KR101339377B1 - 실리콘 잉곳 제조장치 및 이를 이용한 잉곳 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고효율 실리콘 잉곳 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 태양전지 제조에 사용되는 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 실리콘을 용융하기 위한 도가니와; 상기 도가니 하부의 하부받침대에 안착되어 받침축을 따라 승,하강하는 하부단열판과; 상기 도가니 네 측면에 형성되는 측부단열판과; 상기 측부단열판의 상단부 안내에 따라 도가니 상면으로 이동되는 상부단열판과; 상기 측부단열판에 내장되는 측면히터와; 상기 상부단열판에 상,하이동하도록 형성되어 도가니에 장입된 실리콘을 가열하는 상부히터와; 상기 도가니에 용융된 실리콘을 응고시킬 때, 상부단열판으로부터 측부단열판의 하단부로 이동하여 측면히터에서 발생되는 열이 도가니의 하부로 이동되지 않도록 차단하는 이동단열재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
Description
본 발명은 고효율 실리콘 잉곳 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 태양전지 제조에 사용되는 실리콘 잉곳 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지용 실리콘 잉곳은 석영 또는 흑연 도가니에 원료 실리콘을 장입시킨 후, 용융 및 방향성 응고과정을 통하여 태양전지용 실리콘 잉곳이 제조된다.
기존의 실리콘 잉곳 제조장치는 내부에 핫존(Hot zone)이 조성된 챔버로 구성되는 본체와 원료 실리콘이 담겨지는 석영 또는 흑연 도가니와 석영 또는 흑연 도가니를 지지하기 위한 지지수단과 원료 실리콘의 용융을 위한 복사 열에너지를 제공하기 위하여 도가니의 주변에 배치되는 조립형 사각히터(도가니가이드)와 도가니 주위로 방출되는 열을 차단하기 위하여 도가니 및 조립형 사각히터의 주변에 배치되는 단열부재와 장치의 온도제어를 위하여 냉각수 입,출수라인을 갖는 냉각자켓 등으로 이루어진다. 따라서 석영 또는 흑연 도가니 내부에 도가니 보호층을 코팅하고 원료 실리콘을 장입시킨 후, 도가니와 완성된 조립형 사각히터(도가니가이드)를 캐스팅 장치에 조립한다.
이와 같이 구성된 실리콘 잉곳 제조장치는 실리콘 용융 시, 히터에 전력을 공급하여 가열하고, 실리콘이 완전 용융되어 냉각을 할 때에는 히터에 제공되는 전력을 제어하여 도가니의 하부부터 상부로 냉각을 하는데, 상기 히터에 제공되는 전력의 제어만으로는 도가니 하부로부터의 냉각이 일정하지 않아 균일한 결정성장이 어렵고 잉곳 물성의 불균일성을 초래하는 문제점이 있었다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 본원발명의 출원인은, 대한민국 등록특허 제0861412호로 다결정 실리콘 잉곳 제조장치를 등록받은 바 있다.
선 등록된 다결정 실리콘 잉곳 제조장치는, 실리콘 용융 시에는 도가니 주변의 히터를 가열하고, 실리콘 응고 시에는 히터의 전원을 차단한 다음 도가니 하부의 히터 및 단열판을 개방함과 더불어 냉각 플레이트를 도가니의 하부에 밀착시킴으로써, 종래의 문제점을 해결하였다.
그러나 선 등록된 다결정 실리콘 잉곳 제조장치는, 실리콘 응고 시, 냉각 플레이트를 직접 도가니에 밀착하는 경우, 온도 차이가 심하여 냉각 플레이트가 손상되는 문제점이 있었고, 냉각 플레이트에 밀착하기 전, 도가니를 자연 냉각으로 적정 온도까지 낮추는 경우 많은 시간이 소요되며, 냉각 속도를 적절하게 조절하기가 어려운 문제점이 있었다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 본원발명의 출원인은, 대한민국 등록특허 제0916843호로 고효율 다결정 실리콘 잉곳 제조장치를 등록받은 바 있다.
선 등록된 고효율 다결정 실리콘 잉곳 제조장치는, 실리콘의 용융하기 위한 도가니와, 상기 도가니의 하부에부착된 받침대와, 상기 도가니를 냉각하기 위하여 상하로 이동이 가능한 냉각 플레이트와, 상기 도가니와 상기 냉각 플레이트 사이에 복수개의 층으로 구성되어 각 층의 간격 조절이 가능한 간격조절 단열판을 포함하고, 상기 간격조절 단열판은 실리콘 용융 시에는 각 층이 분리되어 간격을 형성하고, 실리콘 응고 시에는 각 층이 밀착하여 상기 도가니 하부의 받침대와 맞닿는 구성으로, 선 등록특허 제0861412호의 문제점을 해결하였다.
그러나 선 등록된 고효율 다결정 실리콘 잉곳 제조장치는, 도가니를 감싸는 제1히터가 도가니 내부로 이동하지 못함에 따라 가열효율이 낮을 뿐만 아니라 잉곳 제조시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.
또한, 도가니 내부에 제조되는 잉곳을 육안으로 확인할 수 없으므로 설정된 시간이 경과할 때까지는 진행상황을 알 수 없는 문제점이 있었다.
이에 상술한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은, 도가니의 내부로 상부히터가 이동됨에 따라 용융 실리콘의 가열효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 용융 실리콘의 상부온도를 조절할 수 있도록 하는 실리콘 잉곳 제조장치 및 이를 이용한 잉곳 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 도가니의 내부로 이동된 상부히터에서 발생되는 열이 도가니 외부로 유출되지 않도록 함으로써 열손실을 줄여 경제성을 향상시킬 수 있는 실리콘 잉곳 제조장치 및 이를 이용한 잉곳 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 도가니 내부의 잉곳 상태를 육안으로 확인할 수 있도록 하는 실리콘 잉곳 제조장치 및 이를 이용한 잉곳 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명 실리콘 잉곳 제조장치는,
실리콘을 용융하기 위한 도가니와;
상기 도가니 하부의 하부받침대에 안착되어 받침축을 따라 승,하강하는 하부단열판과;
상기 도가니 네 측면에 형성되는 측부단열판과;
상기 측부단열판의 상단부에 연결되어 도가니 상부에 위치하는 상부단열판과;
상기 측부단열판에 내장되는 측면히터와;
상기 상부단열판에 상,하이동하도록 형성되어 도가니에 장입된 실리콘을 가열하는 상부히터와;
상기 도가니에 용융된 용융 실리콘을 응고시킬 때, 상부단열판으로부터 측부단열판의 하단부로 이동하여 측면히터에서 발생되는 열이 도가니의 하부로 이동되지 않도록 차단하는 이동단열재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명 실리콘 잉곳 제조장치를 이용한 잉곳 제조방법은,
도가니에 실리콘을 장입시키는 단계와;
상기 도가니에 장입된 실리콘을 용융시키도록 측면히터와 상부히터에 전원을 공급하는 열을 발생하는 단계와;
상기 측면히터와 상부히터에서 발생하는 열로 도가니에 장입된 실리콘이 용융되면, 상부히터로 공급되는 전원을 차단하여 상부히터에서 열이 발생되지 않도록 하는 단계와;
상기 상부히터에서 열이 발생되지 않으면, 상부단열판 및 상부히터의 통공으로 시드척이 연결된 시드가 용융 실리콘의 상단부로 이동되어 용융 실리콘의 상단부부터 대형시드가 형성되도록 하는 단계와;
상기 용융 실리콘의 상단부에 형성된 대형시드를 시드척의 가압으로 도가니 바닥면에 안착되도록 하면서 이동단열재를 측부단열판의 하단부로 이동시켜 측면히터의 열이 도가니의 하부로 이동되는 것을 차단하는 단계와;
상기 도가니 바닥면에 대형시드가 안착되면, 상부히터에 전원을 공급함과 동시에 도가니 내부로 이동시켜 상부히터에서 발생하는 열로 시드척에 붙어있는 시드를 분리한 후, 용융 실리콘을 가열하는 단계와;
상기 상부히터를 실리콘 용융 온도로 용융 실리콘을 가열하면서 도가니의 저면에 냉각플레이트를 밀착시켜 용융 실리콘을 냉각시키는 단계와;
상기 냉각플레이트에 의해 용융 실리콘이 냉각되면서 잉곳이 형성되면, 이동단열재 및 냉각플레이트를 복원시키는 단계와;
상기 이동단열재와 냉각플레이트가 복원되면, 상부히터와 측면히터에 전원을 공급하여 900~1200℃에서 어닐링 공정을 수행하면서 잉곳에 형성되도록 하는 단계와;
상기 상부히터와 측면히터의 전원공급을 차단한 후, 상기 도가니에 형성된 잉곳을 인출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면, 도가니의 내부로 상부히터가 이동됨에 따라 용융 실리콘의 가열효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 용융 실리콘의 상부온도를 조절하여 잉곳의 품질을 획기적으로 향상시킬 수 있는 이점을 가질 수 있는 것이다.
또한, 본 발명에 의하면, 도가니의 내부로 이동된 상부히터에서 발생되는 열이 도가니 외부로 유출되지 않도록 함은 물론, 용융된 실리콘을 응고시켜 잉곳을 형성할 때, 이동단열재가 측부단열판의 하단부로 이동하여 측면히터의 열이 도가니 하부로 이동되는 것을 차단함으로써, 열손실을 줄여 경제성을 향상시킴과 아울러 도가니 내부의 잉곳 상태를 육안으로 확인하여 제품에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점을 가질 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명 실리콘 잉곳 제조장치의 단면도
도 2 내지 도 10은 본 발명 실리콘 잉곳 제조장치의 공정 순서를 나타낸 단면도
도 2 내지 도 10은 본 발명 실리콘 잉곳 제조장치의 공정 순서를 나타낸 단면도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명 실리콘 잉곳 제조장치의 단면도이다.
본 발명 실리콘 잉곳 제조장치(100)는, 실리콘(S)을 용융하기 위한 도가니(110)가 구성되고, 상기 도가니(110) 하부의 하부받침대(120')에 안착되어 받침축을 따라 승,하강하는 하부단열판(120)이 구성되며, 상기 도가니(110) 네 측면에 형성되는 측부단열판(130)이 구성되고, 상기 측부단열판(130)의 상단부에 연결되어 도가니(110) 상부에 위치하는 상부단열판(140)이 구성되며, 상기 측부단열판(130)에 내장되는 측면히터(150)가 구성되고, 상기 상부단열판(140)에 상,하이동하도록 형성되어 도가니(110)에 장입된 실리콘(S)을 가열하는 상부히터(160)가 구성되며, 상기 도가니(110)에 용융된 용융 실리콘(S')을 응고시킬 때, 상부단열판(140)으로부터 측부단열판(130)의 하단부로 이동하여 측면히터(150)에서 발생되는 열이 도가니(110)의 하부로 이동되지 않도록 차단하는 이동단열재(170)를 포함하여 구성되는 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 측부단열판(130) 내부에 측면히터(150)를 수용하는 공간(131)이 구비된다.
상기 상부단열판(140)에 도가니(110) 내부의 용융 및 응고된 실리콘(S) 상태를 육안으로 확인할 수 있도록 설치되는 잉곳확인포트(180)를 더 포함하여 구성된다.
상기 상부단열판(140) 및 상부히터(160)에 관통된 통공(191)을 통하여 도가니(110)에 용융된 잉곳을 응고시키도록 공급되는 시드(190)를 더 포함하여 구성된다.
상기 하부단열판(120)에 안착되어 도가니(110)를 냉각하는 냉각플레이트(200)를 더 포함하여 구성된다.
다음은 상기와 같이 구성된 본 발명 실리콘 잉곳 제조방법을 설명한다.
먼저, 오링(O-ring) 타입의 챔버(미도시) 내에 도가니(110)가 위치하는데, 상기 챔버는, 부스터 펌프 및 로터리 펌프를 이용하여 진공을 유지함은 물론 러핑 밸브(roughing valve)와 스로틀 밸브(throttle valve)를 사용하여 적절한 진공도를 유지한다.
상기 챔버(미도시) 내에 위치하는 도가니(110)에 도 2에 도시된 바와 같이, 고순도의 실리콘(S)을 장입하고, 챔퍼(미도시)를 밀폐시키며, 밀폐된 챔버는 펌프와 밸브를 이용하여 10-2 내지 10-4 torr 범위의 진공도를 유지한다.
다음으로 상기 도가니(110)의 측부와 상부에 위치한 측면히터(150)와 상부히터(160)에 전원을 공급하여 열을 발생시킴과 동시에 도가니(110)를 가열하여 실리콘(S)을 도 3에 도시된 바와 같이 용융시키는데, 상기 측면히터(150)와 상부히터(160)에서 발생되는 열은 하부단열판(120)과 측부단열판(130) 및 상부단열판(140)이 감싸고 있으므로 열의 누출을 방지하여 열손실을 줄일 수 있는 것이다.
상기의 과정으로 실리콘(S)이 용융되어 용융 실리콘(S')이 형성되면, 상부히터(160)로 공급되는 전원을 차단하여 상부히터(160)에서 열이 발생되지 않도록 하는 상태에서 도 4에 도시된 바와 같이, 상부단열판(140) 및 상부히터(160)에 관통된 통공(191)으로 시드척(191')에 연결된 시드(190)를 이동시켜 용용 실리콘(S')의 상단부에 잠겨 용융 실리콘(S')이 냉각되어 응고되면서 대형시드(S")가 형성되도록 하며, 상기 대형시드(S")는, 잉곳확인포트(180)를 통해 육안으로 확인할 수 있는 것이다.
여기서, 상기 시드(190)는, 볼펜과 같은 형상의 실리콘 결정체로 외부에서 만들어져 용융 실리콘(S') 상부에서 대형시드(S")를 제조할 때 형성되는 1회용품이고, 대형시드(S")는, 시드(190)에 의해서 용융 실리콘(S') 상부에 도가니(110) 내부와 근접한 크기로 만들어지는 것으로, 도가니(110) 하부로 이동해서 메인 잉곳을 만들 수 있는 시드 역할을 하는 것이다.
상기 용융 실리콘(S') 상부에 대형시드(S")가 형성되면, 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 시드척(191')의 가압으로 대형시드(S")가 도가니(110)의 바닥면에 안착되도록 한 후, 상부히터(160)를 도가니(110) 내부로 이동시킨 상태에서 상부히터(160)에 전원을 공급하여 발생되는 열로 용융 실리콘(S')을 가열하면서 시ㄷ드(190)를 녹여 대형시드(S")와 분리한다.
여기서, 상기 도가니(110) 내부로 상부히터(160)가 이동됨에 따라 용융 실리콘(S')의 가열효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 실리콘(S)을 가열하여 용융시킬 때의 온도보다 낮은 온도로 용융 실리콘(S')의 가열온도를 조절할 수 있는 것이다.
또한, 이동단열재(170)를 측부단열판(130)의 하단부로 이동시키는데, 상기 측면히터(160)는 상기 측부단열판(130)에 요입된 공간(131)에 위치하므로 하강하는 이동단열재(170)의 이동을 간섭하지 않으며, 상기 측면히터(150)에서 발생하는 열이 도가니(110)의 하부로 이동되는 것을 차단하면서 상부히터(160)의 전원공급을 차단하여 열이 발생되지 않도록 한다.
상기 상부히터(160)에서 용융 실리콘(S')의 가열온도를 조절하여 가열하는 상태에서 용융 실리콘(S')을 냉각하여 응고시키려고 도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 냉각플레이트(200)가 받침축(121)을 따라 이동하면서 도가니(110) 저면에 밀착시킨다.
이때, 상기 냉각플레이트(200)는, 내부로 유체 냉매, 일 예로 냉각수가 흐르는 수냉식을 사용할 수 있으며, 상기 냉각수의 순환에 따라 냉각플레이트(200)가 밀착된 도가니(110)의 하부에서 응고가 시작되어 상부 방향으로 진행되는데, 용융 실리콘(S')의 냉각속도는 냉각플레이트(200) 내부를 흐르는 냉매의 온도, 히터의 온도 등을 조절함으로써 제어된다.
여기서, 상기 도가니(110)는 하부받침대(120')에 설치된 4개의 받침축(121)이 모서리를 지지하는데, 이는 상기 도가니(110)의 중심부에 위치할 때보다 모서리에서 위치할 때가 열 손실을 최소로 줄일 수 있기 때문이다.
또한, 상기 도가니(110)를 하강이동하여 냉각플레이트(200)에 밀착시킨 상태에서도 도가니(110)를 냉각시킬 수도 있는 것이다.
상기 냉각플레이트(200)에 의하여 용융 실리콘(S')이 응고되어 대형시드(S")가 형성되면, 도 9에 도시된 바와 같이, 이동단열재(170) 및 냉각플레이트(200)를 원래의 상태로 복원시킨 후, 상기 측면히터(150)와 상부히터(160)를 가열하여 900~1200℃에서 어닐링 공정을 수행한다.
본 발명에 따른 어닐링 공정은 용융 실리콘(S')이 응고되면서 결정성장을 하는 과정에서 열응력 등으로 인하여 발생할 수 있는 용융 실리콘(S') 내의 각종 결함을 최소화하는데 도움을 준다.
상기 어닐링 공정이 완료되면, 도 10에 도시된 바와 같이, 상부히터(160) 및 측면히터(160)에 공급되는 전원을 차단한 상태에서 챔버(미도시) 내 온도가 상온으로 떨어지면 챔버를 개방하여 응고된 잉곳을 꺼낼 수 있으며, 상기의 공정은 제어부에 입력된 설정값에 의하여 자동화로 진행시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명은, 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 청구범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
100: 잉곳 제조장치 110: 도가니
120: 하부단열판 130: 측부단열판
140: 상부단열판 150: 측면히터
160: 상부히터 170: 이동단열재
180: 잉곳확인포트 190: 시드
200: 냉각플레이트
120: 하부단열판 130: 측부단열판
140: 상부단열판 150: 측면히터
160: 상부히터 170: 이동단열재
180: 잉곳확인포트 190: 시드
200: 냉각플레이트
Claims (6)
- 실리콘을 용융하기 위한 도가니와;
상기 도가니 하부의 하부받침대에 안착되어 받침축을 따라 승,하강하는 하부단열판과;
상기 도가니 네 측면에 형성되는 측부단열판과;
상기 측부단열판의 상단부에 연결되어 도가니 상부에 위치하는 상부단열판과;
상기 측부단열판에 내장되는 측면히터와;
상기 상부단열판에 상,하이동하도록 형성되어 도가니에 장입된 실리콘을 가열하는 상부히터와;
상기 도가니에 용융된 용융 실리콘을 응고시킬 때, 상부단열판으로부터 측부단열판의 하단부로 이동하여 측면히터에서 발생되는 열이 도가니의 하부로 이동되지 않도록 차단하는 이동단열재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 측부단열판 내부에 측면히터를 수용하는 공간이 구비되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 상부단열판에 도가니 내부의 용융 및 응고된 실리콘 상태를 육안으로 확인할 수 있도록 설치되는 잉곳확인포트를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 상부단열판 및 상부히터에 관통된 통공을 통하여 도가니에 용융된 잉곳을 응고시키도록 공급되는 시드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 하부단열판에 안착되어 도가니를 냉각하는 냉각플레이트를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조장치.
- 도가니에 실리콘을 장입시키는 단계와;
상기 도가니에 장입된 실리콘을 용융시키도록 측면히터와 상부히터에 전원을 공급하는 열을 발생하는 단계와;
상기 측면히터와 상부히터에서 발생하는 열로 도가니에 장입된 실리콘이 용융되면, 상부히터로 공급되는 전원을 차단하여 상부히터에서 열이 발생되지 않도록 하는 단계와;
상기 상부히터에서 열이 발생되지 않으면, 상부단열판 및 상부히터의 통공으로 시드척이 연결된 시드가 용융 실리콘의 상단부로 이동되어 용융 실리콘의 상단부부터 대형시드가 형성되도록 하는 단계와;
상기 용융 실리콘의 상단부에 형성된 대형시드를 시드척의 가압으로 도가니 바닥면에 안착되도록 하면서 이동단열재를 측부단열판의 하단부로 이동시켜 측면히터의 열이 도가니의 하부로 이동되는 것을 차단하는 단계와;
상기 도가니 바닥면에 대형시드가 안착되면, 상부히터에 전원을 공급함과 동시에 도가니 내부로 이동시켜 상부히터에서 발생하는 열로 시드척에 붙어있는 시드를 분리한 후, 용융 실리콘을 가열하는 단계와;
상기 상부히터를 실리콘 용융 온도로 용융 실리콘을 가열하면서 도가니의 저면에 냉각플레이트를 밀착시켜 용융 실리콘을 냉각시키는 단계와;
상기 냉각플레이트에 의해 용융 실리콘이 냉각되면서 잉곳이 형성되면, 이동단열재 및 냉각플레이트를 복원시키는 단계와;
상기 이동단열재와 냉각플레이트가 복원되면, 상부히터와 측면히터에 전원을 공급하여 900~1200℃에서 어닐링 공정을 수행하면서 잉곳에 형성되도록 하는 단계와;
상기 상부히터와 측면히터의 전원공급을 차단한 후, 상기 도가니에 형성된 잉곳을 인출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조장치를 이용한 잉곳 제조방법.
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| KR1020120065603A KR101339377B1 (ko) | 2012-06-19 | 2012-06-19 | 실리콘 잉곳 제조장치 및 이를 이용한 잉곳 제조방법 |
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| KR101339377B1 true KR101339377B1 (ko) | 2013-12-09 |
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