KR101372524B1 - 일체식 아크 환원 및 슬래그 정련 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 야금학적 공정을 이용하여 태양전지용 실리콘을 제조하는 공정 중에서 아크로 환원 공정과 슬래그 정련 공정을 연속적으로 수행한다.
더 상세하게 설명하면, 아크를 이용하여 규석광과 카본 블랙을 이용한 실리콘 환원 분위기에서 C와 CO를 제거하며 금속급 실리콘을 제조하는 아크로 환원 단계와 슬래그를 이용하여 P와 B를 제거하는 슬래그 정련 단계를 연속적으로 수행할 수 있도록 하나의 장치로 제조하였다.

Description

일체식 아크 환원 및 슬래그 정련 장치 {Monolithic arc reduction and slag refining apparatus}
본 발명은 규석광으로부터 태양전지용 실리콘을 제조하는 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는, 규석광으로부터 금속급 실리콘(MG-Si)을 제조하고, 그 용융상태의 금속급 실리콘을 야금학적 공정을 이용하여 태양전지에 사용할 수 있는 실리콘을 제조함으로 해서, 에너지를 절감할 수 있으며 생산 단가를 낮추고 환경오염을 줄일 수 있는 태양전지용 실리콘 제조시 사용할 수 있는 일체식 아크 환원 및 슬래그 정련 장치에 관한 것이다.
태양전지 시장은 2003년 이후 35%이상의 성장률을 기록하며 급성장 해왔다. 이러한 태양전지의 주요 소재인 폴리실리콘의 가격은 2009년 상반기에 잠시 하락하였다가 2010년부터 다시 오름세에 있으나 향후 폴리실리콘의 가격은 저가 안정화될 것이라는 전망이 지배적이다. 그러므로, 고순도이며 저가인 폴리실리콘의 제조기술 확보는 향후 세계 폴리실리콘 시장에 대한 경쟁력 확보 및 시장 점유율 상승으로 이어질 수 있으며, 관련산업의 확대를 통해 주변산업으로의 파급효과가 매우 클 것이다.
현재 상용화된 태양전지용 실리콘을 제조하는 기술 중에서, 가장 많이 사용하는 기술은 기상법인 일명 지멘스(Siemens) 공정이다. 상기 기상법은 규석광으로부터 제조된 금속급 실리콘(MG-Si)를 HCl 또는 H2와 반응시켜 가스상태의 혼합물을 만든 후, 증류탑에서 불순물을 정제하고, 실리콘 봉(rod)에서 고순도의 폴리실리콘을 석출시키는 방법이다. 상기 기상법의 경우, 고품질의 폴리실리콘을 제조할 수 있어서 반도체 산업 및 태양전지 사업 모두에 적용될 수 있다. 하지만, 기상법은 대규모 투자(폴리실리콘 1톤 생산 당 설비투자비 약 1억원)와 높은 소요에너지(약 120 kWh/kg)가 요구되어, 태양전지 사업에만 적용할 경우 고비용의 공정으로 볼 수 있다.
최근에 이러한 경제적인 이유로 기상법이 아닌 야금학적인 정련법에 대한 기술이 개발되고 있다. 야금학적인 정련법이란 금속급 실리콘을 슬래그 처리, 편석 분리, 응고 급랭, 전자빔, 플라즈마 등을 이용하여 정련하는 공정을 말한다. 야금학적 정련법은, 기상법에 비하여 1/5 이하의 에너지를 사용하면서도 제조가 가능하며 염화실란을 사용하지 않으므로 환경오염을 줄일 수 있고, 설비제작 및 작동이 안전하고 간편하다는 장점이 있다.
본 발명은 경제적인 이유로 개발된 종래의 야금학적 기술을 이용한 태양전지용 고순도 실리콘 제조 장치를 개량하여 보다 경제적으로 태양전지용 고순도 실리콘을 제조할 수 있는 제조 장치에 있어서, 일체식 아크 환원 및 슬래그 정련 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전자기 유도 용해용 도가니, 상기 도가니의 상부 측면에 배열된 원료공급장치, 아크 방전을 일으키는 상기 도가니의 내부에 배치된 아크 전극들, 및 상기 도가니의 하부 측면에 배열된 용융실리콘 출탕부로 이루어진 아크 용융로와, 상기 아크 용융로의 도가니의 일측에 배열된 슬래그 정련용 도가니, 상기 슬래그 정련용 도가니의 일측의 상부에 배열된 용융실리콘 도입부, 상기 슬래그 정련용 도가니의 상부에 배열된 플라즈마 토치, 및 상기 슬래그 정련용 도가니의 아래 측면에 배열된 고순도 실리콘 출탕부를 포함하는 적어도 하나의 슬래그 정련 장치가 일체로 연결되어 아크 환원 공정과 슬래그 정련 공정을 연속적으로 수행할 수 있다. 상기 아크 용융로에서 용융된 실리콘을 응고시키지 않고 그대로 슬래그 정련 장치로 보내어 연속적으로 슬래그 정련 공정을 수행함으로써 에너지를 절약하고 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 슬래그 정련 장치는 상기 아크 용융로에 붙였다 떼었다 할 수 있는 탈착식인 것을 특징으로 한다. 필요에 따라 상기 아크 용융로에 붙어있는 슬래그 정련 장치를 떼었다 붙였다 할 수 있어, 아크 용융로에서 생성되는 금속급 실리콘의 양에 따라 슬래그 정련 장치로 보내는 금속급 실리콘의 양을 조절할 수 있다.
본 발명의 상기 아크 용융로의 용융실리콘 출탕부는 상기 슬래그 정련 장치가 탈착된 경우에는 이에 해당하는 아크 용융로의 용융실리콘 출탕부가 폐쇄되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 아크 용융로를 이용한 금속급 실리콘 생산에서부터 슬래그 정련 공정까지 하나의 장치에서 진행되며, 용융된 상태로 연속적으로 공정을 진행함으로써 각 공정 작업시 용융에 필요한 에너지와 시간을 절약하여 사용 전력 및 공정시간 감축을 통해 생산단가를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에서 아크로 환원과 슬래그 정련이 연속적으로 이루어지는 장치를 보여주는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하나, 본 발명이 이 도면에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 아크 환원 및 슬래그 정련 장치(100)를 도시하였다. 상기 아크 환원 및 슬래그 정련 장치(100)는 아크 용융로(100A)와 슬래그 정련 장치(100B)가 하나의 장치로 결합되어 있는 구조로 이루어진다.
상기 아크 용융로(100A)는 전자기 유도 용해용 도가니(106), 도가니(106)의 상부 측면에 배열된 원료공급장치(101), 아크 방전(107)을 일으키는 도가니(106)의 내부에 배치된 아크 전극들(104, 105), 및 도가니(106)의 하부 측면에 배열된 용융실리콘 출탕부(108)로 이루어져 있다. 상기 아크 용융로 출탕부(108)와 용융실리콘 도입부(109)는 이어져 있고, 상기 용융실리콘 도입부는(109)는 슬래그 정련 장치(100B)와 연결되어 있으므로 아크 용융로(100A)에서 슬래그 정련 장치(100B)로 연속적으로 공정을 수행할 수 있다.
상기 슬래그 정련 장치(100B)는 상기 아크 환원로의 도가니(106)의 일측에 배열된 슬래그 정련용 도가니(112), 슬래그 정련용 도가니(112)의 일측의 상부에 배열된 용융실리콘 도입부(109), 슬래그 정련용 도가니(112)의 상부에 배열된 플라즈마 토치(114), 및 슬래그 정련용 도가니(112)의 아래 측면에 배열된 고순도 실리콘 출탕부(113)로 이루어져 있다.
상기 아크 용융로(100A)의 도가니(106)의 하부 측면에 배열된 개폐식 용융실리콘 출탕부(108) 및 용융실리콘 도입부(109)가 하나만 있을 수 있는 것이 아니라 필요에 따라 복수의 개수로 배열될 수 있다. 개폐식으로 열고 닫을 수 있는 용융실리콘 출탕부(108) 및 용융실리콘 도입부(109)가 하나 이상 구비되어 있어, 상기 아크 용융로(100A)에서 생성되는 금속급 실리콘의 양에 따라 슬래그 정련 장치(100B)로 보내는 상기 금속급 실리콘의 양을 조절할 수 있다.
상기 슬래그 정련 장치(100B)는 상기 아크 용융로에 완전히 고정되어 붙어 있는 것이 아닌 붙였다 떼었다 할 수 있는 탈착식이다. 복수의 개폐식 용융실리콘 출탕부(108) 및 용융실리콘 도입부(109)가 구비되어 있을 때, 필요에 따라 개방되어 있는 용융실리콘 출탕부(108) 및 용융실리콘 도입부(109)에 부착할 필요성이 있기 때문이다. 필요에 따라 상기 아크 용융로(100A)에 붙어있는 슬래그 정련 장치(100B)을 탈/부착 할 수 있어, 아크 용융로(100A)에서 생성되는 금속급 실리콘의 양에 따라 슬래그 정련 장치(100B)로 보내는 상기 금속급 실리콘의 양을 조절하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1을 참조하여 아크 환원 및 슬래그 정련 장치(100)에서의 공정을 순서대로 설명한다. 우선 원료 공급 장치(101)을 통하여 공급원료(102)가 투입되고, 전극(104)과 전극(105) 사이에서 아크방전(107)이 일어나 공급원료(102)를 용융 상태로 만든다. 공급원료(102)는 규석, 코크스, 숯, 우드칩으로 구성되며, 구성성분의 SiO2와 C 성분이 반응하여 아크 용융로(100A)의 상부에는 탄화규소(SiC), 하부에는 실리콘(Si)이 형성된다. 하부에 형성된 실리콘(Si)은 아크 용융로 출탕부(108)를 따라 용융실리콘 도입부(109)로 응고를 거치지 않고 용융상태로 그대로 이동하여 곧바로 슬래그 정련 공정을 거치게 된다.
슬래그 정련 장치(100B)의 상부에 위치한 플라즈마 토치(114)는 용융실리콘 도입부(109)에서 출탕된 금속급 실리콘을 용융상태로 유지할 수 있도록 도와줄 뿐만 아니라, 고순도 실리콘 출탕부(113)로 배출될 때까지 용융상태를 유지할 수 있게 하고, 플라즈마 정련을 통해 보다 효율적으로 고순도의 실리콘을 제조할 수 있도록 도와준다. 슬래그 정련 장치(100B)의 용융실리콘 도입부(109)로 도입된 금속급 실리콘에 슬래그를 장입하여 슬래그 및 금속급 실리콘(110) 혼재된 가운데 슬래그 정련 공정이 진행된다. 슬래그 정련 공정을 마친 실리콘은 고순도 실리콘 출탕부(113)을 통해서 배출된다.
규석으로부터 금속급 실리콘을 제조하는 방법으로는 아크 용융로를 이용한 탄소 환원법, 플라즈마 환원법, Al 등을 이용한 Thermit법, Mg 등을 이용한 자전연소 고온반응법(SHS) 등 다양한 방법이 연구되고 있으나, 본 발명에서는 경제적인 장점을 가지고 있어 공업적인 금속급 실리콘 제조에 주로 이용되고 있는 탄소에 의한 환원법을 사용하였다.
SiO2를 탄소를 이용하여 환원시켜 Si을 생성하기 위해서는 1,819℃ 이상의 온도가 필요하기 때문에 아크 용융로를 사용하였다. 아크 용융로(100A)의 내부 도가니는, 열적 특성이 좋은 도가니(106)를 사용하였고 아크 방전(107)시 전극의 역할을 할 수 있다.
상기 아크로 환원 공정은 규석, 코크스, 숯, 우드칩 등의 원료를 사용하였으며 각 혼합비를 달리하여 공정을 수행하였다. 먼저 도가니(106)에 잘 혼합된 상기 원료(102)를 장입하고 전원을 켠 상태에서 전극(104,105)을 이송하여 아크의 전류-전압을 조절하였다. 아크 용융로(100A)의 전류-전압은 수동으로 제어하였으며, 아크 방전(107) 발생 후 2~4시간 이후에 고온 가스 발생 형태와 장입물 상태 등을 통해 출탕시기를 정하였다. 아크 방전(107)의 전압-전류는 각각 20~65V, 1500~2000A의 범위로 유지하였다. 1차 출탕 후 추가 장입이 이루어지며, 전류-전압의 안정화가 이루어진 후, 다시 고온가스를 방출, 추가 장입 후 2차 출탕을 하였다.
상기 아크 용융로에서 출탕된 실리콘은 약 99.8%의 순도를 나타내었다.
상기 슬래그 정련 공정은 SiO2-CaO-CaF 계 슬래그를 이용하였으며, 금속급 실리콘과 슬래그가 용해되는 장치를 제작하여 슬래그 처리 공정을 수행하였다. 먼저 슬래그 정련 장치(100B) 내의 분위기 가스를 환원성 가스 분위기로 제어한다. 구체적으로, 상기 슬래그 정련 장치(100B) 내의 분위기를 Ar, He 중 선택된 하나 이상의 불활성 가스와 H2와 CH4중 적어도 하나의 환원성 가스로 이루어진 환원성 가스 분위기로 조절하며 상기 환원성 가스 분위기로 조절된 도가니 내에 금속급 실리콘(MG-Si) 및 슬래그를 장입한다.
이때 본 발명에서는 금속급 실리콘(MG-Si)과 슬래그(110)는 중량비가 1:1~3이 되도록 장입할 것이 요구된다. 상기 금속급 실리콘과 상기 슬래그의 비중 차이는 적기 때문에, 만일 금속급 실리콘 대비 슬래그 장입량이 너무 적으면, 후속하는 용융공정에서 용융실리콘이 슬래그 중으로 혼입되는 문제가 발생될 수 있으며, 슬래그 장입이 과다하면 정련공정상 비경제적이다. 보다 바람직하게는, 금속급 실리콘과 슬래그의 중량비가 1:2가 되도록 금속급 실리콘 및 슬래그를 장입하는 것이다.
이어서, 슬래그 정련 장치 내의 도가니(112) 가열하여 장입된 금속급 실리콘과 슬래그를 용융시킴으로써 용융실리콘과 슬래그의 계면반응을 통하여 용융실리콘중 인(P)을 Phosphide (P3 -) ion의 형태로 슬래그 중으로 제거한다. 이때, 상기 도가니(112)를 1450~1600℃의 온도로 가열함이 바람직하다.
즉, 수소분위기의 환원정련 반응을 통하여 산소분압 제어에 의해 실리콘 중 인(P)을 계면반응을 통해 슬래그 측으로 이동시킨다. 상세하게 설명하면, 본 발명은 통상의 용융실리콘과 슬래그의 정련공정 등에서 계면에서의 평형 산소분압 제어에 따른 슬래그 중 인(P)의 이온 안정성을 변화시킴으로써, 금속급 실리콘 중 인(P)의 분리제거를 기본개념으로 한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 아크 환원 및 슬래그 정련 장치
100A: 아크 용융로
100B: 슬래그 정련 장치
101: 원료 공급 장치
102: 공급원료
103: 내화재
104: 전극
105: 전극
106: 도가니
107: 아크방전
108: 아크로 출탕부
109: 용융실리콘 도입부
110: 슬래그 및 금속급 실리콘
111: Gas bubbling
112: 도가니
113: 고순도 실리콘 출탕부
114: 플라즈마 토치

Claims (3)

  1. 전자기 유도 용해용 도가니,
    상기 도가니의 상부 측면에 배열된 원료공급장치,
    아크 방전을 일으키는 상기 도가니의 내부에 배치된 아크 전극들, 및
    상기 도가니의 하부 측면에 배열된 용융실리콘 출탕부로 이루어진 아크 용융로와,
    상기 아크 용융로의 도가니의 일측에 배열된 슬래그 정련용 도가니,
    상기 슬래그 정련용 도가니의 일측의 상부에 배열된 용융실리콘 도입부,
    상기 슬래그 정련용 도가니의 상부에 배열된 플라즈마 토치, 및
    상기 슬래그 정련용 도가니의 아래 측면에 배열된 고순도 실리콘 출탕부를 포함하는 적어도 하나의 슬래그 정련 장치가
    일체로 연결되어 아크 환원 공정과 슬래그 정련 공정을 연속적으로 수행할 수 있고, 상기 슬래그 정련 장치는 상기 아크 용융로에 붙였다 떼었다 할 수 있는 탈착식인 것을 특징으로 하는 일체식 아크 환원 및 슬래그 정련 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 아크 용융로의 용융실리콘 출탕부는 상기 슬래그 정련 장치가 탈착된 경우에 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 일체식 아크 환원 및 슬래그 정련 장치.
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