KR101194846B1 - 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
실리콘 박판 제조의 생산성 및 품질 향상에 기여할 수 있는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치 및 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치는 실리콘 원료가 공급되는 실리콘 원료 투입부; 공급된 실리콘 원료를 용융하여 실리콘 용탕을 형성하는 실리콘 용융부; 상기 실리콘 용탕을 공급받아 저장한 후, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 토출하는 실리콘 용탕 저장부; 상기 실리콘 용탕 저장부의 하부에 배치되며, 상기 토출되는 실리콘 용융물을 이송하는 하부 이송기판; 및 상기 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하여 박판을 형성하는 실리콘 박판 형성부;를 포함하고, 상기 실리콘 용탕 저장부에서 상기 실리콘 용탕의 표면 온도는 1300 ~ 1400 ℃이고, 상기 하부 이송기판의 온도는 800 ~ 1400 ℃ 이며, 상기 하부 이송기판의 이동속도는 300 ~ 1400 cm/min인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치는 실리콘 원료가 공급되는 실리콘 원료 투입부; 공급된 실리콘 원료를 용융하여 실리콘 용탕을 형성하는 실리콘 용융부; 상기 실리콘 용탕을 공급받아 저장한 후, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 토출하는 실리콘 용탕 저장부; 상기 실리콘 용탕 저장부의 하부에 배치되며, 상기 토출되는 실리콘 용융물을 이송하는 하부 이송기판; 및 상기 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하여 박판을 형성하는 실리콘 박판 형성부;를 포함하고, 상기 실리콘 용탕 저장부에서 상기 실리콘 용탕의 표면 온도는 1300 ~ 1400 ℃이고, 상기 하부 이송기판의 온도는 800 ~ 1400 ℃ 이며, 상기 하부 이송기판의 이동속도는 300 ~ 1400 cm/min인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 태양전지용 기판 등으로 이용할 수 있는 실리콘 박판의 제조 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연속 주조법(continuous casting)을 이용하여 높은 생산성 및 품질 향상에 기여할 수 있는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치 및 방법 에 관한 것이다.
실리콘 태양전지의 핵심부품인 실리콘 기판은 태양전지 모듈 단가의 약 28%를 차지하고 있다.
태양전지용 실리콘 기판은 일반적으로 실리콘 용융후, 용융된 실리콘을 응고시켜 단결정 실리콘 잉곳(ingot) 또는 다결정 실리콘 블록을 제조한 후, 수 차례에 걸친 절단 공정을 통하여 제조된다.
상기의 실리콘 기판 제조 방법들의 경우, 절단 공정에 의하여 실리콘 원료 손실이 40 ~ 50% 발생하여 제조단가 상승의 주원인으로 작용하고 있다.
이와 같은 절단 손실을 근본적으로 제거하기 위해, 실리콘을 용탕으로부터 실리콘 기판을 직접 제조하는 기술이 개발되고 있다.
실리콘 기판의 직접 제조 기술은 수직성장법과 수평성장법으로 구분된다. 수직성장법은 이미 양산화가 진행 중에 있으나, 성장 속도가 느리다. 반면, 수평성장법은 높은 성장속도에도 불구하고 양산화가 진행되지 못하고 있다.
실리콘 직접 제조를 위한 종래의 수평성장법의 경우, 대표적으로 RGS(Ribbon growth on substrate)법이 있다. 그러나 RGS법은 실리콘 용탕 저장 용기 내부에서 고화를 제어하며, 블레이드를 이용하여 형상 제어를 하기 때문에 다음과 같은 문제점이 있다.
우선, RGS법의 경우 실리콘 용탕 저장 용기 내부에서 고화를 제어하는데, 용기 내부에서 고화를 일으키기 위해서는 밀리세컨(msec) 이하로 고화 시간을 제어해야 한다. 만약, 약간만 고화 시간이 지나치면 블레이드에 고화된 기판이 끼게 되어 장치 자체가 파손될 수 있다.
또한, 균일한 고화를 위해서는 실리콘 용탕의 온도를 전체 기판 면적에 대해 균일하게 조절해야 한다. 그러나, 유동성이 강한 실리콘 용탕의 온도를 균일하게 제어하는 것은 매우 어렵다.
또한, RGS법의 경우, 기판의 형상 제어를 위해 블레이드를 사용한다. 이 경우 블레이드가 파손될 확률이 높으며, 블레이드와 실리콘 기판의 기계적인 접촉은 기판의 오염을 가져올 여지가 높은 문제점이 있다.
따라서, 종래의 실리콘 기판의 직접 제조 기술은 실리콘 기판의 생산성과 에너지 변환효율이 상충 관계에 놓여 있는 바, 실리콘 기판의 생산성 및 품질을 모두 높여 태양전지 기판 등으로 적용할 수 있는 실리콘 기판 제조 기술이 요구된다.
본 발명의 목적은 연속 생산 및 물성제어가 용이한 연속주조법(continuous casting)을 이용하여, 실리콘 용탕으로부터 직접 실리콘 박판을 제조할 수 있으며, 제조되는 실리콘 박판의 표면 품질을 향상시킬 수 있는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연속주조법을 이용하여 실리콘 용탕으로부터 직접 실리콘 박판을 제조하여 실리콘 절단 손실을 제거할 수 있는 실리콘 박판 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연속주조법을 이용하여 제조되며, 표면 품질이 우수한 태양전지용 기판을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치는 실리콘 원료가 공급되는 실리콘 원료 투입부; 공급된 실리콘 원료를 용융하여 실리콘 용탕을 형성하는 실리콘 용융부; 상기 실리콘 용탕을 공급받아 저장한 후, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 토출하는 실리콘 용탕 저장부; 상기 실리콘 용탕 저장부의 하부에 배치되며, 상기 토출되는 실리콘 용융물을 이송하는 하부 이송기판; 및 상기 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하여 박판을 형성하는 실리콘 박판 형성부;를 포함하고, 상기 실리콘 용탕 저장부에서 상기 실리콘 용탕의 표면 온도는 1300 ~ 1400 ℃이고, 상기 하부 이송기판의 온도는 800 ~ 1400 ℃ 이며, 상기 하부 이송기판의 이동속도는 300 ~ 1400 cm/min인 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 방법은 (a) 실리콘 용탕 저장부의 하부 일측에 토출부를 형성하는 하부 이송기판을 예비 가열하는 단계(S410); (b) 실리콘 용융부 내부로 실리콘 원료를 장입하는 단계(S420); (c) 상기 실리콘 용융부 내부에서 장입된 실리콘 원료를 용융하여 실리콘 용탕을 형성하는 단계(S430); (d) 상기 실리콘 용융부 하부의 게이트를 개방하여 상기 실리콘 용탕을 출탕하는 단계(S440); (e) 실리콘 용탕 저장부에서 상기 출탕되는 실리콘 용탕을 저장하는 단계(S450); (f) 상기 하부 이송기판을 구동하여 상기 실리콘 용탕을 토출하는 단계(S460); 및 (g) 상기 하부 이송기판에 의하여 이송되는 실리콘 용용물을 냉각하여 박판을 형성하는 단계(S470);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지용 실리콘 박판은 상기 제시된 방법에 의하여 제조되며, 200 ~ 400㎛ 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치 및 방법은 생산성 및 물성제어가 용이한 연속주조법을 이용함으로써 실리콘 절단 손실을 근본적으로 제거할 수 있다. 따라서, 실리콘 박판 제조의 생산성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치 및 방법은 공정 변수를 최적화하고, 불활성 가스 블로윙을 적용함으로써 제조되는 실리콘 박판의 품질을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치 및 방법을 이용하여 제조된 실리콘 박판은 태양전지용 기판에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 흑연 도가니의 예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 흑연 도가니의 다른 예를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 도 4에 도시된 방법으로 제조된 실리콘 박판의 표면을 나타내는 사진이다.
도 6은 도 4에 도시된 방법으로 제조된 실리콘 박판의 바닥면을 나타내는 사진이다.
도 7은 도 5에 도시된 실리콘 박판의 표면을 폴리싱한 후의 표면을 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 흑연 도가니의 예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 흑연 도가니의 다른 예를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 도 4에 도시된 방법으로 제조된 실리콘 박판의 표면을 나타내는 사진이다.
도 6은 도 4에 도시된 방법으로 제조된 실리콘 박판의 바닥면을 나타내는 사진이다.
도 7은 도 5에 도시된 실리콘 박판의 표면을 폴리싱한 후의 표면을 나타내는 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치 및 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 도시된 실리콘 박판 제조 장치(100)는 실리콘 원료 투입부(110), 실리콘 용융부(120), 실리콘 용탕 저장부(130), 하부 이송기판(140) 및 실리콘 박판 형성부(150)를 포함한다.
실리콘 원료 투입부(110)는 외부로부터 실리콘 원료를 공급하여, 실리콘 용융부(120) 내부로 정해진 양으로 투입한다.
실리콘 용융부(120)는 공급된 실리콘 원료를 용융하여 실리콘 용탕을 형성한다.
실리콘의 경우, 금속과 달리 대략 700℃ 이하의 온도에서는 전기전도도가 낮아 전자기 유도에 의한 직접 가열이 어렵다. 따라서, 실리콘 원료는 도가니 열에 의한 간접 용융 방식으로 용융될 수 있다. 간접 용융 방식에 의한 실리콘 용융의 경우 도가니는 흑연 도가니가 이용될 수 있는데, 흑연의 경우 비금속 재질임에도 전기전도도 및 열전도도가 매우 높아 전자기 유도에 의한 도가니 가열이 쉽게 이루어질 수 있다.
다만, 실리콘이 흑연 도가니 열에 의하여 간접 용융될 경우, 실리콘 혹은 도가니 내측면의 오염 문제가 있다.
따라서, 700℃ 이하의 온도에서는 도가니 열에 의하여 실리콘을 간접 가열하고, 그 이상의 온도에서는 유도 용융을 통하여 실리콘 원료를 비접촉 용융시킴으로써 실리콘의 오염 문제를 최소화하는 것이 바람직하다.
유도 용융 방식으로 실리콘 원료를 용융시킬 경우, 실리콘 용융부(120)는 도 1에 도시된 바와 같이, 도가니(121), 유도 코일(122), 출탕부(123) 및 게이트(124)를 포함하는 유도 용융 장치가 될 수 있다.
도가니(121)는 실리콘 원료를 저장하며, 하부에 출탕부(123)가 형성되어 있다. 유도 코일(122)은 도가니(121) 외측벽을 둘러싼다. 유도 코일(122)은 교류 전원과 연결된다. 게이트(124)는 도가니(121) 하부에 형성된 출탕부(123)를 개폐한다. 게이트(124)는 도 1에 도시된 바와 같이 바(bar) 타입이 될 수 있고, 밸브 타입이 될 수도 있다.
실리콘 유도 용융 방식을 적용하기 위하여, 우선 수냉동 도가니를 적용할 수 있다. 그러나, 수냉동 도가니의 경우 많은 열손실이 존재하여 실리콘 용융 효율이 낮은 문제점이 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에서, 도가니(121)는 상기의 수냉동 도가니 대신, 실리콘의 유도 용융이 가능하면서도 용융 효율을 높일 수 있는 것을 이용하는 것이 바람직하다.
이러한 예로 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 종방향으로 슬릿이 형성되어 있는 흑연 도가니를 제시할 수 있다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 흑연 도가니의 예를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 흑연 도가니는 외측벽(210)과 내측벽(220)을 관통하는 종방향의 복수의 슬릿(230)이 형성되어 있는 원통형 구조를 갖는다.
도 2에 도시된 흑연 도가니의 경우, 일반적인 흑연 도가니와 달리 종방향으로 복수의 슬릿(230)이 형성되어 있다. 일반적인 흑연 도가니의 경우, 유도코일(122)에 교류 전원을 인가하더라도 흑연에 의해 전자기파가 차폐되어 도가니 내부에는 전자기력이 거의 작용하지 않았다.
그러나, 종방향의 슬릿(230)이 형성된 경우 흑연 재질의 도가니임에도 불구하고 전자기파가 차폐되지 않고, 도가니 중심방향으로 전자기력이 강하게 작용하는 것이 실험결과 확인되었다. 그 결과, 도가니 내부의 중심방향으로 작용하는 전자기력에 의하여 도가니 내측벽에 접촉하지 않으면서 실리콘이 유도 용융되어 실리콘 용탕을 형성할 수 있었다.
종방향의 복수의 슬릿(230)은 도가니 상부로부터 도가니의 내부의 바닥면(240) 부분까지 형성될 수 있다. 또한, 복수의 슬릿(230)은 도가니 둘레를 따라서 대칭적으로 형성된다.
도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 흑연 도가니의 다른 예를 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 도가니는 흑연 도가니로서, 도 2에 도시된 도가니 외측벽(210)과 내측벽을 관통하는 종방향의 복수의 슬릿(230) 외에 도가니 바닥면(240)의 가장자리로부터 중심방향으로 종방향의 복수의 슬릿(310)이 더 형성되어 있다.
편의상 도가니 외측벽(210)과 내측벽을 관통하는 종방향의 복수의 슬릿(230)을 제1슬릿이라 하고, 도가니 바닥면(240)의 가장자리로부터 중심방향으로 종방향의 복수의 슬릿(310)을 제2슬릿이라 한다.
제2슬릿은 제1슬릿으로부터 하부 방향으로으로 집중되는 와전류(eddy current)를 내부 바닥면(240)으로 고루 분산시켜 전자기력이 상부 방향으로 향하도록 한다. 이러한 제2슬릿을 통하여, 실리콘의 유도 용융시 도가니 내측벽 뿐만 아니라 바닥면에도 무접촉이 가능하게 하여 실리콘의 오염 등을 극소화할 수 있다.
다음으로, 실리콘 용탕 저장부(130)는 실리콘 용탕을 공급받아 저장한 후, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 토출한다.
실리콘 용탕 저장부(130)는 도 1에 도시된 바와 같이, 하부면이 개방되어 있을 수 있으며, 이 경우 실리콘 용탕 저장부(130) 하부에 배치되는 하부 이송기판(140)이 실리콘 용탕 저장부(130)의 하부면을 정의하게 된다.
또한, 실리콘 용탕 저장부(130)는 하부 일측에 실리콘 용탕이 토출되는 토출부(132)가 형성되어 있다. 토출부(132)는 별도의 토출홈이 될 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 토출부(132)의 하부면이 하부 이송기판(140)에 의하여 정의될 수 있다.
토출부(132)의 두께는 실리콘 박판의 두께를 결정하는 하나의 요소가 될 수 있으며, 대략 0.2 ~ 2 mm 정도가 될 수 있다.
또한 토출부(132)에 인접하여 냉각 장치(미도시)가 별도 배치될 수 있으며, 이 경우 실리콘 용탕이 냉각된 상태 또는 과냉각된 상태로 실리콘 용탕 저장부(130)로부터 토출될 수 있다.
하부 이송기판(140)은 실리콘 용탕 저장부(130)의 하부에 배치되며, 실리콘 용탕 저장부(130)로부터 토출되는 실리콘 용융물을 연속적으로 이송한다.
이러한 하부 이송기판(140)은 실리콘 용탕과의 온도차이를 최소화하기 위하여 예비 가열부(142)에 의하여 미리 가열되어 있는 것이 바람직하다.
하부 이송기판(140)은 실리콘과 열팽창계수가 다른 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 하부 이송기판(140)의 열팽창계수가 실리콘과 다를 경우, 실리콘 용융물의 냉각 후 제조되는 실리콘 박판이 하부 이송기판(140)으로부터 쉽게 분리될 수 있으며, 하부 이송기판(140)의 재사용이 가능하다.
이러한 하부 이송기판(140)은 금속이나 세라믹이 될 수 있으며, 구체적으로 하부 이송기판은 SiC, Si3N4, 그라파이트(Graphite), 고밀도카본, Al2O3, 몰리브덴(Mo) 등이 하부 이송기판(140)의 재질로 이용될 수 있으며, 하부 이송기판(140)의 재질로 더욱 바람직하게는 SiC, Si3N4를 제시할 수 있다.
하부 이송기판(140)은 하나의 기판으로 이루어질 수 있으며, 이송을 담당하는 이송 기판과 실리콘 용탕이 접촉하고 실리콘 박판을 형성하는 하부 기판으로 분리되어 있을 수 있다.
실리콘 박판 형성부(150)는 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하여 박판을 형성한다.
본 발명에서 실리콘 박판 형성부(150)는 아르곤 가스, 헬륨 가스, 질소 가스 등과 같은 불활성 가스 블로윙(blowing) 방식으로 실리콘 용융물을 냉각할 수 있다.
불활성 가스 블로윙의 경우 실리콘 용융물의 급속 냉각하여 잔류하는 용융물을 제거하는 것에 기여할 수 있으며, 또한 표면 평탄화를 통하여 제조되는 실리콘 박판의 표면 형상 제어가 용이하다.
블로윙되는 불활성 가스의 양은 0.1 ~ 2 Nm3/h 가 될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 블로윙되는 불활성 가스의 양은 실리콘 박판 형성부(150)의 위치와 형태에 따라 변화될 수 있다.
도 1에 도시된 실리콘 박판 제조 장치를 이용할 때, 제조되는 실리콘 박판의 생산성 및 품질은 용탕 저장부 내부의 실리콘 용탕 표면 온도, 하부 이송기판의 온도 및 하부 이송기판의 이송 속도에 의해 큰 영향을 받을 수 있다. 이들 공정 변수들은 각각 단독적으로 영향을 미치기 보다는 복합적인 작용을 통하여 제조되는 실리콘 박판의 생산성 등에 영향을 미친다.
바람직하기로는 실리콘 용탕 저장부(130)에서 실리콘 용탕의 표면 온도는 1300 ~ 1400℃이고, 하부 이송기판(140)의 온도는 800 ~ 1400 ℃ 이며, 하부 이송기판(140)의 이동속도는 300 ~ 1400 cm/min인 것을 제시할 수 있다.
실리콘 용탕 저장부(130)에서 실리콘 용탕의 표면 온도가 1300℃ 미만일 경우 토출 전에 실리콘 용탕이 굳어 버릴 우려가 있고, 실리콘 용탕의 표면 온도가 1400℃를 초과할 경우 토출 후 이송과정에서 실리콘 용융물이 흘러내릴 수 있는 문제점이 있다.
또한, 하부 이송기판(140)의 온도가 800℃ 미만일 경우 하부 이송기판(140)과 실리콘 용탕이 접하는 부분에서 실리콘 용탕이 굳어버릴 우려가 있고, 하부 이송기판(140)의 온도가 1400℃를 초과할 경우 실리콘 용융물이 흘러내릴 수 있는 문제점이 있다.
또한, 하부 이송기판(140)의 이송 속도가 300cm/min 미만일 경우 제조되는 실리콘 박판의 두께가 과다하게 두꺼워질 수 있으며, 반대로 하부 이송기판(140)의 이송 속도가 1400cm/min를 초과할 경우 제조되는 실리콘 박판이 너무 얇아지는 문제점이 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 도시된 실리콘 박판 제조 방법은 하부 이송기판 예비 가열 단계(S410), 실리콘 원료 장입 단계(S420), 실리콘 용탕 형성 단계(S430), 게이트 개방 단계(S440), 실리콘 용탕 저장 단계(S450), 실리콘 용탕 토출 단계(S460) 및 실리콘 박판 형성 단계(S470)를 포함한다.
하부 이송기판 예비 가열 단계(S410)에서는 실리콘 용탕 저장부의 하부 일측에 토출부를 형성하는 하부 이송기판을 예비 가열한다.
하부 이송 기판은 젖음성이 좋고, 고내식성을 가지며, 용융점이 실리콘보다높은 재질인 것이 바람직하다. 또한, 냉각 후 실리콘 박판을 용이하게 분리하기 위하여, 하부 이송기판은 실리콘과 열팽창계수가 다른 재질을 이용하는 것이 바람직하다. 하부 이송기판은 SiC, Si3N4, 그라파이트(Graphite), 고밀도카본, Al2O3, 몰리브덴(Mo) 등으로 이루어질 수 있다.
하부 이송기판 예비 가열 단계(S410)는 게이트 개방 단계(S440) 혹은 실리콘 용탕 저장 단계(S450) 이전에 하부 이송기판의 예비 가열이 완료되도록 하면 되며, 본 발명에 따른 실리콘 박판 제조 방법에서 최초부터 하부 이송기판을 예비 가열하여야 하는 것은 아니다.
실리콘 원료 장입 단계(S420)에서는 실리콘 원료 투입부로부터 실리콘 용융부 내부로 실리콘 원료를 장입한다.
실리콘 용탕 형성 단계(S430)에서는 실리콘 용융부 내부에서 장입된 실리콘 원료를 용융하여 실리콘 용탕을 형성한다. 실리콘 원료의 용융은 유도 용융 방식이 이용될 수 있으며, 이를 위하여 실리콘 용융부는 실리콘 원료를 저장하며 하부에 출탕부가 형성되어 있는 도가니와, 상기 도가니 외측벽을 둘러싸는 유도 코일과, 상기 출탕부를 개폐하는 게이트를 포함할 수 있다.
또한, 도가니는 흑연 도가니가 될 수 있으며, 이때, 흑연 도가니는 도 2에 도시된 바와 같이, 외측벽과 내측벽을 관통하는 종방향의 복수의 슬릿이 형성되어 있는 원통형 구조를 갖는 흑연 도가니를 이용할 수 있다. 또한, 흑연 도가니는 도 3에 도시된 바와 같이, 도가니 바닥면의 가장자리로부터 중심방향으로 종방향의 복수의 슬릿이 더 형성되어 있는 것을 이용할 수 있다.
게이트 개방 단계(S440)에서는 실리콘 용융부 하부의 게이트를 개방하여, 형성된 실리콘 용탕을 출탕한다.
실리콘 용탕 저장 단계(S450)에서는 게이트 개방에 의하여 실리콘 용융부에서 출탕되는 실리콘 용탕을 저장한다.
실리콘 용탕 토출 단계(S460)에서는 하부 이송기판을 수평방향으로 구동하여 토출부를 통하여 실리콘 용탕을 토출시킨다.
실리콘 박판 형성 단계(S470)에서는 하부 이송기판에 의하여 이송되는 실리콘 용용물을 냉각하여 실리콘 박판을 형성한다.
실리콘 용융물의 냉각은 불활성 가스 블로윙 방식이 이용될 수 있으며, 불활성 가스는 대표적으로 아르곤 가스를 제시할 수 있으며, 이외에도 헬륨 가스, 질소 가스 등이 이용되어도 무방하다.
전술한 바와 같이, 실리콘 용탕 저장부에서 실리콘 용탕의 표면온도는 1300 ~ 1400℃가 되도록 하고, 하부 이송기판을 800 ~ 1400℃로 예비 가열하며, 하부 이송기판을 300 ~ 1400 cm/min의 속도로 구동하도록 공정 변수들을 제어하는 것이 바람직하다.
도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 방법으로 제조된 실리콘 박판의 표면 및 바닥면을 나타내는 사진으로, 50 x 50 mm의 크기를 가지며, 두께는 약 360 ㎛ 정도이다. 도 7은 도 5에 도시된 실리콘 박판의 표면을 폴리싱한 후의 표면을 나타내는 사진으로, 두께는 대략 300 ㎛ 정도이다.
불활성 가스 블로윙 미적용시 실리콘 박판의 표면은 울퉁불퉁한 표면을 갖는다. 실리콘의 액상 밀도는 대략 2.57g/cm3 이며, 실리콘의 고상 밀도는 대략 2.33 g/cm3 이다. 실리콘의 고상 밀도가 더 낮은 결과, 실리콘이 액상에서 고상으로 냉각할 경우 부피가 팽창하게 되며, 고른 팽창이 아닐 경우 표면이 울퉁불퉁하게 된다. 따라서, 제조되는 실리콘 박판의 표면 품질이 좋지 못하다.
그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 불활성 가스 블로윙, 구체적으로 아르곤 가스 블로윙을 실시한 경우, 제조되는 실리콘 박판이 우수한 표면 품질을 갖는 것을 알 수 있다. 다만, 도 5의 경우 제조된 실리콘 박판의 표면 거칠기가 커서 태양전지용 기판으로 사용하기 위해서는 도 7에 도시된 바와 같이 실리콘 박판의 표면을 폴리싱(polishing)하는 것이 바람직하다.
태양전지용 실리콘 기판은 통상 200~400㎛의 두께를 갖는 것을 이용한다. 따라서, 상기 도 4에 도시된 방법으로 제조되는 실리콘 박판의 두께도 200~400㎛로 조절될 경우, 태양전지용 기판으로 쉽게 적용할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
110 : 실리콘 원료 투입부 120 : 실리콘 용융부
121 : 도가니 122 : 유도 코일
123 : 출탕부 124 : 게이트
130 : 실리콘 용탕 저장부 132 : 토출부
140 : 하부 이송기판 142 : 예비가열부
150 : 실리콘 박판 형성부 210 : 외측벽
220 : 내측벽 230,310 : 슬릿
240 : 바닥면
121 : 도가니 122 : 유도 코일
123 : 출탕부 124 : 게이트
130 : 실리콘 용탕 저장부 132 : 토출부
140 : 하부 이송기판 142 : 예비가열부
150 : 실리콘 박판 형성부 210 : 외측벽
220 : 내측벽 230,310 : 슬릿
240 : 바닥면
Claims (17)
- 실리콘 원료가 공급되는 실리콘 원료 투입부;
공급된 실리콘 원료를 유도 용융 방식으로 용융하여 실리콘 용탕을 형성하는 실리콘 용융부;
상기 실리콘 용탕을 공급받아 저장한 후, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 토출하는 실리콘 용탕 저장부;
상기 실리콘 용탕 저장부의 하부에 배치되며, 상기 토출되는 실리콘 용융물을 이송하는 하부 이송기판; 및
상기 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하여 박판을 형성하는 실리콘 박판 형성부;를 포함하고,
상기 실리콘 용융부는 상기 실리콘 원료를 저장하며, 하부에 출탕부가 형성되어 있는 도가니와, 상기 도가니 외측벽을 둘러싸는 유도 코일과, 상기 출탕부를 개폐하는 게이트를 구비하고,
상기 실리콘 용탕 저장부에서 상기 실리콘 용탕의 표면 온도는 1300 ~ 1400 ℃이고, 상기 하부 이송기판의 온도는 800 ~ 1400 ℃ 이며, 상기 하부 이송기판의 이동속도는 300 ~ 1400 cm/min인 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 도가니는
외측벽과 내측벽을 관통하는 종방향의 복수의 슬릿이 형성되어 있는 원통형 구조를 갖는 흑연 도가니인 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 실리콘 용융부에서 형성되는 실리콘 용탕은
상기 흑연 도가니 내부의 중심방향으로 작용하는 전자기력에 의하여 상기 흑연 도가니의 내측벽에 접촉하지 않으면서 유도 용융되는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 하부 이송기판이 상기 실리콘 용탕 저장부의 하부면을 정의하는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 실리콘 용탕 저장부는
하부 일측에 실리콘 용탕이 토출되는 토출부가 형성되어 있되,
상기 토출부의 하부면은 상기 하부 이송기판에 의하여 정의되는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치.
- 제7항에 있어서,
상기 토출부의 두께는 0.2 ~ 2 mm인 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 하부 이송기판은 실리콘과 열팽창계수가 다른 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 하부 이송기판은
SiC, Si3N4, 그라파이트(Graphite), 고밀도카본, Al2O3 및 몰리브덴(Mo) 중에서 선택되는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 실리콘 박판 형성부는
불활성 가스 블로윙(blowing) 방식으로 실리콘 용융물을 냉각하는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 장치.
- 제1항에 기재된 장치를 이용하여 실리콘 박판을 제조하는 방법에 있어서,
(a) 실리콘 용탕 저장부의 하부 일측에 토출부를 형성하는 하부 이송기판을 예비 가열하는 단계;
(b) 실리콘 용융부 내부로 실리콘 원료를 장입하는 단계;
(c) 상기 실리콘 용융부 내부에서 장입된 실리콘 원료를 용융하여 실리콘 용탕을 형성하는 단계;
(d) 상기 실리콘 용융부 하부의 게이트를 개방하여 상기 실리콘 용탕을 출탕하는 단계;
(e) 실리콘 용탕 저장부에서 상기 출탕되는 실리콘 용탕을 저장하는 단계;
(f) 상기 하부 이송기판을 구동하여 상기 실리콘 용탕을 토출하는 단계; 및
(g) 상기 하부 이송기판에 의하여 이송되는 실리콘 용용물을 냉각하여 박판을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 상기 하부 이송기판을 800 ~ 1400 ℃로 예비 가열하며,
상기 (e) 단계에서 상기 실리콘 용탕의 표면온도가 1300 ~ 1400 ℃가 되도록 실리콘 용탕 저장부의 내부 온도를 조절하고,
상기 (f) 단계에서 상기 하부 이송기판을 300 ~ 1400 cm/min의 속도로 구동하는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 (c) 단계는
유도 용융 방식으로 실리콘 원료를 용융시키는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 하부 이송기판은
실리콘과 열팽창계수가 다른 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 (g) 단계는 불활성 가스 블로윙 방식으로 이송되는 실리콘 용용물을 냉각하는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 박판 제조 방법.
- 제12항 내지 제16항 중 어느 하나에 기재된 방법으로 제조되며,
200 ~ 400㎛ 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지용 실리콘 기판.
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