KR101095387B1 - 화학 기상 증착 장치용 전원 장치 - Google Patents

화학 기상 증착 장치용 전원 장치 Download PDF

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Abstract

본 개시는 실리콘 결정 성장을 위한 CVD 장치에 적합한 전원 장치에 관한 것으로서, 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 제 1 정류기; 상기 정류된 직류 전원의 출력 전압의 크기를 변환하여 부하로 출력하는 컨버터; 상기 교류 전원을 절연 변압하여 다단으로 출력하는 절연 변압기; 상기 다단 출력을 각기 단속하는 탭 절환기; 상기 탭 절환기로부터의 출력을 정류하여 출력하는 제 2 정류기; 및 상기 컨버터와 상기 제 2 정류기를 직렬로 운전하거나 또는 그 직렬 운전을 차단하는 스위치를 포함하여 구성되어, 역률을 개선하고, 각 부하를 독립적으로 제어하므로 운전 중 전원장치 혹은 부하에 문제가 발생할 경우 정상인 부분만 공정을 계속하여 생산성을 향상하며, 기존의 스위칭 네트워크를 배제하여 구성이 간단하며 버스바에서의 발열이 없고 장비의 신뢰성이 높아지며, 역률 향상에 따라 입력 변압기의 필요 용량이 작아진다.
화학 기상 증착, CVD, 전원 장치, 스위칭 네트워크, 역률

Description

화학 기상 증착 장치용 전원 장치{Power Supply Apparatus for Chemical Vapor Deposition Apparatus}
본 개시는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 장치용 전원 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 결정 성장을 위한 CVD 장치에 적합한 전원 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 실리콘 결정 성장을 위한 CVD 장치 반응기에서의 부하 특성은 다음과 같다.
실리콘 결정 성장을 위한 CVD 공정은 한 공정이 72시간 정도 진행되며, 처음 텅스텐 선을 반응기에 넣고 전류를 흘려 1000~1200도를 유지하면 염화실란 혹은 삼염화 실란 가스 중의 실리콘 분자가 텅스텐 표면에 달라붙으며 성장한다. 따라서 둥근 막대모양의 실리콘은 시간이 지날수록 직경이 두꺼워져서 최종적으로 실리콘 잉곳을 얻게 된다. 여기서 부하는 순 저항부하로 보이며, 도 1에 도시된 바와 같이, 직경이 증가할 수록 전류는 커지고 전압은 감소하는 부하 특성을 갖게 된다. 즉 시간에 따라 등가 저항이 비교적 크게 변하는 부하이다.
도 2는 종래 기술에 따른 CVD 장치용 전원 장치의 블록 구성도로서, 동 도면 에 도시된 바와 같이, 일 예로 하나의 CVD 반응기에 6개의 독립된 부하(Load1~Load6)(230)가 있을 경우, 12개의 SCR 정류기(210) 및 그 12개의 정류기(210)와 6개의 부하(230)간을 서로 직렬 또는 병렬로 연결하기 위한 스위칭 네트워크(220)를 포함한다.
도 2의 전원 장치는 부하에서 요구하는 전압 전류를 공급할 수 있도록, 스위칭 네트워크(220)를 통해 독립된 12개의 600V/500A 단위 SCR 정류기(210)와 6개의 부하(230) 간을 직렬 혹은 병렬로 연결하는데, 도 1의 부하 특성과 같이 운전하기 위해서는, 도 3의 1단계 내지 3단계와 같이 복잡한 스위칭 네트워크 단계를 거쳐야 한다.
SCR 정류기를 사용할 경우 대략 역률=출력전압/최대출력전압의 관계에 있다. 따라서 역률을 가능하면 크게 운전하기 위해서는 SCR 정류기의 전압을 크게 운전해야 할 필요가 있다. 예를 들어 부하전압이 250V인 경우 부하를 2개 직렬로 연결하여 250V를 출력하는 것이 역률 향상에 유리하다. 역률이 90% 미만이면 전기 요금이 증가하므로 태양광 실리콘 잉곳 생산원가를 낮추기 위해서는 역률을 높게 운전하는 것이 유리하다.
상술된 종래 기술의 단점은 다음과 같다.
평균 역률이 70% 정도로 낮고, 스위칭 네트워크가 복잡하고 이에 따른 전원장치의 원가상승 및 버스바에서의 손실이 발생한다. 또한 직렬 연결된 부하는 독립운전이 불가하며, 저항값 편차 때문에 일시에 단계를 변경하면 일부 부하에서는 공급 전력 부족으로 인하여 표면 온도의 저하가 발생할 수 있고, 각 부하의 독립운전 이 불가하므로 부하 중 하나라도 문제가 발생하면 전체 진행중인 공정을 정지해야 하며, 이로 인해 막대한 손실이 발생한다.
본 개시는 상술된 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 역률을 현저히 개선하고 각 부하를 독립적으로 제어할 수 있도록 하며 스위칭 네트워크를 배제하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치를 제공하고자 하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따른 화학 기상 증착 장치용 전원 장치는, 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 제 1 정류기; 상기 정류된 직류 전원의 출력 전압의 크기를 변환하여 부하로 출력하는 컨버터; 상기 교류 전원을 절연 변압하여 다단으로 출력하는 절연 변압기; 상기 다단 출력을 각기 단속하는 탭 절환기; 상기 탭 절환기로부터의 출력을 정류하여 출력하는 제 2 정류기; 및 상기 컨버터와 상기 제 2 정류기를 직렬로 운전하거나 또는 그 직렬 운전을 차단하는 스위치를 포함할 수 있다.
상기 컨버터는 일 예로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성될 수 있고, 상기 제 1 정류기와 상기 컨버터 사이에 리플을 줄이는 리플 제거부를 구비할 수 있으며, 상기 리플 제거부는 일 예로 L과 C로 구성될 수 있다. 또한, 상기 스위치는, 일 예로 스위칭 다이오드로 구성되거나, 다른 예로 기계적 스위치로 구성될 수 있다. 또한, 상기 스위치의 도통 여부에 따라, 기준 전압 보다 높은 전압이 상기 부하에 요구될 때에는 상기 컨버터와 상기 제 2 정류기가 직렬로 운전되도록 하고, 상기 기준 전압 보다 낮은 전압이 상기 부하에 요구될 때에는 상기 컨버 터의 출력으로부터 상기 제 2 정류기의 출력을 차단하도록 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따르면, 역률이 95% 정도로 개선되어 별도의 역률 보상기가 불필요하며, 각 부하는 독립으로 제어되고, 기존의 스위칭 네트워크가 없으므로 구성이 간단하며 버스바에서의 발열이 없고 장비의 신뢰성이 높아지며, 운전 중 전원장치 혹은 부하에 문제가 발생할 경우 정상인 부분만 공정을 계속하여 비싼 잉곳을 모두 버리지 않아도 되므로 생산성을 향상하며, 역률 향상에 따라 입력 변압기의 필요 용량이 작아지는 효과가 발생한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되 거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 장치의 회로도로서, 동 도면에 도시된 바와 같이, 3상의 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 제 1 정류기(410), 상기 제 1 정류기(410)로부터 출력된 직류 전원으로부터 리플을 줄이는 리플 제거부(420), 상기 상기 리플 제거부(420)로부터 출력된 직류 전원에 대한 출력 전압의 크기를 변환하여 부하로 출력하는 컨버터(430), 상기 교류 전원을 절연 변압하여 다단으로 출력하는 절연 변압기(440), 상기 다단 출력을 각기 단속하는 탭 절환기(450), 상기 탭 절환기(450)로부터의 출력을 정류하여 출력하는 제 2 정류기(460), 및 상기 컨버터(430)와 상기 제 2 정류기(460)를 직렬로 운전하거나 그 직렬 운전을 차단하는 스위치(470)를 포함한다.
상기 리플 제거부(420)는 L과 C로 구성되고, 상기 컨버터(430)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 컨버터로 구성되어 있다.
또한, 상기 스위치(470)는 본 실시예에서 스위칭 다이오드(D1)로 구성되어 있으나, 이에 한정되지 않고 기계적 스위치로 구성될 수 있을 것이다.
본 실시예에서 절연 변압기(440)의 2 차측에 구성된 상기 다단의 출력 탭은 130V/37A의 제 1 출력 탭, 130V/75A의 제 2 출력 탭, 130V/150A의 제 3 출력 탭, 및 130V/200A의 제 4 출력 탭으로 구성되고, 탭 절환기(450)는 제 1 출력 탭의 출력을 단속하는 제 1 스위치(SW1), 제 2 출력 탭의 출력을 단속하는 제 2 스위치(SW2), 제 3 출력 탭의 출력을 단속하는 제 3 스위치(SW3), 및 제 4 출력 탭의 출력을 단속하는 제 4 스위치(SW4)로 구성되어 있다.
이어, 도 4의 전원 장치의 동작을 설명한다.
600V/2000A 정격의 IGBT 컨버터(430)와 600V/200A 정격의 제 2 정류기(460)를 도 4와 같이 스위칭 다이오드(D1)의 도통 여부에 따라 직렬 운전되도록 하거나 그 직렬 운전이 차단되도록 구성한다.
제 1 정류기(410)는 3상 교류 전원으로부터 직류 600V를 만들고, 리플 제거부(420)의 Ldc과 C1은 리플을 줄이는 역할을 하며, IGBT 컨버터(430)는 ON 듀티를 조절하여 출력 전압을 조절한다. IGBT 컨버터(430)의 출력 전압은 듀티에 제1정류기(410)의 출력 전압을 곱한 값이다. 절연 변압기(440)는 입력 교류 전원과 전기적으로 절연된 전압을 얻게하는 동시에 그 전압을 부하에 필요한 다단의 전압/전류로 변환하는 다단의 제 1 내지 제 4의 출력 탭을 구비한다.
도 1의 운전영역1에서와 같이 기준 전압 600V 보다 높은 전압이 요구될 경우에는 스위칭 다이오드(470)(D1)가 도통되지 않도록 하여 제 2 정류기(460)와 IGBT 컨버터(430)를 직렬로 운전한다. 즉, 부하의 요구 전압에 따라 탭 절환기(450)의 스위치(절환스위치: SW1~SW4) 중 하나를 선택하여 절연 변압기(440)로부터 출력되는 다단의 출력 중 선택된 하나의 고정 전압을 출력하게 하고, 이때 IGBT 컨버터(430)는 부하 요구 전압에서 제 2 정류기(460)의 출력 전압을 뺀 전압을 출력하도록 듀티를 제어한다.
도 1의 운전영역1로부터 운전영역2로 이동할 때와 같이 기준 전압 600V 보다 낮은 전압이 요구될 경우에는 탭 절환기(450)의 스위치(SW1~SW4)를 모두 끄면 스위 칭 다이오드(470)(D1)가 도통하면서 제 2 정류기(460)의 출력은 차단되고 IGBT 컨버터(430)만으로 운전하게 된다.
도 5는 도 4의 전원 장치를 CVD 장치 반응기에 적용한 전체 구성도로서, 동 도면에 도시된 바와 같이, 하나의 CVD 반응기에 6개의 독립된 부하(Load1~Load6)가 있을 경우, 상기 독립된 6개의 부하(Load1~Load6)에 6개의 전원 장치(400)가 각각 연결된다.
도 5와 같이 구성된 CVD 반응기용 전원 장치는, 역률이 95% 정도로 별도의 역률 보상기가 불필요하고, 각 부하(Load1~Load6)는 각 전원 장치(400)에 의해 독립으로 제어되며, 스위칭 네트워크가 없으므로 구성이 간단하고 버스바에서의 발열이 없으며 장비의 신뢰성이 높아지고, 운전 중 전원장치(400) 혹은 부하(Load1~Load6)에 문제가 발생할 경우 정상인 부분만 공정을 계속하여 비싼 잉곳을 모두 버리지 않아도 되므로 생산성이 향상되며, 역률 향상에 따라 입력 변압기의 필요 용량이 약 30% 작아진다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램 으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위 가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 CVD용 전원 장치는 실리콘 결정 성장을 위한 CVD 장치에 적용되어, 역률을 개선하고, 각 부하를 독립적으로 제어하므로 운전 중 전원장치 혹은 부하에 문제가 발생할 경우 정상인 부분만 공정을 계속하여 생산성을 향상하며, 기존의 스위칭 네트워크를 배제하여 구성이 간단하며 버스바에서의 발열이 없고 장비의 신뢰성이 높아지며, 역률 향상에 따라 입력 변압기의 필요 용량이 작아지는 효과가 발생하는 매우 유용한 발명이다.
도 1은 위한 CVD 장치 반응기에서의 부하 특성을 나타내는 도면,
도 2는 종래 기술에 따른 CVD 장치용 전원 장치의 블록 구성도,
도 3은 도 1의 부하 특성에 따른 도 2의 전원 장치에서의 스위칭 네트워크를 설명하는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 CVD 장치용 전원 장치의 회로도,
도 5는 도 4의 전원 장치를 CVD 장치에 적용한 전체 구성도.
< 도면의 주요 장면에 대한 부호의 설명 >
400: 전원 장치 410: 제 1 정류기
420: 리플 제거부 430: 컨버터
440: 절연 변압기 450: 탭 절환기
460: 제 2 정류기 470: 스위치

Claims (7)

  1. 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 제 1 정류기;
    상기 정류된 직류 전원의 출력 전압의 크기를 변환하여 부하로 출력하는 컨버터;
    상기 교류 전원을 절연 변압하여 다단으로 출력하는 절연 변압기;
    상기 다단 출력을 각기 단속하는 탭 절환기;
    상기 탭 절환기로부터의 출력을 정류하여 출력하는 제 2 정류기; 및
    상기 컨버터와 상기 제 2 정류기를 직렬로 운전하거나 그 직렬 운전을 차단하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨버터는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 정류기와 상기 컨버터 사이에 리플을 줄이는 리플 제거부를 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 리플 제거부는 L과 C로 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치는 스위칭 다이오드로 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치는 기계적 스위치로 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    기준 전압 보다 높은 전압이 상기 부하에 요구될 때에는 상기 탭 절환기의 절환스위치 중 하나를 선택하여 상기 절연변압기로부터 출력이 발생하게 하여 상기 절연변압기의 출력이 상기 제2정류기에 의해 정류된 출력에 의해 상기 스위치가 오프되도록 함으로써 상기 컨버터와 상기 제 2 정류기가 직렬로 운전되도록 하고,
    상기 기준 전압 보다 낮은 전압이 상기 부하에 요구될 때에는 상기 탭 절환기의 절환스위치를 모두 오프 하여 상기 절연변압기로부터 상기 제2정류기로 향하는 출력이 발생하지 않도록 함으로써 상기 스위치를 도통하도록 하여 상기 컨버터의 출력으로부터 상기 제 2 정류기의 출력을 차단하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치.
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