KR101114604B1 - 도가니 보유 지지 부재 및 그 제조 방법 - Google Patents

도가니 보유 지지 부재 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 도가니 보유 지지 부재와 도가니 보유 지지 부재를 제조하는 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 도가니 보유 지지 부재는 복수의 탄소 섬유로 각각 구성된 복수의 스트랜드를 메쉬체의 축선에 대해 사선으로 정렬되도록 제직하여 형성된 중공의 메쉬체이며, 메쉬체의 일측이 그 원주부에서 내향 또는 외향으로 뒤집어져서 메쉬체의 타측과 중첩되어 있는 이중의 개구부를 포함하는, 중공의 메쉬체와, 메쉬체의 탄소 섬유들 사이의 간극에 충전되는 매트릭스를 포함한다.
도가니 보유 지지 부재, 탄소 섬유, 스트랜드, 메쉬체, 매트릭스

Description

도가니 보유 지지 부재 및 그 제조 방법{CRUCIBLE HOLDING MEMBER AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 출원은 본 명세서에서 그 전체 내용이 참고로 수록된 2008년 6월 17일자 출원된 일본특허출원 제2008-158425호를 우선권 주장한다.
본 발명은 금속, 유리 또는 실리콘과 같은 고온 용융물을 수용하는 도가니를 보유 지지하기 위한 도가니 보유 지지 부재에 관한 것으로, 특히 실리콘 단결정 풀링업(pulling-up) 작업에 사용되는 석영 도가니를 보유 지지하는 도가니 보유 지지 부재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 실리콘 단결정 풀링업 장치에는 카본 재료가 널리 사용되고 있는데, 그 이유는 카본 재료가 내열성이 높고 열 충격성이 높으며, 카본 재료는 실리콘을 거의 오염시키지 않기 때문이다. 특히, 등방성 흑연 재료는 고밀도이기 때문에 장치 내에서 발생하는 SiO와 같은 반응 가스와 반응하기 어렵고, 실리콘 용융물을 수용하는 석영 도가니용 재료인 SiO2와 등방성 흑연 재료의 반응 속도는 느리다. 따라서, 등방성 흑연 재료가 석영 도가니의 주연을 보유 지지하는 흑연 도가니로서 사용되고 있다.
최근, 수율을 증가시키고 생산성을 향상시키기 위해 실리콘 웨이퍼의 직경 증가가 진행되고 있으며, 300mm 웨이퍼가 제공되고 있다. 직경 400mm를 초과하는 웨이퍼의 개발도 제안되고 있다. 이러한 실리콘 웨이퍼 직경의 증가에 의해, 실리콘 단결정 풀링업 장치의 크기가 커져서, 풀링업 장치에 사용되는 흑연 도가니의 중량이 매우 커지고, 결과적으로 장치에 흑연 도가니를 설치하는 것과 같은 취급이 곤란하게 된다.
또한, 등방성 흑연 재료의 제조 공정에는 정압하에 가압 공정이 필요하며, 흑연 제품의 직경의 약 1.5배 크기를 갖는 CIP(Cold Isostatic Press) 장치가 필요하다. 큰 크기의 흑연 도가니와 같은 등방성 흑연 재료용으로 종래의 CIP 장치의 직경은 충분하지 않으며, 더 큰 장치가 필요하게 된다.
CIP 장치를 사용하지 않고 큰 크기의 흑연 도가니를 제조하는 기술로서, 탄소 섬유를 필라멘트 와인딩법(filament winding process)에 의해 도가니 양태로 성형하고, 매트릭스로서 수지나 피치에 의해 함침시키고, 이것을 소성시켜 탄소/탄소 섬유 복합재(이하, C/C 복합재라 함)로 된 도가니를 제조하는 기술(예컨대, JP-A-10-152391 또는 JP-A-11-60373 참조)과, 성형 다이에 탄소 섬유 직물을 부착시키고, 성형 및 경화를 수행하여 탄소 섬유-강화 플라스틱을 얻은 후에, 함침 및 소성하여 C/C 복합재로 된 도가니를 제조하는 기술(예컨대, JP-A-10-245275 참조) 등이 제안되어 있다.
한편, 실리콘 단결정 풀링업 장치에서, 실리콘을 용융하는 동안 결정 잉곳이 생성되므로, 실리콘의 용융점(1,420℃) 이상의 온도로 장치의 내부를 가열하여야 한다. 실리콘이 용융될 때, 도가니 보유 지지 부재와 그 내부에 삽입된 석영 도가니가 연화되고 서로 접착된다.
석영 유리의 열팽창 계수는 0.6×10-6/℃이고, C/C 복합재의 열팽창 계수는 대체로 그것과 동일하다. 따라서, 단결정 잉곳의 풀링업 완료 후 실리콘 용융물이 거의 제거된 다음에 장치가 냉각되면, 양자는 서로 강하게 구속되지 않고 냉각된다.
그러나, 풀링업이 시작된 직후 정전과 같은 문제로 인해 실리콘 용융물이 응고하면, 실리콘은 응고에 의해 팽창(약 9.6%의 체적 팽창)하는 특성을 갖는다. 따라서, 이 팽창은 석영 도가니 및 도가니 보유 지지 부재를 확장시키는 경향이 있다.
소직경 단결정 잉곳을 풀링업하는 장치의 경우, 이런 문제가 발생하더라도 냉각은 단시간동안 수행되며, 또한 누출된 응고되지 않은 용융물의 양이 적다. 그러나, 대직경 단결정 잉곳을 풀링업하는 장치의 경우, 이런 문제가 발생하면, 냉각에 시간이 걸리고, 일단 용융물이 누출되기 시작하면 다량의 용융물이 장치의 바닥부까지 범람하여 엄청난 손상을 야기한다.
전술한 JP-A-10-152391호 또는 JP-A-11-60373호에 개시된 바와 같은 필라멘트 권취법을 사용하여 제조된 C/C 복합재로 만들어진 도가니 보유 지지 부재는 그 원주 방향에 평행한 방향으로 권취된 다수의 탄소 섬유가 존재하기 때문에 아주 높 은 강도를 가지므로, 이 도가니 보유 지지 부재는 대형 도가니 보유 지지 부재용으로 적절하다. 그러나, 전술한 문제가 발생하면, 도가니 보유 지지 부재의 원주 방향으로 정렬된 탄소 섬유는 실리콘 용융물의 응고시 팽창에 의해 야기된 매우 큰 힘에 의해 인장된다. 따라서, 탄소 섬유가 파단되어 도가니 보유 지지 부재에 손상을 일으킨다.
또한, JP-A-10-245275호에 개시된 바와 같은 탄소 섬유 직물을 부착하여 제조된 도가니 보유 지지 부재에서도, 원주 방향으로 정렬된 다수의 탄소 섬유가 존재한다. 따라서, 도가니 보유 지지 부재는 전술한 것과 마찬가지로 원주 방향으로 작용하는 장력에 의해 손상될 수 있다.
더욱이, 전술한 공보들에 개시된 C/C 복합재로 만들어진 도가니 보유 지지 부재의 제조 공정에서, 성형 다이에 탄소 섬유가 권취되거나 또는 탄소 섬유 직물이 부착되어 형상을 형성하고, 수지와 같은 매트릭스 전구체가 탄소 섬유 또는 탄소 섬유 직물 내에 함침되고, 성형 다이와 함께 가열 경화 및 소성 탄화가 수행된 후, 성형 다이로부터 분리된다. 이 단계들에서, 또한 성형 다이와 C/C 복합재로 만들어진 도가니 보유 지지 부재 사이의 열팽창 계수의 차이로 인해 탄소 섬유에 강한 장력이 작용하고, 이는 탄소 섬유의 파단을 야기한다.
또한, C/C 복합재가 우수한 강도를 갖는 소재이지만, C/C 복합재로 만들어진 종래의 도가니 보유 지지 부재는 단층 구조이기 때문에 더 높은 강도를 얻고자 하는 요구에 대해서는 구조적 한계를 갖는다. 석영 도가니는 계속해서 크기가 증가하고 있고, 크기 증가에 의해 도가니 보유 지지 부재에 매우 큰 힘이 작용할 것으 로 예상된다. 이로 인해, 도가니 보유 지지 부재에 대해 강도가 더욱 향상될 것이 기대된다. 또한, C/C 복합재로 만들어진 종래의 도가니 보유 지지 부재는 단층 구조를 갖기 때문에, 탄소 섬유 또는 탄소 섬유 직물의 단부가 개구부의 주연에서의 절단 단부가 되고, 마모되어, 개구부의 강도가 현저하게 저하된다.
이러한 문제는 실리콘 단결정 풀링업 장치용 도가니 보유 지지 부재에 한정되지 않고, 부재가 그 내부에 열팽창 계수가 서로 다른 용기를 내장하는 전술한 다양한 분야에서 유사한 문제가 발생한다. 따라서, 무거운 중량을 갖는 용기를 지지하기에 충분한 강도를 가지면서, 장력이 원주 방향으로 발생할 때에도 균열 등의 발생을 억제하는 도가니 보유 지지 부재를 개발할 것이 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 강도를 향상시킬 수 있고, 강한 장력이 원주 방향으로 작용하더라도 형상이 안정되고, 또한 마모로 인한 개구부의 강도 저하가 발생하지 않는 도가니 보유 지지 부재를 제공하는 것이다.
(1) 본 발명의 양태에 따르면, 복수의 탄소 섬유로 각각 구성된 복수의 스트랜드를 메쉬체의 축선에 대해 사선으로 정렬되도록 제직하여 형성된 중공의 메쉬체이며, 메쉬체의 일측이 그 원주부에서 내향 또는 외향으로 뒤집어져서 메쉬체의 타측과 중첩되어 있는 이중의 개구부를 포함하는, 중공의 메쉬체와,
메쉬체의 탄소 섬유들 사이의 간극에 충전되는 매트릭스를 포함하는, 도가니 보유 지지 부재가 제공된다.
이 도가니 보유 지지 부재에 따르면, 스트랜드는 사선으로 제직되므로, 원주 방향으로 강한 인장력이 작용하더라도 형상이 안정되게 된다. 메쉬체는 일측이 타측 상으로 뒤집어져서 이중 구조이므로, 단층 구조에 비해 강도가 향상되고, 개구부의 마모가 감소되거나 방지된다.
(2) (1)의 도가니 보유 지지 부재에서, 메쉬체는,
축선에 대해 경사진 제1 방향으로 정렬된 복수의 제1 스트랜드와, 축선에 대해 경사진 제2 방향으로 정렬된 복수의 제2 스트랜드를 포함하고,
제1 방향은 축선에 대해 제2 방향과 반대일 수 있다.
이 도가니 보유 지지 부재에 따르면, 원주 방향으로의 강성이 낮으므로, 원주 방향으로 팽창시키는 힘이 도가니 보유 지지 부재 상에 작용하더라도 메쉬체는 제1 스트랜드와 제2 스트랜드에 의해 형성된 장사방형 형상 격자의 뒤틀림에 의해 원주 방향으로 확장될 수 있어서, 원주 방향으로의 팽창을 흡수할 수 있다.
(3) (1) 또는 (2)의 도가니 보유 지지 부재에서, 메쉬체는 축선을 따라 정렬된 복수의 종방향 스트랜드를 더 포함할 수 있다.
이 도가니 보유 지지 부재에 따르면, 수직 방향으로 작용하는 도가니의 하중이 종방향 스트랜드의 연장 방향과 일치하므로, 메쉬체의 수직 방향으로의 내하중(즉, 도가니를 담지하는 강도)가 증가한다.
(4) (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 도가니 보유 지지 부재에서, 메쉬체는 회전 타원체 형상으로 형성되고, 회전 타원체 형상의 주축의 절반에서 원주부에 내향으로 절첩되어, 메쉬체의 일측이 메쉬체의 타측과 중첩될 수 있다.
이 도가니 보유 지지 부재에 따르면, 무단 이중 구조를 갖는 사발 형상의 메쉬체가, 별도로 준비된 2개의 메쉬체를 서로 중첩하는 경우에 비해 간단하게 그리고 높은 정밀도로 준비될 수 있다. 이는 전체 메쉬체의 강도를 증가시키고, 특히 마모가 아주 작거나 없는 고강도 개구부를 형성하는 것을 가능하게 한다.
(5) (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 도가니 보유 지지 부재에서, 메쉬체는 축선의 방향으로의 일측의 단부 중 하나 이상이 개방된 원통 형상으로 형성되고, 단부가 내향 또는 외향으로 뒤집어져서 이중 개구부를 형성할 수 있다.
이 도가니 보유 지지 부재에 따르면, 원통 형상으로 형성된 메쉬체의 개구 단부가 접혀져 있으므로, 개구부는 이중 구조를 갖게 되어, 개구부의 강도가 증가하고, 단층 구조의 경우에 개구부에 위치된 스트랜드의 절단된 단부로 인한 마모가 발생되지 않는다.
(6) (5)의 도가니 보유 지지 부재에서, 내향 또는 외향으로 뒤집어진 일측의 단부는 접착제로 메쉬체의 타측에 접착될 수 있다.
이 도가니 보유 지지 부재에 따르면, 예컨대 메쉬체가 일측이 개방되고 타측이 폐쇄된 폐쇄 단부 원통형 본체이면, 일측의 개방 단부는 바닥부의 부근까지 접혀지고, 거기에서 접착제에 의해 접착된다. 즉, 바닥부를 제외한 개구부로부터 측면부까지 이중 구조를 갖는 메쉬체가 얻어진다. 이는 원주 방향으로 작용하는 인장에 대항하여 높은 강도를 갖고, 개구부의 마모도 방지한다.
(7) 본 발명의 양태에 따르면, 복수의 탄소 섬유로 각각 구성되는 복수의 스트랜드를 주축에 대해 사선으로 정렬되도록 제직하여, 주축을 갖는 중공 회전 타원체 형상을 갖는 메쉬체를 형성하는 단계와,
메쉬체의 일측이 타측에 중첩되도록 주축의 절반에서 메쉬체를 원주부에 내향으로 절첩하는 단계와,
메쉬체의 탄소 섬유들 사이의 간극에 매트릭스를 충전하는 단계를 포함하는, 도가니 보유 지지 부재 제조 방법이 제공된다.
이 도가니 보유 지지 부재 제조 방법에 따르면, 단축에 대해 대칭으로 동일 형상으로 형성된 한 쌍의 사발 형상 메쉬체가 내측 및 외측에서 서로 중첩되므로 무단 이중 구조를 갖는 사발 형상 메쉬체가 형성된다.
(8) (7)의 도가니 보유 지지 부재 제조 방법에서, 스트랜드는 코어의 외면 상에 제직되어 회전 타원형 형상을 갖는 메쉬체를 형성하고, 그후 코어가 제거되어 메쉬체의 중공을 형성할 수 있다.
이 도가니 보유 지지 부재 제조 방법에 따르면, 스트랜드는 예컨대 제거를 위해 쉽게 파괴될 수 있는 부재로 형성된 회전 타원체 형상의 코어의 외주연면 상에 제직되고, 주축의 일단측으로부터 씌울 수 있는 방식으로 코어가 형성된 것과 유사한 형상을 갖는 메쉬체가 코어를 피복한다. 그리고, 코어는 취출될 수 있는 사이즈로 파괴되고, 예컨대 제직되지 않은 부분이나 메쉬를 통해 제거되고, 그로 인해 중공 공간을 갖는 회전 타원체형 메쉬체가 쉽고 고정밀도로 준비될 수 있다.
전술한 도가니 보유 지지 부재에 따르면, 탄소 섬유로 구성된 사선으로 제직된 스트랜드에 의해 형성된 중공 메쉬체의 일측이 원주부에서 내향 또는 외향으로 뒤집혀서 타측에 중첩되므로, 이중 개구부를 형성한다. 따라서, 단층 구조에 비해 강도가 쉽게 개선될 수 있다. 결과적으로, 원주 방향을 강한 인장력이 작용하더라도 형상이 안정될 수 있고, 개구부의 마모가 감소 또는 방지될 수 있다.
전술한 도가니 보유 지지 부재의 제조 방법에 따르면, 스트랜드가 사선으로 제직되어 중공 메쉬체를 형성하고, 메쉬체는 절반을 내향 절첩하여 메쉬체의 일측을 타측 상에 중첩시킨다. 따라서, 원주 방향으로의 인장에 대해 강도가 높고 형상이 안정되며, 개구부의 마모가 방지되는 무단 이중 구조의 도가니 보유 지지 부 재가, 2개의 메쉬체를 준비하고 서로 중첩하는 경우에 비해 쉽고 고정밀도로 준비될 수 있다.
본 발명의 전술한 그리고 다른 양태는 첨부 도면과 관련한 본 발명의 예시적인 실시예들의 이하의 설명으로부터 더욱 명확하고 더욱 쉽게 이해된다.
본 발명에 따른 도가니 보유 지지 부재와 그 제조 방법의 예시적인 실시예가 첨부 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 도가니 보유 지지 부재를 구성하는 메쉬체를 도시한 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 메쉬체의 일부를 도시한 확대 정면도이다.
본 실시예에 따른 도가니 보유 지지 부재(100)는 탄소 섬유(11)로 형성된 메쉬체(13)와 메쉬체(13)의 탄소 섬유(11)들 사이의 간극에 채워진 매트릭스를 포함한다. 메쉬체(13)는 사실상 폐쇄 단부를 갖는 바구니형 형상을 갖는다. 구체적으로, 메쉬체(13)는 사실상 원통형 본체부(12)와 사발형 바닥부(14)를 구비한다. 이 메쉬체(13)는 각각 복수의 탄소 섬유(11)를 묶어서 얻어진 리본형 스트랜드(15)를 겹실로서 사용하여 3축 제직함으로써 형성된다. 즉, 메쉬체(13)는 메쉬체(13)의 축선(L)에 대해 +θ(0<θ<90)의 경사각으로 정렬된 제1 스트랜드(15A)와, -θ의 경사각으로 정렬된 제2 스트랜드(15B)와, 축선(L)과 동일한 평면 내에 (축선을 따라) 정렬된 종방향 스트랜드(15C)를 포함한 3축 제직 구조를 갖는다. 즉, 제1 스트랜드(15A)는 축선(L)에 대해 제1 각도로 제1 방향으로 정렬되고, 제2 스트랜드(15B) 는 축선에 대해 제1 각도와 동일한 제2 각도로 정렬되며, 제1 방향은 축선(L)에 대해 제2 방향과 반대된다.
추가로, 전술한 구성에서, 제1 스트랜드(15A)와 제2 스트랜드(15B)는 메쉬체(13)의 축선(L)에 대해 동일한 경사각으로 서로 반대 방향으로 정렬된다. 그러나, 본 발명에서는 반드시 동일한 각도로 정렬될 필요는 없다. 그러나, 제1 스트랜드(15A)와 제2 스트랜드(15B)를 동일한 경사각으로 정렬하는 것이 제조를 용이하게 하며, 동시에 기계적 강도 밸런스도 쉽게 얻어진다.
이 메쉬체(13)는 제1 스트랜드(15A)와 제2 스트랜드(15B)가 노끈 형상으로 서로 엮어지므로 높은 강도를 보장하며, 용기를 견고하게 보유 지지할 수 있다. 더욱이, 제1 스트랜드(15A)와 제2 스트랜드(15B)는 메쉬체(13)의 축선(L)에 대해 사선으로 정렬되고, 중심축에 수직인 방향{즉, 메쉬체(13)의 원주 방향}으로는 정렬되지 않으므로, 원주 방향으로의 강도가 낮은 구조가 얻어진다. 이런 이유 때문에, 어떤 원인에 의해 원주 방향으로 팽창시키는 힘이 석영 도가니 보유 지지 부재(100) 상에 작용하더라도, 제1 스트랜드(15A)와 제2 스트랜드(15B)로 형성된 장사방형 형상의 격자가 비틀림으로써, 메쉬체(13)가 원주 방향으로 팽창되어 원주 방향으로의 팽창을 흡수할 수 있다. 따라서, 탄소 섬유의 파단이 발생되지 않고, 사실상 형상이 유지되어서, 도가니 보유 지지 부재는 형상 안정성이 우수하다.
또한, 메쉬체(13)에서, 축선(L)에 대한 제1 스트랜드(15A) 및 제2 스트랜드(15B)의 경사각(θ)은 도가니 보유 지지 부재(100)의 각 부분(위치)에 요구되는 강도에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 메쉬체(13)의 원주 방향으로의 강성은 경 사각(θ)을 변경시킴으로써 조절될 수 있으므로, 원주 방향으로의 강성은 그것의 용도 또는 메쉬체(13)의 각 부분(위치)에 따라 변경될 수 있다.
메쉬체(13)는 축선(L)에 평행한 방향으로(축선을 따라) 정렬된{축선(L)과 동일 평면 내에 제직된} 종방향 스트랜드(15C)를 구비한다. 메쉬체는 종방향 스트랜드(15C)를 구비한다. 따라서, 3축 메쉬면의 복수의 집합체(aggregate)가 형성되고, 각각은 스트랜드(15A, 15B, 15C) 각각에 의해 형성되어, 메쉬체(13)의 수직 방향으로의 저항 부하(즉, 도가니를 담지하는 강도)를 증가시킨다. 따라서, 중량이 큰 석영 도가니는 더욱 확고하게 보유 지지될 수 있고, 그로 인해 대형 실리콘 단결정 풀링업 장치에 적절한 도가니 보유 지지 부재(100)를 제공하는 것이 가능하다.
스트랜드(23) 각각은 대략 수천 개의 탄소 섬유(11)를 묶어서 형성된다. 스트랜드(15)를 구성하는 탄소 섬유(11)로서, 피치계(pitch-based) 탄소 섬유, PAN계 탄소 섬유 등이 사용될 수 있다. 제1 스트랜드(15A), 제2 스트랜드(15B) 및 종방향 스트랜드(15C)를 구성하는 탄소 섬유(11)는 동일 재료일 수도 있고 상이한 재료일 수도 있다.
스트랜드(15)의 형상은 리본형 뿐만 아니라, 막대형 등일 수 있다. 또한, 에폭시 수지 등에 함침시킴으로써 사이징(sizing) 처리된 스트랜드가 스트랜드(15)로서 사용된다면, 적절한 탄성이 얻어져서 스트랜드를 수작업으로 제직하는 것보다 동일한 사이클에서 쉽게 제직할 수 있다.
메쉬체(13)를 피복하기 위한 매트릭스 전구 물질은 소성에 의해 탄소질 또는 흑연 매트릭스를 형성할 수 있기만 하면 임의의 것일 수 있다. 소성에 의해 탄소화 또는 흑연화되는 매트릭스 전구 물질로서, COPNA 수지, 페놀 수지, 푸란 수지 또는 폴리이미드 수지와 같은 높은 탄소화율을 갖는 열경화성 수지 뿐만 아니라, 석유, 석탄 등으로부터 얻어진 피치가 사용될 수 있다. 또한, 매트릭스는 열분해 카본, SiC 등의 화학 기상 함침(CVI)에 의해 형성될 수도 있다.
본 실시예에 따른 도가니 보유 지지 부재(100)에서, 메쉬체(13)의 축선 방향으로의 일측(상부측)(17)은 원주부(19)에서 내향 또는 외향(도면에서는 내향)으로 뒤집어져서, 일측(17)을 그 타측(하부측)(21) 상에 중첩시키고, 그로 인해 이중 개구부(23)를 형성한다. 즉, 우선 회전 타원체 형상으로 메쉬체(13)가 형성된 후, 주축으로서의 축선(L)을 따라 중앙 원주부(19)에서 절반으로 내향 절첩되어(뒤집어져), 일측(17)이 타측(21) 상에 중첩된다. 무단 이중 구조를 갖는 사발형 메쉬체(13)가 간단하게 그리고 별도로 준비된 2개의 메쉬체가 서로 중첩되는 경우에 비해 높은 정밀도로 마련될 수 있다. 이는 전체 메쉬체의 강도를 증가시키고, 특히 마모가 발생되지 않는 고강도 개구부(23)를 형성하는 것을 가능하게 한다. 여기서, 메쉬체(13)의 원래 형상은 메쉬체(13)가 무단 이중 구조를 갖는 사발형으로 형성되기만 하면 어떤 것이든 가능하며, 중첩되기 전 원래 형상은 회전 타원체 형상에 한정되지 않는다. 즉, 중첩되기 전 메쉬체(13)의 원래 형상은 구형, 양단부가 평행한 바닥면으로 폐쇄된 원통형 형상, 또는 양단부가 반구형 바닥면으로 폐쇄된 원통형 형상일 수 있으며, 또한 후술하는 바와 같이 단부가 개방된 원통형 형상일 수 있다.
본 실시예에 따른 도가니 보유 지지 부재를 제조하는 방법의 일 예가 도 3 및 도 4를 참조로 이하에 설명된다. 도 3은 본 실시예에 따른 제조 방법의 순서를 도시한 흐름도이고, 도 4는 본 실시예에 따른 제조 방법의 순서를 도시한 개략도이다.
본 실시예에 따른 도가니 보유 지지 부재(100)는 주로 이하의 다섯 단계, 즉 제직 단계(S1), 함침 단계(S2), 경화 단계(S3), 탄소화 단계(S4) 및 고순도화 단계(S5)에 의해 제조된다.
A) 제직 단계(S1)
먼저, 3축 메쉬체(13)를 성형하기 위해 회전 타원체 형상의 성형 다이(코어)(25)가 도 4A에 도시된 바와 같이 준비된다. 코어(25)용 재료가 특별히 제한되는 것은 아니지만, 나중에 제거 단계에서 쉽게 제거되는 코어를 사용하는 것이 바람직하다. 코어(25)는 압축 공기가 밀봉된 백(bag) 형상으로 성형된 탄성 시트일 뿐만 아니라 흑연 또는 모래와 같은 양호한 성형성/파괴성을 갖는 재료로 성형된 것이다. 대형 메쉬체가 형성되는 경우, 대형 코어(25)가 접착제 등의 수단에 의해 복수의 흑연 물질 편을 조합하여 형성될 수 있다. 또한, 중공 코어(25)가 사용되면, 중량이 가볍고, 취급 및 제거하기 쉽다.
코어(25)가 준비된 후에, 리본형 스트랜드(15)가 각각 복수의 탄소 섬유를 묶어서 형성되고, 스트랜드(15)는 도 4B에 도시된 바와 같이 3차원 브레이딩 방법(braiding method)에 의해 코어(25)의 외주연을 따라 제직되어, 메쉬체(13)를 형성한다. 3차원 브레이딩 방법에 의한 메쉬체(13)의 형성은 공지된 방법으로 수행 될 수 있다.
시판되고 있는 자동 직기(loom)(예컨대, 호와 공업사에서 제작된 TWM-32C, TRI-AX)가 스트랜드(15)를 제직하는데 사용될 수 있다. 자동 직기가 입수 곤란한 경우에는, 메쉬체(13)는 단지 꼰 끈의 형성과 같이 수작업으로 형성될 수 있다.
또한, 메쉬체(13)는 스트랜드(15)가 평면 형상으로 제직된 3축 직물을 준비하고, 코어(25) 둘레에 원통형 형상으로 둥글게 하여, 접착제 등에 의해 그것을 접합하여 메쉬체(13)의 본체부(12)를 형성하고, 3차원 브레이딩 방법에 의해 제조된 바닥부(14)를 부착함으로써 제조될 수 있다.
메쉬체(13)가 코어(25)를 덮은 후, 코어(25)가 파괴되고 제거되어 도 4C에 도시된 바와 같이 중공 공간(27)을 형성한다. 이 경우, 코어(25)는 메쉬체(13)의 외부로부터 취득되는 크기로 파괴된다. 본 실시예에서는, 압축 공기를 배기한 후에 탄성 시트 재료가 취출된다. 코어(25)는 비제직부 또는 메쉬를 통해 제거되고, 그로 인해 중공 공간(27)을 갖는 회전 타원체 형상 메쉬체(13)가 용이하게 고정밀도로 준비될 수 있다.
그리고, 도 4d와 도 4e에 도시된 바와 같이, 메쉬체는 주축을 따라 메쉬체(13)의 중앙 원주부(19)에서 절반으로 내향 절첩되어, 일측(17)을 타측(21) 상에 중첩시킨다. 따라서, 무단 이중 구조를 갖는 사발형 메쉬체(13)가 형성되어, 부축에 대해 대칭으로 동일 형상으로 형성된 한 쌍의 사발형 메쉬체가 내측 및 외측에서 서로 중첩된다.
메쉬체(13)가 에폭시 수지 등을 다량 사용하여 사이징 처리된 스트랜드(15) 를 사용하여 마련되어, 후속 단계에서 매트릭스 전구체로서의 수지의 함침이 어려우면, 에폭시 수지와 같은 사이징 재료를 제거하기 위해 메쉬체의 형성 후에 탈지 처리가 수행될 수 있다. 탈지 처리는 통상 비산화성 분위기 하에 약 150 내지 400℃로 가열함으로써 수행된다. 이 탈지 처리는 에폭시 수지 등을 다량 사용하여 사이징 처리된 스트랜드(15)가 사용되는 경우에만 수행되는 것이 바람직하다.
B) 함침 단계(S2)
도 4f에 도시된 바와 같이, 제직 단계(S1)에서 형성된 메쉬체(13)는 수지 조성물 등을 포함하는 경화되지 않은 매트릭스 전구체 내에 침지되어 메쉬체(13)가 매트릭스 전구체에 의해 함침된 원 재료를 형성한다.
함침은 상압에서 또는 증가된 압력 하에서도 실시될 수 있다. 탄소 섬유가 얇고 함침될 매트릭스 전구체와의 습윤성이 나쁘다면, 증가된 압력 하에서의 함침이 효과적이다. 또한, 매트릭스 전구체가 탄소 섬유와 충분한 습윤성을 갖는다면, 매트릭스 전구체는 단지 도포 또는 분사에 의해 스트랜드 내에 충분히 함침될 수 있다.
또한, 함침 전에 진공화가 수행되면, 스트랜드(15) 내에 기공이 존재하지 않는다. 따라서, 균질한 원 재료가 달성될 수 있다.
C) 경화 단계(S3)
그리고, 도 4g에 도시된 바와 같이, 매트릭스 전구체에 의해 함침된 메쉬체(원 재료, 13)는 가열되어 경화된다. 경화 온도는 매트릭스 전구체 등의 종류에 따라 적절하게 설정될 수 있지만, 경화에 수반되는 겔화 반응이 격렬하게 발생하는 온도(대략 100 내지 150℃)로 설정된다. 미리 정한 온도 부근에서는 승온 속도를 떨어뜨려서 발생된 가스를 충분히 배기시켜 가스를 충분히 확산시킬 수 있다.
D) 탄소화 단계(S4)
도 4h에 도시된 바와 같이, 경화 단계(S3)에서 얻어진 원 재료 내에 함유된 유기물이 탄소화되어, 주로 탄소로 이루어진 도가니 보유 지지 부재(100)를 얻는다. 탄소화 단계에서의 처리 온도는 적어도 약 600℃(유기 가스의 방출이 수습되기 시작하는 온도)인 것이 바람직하고, 900℃(치수 수축 및 가스 발생이 수습되는 온도) 이상인 것이 더욱 바람직하다.
E) 고순도화 단계(S5)
도 4i에 도시된 바와 같이, 탄소화 단계(S4)의 방법에 의해 얻어진 도가니 보유 지지 부재(100)는 고순도화 처리를 받아서 불순물이 제거된다. 고순도화 처리는 공지된 방법에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로는, 할로겐 가스 또는 할로겐화 탄화수소와 같은 분위기 가스(29) 내에서 1,500℃ 내지 3,000℃에서 1시간 이상 열처리에 의해 수행된다.
전술한 제조 예에서는, 메쉬체(13)가 제작된 후 매트릭스 전구체에 의해 함침된다. 그러나, 스트랜드(15)가 매트릭스 전구체에 의해 미리 함침되고, 매트릭스 전구체에 의해 함침된 스트랜드(15)를 사용하여 메쉬체(13)가 제직될 수도 있다. 즉, 도가니 보유 지지 부재는 함침 단계(S2), 제직 단계(S1), 경화 단계(S3), 탄소화 단계(S4) 및 고순도화 단계(S5)의 순서로 제조될 수도 있다. 어떤 순서에서든지, 스트랜드(15)의 표면에 부착되는 매트릭스가 스트랜드들 사이에 접착제로 서 작용하므로, 경화 단계(S3)는 함침 단계(S2) 및 제직 단계(S1) 후에 수행되는 것이 바람직하다.
접착제로서는, COPNA 수지, 페놀 수지, 푸란 수지 또는 폴리이미드 수지와 같은 높은 탄소화율을 갖는 열경화성 수지 뿐만 아니라, 석유, 석탄 등으로부터 얻어진 피치가 사용될 수 있다. 스트랜드의 표면에 부착된 매트릭스 접착제로서 기능시킬 수 있고, 또는 뒤집어서 새롭게 도포될 수 있다.
도가니 보유 지지 부재(100)를 제조하는 본 방법에 따르면, 스트랜드(15)는 사선으로 제직되어 중공 메쉬체(13)를 형성하고, 메쉬체(13)는 절반으로 내향 절첩하여 메쉬체(13)의 일측(17)을 타측(21)과 중첩시킨다. 따라서, 원주 방향으로 장력에 대항하여 강도가 강하고 형상이 안정되며 개구부(23)의 마모가 억제되는 무단 이중 구조의 도가니 보유 지지 부재(100)가, 2개의 메쉬체를 준비하여 서로 중첩시키는 경우에 비해 간단한 공정에 의해 쉽게 고정밀도로 제조될 수 있다.
그리고, 본 실시예에 따른 도가니 보유 지지 부재의 사용의 예로서, 도가니 보유 지지 부재가 실리콘 단결정 풀링업 장치에 적용되는 예가 도 5를 사용하여 설명된다. 도 5는 본 실시예에 따른 도가니 보유 지지 부재를 사용하는 실리콘 단결정 풀링업 장치를 도시한 단면도이다.
실리콘 단결정 풀링업 장치(31)는 실리콘 용융물(33)을 수용하기 위한 석영 도가니(35)와, 외측에서 그것을 둘러싸는 상태로 석영 도가니(35)의 외주연면을 보유 지지하기 위한 도가니 보유 지지 부재(100)를 구비한다. 이들은 지지대(37) 상에 배치된다. 히터(39)는 도가니 보유 지지 부재(100)의 주연 둘레에 배치되고, 잉곳(41)은 히터(39)에 의해 도가니 보유 지지 부재(100)와 석영 도가니(35)를 거쳐 실리콘 용융물(33)을 가열하는 동안 서서히 풀링업되고, 그로 인해 실리콘 단결정을 제조한다.
전술한 바와 같이, 원주 방향으로 팽창하는 힘이 작용하더라도, 여기서 사용된 도가니 보유 지지 부재(100)는 팽창을 추종할 수 있다. 따라서, 균열의 발생, 균열 발생에 수반된 응고되지 않은 용융물의 범람 등이 억제되어, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
실리콘 단결정 풀링업 장치(31)가 냉각될 때, 실리콘 용융물(33)의 응고가 가장 먼저 일어나는 도가니 보유 지지 부재(100)의 상부측에는 실리콘 용융물(33)에 의해 야기된 부하가 거의 작용하지 않는다. 실리콘 용융물이 풀링업의 초기에 응고되면, 상부측은 실리콘 용융물(33)의 체적 팽창을 직접 받게 되므로, 강성을 감소시키도록 경사각(θ)이 감소되는 것이 바람직하다. 한편, 실리콘 용융물(33)에 의해 야기된 부하는 주로 하부측에 작용한다. 그러나, 실리콘 용융물이 풀링업의 초기에 응고되더라도, 석영 도가니의 바닥부가 원형이므로 하부측은 실리콘 용융물(33)의 체적 팽창을 거의 직접 받지 않는다. 따라서 강성을 증가시키도록 경사각(θ)이 증가되는 것이 바람직하다.
경사각(θ)이 감소되는 경우에는, 실리콘 용융물(33)의 팽창이 발생하여 횡방향(원주 방향)으로 팽창하더라도, 횡방향으로의 팽창에 대한 종방향(높이 방향)으로의 수축의 정도가 작기 때문에 횡방향으로의 팽창을 쉽게 추종할 수 있다. 그러나, 경사각(θ)이 증가하는 경우에는, 실리콘 용융물(33)의 팽창이 발생하여 횡 방향으로 팽창하더라도, 횡방향으로의 팽창에 대한 종방향으로의 수축의 정도가 증가하기 때문에 횡방향으로의 팽창을 쉽게 추종하는 것이 불가능하여, 각각의 스트랜드에 대해 강한 힘이 인가하게 된다. 따라서, 제1 또는 제2 스트랜드는 파단되거나, 또는 종방향 스트랜드는 좌굴되기 쉽다.
실리콘 단결정 풀링업 장치(31)가 대직경 잉곳을 제조할 수 있는 대형이면, 도가니 보유 지지 부재(100)는 상하 방향으로 낮은 열전도율을 가져서, 실리콘 용융물(33) 내에서 상부의 온도가 높고 하부의 온도가 낮게 되는 온도 구배를 제공하는 것이 바람직하다. 실리콘 단결정 풀링업 장치(31)가 대형이면, 풀링업에 걸리는 시간은 상대적으로 길어져서, 장시간 동안 석영 도가니(35) 내에 실리콘 용융물(33)을 저장하게 된다. 실리콘 용융물(33)이 장시간 동안 석영 도가니(35) 내에 있으면, 실리콘 용융물(33)은 석영 도가니(35)로부터의 산소에 의해 오염되기 쉽다. 그러나, 산소에 의한 오염은 실리콘 용융물(33)의 대류를 가능한 많이 억제함으로써 방지될 수 있다.
낮은 열전도율을 갖는 스트랜드를 형성하는 탄소 섬유는 예컨대 일반적인 탄소질의 탄소 섬유(흑연질의 탄소 섬유에 대해) 등을 포함한다.
또한, 도가니 보유 지지 부재(100)의 메쉬 크기가 크면, 도가니 보유 지지 부재(100) 내에 삽입되는 석영 도가니(35)는 연화되고 메쉬 내에 끼어들어서 어떤 경우에는 제거되기 어렵다. 이를 방지하기 위해, 도가니 보유 지지 부재(100)와 석영 도가니(35) 사이에 팽창 흑연 시트 또는 탄소 섬유 제지 시트와 같은 탄소질 또는 흑연질 시트를 제공하여 개재시키는 것이 바람직하다.
또한, 이러한 탄소질 또는 흑연질 시트가 제공되어 개재되면, 석영 도가니(35)와 도가니 보유 지지 부재(100)는 서로 직접 접촉하지 않으므로, 석영 도가니(35)와의 반응에 의해 야기되는 도가니 보유 지지 부재(100)의 열화는 거의 발생하지 않는다. 따라서, 도가니 보유 지지 부재가 탄소질 또는 흑연질 시트만 교환함으로써 반복 사용될 수 있다는 장점이 있다.
전술한 사용예에서, 도가니 보유 지지 부재가 실리콘 단결정 풀링업 장치의 석영 도가니 보유 지지 부재에 적용되는 예가 설명되었다. 그러나, 본 발명에 따른 도가니 보유 지지 부재의 사용은 이에 한정되지 않으며, 예컨대 금속, 유리, 실리콘 등의 용융물을 저장하는 용기를 보유 지지하기 위한 부재이기만 하면 어떠한 용도에도 적용될 수 있다. 특히, 그 내측에 열팽창 계수와 상이한 용기를 보유 지지하기 위한 부재에 사용된다면, 전술한 효과가 달성된다.
도 6a 내지 도 6c는 메쉬체의 이중 구조의 수정예를 도시한 단면도이며, 도 7은 종방향 스트랜드를 갖지 않는 제직 구조의 수정예의 일부를 도시한 확대 정면도이며, 도 8은 복수의 사선 스트랜드를 갖는 제직 구조의 일부를 도시한 확대 정면도이다.
본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며, 거기에서 벗어나지 않고 범위 내에 있는 다양한 구성으로 수행될 수 있다. 예컨대, 도 6a 또는 도 6b에 도시된 바와 같이, 전술한 메쉬체(13)는 적어도 축선(L)의 방향으로 일측(17)의 단부(43)가 개방되고 타측(21)이 폐쇄된 폐쇄 단부 원통형 본체(13A 또는 13B)를 형성하고, 단부(43)를 도 6a에 도시된 바와 같이 내향으로 또는 도 6b에 도시된 바와 같이 외 향으로 뒤집어서 구성될 수 있다.
이 메쉬체(13A 또는 13B)에 따르면, 원통형 형상으로 형성된 메쉬체(13A 또는 13B)의 개방 단부(43)는 뒤집어지고, 그로 인해 개구부(23)는 이중 구조를 갖게 되어, 개구부의 강도가 증가하고, 단층 구조의 경우에 개구부에 배치된 스트랜드의 절단 단부로 인한 마모가 발생되지 않는다.
또한, 전술한 메쉬체(13)는 도 6c에 도시된 바와 같이 내향 또는 외향(도면에서는 내향)으로 뒤집어진 일측(17)의 단부(43)가 접착제에 의해 타측(21)에 접착된 메쉬체(13C)일 수 있다. 이 메쉬체(13C)에 따르면, 일측(17)의 개방 단부(43)는 바닥부(14)의 부근까지 뒤집어지고, 거기에서 접착제에 의해 접착된다. 따라서, 바닥부(14)를 제외한 개구부(23)로부터의 본체부(12)는 이중 구조를 갖게 된다. 하부 바닥부(14)는 단일층 구조를 갖지만, 강도는 강력한 열팽창이 발생하는 본체부(12)에 요구된다. 따라서, 이런 형상이더라도 충분하다. 이는 원주 방향으로 작용하는 인장에 대항하는 높은 강도를 야기하고, 또한 개구부(23)의 마모를 억제한다.
또한, 전술한 실시예에서는 3축 제직에 의해 형성된 메쉬체(13)가 도시되어 있다. 그러나, 본 발명에 따른 메쉬체는 3축 제직에 의해 달성되는 것에 한정되지 않으며, 도 7에 도시된 바와 같이 축선(L)에 대해 사선으로 정렬된 스트랜드(15A, 15B)만을 갖는 구성을 가질 수 있다. 즉, 메쉬체는 축선(L)에 수직인 평면 내에 원주 방향(도 7에서 횡방향)으로의 스트랜드를 갖지 않는다. 따라서, 원주 방향으로 팽창하는 이러한 힘이 작용하더라도, 원주 방향으로의 스트랜드가 존 재하지 않기 때문에 응력이 스트랜드의 일부에 집중되지 않으므로 스트랜드가 파단하지 않는다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 스트랜드(15, 15)가 사선으로 정렬된 구성을 가질 수 있다.
[예]
본 발명에 따른 도가니 보유 지지 부재의 더욱 상세한 구조 및 그 제조 방법이 이하의 예를 참조하여 설명된다. 본 발명은 이 제조 방법에 한정되지 않으며, 본 발명에 따른 도가니 보유 지지 부재가 달성될 수만 있다면 임의의 방법이 사용될 수 있다.
<예 1>
우선, 메쉬체를 제조하기 위한 코어가 준비된다. 코어는 축선 방향으로의 양단부가 사발 형상으로 형성된 회전 타원체 형상(직경 1,200mm 및 높이 45mm)으로 제조되며, 탄성 시트재를 주머니 형상으로 성형하고 그 내측에 압축 공기를 밀봉함으로써 얻어진다.
그리고, 제1, 제2 및 종방향 스트랜드 각각에 대해 140 리본 형상 스트랜드를 사용하여, 3축 제직 메쉬체가 코어의 외주연면 상에 형성된다. 각각의 스트랜드는 (도레이 인더스트리즈, 인크.에서 제조된 상표명 T800S24K) 24,000 탄소 필라멘트를 포함한다. 코어의 외주연면이 거의 피복된 상태에서, 코어는 파괴되고, 파괴된 코어(탄성 시트재)는 피복되지 않은 개구를 통해 제거된다. 피복되지 않은 부분의 개구가 폐쇄되면 3축 제직은 완료되고, 스트랜드의 단부가 접착 처리되고, 내측이 중공인 회전 타원 형상의 메쉬체가 얻어진다.
다음으로, 메쉬체의 상반부가 내향으로 뒤집어져 그 하반부 상에 중첩되어,단부가 없는 이중 구조를 갖는 바구니 형상을 형성한다.
전술한 바와 같이 제조된 메쉬체는 매트릭스 전구체와 같은 페놀 수지 형성 재료(아사히 유기 화학 인더스트리 코., 엘티디.에 의해 제조된 KL-4000)에 함침되고, 그후 배기 장치를 구비한 건조기 내에서 2℃/시간의 승온 속도로 200℃까지 승온시키고, 그대로 3시간 방치하여 경화시킨다.
그리고, 비산화성 분위기에서 10℃/시간의 속도로 1000℃까지 탄소화가 수행된 후에, 2000℃까지 고온 처리가 수행되고, 염소 가스에 의해 4시간 동안 고순도화 처리가 추가로 수행되어 직경 약 1,230mm 그리고 높이 약 550mm를 갖는 도가니 보유 지지 부재를 얻는다.
<비교예 1>
메쉬체를 제조하기 위한 성형 다이를 준비한다. 흑연으로 제조된 6개의 측면판(폭 600mm, 길이 850mm, 두께 200mm)이 준비된다. 각 측면판의 코너는 60°각도로 모따기 되고, 측면판은 흑연재용 접착제(COPNA 수지)를 사용하여 서로 접합되어 중공 육각 기둥을 형성한다. 그리고, 2개의 흑연 바닥판(폭 736mm, 길이 1,700mm, 두께 200mm)가 준비되고, 흑연재용 접착제(COPNA 수지)를 사용하여 중공 육각 기둥의 단부면에 접합되어, 초벌 성형 다이를 형성한다. 이 초벌 성형 다이의 본체부의 외주연면을 원통 형상으로, 그리고 바닥부의 외주연면을 사발 형상으로 연삭 가공하여 성형 다이(직경 1,400mm 그리고 높이 600mm)를 제조한다. 성형 다이는 예 1과 같은 스트랜드를 사용하여 형성된 편평 제직 직물로 피복된다. 이 경우, 스트랜드는 종방향과 원주 방향으로 정렬되도록 배치된다. 또한, 페놀 수지 형성 재료에 의한 함침, 경화, 탄소화 및 고순도화 처리는 예 1과 동일한 방식으로 수행된다. 이렇게 얻어진 도가니 보유 지지 부재는 전술한 예 1에 존재하는 사선으로 정렬된 스트랜드를 갖지 않고, 횡방향으로 정렬된 스트랜드(이하, 횡방향 스트랜드라 함)를 갖는다.
<시험예 1>
예 1에서 설명된 3축 제직 무단 이중 구조를 갖는 도가니 보유 지지 부재의 본체부의 양 방향으로 변형이 작용할 때에 응력 분포의 상태는 솔리드 워커스 코포레이션에 의해 제조된 (등록 상표) 솔리드 워커스 2007에서 모델링하고, 정역학적 해석은 스트럭추얼 리서치 앤드 어넬러시스 코포레이션에 의해 제조된 (등록 상표) 코스모스 워커스에 의해 수행된다. 폭 10mm, 두께 2mm으로 하고, 3축 제직의 중첩부를 직경 3mm 핀으로 고정하여, 3축 제직의 최소 요소 단위가 모델링되었다. 횡방향으로의 변형량은 0.3%이고, 스트랜드의 탄성률은 400GPa이고, 포아송비는 0.2이다.
전술한 조건 하에 해석된 응력의 결과가 도 9에 도시되어 있다. 횡방향으로 작용되는 변형이 종방향 스트랜드(72C)를 통해 사선으로 정렬된 제1 스트랜드(72A) 및 제2 스트랜드(72B)에도 전달되어, 전체적으로 응력이 균일하게 작용한다.
<시험예 2>
또한, 비교예 1에서 설명된 바와 같이 얻어진 종방향 스트랜드(높이 방향)와 횡방향 스트랜드(원주 방향)의 편평 제직 메쉬체를 포함하는 도가니 보유 지지 부재의 본체부의 원주 방향으로 변형이 작용하는 때에 응력 분포의 상태에 대해서, 시험예 1과 동일한 방식으로 정적 해석이 수행된다. 스트랜드를 폭 10mm, 두께 2mm으로 하고, 3축 제직의 중첩부를 직경 3mm 핀으로 고정하여, 3축 제직의 최소 요소 단위가 모델링되었다. 횡방향으로의 변형량은 0.3%이고, 스트랜드의 탄성률은 400GPa이고, 포아송비는 0.2이다.
전술한 조건 하에 해석된 응력의 결과가 도 10에 도시되어 있다. 횡방향으로 작용되는 변형이 횡방향 스트랜드(82A)에만 작용하고, 종방향 스트랜드(82C)으로 거의 전달되지 않는다. 따라서, 큰 응력(인장)이 횡방향 스트랜드(82A)에 작용하여 쉽게 파단될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 도가니 보유 지지 부재의 메쉬체를 도시한 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 메쉬체의 일부를 도시한 확대 정면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제조 방법의 과정을 도시한 흐름도.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 실시예에 따른 제조 방법의 과정을 도시한 개략도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도가니 보유 지지 부재를 사용하는 실리콘 단결정 풀링업 장치를 도시한 단면도.
도 6a 내지 도 6c는 메쉬체의 이중 구조의 수정예를 도시한 단면도.
도 7은 종방향 스트랜드를 갖지 않는 제직 구조의 수정예의 일부를 도시한 확대 정면도.
도 8은 복수의 사선 스트랜드를 갖는 제직 구조의 수정예의 일부를 도시한 확대 정면도.
도 9는 예 1에 따른 도가니 보유 지지 부재의 응력 분산의 해석 결과를 도시한 도면.
도 10은 비교예 1에 다른 도가니 보유 지지 부재의 응력 분산의 해석 결과를 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 탄소 섬유
13 : 메쉬체
15 : 스트랜드
31 : 실리콘 단결정 풀링업 장치
33 : 실리콘 용융물
35 : 석영 도가니
41 : 잉곳
100 : 도가니 보유 지지 부재

Claims (8)

  1. 사발형의 도가니 보유 지지 부재이며,
    복수의 탄소 섬유로 각각 구성된 복수의 스트랜드를 메쉬체의 축선에 대해 사선으로 정렬되도록 제직하여 형성된 중공의 메쉬체와,
    상기 메쉬체의 탄소 섬유들 사이의 간극에 충전되는 매트릭스를 포함하고,
    상기 메쉬체는, 메쉬체의 축선 방향의 일측이 그 원주부를 경계로 내향 또는 외향으로 뒤집어져서 메쉬체의 타측과 중첩되어 있는 이중의 개구부를 갖는 도가니 보유 지지 부재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 메쉬체는, 상기 축선에 대해 경사진 제1 방향으로 정렬된 복수의 제1 스트랜드와, 상기 축선에 대해 경사진 제2 방향으로 정렬된 복수의 제2 스트랜드를 포함하고,
    상기 제1 방향은 축선에 대해 제2 방향과 반대인, 도가니 보유 지지 부재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 메쉬체는 축선을 따라 정렬된 복수의 종방향 스트랜드를 더 포함하는, 도가니 보유 지지 부재.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 메쉬체는 회전 타원체 형상으로 형성되고, 회전 타원체 형상의 주축의 절반에서 원주부에 내향으로 절첩되어, 메쉬체의 일측이 메쉬체의 타측과 중첩되는, 도가니 보유 지지 부재.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 메쉬체는 축선의 방향으로의 일측의 단부 중 하나 이상이 개방된 원통 형상으로 형성되고, 단부가 내향 또는 외향으로 뒤집어져서 이중 개구부를 형성하는, 도가니 보유 지지 부재.
  6. 제5항에 있어서, 상기 내향 또는 외향으로 뒤집어진 일측의 단부는 접착제로 메쉬체의 타측에 접착되는, 도가니 보유 지지 부재.
  7. 사발형의 도가니 보유 지지 부재 제조 방법이며,
    복수의 탄소 섬유로 각각 구성되는 복수의 스트랜드를 주축에 대해 사선으로 정렬되도록 제직하여, 주축을 갖는 중공 회전 타원체 형상을 갖는 메쉬체를 형성하는 단계와,
    상기 메쉬체의 일측이 타측에 중첩되도록 주축의 절반에서 메쉬체를 원주부를 경계로 내향으로 절첩하는 단계와,
    상기 메쉬체의 탄소 섬유들 사이의 간극에 매트릭스를 충전하는 단계를 포함하는, 도가니 보유 지지 부재 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 스트랜드는 코어의 외면에 제직되어 회전 타원형 형상을 갖는 메쉬체를 형성하고, 그후 코어가 제거되어 메쉬체의 중공을 형성하는, 도가니 보유 지지 부재 제조 방법.
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