KR101670295B1

KR101670295B1 - 석영 도가니 제조장치

Info

Publication number: KR101670295B1
Application number: KR1020140013260A
Authority: KR
Inventors: 백인찬; 정기동; 최대호; 장록; 손기영; 이상효; 이화흔; 윤준철
Original assignee: (주) 쿼츠테크
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2016-10-28
Also published as: KR20140100444A

Abstract

본 발명에 따른 석영 도가니 제조장치는, 재활용 실리카층(20a)을 형성하는 재활용 실리카층 성형장치(1)와 성형용 실리카층(120a)을 형성하는 성형용 실리카층 성형장치(2)를 포함하는 석영 도가니 성형장치, 석영 도가니 용융장치(3), 석영 도가니 취출 및 후처리 장치(4)로 구성되는 석영 도가니 제조장치에 있어서, 석영 도가니 성형장치는, 몰드(10)가 수평면 대해서 기울어 지도록 몰드(10)를 기울어는 몰드 경사수단(13); 몰드(10)를 중심축을 회전축으로 하여 회전시키는 구동모터(11a); 몰드(10)의 상부에서 몰드(10)의 내부에 재활용 실리콘 가루를 공급하도록 설치되는 재활용 실리카 저장용기(30); 상기 재활용 실리카 가루가 공급된 후에 몰드(10)의 상부에서 몰드(10)의 내부에 성형용 실리카 가루를 공급하도록 설치되는 성형용 실리카 저장용기(130); 몰드(10)의 외부에서 내부에서 삽입되도록 설치되는 성형바(40); 성형바(40); 성형바(40)가 몰드(10)의 중심축에 나란하게 기울어진 채로 몰드(10)의 내벽에서 소정간격 이격되도록 성형바(40)를 이송시키는 성형바 이송수단(42~44); 가운데에 열주입구(211)가 관통 형성되며 성형바 이송수단(42~44)에 의하여 성형바(40)가 몰드(10)의 외부로 반출되었을 때에 몰드(10)의 윗면을 가리도록 설치되는 차열판(210) 및 수냉판(213); 및 차열판(210)의 상부에서 수냉판(213)의 수평면에서 몰드 내부 방향으로 내려 설치되는 카본봉(200);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 다양한 순수한 석영 도가니를 연속반응을 통하여 얻을 수 있으며, 특히 카본봉의 착화점을 향하여 공기분사구에서 공기를 분사함으로써 아크방전에 소요되는 출력을 5~20% 향상시킴으로써 석영 도가니 벽에 미세기포가 함유되는 것을 최소화할 수 있어 치밀한 구조의 석영 도가니를 얻을 수 있다. 나아가 석영 도가니의 열쇼크를 방지하는 미반응층에 재활용 실리카를 사용할 수 있다.

Description

석영 도가니 제조장치{Apparatus for fabrication quartz-crucible}

본 발명은 석영 도가니 제조장치에 관한 것으로서, 고순도 석영 도가니를 연속적으로 제조하기에 적합한 석영 도가니 제조장치에 관한 것이다.

석영 도가니(Quartz Crucible)는 태양전지 제조에 사용되는 실리콘 잉곳을 제조하는데 사용된다. 이러한 석영 도가니는 개별 고객의 요구에 맞게 설계 제조되는 맞춤식(tailer made) 성격의 제품으로, 고객의 요구 특히 웨이퍼 인상(引上) 조건에 맞추어 개발을 해야 한다. 따라서 고객과의 긴밀한 기술 교류를 통해 다양한 크기의 제품이 개발되고 있는 실정이다.

석영 도가니 제조장치는 ① 고순도 석영 원료 사용(SiO2>99.99%) ②도가니 내부층의 적은 공기방울 ③고온에 강하고 적은 팽창성 ④뛰어난 내부식성 ⑤깨끗한 표면 ⑥대용량 도가니의 경우 기계적 안정성 ⑥경제적인 출력 향상기술 등의 요구특성을 만족해야 한다.

석영 도가니 제조장치 및 제조방법에 관한 선행기술로서,

한국 공개특허공보 특1988-0011028호에는 외도가니부재와 내도가니부재를 서로 접하도록 배치하고 이들을 가열하여 접합시키는 도가니의 제조방법이 기재되어 있고,

한국 공개특허공보 특2001-0052461호에는 석영유리 도가니 제조 몰드내에서 원료가루를 용해할 때 아크방전개시 직후에 H₂가스나 O₂가스를 도입하여 전극의 그래파이트성분이나 원료의 석영가루 속의 불순물을 제거하고, 이에 따라서 그래파이트나 불순물의 제품도가니에 혼입하는 것을 억제할 수 있는 석영유리도가니의 제조방법이 기재되어 있고,

한국 공개특허공보 제2004-86052호에는 석영유리 도가니 벽부의 외표면이 미소한 홈으로 덮여져, 석영유리도가니를 고온하에서 사용할 때, 침강을 발생시킬 우려가 없는 석영유리 도가니를 제공하는 것을 과제로 하는 석영유리 도가니가 기재되어 있으며,

한국 공개특허공보 제2005-5454호는 석영유리 도가니가 가열될 때 크리스토발라이트를 형성하는 석영유리 결정화에 영향을 미치는 결정화 증진제를 외부층에 가짐으로써 긴 사용기간을 갖는 석영유리 도가니 및 그 제조방법이 기재되어 있으며,

한국 공개특허공보 제2006-49676호에는 융액표면의 진동의 발생 및 석영유리편의 박리에 의한 유전이화가 없고 고수율로 실리콘 단결정의 인상이 가능한 합성석영유리 도가니와 그의 제조방법이 기재되어 있으며,

한국 공개특허공보 제2009-68926호에는 실리콘 융액이 수용될 수 있는 내부공간을 구비하고, 내부 투명층과 상기 투명층을 둘러싸는 불투명층을 포함하는 단결정 성장장치용 석영 도가니에 있어서, 상기 투명층에 마이크로 버블이 상기 투명층 표면으로 이동하여 실리콘 용액과 만나는 전이영역이 도가니 두께의 5~15%를 차지하는 단결정 성장용 석영 도가니 및 그 제조방법이 기재되어 있다.

상기 종래기술은 석영 도가니의 대형의 경제적인 크기 고순도를 위한 기술개발이 이루어져 왔으나 고순도의 석영 도가니를 연속적으로 제조하는 장치에 대한 기술개발이 과제가 되어 왔다.

본 발명이 해결하려는 과제는, 벽 내부에 미세기포를 적게 가지며 고순도 석영 도가니를 연속적으로 제조하는 데에 적합한 석영 도가니 제조장치를 제공하는데 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 석영 도가니 제조장치는, 석영 도가니 성형장치, 석영 도가니 용융장치, 석영 도가니 취출 및 후처리 장치로 구성된다. 석영 도가니 성형장치는 연속공정에 의하여 다양한 규격의 석영 도가니를 성형하며, 석영 도가니 용융장치는 전극카본봉을 차열판 내부로 이송시켜 공기를 불어 넣으면서 방전 가열함으로써 전기소비를 줄이면서 출력을 높이는 장치를 제공하며, 석영 도가니 취출 및 후처리 장치도 성형장치 및 용융장치에 연결된 연속공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 성형장치의 연속공정을 채택하여 석영 도가니 성형장치, 용융공정, 취출 및 후처리 공정을 일관공정으로서 연속적으로 생산할 수 있으며, 석영 도가니 용융장치로서 전극카본봉을 수냉판 내부로 이송시키고 공기를 불어 넣으면서 방전 가열함으로써 전기소비를 줄이면서 출력을 높이는 기술을 도출하여 고순도 석영 도가니를 얻을 수 있으며, 또한 석영 도가니벽에 미세기포가 함유되는 것을 최소화할 수 있어 치밀한 구조의 석영 도가니를 얻을 수 있다. 나아가 석영 도가니의 열쇼크를 방지하는 미반응층에 재활용 실리카를 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 석영 도가니 제조장치 중 성형장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 석영 도가니 제조장치 중 용융장치에 의한 아크방전 기술을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 차열판 및 카본봉의 설치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 석영 도가니 제조장치 중 성형장치의 배기가스 기술을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 석영 도가니 제조장치 중 성형장치의 몰드의 내부 사진 및 배기홈을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 석영 도가니 제조장치 중 성형장치의 전체구성을 나타낸 입체도이다.
도 7은 본 발명에 따른 석영 도가니 제조장치 중 성형장치의 몰드에 관한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 카본봉의 착화점을 향하여 공기분사구를 사용한 공기분사의 효과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 석영 도가니 연속제조공정을 나타낸 도면이다.

본 발명의 석영 도가니 제조장치는, 석영 도가니 성형장치, 석영 도가니 용융장치, 석영 도가니 취출 및 후처리 장치로 구성된다.

석영 도가니 성형장치는,

윗면이 도가니와 같이 오목한 형태를 하는 몰드; 상기 몰드가 수평면에 대해서 기울어지도록 상기 몰드를 기울이는 몰드 경사수단; 상기 몰드를 중심축을 회전축으로 하여 회전시키는 구동모터; 상기 몰드의 상부에서 상기 몰드의 내부에 재활용 실리카 가루를 공급하도록 설치되는 재활용 실리카 저장용기; 상기 재활용 실리카 가루가 공급된 후에 상기 몰드의 상부에서 상기 몰드의 내부의 성형용 실리카 가루를 공급하도록 설치되는 성형용 실리카 저장용기; 상기 몰드의 외부에서 내부에 삽입하도록 설치되는 성형바; 상기 성형바가 상기 몰드의 중심축에 나란하게 기울어진 채로 상기 몰드의 내벽에서 소정간격 이격되도록 상기 성형바를 이송시키는 성형바 이송수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 성형바는 끝단이 상기 몰드의 중심쪽으로 절곡되면서 아래로 볼록한 형상을 하는 것이 바람직하다.

상기 성형바 이송수단은, 상기 성형바와 상기 몰드의 내벽 사이의 이격 거리를 결정하는 두께조절수단과, 상기 성형바를 수직에 대해 0°~60°기울어지도록 경사지게 하는 경사조절수단과, 상기 성형바가 상기 몰드의 내부로 삽입되어 들어가는 깊이를 결정하는 깊이 조절수단을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 몰드 경사수단은 상기 몰드의 중심축이 수직에서 0°~180°로 기울어 지도록 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 석영 도가니 용융장치는,

가운데에 열주입구가 관통 형성되며 상기 성형바 이송수단에 의하여 상기 성형바가 상기 몰드의 외부로 반출되었을 때에 상기 몰드의 윗면을 가리도록 설치되는 차열판; 상기 차열판의 밑면에 설치되는 수냉판; 상기 차열판의 상부에서 상기 수냉판의 하부로 내려오도록 설치되는 카본봉; 및 카본봉의 하면 착화점을 향하여 열주입구에 접근되도록 설치되는 공기분사구를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 수냉판 및 차열판이 상기 몰드의 윗면에서 소정간격 이격된 채로 상기 몰드의 윗부분을 가리도록 상기 몰드를 이송시키는 몰드 수평이송수단이 설치되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 몰드의 내부에 있는 기체를 배출시키도록 상기 몰드의 내벽에 기체 배출수단을 복수 개 설치되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 기체배출수단은, 상기 몰드의 벽 내면쪽에 형성되는 오목홈; 상기 오목홈과 상기 몰드의 외부에 있는 진공펌프를 연결하도록 상기 몰드의 벽 내부에 설치되는 진공배관; 상기 오목홈에 채워지는 세라믹 솜; 및 상기 세라믹 솜이 상기 진공배관으로 흡입되어 들어가지 못하도록 상기 오목홈의 안쪽에 설치되는 거름망;을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 몰드의 벽 내부에 냉각수가 흐를 수 있도록 냉각수관이 설치되는 것이 바람직하다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시한 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석되서는 안된다.

도1은 본 발명에 따른 석영 도가니 제조장치 중 성형장치를 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 먼저 윗면이 개방되고 오목한 형태를 하는 스테인레스강(SUS) 재질의 몰드(10)를 준비한다(도1a), 이 때 몰드(10)의 밑면 외측에는 구동모터(도 7의 11a)의 동력을 전달받아 회전하는 회전축(11)이 설치된다. 회전축(11)은 몰드(10)의 중심축에 일치하며, 재활용 실리카 가루 및 성형용 실리카 가루를 원심력에 의하여 몰드의 내부 벽면에 붙일 수 있도록 회전력을 부가하기 위한 장치이다.

성형장치의 구성을 설명하기 위해서 몰드의 내부 벽면에 실리카 가루(20)을 붙이는 단계를 설명한다.

몰드(10)를 수직에 대해서 제1각도, 30°~60° 기울인 후(도1b), 상기 제1각도로 기울어진 상태에서 회전시키면서 몰드(10)의 상부에서 재활용 실리카 저장용기(30)에 저장되어 있는 재활용 실리카 가루(20)를 몰드(10)의 측벽 상부(A)에 떨어뜨린다(도1c). 이 때 몰드(10)가 기울어져 회전하고 있기 때문에 재활용 실리카 가루(20)는 몰드(10)의 저면(C)에는 아직 쌓이지 못하고 몰드(10)의 측벽 상부(A)에서 하부(B) 쪽으로 천천히 흘러 내려오게 된다. 재활용 실리카 가루(20)의 공급량을 일정하게 하기 위하여 재활용 실리콘 저장용기(30)의 밑에 정량 공급수단(35)이 설치된다.

만약에 도 1a에서와 같이 몰드(10)가 수직으로 세워져 있는 상태에서 바로 재활용 실리카 가루(20)를 떨어뜨린다면 회전하는 몰드(10)의 저면(C)에만 재활용 실리카 가루(20)가 쌓이고 몰드(10)의 측면(A,B)에는 재활용 실리카 가루(20)가 쌓이지 않게 된다. 이때에는 몰드(10)의 측벽 상부(A)까지 재활용 실리카 가루(20)가 올라가도록 하기 위해서 몰드(10)를 상당히 고속으로 회전시켜야 하는데 이는 바람직하지 않은 것이며, 설사 이렇게 고속회전을 시킨다고 하더라도 이러한 방법으로는 재활용 실리카 가루(20)를 몰드(10)의 측벽(A,B)에 균일한 두께로 형성시키는 것은 어려운 일이다.

몰드(10)의 측벽 상부(A)에서 측벽 하부(B)로 미끄러져 흘러 내리는 재활용 실리카 가루(20)의 양은 재활용 실리카 가루(20)끼리의 자체 마찰력과 재활용 실리카 가루(20)와 몰드(10) 사이의 마찰력에 의해서 영향을 받을 것인데 이때 재활용 실리카 가루(20)의 분말 사이즈(size)가 크게 관여할 것이다. 상기 제1각도는 이와 같은 여러 가지 요소를 감안하여 결정될 수 있으며 후속단계를 고려할 때에 바람직하게는 30°~60°사이가 좋다.

이렇게 재활용 실리카 가루(20)를 떨어뜨려 공급한 후에(도1c), 성형바(41)를 회전하는 몰드(10) 내부로 내려 몰드(10)와 성형바(40) 사이의 간격(d) 만큼 몰드(10)의 내벽에 재활용 실리카 가루(20)가 쌓이도록 위치한다. 몰드(10)의 회전과 성형바(41)의 위치 제어에 의하여 재활용 실리카 가루(20)는 몰드(10) 내부 측면에 간격(d)의 두께로 성형된다.

이렇게 몰드(10)가 기울어진 상태로 회전하는 상태에서 측면 재활용 실리카층의 성형이 완료된 후 (도1d), 몰드(10)를 수직하게 세운다(도1e).

몰드(10)가 회전하는 상태에서 수직으로 세워도 측면에 형성된 재활용층(20a)은 흘러내리지 않고 그대로 몰드에 붙어 있으며, 성형바(40)를 올린 후 몰드 바닥부분(c) 재활용 실리카층(20a)을 형성할 수 있는 분량의 재활용 실리카 가루(20)를 떨어뜨린 후 다시 성형바를 내려(도1e참조) 몰드(10) 바닥면(c)에 몰드 벽면에 형성된 재활용층(20a)과 같은 두께의 재활용 실리카층을 성형한다. 이로써 본 발명의 석영 도가니의 외부면에 형성되는 재활용층은 몰드(10) 내측에 성형되었다.

재활용 실리카층(20a)이 형성된 내측에 2d의 두께로 성형용 실리카층(120a)을 재활용 실리카층(20a)과 동일한 순서로 성형한다.

회전하는 몰드(10)를 수직에 대해서 제1각도, 30°~60° 기울인 후(도1b참조), 상기 제1각도로 기울어진 상태에서 회전시키면서 몰드(10)의 상부에서 성형용 실리카 저장용기(130; 도1f 참조)에 저장되어 있는 성형용 실리카 가루(120)를 몰드(10)의 측벽 상부(A)에 떨어뜨리고(도1c참조), 성형바를 몰드(10) 내로 내려 재활용 실리카층(d)의 약 2배에 해당하는 2d의 두께로 측면 성형용 실리카층을 성형한 후(도1d참조), 회전하는 몰드(10)를 수직으로 세우고, 성형바(40)를 올린 후 몰드 바닥부분(c) 성형용 실리카층을 형성할 수 있는 분량의 성형용 실리카 가루(120)를 떨어뜨린 후(정량공급수단 35; 도1f 참조) 다시 성형바를 내려(도1e참조) 몰드(10) 바닥면(c)에 몰드 벽면에 형성된 성형용 실리카층(20a)과 같은 두께의 성형용 실리카층을 성형한다.

이로써 본 발명의 석영 도가니의 내외부면을 구성하는 성형용 실리카층(120a)과 재활용 실리카층(20a)이 회전하는 몰드(10) 내측에 성형되었다.

본 발명에 있어서 재활용 실리카층(20a)은 고순도의 성형용 실리카층(120a) 외부에 경제적으로 비용이 저렴한 재활용 실리카층을 형성하여도 실리콘의 인상등에 나쁜 영향이 없으며, 용융단계에서 몰드의 냉각장치와 도가니의 사이에 위치함으로서 석영 도가니가 완성된 후 재활용 실리카층(20a)이 미반응층으로서 취출이 용이하게 하는 역할을 한다. 석영 도가니의 고온 용융에 따른 스테인레스(SUS) 재질의 몰드(10)의 형태가 변하는 열쇼크를 방지하는 미반응층에 재활용 실리카를 사용할 수 있다.

도2 내지 도4는 본 발명에 따른 석영 도가니 제조장치 중 용융장치를 설명하기 위한 도면들이다.

구체적으로 성형용 실리카층(120a)이 형성된 도 1f의 몰드(10)에서 성형바(40)를 반출시킨 후에 몰드(10)와 소정간격 이격되도록 몰드(10)의 윗면 입구에 차열판(210) 및 수냉판(213)이 설치된다. 차열판(210)은 가운데에 열주입구(211)가 뚫여 있다. 이렇게 차열판(210) 및 수냉판(213)을 몰드(10)에 소정간격 이격시키는 이유는 아크방전에 의한 실리카 용융과정에서 차열판(210) 및 수냉판(213)은 고정되고 몰드(10)는 계속 회전할 수 있도록 하기 위해서이다.

차열판(210) 상에는 3상의 카본봉(carbon electrode, 200)이 열주입구(211)를 통하여 수냉판(213) 이하로 내려올 수 있도록 상하이동 가능하게 설치된다. 카본봉(200)은 전기를 공급받아 6,000℃~10,000℃의 고온 아크(arc)를 발생시킨다. 고온 아크는 카본봉(200)을 열주입구(211)를 통하여 수냉판(213) 수평위치를 기준으로 몰드 내부로 향하여 0~15cm 범위내에서 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 특징으로 카본봉(200)의 주위에 공기분사구(212)를 설치하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 연구결과 아크방전에 가압공기를 분사할 경우 5~20%의 전압과 출력이 증가한다는 점을 도출하였다.

도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 고온 아크에 의해서 몰드(10)에 제일 안쪽에 위치하는 성형용 실리카층(120a)이 치밀화 된다. 이 때 몰드(10)의 벽에 실질적으로 닿고 있는 재활용 실리카층(20a)은 몰드(10)의 차가운 벽에 의하여 냉각되기 때문에 성형용 실리카층(120a)만큼 치밀화 되지는 않는다. 따라서 나중에 석영 도가니를 몰드(10)에서 취출할 경우에 재활용 실리카층(20a)은 부스러기처럼 떨어져 나와 성형용 실리카층(120a)만 남게 되는 것이다.

차열판(210)은 카본봉(200)에서 제공되는 열이 몰드(10)내에서 순환되어 균일하게 분포되도록 하는 역할을 하며, 또한 몰드(10)의 고열이 몰드(10)의 외부로 한꺼번에 빠져 나와 버리는 것을 방지하기 위한 것이다. 이러한 아크 용융 단계에서 몰드(10)가 회전하기 때문에 도4에서와 같이 회전에 의한 원심력(F)에 의하여 실리카층(20a, 120a)이 치밀해 진다.

상기 본 발명의 일 특징으로서 도 2를 참조하여, 카본봉(200) 주위에 아크방전점(착화점)을 향하여 1~15개의 공기분사구(212)를 설치하여 0.1kgf/㎠ ~ 15kgf/㎠ 의 압력으로 공기를 분사하면, 도 8에 도시된 바와 같이 카본봉에 전력을 가하는 시점에서 3~7분 후 공기분사를 하는 경우 전압이 5~20% 향상되고 따라서 아크방전의 출력 또한 5~20% 향상된다는 것을 도출하였다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이 공기를 분사함에 따라 아크방전 화염의 폭이 30도에서 60도로 확대되어 석영 도가니 내부 전체에 걸쳐 가열할 수 있도록 되며 도가니 저면에 도달한 화염은 도2의 도시와 같이 측벽을 따라 제트기류가 발생하여 상부 외측으로 흘러가므로 도가니 내면 전체에 용융되어 도가니 내부면에 미세기포를 방지하는 효과 또한 우수한 것임을 밝혔다.

한편 성형용 실리카층(120a) 내에 미세 기포(micropore)가 존재하면 바람직하지 않으므로 몰드(10)의 벽(12)에 기체배출수단(110)을 복수개 설치하는 것이 바람직하다.

도 5는 기체배출수단(110)을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이 기체배출수단(110)은 몰드벽의 내면에 설치되고 몰드벽(12)의 내면쪽에는 오목홈(113)이 형성되며, 오목홈(113)에는 진공배관(114)이 연결 설치된다.

오목홈(113)의 안쪽 끝단에 스테인레스 재질로 이루어지는 30~50㎛ 메쉬의 거름망(112)이 설치되며, 그 다음에 세라믹 솜(111)이 오목홈(113)에 채워진다. 세라믹 솜(111)은 공기만 흡입하고 재활용 실리카층(20a)이 함께 빨려 들어오는 것을 방지하기 위한 것이다. 재활용 실리카층(20a)은 상술한 바와 같이 아크 용융과정에서 녹아서 완전히 치밀화되지 않고 단지 가루가 뭉쳐진 형태를 하기 때문에 진공흡입력에 의하여 빨려 들어갈 염려가 있어 이렇게 세라믹 솜(111)을 설치하는 것이다.

거름망(112)은 세라믹 솜(111)이 진공배관(114)으로 흡입되어 들어가는 것을 방지하는 것이다. 진공배관(114)은 몰드(10) 외부의 진공펌프(미도시)에 연결되며, 500~600mmHg 정도의 압력으로 흡입이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

몰드벽(12) 내에는 냉각수관(미도시)이 설치되며, 상기 냉각수관과 진공배관(114)은 서로 독립적인 경로가 되도록 배열된다.

이렇게 아크 용융과정이 끝나면 석영 도가니 취출 및 후처리장치 단계로 몰드(10)를 재활용 실리카층(20a)으로부터 분리해 낸다. 성형용 실리카층(120a)은 아크 용융에 의하여 이미 용융이 이루어진 상태이지만 재활용 실리카층(20a)은 차가운 몰드벽(12)에 의하여 용융되지 않고 미반응상태의 원료 그대로 가루가 덩어리 형태로 뭉쳐있는 형태이므로 이 과정에서 재활용 실리카층(20b)은 부스러기처럼 성형용 실리카층(120a)에서부터 떨어져 나온다. 따라서 성형용 실리카층(120a)으로 이루어지는 석영 도가니가 얻어진다.

이렇게 얻어지는 석영 도가니는 표면이 샌딩(sanding) 처리되어 마감되고, 또한 클라이언트의 요구에 부응하도록 그 판단을 절단하여 원하는 도가니 깊이를 얻는다.

도6 및 도7은 본 발명에 따른 석영 도가니 제조장치를 설명하기 위한 도면이며, 여기에서 설명되지 않은 내용은 이미 앞서 설명되었기에 그 설명을 생략한 것이다.

도6 및 도7을 참조하면, 몰드(10)는 윗면이 도가니와 같이 오목한 형태를 한다. 몰드(10)를 기울이기 위하여 몰드 경사수단(13)으로서 회전축이 몰드(10)와 연결되어 가로로 설치된다. 몰드(10)는 중심축을 회전축(11)으로 하여 회전되며 이를 위하여 구동모터(11a)가 설치된다. 따라서 몰드(10)는 경사진 채로 회전축(11)을 축으로 하여 회전하게 된다. 몰드 경사수단(13)은 몰드(10)의 중심축이 수직에서 0°~180°범위에서 기울어지도록 설치된다. 이는 완성된 석영 도가니(122)를 반출시키기 위한 것이다. 완성된 석영 도가니(122)는 치밀화된 성형용 실리카층(120a)의 외부에 가루형태로 덩어리진 상태의 재활용 실리카층(20a)이 형성된 상태이며, 이후에 재활용 실리카층(20a)을 털어내고 성형용 실리카층(120a)의 표면을 샌딩 처리하면 제품화가 되는 것이다.

성형바(40)는 몰드(10)의 외부에서 내부로 삽입되도록 설치되며, 몰드(10)의 기울어짐에 대응하여 성형바(40)가 몰드(10)의 중심축에 나란하게 기울어진 채로 몰드(10)의 내벽에 소정간격 이격되도록 성형바 이송수단(42,43,44)에 의해 그 이동이 제어된다.

성형바 이송수단(42,43,44)은 성형바(40)와 몰드(10)의 내벽 사이의 이격 거리를 결정하는 두께조절수단(44), 성형바(40)를 수직에 대해 0°~60°기울어지도록 경사지게 하는 경사조절수단(43), 성형바(40)가 몰드(10)의 내부로 삽입되어 들어가는 깊이를 결정하는 깊이 조절수단(42)을 포함하여 이루어진다.

재활용 실리카 저장용기(30)와 성형용 실리콘 저장용기(130)는 필요한 시기에 몰드(10)의 상부로 이송되도록 설치된다.

도가니 성형과정이 끝나면 성형바(40)를 몰드(10)의 외부로 반출한 후에 도2에서와 같은 아크 용융과정으로 진입하는데, 이러한 아크 용융과정은 성형과정에 사용된 몰드(10)를 그대로 사용하여 진행하여 몰드 수평이송수단(51,52)을 통하여 몰드(10)를 아크 용융장치로 수평 이송시킨다.

아크 용융장치는 도2에 도시된 바와 같이 고온의 열을 발생시키므로 많은 전력을 소모한다. 따라서 아크 용융장치는 안정되게 고정 설치되는 것이 바람직하므로 이렇게 몰드(10)를 아크 용융장치로 이송시키는 것이다.

도 9는 본 발명의 석영 도가니 제조장치의 연속제조공정을 표시한 것이다. 상기 본 발명의 성형장치 및 용융장치, 석영 도가니 취출 및 후처리장치는 연속공정으로서 진행된다. 성형장치 중 재활용 실리카층 성형장치(1)에서는 재활용 실리카층(20a)을 형성하는 장치가 배치되고, 성형장치 중 성형용 실리카층 성형장치(2)에서는 성형용 실리카층(120a)을 형성하는 장치가 배치되며, 용융장치(3)에서는 성형장치(1 및 2)에서 성형된 내부 성형용 실리카층(120a)과 외부 재활용 실리카층(20a)으로 구성된 석영 도가니 성형체를 아크방전에 의하여 용융되어 도가니를 형성하는 장치가 배치된다. 용융단계가 완료된 석영 도가니는 취출 및 후처리장치(4)로 이송되어 석영 도가니 제조공정이 완료된다. 본 발명의 연속제조공정은 재활용 실리카층(20a) 성형장치와 성형용 실리카층(120a) 성형장치를 분리하여 배치함으로서 공정을 단순화할 수 있고 연속공정을 가장 빠른 속도로 진행할 수 있다는 특징이 있다.

또한 본 발명의 일 특징인 공기압에 의한 출력증대 기술을 활용하여 하나의 전력공급장치(TR)에 2개 이상의 용융장치를 연결함으로써 같은 전력으로도 다수의 용융장치를 순차적으로 활용할 수 있도록 하는 석영 도가니 연속제조장치를 제공한다. 일례로 도 9에 도시된 것처럼 하나의 전력공급장치(TR)에 본 발명에 의한 2개의 용융장치를 연결하여 하나의 용융장치를 가동하는 동안 다른 하나의 용융장치는 성형장치에서 이송된 도가니에 대한 카본봉 설치, 공기분사구 설치, 차열판 및 수냉판을 설치하는 준비작업을 함으로써 준비작업에 걸리는 시간을 획기적으로 단축할 수 있다는 특징이 있다.

1: 재활용 실리카층 성형장치 2: 성형용 실리카층 성형장치
3: 용융장치 4: 취출 및 후처리 장치
10: 몰드 11.수직회전축
11a: 구동모터 12. 몰드벽
13: 몰드경사수단 20: 재활용 실리카 가루
20a: 재활용 실리카층 30: 저장용기
130: 실리카 저장용기 35: 정량공급수단
40: 성형바 42: 깊이조절수단
43: 경사조절수단 44: 두께조절수단
51, 52: 몰드수평이송수단 110: 기체배출수단
111: 세라믹솜 112: 거름망
113: 오목홈 114: 진공배관
120: 성형용 실리카 가루 120a: 성형용 실리카층 122: 석영 도가니 200: 카본봉 210: 차열판 211: 열주입구 212: 공기분사구 213: 수냉판

Claims

재활용 실리카층(20a)을 형성하는 재활용 실리카층 성형장치(1)와 성형용 실리카층(120a)을 형성하는 성형용 실리카층 성형장치(2)를 포함하는 석영 도가니 성형장치, 석영 도가니 용융장치(3), 석영 도가니 취출 및 후처리 장치(4)로 구성되는 석영 도가니 제조장치에 있어서,
석영 도가니 성형장치는,
윗면이 도가니와 같이 오목한 형태를 하는 몰드(10);
상기 몰드가 수평면에 대해서 기울어지도록 상기 몰드를 기울이는 몰드 경사 수단(13);
상기 몰드를 중심으로 회전축으로 하여 회전시키는 구동모터(11a);
상기 몰드의 상부에서 상기 몰드의 내부에 재활용 실리카 가루를 공급하도록 설치되는 재활용 실리카 저장용기(30);
상기 재활용 실리카 가루가 공급된 후에 상기 몰드의 상부에서 상기 몰드의 내부에 성형용 실리카 가루를 공급하도록 설치되는 성형용 실리카 저장용기(130);
상기 몰드의 외부에서 내부에 삽입하도록 설치되는 성형바(40);
상기 성형바가 상기 몰드의 중심축에 나란하게 기울어진 채로 상기 몰드의 내벽에서 소정간격 이격되도록 상기 성형바를 이송시키는 성형바 이송수단(42,43,44);
를 포함하며,
석영 도가니 용융장치(3)는,
가운데에 열주입구가 관통 형성되며 상기 성형바 이송수단에 의하여 상기 성형바가 상기 몰드의 외부로 반출되었을 때에 상기 몰드의 윗면을 가리도록 설치되는 차열판(210) 및 차열판(210)의 밑면에 설치되는 수냉판(213);
상기 수냉판(213)의 수평면에서 몰드 내부를 향하여 0~15cm 내려오도록 설치되는 카본봉(200); 및 카본봉 착화점을 향하여 0.1kgf/㎠ ~ 15kgf/㎠ 의 압력으로 공기를 분사하는 1~15개의 공기분사구(212); 를 포함하는 것으로서,
몰드(10)를 몰드경사수단(13)을 사용하여 30°~ 60°기울인 후, 구동모터(11a)를 사용하여 회전시키면서, 재활용 실리카 저장용기(30)으로부터 재활용 실리카 가루(20)를 몰드(10) 측면에 떨어뜨리고, 성형바 이송수단(42,43,44)를 사용하여 성형바(40)를 내려 몰드(10) 측면(A,B)에 일정두께(d)의 측면 재활용 실리카층(20a)을 성형한 후 성형바(40)를 올리고, 이어 회전하는 몰드(10)를 수직으로 세운후, 몰드(10)의 바닥면(c)에 재활용 실리카 가루(20)를 떨어뜨리고 성형바(40)를 내려 측면과 동일한 두께(d)의 바닥 재활용 실리카층(20a)을 성형하며, 재활용 실리카층(20a)이 형성된 내측에 2d 두께로 성형용 실리카층(120a)을 재활용 실리카층(20a)과 동일한 순서로 성형하는 석영 도가니 성형장치와, 석영 도가니 성형장치에서 성형된 석영 도가니(122)를 수냉판(213)으로부터 몰드(10) 내부 방향으로 배치된 카본봉(200)의 착화점을 향하여 공기분사구(212)에서 공기를 분사함으로써 아크방전에 소요되는 출력을 5~20% 향상시키는 용융장치(3)를 특징으로 하는 석영 도가니 제조장치.
제 1 항에 있어서,
상기 몰드(10)의 내부에 있는 기체를 배출시키도록 상기 몰드(10)의 내벽에 기체 배출수단(110)이 복수 개 설치되는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조장치.
제 2 항에 있어서, 상기 기체배출수단(110)이,
상기 몰드(10)의 벽 내면쪽에 형성되는 오목홈(113);
상기 오목홈(113)과 상기 몰드(10)의 외부에 있는 진공펌프를 연결하도록 상기 몰드의 벽 내부에 설치되는 진공배관(114);
상기 오목홈(113)에 채워지는 세라믹 솜(111); 및
상기 세라믹 솜(111)이 상기 진공배관(114)으로 흡입되어 들어가지 못하도록 상기 오목홈(113)의 안쪽에 설치되는 거름망(112);
을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조장치.
제 1 항에 있어서,
상기 성형바는 끝단이 상기 몰드의 중심쪽으로 절곡되면서 아래로 볼록한 형상을 하는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조장치.
제 1 항에 있어서,
상기 몰드 경사수단은 상기 몰드의 중심축이 수직에서 0°~180°로 기울어지도록 설치되는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조장치.
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