KR102277802B1 - 유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치 - Google Patents

Abstract

폴리실리콘을 용융하기 위하여 석영도가니를 바치는 받침대(supporter) 위에 발열링(Susceptor)을 설치하고 라디오 주파수를 이용하여 설치한 발열 링을 유도가열하는 방식으로 폴리실리콘을 용해시키고 성장에 필요한 온도의 자동 제어가 가능한 유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치가 개시된다. 본 발명에 의한 태양전지용 단결정 잉곳성장장치는 내부에 폴리실리콘이 공급된 다음 열원에 의해 용융되는 석영도가니; 상기 석영도가니의 외측 둘레를 따라 설치되어 열원을 제공하는 전도성 유도가열 발열체; 상기 석영도가니로부터 이격되어 설치된 비전도성 열 차폐체; 상기 비전도성 열 차폐체의 외측을 따라 감기도록 설치되고 상기 전도성 유도가열 발열체가 유도 가열되도록 전기가 제공되는 코일; 및 상기 석영도가니를 하부에서 지지하는 회전지지부재와 상기 석영도가니 사이에 상기 비전도성 열 차폐체를 지지하도록 설치되어 잔류 용탕이 굳어지면서 발생되는 부피팽창에 의해 상기 전도성 유도가열 발열체가 깨지는 것을 방지하는 받침대;를 포함할 수 있다.

Description

유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치{Induced-heating-type solar cell monocrystalline ingot growth apparatus}

본 발명은 단결정 실리콘 잉곳성장장치용 유도가열 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리실리콘을 용융하기 위하여 석영도가니를 바치는 받침대(supporter) 위에 발열링(Susceptor)을 설치하고 라디오 주파수를 이용하여 설치한 발열 링을 유도가열하는 방식으로 폴리실리콘을 용해시키고 성장에 필요한 온도의 자동 제어가 가능한 유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치에 관한 것이다.

일반적으로, 일반적으로, 단결정 태양전지용 잉곳은 성장로에 석영도가니를 넣고 폴리 실리콘을 장입하여 녹인 뒤 단결정으로 성장시킨다. 폴리실리콘은 1,470도씨 이상의 온도에서 용융을 하게 되므로, 일반적으로 사용하는 저항가열방식의 흑연 히터는 1,700도씨 이상으로 고온을 발생시켜야 복사열로 폴리실리콘을 녹일 수 있다. 그러므로 많은 전기에너지가 소모되는데 열 전달 방식을 복사에서 전도로 바꾸면 열효율을 높일 수 있다. 그렇기 하기 위해서 폴리실리콘이 장입된 석영도가니에 열을 전도시켜줄 수 있는 가열매체를 도가니 바깥쪽에 설치하고 이것을 가열하기 위하여 유도가열방식을 채택하였다.

국내공개특허 제10-2010-0042574호와 제10-2010-0042489호에는 유도가열을 위한 흑연도가니에 수직으로 슬릿이 설치되어 있는 구조로 발열체가 하나의 몸체를 이루고 있다.

그러나 이러한 종래기술은 흑연도가니 속에 석영도가니를 안착시키기 어려우며, 잔류 용탕이 굳어지면서 발생하는 부피팽창에 의해서 발열체가 깨어질 수 있는 문제점이 있었다.

한국공개특허 제10-2010-0042574호 한국공개특허 제10-2010-0042489호

본 발명의 목적은, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 잔류용탕이 굳으면서 발생하는 부피 팽창에 의하여 석영도가니 외부의 흑연도가니가 깨어지는 것을 방지하면서 유도가열에 의하여 효율적으로 열을 발생시키고 전달할 수 있는 유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, 내부에 폴리실리콘이 공급된 다음 열원에 의해 용융되는 석영도가니; 상기 석영도가니의 외측 둘레를 따라 설치되어 열원을 제공하는 전도성 유도가열 발열체; 상기 석영도가니로부터 이격되어 설치된 비전도성 열 차폐체; 상기 비전도성 열 차폐체의 외측을 따라 감기도록 설치되고 상기 전도성 유도가열 발열체가 유도 가열되도록 전기가 제공되는 코일; 및 상기 석영도가니를 하부에서 지지하는 회전지지부재와 상기 석영도가니 사이에 상기 비전도성 열 차폐체를 지지하도록 설치되어 잔류 용탕이 굳어지면서 발생되는 부피팽창에 의해 상기 전도성 유도가열 발열체가 깨지는 것을 방지하는 받침대;를 포함할 수 있다.

이때, 상기 전도성 유도가열 발열체는 링 형태로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 전도성 유도가열 발열체는 텅스텐, 몰리브덴, 흑연 중에 선택되는 어느 한 재질로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 코일은 구리코일이고 수냉식으로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 받침대는 상기 석영도가니의 하부측을 감싸 지지할 수 있도록 사발 형태로 이루어지되, 측면에는 상단부로부터 적어도 하나 이상의 슬릿이 수직방향으로 형성될 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 구체적인 수단으로서 본 발명은, 내부에 폴리실리콘이 공급된 다음 열원에 의해 용융되는 석영도가니; 상기 석영도가니의 외측 둘레를 따라 설치되어 열원을 제공하는 흑연으로 이루어지고 복수개가 설치된 전도성 유도가열 발열체; 상기 석영도가니로부터 이격되어 설치된 비전도성 열 차폐체;상기 비전도성 열 차폐체의 외측을 따라 감기도록 설치되고 상기 전도성 유도가열 발열체가 유도 가열되도록 전기가 제공되는 수냉식 구리코일; 및 상기 석영도가니를 하부에서 지지하는 회전지지부재와 상기 석영도가니 사이에 상기 비전도성 열 차폐체를 지지하도록 설치되고 사발 형태로 이루어지되 상단부로부터 측면을 따라 수직으로 2분할 또는 3분할 이상으로 나뉘어져 형성됨으로써 잔류 용탕이 굳어지면서 발생되는 부피팽창에 의해 상기 전도성 유도가열 발열체가 깨지는 것을 방지하는 받침대;를 포함할 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 다른 구체적인 수단으로서 본 발명은, 내부에 폴리실리콘이 공급된 다음 열원에 의해 용융되는 석영도가니; 상기 석영도가니의 외측 둘레를 따라 설치되어 열원을 제공하는 흑연으로 이루어지고 복수개가 설치된 전도성 유도가열 발열체; 상기 석영도가니로부터 이격되어 설치된 비전도성 열 차폐체; 상기 비전도성 열 차폐체의 외측을 따라 감기도록 설치되고 상기 전도성 유도가열 발열체가 유도 가열되도록 전기가 제공되는 수냉식 구리코일; 및 상기 석영도가니를 하부에서 지지하는 회전지지부재와 상기 석영도가니 사이에 상기 비전도성 열 차폐체를 지지하도록 설치되고 사발 형태로 이루어지되 상단부로부터 측면을 따라 수직으로 복수개의 슬릿이 형성됨으로써 잔류 용탕이 굳어지면서 발생되는 부피팽창에 의해 상기 전도성 유도가열 발열체가 깨지는 것을 방지하는 받침대;를 포함할 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 구체적인 수단으로서 본 발명은, 내부에 폴리실리콘이 공급된 다음 열원에 의해 용융되는 석영도가니; 상기 석영도가니의 외측 둘레를 따라 설치되어 열원을 제공하는 텅스텐, 몰리브덴, 그리고 흑연 중에 선택되는 어느 한 재질로 이루어지고 복수개가 설치된 전도성 유도가열 발열체; 상기 석영도가니로부터 이격되어 설치된 비전도성 열 차폐체; 상기 비전도성 열 차폐체의 외측을 따라 감기도록 설치되고 상기 전도성 유도가열 발열체가 유도 가열되도록 전기가 제공되는 수냉식 구리코일; 및 상기 석영도가니를 하부에서 지지하는 회전지지부재와 상기 석영도가니 사이에 상기 비전도성 열 차폐체를 지지하도록 설치되고 사발 형태로 이루어지되 상단부로부터 측면을 따라 수직으로 복수개의 슬릿이 형성됨으로써 잔류 용탕이 굳어지면서 발생되는 부피팽창에 의해 상기 전도성 유도가열 발열체가 깨지는 것을 방지하고 상단부로부터 단이 형성되도록 외측 직경이 감소된 축경부가 형성되며 상기 축경부의 외측에 동일한 재질로 이루어진 상단 링이 결합된 받침대;를 포함할 수 있다.

본 발명은 유도가열 발열체와 석영도가니 하부에 받침대가 설치되어 잔류 용탕에 의해 발생되는 부피 팽창에 의한 깨어짐을 방지할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 의한 유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치의 일부 구성요소인 받침대의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치의 일부 구성요소인 받침대의 다른 실시예에 의한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 의한 유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치의 일부 구성요소인 받침대의 또 다른 실시예에 의한 사시도이다.
도 6은 본 발명에 의한 유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치의 일부 구성요소인 받침대의 또 다른 실시예에 의한 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치(1)를 보다 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 제1실시예에 따른 유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치(1)는 도 1 내지 도 3을 참고하면, 석영도가니(10), 전도성 유도가열 발열체(20), 비전도성 열 차폐체(40), 구리코일(30), 받침대(50)를 포함한다.

상기 석영도가니(10)는, 도 1을 참고하면, 내부에 폴리실리콘이 공급된 다음 열원에 의해 용융된다.

이때, 상기 석영도가니(10)는 상부가 개방된 형태의 원통형으로 형성되고, 하부면의 모서리 부분은 라운드지게 형성된 일반적인 형태의 도가니이다. 상기 석영도가니(10)는 폴리실리콘을 녹이는 온도에서도 견딜 수 있도록 석영으로 제작된 일반적인 석영도가니(10)를 적용한다.

상기 전도성 유도가열 발열체(20)는, 도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 석영도가니(10)의 외측 둘레를 따라 설치되어 열원을 제공할 수 있다.

이때, 상기 전도성 유도가열 발열체(20)는 복수개가 석영도가니(10)에 밀착되어 적층되는 형태로 되어 있는 바, 1-5개가 짝을 이루어 링 형태로 설치될 수 있다. 상기 구리코일(30)에 전원이 공급되면 상기 전도성 유도가열 발열체(20)가 유도가열됨으로써 석영도가니(10)를 가열하게 된다.

이때, 상기 전도성 유도가열 발열체(20)는 텅스텐, 몰리브덴 등의 금속으로 이루어질 수도 있고, 흑연 재질로 이루어질 수도 있다.

상기 비전도성 열 차폐체(40)는, 도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 석영도가니(10)로부터 이격되어 설치될 수 있다.

이때, 상기 비전도성 열 차폐체(40)는 유도가열을 위한 구리코일(30)이 녹는 것을 방지하고 보호하기 위하여 설치되는 열 차폐체(40)로 비전도성 재지로 이루어진다. 일반적인 잉곳성장치에서는 다양한 곳에 열 차폐체가 사용되기 때문에 이를 적용할 수도 있다.

상기 구리코일(30)은, 도 1을 참고하면, 상기 비전도성 열 차폐체(40)의 외측을 따라 감기도록 설치되고 상기 전도성 유도가열 발열체(20)가 유도 가열되도록 전기가 제공될 수 있다.

이때, 상기 코일(30)은 구리코일이고 수냉식으로 이루어질 수 있을 것이다. 더불어 상기 구리코일(30)은 열 차폐체(40)를 5-10회 감싼 구조를 가질 수 있다. 상기 구리코일(30)은 열 차폐체(40)에 의해 보호되고 수냉식으로 냉각되기 때문에 원활하게 유도가열을 진행할 수 있게 된다.

상기 받침대(50)는, 도 1 내지 도 3을 참고하면, 상기 석영도가니(10)를 하부에서 지지하는 회전지지부재와 상기 석영도가니(10) 사이에 상기 비전도성 열 차폐체(40)를 지지하도록 설치되어 잔류 용탕이 굳어지면서 발생되는 부피팽창에 의해 상기 전도성 유도가열 발열체(20)가 깨지는 것을 방지할 수 있다.

이때, 상기 받침대(50)는 상기 석영도가니(10)의 하부측을 감싸 지지할 수 있도록 사발 형태로 이루어지되, 측면에는 상단부로부터 적어도 하나 이상의 슬릿이 수직방향으로 형성될 수 있다. 이렇게 슬릿이 형성됨으로써 석영도가니(10)의 팽창에 의해 발생되는 변형을 억제하게 되어 상기 전도성 유도가열 발열체(20)를 보호할 수 있게 되는 동시에 받침대(50) 자체가 팽창에 의해 파손되는 것 또한 어느 정도 방지할 수 있게 된다.

도 1과 도 2를 참고하면, 본 발명에 의한 잉곳성장 장치의 단면이 개략적으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 석영도가니(10) 내부에는 폴리실리콘이 공급되어 있고, 석영도가니(10) 외측면에는 전도성 유도가열 발열체(20)가 복수개의 적층 설치되어 있다. 상기 전도성 유도가열 발열체(20)는 받침대(50)에 의해 지지되고, 석영도가니(10) 또한 받침대(50)에 의해 지지된다. 받침대(50)의 하부에는 종래 회전지지체가 설치되어 있다. 석영도가니(10)와 이격되어 비전도성 열 차폐체(40)가 설치되어 있고, 열 차폐체(40) 외측에 수냉식 구리코일(30)이 설치되어 있다. 따라서 구리코일(30)에 전원이 공급되면 전도성 유도가열 발열체(20)에 열이 발생되면서 잉곳성장 장치의 운전이 시작된다. 이때 잔류용탕이 굳으면서 발생되는 부피 팽창에 의해 석영도가니(10)의 이루어진 전도성 유도가열 발열체(20)인 흑연 링이 깨지는 것이 받침대(50)가 그 부피 팽창을 어느 정도 억제하게 되기 때문에 방지된다. 이때 받침대(50)에는 전술한 슬릿을 형성할 수도 있을 것이다.

도 3을 참고하면, 본 발명에 의한 잉곳성장장치(1)의 일부 구성요소인 받침대(150)가 도시되어 있다. 받침대(150)는 내측에 석영도가니(10)를 상단에는 전도성 유도가열 발열체(20)를 지지하도록 설치된다. 이때 받침대(150)에는 상단부로부터 슬릿(150a)이 3곳에 형성되어 있는데 어느 정도의 팽창을 변형으로 흡수할 수 있도록 되어 있다.

도 4를 참고하면, 받침대(250)의 다른 실시예가 도시되어 있는 바, 슬릿(250a)이 5개를 형성한 것이다. 이 경우에는 전술한 실시예에서 받침대(150)보다 석영도가니(10)의 팽창에 대하여 변형으로 잘 대처할 수 있으나, 팽창의 영향이 발열체(20)에 더 가해질 수 있는 단점이 있을 것이다.

도 5를 참고하면, 받침대의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 상기 석영도가니(10)를 하부에서 지지하는 회전지지부재와 상기 석영도가니(10) 사이에 상기 비전도성 열 차폐체(40)를 지지하도록 설치되고 사발 형태로 이루어지되 상단부로부터 측면을 따라 수직으로 복수개의 슬릿(350a)이 형성됨으로써 잔류 용탕이 굳어지면서 발생되는 부피팽창에 의해 상기 전도성 유도가열 발열체(20)가 깨지는 것을 방지하고 상단부로부터 단이 형성되도록 외측 직경이 감소된 축경부(351a)가 형성되며 상기 축경부(351a)의 외측에 동일한 재질로 이루어진 상단 링(352)이 결합될 수 있다. 이러한 구성에 의해 받침대(350)의 변형은 최대한 자제토록하여 발열체(20)에 가해지는 응력을 최소화하는 동시에 받침대(350)도 보호할 수 있게 된다. 물론 상단 링(352)이 깨어지면 새로운 것으로 교체가 가능하다.

도 6을 참고하면, 상기 받침대(450)가 하나의 몸체로 이루어진 것이 아니라 2분할 또는 3분할 이상으로 나뉘어져 형성됨으로써 잔류 용탕이 굳어지면서 발생되는 부피팽창에 의해 상기 전도성 유도가열 발열체가 깨지는 것을 방지하게 된다. 즉 완전히 분리된 여러 개의 분할 받침대(451)로 지지하도록 함으로써 조금이라도 크랙에 의해 깨질 수 있는 것을 원천봉쇄할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

1 : 잉곳성장장치
10 : 석영도가니 20 : 전도성 유도가열 발열체
30 : 구리코일 40 : 비전도성 열 차폐체
50, 150, 250, 350, 450 : 받침대

Claims (8)

1. 내부에 폴리실리콘이 공급된 다음 열원에 의해 용융되는 석영도가니;
   상기 석영도가니의 외측 둘레를 따라 설치되어 열원을 제공하는 텅스텐, 몰리브덴, 그리고 흑연 중에 선택되는 어느 한 재질로 이루어지고 복수개가 설치된 전도성 유도가열 발열체;
   상기 석영도가니로부터 이격되어 설치된 비전도성 열 차폐체;
   상기 비전도성 열 차폐체의 외측을 따라 감기도록 설치되고 상기 전도성 유도가열 발열체가 유도 가열되도록 전기가 제공되는 수냉식 구리코일; 및
   상기 석영도가니를 하부에서 지지하는 회전지지부재와 상기 석영도가니 사이에 상기 비전도성 열 차폐체를 지지하도록 설치되고 사발 형태로 이루어지되 상단부로부터 측면을 따라 수직으로 복수개의 슬릿이 형성됨으로써 잔류 용탕이 굳어지면서 발생되는 부피팽창에 의해 상기 전도성 유도가열 발열체가 깨지는 것을 방지하고 상단부로부터 단이 형성되도록 외측 직경이 감소된 축경부가 형성되며 상기 축경부의 외측에 동일한 재질로 이루어진 상단 링이 결합된 받침대;
   를 포함하는 유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전도성 유도가열 발열체는 링 형태로 이루어진 유도가열 방식의 태양전지용 단결정 잉곳성장장치.
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