체 및 TFT-LCD 제조에 광범위하게 사용되고 있다. 최근 들어서는 반도체산업 및 FPD산업의 활성화에 따라 챔버 클리닝용 가스로서의 그 수요가 급격히 증가하고 있는 추세이다.

특히 지구온난화 대책에 따라 다른 불화물(예를 들어, SF₆나 C₃F₈등)의 사용이 제한되고 있는 현실에서, 분해가 쉬운 삼불화질소(NF₃)는 이들 불화물의 대체물질로서 전자산업 분야에서 더욱 각광받고 있다.

일반적으로 삼불화질소(NF₃)의 제조는 직접불화반응을 시키는 방법, 플라즈마를 이용하는 방법 또는 전기분해를 이용하여 제조하는 방법을 사용할 수 있다. 직접불화반응을 이용하는 방법은 불소 가스를 생산한 후 이를 암모늄바이플루오라이드가 담긴 반응기내로 투입하여 합성하는 방법으로, 이는 두 단계의 공정을 거쳐 합성되어지므로 합성 후 정제를 위한 장치 비용이 다소 높은 단점이 있다. 플라즈마를 이용하는 방법은 상용성이 떨어지고 높은 에너지를 요구하며 효율이 낮은 문제점이 있다. 용융염의 전기분해를 통한 삼불화질소의 제조방법은 높은 수율과 대량생산에 적합하다.

전해질로는 NH₄F와 HF로부터 유도되는 NH₄F-HF 혹은 NH₄F-HF에 KF를 첨가하여 유도된 KF-NH₄F-HF 또는 LiF-NH 4F-HF가 사용될 수 있다. NF₃ 가스 제조 공정에서, NF₃와 N₂ 가스는 애노드에서 발생하고 H₂ 가스는 캐소드에서 발생한다. 캐소드와 애노드에서 동시에 가스 발생 반응이 일어난다. 애노드에서 발생한 NF₃ 가스는 캐소드에서 발생한 H₂ 가스와 반응할 경우 폭발의 가능성이 있으므로 이를 억제하기 위해서는 H₂ 가스와 NF₃ 가스의 혼합 방지 및 안전성을 향상시킨 전해조 설계가 요구된다.

일반적으로 폭발의 가능성을 줄이기 위해 전해조는 전극을 분리하는 분리판을 설치한다. 분리판의 부식 방지와 분리판이 전극으로 작용하는 것을 막기 위해 분리판은 불소수지로 라이닝 된다. 애노드의 재료로 탄소와 니켈 전극이 사용될 수 있고, 일반적으로 CF₄의 양을 줄이기 위해 니켈 전극이 애노드로 사용된다. 그러나 니켈 전극은 쉽게 용해되는 단점이 있고, 용해된 니켈의 일부가 캐소드 상에 침적하게 된다. 이러한 전해조를 장기간 운용할 경우 캐소드와 분리판 사이의 간격이 좁아져 NF₃와 H₂의 혼합으로 인한 폭발 한계에 가까워지는 문제점이 있다.

니켈 전극에서 생성되는 매우 작은 NF₃ 기포는 전극을 따라 수직으로 상승되지 않고 비스듬히 상부로 이동하는 확산현상이 발생하는데 애노드 니켈 전극의 단면적당 발생되는 NF₃ 가스의 양은 증가되고 NF₃의 확산으로 캐소드 전극의 반응은 극렬해진다.

니켈 전극 사용 시 NiF 형태로 전해조 바닥에 침적이 발생되어 전극 끝과 침적물의 거리가 점차 가까워지게 된다. 반응이 진행 후 점차 전해조 바닥에서 가까운 전극 끝이 NiF에 묻히게 된다. NiF가 묻은 전극의 끝부분은 더 이상 전극의 역할을 하지 못하게 되며 전류밀도의 증가 및 전해조의 전압 상승, 수율의 감소를 초래한다. 심한 경우에는 회로가 쇼트 되거나 폭발의 우려가 있다. 따라서, 전해에 의해 두 전극 사이에 발생되는 반응열을 제거하고 전해조의 온도 분포를 균일하게 유지하는 것과 바닥과 전극끝 사이의 거리유지는 안전 운전에 매우 중요한 요소이다. 따라서, 전해조의 상단부를 냉각시키는 반면 하단부는 가열하는 것이 좋다.

용융염 전해법에서 용융염의 온도는 100∼130℃가 선호되는데, 이는 운전이 쉽고 전기 전도도가 좋으며 전기 전류효율이 좋게 되기 때문이다. NH₄F-HF(melting point : 126℃)계에서 용융염의 온도가 100∼130℃일 경우에는, NH₄F-HF가 전해조 온도보다 낮은 온도에서는 증기화된 것들이 불리하게 침적되어진다. 운전 결과 NH₄F-HF는 전해조의 리드에 침적되고 이는 생성가스 배출구를 막아버리게 된다. 이에 따라 NF₃를 가지고 있으며 분리판으로 둘러싸인 애노드 챔버와, H₂를 가지고 있으며 분리판으로 둘러싸인 캐소드 챔버 사이의 압력 차이로 인해 전해액 계면의 높이가 달라지게 된다.

예를 들어, 애노드에서 생성된 NF₃로 인해 배출구가 막히면 애노드 챔버에서 가스가 배출될 수가 없어 내부압력이 상승하게 된다. 이에 따라 전해액 계면을 누르게 되고 반대로 캐소드 챔버의 계면은 상승하게 된다. 이 경우 압력이 커져 분리판보다 계면이 더욱 하강할 경우 NF₃가 캐소드 챔버 내부로 혼입되게 된다. 이에 따라 NF₃와 H₂의 혼합이 이루어져 최악의 경우 폭발을 초래하게 되는 문제점이 있다. 따라서, 애노드에서 생성되는 NF₃와 캐소드에서 생성되는 H₂가 혼합되지 않도록 분리하기 위한 콜렉터를 포함한다.

대한민국 공개특허 제10-1991-0008172호 대한민국 등록특허 제10-0742484호 대한민국 등록특허 제10-0515412호

본 발명은 NF₃ 발생에 따른 폭발적 반응에도 훼손되지 않도록 강화된 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 실시예에 의한 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터는 복수의 애노드 전극과 복수의 캐소드 전극에서 전기분해 반응을 일으켜 NF₃를 제조하는 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터에 있어서,

소정 개수의 애노드 전극들 주위를 감싸는 사각 관 형상의 측면부;

상기 측면부의 상단에 대하여 수직으로 연장하여 형성되는 플랜지; 및

상기 측면부의 하단 측에 배치되어 설정 높이까지 상기 측면부를 둘러싸도록 형성되는 판상의 링 형상의 보강링을 포함하고,

상기 측면부는, 상기 하단에서 상기 보강링의 높이에 상응하는 높이까지 상기 보강링의 두께에 상응하는 크기만큼 내측으로 돌출되도록 두껍게 형성되는 보강링 결합부가 형성되고, 외측면은 단차 없이 형성되고, 상기 보강링 결합부의 하측에 연결되는 상기 하단의 내측 둘레에는 상기 보강링 결합부보다 작은 두께로 내측단차가 형성되고,

상기 콜렉터의 상기 측면부, 상기 보강링 결합부 및 상기 플랜지는 일체로 사출 성형되고,

상기 보강링은 둘레를 따라 복수의 관통공이 형성되고, 상기 보강링 결합부에 안착되는 것을 특징으로 하는 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터를 제공한다.

상기 보강링은 SUS(Stainless Steel) 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 보강링 결합부는 상기 보강링에 상응하는 형상으로 외측면이 절개 후 제거되어 보강링 안착홈이 형성되고, 상기 보강링 안착홈에 상기 보강링이 배치된 후 상기 보강링 외면을 커버할 수 있는 형상의 상기 측면부와 동일한 재질의 보강링 커버가 용접 결합되는 것을 특징으로 한다.

상기 보강링은 상기 보강링 결합부 내부에 배치되도록 상기 측면부 사출 시 함께 일체로 사출 성형되는 것을 특징으로 한다.

상기 콜렉터의 상기 측면부와 상기 플랜지는 PFA(Perfluoroalkoxy alkane) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene(PTFE))을 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 실시예에 의한 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터는 사출기를 예열하고 상기 사출기에 상기 보강링 관통공이 형성될 위치에 보강링 고정핀이 돌출 및 삽입 가능하게 형성되고 상기 콜렉터 내부 형상을 형성하는 콜렉터 내부 사출 금형, 콜렉터 분리 금형, 상기 콜렉터의 외측면 형상을 형성하는 콜렉터 외측 사출 금형, 및 상기 내측단차를 형성하는 콜렉터 내부 단차 사출 금형을 안착하는 단계;

상기 금형들을 형폐한 후 고온으로 가열하는 단계;

상기 금형들을 오픈한 후 상기 보강링 고정핀을 돌출하도록 작동하여 상기 콜렉터 내부 사출 금형에 상기 보강링을 조립하는 단계;

상기 금형들을 형폐하고 상기 콜렉터 재료를 상기 금형들에 사출하는 단계;

상기 사출하는 단계에서 상기 사출이 완료되기 전 시간차를 주어 고정핀을 분리하는 단계; 및

상기 사출이 완료되면 상기 사출 금형들을 오픈하고 상기 콜렉터 분리 금형을 작동하여 완성된 상기 콜렉터를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 발생된 NF₃가 원활하게 포집되고, NF₃의 생성 반응에 의해 콜렉터가 훼손되어 NF₃가 누출 H₂와 반응하는 것을 방지할 수 있고, 콜렉터의 훼손으로 인한 전해조의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 고열과 폭발적 반응에도 안정적으로 보강링이 결합되는 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 고열과 폭발적 반응 시 보강링에 의해 콜렉터 측면부가 훼손되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전해조에서 콜렉터 교체 시 간섭이 발생하지 않는 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터를 제공할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 콜렉터가 적용되는 NF₃ 제조를 위한 전해조를 개략적으로 나타낸 부분단면도,
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 콜렉터를 나타낸 사시도,
도 3 은 도 2의 콜렉터의 상면도,
도 4 는 본 발명의 제1실시예에 따른 콜렉터를 나타낸 단면도,
도 5 는 도 4의 콜렉터 제조를 위해 사출된 바디의 측단면을 나타낸 단면도,
도 6 은 도 5의 콜렉터 제조를 위해 사출된 바디에 보강링 안착부를 가공한 상태를 나타낸 단면도,
도 7 은 도 4의 C 부분을 확대하여 나타낸 단면도,
도 8 은 본 발명의 제2실시예에 따른 콜렉터를 나타낸 단면도,
도 9 는 도 8의 콜렉터의 보강링 설치 부분을 확대하여 나타낸 부분 단면도,
도 10 은 도 8의 콜렉터 제조를 위한 사출 제작을 위한 금형과 콜렉터를 나타낸 개략도, 및
도 11 은 종래 기술에 따른 콜렉터의 보강링 설치 부분을 확대하여 나타낸 부분 단면도이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현되어 있으며, 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 실시 예를 도시한 것으로, 이는 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 콜렉터가 적용되는 NF₃ 제조를 위한 전해조를 개략적으로 나타낸 부분단면도이고, 도 2 는 도 1의 전해조에 설치되는 콜렉터를 나타낸 사시도이고, 도 3 은 도 2의 콜렉터의 상면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 콜렉터(500)가 적용되는 NF₃ 제조를 위한 전해조는 전해조 바디(100), 전해조 바디 커버(200), 캐소드부(300), 애노드부(400), 콜렉터(500), H₂ 벤트부(600), NF₃ 벤트부(700)를 포함한다.

전해조 바디(100)는 전해액의 수용 공간을 구비한 상단이 오픈된 용기 형상으로 원통형상이나 다각형 형상 등으로 형성될 수 있다. 전해액을 수용하는 내면은 부식방지를 위해 불소수지로 라이닝 되거나 불소수지 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 사용 가능한 불소수지 재질은 특별히 한정되지는 않으나 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene(PTFE)), 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴, 폴리비닐플루오라이드, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로 프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체 등을 예시할 수 있으며, 바람직하게는 내산성과 내열성을 가지고 있는 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐 에테르 공중합체를 사용하는 것이 바람직하다. 전해조 바디(100)는 오픈된 상단을 밀폐하기 위하여 결합되는 전해조 바디 커버(200)와의 결합을 위해 체결부를 포함할 수 있다. 체결부는 도1에 도시된 바와 같이 수직면으로부터 직각 연장되어 형성될 수 있다.

전해액으로는 불화암모늄-불산계(NH₄F-HF)를 사용하며, 삼불화질소(NF₃) 전해조내 전해질의 조성비는 불화암모늄(NH₄F)에 대한 불산(HF)의 중량% 비율이 1.0∼2.6 으로 구성되도록 한다. 삼불화질소(NF₃)의 생성 효율을 감안하면 바람직한 전해액의 온도 범위는 100 - 130℃인 것이 바람직하다. 불화암모늄-불산(NH₄F-HF)은 녹는점이 126℃로 전해액의 온도가 100℃ 미만일 경우는 불화암모늄-불산(NH₄F-HF)이 전해조 내에 침적할 가능성이 커져 삼불화질소(NF₃) 생성률이 급격히 감소하고, 130℃ 를 초과하면 반응률은 상승될 수 있으나, 반응 가스에 불산(HF)이 증가하여 벤트부를 막아버리는 문제점이 있으므로 반응 시 전해액의 온도는 100 - 130℃ 설정된다.

전해조 바디 커버(200)는 전해조 바디(100)의 상부를 밀폐하도록 결합하는 것으로, 전해조 바디커버(200)는 판 형상으로 형성되고 상기 전해조 바디(100)의 체결부에 결합할 수 있도록 상응하는 크기와 형상을 갖는다. 전해조 바디 커버(200)의 가장자리에는 체결부에 결합할 수 있도록 체결홈이 형성될 수 있고 커버(200)와 전해조 바디(100)의 체결부는 패킹을 개재하여 결합하는 것이 밀폐도를 높일 수 있어 바람직하다. 한편, 전해조 바디 커버(200)에는 복수의 캐소드부(300)와 복수의 애노드부(400)가 각각 삽입될 수 있는 캐소드 삽입공과 애노드 삽입공이 각각 형성되고, 일측에 H₂ 벤트부(600)가 결합하고, 애노드부(400)에서 연장하여 NF₃ 벤트부(700)가 결합한다.

캐소드부(300)와 애노드부(400)는 니켈 재질의 전극으로 구성되는 것이 바람직하다. 니켈 전극 이외에 탄소 전극을 사용할 수 있으나, 반응 중 발생하기 용이한 불순물인 사불화탄소(CF₄)의 제거가 용이하지 않으므로 니켈 전극을 사용하는 것이 바람직하다. 캐소드 전극과 애노드 전극은 하나 이상 다수개 설치될 수 있다. 캐소드 전극과 애노드 전극은 교호 배열되는 것이 바람직하다.

H₂ 벤트부(600)는 캐소드 전극에서 발생하는 H₂ 가스를 전해조 외부로 배출하기 위한 것으로, 상기 전해조 바디 커버(200)를 관통하여 결합된다. H₂ 가스는 상향하는 특성을 가지고 있으므로 캐소드 전극 별로 개별적으로 벤트부가 결합할 필요없이 하나 이상이 전해조 바디 커버(200)에 패킹을 개재하여 밀폐 결합하는 것이 바람직하다.

NF₃ 벤트부(700)는 각 애노드부(400) 별로 개별적으로 결합하는 것이 바람직하다. NF₃ 벤트부(700)는 애노드부(400)의 상방에 위치한다. NF₃ 벤트부(700)도 커버(200)에 패킹을 개재하여 밀폐 결합한다. NF₃ 벤트부(700)는 후술하는 콜렉터(500)에서 포집된 NF₃ 가스를 배출하기 위한 구조로, NF₃ 가스를 배출하는 배출관과 배출관이 전해조 바디 커버(200)의 애노드 삽입공에 삽입되는 연결부재를 포함하는 것이 바람직하다.

콜렉터(500)는 애노드부와 캐소드부를 구획하기 위해 설치되는 것으로 애노드 생성 가스와 캐소드 생성 가스의 혼합을 방지한다. 콜렉터(500)는 또한 애노드에서 전해액의 전기분해 반응에 의해 발생하는 가스를 포집하기 위하여 각 애노드부(400) 별로 애노드 전극들의 주위를 감싸는 사각 관 형 상의 측면부(510)와 전해조 바디 커버(200)와 밀폐 결합하는 결합 플랜지(520)를 포함한다. 상하 방향으로 오픈되고 측면부(510)는 애노드 전극들을 감싸고 상방에는 전해조 바디 커버(200)와 밀폐 결합할 수 있도록 결합 플랜지(520)가 측면부(510) 상단에 대하여 수직으로 측면부(510)로부터 연장하여 형성한다. 콜렉터(500)는 전해액 내부에 배치되고 NF3 발생에 따른 격렬한 전기 분해 반응 시에 손상을 방지하기 위하여 PFA(Perfluoroalkoxy alkane)또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)를 재질로 구성하는 것이 바람직하다. 콜렉터(500)는 내측에 위치하는 애노드 전극에서 NF₃ 발생을 위해 격렬한 전기 분해 반응이 발생하므로 콜렉터(500)는 용접으로 연결된 부분 없이 일체로 사출 형성되는 것이 바람직하다. 또한 콜렉터(500) 내측에서 반복해서 격렬한 반응이 발생하여 콜렉터(500)의 측면부(510)가 훼손되는 것을 방지하기 위하여 콜렉터 측면부(510)에 강화를 위한 후술할 보강링(530)이 결합한다.

도 4 는 본 발명의 제1실시예에 따른 콜렉터를 나타낸 단면도이고, 도 5 는 도 4의 콜렉터 제조를 위해 사출된 바디의 측단면을 나타낸 단면도이고, 도 6 은 도 5의 콜렉터 제조를 위해 사출된 바디에 보강링 안착부를 가공한 상태를 나타낸 단면도이고, 도 7 은 도 4의 C 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.

도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 콜렉터(500)를 보다 상세히 설명하기로 한다. 도시된 바와 같이, 콜렉터(500)의 측면부(510) 하방 둘레에 보강링(530)이 결합한다. 보강링(530)은 SUS(Stainless Steel) 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 보강링(530)은 콜렉터 측면부(510) 둘레를 모두 감쌀 수 있는 판형 링 형상으로 형성된다. 보강링(530)은 콜렉터 측면부(510)의 하단부에서 전기 분해 반응이 격렬하게 발생하는 소정 높이까지 보호가 필요한 높이에 맞게 설정된다. 제1실시예에 따른 콜렉터(500)는 보강링(530)의 결합을 위해 콜렉터(500) 측면부(510)의 하부 둘레에는 결합하는 보강링(530)의 높이와 두께에 상응하는 높이와 두께로 보강링 결합부(511)가 형성된다. 즉, 보강링 결합부(511)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 콜렉터 측면부(510)의 상부 두께보다 보강링(530)과 보강링 커버(540) 두께에 상응하게 더 두껍게 일체로 형성된다. 보강링(530) 안착을 위해, 도 6에 도시된 바와 같이, 보강링 안착홈(513)이 보강링(530)과 보강링 커버(540) 두께와 높이에 상응하게 절개되어 제거된다. 보강링(530)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 보강링 안착부(513)에 끼워지고, 금속인 보강링(530)이 전해액에 노출되면 부식하게 되므로 콜렉터(500)와 동일 재질로 제작된 보강링 커버(540)에 의해 보강링(530)을 커버한다. 보강링 커버(540)는 상하 용접되어 결합한다. 도면부호 550은 용접부를 나타낸다. 보강링 커버(540)는 NF₃가 발생하는 콜렉터(500)의 내측이 아닌 외측에 배치되므로 용접부(550)가 전기분해 반응에 의해 훼손되지 않는다. 한편, 도시된 바와 같이 보강링(530)에는 둘레를 따라 복수의 관통공(531)이 형성된다. 보강링(530)에 형성된 복수의 관통공(531)은 콜렉터(500) 내부에서 일어나는 NF₃발생 시 일어나는 폭발적 반응에 따른 충격을 흡수한다. 콜렉터 결합부(511) 및 보강링 커버(540)와 보강링(530)의 재질이 다르기 때문에 폭발적 반응에 따른 충격력에 의한 변형률이 달라 폭발이 계속되면 변형률의 차이에 의한 상호 작용으로 용접부(550)에 지속적인 힘이 작용하여 훼손될 가능성이 있다. 관통공(531)이 충격력을 흡수하여 이러한 훼손 가능성을 감소시키게 된다. 또한, 콜렉터 결합부(511) 및 보강링 커버(540)와 보강링(530)의 재질이 다르기 때문 열팽창률이 상이하다. 관통공(531)은 열팽창에 의한 변형도 흡수하여 열팽창률의 차이에 따라 보강링(530)이 콜렉터 결합부(511)와 콜렉터 커버(540) 및 용접부(550)에 가하는 힘을 감소시켜 열팽창률의 차이에 따른 훼손 가능성도 감소시키게 된다.

도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 콜렉터(500)의 단면을 나타낸 단면도이고, 도 9는 도 8의 콜렉터 측면부(510)의 하부를 보다 상세히 나타낸 부분 단면도이고, 도 10 은 도 8의 콜렉터(500)의 사출 제작을 위한 금형을 나타낸 개략도다. 도시되는 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 콜렉터(500)는 보강링(530)이 콜렉터 측면부(510)에 일체로 사출된다. 보강링 결합부(511)는 보강링(530) 두께와 보강링을 내측과 외측에서 보호할 수 있는 두께로 측면부(510) 상부보다 두껍게 형성된다. 도시되는 바와 같이, SUS 보강링(530)을 포함하고 일체로 사출 성형되는 콜렉터(500)가 적용되면, NF₃ 발생시의 격렬한 반응에도 SUS 보강링(530)이 훼손되지 않으면서 콜렉터(500)의 측면부를 강화시킬 수 있게 된다. 제2실시예에 따른 콜렉터(500)의 보강링(530)도 SUS(Stainless Steel) 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 보강링(530)은 콜렉터 측면부(510) 둘레를 모두 감쌀 수 있는 판형 링 형상으로 형성된다. 보강링(530)은 콜렉터 측면부(510)의 하단부에서 전기 분해 반응이 격렬하게 발생하는 소정 높이까지 보호가 필요한 높이에 맞게 설정된다. 보강링(530)에는 둘레를 따라 복수의 관통공(531)이 형성된다. 보강링(530)에 형성된 복수의 관통공(531)은 콜렉터(500) 내부에서 일어나는 NF₃발생 시의 폭발적 반응에 따른 충격을 흡수한다. 콜렉터(500) 바디와 보강링(530)의 재질이 다르기 때문에 폭발적 반응에 따른 충격력에 의한 변형률이 달라 폭발이 계속되면 변형률의 차이에 의한 상호 작용으로 훼손될 가능성이 있다. 관통공(531)이 충격력을 흡수하여 이러한 훼손 가능성을 감소시키게 된다. 또한, 콜렉터(500) 바디와 보강링(530)의 재질이 다르기 때문 열팽창률이 상이하다. 관통공(531)은 열팽창에 의한 변형도 흡수하여 열팽창률의 차이에 따라 보강링(530)이 보강링 결합부(510)에 가하는 힘을 감소시켜 열팽창률의 차이에 따른 훼손 가능성도 감소시키게 된다.

도 10을 참조하여 제2실시예에 따른 콜렉터(500) 제조방법을 설명한다. 보강링(530)과 함께 콜렉터(500) 바디를 일체로 사출 성형하기 위해, 콜렉터 내부 사출 금형(1100), 콜렉터 분리 금형(1200), 콜렉터 외측 사출 금형(1300), 콜렉터 내부 단차 사출 금형(1400)이 사용된다. 콜렉터 내부 사출 금형(1100)은 보강링 관통공(531)이 형성될 위치에 보강링 고정핀(1110)이 돌출 및 삽입 가능하게 형성되고, 콜렉터(500) 내부 형상을 형성하고, 콜렉터 분리 금형(1200)은 사출 완료 후 완성품을 분리시키고, 콜렉터 외측 사출 금형(1300)은 콜렉터(500)의 외측면 형상을 형성하고, 콜렉터 내부 단차 사출 금형(1400)은 내측단차(512)를 형성한다.

먼저, 사출기를 예열하고 사출기에 상기 금형(1100,1200,1300,1400)을 안착 시킨다. 사출 금형을 형폐한 후 고온으로 가열한다. 사출 금형을 오픈한 후 보강링 고정핀(1110)을 돌출하도록 작동하여 금형에 보강링(530)을 조립한다. 그 후 금형을 형폐하고 PFA와 같은 콜렉터(500) 본체 재료를 사출한다. 사출 중 고정핀(1110)이 삽입되도록 작동하여 보강링(530)에서 분리한다. 즉, 고정핀(1110) 분리 시 고정핀 제어 장치를 사용하여 시간차를 주어 보강링(530)이 움직이거나 변형하지 않도록 하며, 이때 보강링(530)의 관통공(531)이 PFA로 메워진다. 그 다음 금형을 오픈하고 콜렉터 분리 금형(1200)을 작동하여 사출품을 추출한다.

종래의 콜렉터는 불소 수지 시트를 절단하여 측면부와 플랜지를 용접 및 융착 공정으로 제작하여 높은 온도에 의해 열응력이 용접 및 융착부에 집중되어 기계적 강도 저항으로 인한 균열이 발생할 수 있으며, 이로 인해 콜렉터의 수명이 짧은 문제점이 있다. 본 발명의 제1실시예와 제2실시예에 따른 콜렉터(500)는 측면부(510)와 플랜지(520)가 모두 일체로 형성되어 용접부가 없거나 최소화되므로 콜렉터(500)의 수명과 품질이 향상된다.

종래 기술에 의하면, 콜렉터 내측에 금속 보강링을 설치하고자 할 경우, 용접 및 융착 시, 지그 간섭으로 인해 제작이 어려운 단점이 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 콜렉터 외면에 용접 등으로 금속 보강링이 결합되는 경우, 두께가 얇은 콜렉터 측면(51)에 보강링(53)과 커버(54) 결합을 위한 용접 및 융착 시 발생하는 과열 반응으로 인해 보강링(53), 측면(51) 시트가 변형 손상되거나 탈락될 위험이 있어 결합 안전성을 보장하기 어렵다. 이에 반해 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 콜렉터(500)는 보강링 결합부(511)의 두께를 두껍게 형성하여 과열에 의한 변형 손상 가능성이 크게 낮아진다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 콜렉터(500)는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 보강링 결합부(511)가 측면부(510)와 일체로 형성되고, 보강링 결합부(511)가 측면부(510) 상부 보다 두껍게 사출 성형된 후, 보강링 결합부(511)에 절개 및 제거 공정을 가해 보강링 안착부(513)를 형성한다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 콜렉터(500)는 안정적으로 콜렉터(500) 외측에 금속 보강링(530)을 설치할 수 있다. 또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 콜렉터(500)는 판상의 보강링(530) 둘레에 복수개의 관통공(531)을 형성하여 폭발적 반응에 의한 충격력을 흡수 분산시키며 열팽창에 의한 변형도 흡수할 수 있는 효과가 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 콜렉터(500)는 보강링 결합부(511) 내부에 보강링(530)이 삽입된 상태에서 일체로 사출 성형되어, 금속 소재의 보강링(530)을 보다 완벽하게 보호할 수도 있다.

또한, 본 발명의 제1실시예와 제2실시예에 따른 콜렉터(500)는 보강링(530)이 설치되는 보강링 결합부(511)에 연결되는 하단부 내측에 내측단차(512)를 형성하여 가스 발생 공간이 넓어져 전해조의 생산량이 향상된다.

또한, 종래 기술에 따른 콜렉터의 경우 콜렉터 내측에는 지그 간섭으로 인해 보강링 설치가 어려우므로 도 11에 개시된 바와 같이 콜렉터 측면(51)의 외측면에 보강링(53)이 설치된다. 따라서 보강링(53)과 보강링 커버(54)의 두께 만큼 콜렉터 측면(51)과 단차가 생긴다. NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터는 소모품으로 NF₃ 제조 공정에서 전해조에 설치 및 제거하는 공정이 포함된다. 콜렉터 외측면에 단차가 있는 구조는 콜렉터를 전해조에 설치하거나 제거할 때 간섭이 발생하여, 소요시간이 길어지고 공정이 어려워지는 단점이 있다. 본 발명의 제1실시예와 제2실시예에 따른 콜렉터(500)는 콜렉터 측면부(510) 외측과 보강링(530)이 결합하는 보강링 결합부(511) 외측면이 단차 없이 형성되어 콜렉터(500) 교체나 설치 시 전해조의 다른 부분과 간섭이 발생하지 않게 되어 공정이 편리하고 안전하게 된다.

100 : 전해조 바디 200 : 전해조 바디 커버
300 : 캐소드부 400 : 애노드부
500 : 콜렉터 510 : 측면부
511 : 보강링 결합부 512 : 내부단차
513 : 보강링 안착홈 520 : 플랜지
530 : 보강링 531 : 관통공
540 : 보강링 커버 550 : 용접부
600 : H2 벤트부 700 : NF₃ 벤트부
1100 : 콜렉터 내부 사출 금형 1110 : 보강링 고정핀
1200 : 콜렉터 분리 금형 1300 : 콜렉터 외측 사출 금형
1400 : 콜렉터 내부 단차 사출 금형

Claims

복수의 애노드 전극과 복수의 캐소드 전극에서 전기분해 반응을 일으켜 NF₃를 제조하는 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터에 있어서,
소정 개수의 애노드 전극들 주위를 감싸는 사각 관 형상의 측면부;
상기 측면부의 상단에 대하여 수직으로 연장하여 형성되는 플랜지; 및
상기 측면부의 하단 측에 배치되어 설정 높이까지 상기 측면부를 둘러싸도록 형성되는 판상의 링 형상의 보강링을 포함하고,
상기 측면부는, 상기 하단에서 상기 보강링의 높이에 상응하는 높이까지 상기 보강링의 두께에 상응하는 크기만큼 내측으로 돌출되도록 두껍게 형성되는 보강링 결합부가 형성되고, 외측면은 단차 없이 형성되고, 상기 보강링 결합부의 하측에 연결되는 상기 하단의 내측 둘레에는 상기 보강링 결합부보다 작은 두께로 내측단차가 형성되고,
상기 콜렉터의 상기 측면부, 상기 보강링 결합부 및 상기 플랜지는 일체로 사출 성형되고,
상기 보강링은 둘레를 따라 복수의 관통공이 형성되고, 상기 보강링 결합부에 안착되는 것을 특징으로 하는 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터.
제 1 항에 있어서,
상기 콜렉터의 상기 측면부와 상기 플랜지는 PFA(Perfluoroalkoxy alkane)또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene(PTFE))을 재질로 구성되는 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터.
제 1 항에 있어서,
상기 보강링은 SUS(Stainless Steel) 재질로 구성되는 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터.
제 1 항에 있어서,
상기 보강링 결합부는 상기 보강링에 상응하는 형상으로 외측면이 절개 후 제거되어 보강링 안착홈이 형성되고, 상기 보강링 안착홈에 상기 보강링이 배치된 후 상기 보강링 외면을 커버할 수 있는 형상의 상기 측면부와 동일한 재질의 보강링 커버가 용접 결합되는 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터.
제 1 항에 있어서,
상기 보강링은 상기 보강링 결합부 내부에 배치되도록 상기 측면부 사출 시 함께 일체로 사출 성형되는 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터.
제 5 항의 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터의 제조 방법에 있어서,
사출기를 예열하고 상기 사출기에 상기 보강링 관통공이 형성될 위치에 보강링 고정핀이 돌출 및 삽입 가능하게 형성되고 상기 콜렉터 내부 형상을 형성하는 콜렉터 내부 사출 금형, 콜렉터 분리 금형, 상기 콜렉터의 외측면 형상을 형성하는 콜렉터 외측 사출 금형, 및 상기 내측단차를 형성하는 콜렉터 내부 단차 사출 금형을 안착하는 단계;
상기 금형들을 형폐한 후 고온으로 가열하는 단계;
상기 금형들을 오픈한 후 상기 보강링 고정핀을 돌출하도록 작동하여 상기 콜렉터 내부 사출 금형에 상기 보강링을 조립하는 단계;
상기 금형들을 형폐하고 상기 콜렉터 재료를 상기 금형들에 사출하는 단계;
상기 사출하는 단계에서 상기 사출이 완료되기 전 시간차를 주어 상기 보강링 고정핀을 분리하는 단계; 및
상기 사출이 완료되면 상기 사출 금형들을 오픈하고 상기 콜렉터 분리 금형을 작동하여 완성된 사출품을 추출하는 단계를 포함하는 NF₃ 제조용 전해조의 콜렉터 제조 방법.