KR101392939B1

KR101392939B1 - 사파이어 결정성장기

Info

Publication number: KR101392939B1
Application number: KR1020120097247A
Authority: KR
Inventors: 김경민
Original assignee: 디케이아즈텍 주식회사
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2014-05-08
Also published as: KR20140030730A

Abstract

본 발명은 도가니와 지지대의 중심이 정렬되는 구조를 갖는 사파이어 결정성장기에 관한 것으로서, 도가니 또는 이와 접하는 플레이트의 하면에 스탠드의 상부 형상에 대응되는 형상의 홈이 형성된 사파이어 결정성장기에 관한 것이다. 본 발명의 사파이어 결정성장기는 도가니를 지지대 중심에 위치시킴으로써 재현성 있는 가열을 유도할 수 있으며, 그 결과 잉곳의 품질향상을 거둘 수 있다.

Description

사파이어 결정성장기 {Sapphire Crystal Grower}

본 발명은 도가니와 지지대의 중심이 정렬되는 구조를 갖는 사파이어 결정성장기에 관한 것으로서, 도가니 또는 이와 접하는 플레이트의 하면에 스탠드의 상부 형상에 대응되는 형상의 홈이 형성된 사파이어 결정성장기에 관한 것이다. 본 발명의 사파이어 결정성장기는 도가니를 지지대 중심에 위치시킴으로써 균등한 가열을 유도할 수 있으며, 그 결과 잉곳의 품질향상을 꾀할 수 있다.

결정성장이란 결정구조를 가진 물질의 결정입자가 동일한 결정의 핵으로부터 차차 커지는 현상을 말하며, 인조다이아몬드, 인조루비, 인조수정, 텅스텐선(線), 저마늄·실리콘 등의 반도체, 페라이트 등의 결정체가 결정성장으로 만들어진다.

결정은 갑자기 큰 것으로 생기는 것이 아니라, 작은 것이 생겨 차차 커가는 것으로, 수용액이나 융액에서 이처럼 결정이 성장한다.

결정은 여러 가지 목적에 이용되므로, 오늘날에는 각종 인공결정을 만드는 연구가 활발해지고 있다. 특히 천연으로는 존재하지 않는 순도가 높은 것, 필요한 격자결함(格子缺陷)이 있는 것, 천연으로는 산출되지 않는 것 또는 산출이 적은 것 등을 상당히 자유롭게 만들 수 있게 되었다.

육방정계(六方晶系)의 능면체정족(菱面體晶族)에 속하는 광물로, 굳기는 9, 비중은 4.02, 청색 투명한 강옥인 사파이어의 결정 역시 결정성장에 의해 제조된다. 이러한 사파이어 결정은 태양전지, 발광다이오드 (LED), 레이저 다이오드, SOS (Silicon on Sapphire) 등의 제조에 사용되며, 그 용도가 확대되는 추세에 있으나 아직 공급이 수요를 못 따라가는 실정이다.

종래 사파이어 결정성장은 2050 ℃의 고온에서 알루미나 분말을 융해하여 결정을 성장시켰으며, 베르누이법 (Verneuil method), 플럭스법 (flux growth), 쵸크랄스키법 (Czochralski method), 온도구배법 (thermal gradient technique), EF법 (edge-defined film-fed growth), 카이로풀러스법 (Kyropoulos method) 등이 개발되었다. 구체적으로, 한국공개특허 제 2011-0042433 호 및 국제공개특허 WO 2010/071142는 쵸크랄스키법에 대한 발명이다.

그러나, 쵸크랄스키법이나 카이로풀러스법 등과 같이 알루미나를 일단 용융하는 방법에서는 최종 제품인 잉곳의 품질을 균일하게 유지하기 위해 가열에 의한 도가니 내 대류조건을 균등하게 유지 및 반복 재현할 필요가 있으나 이것이 쉽지 않다. 이는 도가니의 중심이 지지대의 중심과 일치하지 않아 발생하는 경우가 대부분이다.

실제 생산공정에서는 도가니를 지지대 위에 얹을 때, 수작업으로 일일이 중심을 맞추어가며 안착시켜야 하므로 중심을 정확히 맞추기가 어려워 시간이 많이 소요되고 비능률적이다.

더구나, 대형 잉곳 제작을 위해 도가니의 크기가 커지는 추세에 따라 이러한 문제점은 더 심각해지고 있어 그 해결이 시급하다.

한국공개특허 제 2011-0042433 호 (네오세미테크 주식회사) 2011.4.27. 국제공개특허 WO 2010/071142 (쇼와 덴코 가부시키가이샤) 2010.6.24.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 도가니의 하면 심부에 스탠드의 상부 형상에 대응되는 홈을 형성함으로써 도가니와 지지대의 중심을 용이하게 일치시킬 수 있는 사파이어 결정성장기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 또한 상기 도가니와 스탠드 사이에 플레이트를 개재하고 상기 플레이트의 하면 심부에 스탠드의 상부 형상에 대응되는 홈을 형성함으로써 도가니와 지지대의 중심을 용이하게 일치시킬 수 있는 사파이어 결정성장기를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명의 사파이어 결정성장기는 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 도가니, 상기 도가니를 떠받치는 지지대 및 상기 도가니와 지지대 사이에 개재되고 상기 도가니를 상기 지지대에 안착시키는 스탠드를 포함하는 사파이어 결정성장기에 있어서, 상기 도가니의 하면 심부에 홈이 형성되고, 상기 홈은 상기 스탠드의 상부 형상에 대응되는 형상인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 사파이어 결정성장기는 상기 도가니와 스탠드 사이에 플레이트를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 플레이트는 상기 도가니와 소재가 동일할 수 있다.

또한, 상기 플레이트의 직경은 상기 도가니 직경의 50 내지 90 %일 수 있다.

또한, 본 발명의 사파이어 결정성장기는 상기 플레이트의 하면 심부에 홈이 형성되고, 상기 홈은 상기 스탠드의 상부 형상에 대응되는 형상일 수 있다.

또한, 상기 스탠드의 상부 가장자리는 모따기 또는 라운드 형태일 수 있다.

또한, 상기 플레이트의 상부 가장자리는 모따기 또는 라운드 형태일 수 있다.

또한, 본 발명의 사파이어 결정성장기는 상기 플레이트의 하면 심부에 홈이 형성되고 상기 홈에 대응되는 상기 스탠드의 상면 심부에 돌부가 형성되거나, 상기 플레이트의 하면 심부에 돌부가 형성되고 상기 돌부에 대응되는 상기 스탠드의 상면 심부에 홈이 형성될 수 있다.

또한, 상기 홈은 1 내지 6 개일 수 있다.

또한, 상기 돌부의 측면은 상기 스탠드의 상면 또는 플레이트의 하면과 45 내지 90 ° 각도를 이룰 수 있다.

또한, 상기 돌부의 상부 가장자리는 모따기 또는 라운드 형태일 수 있다.

또한, 본 발명의 사파이어 결정성장기는 상기 도가니의 하면 심부에 홈이 형성되고, 상기 홈은 상기 플레이트의 상부 형상에 대응되는 형상일 수 있다.

또한, 상기 홈의 깊이는 2 내지 5 mm일 수 있다.

또한, 상기 도가니 또는 플레이트의 홈 깊이 중 상기 스탠드의 모따기 또는 라운드 높이에 대응되는 깊이는 전체 홈 깊이의 10 내지 50 %일 수 있다.

스탠드 또는 플레이트의 하면 심부에 홈 등이 형성되는 본 발명의 사파이어 결정성장기는 지지대의 중심과 도가니의 중심을 정확히 일치시킬 수 있다. 그 결과 가열에 따른 도가니 내 대류거동을 완전하게 제어할 수 있고, 가열 사이클마다 다른 대류거동을 보이던 현상을 제거할 수 있다. 따라서, 일방향 결정성장의 유도가 가능해져 최종 제품인 잉곳의 품질을 균일하게 관리하는 것이 가능하게 된다.

그리고, 지지대 위에 도가니를 얹을 때 중심을 맞추는 데 걸리는 시간을 크게 단축시킬 수 있어 작업능률이 현저하게 상승되고 생산성 및 경제성 또한 월등히 증가한다.

또한, 상기 홈 깊이만큼 도가니를 들어올리는 높이가 낮아짐에 따라 온도구배가 완만해지고 그 결과 결정성장이 안정적으로 이루어져 수율이 향상되는 장점이 있다.

도 1은 종래 사파이어 결정성장기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 사파이어 결정성장기의 일 실시예에 대한 단면도이다.
도 3은 플레이트를 구비한 본 발명의 사파이어 결정성장기의 또 다른 실시예에 대한 단면도이다.
도 4는 스탠드 등의 상부 가장자리가 모따기 형태인 실시예에 대한 단면도이다.
도 5는 도 4의 부분확대도이다.
도 6은 도 5 중 모따기 형태 대신 라운드 형태인 부분확대도이다.
도 7은 플레이트에 홈이 스탠드에 돌부가 형성된 실시예에 대한 단면도이다.
도 8은 플레이트에 돌부가 스탠드에 홈이 형성된 실시예에 대한 단면도이다.
도 9는 플레이트에 홈이 형성된 실시예에 대한 평면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 설명되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

종래 사파이어 결정성장기는 도 1에 도시된 바와 같이, 도가니 (10), 상기 도가니 (10)를 떠받치는 지지대 (30) 및 상기 도가니 (10)와 지지대 (30) 사이에 개재되고 상기 도가니 (10)를 상기 지지대 (30)에 안착시키는 스탠드 (20)를 포함한다.

여기서 도가니 (10)와 지지대 (30)는 서로 중심이 일치해야 일방향 결정성장이 가능하여 최종 제품의 불량을 예방할 수 있다. 그리고, 가열 사이클마다 중심을 정확히 일치시킴으로써 대류거동이 균등하고 재현성을 향상시켜 그 결과 잉곳의 품질을 일정하게 유지할 수 있다.

그런데, 일단 결정성장이 완료된 도가니 (10)로부터 잉곳을 제거하고 다시 원료를 장입한 후 크레인을 이용하여 지지대 (30) 위에 얹을 때 지지대 (30)의 중심에 도가니 (10)의 중심을 맞추어 얹어야 하는데, 종래에는 이를 모두 수작업으로 일일이 수행함에 따라 재현성이 낮고 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 작업능률이 현저히 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 스탠드 (20)의 상부 형상에 대응되는 형상의 홈을 상기 도가니 (10)의 하면 심부에 형성함으로써, 상기 홈에 스탠드 (20)가 들어가도록 도가니 (10)를 얹기만 하면 양쪽의 중심이 자동적으로 일치되도록 하였다는 데 특징이 있다.

이를 통해 도가니 (10)와 지지대 (30)의 중심이 일치하는 것은 물론, 이러한 중심의 일치를 간단하고 재현성 있게 수행할 수 있어, 잉곳의 품질 향상과 작업능률 제고를 동시에 도모할 수 있다.

한편, 본 발명의 사파이어 결정성장기는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 도가니 (10)와 스탠드 (20) 사이에 플레이트 (40)를 추가로 포함할 수 있다.

도가니 (10)의 열이 외부로 빠져나가는 것을 방지하기 위해 도가니 (10)를 지지대 (30) 위에 얹는데, 도가니 (10)의 바닥에 비해 스탠드 (20)의 직경이 작아 도가니 (10) 바닥이 변형될 가능성이 있다. 무엇보다, 상기 도가니 (10)는 알루미나의 용융을 위해 2050 ℃ 이상의 고온조건에 처해지는데 이 경우 중력에 의한 변형의 위험은 더욱 증가한다. 따라서, 스탠드 (20)와 도가니 (10) 사이에 스탠드 (20)보다 직경이 큰 별도의 플레이트 (40)를 구비하는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 플레이트 (40)는 상기 도가니 (10)와 마찬가지로 하면 심부에 홈이 형성되고, 상기 홈은 상기 스탠드 (20)의 상부 형상에 대응되는 형상을 갖도록 함으로써, 지지대 (30)와 도가니 (10)의 중심을 일치시킬 수 있다.

나아가, 상기 도가니 (10)의 하면 심부에는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 플레이트 (40)의 상부 형상에 대응되는 형상의 홈이 형성됨으로써, 도가니 (10), 플레이트 (40) 및 지지대 (30) 모두의 중심을 일치시키는 것이 더욱 바람직하다.

그리고, 상기 플레이트 (40)의 직경은 상기 도가니 (10) 직경의 50 내지 90 %인 것이 바람직한데, 상기 범위 미만이면 도가니 (10) 바닥 변형의 위험을 그다지 감소시키지 못하고, 상기 범위를 초과하면 도가니 (10)로부터의 열손실이 증가하는 문제점이 있다. 여기서, 직경이란 도가니의 경우 내경, 외경 또는 그 평균 중 어느 것을 기준으로 해도 무방하다.

그리고, 상기 플레이트 (40)는 알루미나 용융시 도가니 (10)의 무게로 인해 도가니 (10)에 결착되는 경우가 많은데, 결착시 상이한 열전도도로 인한 해석 및 제어의 어려움을 예방하기 위해, 상기 플레이트 (40)는 상기 도가니 (10)와 소재가 동일한 것이 바람직하다. 예컨대, 도가니 (10)가 텅스텐이면 플레이트 (40)도 텅스텐으로, 도가니 (10)가 몰리브덴이면 플레이트 (40)도 몰리브덴으로 제작되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 스탠드 (20)의 상부 가장자리는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 모따기 형태이거나 도 6처럼 라운드 형태인 것이 바람직하다.

스탠드 (20)의 상부 가장자리가 이처럼 모따기 형태 또는 라운드 형태이면 도 2나 도 3처럼 직각을 이루는 경우보다 도가니 (10)나 플레이트 (40)로의 삽입이 훨씬 용이해진다. 그 이유는 도 2나 도 3과 같은 경우 완전히 중심을 일치시켜 얹어야 하나, 도 4 내지 도 6의 경우 어느 정도 중심을 맞춘 다음 바로 얹어도 도가니 (10)나 플레이트 (40)가 미끄러져 스탠드 (20) 위에 안착되기 때문이다.

마찬가지 이유로, 도 4 내지 도 6에서 도시한 바와 같이 상기 플레이트 (40)의 상부 가장자리 역시 모따기 또는 라운드 형태인 것이 도가니 (10)를 얹는 데 훨씬 유리하다.

한편, 상기 도가니 (10)나 플레이트 (40)에 형성되는 홈의 깊이는 2 내지 5 mm인 것이 바람직한데, 상기 범위 미만이면 도가니 (10)나 플레이트 (40)가 옆으로 미끄러져 중심에서 이탈할 가능성이 있고, 반대로 상기 범위를 초과하면 홈 부위에서 도가니 (10)나 플레이트 (40)의 두께가 지나치게 얇아질 뿐만 아니라 구조의 복잡성으로 인해 열전달 거동의 해석이 어려워진다.

그리고, 상기 도가니 (10) 또는 플레이트 (40)의 홈 깊이 중 상기 스탠드 (20)의 모따기 또는 라운드 높이에 대응되는 깊이는 전체 홈 깊이의 10 내지 50 %인 것이 바람직하다. 상기 범위 미만이면 도가니 (10)나 플레이트 (40)에 스탠드 (20)를 용이하게 삽입하고자 하는 목적 자체를 달성하기가 어려워진다. 반대로 상기 범위를 초과하면 도가니 (10)나 플레이트 (40)와 스탠드 (20) 사이에 이물질이 존재하여 이격이 발생하는 경우 그 이격도에 따라 중심에서 이탈하는 경우가 발생할 수 있다.

본 발명의 사파이어 결정성장기는 일반적인 홈과 이에 대응되는 돌부의 조합에 의해 상기 플레이트 (40)와 스탠드 (20)의 중심을 일치시키는 것도 가능하다.

예컨대, 도 7과 같이 상기 플레이트 (40)의 하면 심부에 홈이 형성되고 상기 홈에 대응되는 상기 스탠드 (20)의 상면 심부에 돌부가 형성되거나, 도 8과 같이 상기 플레이트 (40)의 하면 심부에 돌부가 형성되고 상기 돌부에 대응되는 상기 스탠드 (20)의 상면 심부에 홈이 형성될 수도 있다.

이러한 홈은 1 내지 6 개일 수 있으며, 이에 대응되는 돌부의 갯수도 마찬가지다. 도 9는 홈 및 돌부의 갯수가 각각 6 개인 경우를 나타내고 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 돌부의 측면은 상기 스탠드 (20)의 상면 또는 플레이트 (40)의 하면과 45 내지 90 °의 각도를 이루는 것이 바람직한데, 이 범위에서는 전술한 모따기 또는 라운드 구조에서처럼 플레이트 (40)와 스탠드 (20)의 결합이 용이해지기 때문이다. 도 7의 각 A가 상기 범위 미만이면 플레이트 (40)가 옆으로 미끄러져 중심에서 이탈할 가능성이 있고, 반대로 상기 범위를 초과하면 홈에 돌부가 삽입되지 않는다.

나아가, 플레이트 (40)와 스탠드 (20)의 결합을 용이하게 하기 위해서는 전술한 바와 같이 상기 돌부의 상부 가장자리를 모따기 또는 라운드 형태로 하는 것도 가능하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본원 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 범위는 위의 실시예에 국한해서 해석되어서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 도가니
20 : 스탠드
30 : 지지대
40 : 플레이트

Claims

도가니, 상기 도가니를 떠받치는 지지대 및 상기 도가니와 지지대 사이에 개재되고 상기 도가니를 상기 지지대에 안착시키는 스탠드를 포함하는 사파이어 결정성장기에 있어서,
상기 도가니의 하면 심부에 홈이 형성되고, 상기 홈은 상기 스탠드의 상부 형상에 대응되는 형상이고,
상기 도가니와 스탠드 사이에 플레이트를 추가로 포함하고,
상기 플레이트의 하면 심부에 홈이 형성되고 상기 홈에 대응되는 상기 스탠드의 상면 심부에 돌부가 형성되거나, 상기 플레이트의 하면 심부에 돌부가 형성되고 상기 돌부에 대응되는 상기 스탠드의 상면 심부에 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 사파이어 결정성장기.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 플레이트는 상기 도가니와 소재가 동일한 것을 특징으로 하는 사파이어 결정성장기.
청구항 1에 있어서,
상기 플레이트의 직경은 상기 도가니 직경의 50 내지 90 %인 것을 특징으로 하는 사파이어 결정성장기.
청구항 1에 있어서,
상기 플레이트의 하면 심부에 홈이 형성되고, 상기 홈은 상기 스탠드의 상부 형상에 대응되는 형상인 것을 특징으로 하는 사파이어 결정성장기.
청구항 1 또는 청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 스탠드의 상부 가장자리는 모따기 또는 라운드 형태인 것을 특징으로 하는 사파이어 결정성장기.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 돌부의 측면은 상기 스탠드의 상면 또는 플레이트의 하면과 45 내지 90 ° 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 사파이어 결정성장기.
청구항 1에 있어서,
상기 도가니의 하면 심부에 홈이 형성되고, 상기 홈은 상기 플레이트의 상부 형상에 대응되는 형상인 것을 특징으로 하는 사파이어 결정성장기.
청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
상기 홈의 깊이는 2 내지 5 mm인 것을 특징으로 하는 사파이어 결정성장기.
청구항 6에 있어서,
상기 도가니 또는 플레이트의 홈 깊이 중 상기 스탠드의 모따기 또는 라운드 높이에 대응되는 깊이는 전체 홈 깊이의 10 내지 50 %인 것을 특징으로 하는 사파이어 결정성장기.