KR101052711B1 - 용융 금속 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라서 일방향 응고 방식으로 용융 금속을 냉각하는 용융 금속 냉각 장치가 제공된다. 상기 냉각 장치는 아르곤(Ar) 분위기의 용해 챔버를 포함하고, 상기 용해 챔버 내에는 금속 원료를 담는 용해 도가니와; 상기 용해 도가니의 외주부 둘레 전체에 걸쳐 설치되어, 상기 금속 원료가 용융된 후 응고 팽창시 발생하는 응력 수준으로 연화되는 상기 용해 도가니를 안정적으로 유지하는 유지 도가니와; 상기 유지 도가니의 외주부 둘레에 설치되어, 상기 용해 도가니 내부의 금속 원료를 가열 용융시키기 위한 가열 수단과; 상기 유지 도가니의 하방에 설치되어, 용융 금속을 냉각하여 응고시키기 위한 냉각 수단이 설치되고, 상기 냉각 수단은 상기 유지 도가니의 하방에 부착되는 칠 플레이트와, 상기 칠 플레이트에 장착되어, 상기 용융 금속의 냉각을 제어하는 복수 개의 열 추출기로 이루어지는 열 추출 장치를 포함하고, 상기 각각의 열 추출기는 외부의 냉매 공급 소스와 연결되어 독립적으로 구동되도록 구성되어, 하나 이상의 냉각 존을 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

용융 금속 냉각 장치{MOLTEN METAL COOLING APPARATUS}

본 발명은 용융 금속 냉각 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 금속 실리콘 등을 용융 정제하는 일반 공업 재료 및 태양전지 재료에 적합한 순도를 갖는 금속실리콘 제조를 위한 용융 금속 냉각 장치에 관한 것이다.

4N~6N 이하의 순도를 가지고 평균 입자 지름이 5 mm 이상인 금속 실리콘, 미세 실리카를 내주층에 포함하는 용기에 넣은 용융 금속 실리콘을 냉각시키는 데에 일방향 응고 방법이 이용된다. 대표적인 방법으로서 HEM(Heat Exchange Method) 혹은 DSS(Direct Solidification System) 등이 있다.

이러한 기존의 일방향 냉각법에 따르면, 용융 실리콘의 성장시 온도 분포가 생긴다. 즉 성장하는 실리콘 잉곳의 중앙 부분이 가장 높고 주변부로 갈수록 온도가 감소하는 온도장이 형성된다. 이때, 6N~9N 정도의 순도를 갖기는 하지만 불순물은 여전히 존재하기 때문에, 상기 온도장으로 인해 주변부로 불순물이 밀려나 편석이 일어난다. 이러한 편석은 실리콘 잉곳에 크랙을 야기하고 순도를 저하시키므로, 잉곳 주변부는 잘라내어 버리게 되며, 이는 기존의 일방향 응고법의 근본적인 한계이다.

또한, 기존의 용융 실리콘 냉각 장치에 따르면, 성장하는 실리콘 잉곳을 냉각매체를 이용하여 상기와 같은 온도구배를 조절할 수 없는 문제점이 있다. 또한, HEM 혹은 DSS 방법을 이용하여서는 냉각의 효능을 달리할 수 없는 문제점 등이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 일반 공업재료 또는 태양전지 재료 등을 이용하여 적합한 순도 및 강도를 가지는 금속 실리콘 제조를 위한 용융 실리콘 냉각 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 예컨대 태양전지 기판의 제조시 가장 효율적인 방법으로 냉각 기판의 냉각 속도를 제어할 수 있는 용융 실리콘 냉각 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기본적으로 수냉뿐만 아니라 냉각 매체를 이용하여 성장하는 금속 잉곳의 온도 구배를 조절할 수 있으며, 냉각판의 구역별 영역의 온도 분포를 달리할 수 있고 각 영역을 개별 냉각할 수 있는 용융 금속 냉각 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 일방향 응고법(HEM 혹은 DSS)의 방식에 상관 없이, 냉각의 효능을 존(zone)에 따라 다른 냉각 속도를 갖도록 하여, 성장하는 금속 계면에서의 온도분포를 인위적으로 조절할 수 있는 용융 금속 냉각 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 성장하는 금속 잉곳의 온도장의 주변부(edge) 부위로 불순물을 밀어내어 낮은 실리콘 편석 지수(segregation coefficient)에 기인한 크랙이나 순도 저하를 방지할 수 있는 용융 실리콘 냉각 장치를 제공하는 것이다.

상기 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따라서 일방향 응고 방식으로 용융 금속을 냉각하는 용융 금속 냉각 장치가 제공된다. 상기 냉각 장치는 아르곤(Ar) 분위기의 용해 챔버를 포함하고, 상기 용해 챔버 내에는 금속 원료를 담는 용해 도가니와; 상기 용해 도가니의 외주부 둘레 전체에 걸쳐 설치되어, 상기 금속 원료가 용융된 후 응고 팽창시 발생하는 응력 수준으로 연화되는 상기 용해 도가니를 안정적으로 유지하는 유지 도가니와; 상기 유지 도가니의 외주부 둘레에 설치되어, 상기 용해 도가니 내부의 금속 원료를 가열 용융시키기 위한 가열 수단과; 상기 유지 도가니의 하방에 설치되어, 용융 금속을 냉각하여 응고시키기 위한 냉각 수단이 설치되고, 상기 냉각 수단은 상기 유지 도가니의 하방에 부착되는 칠 플레이트와, 상기 칠 플레이트에 장착되어, 상기 용융 금속의 냉각을 제어하는 복수 개의 열 추출기로 이루어지는 열 추출 장치를 포함하고, 상기 각각의 열 추출기는 외부의 냉매 공급 소스와 연결되어 독립적으로 구동되도록 구성되어, 하나 이상의 냉각 존을 형성하는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 각각의 열 추출기는 상기 냉매 공급 소스와 연결되는 후단부와, 상기 칠 플레이트에 장착되는 선단부와, 상기 냉매 공급 소스로부터 공급되는 냉매를 유지하는 중공의 내부 공간을 포함하고, 상기 선단부에서는 상기 내부 공간을 통해 공급된 냉매에 의해 상기 칠 플레이트로부터 전달되는 상기 용융 금속으로부터의 고온의 열을 빼앗아 상기 용융 금속을 냉각시킬 수 있 다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 각각의 열 추출기는 그 외경 내부에 액체 냉매가 포함된 순환형 구조의 모세관층을 더 포함하고, 상기 모세관층의 액체 냉매는 상기 선단부에서 기화되어 상기 선단부의 고온의 열을 후단부의 저온 영역으로 이송한 후 상기 후단부에서 다시 액화되도록 상기 모세관층을 구성할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 후단부에 냉금 재질의 칠 블록 또는 냉각 파이프가 설치된 칠 블록이 장착되어, 상기 후단부의 분위기 온도를 더욱 낮추도록 할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라서 일방향 응고 방식으로 용융 금속을 냉각하는 용융 금속 냉각 장치가 제공되는데, 상기 냉각 장치는 아르곤(Ar) 분위기의 용해 챔버를 포함하고, 상기 용해 챔버 내에는 금속 원료를 담는 용해 도가니와; 상기 용해 도가니의 외주부 둘레 전체에 걸쳐 설치되어, 상기 금속 원료가 용융된 후 응고 팽창시 발생하는 응력 수준으로 연화되는 상기 용해 도가니를 안정적으로 유지하는 유지 도가니와; 상기 유지 도가니의 외주부 둘레에 설치되어, 상기 용해 도가니 내부의 금속 원료를 가열 용융시키기 위한 가열 수단과; 상기 유지 도가니의 하방에 설치되어, 용융 금속을 냉각하여 응고시키기 위한 냉각 수단이 설치되고, 상기 냉각 수단은 상기 유지 도가니의 하방에 부착되는 칠 플레이트와, 상기 칠 플 레이트에 장착되어, 상기 용융 금속의 냉각을 제어하는 복수 개의 열 추출기로 이루어지는 열 추출 장치를 포함하고, 상기 각각의 열 추출기는 독립적으로 냉각 과정을 수행하도록 구성되어, 하나 이상의 냉각 존을 형성하며, 상기 각각의 열 추출기는 상기 칠 플레이트에 장착되는 선단부와, 상기 열 추출기를 폐쇄 구조로 형성하는 후단부와, 상기 선단부와 후단부 사이에 형성되어 액상이 냉매를 봉입하는 중공의 내부 공간과, 열 추출기 외경 내부에 액체 냉매가 포함된 순환형 구조의 모세관층을 포함하고, 상기 선단부에서는 상기 내부 공간의 냉매에 의해 상기 칠 플레이트로부터 전달되는 상기 용융 금속으로부터의 고온의 열을 빼앗아 상기 용융 금속을 냉각시키고, 상기 모세관층의 액체 냉매는 상기 선단부에서 기화되어 상기 선단부의 고온의 열을 후단부의 저온 영역으로 이송한 후 상기 후단부에서 다시 액화되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 용융 금속 냉각 장치는 종래와는 달리, 복수 개의 열 추출기가 각각 독립적으로 제어되도록 구성된다. 따라서, 종래의 냉각 장치에서 나타나는 문제, 즉 온도 구배에 따른 편석 문제를 해결할 수 있고, 크기에 제한받는 일 없이 용융 금속을 성장시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명을 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 도면에 도시한 본 발명의 구체적인 실시형태는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것으로서, 본 발명의 범위가 상기 실시형태에 제한되는 것은 아니다. 또한, 이하의 설명 에 있어서 본 발명이 속하는 기술분야에서 이미 널리 알려진 공지의 기술적 구성에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도, 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 특별한 어려움 없이 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 용융 실리콘 냉각 장치의 전체적인 구성을 개략적으로 보여주는 모식도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 용융 실리콘 냉각 장치는 아르곤(Ar) 분위기의 용해 챔버(1)를 포함하고, 이 용해 챔버 내에, 용해 도가니(3), 상기 용해 도가니에 들어 있고 본 발명에 의해 제어 응고되는 용융 실리콘(2), 유지 도가니(4), 가열 수단(5), 칠 플레이트(chill plate)(6), 상기 칠 플레이트에 장착되는 열 추출 장치(7)가 포함된다.

용융 실리콘(2)은 일반적으로 아르곤 가스 분위기의 용해 챔버(1)에서 용융된 것으로서, 후술하는 본 발명의 특징적 구성에 따라 응고되며, 이때 분위기 조건은 용융 실리콘의 용량 및 순도에 따라 0.5~1.5 atm으로 제어될 수 있다. 용해 도가니(3)에서 용해되고 응고되어 성장한 다결정의 실리콘 잉곳은 예컨대, 태양전지용 다결정 실리콘기 판재료 등에 사용된다.

용해 도가니(3)는 통상 고순도의 석영으로 제조된다. 그러나, 실리콘 원료의 용융온도 이상의 온도에서 융해, 증발, 연화, 변형, 분해 등이 발생하지 않고 또한 태양전지의 특성을 떨어뜨리지 않는 순도라면, 그 재질은 특별히 제한되지 않는다. 한편, 용해 도가니(3)는 용융 실리콘의 응고 팽창시 발생하는 응력 수준으로 연화되지만, 그래파이트 재질의 유지 도가니(4)에 의해 유지된다. 또, 용해 도가니(3) 및 유지 도가니(4)는 일시에 용해하는 용해량 및 용해 직경에 따라 용융 실리콘을 내포할 수 있는 그러한 치수로 이루어진다. 예컨대, 본 발명에서 활용하는 주조법에 의해 제조되는 용융 실리콘의 용해량은 대략 1 kg 내지 400 kg에 이를 수 있다.

한편, 도면에 도시한 바와 같이, 용해 도가니(3) 및 유지 도가니(4)의 주위에는 가열 수단(5)이 배치되어 있다. 가열 수단으로서 일반적으로 흑연 발열체(graphite heater) 혹은 유도 가열식의 코일이 활용되며, 이 가열 수단에 의해 용해 도가니(3) 내의 실리콘 원료를 가열 용융시키고 일정 온도로 제어할 수가 있다.

상기와 같은 구성은 용융 실리콘 냉각 장치의 일반적인 구성으로서, 이미 당업계에서 널리 사용되고 있다. 이하에서는 본 발명의 특징적 구성에 대해 보다 상세하게 설명한다.

*도 1에 도시한 바와 같이, 용해 도가니(3)의 하방, 보다 구체적으로는 유지 도가니(4)의 하방에 칠 플레이트(냉각판)(6)가 배치되어 있다. 칠 플레이트(6)는 유지 도가니(4)의 하면에 부착되어, 열 추출 장치(7)로부터 전달되는 냉매를 통해 용융 실리콘의 일방향 응고를 제어/촉진하는 역할을 한다. 용융 실리콘의 직경, 중량 등에 따라 허용되는 냉각 속도가 다르기 때문에, 적정한 크기의 실리콘 입자 크기를 위해서 칠 플레이트(6)의 재질로서 흑연, 세라믹의 단열재 혹은 황동 등의 금속성 재질 등이 고려될 수 있다.

또한, 도면에 도시한 바와 같이, 칠 플레이트(6)에는 용융 실리콘의 국부 냉각을 위해 열 추출 장치(7)가 배치되는데, 이 열 추출 장치는 예컨대, 도 3에 도시한 바와 같이 복수 개의 열 추출기(10)로 구성된다. 본 발명에 따라 제공되는 열 추출 장치(7)는 용융 실리콘(2)의 응고시, 국부 냉각 속도를 조절하여 일방향 응고의 초기 핵생성 단계를 제어하는 역할을 한다. 도 2를 참조하여, 열 추출 장치(7)를 구성하는 열 추출기의 구성을 보다 상세하게 설명한다.

도시한 바와 같이, 열 추출기(10)는 냉매 공급원 혹은 냉각 블록이 연결되는 후단부(11)와, 칠 플레이트(6)에 장착되어, 칠 플레이트를 통해 전달되는 용융 실리콘으로부터의 고온의 열을 빼앗는 선단부(12)와, 열 추출기 외경 내부에 제공되는 모세관층(13)과, 중공의 내부 공간(14)을 포함한다.

후단부(11)는 도시 생략한 냉매 공급원과 연결되어, 상기 공급원을 통해 공 급되는 냉매의 입구 역할을 하며, 열 추출기에서 저온 영역을 형성하고, 이 저온 영역에서는 후술하는 바와 같이, 모세관층(13)의 기화된 냉매가 다시 액화된다. 후단부(11)로부터 공급된 냉매는 열 추출기의 내부 공간(14)을 통해 선단부(12)까지 공급된다.

한편, 칠 플레이트(6)에 장착되는 선단부(12)는 고온의 용융 실리콘(2)으로부터 열이 전달되어 열 추출기의 고온 영역을 형성하게 되는데, 선단부(12)에서는 상기 공급된 냉매와 칠 플레이트를 통해 전달되는 용융 실리콘(2)으로부터의 고온의 열 사이에 열교환이 일어나(냉매가 기화된다), 결국 용융 실리콘(2)을 냉각시켜 응고시키게 된다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 열 추출기(10)의 외경 내부에는 모세관층(13)이 제공되는데, 이 모세관층은 냉매가 기화되는 효율을 높이기 위해 제공된다. 구체적으로, 상기한 바와 같이, 선단부(12)까지 공급된 냉매가 선단부를 통해 전달된 고온의 열에 의해 기화하면서 용융 실리콘의 열을 빼앗아 용융 실리콘을 응고시키게 되는데, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 이러한 기화효율을 더욱 높이기 위하여 순환 구조의 모세관층이 제공된다. 즉 모세관층(8) 내부에는 냉매 공급원으로부터 공급되는 냉매와 마찬가지로 기화열이 높은 냉매가 봉입되어 있다. 모세관층 내부의 냉매는 선단부(12)에서 기화에 필요한 기화열을 흡입하여 기화하고, 후단부(11) 부근 즉 저온 영역에서 열을 빼앗겨 액화한다. 즉 모세관층 내부의 냉매는 고온 영역의 선단부와 저온 영역의 후단부 사이에서 순환하면서, 용 융 실리콘으로부터 한층 더 많은 열을 빼앗아 냉각 효율의 증대시킬 수가 있다.

상기한 설명을 통해 알 수 있는 바와 같이, 후단부 부근의 저온 영역은 냉매를 액화시킬 수준까지 온도가 낮아야 냉각 효율의 극대화를 도모할 수 있다. 즉 열 추출기 내부로 공급되는 액상 냉매에 의해 후단부(11)는 저온 영역을 형성하게 되어, 이 저온 영역에서 모세관층 내부의 기체 냉매를 액화시킬 수 있다. 이러한 모세관층 냉매의 액화를 극대화하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 후단부(11)를 저온 유지 부재에 연결하여, 냉각 효율의 향상을 도모한다.

구체적으로, 바람직한 한 가지 실시예에서, 열 추출기의 후단부(11)는 냉금(cold material) 재질의 칠 블록(냉각 블록)(도시 생략)과 연결하여, 후단부를 보다 낮은 온도로 유지할 수 있다. 별법으로서, 도 2에 도시한 바와 같이, 후단부(11)는 냉각 파이프(15)가 설치된 냉각 블록(16)과 연결될 수도 있는데, 냉금 재질의 냉각 블록과 비교하여 냉각능의 효율을 더욱 높일 수 있는 이점이 있다. 이와 같이, 후단부(11)를 냉금 재질의 냉각 블록 혹은 냉각 파이프(15)가 설치된 냉각 블록(16)과 연결하게 되면, 후단부(11) 혹은 그 부근의 저온 영역을 보다 낮은 온도로 유지할 수 있어, 기화된 모세관층의 냉매를 더 효율적으로 액화시킬 수 있어, 결국 용융 실리콘의 냉각능의 효율을 높일 수 있다.

한편, 상기의 열 추출기는 개방형 구조이다. 즉 열 추출기의 후단부(11)를 통해 냉매를 공급하면서 선단부에서의 열교환을 통해 용융 실리콘을 냉각하는 구조이다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 열 추출기를 폐쇄형 구조로 하여 용융 실리콘을 냉각시킬 수도 있다.

구체적으로, 폐쇄형 구조의 열 추출기(10)는 그 내부의 중공의 공간(14)에 미리 액상 냉매가 채워져 봉입되어 있고, 열 추출기 외경 내부의 모세관층(13)에도 액상 냉매가 채워져 있다. 칠 플레이트(6)를 통해 전달되는 용융 실리콘(2)으로부터의 고온의 열에 의해 선단부(12)의 고온 영역에서 내부 공간(14)의 액상 냉매가 열을 빼앗음과 아울러 모세관층(13)에 채워져 있는 액상 냉매가 기화하게 된다. 한편, 후단부(11)는 고온의 선단부(12)와 비교하여 저온이어서, 선단부에서 기화된 냉매는 후단부에서 열을 빼앗겨 액화된다. 이와 같이, 폐쇄형 열 추출기의 선단부와 후단부에 현처한 온도 차이로 인해, 모세관층의 냉매가 기화와 액화를 반복하는 사이클이 형성된다. 한편, 개방형 열 추출기와 마찬가지로, 후단부의 저온 영역은 가능한 한 낮은 온도로 유지될수록 냉각능의 효율이 상승되므로, 냉금 재질의 냉각 블록 혹은 수냉 파이프가 제공된 냉각 블록을 후단부에 연결하여 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따라 상기와 같이 구성된 개방형 혹은 밀폐형 열 추출기는 하나가 아니라 복수 개로 칠 플레이트(6)에 설치되고, 또 각각의 열 추출기는 독립적으로 작용하여 사용자가 원하는 방식으로 용융 실리콘의 냉각을 제어할 수 있다.

구체적으로, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라서 칠 플레이트(6)에 복수 개의 열 추출기(10)로 구성되는 열 추출 장치(7)를 장착한 양태를 보여주는 도면이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 칠 플레이트(6)를 사각 혹은 원형의 형태로 설계할 수 있으며, 복수 개의 열 추출기(10)를 매트릭스 형태로 상기 칠 플레이트에 장착한다. 특히 열 추출 장치(7)를 구성하는 열 추출기(10)의 직경 및 용량에 따라 용융 실리콘의 계면 성장 방향 및 속도를 제어할 수 있어, 예컨대 태양광에 활용되는 다결정 실리콘의 요구 조건에 최적화된 배열 구조를 채택할 수 있다.

본 발명의 중요한 한 가지 특징, 즉 열 추출 장치(7)의 열 추출기(10)를 독립적으로 제어하여 용융 실리콘을 냉각시키는 방식은 종래 기술에서는 없는 본 발명 특유의 구성이다. 특히, 다결정 실리콘의 제작 과정에서 크랙, 주상정 크기 등의 심각한 문제를 일으키는 원인은 방향성 응고에서의 성장 계면 제어가 이루어지지 않았기 때문인데, 본 발명에 따른 냉각 장치는 독립 제어 방식으로 열을 추출하여 입자의 생성, 결정 성장 등을 제어할 수 있다.

*즉 도 3 및 도 4에 도시된 사각 및 원형 타입의 칠 플레이트(6)는 모두 각각의 냉각 존(cooling zone)을 가지며, 용융 실리콘의 밑면의 열 추출량을 제어함으로써, 초기 실리콘 핵 입자의 생성 단계 및 성장 단계를 제어한다. 즉 하나의 냉각 수단이 아니라, 상기한 바와 같이 구성된 열 추출기(10)를 복수 개 설치하여, 각 열 추출기를 독립적으로 구동 및 제어할 수 있으므로, 사용자가 원하는 방식대 로 용융 실리콘의 냉각 과정을 제어할 수 있게 된다. 이때 각 냉각 존은 용융 실리콘의 직경 및 용량에 따라 3~5개의 존으로 이루어질 수 있다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 용융 실리콘의 적정 온도 유지 후 열 추출 장치(7)의 적용을 통해 일반 일방향 응고에 의한 공법보다 높은 밀도의 핵을 발생시켜 주상정으로 성장할 수 있는 고상 입자의 밀도를 증대시킨다. 즉 종래에 따르면, 열이 1차적으로 추출되는 칠 플레이트의 중앙 부위와 주변부위에서 용융 실리콘에 온도차가 발생한다. 즉 중앙 부위의 고온 영역과 주변 부위의 저온 영역 사이에 온도차가 발생하여, 불문물이 주변부에서 편석되어, 그 주변부를 폐기해야 한다. 또한, 이러한 온도차는 칠 플레이트의 크기가 크면 클수록 더욱 심화되어, 성장시킬 수 있는 실리콘 잉곳의 크기도 제한된다. 그러나, 본 발명에 따르면 독립적으로 구동 제어되는 열 추출기(10)를 칠 플레이트 전체에 걸쳐 골고루 혹은 일정한 간격을 두고 배치한다. 이와 같이 복수 개로 배치된 열 추출기(10)를 이용하여, 용융 실리콘의 용도 및 용량 등에 따라 존을 설정하고 그에 맞춰 열 추출기를 통한 용융 실리콘의 냉각을 조절함으로써, 원하는 실리콘 잉곳을 얻을 수 있다.

다시 도 4를 참조하면, 본 발명의 한 가지 실시예에 따르면 복수 개의 열 추출기(10)를 3개의 zone으로 구분하여 사각 혹은 원형의 칠 플레이트(6)에 배치하였다. 도 4에서 zone 3, 즉 내부 영역은 순간적으로 열을 빼앗는 용량을 크게 하여, 초기 핵생성이 빠르게 진행될 수 있도록 유도하고 순차적으로 zone 2, zone 1로 냉 각 효율을 변화시킨다. 핵생성 뿐만 아니라, 성장시에도 열이 가장 많이 함유되어 있는 실리콘 잉곳의 중앙부에서 온도를 가장 많이 빼앗음으로써, 잉곳의 수직면의 온도 구배를 거의 일정하게 유지할 수가 있어, 불순물의 편석 등을 방지할 수 있고 결국 폐기되는 잉곳 부분을 줄일 수가 있게 된다. 결과적으로, zone 3-->zone 2-->zone 1 순서로 순차적인 핵생성 열 추출기를 통해 성장 계면의 온도구배를 저감시킴으로써, 다결정 실리콘의 그레인 크기를 제어하고 잉곳 성장시 발생할 수 있는 결함(크랙 등)을 제어할 수가 있게 된다.

도 5A 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따라 성장시킨 실리콘 잉곳의 수직 단면도로서, 잉곳의 각 부위에서의 그레인 크기를 보여준다. 즉 도 5는 생성된 폴리 실리콘 잉곳의 하단부에서 상단부까지 그레인의 변화를 보여주고 있다.

바닥면 부분(하단)은 열 추출기(10)에 닿는 부분으로서, 이곳에서 핵이 다량으로 발생하고, 따라서 바닥면은 조직이 미세하게 된다. 즉 핵생성 단계는 상기한 바와 같이, 하단부의 입자 분포가 열 추출기를 통해 바람직하게 나타났음을 알 수 있다. 한편, 바닥면에서 미세하게 형성된 미세 조직들은 일방향으로 성장하면서 합쳐져서 점점 더 큰 그레인을 갖는 조직으로 성장하게 된다. 즉 위치별 수직 면의 모습을 보면, 성장 순서에 따라 도 5a-->도 5d까지 조대한 폴리 실리콘 결정의 모습을 확인할 수 있다.

한편, 도 6a 내지 도 6c는 열 추출기(10)의 zone에 따라 성장 방향을 제어할 수 있다는 것을 보여주는 도면이다. 즉 순수 알루미늄을 상기한 구성에 따라 성장시킨 단면을 보여주는 사진으로서, 도 5에 도시한 것과 마찬가지로 바닥면에서 미세한 조직이 관찰되고 상단부로 갈수록 거대한 조직이 형성된다는 것을 확인할 수 있다. 한편 도 6c를 보면 위쪽으로 성장함에 따라 성장 방향이 꺽이는 것을 알 수 있다. 따라서, 양 옆면에 또 다른 응고 과정이 일어나 결과적으로 양 사이드에서 heat crack이나 오염물질의 편석 등을 방지할 수 있게 된다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 상기 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 즉 상기 실시예는 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

도 1은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 용융 실리콘 냉각 장치의 전체적인 구성을 개략적으로 보여주는 모식도이다.

도 2는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 구성되는 열 추출기의 세부적인 구성을 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명에 따라 칠 플레이트에 복수 개의 열 추출기가 장착된 양태를 보여주는 도면이다.

도 4는 장착된 복수 개의 열 추출기가 3개의 냉각 존을 형성한 예를 보여주는 도면이다.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따라 성장시킨 실리콘 잉곳의 부분별 단면도이다.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따라 성장시킨 알루미늄 잉곳의 부분별 단면도로서, 열 추출기의 냉각 존에 따라 성장 방향을 제어할 수 있는 것을 보여준다.

Claims (6)

1. 일방향 응고 방식으로 용융 금속을 냉각하여 성장시키는 용융 금속 냉각 장치로서,

   아르곤(Ar) 분위기의 용해 챔버를 포함하고,

   상기 용해 챔버 내에는

   금속 원료를 담는 용해 도가니와;

   상기 용해 도가니의 외주부 둘레 전체에 걸쳐 설치되어, 상기 금속 원료가 용융된 후 응고 팽창시 발생하는 응력 수준으로 연화되는 상기 용해 도가니를 안정적으로 유지하는 유지 도가니와;

   상기 유지 도가니의 외주부 둘레에 설치되어, 상기 용해 도가니 내부의 금속 원료를 가열 용융시키기 위한 가열 수단과;

   상기 유지 도가니의 하방에 설치되어, 용융 금속을 냉각하여 응고시키기 위한 냉각 수단이 설치되고,

   상기 냉각 수단은 상기 유지 도가니의 하방에 부착되는 칠 플레이트와, 상기 칠 플레이트에 장착되어, 상기 용융 금속의 냉각을 제어하는 복수 개의 열 추출기로 이루어지는 열 추출 장치를 포함하고,

   상기 각각의 열 추출기는 외부의 냉매 공급 소스와 연결되어 독립적으로 구동되도록 구성되어, 하나 이상의 냉각 존을 형성하는 것

   을 특징으로 하는 용융 금속 냉각 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 각각의 열 추출기는 상기 냉매 공급 소스와 연결되는 후단부와, 상기 칠 플레이트에 장착되는 선단부와, 상기 냉매 공급 소스로부터 공급되는 냉매를 유지하는 중공의 내부 공간을 포함하고, 상기 선단부에서는 상기 내부 공간을 통해 공급된 냉매에 의해 상기 칠 플레이트로부터 전달되는 상기 용융 금속으로부터의 고온의 열을 빼앗아 상기 용융 금속을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 용융 금속 냉각 장치.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 각각의 열 추출기는 그 외경 내부에 액체 냉매가 포함된 순환형 구조의 모세관층을 더 포함하고, 상기 모세관층의 액체 냉매는 상기 선단부에서 기화되어 상기 선단부의 고온의 열을 후단부의 저온 영역으로 이송한 후 상기 후단부에서 다시 액화되는 것을 특징으로 하는 용융 금속 냉각 장치.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 후단부에 냉금 재질의 칠 블록 또는 냉각 파이프가 설치된 칠 블록이 장착되어, 상기 후단부의 분위기 온도를 낮추는 것을 특징으로 하는 용융 금속 냉각 장치.
5. 일방향 응고 방식으로 용융 금속을 냉각하는 용융 금속 냉각 장치로서,

   아르곤(Ar) 분위기의 용해 챔버를 포함하고,

   상기 용해 챔버 내에는

   금속 원료를 담는 용해 도가니와;

   상기 용해 도가니의 외주부 둘레 전체에 걸쳐 설치되어, 상기 금속 원료가 용융된 후 응고 팽창시 발생하는 응력 수준으로 연화되는 상기 용해 도가니를 안정적으로 유지하는 유지 도가니와;

   상기 유지 도가니의 외주부 둘레에 설치되어, 상기 용해 도가니 내부의 금속 원료를 가열 용융시키기 위한 가열 수단과;

   상기 유지 도가니의 하방에 설치되어, 용융 금속을 냉각하여 응고시키기 위한 냉각 수단이 설치되고,

   상기 냉각 수단은 상기 유지 도가니의 하방에 부착되는 칠 플레이트와, 상기 칠 플레이트에 장착되어, 상기 용융 금속의 냉각을 제어하는 복수 개의 열 추출기로 이루어지는 열 추출 장치를 포함하고,

   상기 각각의 열 추출기는 독립적으로 냉각 과정을 수행하도록 구성되어, 하나 이상의 냉각 존을 형성하며,

   상기 각각의 열 추출기는 상기 칠 플레이트에 장착되는 선단부와, 상기 열 추출기를 폐쇄 구조로 형성하는 후단부와, 상기 선단부와 후단부 사이에 형성되어 액상이 냉매를 봉입하는 중공의 내부 공간과, 열 추출기 외경 내부에 액체 냉매가 포함된 순환형 구조의 모세관층을 포함하고,

   상기 선단부에서는 상기 내부 공간의 냉매에 의해 상기 칠 플레이트로부터 전달되는 상기 용융 금속으로부터의 고온의 열을 빼앗아 상기 용융 금속을 냉각시키고, 상기 모세관층의 액체 냉매는 상기 선단부에서 기화되어 상기 선단부의 고온 의 열을 후단부의 저온 영역으로 이송한 후 상기 후단부에서 다시 액화되는 것을 특징으로 하는 용융 금속 냉각 장치.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 후단부에 냉금 재질의 칠 블록 또는 냉각 파이프가 설치된 칠 블록이 장착되어, 상기 후단부의 분위기 온도를 더욱 낮추는 것을 특징으로 하는 용융 금속 냉각 장치.

Images