KR101187534B1 - 성장로의 온도 제어 방법 및 장치 - Google Patents

성장로의 온도 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

성장로의 온도를 제어하는 방법으로는 우선 사파이어를 제조하는데 사용되는 성장로를 가열하기 위하여 성장로에 설치된 히터에 구동 전압을 제공한다. 이어, 히터에 제공되는 구동 전압을 피드백한다. 이어, 피드백한 구동 전압과 성장로의 목표 온도에 따라 설정된 설정 전압을 비교한다. 이어, 비교한 결과, 피드백한 구동 전압이 설정 전압과 다를 경우 히터에 제공되는 구동 전압을 설정 전압으로 조정한다.

Description

성장로의 온도 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING A TEMPERATURE OF A FURNACE}
본 발명은 성장로의 온도 제어 방법 및 장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 사파이어를 가공하기 위한 성장로의 가열 온도를 제어하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
일반적으로, 사파이어는 그 색상으로 인해 청색 또는 녹색 발광 다이오드(LED)의 제조에 사용되거나, 인체에 무해한 특성으로 인해 인공 관절, 인공 치아 또는 수술용 나이프의 제조에 사용되거나, 광학적 이방성의 특징으로 인해 레이저, 고온로 또는 고급 시계의 윈도우로써 널리 사용되고 있다. 이러한 사파이어를 제조하는 방법으로는 베르누이법, 쵸크랄스키법, EFG법, 열교환법 등이 있다.
이들 중 열교환법에 의한 사파이어의 제조 방법을 간단하게 설명하면, 우선 고진공 상태인 성장로의 도가니 내부에 알루미나(Al2O3)를 놓는다. 이어, 상기 성장로의 하부에 설치된 히터를 통해 상기 성장로를 약 2,200℃ 이상의 고온으로 광 온도계로 측정하면서 가열한다. 이때, 상기 성장로 내부의 상기 도가니에서는 상기 알루미나(Al2O3)로부터 사파이어가 생성된다. 이어, 헬륨(He) 가스를 퍼징하여 상기 생성된 사파이어를 서서히 냉각시켜 상기 사파이어의 제조를 완성한다.
이렇게 열교환법으로 제조된 사파이어는 고진공 상태인 성장로의 내부에서 약 2,200℃ 이상의 고온으로 가열됨에 따라 상기 성장로 내부에 잔존하는 불순물이 쉽게 휘발되므로, 고순도의 특성을 가질 수 있다. 이때, 사파이어의 고순도를 나타내기 위해서는 그 제조 과정에서 상기 성장로의 온도 변화를 정밀하게 제어할 필요성이 있다.
그러나, 상기 성장로 내부의 가열 온도를 상기 광 온도계와 같은 일반 온도 센서로 측정하는 방법만으로는 상기 성장로의 온도 변화를 정밀하게 제어하기에는 무리가 있다.
본 발명의 목적은 사파이어를 제조하는데 사용되는 성장로의 가열 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 성장로의 온도 제어 방법를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 방법을 적용한 성장로의 온도 제어 장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 일 특징에 따른 성장로의 온도를 제어하는 방법으로는 우선, 사파이어를 제조하는데 사용되는 성장로를 가열하기 위하여 상기 성장로에 설치된 히터에 구동 전압을 제공한다.
이어, 상기 히터에 제공되는 구동 전압을 피드백한다. 이어, 상기 피드백한 구동 전압과 상기 성장로의 온도가 일정 시간마다 단계적으로 높아지도록 상기 성장로의 목표 온도에 따라 설정된 설정 전압을 비교한다.
이어, 상기 비교한 결과, 상기 피드백한 구동 전압이 상기 설정 전압과 다를 경우 상기 히터에 제공되는 구동 전압을 비례적분미분(Proportional Integral Differential; PID) 제어 방식을 이용하여 상기 설정 전압으로 조정한다.
여기서, 상기 구동 전압을 상기 설정 전압으로 조정할 때에는 상기 히터로 제공되는 경로 상에서 발생되는 전압 강하를 보상하여 조정할 수 있다.
또한, 상기 비교한 결과, 상기 피드백한 구동 전압이 상기 설정 전압보다 낮거나 높음에 따라 상기 히터에 제공되는 구동 전압을 온/오프(on/off)시킬 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 일 특징에 따른 성장로의 온도 제어 장치는 전압 공급부, 변압부, 전압 피드백부, 전압 비교부 및 전압 제어부를 포함한다.
상기 전압 공급부는 사파이어를 제조하는데 사용되는 성장로를 가열하기 위하여 상기 성장로에 설치된 히터에 구동 전압을 제공한다. 상기 변압부는 상기 전압 공급부와 상기 히터 사이에 연결되며, 상기 구동 전압을 정격 구동 전압으로 강압시킨다.
상기 전압 피드백부는 상기 전압 공급부와 상기 히터 사이로부터 상기 히터에 제공되는 정격 구동 전압을 피드백한다. 상기 전압 비교부는 상기 전압 피드백부와 연결되며, 상기 피드백한 정격 구동 전압과 상기 성장로의 목표 온도에 따라 설정된 설정 전압을 비교한다.
상기 전압 제어부는 상기 전압 비교부와 상기 전압 공급부 사이에 연결되며, 상기 전압 비교부에서 비교한 결과 상기 피드백한 정격 구동 전압이 상기 설정 전압과 다를 경우 상기 히터에 제공되는 정격 구동 전압을 상기 설정 전압으로 조정한다.
여기서, 상기 전압 피드백부는 상기 변압부와 인접한 부위 및 상기 히터와 인접한 부위에 연결되어 상기 정격 구동 전압을 2군데에서 피드백할 수 있다. 이럴 경우, 상기 전압 제어부는 상기 히터에 제공되는 정격 구동 전압을 상기 2군데에서 피드백한 정격 구동 전압의 전압 강하를 보상하여 상기 설정 전압으로 조정할 수 있다.
한편, 상기 온도 제어 장치는 상기 전압 공급부와 상기 히터 사이에서 상기 전압 비교부와 연결되며, 상기 비교한 결과 상기 피드백한 정격 구동 전압이 상기 설정 전압보다 낮거나 높음에 따라 상기 히터에 제공되는 정격 구동 전압을 온/오프(on/off)시키는 전력 제어부를 더 포함할 수 있다.
이러한 성장로의 온도 제어 방법 및 장치에 따르면, 사파이어를 제조하는데 사용되는 성장로의 가열 온도를 상기 성장로의 히터에 제공되는 구동 전압을 피드백하여 상기 피드백한 구동 전압을 상기 성장로의 목표 온도에 따라 설정된 설정 전압과 비교한 다음, 그 결과에 따라 상기 히터에 제공되는 구동 전압을 상기 설정 전압으로 조정함으로써, 상기 성장로의 가열 온도를 정밀하게 제어할 수 있다. 이로써, 고순도의 사파이어 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성장로의 온도 제어 장치를 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 온도 제어 장치를 통해서 성장로의 온도를 제어하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 도 2의 순서도에서 설정 전압을 설정하는 방식을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 성장로의 온도 제어 방법 및 장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성장로의 온도 제어 장치를 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 성장로의 온도 제어 장치(1000)는 전압 공급부(100), 전압 피드백부(200), 전압 비교부(300) 및 전압 제어부(400)를 포함한다.
상기 전압 공급부(100)는 사파이어(10)를 제조하는데 사용되는 성장로(20)를 가열하기 위하여 상기 성장로(20)에 설치된 히터(30)에 구동 전압(DV)을 제공한다. 여기서, 상기 성장로(20)는 제조되는 사파이어(10)에 불순물이 포함되지 않도록 내부가 고진공 상태를 유지한 챔버 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 사파이어(10)는 알루미나(Al2O3) 상태로 도가니(40)에 담겨져 상기 성장로(20)의 내부로 로딩되어 제조되거나, 상기 도가니(40)에 담겨진 상태로 외부로 언로딩될 수 있다.
또한, 상기 히터(30)는 상기 성장로(20)를 약 2,200℃ 이상의 고온으로 가열하여 상기 도가니(40)에 담겨진 알루미나(Al2O3)로부터 사파이어(10)가 제조되도록 한다. 여기서, 상기 히터(30)가 약 2,200℃ 이상으로 고온으로 가열하는 이유는 사파이어(10)의 융점이 약 2,050℃이기 때문이다.
한편, 상기 온도 제어 장치(1000)는 전압 공급부(100)와 상기 히터(30) 사이에 연결된 변압부(500)를 더 포함할 수 있다. 상기 변압부(500)는 상기 전압 공급부(100)가 통상적으로 사용되는 교류(AC)인 고압의 구동 전압(DV), 예컨대 약 0 내지 380V를 제공할 때, 이 고압의 구동 전압(DV)을 상기 히터(30)를 실질적으로 구동시킬 수 있는 저압, 예컨대 약 0 내지 12V의 교류(AC)인 정격 구동 전압(RDV)으로 강압시켜 상기 히터(30)에 제공한다.
구체적으로, 상기 변압부(500)는 상기 고압의 구동 전압(DV)을 약 0 내지 12V의 범위 내로 일정 비율로 강압시키기 위한 두 개의 코일들을 가질 수 있다. 또한, 상기 변압부(500)는 상기 고압의 구동 전압(DV)을 상기 정격 구동 전압(RDV)으로 강압시킬 때 상기 강압 전류에 상응하도록 입력되는 저전류의 약 4 내지 20mA를 약 0 내지 5,000A의 고전류로 출력시킬 수 있다.
또한, 상기 온도 제어 장치(1000)는 상기 전압 공급부(100)와 상기 히터(30) 사이, 구체적으로는 상기 전압 공급부(100)와 상기 변압부(500) 사이에 연결된 전력 제어부(600)를 더 포함할 수 있다. 상기 전력 제어부(600)는 상기 히터(30)를 통하여 상기 성장로(20)를 가열시키는데 소모되는 전력을 제어한다.
상기 전력 제어부(600)는 반도체로 이루어진 스위칭 소자 또는 릴레이 소자와 같은 제어 소자(미도시)를 포함한다. 상기 전력 제어부(600)는 상기 제어 소자를 이용하여 상기 전격 구동 전압(RDV)의 제공을 온/오프할 수 있다. 예를 들면 상기 전력 제어부(600)는 상기 성장로(20)를 가열시키고자 할 때에는 상기 정격 구동 전압(RDV)의 제공을 온(on)하고, 상기 히터(30)에 의해 상기 성장로(20)가 과도하게 가열될 때에는 상기 정격 구동 전압(RDV)의 제공을 오프(off)하는 방식으로 제어한다. 따라서, 상기 온도 제어 장치(1000)가 상기 전력 제어부(600)를 더 포함함으로써 기존의 다른 방식인 상기 히터(30)를 항상 온(on)시킨 상태에서 상기 성장로(20)의 온도에 따라 상기 히터(30)에 제공되는 정격 구동 전압(RDV)을 변화시키는 방식보다 전력 소모량을 절감할 수 있다.
상기 전압 피드백부(200)는 상기 전압 공급부(100)와 상기 히터(30) 사이로부터 상기 히터(30)에 제공되는 정격 구동 전압(RDV)을 피드백한다. 상기 전압 피드백부(200)는 실질적으로 상기 변압부(500)와 상기 히터(30) 사이에서 상기 변압부(500)와 인접한 부위 및 상기 히터(30)와 인접한 부위 2군데에서 상기 정격 구동 전압(RDV)을 피드백한다.
이는, 상기 히터(30)에 직접 제공되는 정격 구동 전압(RDV)과 상기 변압부(500)로부터 출력되는 정격 구동 전압(RDV)이 그 사이에 발생될 수 있는 일부 저항으로 인한 소정의 전압 강하를 추후 보상하기 위해서이다. 또한, 상기 전압 피드백부(200)는 상기 변압부(500)로부터 상기 히터(30)에 제공되는 전류도 같이 피드백할 수 있다.
한편, 상기 전압 피드백부(200)는 상기 정격 구동 전압(RDV)을 교류(AC) 그대로 피드백하지 않고, 이를 직류(DC)로 전환하여 피드백할 수 있다. 이에, 상기 전압 피드백부(200)는 상기 2군데로부터 피드백하는 경로 상 각각에 제1 및 제2 직류 전환부(210, 220)들을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 직류 전환부(210, 220)들은 일 예로, 직류(DC)로 전환시킬 때 약 0 내지 12V의 교류(AC)를 약 0 내지 5V로 더 낮게 강압시킬 수 있다.
상기 전압 비교부(300)는 상기 전압 피드백부(200)와 연결된다. 상기 전압 비교부(300)는 상기 2군데에서 피드백한 정격 구동 전압(RDV)을 전달 받는다. 상기 전압 비교부(300)는 상기 2군데 중 상기 변압부(500)와 인접한 부위에서 피드백한 정격 구동 전압(RDV)을 상기 성장로(20)의 목표 온도에 따라 설정된 설정 전압(SV)과 비교한다.
여기서, 상기 설정 전압(SV)은 상기 전압 공급부(100)로부터 제공되는 고압의 구동 전압(DV)을 상기 피드백한 정격 구동 전압(RDV)의 범위 내로 환산하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 설정 전압(SV)은 상기 피드백한 정격 구동 전압(RDV)이 상기의 예에서와 같이 상기 제1 및 제2 직류 전환부(210, 220)들에 의해 전환되어 피드백될 경우에는 약 0 내지 5V 범위 내에서 설정되고, 상기 변압부(500)로부터 강압된 그대로 피드백될 경우에는 약 0 내지 12V의 범위 내에서 설정될 수 있다.
이와 달리, 상기 전압 비교부(300)는 상기 전압 피드백부(200)로부터 상기 정격 구동 전압(RDV)과 같이 상기 2군데 중 상기 변압부(500)와 인접한 부위에서 피드백한 전류를 전달 받은 다음, 이를 전압으로 환산하여 상기 설정 전압(SV)과 비교할 수도 있다.
상기 전압 제어부(400)는 상기 전압 비교부(300)와 상기 전압 공급부(100) 사이에 연결된다. 상기 전압 제어부(400)는 상기 전압 비교부(300)로부터 상기 피드백한 정격 구동 전압(RDV)과 상기 설정 전압(SV)을 비교한 결과를 전달 받는다. 이때, 상기 전압 제어부(400)는 상기 전압 공급부(100)가 상기 고압의 구동 전압(DV)을 상기 전력 제어부(600) 및 상기 변압부(500)를 통해 상기 히터(30)로 제공하는 동작과 동기화하여 상기 비교한 결과를 전달 받는다.
이에, 상기 전압 제어부(400)는 상기 비교한 결과, 상기 정격 구동 전압(RDV)이 상기 설정 전압(SV)과 다를 경우 실시간으로 전달되는 정격 구동 전압(RDV)이 상기 설정 전압(SV)과 일치되도록 상기 전압 공급부(100)로부터 제공되는 고압의 구동 전압(DV)을 조정한다.
상기 전압 제어부(400)는 상기 변압부(500)와 상기 제1 및 제2 직류 변환기들에서 일정 비율로 강압된 전압 비율을 감안하여 상기 고압의 구동 전압(DV)을 조정할 수 있다. 또한, 상기 전압 제어부(400)는 상기 히터(30)에 실질적으로 제공되는 정격 구동 전압(RDV)을 제어하기 위하여 상기 2군데에서 발생될 수 있는 전압 강하를 보상하여 상기 고압의 구동 전압(DV)을 조정할 수 있다.
한편, 상기 전력 제어부(600)는 상기 전압 비교부(300)와 연결되어 상기 피드백한 정격 구동 전압(RDV)과 상기 설정 전압(SV)을 비교한 결과를 전달 받을 수 있다. 이에, 상기 전력 제어부(600)는 상기 피드백한 정격 구동 전압(RDV)이 상기 설정 전압(SV)보다 낮거나 높음에 따라 상기 히터(30)에 제공되는 정격 구동 전압(RDV)을 온/오프(on/off)시킬 수 있다.
이하, 상기 온도 제어 장치(1000)를 통해서 실질적으로 상기 성장로(20)의 온도를 제어하는 방법에 대해서 도 2를 추가적으로 참조하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 도 1에 도시된 온도 제어 장치를 통해서 성장로의 온도를 제어하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 추가적으로 참조하면, 사파이어(10)를 제조하는데 사용되는 성장로(20)의 온도를 제어하기 위해서는 우선, 상기 성장로(20)에 설치된 히터(30)에 정격 구동 전압(RDV)을 상기 전압 공급부(100)로부터 상기 변압부(500)를 통해 제공한다(S100).
구체적으로, 상기 전압 공급부(100)는 통상 사용하는 고압의 구동 전압(DV)을 제공하고, 상기 변압부(500)는 상기 고압의 구동 전압(DV)을 상기 히터(30)가 구동할 수 있는 상기 정격 구동 전압(RDV)으로 강압하여 상기 히터(30)에 제공한다. 예를 들어, 상기 변압부(500)는 상기 히터(30)에 약 0 내지 12V의 정격 구동 전압(RDV)을 제공할 수 있다.
이어, 상기 변압부(500)와 상기 히터(30) 사이로부터 상기 히터(30)에 제공되는 정격 구동 전압(RDV)을 상기 전압 피드백부(200)가 피드백한다(S200). 이때, 상기 히터(30)에 직접 제공되는 정격 구동 전압(RDV)과 상기 변압부(500)로부터 출력되는 정격 구동 전압(RDV)의 사이에서 발생될 수 있는 소정의 전압 강하를 추후 보상하기 위하여 상기 전압 피드백부(200)는 상기 변압부(500)와 인접한 부위 및 상기 히터(30)와 인접한 부위 2군데에서 피드백할 수 있다. 또한, 상기 전압 피드백부(200)는 상기 2군데에서 피드백되는 경로 상에서 상기 정격 구동 전압(RDV)이 교류(AC)일 경우, 이를 직류(DC)로 전환하여 피드백할 수 있다.
또한, 상기 전압 피드백부(200)는 상기 변압부(500)와 상기 히터(30) 사이에서 전류도 추가로 피드백할 수 있다. 이럴 경우, 상기 전압 피드백부(200)에서는 상기 피드백한 정격 구동 전압(RDV)과 전류를 통하여 상기 히터(30)를 가열하는데 사용된 전력을 산출할 수 있다.
이어, 상기 2군데 중 상기 변압부(500)와 인접한 부위로부터 피드백한 정격 구동 전압(RDV)과 상기 성장로(20)의 목표 온도에 따라 설정된 설정 전압(SV)을 상기 전압 비교부(300)를 통해 비교한다(S300). 여기서, 상기 설정 전압(SV)은 상기 전압 공급부(100)로부터 제공되는 고압의 구동 전압(DV)을 상기 전압 피드백부(200)로부터 피드백한 정격 구동 전압(RDV)의 범위로 환산하여 설정된다.
이하, 상기 설정 전압(SV)이 설정되는 방식에 대해서 도 3의 그래프를 추가적으로 참조하여 설명하고자 한다.
도 3은 도 2의 순서도에서 설정 전압을 설정하는 방식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3을 추가적으로 참조하면, 상기 설정 전압(SV)은 일 예로, 상기 전압 피드백부(200)가 상기 정격 구동 전압(RDV)을 상기 변압부(500)로부터 강압된 그대로 피드백할 경우 약 0 내지 12V의 범위 내에서 설정될 수 있다.
여기서, 상기 설정 전압(SV)은 상기 성장로(20)가 최종 목표 온도인 약 2,200℃ 이상으로 한번에 가열되지 않고, 일정 시간마다 단계적으로 온도를 높이면서 가열되도록 도 3에서와 같이 설정될 수 있다.
예를 들어, 도 3에서와 같이 제1 단계(1S)에서는 상기 설정 전압(SV)을 약 1V로 설정하여 상기 성장로(20)의 온도를 약 2,200℃보다 약 1/3 수준으로 설정하고, 제2 단계(2S)에서는 안정을 위해 상기 설정 전압(SV)을 약 1V로 유지하고, 연이은 제3 단계(3S)에서는 상기 설정 온도를 약 6V로 설정하여 상기 성장로(20)의 목표 온도를 약 2,200℃보다 약 2/3 수준으로 설정하고, 제4 단계(4S)에서는 안정을 위해 상기 설정 전압(SV)을 약 6V로 설정할 수 있다.
이러한 방식으로 제n 단계(nS)까지 상기 설정 전압(SV)을 높였다가 낮춤으로써, 상기 성장로(20)를 약 2,200℃ 이상까지 단계적으로 서서히 가열하였다가 서서히 냉각시킬 수 있다. 이러면, 사파이어(10)가 제조되는 도중 급가열 또는 급냉각되는 것을 방지하여 이로 인해 사파이어(10)의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이어, 상기 전압 비교부(300)에서 비교한 결과를 통해 상기 히터(30)에 제공되는 정격 구동 전압(RDV)을 상기 전압 제어부(400)를 통해 제어한다(S400). 이때, 상기 비교한 결과, 서로가 동일하다면 상기 전압 제어부(400)는 상기 히터(30)에 상기 정격 구동 전압(RDV)을 그대로 제공하여 상기 성장로(20)가 상기 설정 전압(SV)에 따른 목표 온도로 가열되도록 한다.
하지만, 상기 비교한 결과, 서로가 다르다면 상기 전압 제어부(400)는 상기 히터(30)에 제공되는 정격 구동 전압(RDV)이 상기 설정 전압(SV)과 일치되도록 상기 정격 구동 전압(RDV)을 조정한다(S500). 이에, 상기 전압 제어부(400)는 실질적으로 상기 정격 구동 전압(RDV)으로 강압되기 이전인 상기 전압 공급부(100)로부터 제공되는 고압의 구동 전압(DV)으로 조정할 수 있다.
또한, 상기 전압 제어부(400)는 상기 정격 구동 전압(RDV)을 보상할 때 추가적으로 상기 2군데 중 상기 히터(30)와 인접한 부위에서 피드백한 정격 구동 전압(RDV)과 상기 비교한 정격 구동 전압(RDV)과의 전압 강하를 보상하여 조정할 수 있다.
이와 같은 전압 제어부(400)는 비례적분미분(Proportional Integral Differential; 이하, PID) 제어 방식을 이용할 수 있다. 여기서, 상기 PID 방식은 비례 제어, 적분 제어 및 미분 제어 방식을 포함하는 정밀 제어 방식 중의 하나이다.
구체적으로, 상기 비례 제어 방식은 상기 피드백한 정격 구동 전압(RDV)이 상기 설정 전압(SV)보다 높거나 낮음에 따라 비례적으로 상기 히터(30)에 제공되는 정격 구동 전압(RDV)을 비례적으로 낮거나 높게 제어함으로써, 상기 성장로(20)를 최대한 목표 온도로 근접화시키기 위한 제어 방식이다.
상기 적분 제어 방식은 상기 피드백한 정격 구동 전압(RDV)과 상기 설정 전압(SV)을 일정 시간동안 그 편차량을 누적하여 그 누적된 오차만큼 상기 히터(30)에 제공되는 정격 구동 전압(RDV)을 제어함으로써, 상기 성장로(20)가 상기 목표 온도에 도달하는 시간을 감소시키기 위한 제어 방식이다.
상기 미분 제어 방식은 상기 피드백한 정격 구동 전압(RDV)과 상기 설정 전압(SV)과의 변화량을 제어함으로써, 상기 히터(30)에 제공되는 정격 구동 전압(RDV)에 의해서 상기 성장로(20)의 급속 가열 또는 급속 냉각되는 것을 방지하기 위한 제어 방식이다.
이어, 상기 조정한 정격 구동 전압(RDV)을 상기 히터(30)에 제공하여 상기 설정 전압(SV)에 따른 목표 온도로 상기 성장로(20)를 가열한다(S600).
이와 같이, 사파이어(10)를 제조하는데 사용되는 성장로(20)의 가열 온도를 상기 성장로(20)의 히터(30)에 제공되는 정격 구동 전압(RDV)을 피드백하여 상기 피드백한 정격 구동 전압(RDV)을 상기 성장로(20)의 목표 온도에 따라 설정된 설정 전압(SV)과 비교한 다음, 그 결과에 따라 상기 히터(30)에 제공되는 정격 구동 전압(RDV)을 상기 설정 전압(SV)으로 조정함으로써, 상기 성장로(20)의 가열 온도를 정밀하게 제어할 수 있다. 이로써, 고순도의 사파이어(10) 품질을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 상기 정격 구동 전압(RDV)을 직접 피드백하여 이를 상기 설정 전압(SV)과 비교하여 상기 히터(30)에 제공되는 정격 구동 전압(RDV)을 조정하는 것으로 설명하였지만, 상기 정격 구동 전압(RDV)을 대신 상기 변압부(500)와 상기 히터(30) 사이에서의 전류를 피드백하여 이를 전압으로 환산한 다음, 상기 설정 전압(SV)과 비교하여 상기 히터(30)에 제공되는 정격 구동 전압(RDV)을 조정할 수도 있다.
또한, 상기 전압 비교부(300)에 비교한 결과를 상기 전압 공급부(100)와 상기 변압부(500) 사이에 연결된 전력 제어부(600)에 전달하여 상기 피드백한 정격 구동 전압(RDV)이 상기 설정 전압(SV)보다 낮거나 높음에 따라 상기 히터(30)에 제공되는 정격 구동 전압(RDV)을 온/오프(on/off)시킴으로써, 상기 성장로(20)를 가열시키기 위한 전력 소모량을 절감할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 사파이어 20 : 성장로
30 : 히터 40 : 도가니
100 : 전압 공급부 200 : 전압 피드백부
300 : 전압 비교부 400 : 전압 제어부
500 : 변압부 600 : 전력 제어부
1000 : 성장로의 온도 제어 장치

Claims (6)

  1. 사파이어를 제조하는데 사용되는 성장로를 가열하기 위하여 상기 성장로에 설치된 히터에 구동 전압을 제공하는 단계;
    상기 히터에 제공되는 구동 전압을 피드백하는 단계;
    상기 피드백한 구동 전압과 상기 성장로의 온도가 일정 시간마다 단계적으로 높아지도록 상기 성장로의 목표 온도에 따라 설정된 설정 전압을 비교하는 단계; 및
    상기 비교한 결과, 상기 피드백한 구동 전압이 상기 설정 전압과 다를 경우 상기 히터에 제공되는 구동 전압을 비례적분미분(Proportional Integral Differential; PID) 제어 방식을 이용하여 상기 설정 전압으로 조정하는 단계를 포함하는 성장로의 온도 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구동 전압을 상기 설정 전압으로 조정하는 단계에서는 상기 히터로 제공되는 경로 상에서 발생되는 전압 강하를 보상하여 조정하는 것을 특징으로 하는 성장로의 온도 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비교한 결과, 상기 피드백한 구동 전압이 상기 설정 전압보다 낮거나 높음에 따라 상기 히터에 제공되는 구동 전압을 온/오프(on/off)시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 방법.
  4. 사파이어를 제조하는데 사용되는 성장로를 가열하기 위하여 상기 성장로에 설치된 히터에 구동 전압을 제공하는 전압 공급부;
    상기 전압 공급부와 상기 히터 사이에 연결되며, 상기 구동 전압을 정격 구동 전압으로 강압시키는 변압부;
    상기 전압 공급부와 상기 히터 사이로부터 상기 히터에 제공되는 정격 구동 전압을 피드백하는 전압 피드백부;
    상기 전압 피드백부와 연결되며, 상기 피드백한 정격 구동 전압과 상기 성장로의 목표 온도에 따라 설정된 설정 전압을 비교하는 전압 비교부; 및
    상기 전압 비교부와 상기 전압 공급부 사이에 연결되며, 상기 전압 비교부에서 비교한 결과 상기 피드백한 정격 구동 전압이 상기 설정 전압과 다를 경우 상기 히터에 제공되는 정격 구동 전압을 상기 설정 전압으로 조정하는 전압 제어부를 포함하는 성장로의 온도 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전압 피드백부는 상기 변압부와 인접한 부위 및 상기 히터와 인접한 부위에 연결되어 상기 정격 구동 전압을 2군데에서 피드백하며,
    상기 전압 제어부는 상기 히터에 제공되는 정격 구동 전압을 상기 2군데에서 피드백한 정격 구동 전압의 전압 강하를 보상하여 상기 설정 전압으로 조정하는 것을 특징으로 하는 성장로의 온도 제어 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 전압 공급부와 상기 히터 사이에서 상기 전압 비교부와 연결되며, 상기 비교한 결과 상기 피드백한 정격 구동 전압이 상기 설정 전압보다 낮거나 높음에 따라 상기 히터에 제공되는 정격 구동 전압을 온/오프(on/off)시키는 전력 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성장로의 온도 제어 장치.
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