KR101432896B1 - 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리실리콘의 제조시 사용되는 유동층 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 응력흡수부재를 통하여 반응기를 구성하는 셀과 반응관의 열팽창률에 차이에 의해 발생되는 응력을 해소할 수 있는 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기에 관한 것이다.
본 발명은 서로 다른 재질로 이루어진 반응기셀과 반응관으로 구성되는 유동층 반응기에 있어서, 실리콘 입자를 투입하는 씨드 투입구 및 배출가스가 배출되는 배출가스처리부가 구비되는 헤드; 상기 헤드의 하부에 결합되는 반응기 셀; 상기 반응기셀의 내부에 배치되는 반응관; 및 상기 반응관의 상부면과 헤드 사이에 배치되는 응력흡수부재;를 포함하고, 상기 응력흡수부재는 고온의 환경에서 상기 반응기셀과 반응관의 열팽창률 차이에 따른 응력을 흡수하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기를 제공한다.

Description

폴리실리콘 제조용 유동층 반응기{Fluidized Bed Reactor for production of a polysilicon}
본 발명은 폴리실리콘의 제조시 사용되는 유동층 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 응력흡수부재를 통하여 반응기를 구성하는 셀과 반응관의 열팽창률에 차이에 의해 발생되는 응력을 해소할 수 있는 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기에 관한 것이다.
반도체급 또는 태양전지급 폴리실리콘을 제조하기 위하여 지멘스사에서 개발된 막대형의 폴리실리콘을 제조하는 지멘스 공정과 입자형의 폴리실리콘을 제조하는 유동층 반응기 공정이 있다.
이 중에서 지멘스 공정은 전 세계적으로 약 90% 이상을 차지하는 공정으로 종형의 반응기를 이용하여 고순도의 폴리실리콘을 생산하고 있다. 그러나 이러한 지멘스 공정은 시설 투자비가 많이 들고 고온의 석출 온도로 인해 전력을 많이 많이 소모하기 때문에 생산비용이 막대한 단점이 있다.
반면에 유동층 반응기를 이용한 공정은 수요에 비해 공급이 적은 입자형 폴리실리콘을 생산하는 것으로 지멘스 공정에 비하여 상대적으로 시설투자비가 적게 들며, 낮은 석출 온도에서도 반응이 이루어지기 때문에 생산비용 역시 절감할 수 있는 장점이 있다. 따라서 반도체급 또는 태양전지급의 폴리실리콘을 제조하는 방법으로 유동층 반응기를 이용한 방법이 많이 사용된다.
이러한 유동층 반응기는 통상적으로 그라파이트 또는 쿼츠 등의 비금속 재질의 반응관이 내부에 배치되고 외부에 메탈 재질의 반응기 셀이 배치되어 유동층 반응기를 구성하게 된다. 그러나 유동층 반응기를 구성하는 반응기 셀과 반응관이 서로 다른 상이한 재질로 이루어짐에 따라 고온의 환경에서 재질차이로 인해 열팽창률이 서로 다르게 된다. 이에 따라, 고온에서의 열팽창에 의해 반응기 셀 및 반응관에 많은 응력이 가해진다. 이로 인해, 과한 응력이 가해질 경우 반응관이 파손되거나 내부의 가스가 누출되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반응관의 상부에 응력흡수부재를 설치하여 반응관의 열팽창시 발생되는 응력을 해소함으로써 반응관의 내구성을 높일 수 있는 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 서로 다른 재질로 이루어진 반응기셀과 반응관으로 구성되는 유동층 반응기에 있어서, 실리콘 입자를 투입하는 씨드 투입구 및 배출가스가 배출되는 배출가스처리부가 구비되는 헤드; 상기 헤드의 하부에 결합되는 반응기 셀; 상기 반응기셀의 내부에 배치되는 반응관; 및 상기 반응관의 상부면과 헤드 사이에 배치되는 응력흡수부재;를 포함하고, 상기 응력흡수부재는 고온의 환경에서 상기 반응기셀과 반응관의 열팽창률 차이에 따른 응력을 흡수하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 응력흡수부재는 코일스프링으로 구비되고 양단이 상기 반응관의 상부면과 헤드의 하부면에 각각 고정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 응력흡수부재는 복수 개로 구비되고 상기 반응관의 둘레방향을 따라 등간격으로 이격배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 반응관의 상부면과 헤드의 하부면 사이에는 상기 응력흡수부재가 배치되는 이격공간이 구비되고, 상기 이격공간에 배치되는 상기 씨드 투입구 및 배출가스처리부의 일부가 주름관으로 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 헤드와 반응관의 상부면을 관통하여 설치되는 뷰포트가 추가적으로 구비되고 상기 뷰포트의 길이중간이 주름관으로 구비될 수 있다.
본 발명에 의하면, 반응관의 상부와 헤드의 하부면 사이에 이격공간을 형성하고 상기 이격공간에 응력흡수부재를 설치함으로써 고온에서 반응기셀과 반응관의 열팽창시 발생되는 응력을 해소함으로써 반응관의 내구성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기를 나타낸 개략적인 단면도.
도 2는 도 1에서 응력흡수부재의 배치관계를 나타낸 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
이하에서, 발명의 이해를 돕기 위해 도면부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면에 표시되었다 하더라도 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기(100)는 반응기셀(120)의 내부에 배치되는 반응관(130)와 헤드(110) 사이에 응력흡수부재(140)를 배치하여 고온에서 반응기셀(120)과 반응관(130)의 상이한 열팽창률에 의해 발생되는 응력을 흡수하여 줌으로써 반응관(130)의 내구성을 높일 수 있는데 그 기술적 특징이 있다.
이와 같은 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기(100)는 헤드(110), 반응기셀(120), 반응관(130) 및 응력흡수부재(140)를 포함한다.
상기 헤드(110)는 판상의 부재로 개방된 반응기셀(120)의 상부를 덮기 위한 것이다. 이러한 헤드(110)는 일정길이를 갖는 중공관 형태의 씨드 투입구(112) 및 배출가스처리부(114)가 구비된다.
여기서, 상기 씨드 투입구(112)는 반응관(130) 내에서 반응가스와의 반응을 통해 다결정실리콘으로 성장시키기 위한 실리콘 종입자를 투입하기 위한 것이며, 상기 배출가스처리부(114)는 상기 실리콘 종입자와 반응가스와의 반응시 발생되는 배출가스가 반응관(130)의 내부에 누적되지 않도록 배출가스를 외부로 배출하기 위한 것이다.
이러한 씨드 투입구(112) 및 배출가스처리부(114)는 상기 헤드(110)와 반응관(130)의 상부면에 각각 관통형성되는 결합공(115,133)을 통하여 헤드(110) 및 반응관(130)의 상부를 관통하도록 설치된다.
이때, 상기 씨드 투입구(112) 및 배출가스처리부(114)는 도 1에 도시된 바와 같이 그 일부가 주름관의 형태로 구비되는 것이 바람직하다. 이는, 서로 다른 재질로 이루어진 반응기셀(120) 및 반응관(130)이 고온에서 서로 다른 열팽창률로 인해 신장되는 길이가 다르기 때문에 상기 헤드(110)의 하부면과 반응관(130)의 상부면 사이의 이격거리에 변화가 발생된다. 일례로, 반응기셀(120)의 재질로 Incoloy 800H를 사용하고 반응관(130)의 재질로 Graphite를 사용하는 경우 반응기셀(120)의 열팽창량은 5.1cm인 반면 반응관(130)의 열팽창량은 1.4cm이다. 이에 따라, 반응관(130)의 상부면과 헤드(110)의 하부면 사이의 이격거리는 줄어들게 되므로 헤드(110) 및 반응관(130)의 상부면에 각각 길이 중간이 고정된 씨드 투입구(112) 및 배출가스처리부(114)의 길이도 줄어들어야 열팽창량의 차이에 따른 파손을 방지할 수 있게 된다. 이를 위해, 씨드 투입구(112) 및 배출가스처리부(114)의 길이중간이 주름관으로 구비되어 그 길이가 신장될 수 있도록 함으로써 열팽창률의 차이에 따른 파손을 방지할 수 있게 된다.
상기 반응기셀(120)은 유동층 반응기(100)의 전체적인 외형을 이루는 것으로, 상부가 개방된 내부공간을 갖는 함체형상으로 구비된다. 이러한 반응기셀(120)은 내부에 상기 반응관(130)이 내장설치되며 개방된 상부에 상기 헤드(110)가 결합된다. 이때, 상기 반응기셀(120)은 강도 및 내충격성이 강하면서 높은 온도에서도 강도를 잘 견딜 수 있는 금속재질이 사용된다. 즉 상기 반응기셀(120)의 재질로는 Incoloy 800H와 같은 금속재질로 이루어지며, 외측에는 내부에 배치되는 반응관(130) 내에서 반응가스와 실리콘 종입자가 반응할 수 있도록 열을 가하는 가열기(150)가 배치된다. 그리고, 상기 반응기셀(120)의 하부측에는 실리콘 종입자와 반응가스가 서로 반응하여 석출된 다결정 실리콘을 외부로 배출하기 위한 배출관(137)이 설치되어 있다.
상기 반응관(130)은 외부에서 투입된 반응가스 및 실리콘 종입자의 반응이 일어나는 곳으로, 밀폐공간을 갖는 함체형상으로 구비되어 상기 반응기셀(120)의 내부에 배치된다. 이러한 반응관(130)은 통상적으로 강도 및 내충격성이 강하면서 높은 온도에서도 강도를 잘 견딜 수 있는 Graphite와 같은 비금속재질로 이루어진다.
이러한 반응관(130)은 상부면이 상기 헤드(110)의 하부면으로부터 일정간격 이격되도록 상기 반응기셀(120)의 내부에 배치되어 헤드(110)의 하부면과 반응관(130)의 상부면 사이에 이격공간(S)이 마련되도록 한다.
그리고, 상기 반응관(130)의 하부에는 반응가스를 내부로 공급하기 위한 반응가스 공급부(135)가 마련된다.
여기서, 상기 반응관(130)은 도 1에 도시된 바와 같이 상부가 개방된 함체형상으로 이루어지고 개방된 상부가 별도의 덮개판(132)에 의해 착탈가능하게 결합되는 방식으로 구비될 수도 있지만, 기밀성을 높이기 위하여 전체가 밀폐된 통체형상으로 구비될 수도 있음을 밝혀둔다.
그리고, 실리콘 석출에 필요한 반응가스를 반응관(130)의 내부로 공급하기 위한 반응가스 공급부(135)는 하나의 반응가스노즐로 구성되거나 여러 개의 노즐로 나뉘어 구성되거나 하나의 노즐을 다수 개의 노즐이 둘러싸는 다중관의 형태로 구성될 수도 있음을 밝혀둔다.
이와 같이 통상적으로 유동층 반응기(100)는 내부에 배치되는 반응관(130)은 비금속재질로 이루어지고 외부에 배치되는 반응기셀(120)은 금속재질로 이루어진다. 이에 따라, 가열기(150)에서 전달되는 열에 의해 가열되어 고온의 환경이 되면 반응기셀(120) 및 반응관(130)은 높이 방향으로 각각 신장되지만 재질의 차이에서 기인하는 열팽창률은 서로 다르게 된다. 상술한 바와 같이 비금속 재질인 반응관(130)은 금속재질인 반응기셀(120)보다 상대적으로 더 작은 열팽창량을 갖기 때문에 길이중간이 반응관(130) 및 헤드(110)에 각각 고정된 씨드 투입구(112) 및 배출가스 처리부(114)에는 열팽창에 따른 응력이 발생하게 되며, 과도한 응력이 발생하는 경우 구성품의 일부가 파손되는 경우가 발생된다. 이를 방지하기 위하여 본 발명에서는 상기 헤드(110)의 하부면과 반응관(130)의 상부면 사이에 별도의 이격공간(S)을 마련하고 상기 이격공간(S)에 응력흡수부재(140)를 배치하여 발생되는 응력을 흡수함으로써 내구성을 높일 수 있도록 한다.
여기서, 상기 응력흡수부재(140)는 코일스프링으로 구비될 수 있으며 양단이 각각 상기 헤드(110)의 하부면과 반응관(130)의 상부면에 접하도록 배치됨으로써 열팽창시 높이방향으로 발생되는 응력을 흡수할 수 있도록 한다. 그리고, 상기 코일스프링의 재질로는 고온에서 사용되는 금속인 Inconel, Incoloy, Hastelloy, Nimonic alloy, Monel, Haynes alloy, 고온용 Stainless steel 등이 사용될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 응력흡수부재(140)는 복수 개로 구비되고 상기 반응관(130)의 상부면에 둘레방향을 따라 서로 일정간격 이격배치되도록 함으로써 열팽창시 발생되는 응력을 균등하게 흡수할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 헤드(110)에는 반응관(130)의 내부에서 진행되는 반응과정을 살피기 위한 뷰포트(117)가 구비될 수 있다. 이러한 뷰포트(117)도 상기 씨드 투입구(112) 및 배출가스처리부(114)와 마찬가지로 상기 이격공간(S)에 배치되는 길이중간이 주름관으로 구비되어 반응기셀(120)과 반응관(130)의 열팽창량의 차이에 의해 발생되는 응력으로부터 파손되는 것을 방지하도록 한다.
도시하지는 않았지만, 냉각이 필요한 유동층 반응기 요소들은 그 요소의 내부 혹은 외벽에 냉각유체의 순환이 가능하도록 설계되어 제조될 수도 있고, 냉각 대신 작업자 보호 및 과다한 열손실 방지를 위하여 반응기의 외부 표면에 단열재를 추가로 설치하는 것도 가능함을 밝혀둔다.
본 발명에 의하면, 반응관의 상부와 헤드의 하부면 사이에 이격공간을 형성하고 상기 이격공간에 응력흡수부재를 설치함으로써 고온에서 반응기셀과 반응관의 열팽창시 발생되는 응력을 해소함으로써 반응관의 내구성을 높일 수 있는 효과가 있다.
상기에서 본 발명의 특정 실시예와 관련하여 도면을 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명을 이와 같은 특정 구조에 한정하는 것은 아니다. 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 벗어나지 않고서도 용이하게 수정 또는 변경할 수 있을 것이다. 그러나 이러한 단순한 설계변형 또는 수정을 통한 등가물, 변형물 및 교체물은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속함을 미리 밝혀둔다.
100 : 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기
110 : 헤드 112 : 씨드 투입구
114 : 배출가스처리부 115 : 결합공
117 : 뷰포트 S : 이격공간
120 : 반응기셀 130 : 반응관
132 : 덮개판 133 : 결합공
135 : 반응가스 공급부 137 : 배출관
140 : 응력흡수부재 150 : 가열기

Claims (5)

  1. 서로 다른 재질로 이루어진 반응기셀과 반응관으로 구성되는 유동층 반응기에 있어서,
    실리콘 입자를 투입하는 씨드 투입구 및 배출가스가 배출되는 배출가스처리부가 구비되는 헤드;
    상기 헤드의 하부에 결합되는 반응기 셀;
    상기 반응기셀의 내부에 배치되는 반응관; 및
    상기 반응관의 상부면과 헤드 사이에 배치되는 응력흡수부재;를 포함하고,
    상기 반응관의 상부면과 헤드의 하부면 사이에는 상기 응력흡수부재가 배치되는 이격공간이 구비되고, 상기 이격공간을 통과하는 상기 씨드 투입구 및 배출가스처리부는 상기 이격공간 상에 배치되는 일부가 주름관으로 구비되는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 응력흡수부재는 코일스프링으로 구비되고 양단이 상기 반응관의 상부면과 헤드의 하부면에 각각 고정되는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 응력흡수부재는 복수 개로 구비되고 상기 반응관의 둘레방향을 따라 등간격으로 이격배치되는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 헤드와 반응관의 상부면을 관통하여 설치되는 뷰포트가 추가적으로 구비되고 상기 뷰포트의 길이중간이 주름관으로 구비되는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기.
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