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KR101329750B1 - 플라즈마 수소화 반응 장치 - Google Patents

플라즈마 수소화 반응 장치 Download PDF

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KR101329750B1
KR101329750B1 KR1020110047020A KR20110047020A KR101329750B1 KR 101329750 B1 KR101329750 B1 KR 101329750B1 KR 1020110047020 A KR1020110047020 A KR 1020110047020A KR 20110047020 A KR20110047020 A KR 20110047020A KR 101329750 B1 KR101329750 B1 KR 101329750B1
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South Korea
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gas
plasma
hydrogen
discharge tube
based compound
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KR1020110047020A
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홍용철
이봉주
신동훈
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(주)그린사이언스
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Abstract

플라즈마 수소화 반응 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치는, 기 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부; 상기 전자파 공급부로부터 공급된 상기 전자파 및 수소가스 또는 수소를 포함하는 혼합가스로부터 플라즈마가 발생되는 방전관; 상기 방전관에 상기 수소가스 또는 상기 수소를 포함하는 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입하는 가스 공급부; 상기 방전관 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 Si-Cl계 화합물을 공급하는 반응물 공급부; 발생된 상기 플라즈마에 의하여 해리된 수소 원자 또는 수소 이온과 상기 Si-Cl계 화합물간의 반응에 의하여 Si-H-Cl계 화합물이 생성되는 반응로; 및 상기 반응로에서 생성된 상기 Si-H-Cl계 화합물을 배출하는 생성물 배출부를 포함한다.

Description

플라즈마 수소화 반응 장치 {PLASMA HYDROGENATION APPARATUS}
본 발명은 플라즈마를 이용한 수소화 반응 기술과 관련된다.
최근, 전세계적으로 에너지 소비량이 급등하고 화석 연료가 점차 고갈되어 가면서, 지속 가능한 에너지원으로서 태양광에 대한 관심이 집중되고 있다. 또한 태양광을 전기에너지로 변환하기 위해서는 태양전지 기판이 필요한 바, 태양전지 기판의 원료 물질인 폴리실리콘(Polycrystalline silicon)에 대한 수요가 급속히 증가하고 있다.
폴리실리콘을 제조하기 위해서는 원료물질로서 Si-H-Cl계 화합물(SiHxCly; x+y=4; 0≤x,y≤4)이 필요하며, 일반적으로 이 중 삼염화 실란(Trichloro-silane; SiHCl3) 또는 모노실란(Mono-silane; SiH4) 중 하나의 물질이 사용된다.
기존에는 상기 Si-H-Cl계 화합물을 생산하기 위하여 다량의 사염화규소(Silicon tetrachloride; SiCl4)를 발생시키고, 발생된 사염화규소를 삼염화실란으로 수소화반응(hydrogenation)시키는 것이 일반적이었다. 그러나 이러한 종래의 수소화반응을 이용한 공정의 경우 높은 압력이 필요하며, 변환 수율이 약 20% 이하로서 매우 낮아 효율적으로 삼염화실란 등의 Si-H-Cl계 화합물을 생산하는 데 어려움이 있었다. 또한 이에 따라 태양전지 기판의 원료물질인 폴리실리콘의 공급 또한 매우 부족하여 태양광발전의 비약적인 발전에 최대 걸림돌이 되어 왔다.
본 발명은 플라즈마를 이용하여 경제적이고 효율적으로 Si-H-Cl계 화합물을 제조하는 데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치는, 기 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부; 상기 전자파 공급부로부터 공급된 상기 전자파 및 수소가스 또는 수소를 포함하는 혼합가스로부터 플라즈마가 발생되는 방전관; 상기 방전관에 상기 수소가스 또는 상기 수소를 포함하는 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입하는 가스 공급부; 상기 방전관 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 Si-Cl계 화합물을 공급하는 반응물 공급부; 발생된 상기 플라즈마에 의하여 해리된 수소 원자 또는 수소 이온과 상기 Si-Cl계 화합물간의 반응에 의하여 Si-H-Cl계 화합물이 생성되는 반응로; 및 상기 반응로에서 생성된 상기 Si-H-Cl계 화합물을 배출하는 생성물 배출부를 포함한다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치는, 기 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부; 상기 전자파 공급부로부터 공급된 상기 전자파 및 수소가스 또는 수소를 포함하는 혼합가스로부터 플라즈마가 발생되는 방전관; 상기 방전관에 상기 수소가스 또는 상기 수소를 포함하는 혼합가스와 함께 가스 형태의 Si-Cl계 화합물을 소용돌이 형태로 주입하는 가스 및 반응물 공급부; 발생된 상기 플라즈마에 의하여 해리된 수소 원자 또는 수소 이온과 상기 Si-Cl계 화합물간의 반응에 의하여 Si-H-Cl계 화합물이 생성되는 반응로; 및 상기 반응로에서 생성된 상기 Si-H-Cl계 화합물을 배출하는 가스 배출부를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따를 경우 플라즈마 수소화 반응을 이용하여 다량의 수소 관련 종, 특히 Si-H-Cl 계열 화합물을 생산할 수 있다. 또한, 3000K 내지 5000K 이상의 고온 영역에서 플라즈마 수소화 반응을 발생시키므로 화합물 생성의 효율을 높일 수 있으며, 본 발명의 플라즈마는 1기압 환경에서 발생되므로 플라즈마 가스화기의 소형화 및 제어의 용이화가 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치(100)의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치(200)의 블록 구성도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치(100, 200)의 도파관(112)과 방전관(114)이 연결되는 부분을 도시한 수직 단면도이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치(100)의 가스 공급부(116)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치(100)의 반응물 공급부(118)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도이다.
도 7은 온도에 따른 수소 원자의 해리도 및 이온화도를 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치(100)의 블록 구성도이다.
도시된 바와 같이, 플라즈마 수소화 반응 장치(100)는 전원부(102), 전자파 발진기(104), 순환기(106), 방향성 결합기(108), 튜너(110), 도파관(112), 방전관(114), 가스 공급부(116), 반응물 공급부(118), 반응로(120), 및 생성물 배출부(122)를 포함하며, 필요에 따라 생성물 분리부(124)를 더 포함할 수 있다.
전원부(102)는 플라즈마 수소화 반응 장치(100)의 구동에 필요한 전력을 공급한다.
전자파 발진기(104)는 전원부(102)와 연결되며, 전원부(102)로부터 전력을 공급받아 전자파를 발진한다. 본 발명에서는 상용주파수의 전자파 발진기(마그네트론)를 이용하며, 예를 들어 2.45GHz의 주파수를 갖는 전자파 발진기, 또는 902~928MHz(915MHz 마그네트론) 또는 886~896MHz(896MHz 마그네트론)의 주파수 범위를 갖는 전자파를 발진하는 전자파 발진기를 사용할 수 있다.
순환기(106)는 전자파 발진기(104)와 연결되며, 전자파 발진기(104)에서 발진된 전자파를 출력함과 동시에 임피던스 부정합으로 반사되는 전자파 에너지를 소멸시켜 전자파 발진기(104)를 보호한다.
방향성 결합기(108)는 순환기(106)를 통해 전송된 전자파를 출력하며, 이와 동시에 입사파와 반사파의 세기를 모니터링한다.
튜너(110)는 방향성 결합기(108)로부터 출력된 전자파의 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도함으로써 상기 전자파로 유도된 전기장이 방전관(114) 내에서 최대가 되도록 한다.
도파관(112)은 튜너(110)로부터 입력되는 전자파를 방전관(114)으로 전송한다.
도시된 바와 같이, 전술한 전원부(102), 전자파 발진기(104), 순환기(106), 방향성 결합기(108), 튜너(110) 및 도파관(112)은 본 발명에서 전자파 공급부(126)를 구성하며, 전자파 공급부(126)는 전자파를 발생시켜 방전관(114)으로 공급하는 역할을 수행한다.
방전관(114)은 전자파 공급부(126)로부터 공급된 상기 전자파 및 수소가스 또는 수소를 포함하는 혼합가스로부터 플라즈마를 생성하며, 생성된 상기 플라즈마를 이용하여 상기 수소가스 또는 혼합가스에 포함된 수소(H2)를 해리하여 원자 상태의 수소(H)를 생성하거나 또는 수소 이온을 생성하고, 생성된 상기 수소 원자 또는 수소 이온과 Si-Cl계 화합물을 반응시켜 Si-H-Cl계 화합물을 생성한다. 본 발명에서 반응물인 Si-Cl계 화합물은 예를 들어 SiCl4 또는 SiCl2 등이 될 수 있으며, 이로부터 생성되는 Si-H-Cl계 화합물은 SiHCl3 또는 SiH2Cl2 등이 될 수 있다.
상기와 같이 방전관(114) 내부에 주입된 수소가스 또는 수소를 포함하는 혼합가스는 생성된 플라즈마를 안정화시키고 방전관(114) 내에 소용돌이(swirl)를 형성하여 고온의 플라즈마 화염으로부터 방전관(114)의 내벽을 보호하게 된다. 또한 상기 수소가스 또는 혼합가스에 포함된 수소는 상기 플라즈마 내에서 Si-Cl계 화합물과 반응하여 Si-H-Cl계 화합물을 생성하게 된다. 상기 혼합가스는 아르곤, 헬륨, 또는 질소 중 하나 이상을 포함하는 불활성가스에 수소를 혼합하여 형성될 수 있다.
가스 공급부(116)는 방전관(114)에 수소가스 또는 수소를 포함하는 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입하며, 반응물 공급부(118)는 방전관(114) 내부에서 생성된 플라즈마에 Si-Cl계 화합물을 공급한다.
반응로(120)는 원통 형태로 형성되어 방전관(114)의 상단에 구비되며, 발생된 상기 플라즈마에 의하여 해리된 수소 원자 또는 수소 이온 및 반응물 공급부(118)에서 공급된 상기 Si-Cl계 화합물간의 반응에 의하여 Si-H-Cl계 화합물이 생성되는 공간이다. 가스 공급부(116), 반응물 공급부(118) 및 반응로(120)의 구체적인 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
생성물 배출부(122)는 플라즈마에 의하여 생성된 상기 Si-H-Cl계 화합물을 외부로 배출한다.
한편, 전술한 바와 같이 본 실시예에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치(100)는 생성물 분리부(124)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 생성물 분리부(124)는 생성물 배출부(122)에서 배출된 상기 Si-H-Cl계 화합물에서 불순물을 분리하여 순수 Si-H-Cl계 화합물만을 배출하고, 분리된 상기 불순물을 재사용하기 위한 것이다. 생성물 배출부(122)에서 기체 상태로 배출된 생성물에는 삼염화실란(TCS, SiHCl3) 등의 Si-H-Cl계 화합물 이외에, 가스 공급부(116) 또는 반응물 공급부(118)에서 공급된 수소가스 내지 혼합가스, 또는 반응되지 않고 남은 Si-Cl계 화합물의 일부 및 기타 불순물 등이 함께 포함되어 있다. 생성물 분리부(124)는 이와 같은 생성물들에서 불순물 등을 제거하여 순수 Si-H-Cl계 화합물만을 정제한다. 또한, 분리된 상기 불순물 중 반응로(120)에서 미반응된 Si-Cl계 화합물은 반응물 공급부(118)로 공급하고, 수소가스 또는 수소를 포함하는 혼합가스는 가스 공급부(116)로 공급하여 반응로(120) 내부로 재주입함으로써 원료의 재사용률을 높이는 동시에 Si-H-Cl계 화합물의 제조 단가를 낮출 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치(200)의 블록 구성도이다. 도시된 실시예에서, 도 1과 동일한 도면부호로서 표현된 구성요소들은 실질적으로 실시예 1과 동일한 기능을 수행하도록 구성되는 바, 중복된 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예의 경우, 가스 공급부(116)와 반응물 공급부(118)가 분리되어 있지 않고, 대신 가스 및 반응물 공급부(202)를 포함하고 있다는 점이 실시예 1과 상이하다. 이와 같은 가스 및 반응물 공급부(202)는 방전관(114)의 하단부에 형성되어 방전관(114)의 내부로 수소가스 또는 혼합가스 및 상기 가스 형태의 Si-Cl계 화합물을 소용돌이(swirl) 형태로 공급하도록 구성된다.
한편, 본 실시예에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치(200)에서도 별도의 생성물 분리부(204)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 생성물 분리부(204)는 생성물 배출부(122)에서 배출된 상기 Si-H-Cl계 화합물에서 불순물을 분리하여 순수 Si-H-Cl계 화합물만을 배출하고, 분리된 상기 불순물을 재사용하기 위한 것이다. 전술한 바와 같이, 생성물 배출부(122)에서 기체 상태로 배출된 생성물에는 삼염화실란(TCS, SiHCl3) 등의 Si-H-Cl계 화합물 이외에, 가스 및 반응물 공급부(202)에서 공급된 수소가스 내지 혼합가스 또는 반응되지 않고 남은 Si-Cl계 화합물의 일부 및 기타 불순물 등이 함께 포함되어 있다. 생성물 분리부(204)는 이와 같은 생성물들에서 불순물 등을 제거하여 순수 Si-H-Cl계 화합물만을 정제한다. 또한, 분리된 상기 불순물 중 반응로(120)에서 미반응된 Si-Cl계 화합물, 수소가스 또는 수소를 포함하는 혼합가스는 가스 및 반응물 공급부(202)로 공급하여 반응로(120) 내부로 재주입함으로써 원료의 재사용률을 높이는 동시에 Si-H-Cl계 화합물의 제조 단가를 낮출 수 있도록 한다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치(100, 200)의 도파관(112)과 방전관(114)이 연결되는 부분을 도시한 수직 단면도이다.
도시된 바와 같이, 방전관(114)은 도파관(112)과 연결되어 도파관(112)을 통해 입력되는 전자파에 의해 플라즈마가 생성되는 공간(300)을 제공한다. 방전관(114)은 원통형으로 형성되어 도파관(112)의 종단으로부터 도파관(112) 내 파장의 1/8~1/2 사이, 바람직하게는 1/4에 해당하는 지점에서 도파관(112)을 수직하게 관통하도록 설치될 수 있으며, 전자파의 용이한 투과를 위해 석영, 알루미나, 또는 세라믹으로 구성될 수 있다. 도파관(112)의 외부면에서 도파관(112)을 감싸도록 형성된 방전관 지지체(302)는 방전관(114)이 안정적으로 도파관(112) 내부에 삽입되어 고정되도록 방전관(114)을 지지한다.
반응로(120)는 방전관(114)의 상단에 형성되며, 방전관(114)과 동일한 직경을 가지는 원통형으로 형성된다.
가스 공급부(116)는 방전관(114)의 하단부에 형성되며, 반응물 공급부(118)는 도 3에 도시된 것과 같이 반응로(120)의 하단부에 형성되거나 또는 도 4에 도시된 것과 같이 방전관(114)의 하단부에 형성될 수 있다. 또한 실시예 2에서와 같이 수소가스 또는 혼합가스와 가스 형태의 Si-Cl계 화합물이 함께 주입될 경우에는 도 3 및 도 4의 가스 공급부(116)가 가스 및 반응물 공급부(202)의 역할을 하게 되며, 이 경우 별도의 반응물 공급부(118)는 생략될 수 있다. 따라서 이하의 설명에서 별도의 언급이 없더라도 실시예 1의 가스 공급부(116)에 대한 설명은 실시예 2의 가스 및 반응물 공급부(202)에도 그대로 적용 가능함을 유의한다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치(100)의 가스 공급부(116)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치(100)의 가스 공급부(116)는 하나 이상의 가스 공급관(400)을 포함한다. 가스 공급관(400)은 각각 일단이 방전관(114)의 내부와 연결되어 방전관(114) 내부로 수소가스 또는 수소를 포함하는 혼합가스를 공급하도록 구성된다.
가스 공급관(400)은 필요에 따라 가스 공급부(116)의 내부에 적정한 개수로 형성될 수 있다. 도 4a는 2개의 가스 공급관(400)이 형성된 실시예를, 도 4b 및 4c는 각각 4개 및 6개의 가스 공급관(400)이 형성된 실시예를 도시한 것이다. 가스 공급관(400)은 가스 공급부(116) 내에서 방전관(114) 주위에 동일 간격으로 배치될 수 있다.
가스 공급관(400)은 공급된 수소가스 또는 혼합가스가 방전관(114)의 내주면을 따라 소용돌이(swirl) 형태로 회전하도록 방전관(114)으로 공급된다. 이를 위하여, 도시된 바와 같이 가스 공급관(400)은 방전관(114) 내부로 배출되는 수소가스 또는 혼합가스가 방전관(114)의 내주면을 따라 (즉, 내주면과 평행하게) 배출되도록 방전관(114)의 내부와 연결된다. 이를 위하여, 가스 공급관(400)이 방전관(114)과 연결되는 일단 부근에서는 가스 공급관(400) 및 의 진행 방향이 방전관(114)의 내주면과 평행하도록 구성된다. 이렇게 구성될 경우, 공급된 수소가스 또는 혼합가스는 방전관(114)의 내부에서 일방향으로 회전하여 소용돌이 형태를 띄게 된다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치(100)의 반응물 공급부(118)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수소화 반응 장치(100)의 반응물 공급부(118)는 하나 이상의 반응물 공급관(500)을 포함하며, 반응물 공급관(500)을 통하여 방전관(114) 및 반응로(120) 내부에 형성된 플라즈마에 Si-Cl계 화합물을 공급하게 된다.
반응물 공급관(500) 또한 필요에 따라 반응물 공급부(118)의 내부에 적정한 개수로 형성될 수 있으며, 가스 공급관(400)과 마찬가지로 반응물 공급관(500) 또한 반응물 공급부(118) 내에서 반응로(120) 주위에 동일 간격으로 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 반응물 공급관(500)은 공급된 Si-Cl계 화합물이 반응로(120)의 내주면을 따라 소용돌이 형태로 회전하도록 반응로(120)로 공급될 수 있다. 이를 위하여, 도 6a에 도시된 바와 같이, 반응물 공급관(500)은 반응로(120) 내부로 배출되는 Si-Cl계 화합물이 반응로(120)의 내주면을 따라 (즉, 내주면과 평행하게) 배출되도록 반응로(120)의 내부와 연결된다. 이를 위하여, 가스 공급관(400)과 마찬가지로 반응물 공급관(500) 또한 반응로(120)와 연결되는 일단 부근에서는 반응물 공급관(500)의 진행 방향이 반응로(120)의 내주면과 평행하도록 구성되어야 한다. 이렇게 구성될 경우, 공급된 Si-Cl계 화합물은 반응로(120)의 내부에서 일방향으로 회전하여 소용돌이(swirl) 형태를 띄게 된다. 이때 상기 소용돌이의 회전 방향은 수소가스 또는 혼합가스의 회전 방향과 일치하는 것이 바람직하다.
도 6b에 도시된 다른 실시예에서는, 반응물 공급관(500)이 방전관(114) 내부에 형성된 플라즈마의 중심부를 향하도록 형성될 수 있다. 이 경우에는 반응물 공급관(500)을 통하여 분출된 Si-Cl계 화합물이 고온을 띄는 플라즈마의 중심부를 향하여 직접 분사됨으로써 Si-Cl계 화합물의 반응이 좀 더 용이하게 일어날 수 있다.
이하에서는 반응로(120) 및 반응로(120) 내분에서의 반응에 대하여 설명한다.
반응로(120)는 방전관(114)의 상부에 구비되며, 방전관(114)에서 형성된 플라즈마에 의한 플라즈마 수소화 반응(Plasma-Hydrogenation)이 일어나는 공간이다. 이러한 플라즈마 수소화 반응은 일반적인 수소화 반응(Hydrogenation)과는 구별되는 개념으로서, 수소화 반응이 일반적으로 촉매의 존재 하에서 분자 수소(H2)와 화합물 또는 원소 사이의 화학반응을 의미하는 데 비해, 플라즈마 수소화 반응은 화학적으로 매우 반응성이 높은 플라즈마에서 해리(Dissociation)된 수소 원자들 또는 수소 이온들과의 화학반응을 의미한다.
이와 같이 수소 분자를 해리하거나 또는 이온화하기 위하여서는 도 7의 온도에 따른 해리도(dissociation degree)와 이온화도(ionization degree)의 관계 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 수소 분자를 가열하여야 하나, 일반적인 방법으로는 수소를 해리하기 매우 어렵다. 이에 본 발명은 플라즈마를 이용함으로써 수소 분자를 용이하게 해리하고, 이를 이용하여 Si-Cl계 화합물로부터 Si-H-Cl계 화합물을 생성하도록 구성하였다.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 수소 분자는 온도가 2000K에서 해리하기 시작하여 온도가 약 7000K에 이르면 거의 모든 수소분자가 해리된다(3500K에서 해리도는 0.2, 4000K에서는 0.45, 4500K에서는 0.75, 5000K에서는 0.9). 또한, 3000~5000K 사이에서 해리도의 기울기가 가장 크며, 이에 따라 반응성이 큰 수소원자들의 수가 급격히 늘어나게 된다. 따라서 본 발명에서는 반응로(120) 내부의 플라즈마가 형성되는 공간의 온도가 3000K 내지 5000K 사이의 온도를 유지하도록 구성되며, 필요에 따라 반응로(120)의 내주 면을 감싸는 단열 수단을 구비하거나 또는 외부의 전원을 공급받아 반응로(120) 내부의 온도를 상기 범위 내로 유지하는 전열 수단 중 하나 이상을 구비함으로써 반응로(120) 내부가 최적의 온도를 유지할 수 있도록 한다. 한편, 상술한 해리도를 고려하여 볼 때, 만약 반응 물질로 SiCl4를 주입하여 SiHCl3를 얻으려 할 경우, 즉
H2 + SiCl4 -> SiHCl3 + HCl
과 같은 반응이 일어날 경우 온도 3500K, 4000K, 4500K, 5000K에 대한 수소와 SiCl4의 최적 몰 비는 각각 5:1, 2.2:1, 1.3:1, 1.1:1이 된다.
상기 플라즈마에 의하여 반응로(120) 내부에서 일어나는 Si-H-Cl계 화합물의 생성 매커니즘은 다음과 같다.
H2 -> 2Hㆍ
H2 -> H2 + + e
Hㆍ + SiCl4 -> SiCl3ㆍ + HCl
SiCl3ㆍ + Hㆍ -> SiHCl3
SiCl4 + e -> SiCl2 + Cl2 -
SiCl2 + H2 -> SiH2Cl2
SiCl2 + Hㆍ -> SiH2Cl2
SiCl2 + Hㆍ -> SiClㆍ + HCl
SiClㆍ + Hㆍ -> Si + HCl
H2 + + Cl2- -> 2HCl
상술한 구성에 따를 경우, 본 발명은 플라즈마 수소화 반응을 이용하여 다량의 수소 관련 종, 특히 Si-H-Cl 계열 화합물을 생산할 수 있다. 또한, 플라즈마를 이용하여 3000K 내지 5000K 이상의 고온 영역을 이용할 수 있어 화합물 생성의 효율을 높일 수 있으며, 본 발명의 플라즈마는 1기압 환경에서 발생되므로 플라즈마 가스화기의 소형화 및 제어의 용이화가 가능한 장점이 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200: 플라즈마 수소화 반응 장치
102: 전원부 104: 전자파 발진기
106: 순환기 108: 방향성 결합기
110: 튜너 112: 도파관
114: 방전관 116: 가스 공급부
118: 반응물 공급부 120: 반응로
122: 생성물 배출부 124, 204: 생성물 분리부
202: 가스 및 반응물 공급부 300: 플라즈마 생성 공간
302: 방전관 지지체

Claims (21)

  1. 기 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부;
    상기 전자파 공급부로부터 공급된 상기 전자파 및 수소가스 또는 수소를 포함하는 혼합가스로부터 플라즈마가 발생되는 방전관;
    상기 방전관에 상기 수소가스 또는 상기 수소를 포함하는 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입하는 가스 공급부;
    상기 방전관 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 Si-Cl계 화합물을 공급하는 반응물 공급부;
    발생된 상기 플라즈마에 의하여 해리된 수소 원자 또는 수소 이온과 상기 Si-Cl계 화합물간의 반응에 의하여 Si-H-Cl계 화합물이 생성되는 반응로; 및
    상기 반응로에서 생성된 상기 Si-H-Cl계 화합물을 배출하는 생성물 배출부를 포함하는 플라즈마 수소화 반응 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자파 공급부에서 발진되는 전자파는 2.45GHz, 902~928MHz 또는 886~896MHz의 주파수 범위를 갖는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 혼합가스는 아르곤, 헬륨, 또는 질소 중 하나 이상을 포함하는 불활성가스에 수소를 혼합하여 구성되는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 가스 공급부는, 상기 방전관의 하단부에 형성되어 상기 방전관의 내부로 상기 수소가스 또는 상기 혼합가스를 공급하는 하나 이상의 가스 공급관을 포함하는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하나 이상의 가스 공급관은, 상기 방전관의 내부로 공급되는 상기 수소가스 또는 상기 혼합가스가 상기 방전관의 내주면과 평행하게 배출되도록 상기 방전관의 내부와 연결됨으로써, 상기 방전관의 내부로 공급되는 상기 수소가스 또는 상기 혼합가스가 상기 방전관의 내부에서 소용돌이(swirl)를 형성하도록 구성되는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반응물 공급부는, 상기 반응로의 하단부에 형성되어 상기 반응로의 내부로 상기 Si-Cl계 화합물을 공급하는 하나 이상의 반응물 공급관을 포함하는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반응물 공급관은, 상기 반응로의 내부와 연결되는 일단이 상기 반응로 내부에 형성된 플라즈마의 중심부를 향하도록 형성됨으로써, 상기 반응물 공급관을 통하여 공급되는 상기 Si-Cl계 화합물이 상기 플라즈마의 중심부를 향하여 분출되도록 구성되는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반응물 공급관은, 상기 반응로의 내부로 공급되는 상기 Si-Cl계 화합물이 상기 반응로의 내주면과 평행하게 배출되도록 상기 반응로의 내부와 연결됨으로써, 상기 반응로의 내부로 공급되는 상기 Si-Cl계 화합물이 상기 반응로의 내부에서 소용돌이(swirl)를 형성하도록 구성되는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반응물 공급관은, 배출되는 Si-Cl계 화합물이 상기 가스 공급부에서 공급되는 수소가스 또는 혼합가스와 동일한 방향의 소용돌이를 형성하도록 구성되는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반응물 공급부는, 상기 방전관의 하단부에 형성되어 상기 방전관의 내부로 상기 Si-Cl계 화합물을 공급하는 하나 이상의 반응물 공급관을 포함하는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 반응로는, 플라즈마가 형성되는 내부 공간이 3000K 내지 5000K 사이의 온도를 유지하도록 상기 반응로의 내주 면을 감싸는 단열 수단 또는 전열 수단 중 하나 이상을 포함하는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 수소화 반응 장치는, 상기 생성물 배출부에서 배출된 상기 Si-H-Cl계 화합물에서 불순물을 분리하여 순수 Si-H-Cl계 화합물만을 배출하는 생성물 분리부를 더 포함하는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 생성물 분리부는, 분리된 상기 불순물 중 상기 반응로에서 미반응된 Si-Cl계 화합물은 상기 반응물 공급부로 공급하고, 수소가스 또는 수소를 포함하는 혼합가스는 상기 가스 공급부로 공급하는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  14. 기 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부;
    상기 전자파 공급부로부터 공급된 상기 전자파 및 수소가스 또는 수소를 포함하는 혼합가스로부터 플라즈마가 발생되는 방전관;
    상기 방전관에 상기 수소가스 또는 상기 수소를 포함하는 혼합가스와 함께 가스 형태의 Si-Cl계 화합물을 소용돌이 형태로 주입하는 가스 및 반응물 공급부;
    발생된 상기 플라즈마에 의하여 해리된 수소 원자 또는 수소 이온과 상기 Si-Cl계 화합물간의 반응에 의하여 Si-H-Cl계 화합물이 생성되는 반응로; 및
    상기 반응로에서 생성된 상기 Si-H-Cl계 화합물을 배출하는 생성물 배출부를 포함하는 플라즈마 수소화 반응 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전자파 공급부에서 발진되는 전자파는 2.45GHz, 902~928MHz 또는 886~896MHz의 주파수 범위를 갖는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 혼합가스는 아르곤, 헬륨, 또는 질소 중 하나 이상을 포함하는 불활성가스에 수소를 혼합하여 구성되는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  17. 제14항 또는 제16항에 있어서,
    상기 가스 및 반응물 공급부는, 상기 방전관의 하단부에 형성되어 상기 방전관의 내부로 상기 수소가스 또는 상기 혼합가스 및 상기 가스 형태의 Si-Cl계 화합물을 공급하는 하나 이상의 가스 및 반응물 공급관을 포함하는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 하나 이상의 가스 및 반응물 공급관은, 상기 방전관의 내부로 공급되는 상기 수소가스 또는 상기 혼합가스 및 상기 가스 형태의 Si-Cl계 화합물이 상기 방전관의 내주면과 평행하게 배출되도록 상기 방전관의 내부와 연결됨으로써, 상기 방전관의 내부로 공급되는 상기 수소가스 또는 상기 혼합가스 및 상기 가스 형태의 Si-Cl계 화합물이 상기 방전관의 내부에서 소용돌이(swirl)를 형성하도록 구성되는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 반응로는, 플라즈마가 형성되는 내부 공간이 3000K 내지 5000K 사이의 온도를 유지하도록 상기 반응로의 내주 면을 감싸는 단열 수단 또는 전열 수단 중 하나 이상을 포함하는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 플라즈마 수소화 반응 장치는, 상기 생성물 배출부에서 배출된 상기 Si-H-Cl계 화합물에서 불순물을 분리하여 순수 Si-H-Cl계 화합물만을 배출하는 생성물 분리부를 더 포함하는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 생성물 분리부는, 분리된 상기 불순물 중 상기 반응로에서 미반응된 Si-Cl계 화합물 및 수소가스 또는 수소를 포함하는 혼합가스를 상기 가스 및 반응물 공급부로 공급하는, 플라즈마 수소화 반응 장치.
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