KR101154931B1

KR101154931B1 - 석영 유리 도가니 제조 장치

Info

Publication number: KR101154931B1
Application number: KR1020100001670A
Authority: KR
Inventors: 마사노리 후쿠이; 히로시 키시; 마사키 모리카와
Original assignee: 쟈판 스파 쿼츠 가부시키가이샤
Priority date: 2009-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2012-06-13
Also published as: US20100170298A1; US8240169B2; JP2010180123A; JP5415297B2; KR20100082318A

Abstract

(과제) 통전 개시시에 있어서의 아크 발생의 용이화와 그 후의 안정화를 도모한다.
(해결 수단) 석영 유리 도가니 제조 장치(1)는, 아크 방전에 의해 원료분을 가열 용융하는 복수의 탄소 전극(13)을 구비하고, 탄소 전극의 선단부(13a)의 직경(R2)과 기단부(13b)의 직경(R1)과의 비(R2/R1)의 값이 0.6～0.8의 범위로 설정되어 있다. 탄소 전극(13)의 선단에는 축선과 대략 직교하는 평탄면이 형성되어 있다. 탄소 전극(13)은, 선단 위치에 형성되고 기단부측의 직경(R3)에서 선단부의 직경(R2)까지 축경(縮徑)하는 축경부를 갖고, 축경부의 길이를 L1, 선단부의 직경을 R2, 기단부의 직경을 R1, 탄소 전극의 축선끼리가 이루는 각도를 θ1, X=(R1-R2)/2로 할 때, L1-(X/tan(θ1/2))의 값이 50～150mm의 범위가 되도록 설정되어 있다.

Description

석영 유리 도가니 제조 장치 {VITREOUS SILICA CRUCIBLE MANUFACTURING APPARATUS}

본 발명은, 석영 유리 도가니 제조 장치에 관한 것으로, 특히, 아크 방전에 의해 석영분(紛)을 가열 용융하여 유리화하기 위해서 이용되는 탄소 전극에 관한 것이다.

단결정 실리콘의 인상에 이용하는 석영 유리 도가니는 주로 아크 용융법에 의해 제조되고 있다. 이 방법의 개략은, 카본제 몰드의 내표면에 석영분을 일정 두께로 퇴적하여 석영 퇴적층인 석영분 성형체를 형성하고, 이 석영분 성형체의 상방(上方)에 탄소 전극을 설치하여, 그의 아크 방전에 의해 석영 퇴적층을 가열, 유리화하여 석영 유리 도가니를 제조하는 방법이다.

특허문헌 1에는 아크 용융에 의한 석영 유리 도가니의 제조에 관한 기술이 기재되고, 특허문헌 2, 3에는 아크 방전용 전극에 관한 기술이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 4에는 아크 방전용 전극 사이 거리에 관한 기술이 기재되어 있다.

최근, 반도체 디바이스 제조 공정의 효율화 등의 요청으로부터, 제조하는 실리콘 웨이퍼 구경(口徑)이 300mm를 초과하는 정도까지 커지고 있으며, 이에 수반하여 대구경의 단결정 실리콘을 인상 가능한 석영 유리 도가니가 요구되고 있다. 또한, 반도체 디바이스의 미세화 등의 요청으로부터, 단결정 실리콘의 특성에 직접 영향을 주는 석영 유리 도가니 내면 상태 등의 도가니 특성의 향상도 강하게 요구되고 있다.

일본특허공보제3647688호 일본공개특허공보2002-68841호 일본공개특허공보2001-097775호 일본공개특허공보2003-335532호

그러나, 30인치～40인치와 같은 대구경의 석영 유리 도가니를 제조할 때에는, 석영분을 용융하기 위해서 필요한 전력량이 증대하고, 이에 수반하여, 아크 방전 개시시에 발생하는 전극의 진동을 무시할 수 없게 되었다. 아크 방전 개시시에 전극 진동이 발생한 경우, 아크 중을 흐르는 전류가 변화하고, 이 전류 변화가 더욱 전극을 진동시켜, 전극 진동의 진폭이 더욱 커진다. 그 결과, 발생하는 아크가 불안정해지고, 용융하는 석영분 상태에 주는 영향도 무시할 수 없게 된다는 문제가 있다. 또한, 전극 진동이 커진 경우, 진동에 의해 전극으로부터 박리된 미소 조각이 낙하하여 석영 유리 도가니 특성이 악화된다는 문제가 있었다. 또한, 전극 진동의 진폭이 증대한 경우에는 전극이 파손될 가능성이 있다는 문제가 있었다.

전극의 진동을 방지하기 위해서는, 전극을 고강도의 재료로 변경하고, 전극 지름을 확대하는 등, 전극 강도를 늘리는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 석영 유리 도가니의 제조에 이용하는 아크 방전 전극은, 이 전극 자체가 소모되고 그의 조성이 석영분 용융 분위기로 방출되어, 도가니 특성에 영향을 주기 때문에, 탄소 전극 이외의 것은 사용할 수 없다. 또한, 전극 지름을 확대한 경우에는 전력 밀도가 저하되고, 결과적으로 아크 출력이 저하되어 버리기 때문에, 처리 온도가 저하되어, 처리 상태가 불안정해지고 도가니 특성에 악영향을 줄 가능성이 있다. 또한, 이 처리 온도 저하에 의해, 발생하는 흄(fume; 실리카 증기)이 전극의 상부에 부착되고, 이 부착물이 낙하하여 석영 유리 도가니 특성이 악화될 가능성이 있기 때문에, 이러한 수단은 채용할 수 없다. 또한, 이러한 전극 진동에 의한 영향은 도가니 구경의 증대에 수반하는 아크 출력의 증대에 의해 비로소 현재화(顯在化)한 것이다.

본 발명은, 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 이하의 목적을 달성하고자 하는 것이다.

1. 전극 진동의 발생을 방지할 것.

2. 통전 개시시에 있어서의 아크 발생의 용이화와 그 후의 안정화를 도모할 것.

3. 도가니 특성의 악화를 방지하고, 그 향상을 도모할 것.

4. 대출력 아크 용융에 대응 가능한 탄소 전극을 제공할 것.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 석영 유리 도가니 제조 장치는, 아크 방전에 의해 원료분을 가열 용융하는 복수의 탄소 전극을 구비하고, 상기 탄소 전극의 선단부(先端部)의 직경(R2)과 기단부(基端部)의 직경(R1)과의 비(R2/R1)의 값이 0.6～0.8의 범위로 설정되어 진다.

본 발명에 있어서, 상기 탄소 전극의 선단에는 축선과 대략 직교하는 평탄면이 형성되어 있는 것이 보다 바람직하다.

본 발명은, 상기 탄소 전극의 선단 위치에 형성되고 기단부측의 직경(R3)에서 상기 선단부의 직경(R2)까지 축경(縮徑)하는 축경부의 길이(L1), 상기 선단부의 직경(R2), 상기 기단부의 직경(R1), 상기 탄소 전극의 축선끼리가 이루는 각도(θ1), X=(R1-R2)/2로 했을 때, L1-(X/tan(θ1/2))의 값이, 50～150mm의 범위가 되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 축경부의 기단부측의 직경(R3)과 상기 탄소 전극의 기단부의 직경(R1)과의 비(R3/R1)의 값이 0.8～1의 범위로 설정되어 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 축경부의 측주면(側周面)이 상기 평탄면과 이루는 각도(α), 상기 축경부에 있어서의 길이(L1), 상기 선단부의 직경(R2), 상기 기단부의 직경(R1), X=(R1-R2)/2로 했을 때,

tan(90-α)=X/(L1-50)～X/(L1-150)

의 관계를 충족시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서는, 상기 탄소 전극의 축선끼리가 이루는 각도인 θ1의 2분의 1이 5°～20°의 범위가 되고, 그리고, 상기 축경부의 측주면이 상기 평탄면과 이루는 각도(α)에 대하여, θ1＞2×(90-α)의 관계를 충족시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 석영 유리 도가니 제조 장치는, 아크 방전에 의해 원료분을 가열 용융하는 복수의 탄소 전극을 구비한 석영 유리 도가니 제조 장치에 있어서, 상기 탄소 전극의 선단부의 직경(R2)과 기단부의 직경(R1)과의 비(R2/R1)의 값이 0.6～0.8의 범위로 설정되어 있으며, 아크 방전이라는 매우 극렬한 환경에서 전극 강도를 유지하기 위해서 필요한 전극 직경(R1)과, 안정된 아크 방전을 얻기 위해서 매우 적합한 전력 밀도를 얻는데 필요한 선단부의 직경(R2)을 갖고 있다. 그 때문에, 통전 개시시에 있어서의 전극 진동을 방지함과 아울러 방전 중에 안정된 아크 발생을 유지하여 석영 유리 도가니 제조에 필요한 열원(熱源)을 제공할 수 있다.

여기에서, 탄소 전극의 형상으로서는, 거의 원기둥 형상이 되고, 선단부만이 직경(R1)으로부터 직경(R2)으로 축경하고 있는 것, 선단부만이 직경(R1)보다도 작은 균일 직경으로 되거나, 선단부만이 직경(R1)보다도 작고 직경(R2)보다도 큰 직경으로부터 축경하여 선단부만이 가늘어지도록 단(段)이 형성된 것, 그의 전장(全長)에 걸쳐서 직경이 직경(R1)으로부터 직경(R2)으로 축경하는 것 등을 바람직하게 이용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 탄소 전극의 선단에는 축선과 대략 직교하는 평탄면이 형성되어 있기 때문에, 평탄면의 외주부로부터의 아크 발생을 용이하게 함과 아울러 아크 방전을 안정되게 발생시키는 것이 가능해진다. 이에 따라, 제조하는 석영 유리 도가니의 특성(품질)을 향상하는 것이 가능해지며, 반도체 단결정 인상에 이용하여 매우 적합한 석영 유리 도가니를 제공하는 것이 가능해진다.

본 발명에 있어서, 도가니 특성이란, 도가니 내표면에 있어서의 유리화 상태 및, 두께 방향에 있어서의 기포 분포 및 기포의 크기, OH기의 함유량, 알칼리 금속류, 알칼리 토류 금속류, 중금속류 등의 불순물 함유량 및, 이들 도가니 높이 방향에 있어서의 불균일 등의 분포 상태 등, 석영 유리 도가니에서 인상한 단결정 실리콘의 특성에 영향을 주는 요인을 의미하는 것이다.

본 발명은, 상기 탄소 전극의 선단 위치에 형성되고 기단부측의 직경(R3)에서 상기 선단부의 직경(R2)까지 축경하는 축경부에 있어서의 길이 L1, 상기 선단부의 직경 R2, 상기 기단부의 직경 R1, 상기 탄소 전극의 축선끼리가 이루는 각도 θ1, X=(R1-R2)/2로 했을 때, L1-(X/tan(θ1/2))의 값이, 50～150mm의 범위가 되도록 설정되어 있다. 그 때문에, 어느 하나의 탄소 전극을 다른 탄소 전극에 접촉시킨 경우에 1개소만에서 접촉하는 형상으로 할 수 있다. 바꿔 말하면, 전력 공급 개시로부터 아크 방전 중에 있어서, 하나의 탄소 전극과 다른 하나의 탄소 전극과의 최근접 거리를 갖는 부분이, 일점, 또는, 하나의 선 형상 부분, 혹은 하나의 면 형상이 되는 1개소만이 되도록 지름 치수(R3, R2)의 값이 설정됨으로써, 이 최근접 거리가 되는 부분에 있어서 아크 방전을 발생시킬 수 있으며, 아크 발생을 용이하게 함과 아울러 아크 방전을 안정되게 발생시키는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 축경부의 기단부측의 직경(R3)과 상기 탄소 전극의 기단부의 직경(R1)과의 비(R3/R1)의 값이 0.8～1의 범위로 설정됨으로써, 최근접 거리를 갖는 부분이 1개소가 되어, 불평등 전계에 의해 전극의 선단부 이외로부터 방전하는 것을 방지하여 보다 안정된 아크 발생을 얻을 수 있다.

또한, 상기 축경부의 측주면이 상기 평탄면과 이루는 각도 α와, 상기 축경부에 있어서의 길이 L1과, 상기 선단부의 직경 R2와 상기 기단부의 직경 R1이, X=(R1-R2)/2로 했을 때,

tan(90-α)=X/(L1-50)～X/(L1-150)

의 관계를 충족시키도록 설정됨으로써, 불평등 전계에 의해 전극의 선단부 이외로부터 방전하는 것을 방지하여 보다 안정된 아크를 발생할 수 있다.

본 발명에 있어서는, 상기 탄소 전극의 축선끼리가 이루는 각도인 θ1의 2분의 1이 5°～20°의 범위가 되고, 그리고, 상기 축경부의 측주면이 상기 평탄면과 이루는 각도(α)에 대하여, θ1＞2×(90-α)의 관계를 충족시키도록 설정됨으로써, 다른 탄소 전극에 접촉시킨 경우에 1개소만에서 접촉하는 형상, 또는, 전력 공급 개시로부터 아크 방전 중에 있어서는 다른 하나의 탄소 전극과의 최근접 거리를 갖는 부분이, 일점, 또는, 하나의 선 형상 부분, 혹은 하나의 면 형상이 되는 1개소만이 되도록 하여, 이 최근접 거리가 되는 부분에 있어서 아크 방전을 행하여, 전극 진동을 방지함과 아울러, 아크 발생을 용이하게, 그리고 아크 방전을 안정되게 발생시키는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명의 석영 유리 도가니 제조 장치에 있어서는, 소위 용사법(溶射法)이라고 칭해지는 아크 방전 중에 석영분을 추가하는 제조 방법 및, 회전 몰드법이라고 칭해져 아크 방전 중에 석영분을 추가하지 않는 제조 방법 중 어느 하나의 방법으로도 적응하는 것이 가능하다.

본 발명에 의하면, 전극 진동을 방지함과 아울러, 아크 발생을 용이하게 그리고 아크 방전을 안정되게 발생시키는 것이 가능해지기 때문에, 구경 사이즈가 증대한 대구경 도가니라도, 발생시킨 아크 화염에 의해 용융한 석영 유리 도가니 내표면에 있어서의 특성의 면내 불균일, 혹은, 도가니 표면 특성의 악화를 방지할 수 있다는 효과를 가져오는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명에 따른 석영 유리 도가니 제조 장치의 일 실시 형태를 나타내는 모식(schematic) 정면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 석영 유리 도가니 제조 장치의 일 실시 형태에 있어서의 탄소 전극을 나타내는 모식도이다.
도 3은 도 2에 있어서의 탄소 전극의 선단 부분의 확대도이다.
도 4는 본 발명에 따른 석영 유리 도가니 제조 장치의 일 실시 형태에 있어서의 탄소 전극의 위치를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 석영 유리 도가니 제조 장치의 일 실시 형태에 있어서의 접촉 상태의 탄소 전극의 선단 부분을 나타내는 확대 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 석영 유리 도가니 제조 장치의 탄소 전극의 선단 부분을 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 석영 유리 도가니 제조 장치의 탄소 전극의 선단 부분을 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 석영 유리 도가니 제조 장치의 탄소 전극을 나타내는 모식도이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 본 발명에 따른 석영 유리 도가니 제조 장치의 일 실시 형태를, 도면에 기초하여 설명한다.

도 1은 본 실시 형태에 있어서의 석영 유리 도가니 제조 장치의 일부를 나타내는 모식(schematic) 정면도로서, 도 1에 있어서, 부호(1)는 아크 방전 장치를 포함하는 석영 유리 도가니 제조 장치이다.

본 실시 형태의 석영 유리 도가니 제조 장치(1)는, 24인치 이상, 특히 32～50인치 정도의 구경을 갖는 석영 유리 도가니의 제조에 이용되지만, 비(非)도전체를 아크 용융하기 위한 장치라면, 피(被)용융물 종류, 도가니 구경, 장치 출력 및, 열원으로서의 용도는 한정되는 것은 아니며, 이 구성에 한해지는 것은 아니다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 석영 유리 도가니 제조 장치(1)는, 석영 유리 도가니의 외형을 규정하는 몰드(10)를 갖고, 몰드(10)는 도시하지 않은 회전 수단에 의해 회전 가능해지며, 회전하는 몰드(10)의 내부에 원료분(석영분)이 소정 두께로 충전되어 석영분 성형체(11)가 된다. 이 몰드(10)의 내부에는, 그의 내표면까지 관통함과 아울러, 타단(他端)이 도시하지 않은 감압 수단에 접속된 통기공(12)이 복수 형성되어, 석영분 성형체(11) 내부를 감압 가능하게 되어 있다. 몰드(10)의 상측에는 도시하지 않은 전력 공급 수단에 접속된 아크 가열용 탄소 전극(13, 13, 13)이 형성되어, 석영분 성형체(11)를 가열 가능하게 되어 있다. 3개의 탄소 전극(13, 13, 13)은, 전극 위치 설정 수단(20)에 의해, 도면 중 화살표(T)로 나타내는 상하 방향의 위치 및 화살표(T2)로 나타내는 전극 사이 거리(D)를 설정 가능하게 되어 있다.

여기에서, 석영분이란, 석영에 한하지 않고, 이산화규소(실리카)를 포함하는, 수정, 규사 등, 석영 유리 도가니의 원재료로서 주지의 재료의 분체도 포함하는 것으로 하여 결정 상태, 어모퍼스(amorphous), 유리 상태인 것을 모두 포함하고, 그의 내부 구조는 석영만으로 한정되지 않는 것으로 한다.

석영 유리 도가니 제조장치(1)는, 300kVA～12,000kVA의 출력 범위에서, 복수의 탄소 전극(13, 13, 13)에 의한 아크 방전에 의해 비도전성 대상물(석영분)을 가열 용융하는 고출력의 장치이다.

전극 위치 설정 수단(20)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 탄소 전극(13, 13, 13)을, 그의 전극 사이 거리(D)를 설정 가능하게 하여 지지하는 지지부(21)와, 이 지지부(21)를 수평 방향으로 이동 가능하게 하는 수평 이동 수단과, 복수의 지지부(21) 및 그의 수평 이동 수단을 일체로 하여 상하 방향으로 이동 가능하게 하는 상하 이동 수단을 갖는 것으로 되고, 지지부(21)에 있어서는, 탄소 전극(13)이 각도 설정축(22) 둘레로 회전 운동 가능하게 지지되며, 각도 설정축(22)의 회전 각도를 제어하는 회전 수단을 갖고 있다. 탄소 전극(13, 13)의 전극 사이 거리(D)를 조절하려면, 도 1의 화살표(T3)로 나타내는 바와 같이 회전 수단에 의해 탄소 전극(13)의 각도를 제어함과 아울러, 수평 이동 수단에 의해 지지부(21)의 수평 위치를 제어한다. 또한, 상하 이동 수단에 의해 지지부(21)의 높이 위치를 제어하여 전극의 선단부(13a)의 석영분 성형체(11) 상단 위치(몰드 개구 상단 위치)에 대한 높이 위치(H)를 제어하는 것이 가능해진다.

또한, 도 1에서는 좌단(左端)의 탄소 전극(13)을 지지하는 지지부(21)만을 나타내고 있지만, 다른 탄소 전극(13)도 동일한 구성에 의해 지지되어 있어, 각각의 탄소 전극(13)의 높이도 개별로 제어 가능하게 할 수 있다.

도 2는 본 실시 형태에 있어서의 석영 유리 도가니 제조 장치(1)의 탄소 전극(13)을 나타내는 모식도(schematic diagram), 도 3은 도 2에 나타낸 탄소 전극(13)의 선단 부분의 확대도이다.

본 실시 형태의 탄소 전극(13)은 대략 원기둥 봉 형상체로서, 기단부(13b)측이 대략 균일 직경(R1)이 되고, 이 기단부(13b)의 직경(R1)과 선단부(13a)의 직경(R2)과의 비(R2/R1)의 값이 0.6～0.8의 범위로 설정되어 지며, 선단부(13a)에 탄소 전극(13)의 축선(13L)과 대략 직교하는 평탄면(13d)이 형성됨과 아울러, 이 선단부(13a)에 축경부(13c)가 형성되어, 선단부(13a)의 직경(R2＜R1)이 된다.

본 실시 형태에 있어서 축경부(13c)는 대략 원추대 형상으로, 기단부(13b)측의 직경(R3)에서 선단부(13a)의 직경(R2)까지 서서히 축경함과 아울러, 이 축경부(13c)의 길이 L1이, 기단부(13b)의 직경 R1과, 선단부(13a)의 직경 R2와, 상기 탄소 전극(13)의 축선(13L)끼리가 이루는 각도인 θ1에 대하여, X=(R1-R2)/2로 했을 때 L1-(X/(tanθ1/2))의 값이, 50～150mm의 범위, 바람직하게는 50～100mm의 범위로 설정되어 있다. 축경부(13c)는, 그 기단부측의 직경(R3)과 상기 탄소 전극의 기단부의 직경(R1)과의 비(R3/R1)의 값이 0.8～1의 범위로 설정된다.

본 실시 형태에 있어서는, 축경부(13c)의 기단부측의 직경(R3)이 기단부(13b)의 직경(R1)과 동일한 상태로 되어 있다.

또한, 축경부(13c)의 측주면(13e)이 평탄면(13d)과 이루는 각도 α, 축경부(13c)의 길이 L1, 기단부(13b)의 직경 R1, 선단부(13a)의 직경 R2, X=(R1-R2)/2로 했을 때, 이들의 값은,

tan(90°-α)=X/(L1-50)～X/(L1-150)

의 관계를 충족시키도록 설정되어 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는 기단부측의 측주면(13m)이 상기 평탄면(13d)과 이루는 각도(β)가 90°로 설정되어 있다.

도 4는 본 실시 형태에 있어서의 석영 유리 도가니 제조 장치의 탄소 전극 위치를 나타내는 모식도이다.

탄소 전극(13, 13, 13)은, 예를 들면, 3상 교류(R상, S상, T상)의 아크 방전을 행하도록 동일 형상의 전극 봉이 되고, 도 1, 도 4에 나타내는 바와 같이, 하방에 꼭지점을 갖는 역삼각추 형상이 됨과 아울러, 각각 전극 봉의 축선(13L)끼리가 각도(θ1)를 이루도록 형성되어 있다.

도 5는 본 실시 형태에 있어서의 석영 유리 도가니 제조 장치에 있어서 접촉 상태의 탄소 전극(13)의 선단 부분을 나타내는 확대 모식도이다. 또한, 각 탄소 전극(13)의 접촉 상태는, 전극 위치 설정 수단(20)의 수평 이동 수단에 의해 지지부(21)를 수평으로 이동시켜, 전극 사이 거리(D)를 제로로 함으로써 얻어지는 것이다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 탄소 전극(13)은, 전력 공급 개시시에 있어서 탄소 전극(13)끼리가 접촉한 경우에, 측주면(13e)이 탄소 전극(13)의 축선(13L)과 이루는 각도(θ2)는, 그 접촉 위치가 축경부(13c)의 범위 내에 위치하도록 설정되어, 바람직하게는 θ1＞2×θ2가 되지만, 예를 들면, 이 각도가 θ1=2×θ2가 되어 접촉 위치가, 원추대가 되는 축경부(13c)와 균일 지름 부분과의 경계 부근까지 위치하고 있는 경우라도, 접촉 위치가 축경부(13c)의 범위 내에 위치하는 것이 가능한 범위이면 이에 한정되지 않는다. 또한, θ2=90°-α이다.

축경부(13c)의 길이(L1)는, 선단부(13a)에서 접촉 위치까지의 거리(L2)에 대하여 L2＜L1이 됨과 아울러, 선단부(13a)에서 접촉 위치까지의 거리(L2)는, 탄소 전극(13)의 직경(R1)에 대하여 비(L2/R1)가 0～0.9의 범위가 되도록 설정된다. 물론, 이들 L1 및 L2는, 탄소 전극(13)의 축선(13L)끼리의 각도(θ1) 및 측주면(13e)이 탄소 전극(13)의 축선(13L)과 이루는 각도(θ2)에 의존하기 때문에, 상기의 조건을 충족시키도록, 이들 범위가 설정되게 된다.

탄소 전극(13)은, 균일 지름 부분인 기단부(13b)에 있어서의 직경(R1)과 아크 방전 단위 시간(1분)당 소모되는 길이(LL)와의 비(LL/R1)가 0.02～0.6의 범위가 되도록 설정되어 있다. 탄소 전극(13)의 직경(R1)은, 아크 방전의 출력과, 석영 유리 도가니의 구경(크기)에 의해 규정되는 용융해야 하는 원료분의 양과, 용융 처리의 온도 등의 조건과, 필요한 아크 방전 지속 시간과, 필요한 전극 강도로부터 결정되지만, 이에 더하여, 전극 진동 발생 방지의 관점에서, 탄소 전극(13)의 직경(R1)을 규정하는 것이다. 구체적으로, 32인치의 석영 유리 도가니의 제조에 있어서는, 60분에서 120mm 정도, 즉, 1분당 2mm 정도이며, 이때의 탄소 전극(13)의 직경(R1)은, Ф20～120mm가 된다.

탄소 전극(13)은, 입자경 0.3mm 이하, 바람직하게는 0.1mm 이하, 더욱 바람직하게는 0.05mm 이하의 고순도 탄소 입자에 의해 형성되어, 그의 밀도가 1.30～1.80g/㎤, 혹은 1.30～1.70g/㎤일 때, 전극 각 상(相)에 배치한 탄소 전극 상호의 밀도차가 0.2g/㎤ 이하가 될 수 있고, 이와 같이 높은 균질성을 갖고 있음으로써, 발생한 아크가 안정되며, 탄소 전극(13)의 국부적인 결락을 방지할 수 있다.

탄소 전극(13)은, 입자가 코크스 등의 원료, 예를 들면 석탄계 피치 코크스 및, 콜타르 피치 등의 결합재, 예를 들면 석탄계 콜타르 피치를 탄화한 혼련물을 이용하여, 압출 성형이나 CIP 성형에 의해 형성할 수 있다. 탄소 전극(13)은 전체적으로 원기둥 형상으로, 선단부가 앞이 가늘어지는 형상으로 형성된다. 예를 들면 압출 성형에 의한 카본 전극의 제조 방법에서는, 목적으로 하는 입자경이 얻어지도록 조정된 카본질 원료와 결합재를 가열 혼련하고, 가열 혼련하여 얻어지는 혼련물을 130～200℃에서 압출하여 성형하고, 이를 소성 후 2600～3100℃에서 흑연화한 흑연 재료를 얻고, 이를 가공한 후, 2000℃ 이상의 가열하에서 염소 등의 할로겐계 가스에 의해 순화 처리하는 수단을 채용할 수 있다. CIP 성형에 의한 카본 전극의 제조 방법에서는, 목적으로 하는 입자경이 얻어지도록 조정된 카본질 원료와 결합재를 가열 혼련하고, 얻어지는 혼련물을 분쇄하고, 걸러 나누어, 얻어진 2차 입자를 CIP 성형하고, 이를 소성 후, 2600～3100℃에서 흑연화하여 흑연 재료를 얻고, 이를 가공한 후, 2000℃ 이상의 가열하에서 염소 등의 할로겐계 가스에 의해 순화 처리하는 수단을 채용할 수 있다.

그리고, 탄소 전극(13)의 선단부 부근은, 상기 형상이 되도록 연삭 등에 의해 정형(整形) 처리된다.

본 실시 형태의 석영 유리 도가니 제조 장치(1)는, 석영 유리 도가니 제조시에 아크 방전을 행할 때, 각 탄소 전극(13)끼리가 각도(θ1)를 유지한 채 전극의 선단의 거리를 최적 위치로 제어하여, 각 탄소 전극(13)의 전력 밀도가 40～1,700kVA/㎠, 보다 바람직하게는 40～450kVA/㎠가 되도록 전력 공급을 행한다.

구체적으로는, 직경(R2)으로 설정된 탄소 전극(13)에 대하여, 300～12,000kVA의 전력을 공급한다. 전력 밀도가 상기의 범위 이하이면 안정된 아크를 지속할 수 없지만, 이 범위이면, 전극 진동의 증대 원인이 되는 로렌츠(Lorentz)력을 허용 범위 내로 수용하는 것이 가능해지기 때문에, 발생한 전극 진동을 진정시키는 것이 가능해진다.

여기에서, 전력 밀도란, 탄소 전극(13)에 있어서, 전극 중심축(13L)에 직교하는 전극 단면의 단위 단면적당 공급되는 전력량을 의미한다. 구체적으로는, 전극의 선단부(13a)로부터 축방향 길이 15～25mm 정도, 바람직하게는 20mm의 위치에 있어서 전극 중심축(13L)에 직교하는 전극의 단면적에 대한 1개의 전극에 공급하는 전력의 비

공급 전력량(kVA)/전극 단면적(㎠)

으로 나타난다.

본 실시 형태의 석영 유리 도가니 제조 장치(1)에 의하면, 전술한 바와 같이 탄소 전극(13)의 형상을 설정하고, 동시에, 전력 공급시 및 아크 발생시의 전극 위치를 설정함으로써, 평탄면(13d)의 외주부(13da) 위치에 있어서 탄소 전극(13)끼리의 전극간 거리를 최단으로 하여, 선단부(13a) 이외에서의 방전 발생과 전극 진동 발생을 동시에 방지함과 아울러, 아크 발생에 최적의 전류 밀도를 실현하여 아크 발생을 용이하게 하고, 그리고, 아크 방전을 안정되게 발생시키는 것이 가능해진다. 이와 같이 안정된 아크를 실현할 수 있음으로써, 피용융물인 도가니 내표면에 탄소 전극(13)으로부터의 미소 조각이 낙하하여 내부에 취입되는 것을 방지할 수도 있다.

본 실시 형태의 석영 유리 도가니 제조 장치(1)에 의하면, 탄소 전극(13)의 형상을 설정함으로써, 전력 밀도를 최적의 범위로 할 수 있기 때문에, 아크 방전의 출력과, 석영 유리 도가니의 구경(크기)에 의해 규정되는 용융해야 하는 원료분의 양과, 용융 처리의 온도 등의 조건과, 필요한 아크 방전 지속 시간과, 필요한 전극 강도와, 전극 진동 발생 방지의 조건을 동시에 충족시켜, 아크 용융에 필요한 열량을 석영분 성형체(11) 용융에 공급할 수 있는 아크 화염이 발생할 수 있음과 아울러, 동시에, 전극 진동을 방지할 수 있다는 효과를 실현하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 축경부(13c)의 기단부측의 직경(R3)이 균일 직경(R1)과 동일하고, 축경부(13c)가 원추대 형상인 것을 나타냈지만, 다음과 같은 구성도 가능하다.

도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 석영 유리 도가니 제조 장치의 탄소 전극의 선단 부분을 나타내는 모식도이다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 다른 실시 형태로서의 탄소 전극(13A)은, 직경이 R3＜R1이 되고, 그리고, 축경부(13c)는 원추대 형상이 된다. 즉, 기단부(13b)측의 균일 지름 부분과 축경부(13c)가 단을 형성하도록 하는 것도 가능하다. 이 경우, 각도(α), 각도(β)는 각각, 전술한 조건을 충족시키도록 설정할 수 있다. 또한, 평탄면(13d)의 외주부(13da)와 단부(段部)를 형성하는 균일 지름 부분의 단부(端部) 외주부(13ba)를 연결한 면(13L2)과, 전극 축선(13L)과의 이루는 각도(θ3)가, 상기의 α 또는 θ2와 동일하게 설정될 수도 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 석영 유리 도가니 제조 장치의 탄소 전극의 선단 부분을 나타내는 모식도이다.

또한, 본 발명의 탄소 전극으로서는, 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 탄소 전극(13B)의 기부(基部)로부터 선단부(13a)로 연속적으로 축경하고, 기부의 직경(R1)에 대하여 선단부(13a)의 직경(R2)이 작게 설정되어 있으며, 그의 전장(全長)에 걸치는 측면(13f)이 원추대로 되어 있는 것이 가능하다. 또한, 전술한 도 2, 도 3에 나타낸 것에 대하여 선단부(13a)의 각진 부분을 둥글게 가공함으로써, 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 탄소 전극(13C)의 선단부(13a)에 있어서의 접촉 부분이, 그의 기부가 균일 지름부에 연속하는 원추대의 측주면(13h)이 됨과 아울러, 이 원추대로부터 선단부(13a)측이, 이 원추대와 매끄럽게 연속하고, 그리고, 탄소 전극(13)의 축선(13L)을 따른 단면 윤곽에 있어서 곡률 불연속점이 존재하지 않는 곡선, 예를 들면 타원호, 혹은 원호로 되는 형상으로 되어 있는 것이 가능하다. 이들 중 평탄면(13d)의 외주부를 명확하게 갖지 않는 것에 관해서는, 전극 사이 거리가 최단이 되는 부분이, 도 2, 도 3에 나타낸 평탄면(13d)의 외주부(13da)에 대응하도록, 1개소가 되도록 설정할 수 있다.

또한, 본 발명의 탄소 전극으로서는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 아크 방전을 행하는 선단부(13a)를 갖는 봉 형상의 전극(13E1)과, 이 전극(13E1)에 접속되는 복수의 전극(13E2, 13E2)에 의해 형성되는 연결 구조의 탄소 전극(13E)을 이용하는 것도 가능하다. 이때, 전극(13E1)의 선단부(13a)는, 전술한 바와 같이 그 선단 형상이 설정됨과 아울러, 전극(13E1)의 기부의 직경과, 전극(13E2) 외형의 직경은 모두 R1로서 동일하게 설정된다.

탄소 전극(13E)에는, 그의 기단측이 되는 전극(13E1)의 일단(도시 우단)에 암 나사부(13Ea)가 형성되어 있으며, 타단(도시 좌단)에는 축경부가 형성되어 있다. 전극(13E2)의 양단에는 각각 암 나사부(13Ea)와 수 나사부(13Eb)가 형성되어 있으며, 전극(13E1)과 전극(13E2)은 이 암 나사부(13Ea)와 수 나사부(13Eb)에서 연결하여 덧붙이도록 형성되어 있다.

(실시예)

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.

<실시예 1>

본 발명의 석영 유리 도가니 제조 장치를 이용하여, 표 1에 나타내는 R2가 각각 다른 조건에서 아크 방전을 행하여 석영 유리 도가니를 제조하고, 진동 발생의 유무, 전극으로의 흄 부착 유무를 육안으로 판단하여 비교했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 여기에서, 판정이란, 석영 유리 도가니의 제조에 가장 바람직한 아크의 안정 정도인 것을 ◎로 하고, 바람직한 것을 ○로 하며, 바람직하지 않은 것을 ×로 했다.

도가니 구경 ; 32인치

출력 ; 3,000kVA

처리 시간 ; 30분

전극 형상 ; 선단 원추대

θ1/2 ; 10°

θ2 ; 4°

탄소 전극 직경(R1) ; 50mm

탄소 전극에 있어서의 전력 밀도(P/R2) ; 153～611kVA/㎠

	실험예 1	실험예 2	실험예 3	실험예 4	실험예 5	실험예 6	실험예 7
θ1/2 [°]	10
L1 [mm]	120
R1 [mm]	50
R2 [mm]	40	35	30	43	50	28	25
R2/R1	0.80	0.70	0.60	0.86	1.00	0.56	0.50
P/R2 [kVA/㎠]	239	312	425	207	153	487	611
진동	무	무	무	무	무	유	유
흄 부착	무	무	무	유	유	무	무
판정	○	○	○	×	×	×	×

상기의 결과로부터, R2/R1＜0.6에서는, 아크 방전 개시시에 진동이 발생하여, 아크가 불안정한 것을 알 수 있었다. 또한, R2/R1＞0.8에서는, 아크 방전은 안정되지만, 실리카 흄이 부착되기 쉽기 때문에, 부적합한 것을 알 수 있었다.

<실시예 2>

R2를 30mm의 일정치로 하고, L1을 변화시킨 점 이외는 상기의 실시예 1과 동일한 조건에서 아크 방전을 행하여 석영 유리 도가니를 제조하고, 진동 발생의 유무, 전극으로의 흄 부착 유무를 육안으로 판단하여 비교했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

	실험예 8	실험예 9	실험예 10	실험예 11	실험예 12	실험예 13	실험예 14
θ1/2 [°]	10
R1=R3 [mm]	50
R2 [mm]	30
L1 [mm]	200	150	120	105	55	30	100
L1-X/ tan(θ1/2) [mm]	145	95	65	50	0	-25	45
진동	무	무	무	약간 있음	유	유	유
흄 부착	무	무	무	무	무	무	무
판정	◎	◎	◎	○	×	×	×

상기의 결과로부터, L1-X/tan(θ1/2)가 50mm 이상이면, 안정된 아크를 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다. 단, L1-X/tan(θ1/2)를 너무 크게 해도, 전극 가공 제조 비용의 관점에서 바람직하지 않기 때문에, L1-X/tan(θ1/2)＜150mm 정도가 양호하다.

<실시예 3>

R2를 30mm의 일정치로 하고, R3을 변화시킨 점 이외는 상기의 실시예 1과 동일한 조건에서 아크 방전을 행하여 석영 유리 도가니를 제조하고, 진동 발생의 유무, 전극으로의 흄 부착 유무를 육안으로 판단하여 비교했다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

	실험예 15	실험예 16	실험예 17	실험예 18	실험예 19	실험예 20
θ1/2 [°]	10
L1 [mm]	120
R1 [mm]	50
R2 [mm]	30
R3 [mm]	50	45	43	40	38	35
R3/R1 [-]	1.00	0.90	0.86	0.80	0.76	0.70
진동	약	무	무	약간 있음	유	유
흄 부착	무	무	무	무	무	무
판정	◎	◎	◎	○	×	×

상기의 결과로부터, R3/R1＜0.8에서는, 진동이 발생하기 때문에 아크가 불안정해지는 것을 알 수 있었다.

<실시예 4>

R2를 30mm의 일정치로 하고, θ1을 변화시킨 점 이외는 상기의 실시예 1과 동일한 조건 그리고 전극 선단각(θ=4°)에서 아크 방전을 행하여 석영 유리 도가니를 제조하고, 진동 발생의 유무, 전극으로의 흄 부착 유무를 육안으로 판단하여 비교했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.

	실험예 21	실험예 22	실험예 23	실험예 24	실험예 25	실험예 26
L1 [mm]	120
R1 [mm]	50
R2 [mm]	30
θ1/2 [°]	5	10	15	20	4	25
진동	약	무	무	무	유	무
흄 부착	무	무	무	약간 있음	무	유
판정	○	◎	◎	○	×	×

상기의 결과로부터, θ1/2가 5° 이하의 경우, 전극의 선단부 이외로부터도 아크가 튀기 때문에, 진동이 발생해 버려, 바람직하지 않은 것을 알 수 있었다. θ1/2가 20°를 초과하는 경우, 전극에 흄이 부착되기 쉽기 때문에, 바람직하지 않은 것을 알 수 있었다.

R2=R1의 조건에서는, 아크가 여러 곳에서 튀기 때문에 문제점이 있으며, 또한, R2＜0.6R1의 조건에서는, 전극이 너무 가늘어서 진동이 일어나기 때문에 바람직하지 않다. 본질적으로는, 0.7R1 이하의 영역을 50～100mm로 하는 것이 중요한 것을 알 수 있었다.

1 : 석영 유리 도가니 제조 장치
10 : 몰드
11 : 석영분 성형체
12 : 통기공
13 : 탄소 전극
13A, 13B, 13C : 탄소 전극
13E : 탄소 전극
13E1 : 탄소 전극
13E2 : 탄소 전극
13Ea : 암 나사부
13Eb : 수 나사부
13L : 축선
13L2 : 면
13a : 탄소 전극의 선단부
13b : 탄소 전극의 기단부
13ba : 단부(端部) 외주부
13c : 탄소 전극의 축경부
13d : 평탄면
13da : 외주부
13e : 측주면
13f : 측면
13h : 측주면
13m : 측주면
20 : 전극 위치 설정 수단
21 : 지지부
22 : 각도 설정축
D : 전극 사이 거리
R1 : 탄소 전극의 기단부의 직경
R2 : 탄소 전극의 선단부의 직경
R3 : 축경부의 기단부측의 직경
α, β : 각도
θ1, θ2, θ3 : 각도

Claims

아크 방전에 의해 원료분(紛)을 가열 용융하는 복수의 탄소 전극을 구비한 석영 유리 도가니 제조 장치에 있어서,
상기 탄소 전극의 선단부의 직경(R2)과 기단부의 직경(R1)과의 비(R2/R1)의 값이 0.6～0.8의 범위로 설정되어 지는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제1항에 있어서,
상기 탄소 전극의 선단에는 축선과 직교하는 평탄면이 형성되어 지는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제2항에 있어서,
상기 탄소 전극은, 선단 위치에 형성되고 기단부측의 직경(R3)에서 상기 선단부의 직경(R2)까지 축경(縮徑)하는 축경부를 갖고, 상기 축경부의 길이 L1과, 상기 선단부의 직경 R2와 상기 기단부의 직경 R1이, 상기 탄소 전극의 축선끼리가 이루는 각도를 θ1, X=(R1-R2)/2로 했을 때, L1-(X/tan(θ1/2))의 값이 50～150mm의 범위가 되도록 설정되어 지는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제3항에 있어서,
상기 축경부의 기단부측의 직경(R3)과 상기 탄소 전극의 기단부의 직경(R1)과의 비(R3/R1)의 값이 0.8～1의 범위로 설정되어 지는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 축경부의 측주면이 상기 평탄면과 이루는 각도 α와, 상기 축경부에 있어서의 길이 L1과, 상기 선단부의 직경 R2와 상기 기단부의 직경 R1이, X=(R1-R2)/2로 했을 때,
tan(90-α)=X/(L1-50)～X/(L1-150)
의 관계를 충족시키도록 설정되어 지는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제5항에 있어서,
상기 탄소 전극의 축선끼리가 이루는 각도인 θ1의 2분의 1이 5°～20°의 범위가 되고, 그리고, 상기 축경부의 측주면이 상기 평탄면과 이루는 각도 α에 대하여, θ1＞2×(90-α)의 관계를 충족시키도록 설정되어 지는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제1항에 있어서,
석영 유리 도가니의 외형을 규정하는 몰드와,
상기 탄소 전극의 위치를 설정하는 전극 위치 설정 수단을 구비하고,
상기 탄소 전극은, 상기 몰드의 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제7항에 있어서,
상기 전극 위치 설정 수단은, 상기 탄소 전극의 전극 사이 거리를 설정 가능하게 하여 지지하는 지지부를 갖는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제8항에 있어서,
상기 지지부는, 탄소 전극을 회전 운동 가능하게 지지하는 각도 설정축과, 상기 탄소 전극의 회전 각도를 제어하는 회전 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제8항에 있어서,
상기 전극 위치 설정 수단은, 상기 지지부를 수평 방향으로 이동 가능하게 하는 수평 이동 수단과, 복수의 지지부 및 상기 수평 이동 수단을 일체로 하여 상하 방향으로 이동 가능하게 하는 상하 이동 수단을 추가로 갖는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 탄소 전극은, 하방에 꼭지점을 갖는 역삼각추 형상으로 배치된 3개의 탄소 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제11항에 있어서,
상기 탄소 전극의 축선끼리가 이루는 각도(θ1)의 2분의 1이 5°～20°의 범위로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제12항에 있어서,
상기 탄소 전극은, 선단에 형성된 축선과 직교하는 평탄면과, 선단 위치에 형성되고 기단부측의 직경 R3에서 상기 선단부의 직경 R2까지 축경하는 축경부를 갖고,
상기 축경부의 측주면이 상기 평탄면과 이루는 각도 α에 대하여, θ1＞2×(90-α)의 관계를 충족시키는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
각 탄소 전극은, 하나의 탄소 전극을 다른 하나의 탄소 전극에 접촉시킨 경우에 1개소만에서 접촉하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 탄소 전극은, 하나의 탄소 전극이 다른 하나의 탄소 전극에 가장 접근하는 부분이 1개소만이 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.
제7항에 있어서,
상기 탄소 전극은, 제1 탄소 전극과, 상기 제1 탄소 전극의 기단부에 접속되는 제2 탄소 전극을 포함하고, 상기 제1 탄소 전극의 선단부에 축경부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니 제조 장치.