KR100721044B1 - 단결정 제조용 냉각 장치 및 단결정 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단결정 제조용 냉각 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단결정 제조 장비에 사용되는 다결정 융액을 가열하는 발열체의 온도를 조절하기 위하여 사용하는 단결정 제조용 냉각 장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 단결정 제조용 냉각 장치는 발열체의 둘레에 설치된 유체 통로를 통하여 열매체를 순환시켜 온도를 조절하는 것으로, 상기 발열체의 둘레에 설치된 유체 통로; 상기 유체 통로를 통하여 순환되고, 열전도율이 물의 열전도율보다 작은 열매체; 상기 유체 통로에 연결되어 상기 열매체를 순환시키는 순환 펌프; 상기 유체 통로에 연결되어 상기 열매체의 온도를 감지하는 온도 센서; 및 상기 온도 센서 및 상기 순환 펌프에 연결되어 상기 열매체의 온도에 따라 상기 순환 펌프의 동작을 조절하는 제어부를 포함한다. 본 발명에 의해서 종래의 물보다 열전도율이 작은 열매체 물질을 사용하는 경우 30% 이상의 에너지 손실을 방지할 수 있는 효과가 있다.

냉각 장치, 열매체, 열전도율, 단결정

Description

단결정 제조용 냉각 장치 및 단결정 제조 방법{Cooling Apparatus and method for growing crystal}

도1은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 제조용 냉각 장치의 구성도.

도2는 단결정 제조 장비의 단면도.

도3 종래의 경우에 대하여 모의실험으로 구한 단결정 제조 장비의 열 분포도.

도4는 본 발명의 경우에 대하여 모의실험으로 구한 단결정 제조 장비의 열 분포도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 단결정 제조 장비 30 : 발열체

50 : 단결정 제조용 냉각 장치 100 : 유체 통로

200 : 열매체 300 : 순환 펌프

400 : 온도 센서 500 : 제어부

600 : 열매체 탱크 700 : 열 교환기

본 발명은 단결정 제조용 냉각 장치 및 단결정 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단결정 제조에 원료로 사용되는 다결정 융액을 단결정 제조 장비 내에서 고온으로 가열하는 발열체 주변의 온도를 조절하기 위하여 사용되는 단결정 제조용 냉각 장치 및 단결정 제조 방법에 관한 것이다.

일반적인 실리콘 단결정의 제조 방법으로서, 도가니에 용융된 다결정 융액으로부터 단결정을 성장시키면서 끌어올리는 쵸크랄스키법(Czochralski method, 이하 CZ 법이라 한다)이 널리 알려지고 있다. CZ법을 적용하여 실리콘 단결정 잉곳(ingot)을 성장하는데 사용하는 실리콘 단결정 성장 장치는 도가니에 다결정 원료를 적재하고, 도가니 둘레에 설치된 발연체로 다결정 원료에 열을 가하고, 도가니 내부에 용융된 다결정 융액에 시드(seed) 결정체를 접촉시켜 서서히 인상시키면서 원하는 지름을 가지는 실리콘 잉곳을 성장시킨다.

그런데 CZ 법에 의한 실리콘 단결정 제조에서 균일한 단결정 성장을 위하여 도가니 내부의 다결정 융액 및 그 주변을 일정한 온도로 유지하여야 한다. 이러한 목적으로 발열체를 포함하는 단결정 제조 장비에 별도의 냉각 장치를 사용하는데 이것이 단결정 제조용 냉각 장치이다.

종래의 단결정 제조용 냉각 장치에서는 도가니 내부의 다결정 실리콘을 가열기 위한 발열체의 둘레에 설치된 유체 통로를 통하여 냉각수를 순환시켜 다결정 융액의 주변을 일정한 온도로 유지하였다.

발열체 둘레의 유체 통로를 통하여 순환하는 냉각수는 상기 유체 통로에 연결된 온도 센서와 순환 펌프의 작용에 의해서 일정한 온도를 유지하도록 순환된다.

상기 단결정 제조용 냉각 장치에 의해서 다결정 융액이 단결정 잉곳으로 변하는 부분의 온도도 발열체 주변과 같이 정밀하게 조절하여 주변의 온도가 지나치게 상승하는 것을 방지하여, 상기 단결정 잉곳 주변의 다결정 융액을 응고시킨다. 이로 인하여 단결정 성장에 적합한 온도를 유지하여 단결정이 안정적으로 성장함으로써 품질이 좋아지게 된다.

그러나 종래의 단결정 제조용 냉각 장치를 사용한 단결정 제조에서 소모되는 비용을 분석하면, 발열체에서 소모되는 전기가 에너지 비용의 80% 이상을 점유하기 때문에 원가 절감을 위하여 발열체에서 소모되는 에너지의 절감이 필수적이다. 특히 발열체에서 발생하는 열에너지의 95% 이상이 냉각수에 의해서 손실되는 것이 확인되었기 때문에 생산 원가를 절감하기 위해서는 냉각수에 의해서 소모되는 에너지의 절감이 시급한 실정이다.

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 단결정 제조 장비에서 사용되는 전기를 절감하기 위하여 발열체의 온도를 조절하는데 사용하는 열매체에 의한 에너지 손실이 적은 단결정 제조용 냉각 장치 및 단결정 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 단결정 제조용 냉각 장치는 발열체의 둘레에 설치된 유체 통로를 통하여 열매체를 순환시켜 온도를 조절하는 것으로, 상기 발열체의 둘레에 설치된 유체 통로; 상기 유체 통로를 통하여 순환되고, 열전도율이 물의 열전도율보다 작은 열매체; 상기 유체 통로에 연결되어 상기 열매체를 순환시키는 순환 펌프; 상기 유체 통로에 연결되어 상기 열매체의 온도를 감지하는 온도 센서; 및 상기 온도 센서 및 상기 순환 펌프에 연결되어 상기 열매체의 온도에 따라 상기 순환 펌프의 동작을 조절하는 제어부를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 열매체의 열전도율이 0.4 W/mK 또한 0.2 W/mK 이하인 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 열매체는 실록산 성분을 포함하는 열매체인 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유체 통로에 연결된 열매체 탱크 또는 열 교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유체 통로에 연결된 비상 복구 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 단결정 제조 방법은 발열체의 둘레에 설치된 유체 통로를 통하여 열매체를 순환시켜 온도를 조절하는 것으로, 열전도율이 물의 열전도율 보다 작은 열매체를 사용하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 열매체의 열전도율이 0.4 W/mK 또한 0.2 W/mK 이하인 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 열매체는 실록산 성분을 포함하는 열매체인 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 제조용 냉각 장치를 보여주는 구성도이고, 도2는 단결정 제조 장비를 보여주는 단면도이다.

도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 단결정 제조 장비(10)에서 원료로 사용되는 다결정 융액(20)은 주변에 설치된 발열체(30)에 의해서 가열되고, 주변의 온도를 조절하기 위하여 사용하는 본 발명의 단결정 제조용 냉각 장치(50)는 유체 통로(100), 열매체(200), 순환 펌프(300), 온도 센서(400), 제어부(500)를 구비한다.

상세하게 설명하면, 상기 유체 통로(100)는 발열체(30)의 둘레를 감싸고, 유체 통로(100) 내부를 통하여 흐르는 열매체(200)는 발열체(30) 외부에서 유체 통로(100)에 연결되어 설치된 순환 펌프(300)에 의해서 순환된다.

이때 사용하는 열매체(200)의 열전도율은 물의 열전도율 보다 작고, 특히 열매체(200)의 열전도율은 0.4 W/mK 이하이다. 또한 바람직하게는 열매체(200)의 열전도율이 0.2 W/mK 이하인 액체를 사용한다. 이러한 범위의 열전도율을 가지는 열매체(200)는 예를 들어 안정된 실리콘 액체로서 실록산(siloxane)을 포함하는 다우 케미컬의 씰썸(Syltherm) 등이 있다. 하지만 여기서 성분이나 종류는 중요하지 않고 열전도율은 만족시키고, 열매체를 쓰기에 안전하기만 하면 다양한 열매체를 사용할 수 있다.

다우 케미컬의 씰썸 제품의 경우 열전도율이 0.13 W/mK 까지 구현할 수 있 다.

온도 센서(400)는 유체 통로(100)에 연결되어 열매체(200)의 온도를 감지하고, 제어부(500)는 온도 센서(400) 및 순환 펌프(300)에 연결되어 있다. 온도 센서(400)는 열매체(200)가 발열체(30)의 둘레를 통과하고 지난 위치의 상기 유체 통로(100)에 설치되어, 발열체(30)에 의해서 온도가 증가한 열매체(200) 온도를 감지한다.

제어부(500)는 온도 센서(400)에서 감지한 열매체(200)의 온도를 입력받아 순환 펌프(300)의 동작을 제어한다. 일예로 제어부(500)는 열매체(200)의 온도 범위 및 단결정 제조 장비(10)의 동작에 따라 순환 펌프(300)의 가동을 결정하고, 열매체(200)의 온도가 정해진 범위를 벗어나는 정도에 따라 상기 순환 펌프(300)의 동작을 제어하여 상기 유체 통로(100)의 내부를 순환하는 열매체(200)의 순환 속도를 조절한다.

즉 상기 열매체(200)의 온도가 매우 높아지면 열매체(200)의 순환 속도를 증가시키고, 반대의 경우에는 열매체(200)의 순환 속도를 느리게 조절하는 것이 바람직하다.

또한 바람직하게는 상기 유체 통로(100)에 열매체 탱크(600)를 설치하여 제어부(500)가 순환 펌프(300)를 가동시키면, 상기 열매체 탱크(600) 내부에 저장된 열매체(200)가 순환 펌프(300)를 통하여 발열체(30) 주변의 유체 통로(100)로 공급된다. 이렇게 공급된 열매체(200)는 발열체(30) 둘레를 순환하여 다시 상기 열매체 탱크(600)로 돌아가게 하면 열매체(200)의 온도 조절이 용이하다.

그리고 열매체(200)가 오염되어 순환 펌프(300)가 손상되는 경우에도 열매체(200)가 유체 통로(100)를 통하여 순환할 수 있도록 순환 펌프(300)를 바이패스(bypass)하는 바이패스 통로(110)를 연결하고, 바이패스 통로(110)는 열매체 탱크(600)에 연결한다.

그리고 외부에 연결된 열 교환기(700)를 유체 통로(100)에 연결하여 열매체(100)의 온도를 조절하는 것이 편리하다.

정전이나 순환 펌프(300)가 오동작하는 경우에 단결정 제조 장비(10)를 보호하기 위하여 상기 유체 통로(100)에 비상 복구 라인(800)을 연결하여, 비상 복구가 필용한 경우에 비상 밸브(810)를 통하여 유체 통로(100)로 냉각수를 공급한다.

본 발명의 단결정 제조용 냉각 장치를 적용하는 경우 이에 따른 에너지 절감 효과를 알아보기 위하여 컴퓨터를 이용하여 모의실험을 하였다. 모의실험에서 총 열전달 계수 U와 열매체(200)에 의해 소모된 에너지 h 사이에 다음 식을 사용하였다.

1/U=1/h + 상수

여기서 소모된 에너지 h는 열매체(200)의 열전도율에 따라 변하는 함수이다. h와 열전도율의 관계는 간단한 수학 모델로 보여줄 수 없고 수치 해석에 의해서 해석된다.

상기 수학식1에서 열매체의 총 열전달 계수가 커지면 열전달이 잘 일어나게 되므로 에너지 소모가 많아지는 것을 의미한다.

도2의 구조에 대하여 다른 열전도율을 가지는 열매체를 가정하여 모의 실험한 결과에 따라 구한 총 열전달 계수는 다음의 표와 같다. 이때 다른 열전도율을 가지는 열매체는 낮은 열전도율을 가지는 열매체에 물을 첨가하여 만들 수 있다.

열매체	열전도율	총 열전달 계수	감소율(%)
물	0.602	440.5	0.0
물질1	0.39	434	1.5
물질2	0.37	423.4	3.9
물질3	0.13	297.3	32.5

표1의 결과를 참조하여, 모의실험 결과는 열전도율이 감소함에 따라 총 열전달 계수가 감소하여 에너지 소모가 감소된다. 감소율은 물을 기준으로 다른 열전도율을 가지는 열매체를 사용하는 경우 발생하는 상대적인 에너지 감소율이다.

이 결과에서 알 수 있듯이 열전도율이 0.4 W/mK 이하일 때부터 에너지 감소가 발생하기 시작한다. 그리고 열전도율이 0.13 W/mK 일 때 32.5%의 에너지 감소가 발생하였다. 상기 열전도율에 따른 에너지 감소의 경향을 그래프(도면에 표시하지 않음)로 그려 분석하여 보면 0.2 W/mK의 열전도율 이하에서 에너지 감소가 급격히 커지는 것을 알 수 있다.

그리고 0.2 W/mK의 열전도율에 대하여 구조 분석을 실시하여 종래와 비교한다.

도3 및 도4는 각각으로 종래의 경우 및 본 발명의 경우에 대하여 모의실험으로 구한 열 분포도이다.

도3은 열매체로 물을 사용한 종래의 경우이고, 도4는 열매체의 열전도율이 0.2 W/mK인 경우인데. 각 도에는 일정한 온도 간격으로 되어 있는 등온선이 그려져 있으며, 등온선 간격이 좁으면 좁을수록 같은 거리에서의 온도차이가 큰 것을 의미한다. 도면에서 알 수 있듯이 종래 보다 본 발명에서 발열체와 단결정 잉곳이 응고되는 부분과의 온도차이가 현격히 줄어들었음을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서 발열체에 필요한 전기에너지가 낮아진다는 것을 알 수 있으며, 사용하는 열에너지를 감소시킨다.

이상에서, 본 발명의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상 및 특허청구 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 단결정 제조 장비에서 온도 조절을 위하여 사용하는 열매체를 종래의 물보다 열전도율이 작은 열매체 물질을 사용하는 경우 30% 이상의 에너지 손실을 방지할 수 있는 효과가 있다. 이론 인하여 단결정 제조에서 가장 많은 비용을 차지하는 전기의 사용을 줄여 원가 절감 효과가 큰 것을 확인하였다.

Claims (10)

1. 단결정 제조에 사용되는 다결정 융액을 가열하는 발열체의 온도를 조절하기 위하여 사용하는 단결정 제조용 냉각 장치에 있어서,

   상기 발열체의 둘레에 설치된 유체 통로;

   상기 유체 통로를 통하여 순환되고, 물의 열전도율보다 낮은 수치의 열전도율을 갖는 열매체;

   상기 유체 통로에 연결되어 상기 열매체를 순환시키는 순환 펌프;

   상기 유체 통로에 연결되어 상기 열매체의 온도를 감지하는 온도 센서; 및

   상기 온도 센서 및 상기 순환 펌프에 연결되어 상기 열매체의 온도에 따라 상기 순환 펌프의 동작을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조용 냉각 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 열매체의 열전도율이 0.4 W/mK 이하인 것을 특징으로 하는 단결정 제조용 냉각 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 열매체의 열전도율이 0.2 W/mK 이하인 것을 특징으로 하는 단결정 제조용 냉각 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 열매체는 실록산을 성분을 포함하는 열매체인 것을 특징으로 하는 단결정 제조용 냉각 장치.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유체 통로에 연결된 열매체 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조용 냉각 장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 유체 통로에 연결된 열 교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조용 냉각 장치.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유체 통로에 연결된 비상 복구 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조용 냉각 장치.
8. 발열체의 둘레에 설치된 유체 통로를 통하여 열매체를 순환시켜 온도를 조절하는 단결정 제조 방법에서,

   물의 열전도율보다 낮은 수치의 열전도율을 갖는 열매체를 사용하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 열매체의 열전도율이 0.2 W/mK 이하인 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
10. 제8항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 열매체는 실록산 성분을 포함하는 열매체인 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.

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