KR101482709B1 - 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 본 발명의 구성은 내부에 냉각용 에어가 유입되기 위한 쿨링 챔버(12)가 구비된 풀링 슬리브(10)와; 상기 풀링 슬리브(10)의 후단부에 연결되며 내부에는 상기 쿨링 챔버(12)와 연통되는 제너레이션 챔버(22)가 형성되고 외주면에는 압축 에어 공급기(32)와 연결되는 압축 에어 유입구(24)가 형성되며 후단부에는 핫에어 아웃홀(26)이 구비되어 상기 압축 에어 유입구(24)를 통해 고압으로 유입된 압축 에어(CP)에 의해 고속으로 와류를 일으키면서 고온으로 가열된 에어가 상기 제너레이션 챔버(22)의 내주면을 따라 후단부 방향으로 흘러서 상기 핫에어 아웃홀(26)을 통하여 배출되도록 함과 동시에 상기 고온 에어의 안쪽 중앙부로는 쿨링 에어(CA)를 통과시켜서 상기 풀링 슬리브(10)의 상기 쿨링 챔버(12) 내부로 공급하는 보택스 튜브(20)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리{Puller assembly for single crystal growth device}
본 발명은 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단결정 성장에 매우 중요한 냉각 온도의 제어가 용이하고 원활하게 이루어질 수 있으면서도 완성된 단결정의 성장이 불안정하게 이루어지는 경우도 방지하도록 하는 구성을 구비하되, 단결정 성장 중에 압력 증기에 의해 풀러가 터져버리는 현상을 방지함으로써 작업 안전성을 높이고 단결정의 고품질도 보장할 수 있는 새로운 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리에 관한 것이다.
종래 단결정 성장장치가 출시되어 있는데, 이러한 종래 단결정 성장장치로는 챔버의 내부에 설치된 도가니와, 이 도가니에 열을 가하여 온도를 높이는 히터와, 이 히터의 주위에 배치되어 열이 외부로 빠져나가는 것을 방지함으로써 히터의 열효율을 높여주는 단열재를 포함하는 것이 있으며, 도가니 내부에 위치한 재료(단결정 성장을 위한 시약 등이 될 수 있음)가 온도 조절부 등에 의해 설정된 입력온도에 따라 녹는점까지 가열되고, 재료가 녹기 시작하면 승강 장치부 등에 이해 하강시켜 풀러의 선단부에 부착된 시드 결정(seed crystal,18)을 녹은 용액의 표면에 접촉시킴으로써, 단결정 성장이 시작된다. 다음, 상기 승강 장치부에 의해 일정하게 풀러를 상부로 구동하게 함으로써 단결정이 점점 성장한다. 이때, 도가니에 설치된 센서 등에 의해 도가니의 온도가 감지되고, 센서 등에 연결된 온도 조절부에 의해 온도가 읽혀지고 제어됨으로써, 단결정 육성에 적절한 온도가 유지될 수 있게 되며, 이처럼 시드 결정을 중심으로 용융상태의 재료가 묻어서 점차적으로 단결정이 육성됨으로써, 완전한 단결정이 만들어질 수 있게 된다.
그런데, 사파이어의 단결정의 성장은 Si등의 단결정에 비해 용융 온도가 500℃ 이상 높은 2050℃ 정도의 매우 높은 온도이기 때문에, 열손실을 줄여 에너지 효율을 높이기 위하여는 단열재를 대형화할 수밖에 없게 되는데, 이처럼 단열재가 대형화됨으로 인하여 단열재의 열용량 증가로 가열에 있어서 또한 다량의 에너지와 시간이 들어가게 되고, 냉각시에도 많은 시간이 필요하게 되는 문제를 낳게 된다.
이를 개선하기 위한 시도로서 종래에 단결정 성장 장치에는 단결정을 성장하면서 당겨주는 풀러가 구비되는데, 이러한 풀러에서 단결정과 접촉되는 부분이 과하게 고온으로 올라가는 것을 방지하기 위한 냉각 구조가 구비된 것이 있다. 즉, 상기 단결정 성장 장치에 구비된 냉각 구조로는 풀러의 내부에 쿨링 에어 공급챔버로 쿨링 에어를 공급하여 열교환이 이루어지도록 하고, 열교환된 쿨링 에어는 쿨링 에어 공급챔버의 외주면 위치에 형성된 쿨링 에어 배출챔버를 지나서 배출공을 통해 배출되는 쿨링 에어 순환구조를 가진 것이 있다.
그런데, 종래 쿨링 에어를 풀링 슬리브 내부에 투입하여 냉각시키는 방식은 일단 풀링 슬리브로 쿨링 에어가 투입되면 쿨링 에어에 의한 열교환으로 냉각이 이루어지도록 하지만, 상기 풀러에서 특히 성장되는 단결정과 접촉되는 부분의 온도가 상당히 높기 때문에, 쿨링 에어가 급속히 증발하여 증기로 급속히 전환되면서 압력 증기에 의해 풀러 자체가 터져버리는 문제가 초래될 수 있다. 상기 풀러는 내부에 쿨링 챔버(12)가 있는 관형상이라서 상기 쿨링 에어가 풀러의 냉각 챔버로 유입되어 급속히 압력 증기로 바뀌어버리면, 풀러 자체가 압력 증기에 의해 터져버리는 문제가 생길 수 있으며, 이처럼 단결정 성장 중에 풀러가 터져버리면 단결정의 품질 불량이 유발되는 등의 여러 중대한 문제가 생길 수 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 개발된 것으로, 본 발명의 목적은 단결정 성장에 매우 중요한 냉각 온도의 제어가 용이하고 원활하게 이루어질 수 있으면서도 완성된 단결정의 성장이 불안정하게 이루어지는 경우도 방지하도록 하는 구성을 구비하되, 단결정 성장 중에 압력 증기에 의해 풀러가 터져버리는 현상을 방지함으로써 작업 안전성을 높이고 단결정의 고품질도 보장할 수 있는 새로운 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리를 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 내부에 냉각용 에어가 유입되기 위한 쿨링 챔버(12)가 구비된 풀링 슬리브(10)와, 상기 풀링 슬리브(10)의 후단부에 연결되며 내부에는 상기 쿨링 챔버(12)와 연통되는 제너레이션 챔버(22)가 형성되고 외주면에는 압축 에어 공급기(32)와 연결되는 압축 에어 유입구(24)가 형성되며 후단부에는 핫에어 아웃홀(26)이 구비되어 상기 압축 에어 유입구(24)를 통해 고압으로 유입된 압축 에어(CP)에 의해 고속으로 와류를 일으키면서 고온으로 가열된 핫에어가 상기 제너레이션 챔버(22)의 내주면을 따라 후단부 방향으로 흘러서 상기 핫에어 아웃홀(26)을 통하여 배출되도록 함과 동시에 상기 고온 에어의 안쪽 중앙부로는 쿨링 에어(CA)를 통과시켜서 상기 풀링 슬리브(10)의 상기 쿨링 챔버(12) 내부로 공급하는 보택스 튜브(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리가 제공된다.
상기 풀링 슬리브(10)의 내부는 상기 쿨링 챔버(12)의 외주면에 열교환 에어 배출 챔버(14)가 구비되고, 상기 에어 배출 챔버(14)는 외주면으로 연통된 에어 아웃홀(16)에 연통되어, 상기 쿨링 챔버(12)로 영하 온도의 쿨링 에어(CA)가 유입되어 상기 단결정 성장 공정 중의 열교환이 이루어지고, 상기 쿨링 챔버(12)로 유입되어 열교환된 에어는 상기 에어 배출 챔버(14)로 유입되어 상기 에어 아웃홀(16)을 통하여 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리가 제공된다.
상기 에어 아웃홀(16)은 상기 풀링 슬리브(10)의 상기 에어 배출 챔버(14)의 중심부를 기준으로 방사 방향으로 일정 간격을 이루어 복수개로 배치된 것을 특징으로 한다.
상기 풀링 슬리브(10)의 외주면에는 상기 에어 아웃홀(16)을 커버하는 가이드 공간부를 형성하고 일측에는 배출 가이드홀(42a)이 형성된 가이드 슬리브(42)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
상기 보택스 튜브(20)의 기단부측 외주면에는 상기 제너레이션 챔버(22)의 중심부를 기준으로 방사 방향으로 복수개의 핫에어 아웃홀(26)이 형성된 것이 바람직하다.
본 발명은 보택스 튜브에 의해 생성된 쿨링 에어가 풀링 슬리브 내부의 쿨링 챔버(12)로 유입되어, 단결정 성장이 이루어지고 있는 부분까지 최대한 근접되도록 도달되고, 이러한 쿨링 에어가 열교환 과정을 통해 성장 단결정 부분을 냉각시켜줄 수 있으며, 따라서, 종래 쿨링 에어에 의한 냉각이 아니라 쿨링 에어(영하 이하 온도의 차가운 에어)에 의한 단결정 성장 부분에 대한 냉각이 이루어질 수 있으므로, 단결정 성장 중에 압력 증기에 의해 풀러가 터져버리는 현상을 방지함으로써 작업 안전성을 높이고 단결정의 고품질도 보장할 수 있다는 점에서 더욱 효과가 있다. 즉, 단결정 성장 부분에 직업 쿨링 에어를 공급하여 냉각이 이루어지도록 하는 경우에는 상기 풀러에서 특히 성장되는 단결정과 접촉되는 부분의 온도가 상당히 높기 때문에, 쿨링 에어가 급속히 증발하여 증기로 급속히 전환되면서 압력 증기에 의해 풀러 자체가 터져버리는 문제(즉, 풀러 슬리브 부분이 터져 버리는 문제)가 초래될 수 있으니, 본 발명에서는 쿨링 에어가 아닌 쿨링 에어로 성장 단결정 부분에 대한 냉각이 이루어지도록 하므로, 단결정 성장 중에 압력 증기에 의해 풀러가 터져버리는 현상을 방지할 수 있는 것이다. 이를테면, 본 발명은 단결정 성장을 위한 냉각 작용의 극대화와 성장 단결정의 품질 극대화를 기하면서도 동시에 단결정 성장 부분의 냉각 작용 중에 풀러가 터져버려서 생길 수 있는 작업 위험성 등도 미연에 차단하는 매우 유용한 발명이라 하겠다.
또한, 본 발명은 쿨링 에어가 풀링 슬리브 내부의 쿨링 챔버(12)로 유입되어 단결정 성장이 이루어지고 있는 부분까지 최대한 근접되도록 도달되므로, 상기 단결정 성장에 가장 중요한 냉각 온도의 제어가 용이하고 원활하게 이루어질 수 있는 장점이 있다. 풀러 주위의 온도를 순환하는 쿨링 에어에 의해 즉시적으로 직접 조절할 수 있기 때문에, 단결정 성장에 적합한 온도설정을 하기가 용이한 등의 여러 가지 매우 바람직한 결과를 가져올 수 있게 되는 것이며, 이처럼 성장 단결정의 냉각 온도 제어가 용이하면서도 원활하게 이루어져서 단결정의 품질을 향상시키는데 상당히 기여하는 장점이 있다.
또한, 풀링 슬리브를 구성하는 코어 슬리브와 아웃터 슬리브의 선단부 위치, 다시 말해, 단결정이 성장되는 부분에 가장 인접된 위치에서 쿨링 에어에 의한 냉각 작용을 할 수 있도록 함으로써 단결정의 성장속도로 극대화시킬 수 있으며, 단결정이 성장되는 도가니의 주위 고열이 생겨도 단결정 성장을 위한 시드 결정(정확하게 풀러 어셈블리의 선단부 풀러팁(11)에 구비된 헤드 부분에 결합된 결정)에 묻는 재료를 적당한 시점에서 응고시켜 단결정 육성이 제대로 이루어지도록 함으로써, 완성된 단결정의 성장이 불안정하게 이루어지는 경우도 미연에 방지하므로, 단결정의 품질 향상에 극대화를 기할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리의 분해 사시도
도 2는 본 발명의 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리의 주요부의 조립된 상태를 보여주는 외관 사시도
도 3은 본 발명의 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리의 내부 구조를 보여주는 종단면도
도 4는 도 3에 도시된 풀러 어셈블리의 선단부에 성장 재료에 담그는 헤드를 결합한 상태를 개략적으로 보여주는 종단면도
도 5는 도 1에 도시된 보택스 튜브의 구조를 보여주는 측단면도
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 구조를 개략적으로 보여주는 측단면도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리는 본 발명에 의한 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리는 선단부가 성장을 위한 단결정에 결합되는 풀링 슬리브(10)와, 이러한 풀링 슬리브(10)의 후단부에 구비되어 풀링 슬리브(10) 내부의 냉각 챔버로 영하 이하의 에어가 투입되도록 하는 보택스 튜브(20)를 구비한 것으로, 이러한 구성을 가지는 본 발명의 풀러 어셈블리는 뒤쪽의 일부를 제외한 나머지 부분이 단결정 성장 장치의 챔버와 도가니에 투입되어 단결정 성장을 위해 풀링되는 것이다.
본 발명의 풀러 어셈블리를 채용하는 단결정 성장 장치는 크게 내부에 가열 공간부가 구비된 챔버와, 이 챔버의 내부에 설치되어 하부가 지지대에 의해 지지되며 단결정 성장을 위한 성장 재료가 내부에 채워지도록 된 도가니를 구비한다. 이때, 로드(Rod) 형상의 지지대는 챔버의 하부를 관통하여 도가니의 하단을 지지하는데, 챔버의 하부에 부시 등을 매개로 회전 가능하게 결합되어 있다.
상기 도가니의 하부 외측과 측방 외측에는 히터가 배열된다. 이러한 히터는 도가니를 가열하여 도가니 내부에 채워진 단결정 성장 재료(예를 들어, 용융 알루미나)로부터 단결정이 성장되도록 한다.
상기 풀링 슬리브(10)는 아웃터 슬리브(10A)의 내부에 코어 슬리브(10B)가 내장된 구조를 취할 수 있다.
상기 아웃터 슬리브(10A)는 내부에 쿨링 에어의 유입을 위한 쿨링 챔버(12)가 구비된 관형상으로 이루어져 도가니의 내부로 투입된다. 아웃터 슬리브(10A)는 단면 원형관 구조로 이루어질 수 있다. 아웃터 슬리브(10A)의 재질은 서스(SUS : 스테인레스)로 구성될 수 있다. 아웃터 슬리브(10A)의 선단부측에는 후술할 코어 슬리브(10B)와 연통된 쿨링 챔버(12)를 내부에 가지는 풀러팁(11)이 구비될 수 있는데, 풀러팁(11)의 선단부는 막혀 있어서 풀러팁(11) 내부의 쿨링 챔버(12)는 코어 슬리브(10B)의 내부 쿨링 챔버(12)와 아웃터 슬리브(10A)의 내부 쿨링 챔버(12)측으로만 연통되도록 구성된다. 부호 13은 커넥션 슬리브이다. 이때, 풀러팁(11)은 높은 내열성 재질(예를 들어, 몰리브덴 재질)로 구성될 수 있다. 또한, 상기 풀러팁(11)의 외주면에는 용융 성장 원료에 선단부측 일부가 침지되는 헤드(40)를 나사식으로 결합하기 위한 나사부가 형성될 수 있다. 풀러팁(11) 부분이 도가니에 용융되어 있는 성장 원료에 침지된 상태에서 단결정의 성장이 시작되도록 할 수 있다. 또한, 상기 아웃터 슬리브(10A)의 외주면에는 에어 아웃홀(16)이 형성될 수 있고, 이러한 에어 아웃홀(16)은 아웃터 슬리브(10A)의 중심부를 기준으로 방사 방향으로 일정 간격을 이루어 복수개로 배치된 구조를 취할 수 있다.
본 발명에서는 아웃터 슬리브(10A)의 내부에 형성된 쿨링 챔버(12)에 구비되며 그 외주면과 아웃터 슬리브(10A)의 내주면 사이에는 에어 배출 챔버(14)를 형성하고 그 내주면에는 쿨링 에어의 소통을 위한 쿨링 챔버(12)가 구비된 관형상의 코어 슬리브(10B)가 내장되도록 구성될 수 있다. 이러한 코어 슬리브(10B)의 내부 쿨링 챔버(12)는 코어 슬리브(10B)의 선단부와 기단부로 연통되어 있으며, 코어 슬리브(10B)의 기단부는 아웃터 슬리브(10A)의 내부 에어 배출 챔버(14)와 연통된다. 아웃터 슬리브(10A)의 내부 에어 배출 챔버(14)와 연통된 코어 슬리브(10B) 내부의 쿨링 챔버(12)로는 영하 이하의 쿨링 에어(CA)가 유입되어 전진하는 쿨링 에어(CA) 유입로라고 할 수 있다. 그리고, 상기 코어 슬리브(10B)의 기단부에는 반경 방향 외측으로 연장되어 아웃터 슬리브(10A)의 기단부에 걸려지는 차단턱(10CS)이 구비되어, 상기 코어 슬리브(10B) 기단부의 차단턱(10CS)이 아웃터 슬리브(10A)의 기단부에 용접 등의 방식으로 접합되도록 구성할 수 있다.
이때, 본 발명에서는 아웃터 슬리브(10A)의 내주면과 코어 슬리브(10B)의 외주면 사이에 에어 배출 챔버(14)가 형성되도록 지지하는 스페이서(10S)를 더 포함할 수 있다. 본 발명에서는 코어 슬리브(10B)의 외주면에 길이 방향 중심부를 기준으로 방사 방향으로 일정 간격 이격된 복수개의 스페이서(10S)가 돌기 형태로 구비되어, 코어 슬리브(10B)를 아웃터 슬리브(10A)의 내부 쿨링 챔버(12)에 투입하면 스페이서(10S)에 의해 자동적으로 코어 슬리브(10B)의 외주면이 이격된 상태로 배치되므로, 코어 슬리브(10B)의 외주면과 아웃터 슬리브(10A)의 내주면 사이에 자동 이격된 열교환 에어 배출 챔버(14)가 확보될 수 있다.
한편, 상기 아웃터 슬리브(10A)의 외주면이 단결정 성장 챔버의 상부를 관통하여 상대 슬라이드 가능하게 결합되면서 동시에 아웃터 슬리브(10A)의 뒤쪽 일부와 이에 내장된 코어 슬리브(10B)의 뒤쪽 일부가 단결정 성장 챔버의 외부로 노출되고 아웃터 슬리브(10A)와 코어 슬리브(10B)의 다른 부분은 단결정 성장 챔버와 도가니에 수용된다. 이때, 본 발명의 풀러 어셈블리는 미도시된 승강 유닛에 연결되어 승강 작동되도록 구성될 수 있고, 이에 더하여 미도시된 회전 유닛에 연결되어 회전되도록 구성될 수도 있다.
상기 보택스 튜브(20)는 일자관 형상의 튜브 바디부에 압축 에어 유입구(24)와 핫에어 아웃홀(26)이 구비된 구조이다. 아웃터 슬리브(10A)의 기단부에 보택스 튜브(20)의 선단부가 용접 등의 접합수단에 의해 결합되어, 보택스 튜브(20) 내부의 제너레이션 챔버(22)와 아웃터 슬리브(10A) 내부의 쿨링 챔버(12)가 연통된다. 아웃터 슬리브(10A)에 내장된 코어 슬리브(10B)의 내부가 보택스 튜브(20) 내부의 제너레이션 챔버(22)와 연통되고, 아웃터 슬리브(10A)와 코어 슬리브(10B) 사이의 쿨링 챔버(12)는 차단턱(10CS)에 의해 보택스 튜브(20) 내부의 제너레이션 챔버(22)와 격리되는 것이 바람직하다. 또한, 보택스 튜브(20)의 압축 에어 유입구(24)는 풀링 슬리브(10)의 후단부와 연결되는 전단부측 인접 외주면에 형성되어 있는 것으로, 보택스 튜브(20)의 압축 에어 유입구(24)에는 압축 에어 공급기(32)가 파이프 등의 연결수단을 매개로 연결되어 있다. 보택스 튜브(20)의 후단부측에는 핫에어 아웃홀(26)이 형성되어 있다. 즉, 보택스 튜브(20)의 후단부에는 컨트롤 밸브가 구비되고, 컨트롤 밸브의 주위에 환형으로 핫에어 아웃홀(26)이 형성될 수 있고, 컨트롤 밸브의 중심부에 쿨링 에어 유입 가이드홀(29)이 형성되어, 핫에어(HA)는 컨트롤 밸브의 핫에어 아웃홀(26)을 통해서 빠지고 쿨링 에어(CA)(영하 이하 온도의 차가운 에어)는 쿨링 에어 유입 가이드홀(29)을 통하여 보택스 튜브(20)의 내부로 유입되도록 구성될 수 있다. 한편, 컨트롤 밸브가 보택스 튜브(20)의 후단부에 구비되고, 핫에어 아웃홀(26)은 상기 보택스 튜브(20)의 후단부측 인접 위치 외주면에 구비될 수도 있다. 이때, 보택스 튜브(20)는 내부의 제너레이션 챔버(22) 중심부를 기준으로 방사 방향으로 복수개의 핫에어 아웃홀(26)이 일정 간격으로 형성된 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 풀링 슬리브(10)는 아웃터 슬리브(10A)의 내주면과 코어 슬리브(10B)의 외주면 사이에 열교환 에어 배출 챔버(14)가 구비되고, 상기 에어 배출 챔버(14)는 외주면으로 연통된 에어 아웃홀(16)에 연통되어, 상기 코어 슬리브(10B)의 내부 쿨링 챔버(12)에 의해 형성된 쿨링 챔버(12)로 영하 온도의 쿨링 에어(CA)가 유입되어 단결정 성장 공정 중의 열교환이 이루어지고, 상기 쿨링 챔버(12)로 유입되어 열교환된 에어는 아웃터 슬리브(10A) 내주면과 코어 슬리브(10B) 외주면 사이의 에어 배출 챔버(14)로 유입되어 에어 아웃홀(16)을 통하여 외부로 배출되도록 구성할 수 있다. 이때, 상기 에어 아웃홀(16)은 풀링 슬리브(10)의 에어 배출 챔버(14)의 중심부를 기준으로 방사 방향으로 일정 간격을 이루어 복수개로 배치될 수 있고, 상기 풀링 슬리브(10)의 외주면(구체적으로, 아웃터 슬리브(10A)의 외주면)에는 에어 아웃홀(16)을 커버하는 가이드 공간부를 형성하고 일측에는 배출 가이드홀(42a)이 형성된 가이드 슬리브(42)가 더 구비될 수도 있다.
따라서, 본 발명은 풀링 슬리브(10)를 구성하는 아웃터 슬리브(10A)의 선단부측에는 코어 슬리브(10B)와 연통된 쿨링 챔버(12)를 내부에 가지는 풀러팁(11)이 구비되고, 상기 풀러팁(11) 내부의 쿨링 챔버(12)가 아웃터 슬리브(10A)와 코어 슬리브(10B) 사이에 확보된 열교환 에어 배출 챔버(14)와 코어 슬리브(10B) 내부의 쿨링 챔버(12)와 연통되며, 상기 풀러팁(11) 내부의 쿨링 챔버(12)와 코어 슬리브(10B)의 선단부 사이에 쿨링 에어(CA) 경유 스페이스가 확보되며, 상기 풀링 슬리브(10)의 기단부측에는 보택스 튜브(20)가 연결된 구조를 취하고 있는 것이다.
상기 풀링 슬리브(10)의 기단부측에는 보택스 튜브(20)가 연결되는데, 보택스 튜브(20)는 압축 공기를 고압으로 넣어주면, 한쪽으로 영하의 온도(즉, 쿨링 에어(CA))가 다른 한쪽으로는 핫에어(HA)(즉, 고온의 에어)가 발생하며, 고온의 핫에어(HA)는 외부로 배출시키고, 저온의 쿨링 에어(CA)는 국소 부위를 냉각시킨다.
본 발명에서는 보택스 튜브(20)의 외주면에는 내부의 제너레이션 챔버(22)와 연통되는 압축 에어 유입구(24)가 형성되어, 상기 보택스 튜브(20)의 압축 에어 유입구(24)에 연결된 압축 에어(CP) 발생장치 등에 의해 보택스 튜브(20) 내부의 제너레이션 챔버(22)에 압축 에어(CP)를 분사하면, 강력한 압축 에어(CP)가 보택스 튜브(20) 내부의 제너레이션 챔버(22)를 통과하면서 100만 RPM 이상의 고속 회전으로 와류(회오리 바람)을 일으킨다. 고속으로 가열된 공기(핫에어(HA))의 일부는 보택스 튜브(20)의 끝단(즉, 컨트롤 밸브가 구비된 기단부) 출구로 빠져나간다.
한편, 나머지 공기의 흐름(속도가 느려짐)은 고속 흐름(즉, 핫에어(HA)의 회오리 흐름)의 중앙 부위를 통과해 반대편으로 역회전하면서 2차 회오리 바람을 일으킨다. 이때, 저속으로 흐르는 공기의 흐름(쿨링 에어(CA)의 흐름)은 외측에 열풍 쪽으로 에너지를 빼앗겨 더욱 강하게 회전한다.
상기의 과정을 통해 냉각된 공기, 다시 말해, 쿨링 에어(CA)는 보택스 튜브(20)의 제너레인셔 챔버 중앙 부위(즉, 회오리 흐름의 핫에어(HA) 안쪽에 형성된 공간)를 통과하면서 반대편, 다시 말해, 풀링 슬리브(10)의 선단부측으로 전진하게 되고, 이때에 쿨링 에어(CA)가 아주 극도로 차가워진다. 보택스 튜브(20)의 제너레이션 챔버(22)에서는 인입공기 대비 40℃ 이상(7 BAR 이상의 고압의 경우)을 낮추어준다.
한편, 보택스 튜브(20)의 기단부(즉, 뜨거운 공기 : 핫에어(HA))의 배출구 쪽에 구비되어, 보택스 튜브(20)에 유입된 압축 에어(CP)에서 회오리 핫에어(HA)와 쿨링 에어(CA)가 형성될 때에 이러한 에어의 온도를 높이거나 낮추어 주게 된다.
상기한 구성의 본 발명에 의하면, 상기 풀링 슬리브(10)의 기단부측에는 보택스 튜브(20)가 연결되고, 보택스 튜브(20)의 외주면에는 내부의 제너레이션 챔버(22)와 연통되는 압축 에어 유입구(24)가 형성되어, 상기 보택스 튜브(20)의 압축 에어 유입구(24)에 연결된 압축 에어(CP) 발생장치 등에 의해 보택스 튜브(20) 내부의 제너레이션 챔버(22)에 압축 에어(CP)를 분사하면, 강력한 압축 에어(CP)가 보택스 튜브(20) 내부의 제너레이션 챔버(22)를 통과하면서 고속 회전으로 와류(회오리 바람)을 일으키면서 고속으로 가열된 핫에어(HA)의 일부가 보택스 튜브(20)의 내부의 제너레이션 챔버(22) 내주면을 따라 보택스 튜브(20)의 끝단(즉, 컨트롤 밸브가 구비된 기단부측)에 구비된 핫에어 아웃홀(26)을 통해 빠져나가는 한편, 상기 회오리 핫에어(HA) 회오리 층의 안쪽으로는 속도가 느려진 쿨링 에어(CA)가 고속 흐름의 핫에어(HA) 중앙 부위를 통과해 반대편으로 역회전하면서 2차 회오리 바람을 일으키면서 상기 풀링 슬리브(10)를 구성하는 코어 슬리브(10B) 내부의 쿨링 챔버(12)로 공급되고, 이처럼 풀링 슬리브(10) 내부에 형성된 쿨링 챔버(12)로 영하 이하의 쿨링 에어(CA)가 공급됨으로 인하여 성장 중인 단결정과 접촉되는 부위의 냉각이 이루어지게 된다. 구체적으로, 상기 보택스 튜브(20)의 내부로 압축 에어(CP)가 유입될 때 형성된 쿨링 에어(CA)가 풀링 슬리브(10)를 구성하는 아웃터 슬리브(10A)의 기단부측과 코어 슬리브(10B)의 기단부측으로 유입되어 코어 슬리브(10B)의 선단부측으로 토출되어서 상기 풀러 헤드에 접촉된 성장 단결정 부분의 냉각이 이루어지며, 이처럼 쿨링 에어(CA)가 유입되어 열교환이 이루어진 열교환 에어는 코어 슬리브(10B)의 외주면과 아웃터 슬리브(10A)의 내주면 사이에 확보된 열교환 에어 챔버를 아웃터 슬리브(10A)의 외주면에 형성된 에어 아웃홀(16)을 통하여 외부로 배출되고, 이러한 쿨링 에어(CA)의 순환 과정을 통하여 쿨링 에어(CA)에 의한 냉각 작용이 이루어지게 된다. 이때, 코어 슬리브(10B)의 기단부에 구비된 차단턱(10CS)이 아웃터 슬리브(10A)의 기단부에 결합되어 있어서, 열교환 에어가 보택스 튜브(20)로 역유입되는 것은 차단될 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 상기 보택스 튜브(20)에 의해 생성된 쿨링 에어(CA)가 풀링 슬리브(10) 내부의 쿨링 챔버(12)로 유입되어 단결정 성장이 이루어지고 있는 부분까지 최대한 근접되도록 도달되고, 이러한 쿨링 에어(CA)가 열교환 과정을 통해 성장 단결정 부분을 냉각시켜줄 수 있으므로, 상기 단결정 성장에 가장 중요한 냉각 온도의 제어가 용이하고 원활하게 이루어질 수 있는 장점이 있다. 풀러 주위의 온도를 순환하는 쿨링 에어(CA)에 의해 즉시적으로 직접 조절할 수 있기 때문에, 단결정 성장에 적합한 온도설정을 하기가 용이한 등의 여러 가지 매우 바람직한 결과를 가져올 수 있게 되는 것이며, 이처럼 성장 단결정의 냉각 온도 제어가 용이하면서도 원활하게 이루어져서 단결정의 품질을 향상시키는데 상당히 기여하는 장점이 있다.
또한, 상기 코어 슬리브(10B)와 아웃터 슬리브(10A)의 선단부 위치, 다시 말해, 단결정이 성장되는 부분에 가장 인접된 위치에서 쿨링 에어(CA)에 의한 냉각 작용을 할 수 있도록 함으로써 단결정의 성장속도로 극대화시킬 수 있으며, 단결정이 성장되는 도가니의 주위 고열이 생겨도 단결정 성장을 위한 시드 결정(정확하게 풀러 어셈블리의 선단부 풀러팁(11)에 구비된 헤드(40) 부분에 결합된 결정)에 묻는 재료를 적당한 시점에서 응고시켜 단결정 육성이 제대로 이루어지도록 함으로써, 완성된 단결정의 성장이 불안정하게 이루어지는 경우도 미연에 방지하므로, 단결정의 품질 향상에 극대화를 기할 수 있게 된다.
특히, 본 발명은 쿨링 에어에 의한 냉각이 아니라 쿨링 에어(CA)(영하 이하 온도의 차가운 에어)에 의한 단결정 성장 부분에 대한 냉각이 이루어질 수 있어서, 단결정 성장 중에 압력 증기에 의해 풀러가 터져버리는 현상을 방지함으로써 작업 안전성을 높이고 단결정의 고품질도 보장할 수 있다는 점에서 더욱 효과가 있다. 즉, 단결정 성장 부분에 직업 쿨링 에어를 공급하여 냉각이 이루어지도록 하는 경우에는 상기 풀러에서 특히 성장되는 단결정과 접촉되는 부분의 온도가 상당히 높기 때문에, 쿨링 에어가 급속히 증발하여 증기로 급속히 전환되면서 압력 증기에 의해 풀러 자체가 터져버리는 문제(즉, 풀러 슬리브 부분이 터져 버리는 문제)가 초래될 수 있으니, 본 발명에서는 쿨링 에어가 아닌 쿨링 에어(CA)로 성장 단결정 부분에 대한 냉각이 이루어지도록 하므로, 단결정 성장 중에 압력 증기에 의해 풀러가 터져버리는 현상을 방지할 수 있는 것이다. 이를테면, 본 발명은 단결정 성장을 위한 냉각 작용의 극대화와 성장 단결정의 품질 극대화를 기하면서도 동시에 단결정 성장 부분의 냉각 작용 중에 풀러가 터져버려서 생길 수 있는 작업 위험성 등도 미연에 차단하는 매우 유용한 발명이라 하겠다.
그리고, 본 발명은 성장 단결정의 효율적인 냉각 작용 및 작업 안정성 등을 구현하기 위한 구조 역시 비교적 심플하게 구현할 수 있는 장점도 가지며, 이처럼 성장 단결정의 냉각 구조를 심플하게 구현 가능하여 제조 공정과 코스트 등의 여러 가지 측면에서도 유리한 장점이 있다.
한편, 본 발명에서 주요부인 에어 아웃홀(16)은 풀링 슬리브(10) 내부의 에어 배출 챔버(14)의 중심부를 기준으로 방사 방향으로 일정 간격을 이루어 복수개로 배치되어 있어서, 쿨링 에어(CA)가 성장 단결정 부분과 열교환되어 생기는 열교환 에어가 고르게 풀링 슬리브(10)의 외부로 배출되도록 가이드하므로, 작업성을 보다 높일 수 있다.
또한, 상기 풀링 슬리브(10)의 외주면에는 에어 아웃홀(16)을 커버하는 가이드 공간부를 형성하고 일측에는 배출 가이드홀(42a)이 형성된 가이드 슬리브(42)가 더 구비될 수 있는데, 상기 풀링 슬리브(10)의 에어 아웃홀(16)을 통해 배출된 열교환 에어가 가이드 슬리브(42)에 의해 형성된 가이드 공간부에 들어와서 배출 가이드홀(42a)을 통해 외부로 배출되므로, 열교환 에어가 성장 단결정 도가니의 내부로 누설되어 생기는 작업상의 장애를 해소할 수 있는 장점도 있다.
그리고, 상기 보택스 튜브(20)의 기단부측 외주면에는 제너레이션 챔버(22)의 중심부를 기준으로 방사 방향으로 복수개의 핫에어 아웃홀(26)이 형성하여, 이러한 복수개의 핫에어 아웃홀(26)을 통하여 핫에어(HA)가 부하 저항을 받지 않고 고르게 배출되므로, 작업성을 더욱더 높이게 되는 장점을 갖는다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
10. 풀링 슬리브 10A. 아웃터 슬리브
10B. 코어 슬리브 12. 쿨링 챔버
14. 에어 배출 챔버 16. 에어 아웃홀
20. 보택스 튜브 22. 제너레이션 챔버
24. 압축 에어 유입구 26. 핫에어 아웃홀
27. 컨트롤 밸브 29. 쿨링 에어 유입 가이드홀
32. 압축 에어 공급기 42. 가이드 슬리브
42a. 배출 가이드홀

Claims (5)

  1. 내부에 냉각용 에어가 유입되기 위한 쿨링 챔버(12)가 구비된 풀링 슬리브(10)와;
    상기 풀링 슬리브(10)의 후단부에 연결되며 내부에는 상기 쿨링 챔버(12)와 연통되는 제너레이션 챔버(22)가 형성되고 외주면에는 압축 에어 공급기(32)와 연결되는 압축 에어 유입구(24)가 형성되며 후단부에는 핫에어 아웃홀(26)이 구비되어 상기 압축 에어 유입구(24)를 통해 고압으로 유입된 압축 에어(CP)에 의해 고속으로 와류를 일으키면서 고온으로 가열된 에어가 상기 제너레이션 챔버(22)의 내주면을 따라 후단부 방향으로 흘러서 상기 핫에어 아웃홀(26)을 통하여 배출되도록 함과 동시에 상기 고온 에어의 안쪽 중앙부로는 쿨링 에어(CA)를 통과시켜서 상기 풀링 슬리브(10)의 상기 쿨링 챔버(12) 내부로 공급하는 보택스 튜브(20);를 포함하여 구성되고,
    상기 풀링 슬리브(10)는 아웃터 슬리브(10A)의 내부에 코어 슬리브(10B)가 내장되고,
    상기 보택스 튜브(20)의 기단부측 외주면에는 상기 제너레이션 챔버(22)의 중심부를 기준으로 방사 방향으로 복수개의 핫에어 아웃홀(26)이 형성되고,
    상기 코어 슬리브(10B)의 기단부에는 반경 방향 외측으로 연장되어 상기 아웃터 슬리브(10A)의 기단부에 걸려지는 차단턱(10CS)이 구비되어, 상기 코어 슬리브(10B) 기단부의 상기 차단턱(10CS)이 상기 아웃터 슬리브(10A)의 기단부에 접합되도록 구성되며,
    상기 코어 슬리브(10B)의 외주면에 길이 방향 중심부를 기준으로 방사 방향으로 일정 간격 이격된 복수개의 스페이서(10S)가 돌기 형태로 구비되어, 상기 코어 슬리브(10B)를 상기 아웃터 슬리브(10A)의 내부 쿨링 챔버(12)에 투입하면 상기 스페이서(10S)에 의해 상기 코어 슬리브(10B)의 외주면이 이격된 상태로 배치되면서 상기 코어 슬리브(10B)의 외주면과 상기 아웃터 슬리브(10A)의 내주면 사이에 이격된 열교환 에어 배출 챔버(14)가 확보되도록 구성된 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 풀링 슬리브(10)의 내부는 상기 쿨링 챔버(12)의 외주면에 열교환 에어 배출 챔버(14)가 구비되고, 상기 에어 배출 챔버(14)는 외주면으로 연통된 에어 아웃홀(16)에 연통되어, 상기 쿨링 챔버(12)로 영하 온도의 쿨링 에어(CA)가 유입되어 상기 단결정 성장 공정 중의 열교환이 이루어지고, 상기 쿨링 챔버(12)로 유입되어 열교환된 에어는 상기 에어 배출 챔버(14)로 유입되어 상기 에어 아웃홀(16)을 통하여 외부로 배출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 에어 아웃홀(16)은 상기 풀링 슬리브(10)의 상기 에어 배출 챔버(14)의 중심부를 기준으로 방사 방향으로 일정 간격을 이루어 복수개로 배치된 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 풀링 슬리브(10)의 외주면에는 상기 에어 아웃홀(16)을 커버하는 가이드 공간부를 형성하고 일측에는 배출 가이드홀(42a)이 형성된 가이드 슬리브(42)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리.
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