KR19980702359A - 초고순도 마그네슘 및 진공 증류 정제 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

초고순도의 재료, 특히 마그네슘 및 이와 유사한 고휘발성 재료와 같은 금속 재료는 단일 단계로 대략 500배 이상 순도를 증가시키기 위해 진공 증류 방법 및 장치에 의해 생산된다. 예를 들면, 아연 함유량을 제외한 마그네슘 순도는 99.95%에서 99.9999% 이상으로 증가된다. 증류 컬럼은 (10 ppm 이하의 회분이 함유된) 고순도의 흑연으로 제조되고, 도가니와 수평의 고순도 흑연 배플이 다수의 수준, 예컨대 9개의 수준에서 선택적으로 위치되는 수직형 응축기를 구비한다. 상기 컬럼은 재료를 증발시키도록 도가니를 가열하고, 상기 재료의 끓는 점 이상으로 도가니 바로 위의 상기 응축기를 유지하고, 그 위의 상기 컬럼의 일부를 재료의 끓는 점 이하의 온도, 양호하게는 상기 컬럼의 높이에 따라 점진적으로 감소하는 온도로 유지시키도록 제어되는 3개의 영역 저항 노(resistance furnace) 내에 수납된다. 상기 배플은 응축기를 따라 이격되고, 고순도의 재료가 응축 온도에 도달하여 하나 또는 그 이상의 상기 배플 상에서 응축되도록 상기 증기를 감속시키기 위해 엇갈리게 된다. 상기 응축기는 절개되어서, 정제된 재료를 제거하기 위해 상기 배플은 선택적으로 위치하고 제거된다. 상기 컬럼의 상부 및 하부의 캡은 절개된 응축기를 상호 유지시킨다.

Description

초고순도 마그네슘 및 진공 증류 정제 방법 및 장치

반도체 장치를 제조함에 있어서, 고순도 금속은 아주 필요하다. 예컨대 청색광 레이저 다이오드(laser diode)와 같은 반도체 장치의 제조는 초고순도 마그네슘 금속을 필요로 한다. 이중의 이형 구조(heterostructure) 청색 레이저 다이오드의 개발은 피복층(cladding layer)으로 사용되는 재료의 특질에 아주 종속적이다. 분자 비임 적층 성장(molecular beam epitaxy; MBE)에 의해 성장된 II-IV 마그네슘 함유 화합물인 ZnMgSSe와 같은 재료는 복합 장치 내의 활성 p-형 ZnSSe 층을 피복하는 데에 아주 효과적인 재료이다. 상기 재료는 GaAs와 격자가 일치하고 활성 ZnSSe 층보다 높은 적어도 0.3 eV의 띠간격 에너지(band-gap energy)를 갖는다. MgZnCdS와 같은 선택적인 마그네슘 반도체 화합물은 다른 색상의 레이저 다이오드를 제조하는 데에 사용될 수도 있다.

이러한 피복 및 다른 목적으로 사용되는 이러한 재료의 금속성 불순물은 반도체 레이저의 성능에 치명적이다. 고순도(99.9999% 또는 6N 순도)의 Zn, Se, S 및 ZnS가 ZnMgSSe 제조에 사용되지만, 단지 4N 순도(99.99% 순도)의 마그네슘이 통상 상업적으로 입수가능하다. 또한, 아연을 제외한 모든 금속성 불순물을 고려하면 현재 연구용으로 입수될 수 있는 최고 순도의 마그네슘은 99.9997 내지 99.9998% 사이의 금속 순도(높은 5N 순도)이다. 이러한 재료는 일본의 도와(Dowa)에 의해 다단계 공정으로 제조되고, 상대적으로 높은 가격으로 입수될 수 있다. 유색 레이저 다이오드 및 많은 다른 반도체 장치 설비가 없다면, 적어도 6N 순도의 마그네슘이 바람직하게 된다.

정제된 마그네슘 금속을 제조하기 위한 이미 공지된 방법은 띠 정제(zone refining), 전기 정련(electro-refining), 융제 추가(flux addition), 석출(precipitation), 금속열 감소(metallothermic reduction) 및 증류(distillation)의 공정을 포함한다. 그러나, 진공 증류의 공정은 최고 순도의 마그네슘을 제조하기가 쉽다.

진공 증류에 의한 마그네슘 금속의 정제는 예컨대 마그네슘 증기를 평평한 판 상에 응축함으로써 제안되었다. 높은 순도를 달성하기 위해, 마그네슘은 종종 둘 또는 그 이상의 단계로 아부 복잡하고 많은 비용을 들이고서 증류되어야 한다. 아르곤 증기로써 증류된 마그네슘을 후처리하거나 또는 아르곤이 존재하는 제1 증류 단계와 아르곤이 없는 제2 증류 단계를 수행하는 것이 제안되었다. 예컨대, 액체 금속을 용광로(furnace)를 통해 하강(descending)시키거나 또는 증착된 금속을 용융시켜 이를 2 단계 또는 3 단계로 정제시킴으로써 용융 상태로 마그네슘을 정제시키는 것이 제안되었다.

연구자들은 흑연 도가니를 이용하고 스테인레스강으로 제조된 증류 컬럼으로써 99.999% 이상의 순도로 마그네슘을 정제하는 방법을 개시하였다. 이러한 공정은 99.9995% 내지 99.9996%의 전체 금속 순도를 갖는 마그네슘을 제시하고 있다. 이러한 컬럼은 단일 영역 히터(single-zone heater)를 사용하고 있으나, 응축기의 증류량에 대한 어떠한 온도 제어도 사용하고 있지 않다. 증류된 마그네슘의 전체 금속 순도 및 아연 함유량을 제외한 금속 순도는 아연 함유랑이 3 ppm인 상태에서 각각 99.9996% 및 99.999905%이다. 그러나, 상기 순도는 연속 다중 증류에 의해 달성되었다.

연구자들은 마그네슘을 정제하기 위해 버블-캡(bubble-cap) 및 선반 판(shelf plate)을 갖는 컬럼을 사용하는 방법 또는 정제 성능을 증가시키기 위해 전자기장을 사용하는 것에 대해 또한 개시하였다. 마그네슘 합금 및 마그네슘 스폰지(sponge)는 진공 증류에 의해 정제된 것으로서 또한 개시되었다. 텔루륨, 네오디뮴, 망간, 아연, 칼슘, 지르코늄, 티타늄, 알루미늄 합금, 은 요오드 및 염화물을 포함하는 다른 금속, 합금 및 화학적 화합물은 진공 증류에 의해 정제되었다.

마그네슘을 정제하는 다른 방법은 띠 정련 및 전기 정련을 포함하도록 사용되었다. 띠 정련은 수평 흑연 도가니를 사용하도록 제안되었다. 전기 정련은 전해질과 같은 염화물, 플루오로화물 또는 산화물의 혼합물을 사용하도록 제안되었다. 마그네슘을 용융시키기 위해 알칼리, 알칼리토 염화물 또는 플루오로화물, 또는 붕소 또는 티타늄 할로겐화합물과 같은 융제의 추가하는 것은 특정 불순물을 제거하기 위해 제안되었다. 불순물 석출 및 열처리는 의미상 실리콘, 지르코늄, 티타늄 또는 망간에 의한 금속열 감소와 불순물 산화물 또는 할로겐화합물 감소를 포함하는 것으로 이해되었다.

6N 이상의 마그네슘과 같은 고순도 재료를 효과적이고 경제적으로 제조하기 위해 쏟아졌던 모든 노력에도 불구하고, 종래 기술은 이러한 순도의 마그네슘 및 다른 금속을 제조하는 데에 실패하였거나 또는 합리적인 비용을 들여 단일 단계 공정으로 4N 순도 재료 이하의 순도에서 상기 순도로 접근하는 데에 실패하였다. 그러므로, 이러한 고순도 재료를 효과적이고 경제적으로 제조하기 위한 방법 및 장치에 대한 연속적인 필요성이 있다.

본 발명은 마그네슘 및 상당한 휘발성을 갖는 금속과 같은 금속의 정제에 관한 것으로, 특히 예컨대 99.9999% 순도의 마그네슘과 같은 초고순도 금속을 제조하기 위한 진공 증류 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 원리에 의한 증기 증류 장치의 측입면도이다.

도2는 도1의 선 2-2를 따른 단면도이다.

본 발명의 목적은 마그네슘과 같은 고순도의 재료를 제공하는 것이고, 적절한 비용으로 상기와 같이 수행하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 특정 목적은 아연을 제외한 모든 금속 불순물이 1 ppm 이하의 함유량을 갖는 마그네슘 금속을 제조할 수 있게 하는 것이다. 제조된 화합물의 조성 및 관련 공정에 의해, 작은 양의 아연은 해롭지 않으므로 불순물로 고려될 필요가 없다.

본 발명의 추가 목적은 예컨대 마그네슘 또는 상당한 휘발성을 갖는 금속과 같은 재료를 단일 증류 단계에서 고순도로 정제하는 증기 증류 방법을 제공하는 것이다. 이러한 다른 재료로는, 예컨대 비소(arsenic), 포타슘, 카드뮴, 나트륨(sodium) 및 아연이 있다. 본 발명의 추가 목적은 특히 마그네슘과 같은 재료를 단일 단계에서 정제하기 위한 증기 증류 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 보다 특징적인 목적은 진공 상태에서 증기 증류에 의해 재료를 정제하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것으로, 정제된 재료의 순도는 상기 장치 또는 공정 전체에 걸친 온도 및 온도 변동과 상기 장치 또는 공정 내의 정제된 재료의 응축 위치와 같은 증류 공정의 인자를 가변, 설정 또는 제어하는 성능에 의해 향상될 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예에 의하면, 예컨대 99.95%로부터 99.9999% 이상으로 마그네슘 금속과 같은 재료를 정제하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 본원에서 초고순도라 불리는 마그네슘 금속의 이러한 순도는 청색광 레이저 다이오드의 제작에 사용하기에 효과적이며, 청색광 레이저 다이오드와 같은 서비스(service)의 개발을 향상시킨다. 본 발명의 양호한 실시예에 의한 장치는 양호하게는 10 ppm 이하의 회분(ash)을 갖는 고순도의 흑연으로 제조된 응축기를 사용하고, 응축기 경로를 따라 다양하고 변화가능한 수준에서 배플(baffle)을 제공하는 흑연 배플 조립체를 구비한다. 양호하게는, 상기 응축기는 다수의 임의의 위치에 상기 배플을 선택적으로 위치시키기 위해, 양호하게는 엇갈린 경로 내에서 증기의 상향 유동을 제어하기 위해, 또한 정제된 금속 또는 불순물의 선택적인 제거를 위한 상이하게 유지된 일련의 응축 지점을 제공하기 위해 개방될 수 있는 분리된 수직 컬럼의 형태이다.

상기 장치의 양호한 실시예는 상기 컬럼의 높이를 따라 각각의 배플 위치에서 상이한 응축 조건을 유지하는 증류 컬럼에 걸친 명백한 온도 프로파일(profile)을 제공하고, 이에 의해 증착 재료가 수집되는 선택적으로 이격된 배플과 특히 상호 작용함으로써 초고순도 마그네슘의 제조 및 상기 고순도 마그네슘의 선택적 응축을 용이하게 한다. 상기 장치는 아주 선택적인 증류를 제공하여 고순도의 재료를 제공하는 최적의 작동 인자 및 조건을 유지하기 위해 컴퓨터를 이용한 데이타 수집 및 제어 시스템으로써 자동화된다.

본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 상기 도가니(crucible)는 정제될 재료의 끓는 점 이상의 온도로 또는 상기 도가니 내의 재료의 증기압이 증발 컬럼이 위치하는 챔버 내의 진공 압력 수준을 초과하는 온도로 가열된다. 이 진공 압력은 양호하게는 도가니의 온도가 대략 700℃가 되는 예컨대 10^-7torr의 높은 진공이며, 응축기의 하부는 양호하게는 대략 600℃ 정도로 유지되고, 도가니의 상부는 대략 450℃ 정도로 유지된다. 양호하게는, 응축기의 하부의 윗 부분 근처의 2개의 배플은 증발된 재료의 상향 유동을 제한하고, 상기 응축기의 하부의 밑 부분 근처의 배플은 끓는 점 이하로 냉각됨에 따라 응축된 대부분의 재료를 수납한다. 상기 상부보다 더 높이 위치한 추가의 배플은 응축된 재료 또는 낮은 순도의 재료 또는 불순물을 추가로 수납한다.

본 발명에 의하면, (a) 컬럼 요소가 상호 내부로 결합되고 임의의 외부 패스너가 없이도 조립될 수 있게 하는 상부 및 하부 캡(cap)의 슬리브 설계와, (b) 고순도 마그네슘 적층체의 용이한 제거를 가능하게 하는 응축기의 반원통형 설계와, (c) 배플 위치의 용이한 조절 및 정제된 적층체의 용이한 제거를 가능하게 하는 응축기 내의 내부 홈과, (e) 마그네슘 증기용의 지그재그(zigzag) 경로를 발생시키고 마그네슘 증기와 응축기 사이의 접촉 표면을 증가시킬 수 있게 하는 흑연 배플과, (f) 초고순도를 위한 상기 컬럼의 하부로부터 상부로의 온도 프로파일을 유지하는 3개 또는 다른 개수의 영역 히터와, (g) 신뢰성있는 작동을 제공하는 컴퓨터 자동화와, (h) 높은 생산성 및 순도를 위해 배플의 독특한 위치를 갖는 특징 사항을 이용하여, 진공 증류 장치가 종래 기술에 의해 생산된 순도보다 더 높은 순도인 (99.9999% 이상의) 초고순도 마그네슘을 생산하는 증기 증류 정제 방법 및 장치를 제공한다.

예컨대, 본 발명은 아연 함유량을 제외한 99.9999%의 금속 순도를 초과하는 허용가능한 최고 순도의 마그네슘을 생산하며, 종래 기술의 보다 덜 효과적인 방법보다 비용이 덜 드는 진공 증류 방법에 의해 이를 수행하게 된다. 현재, 상업적으로 입수할 수 있는 초고순도의 마그네슘은 보다 낮은 순도(아연 함유량을 제외하고 99.9997% 내지 99.9998%의 금속 순도)를 가지고, 본 발명이 단일 단계 공정을 가지는 반면에 정제된 마그네슘을 생산하는 종래 기술의 시스템이 보다 복잡한 다단계 정제 공정을 사용하기 때문에 부분적으로는 본 발명에 의해 생산된 것보다는 더 비싸게 된다.

본 발명의 원리는 칼슘, 하프니움, 아연, 텔루륨, 네오디뮴, 망간, 지르코늄 및 티타늄 스폰지와 같은 마그네슘 이외의 금속과, 마그네슘 합금 및 알루미늄 합금을 포함하는 합금류와, 요오드화물 및 염화물을 포함하는 화합물의 정제에 사용될 수 있다. 본 발명에 의한 장치는 가장 높은 순도의 재료를 정제하여 분리시키기 위해 배플의 선택 및 위치 설정과 온도 및 다른 공정 인자의 선택적인 다수준 제어에 의해 최적화될 수 있다.

본 발명의 이들 목적 및 여타 목적은 첨부 도면을 참조한 후속의 상세한 설명으로부터 알 수 있게 된다.

본 발명에 따라 초고순도 마그네슘 제조를 위해 특히 형상화된 장치(10)에 대한 양호한 실시예가 도1에 도시된다. 상기 장치(10)는 기부 판 또는 지지부(12) 상에 장착되는 공급 칼라 또는 기부(11)를 포함한다. 칼라(11)의 상부에 예컨대 수정(quartz)으로 제조된 진공의 하향 종 용기(bell jar) 형태의 챔버 하우징(13)이 칼라(11)와 함께 진공 기밀 밀봉부를 형성하도록 장착된다. 칼라(11)는 하우징(13) 내부의 진공 챔버(15)와 진공 배기 다기관(16) 사이에서 연통하는 다수의 진공 공급 포트(14)를 구비하며, 상기 배기 다기관에 큰 용량의 기계적 펌프(17)와 극저온의 고진공 펌프(18)를 갖는 한 쌍의 진공 펌프가 연결된다.

챔버(15) 내에는 기부(12)로부터 수직 직립하는 증류 컬럼(20)이 지지된다. 컬럼(20)의 내부 요소는 양호하게는 회분 함유량이 중량 비율로 대략 10 ppm을 넘지 않는 고순도의 흑연으로 전체적으로 제조된다. 증류 컬럼(20)은 상부 응축기 캡(21)과, 수직 배치된 원통형 응축기(22)와, 하부 캡(23)과, 도가니(24)와, 응축기(22)의 높이를 따라 상이한 높이로 수직 이격된 다수의 (예컨대, 19개의) 배플 위치(26)의 전체가 아니라 몇 개를 점유하는 다수의 (예컨대 9개의) 배플(25)을 구비하고 있다. 응축기(22)는 양호하게는 내부 직경이 대략 1.36 in이고 도2에 도시된 바와 같이 대략 0.4 in의 두께를 갖는 2개의 반원통형 반부(27, 28)로 형성된 양호하게는 원통형이다. 하부 캡(23)으로부터 캡(21)까지의 상기 컬럼의 전체 높이는 양호하게는 13.75 in이고, 캡(21)이 하부 캡(23) 위의 컬럼(20) 내부에 둘러싸인 공간에 대략 추가의 2 in를 추가한다.

증류 컬럼(20)은 그 중앙에서 기부(12)의 상부 표면에 고정된 알루미나로 제조된 원통형 블록(31)에 의해 지지되는 노 조립체(furnace assembly; 30) 내에 내장된다. 블록(31)은 증류 컬럼(20)의 하부에 위치하고 증류 컬럼(20)에 대한 지지부로서 작용한다. 도가니(24)는 상기 블럭(31)의 상부에 위치하고, 응축기(22)의 기부와 끼워맞춤식으로 상호 연결된다. 도2에 도시된 바와 같이, 캡(21, 23)이 응축기(22)의 반부(27, 28)를 상호 유지하여 외부 패스너(fastener)가 불필요하도록 응축기(22)의 2개의 반부(27, 28)는 상호 겹쳐 끼워져서 응축기(22)의 상부에서 상부 캡(21) 내로 또한 응축기(22)의 하부에서 하부 캡(23)에 끼워지게 하기 위해서 단차진(stepped) 종방향 모서리와 반원형 단부를 갖는다. 유사하게는, 더 하부의 캡은 도가니(24)의 상부의 홈(recess) 내로 끼워진다.

배플(25)은 배플 위치(26)를 한정하는 응축기(22)의 각각의 반부(27, 28) 내의 정렬된 반원형 슬롯 내로 각각 끼워진다. 각 배플(25)은 대략 0.12 in 두께를 갖는 디스크 형태일 수도 있고, 그 중앙으로부터 대략 0.43 in 만큼 이격된 직경이 대략 7/32 in인 원형 구멍(32)을 갖는다. 양호하게는, 배플(25)은 다수의 다양한 배플(25)의 구멍이 그 원통형 중앙에서 응축기(22)의 길이를 따라 연장하는 수직축의 대향 측면 상에 교대로 이격되도록 응축기(22) 내에 배치된다. 하부 캡(23)은 증기가 도가니(24)로부터 응축기(22)로 상승할 수 있도록 대략 3/16 in의 직경을 갖는 중앙 구멍(33)을 구비하고, 상기 증기는 배플들 중의 하나에서 응축될 때까지 배플(25) 내의 각각의 연속적인 구멍(32)을 통과한다. 응축기(22) 내에서 응축되지 않는 증기는 상부 캡(21)에 도달할 때까지 응축기(22)의 상부로 상승하고, 상기 캡(21)에서 아래로 대략 1 in 만큼 위치하고 직경이 대략 1/4 in인 원주방향으로 이격된 6개의 구멍(34) 중의 임의의 것을 통해 증기가 통과하고, 상기 구멍(34)은 챔버(15)의 체적과 연통된다. 상부 캡(21), 응축기(22), 하부 캡(23), 도가니(24) 및 각 배플(25)은 (양호하게는, 10 ppm 이하의 회분을 함유한) 고순도의 흑연으로 제조된다.

흑연 증류 컬럼(20)을 둘러싸는 노 조립체(30)는 컬럼(20)의 외부 주위에 상이한 수직 위치에 위치한 독립적으로 제어가능한 가열 요소(36, 37, 38)를 갖는 3개의 영역 저항 히터와, 상기 요소(36, 37, 38)의 위치에 의해 한정되는 개별 영역 온도를 제어하는 데에 사용되는 3개의 제어용 열전쌍(thermocouple; 41, 42, 43)을 구비한다. 5개의 추가 열전쌍(44-48)은 응축기(22)의 높이를 따라 온도 프로파일을 보다 완전히 모니터하기 위해 상기 컬럼의 길이를 따라 상이한 위치에 구비된다. 열전쌍(41)은 하부 히터(36)를 통과하여 도가니(24)와 원통형 알루미나 블록(31) 사이의 컬럼(20)의 대략 축방향 중심에 삽입되고, 열전쌍(42-48)은 히터(36-38)를 통과하여 삽입되어 증류 컬럼(20)의 응축기(22)의 외부 표면과 접촉한다. 노 또는 히터(30)와 증류 컬럼(20)은 상부와 하부가 공히 개방된 원통형 알루미나 튜브(49) 내에 덮인다.

도가니(24)는 정제될 마그네슘과 같은 재료의 충전을 위해 개방된 단부를 갖는 컵 형태이다. 정제되는 재료의 순도는 양호하게는 99.9% 이상이며, 본 발명의 장점에 의하면 99.9999% 순도의 재료를 초래하는 최종 증류 단계의 경우 99.9% 순도 이상일 필요는 없다. 마그네슘을 정제하기 위한 양호한 형상에 있어서, 9개의 흑연 배플(25)은 도1에 도시된 바와 같이 응축기(22)의 하부로부터 계수하여 5, 7, 9, 14, 15, 16, 17, 18, 19번째 위치(26)를 한정하는 홈 또는 슬롯 내에 양호하게는 위치한다. 배플 구멍(32)이 번갈아 가며 중심으로부터 이격되게 위치됨으로써 상기 마그네슘의 응축물을 차단하여 이를 수납하도록 상승하는 마그네슘 증기용의 지그재그 경로와 수평의 흑연 표면이 제공된다.

초고순도 마그네슘을 제조하기 위한 양호한 실시예에 있어서, 사용된 응축기(22)의 내부 직경은 1.36 in이었고, 상기 배플 위치는 응축기(22)의 하부로부터 3 내지 12 in까지 1/2 in씩 이격된다. 하부 캡(23)은 대략 1/2 in 두께를 가지며, 도가니(24) 내의 웰(well)의 깊이는 대략 하부 캡(23)의 아래로 대략 3 in가 된다. 하부 가열 요소(36)는 도가니(24)의 하부로부터 하부 캡(23)으로 연장하고, 중간 가열 요소(37)는 하부 캡(23)으로부터 아래에서 대략 7번째의 배플 위치로 연장하며, 상부 가열 요소(38)는 중간 요소(37)로부터 최상부의 배플 위치(26)로 연장한다. 제어용 열전쌍(41-43)은 양호하게는 최하부 제어용 열전쌍(41)이 도가니(24)의 기부에, 중간 제어용 열전쌍(42)이 최하부의 배플 위치(26)에, 상부 제어용 열전쌍(43)이 하부로부터 13번째의 배플 위치(26) 주위에 배치되도록 위치된다. 모니터용 열전쌍(44-48)은 양호하게는 최하부의 열전쌍(44)이 도가니(24)의 하부로부터 0.5 in 만큼, 2번째의 하부 열전쌍(45)이 응축기(22)의 하부로부터 1.5 in 만큼, 중간 열전쌍(46)이 응축기(22)의 하부로부터 4번째의 배플 위치(26)에 대략 인접하게, 제4 열전쌍(47)이 10번째의 배플 위치(26)에 대략 인접하게, 그리고 최상부 열전쌍(48)이 16번째의 배플 위치(26)에 대략 인접하게 배치되도록 배치된다.

응축기(22)의 온도 제어를 위해, 전력을 가열 요소(36-38)로 공급하고 조절하도록 유로썸(Eurotherm) 818P 온도 제어기와, 3개의 가변 변환기(transformer)와, (도시되지 않은) 3개의 고체 릴레이를 갖는 온도 제어기가 제공된다. 상기 요소(36-38)에 의해 형성되는 3개의 영역 히터는 2개씩 각각의 요소(36-38)를 형성하는 6개의 반원통형 저항 가열 부분을 구비한다.

배플(25)의 선택된 조합은 사용되는 재료에 대한 온도 설정치와 함께 최적화된다. 배플을 위치시킴으로써 상기 배플의 아주 낮은 부분에서의 불필요한 불순물의 응축과 상기 배플의 특정 중간 부분에서의 정제되는 최고 순도의 마그네슘 또는 다른 재료의 응축을 최상으로 제어하도록, 또한 다른 불순물이 특정 중간 배플을 초과하여 유동하여 상기 배플보다 높은 배플 상에서 응축되거나 또는 상부 캡(21) 내의 구멍(34)으로부터 배출되게 할 수 있도록 다단 히터의 온도 설정치와 상호 작용된다.

본 시스템은 컴퓨터 데이타 수집 및 제어 시스템(51)에 의해 제어된다. 컴퓨터 시스템(51)은 펌프(17, 18)를 작동시키고 챔버(15) 내의 압력을 10^-7torr 이하로 되게 하는 기계적 펌프(17)로부터 저온 펌프(18)로의 절환을 제공함으로써 적절한 진공 수준으로의 자동적인 감압 펌핑이 제어된다. 컬럼(20) 전체에 걸친 압력과 온도 프로파일은 상관 관계를 가져 정제되는 재료, 예컨대 마그네슘과 제거하고자 하는 불순물의 소정 온도에서 진공 압력이 증기 압력에 근사되도록 필요 온도 이상 또는 이하로 응축기를 따른 온도를 유지하게 된다. 일반적으로, 고압에는 고온이 필요하게 된다. 또한, 본 시스템(51)은 소정의 진공이 달성된 후 가열을 제어하고, 증류 공정 동안, 즉 대략 2시간 동안 소정의 수준으로 온도를 유지하고, 상기 공정의 말기에 장치(10)의 동력을 끈다. 컴퓨터 데이타 수집 및 제어 시스템(51)은 양호하게는 IBM 호환 386 또는 486 컴퓨터와 같은 특정 프로그램이 내장된 범용 컴퓨터이다. 컴퓨터와 온도 및 압력 출력부(readout)와 상기 장치의 제어 신호 입력부 사이의 제어 라인(control line)은 양호하게는 각각 아날로그-디지털 및 디지털-아날로그 신호 변환기, 즉 키에쓰레이/메트라바이트(Keithley/Metrabyte) DAC-20 아날로그/디지털 및 디지털/아날로그 데이타 수집 보드(board)와, 키에쓰레이/메트라바이트 EXP-20 고속 아날로그 입력 증폭기/멀티플렉스(amplifier/multiflex)와, 키에쓰레이/메트라바이트 DAC-02 및 키에쓰레이/메트라바이트 DDA-06 아날로그/디지털 확장 보드와, 제어 EG 소프트웨어 패키지의 사용을 제공하는 것과 같은 변환기를 제공한다. 또한, 전류 트랜스듀서(transducer)는 히터 내의 단락 회로를 검출하고 가열 시스템을 차단하는 데에 사용된다. 전기 릴레이는 진공 벨 용기의 과다한 가스 누설이 검출되면 진공 시스템을 차단하는 데에 사용된다.

본 발명의 양호한 실시예에 의하면, 마그네슘을 정제하는 공정은 대략 45 그램(gram)의, 예컨대 낮은 순도(99.95% 순도)의 마그네슘 터닝(turning) 또는 환약(pellet)으로써 흑연 도가니(24)를 충전시키는 단계를 포함한다. 이어서, 하부 캡(23), 응축기(22) 및 상부 캡(21)의 컬럼(20)의 다른 요소들이 조립되어 도가니(24)의 상부에 위치된다. 전체 컬럼(20)은 3개의 영역 히터 조립체(30)로써 덮이고, 알루미나 튜브(49)는 히터 또는 노(30)의 주위에 위치된다. 열전쌍(41-48)은 히터(36-38) 내의 각각의 장착 구멍 내로 삽입된다. 진공의 벨 용기(13) 또는 다른 챔버 하우징은 상기 조립체 위에 위치하여 공급 칼라 또는 기부(12) 상으로 하강된다.

이어서, 컴퓨터 시스템(51) 내에서 상기 공정을 자동적으로 개시, 제어 및 정지시키도록 컴퓨터 프로그램이 수행된다. 장치(10)의 작동 순서는 히터가 작동되기 전에 10^-7이하로의 벨 용기(13) 내의 챔버(15)의 감압 펌핑에 관계된다. 이어서, 상부 영역 히터(38)와, 중앙 영역 히터(37)와, 하부 영역 히터(36)는 제어용 열전쌍(43, 42, 41)에 의해 각각 제어되는 바와 같이 각각 450℃, 600℃, 690℃로 가열된다. 도시된 실시예의 예로서 초고순도 마그네슘의 제조를 위해, 특히 상부의 3개의 열전쌍(46-48)에서 감지된 바와 같이 증류 컬럼(20)을 따른 온도 분포는 양호하게는 각각 594℃, 478℃, 373℃이다. 상부 캡(21) 내의 구멍(34)에서의 증기 온도는 대략 254℃이다.

양호하게는 대략 2시간인 증류 공정 중에 상기 온도는 3개의 수준으로 유지된다. 이어서, 히터는 작동을 정지하여 상기 시스템은 양호하게는 대략 10 내지 15 시간 동안 진공 하에 유지되면서 냉각된다. 이어서, 상기 시스템은 벨 용기(13), 슬리브(49) 및 히터(36-38)를 제거함으로써 개방된다. 응축기(22)는 반부(27, 28)를 분리하고 개별 배플을 제거함으로써 해체하고, 각각의 배플을 오염되지 않도록 유지한다. 정제된 마그네슘은 상기 배플의 하부 표면 상에서 얻어진다. 다양한 배플(25) 상의 정제된 적층물의 전형적인 분포는 위치 번호가 9인 배플(25)의 하부 표면 상에 가장 많은(48% 내지 56%의) 적층이 발생한다. 2번째로 많은(26% 내지 35%의) 적층은 위치 번호가 14인 배플(25)의 하부 표면 상에서 얻어진다. 가장 높은 순도(99.9999% 이상의 순도)의 적층물은 위치 번호가 9인 배플(25) 상에서 얻어진다. 가장 높은 순도의 적층물의 수율(yield)은 대략 45 그램의 낮은 순도의 마그네슘을 초기 충전한 바에 근거하면 1회 작동당 25 그램이다. 예컨대 도와(Dowa) 공정에 의해 생산된 종래 기술에 의한 정제된 마그네슘 내의 불순물에 비교한 글로우 방전 질량 분석기(glow discharge mass spectroscopy)에 의해 얻어진 위치 번호 9에 위치한 정제된 마그네슘 내의 전형적인 불순물은 아래의 표1에서 비교된다.

표1: 정제된 마그네슘 내의 불순물

#9 배플의 샘플 적층물 도와 공정에 의한 샘플

중량 대비 ppm 중량 대비 ppm

Al 0.025 0.030

As 0.010 0.010

B 0.005 0.005

Bi 0.010 0.006

Ca 0.020 0.010

Cd 0.018 0.606

Co 0.010 0.005

Cr 0.010 0.022

Cu 0.020 0.077

Fe 0.010 0.540

Ga 0.010 0.010

In 0.010 0.010

K 0.010 0.051

Li 0.005 0.005

Mn 0.041 0.020

Mo 0.010 0.010

Na 0.036 0.034

Ni 0.010 0.030

Pb 0.036 1.030

Sb 0.022 0.010

Si 0.226 0.139

Sn 0.010 0.020

Th 0.001 0.0005

Ti 0.010 0.024

U 0.001 0.0005

V 0.030 0.020

Zn 5.870 17.00

Zr 0.023 0.010

비금속 함유량

P 0.02 0.03

F 0.01 0.01

Cl 0.15 0.01

C 14.50 11.80

S 16.90 32.00

전체 금속 순도

99.99935% 99.998%

아연을 제외한 전체 금속 순도

99.99994% 99.99973%

하부로부터 9번째 위치인 배플에서의 도시된 실시예와 관련되어 설명된 온도와 상기 챔버 내에 제공된 진공 압력이 주어지므로, 마그네슘 증기는 상기 배플에 접촉할 때 증기압 이하로 먼저 강하하여 상기 배플의 하부 표면 상에 증착된다. 제9 위치의 배플 내의 구멍(32)을 통과하는 마그네슘 증기의 경우, 대부분은 제9 위치의 배플에서의 온도보다 다소 낮은 온도를 갖는 제14 위치의 배플과 접촉하자마자 응축하게 된다. 가장 허용가능한 불순물, 즉 마그네슘의 증기압 근처이지만 다소 작은 증기압을 갖는 아연은 마그네슘과 함께 다소 응축되나, 일부분의 아연 및 다른 고압의 불순물은 제14 위치의 배플보다 상위의 배플 상에서 응축되거나 또는 구멍(34)을 빠져 나와 공동(15) 내로 통과한다. 마그네슘의 증기압보다 낮은 증기압을 갖는 불필요한 불순물 또는 정제될 다른 낮은 휘발성을 갖는 재료의 대부분은 도가니(24) 내에 잔류하거나 또는 하부로부터 제5 및 제7 위치의 배플(25) 상에서 응축된다.

전술한 방법 및 장치는 1 ppm 이하의 불순물을 함유한 초고순도 재료를 생산한다. 이러한 재료는 전술한 재료와 같은 하나 또는 그 이상의 큰 휘발성을 갖는 재료의 조합체가 될 수도 있다. 본 실시예에서, 이러한 재료는 마그네슘과 아연의 조합체이고, 마그네슘과 아연 이외의 재료 불순물은 1 ppm 이하가 된다. 배플을 선택적으로 위치시키고 온도를 선택 및 제어함으로써, 휘발성이 큰 재료(예컨대, 마그네슘) 중의 하나를 정제하는 것은 이와 같은 고휘발성 재료를 제거하거나 또는 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 상기의 실시예에서, 마그네슘의 최초 충전은 최종 재료가 5.87 ppm의 아연 함유량을 갖도록 50.6 ppm의 양을 갖는 아연을 포함하였다. 마그네슘과 같은 이러한 재료가 사용됨으로써 5 내지 10 ppm의 아연을 함유하는 마그네슘이 얻어질 수 있다. 보다 많은 아연의 제거가 필요한 경우에, 본 발명의 원리의 확장은 상기 컬럼 내의 배플과 온도 구배를 증가시킴으로써 4, 3, 2 ppm으로 아연 함유량을 감소시키는 것이 가능하게 된다는 것을 나타내고 있으며, 이론적으로는 1 ppm이 달성가능하다. 그러므로, 이러한 초고순도의 고휘발성 재료는 본 발명에 의해 제공된다.

본 발명의 양호한 실시예에 대한 상기의 설명으로부터, 본 발명의 원리를 벗어나지 않고서도 변경 및 수정이 달성될 수 있다는 것은 당업자에게는 자명하다.

Claims (22)

1. 높은 진공 압력 수준을 유지하는 챔버 내에서 초고순도의 재료를 생산하기 위한 방법에 있어서,

   초기 순도를 갖는 고휘발성의 고체 재료로써 도가니를 충전하는 단계와,

   상기 도가니를 상기 재료의 끓는 점 이상으로 가열하여 상기 재료를 증발시키는 단계와,

   상기 도가니로부터의 증발된 재료의 상향 유동을 상기 도가니로부터 수직 상향으로 연장하는 응축기로 향하게 하는 단계와,

   상기 응축기 하부의 재료의 끓는 점 이상의 상승 온도로부터 상기 응축기 상부의 상기 재료의 끓는 점 이하의 상승 온도로 상기 응축기를 따라 온도 구배를 유지시키는 단계와,

   상기 응축기를 따라 수직 이격된 다수의 유동 제한 지점에서 응축기를 통과하는 증발된 재료의 상향 유동을 제한하는 단계와,

   상기 유동 제한 지점 중의 중간 지점에서 증발된 재료를 초기 순도보다 2 내지 3 정도의 크기가 큰 고체 재료를 응축시키는 단계를,

   포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
2. 초고순도 마그네슘을 생산하는 방법에 있어서,

   진공의 도가니를 99.9% 내지 99.99% 사이의 초기 순도를 갖는 고체 마그네슘으로 충전하는 단계와,

   상기 도가니를 마그네슘의 끓는 점 이상으로 가열하여 마그네슘 재료를 증발시키는 단계와,

   증발된 도가니로부터의 마그네슘 재료의 상향 유동을 상기 도가니로부터 수직 상향으로 연장하는 진공 상태의 응축기로 향하게 하는 단계와,

   진공 상태의 응축기 하부의 온도를 마그네슘의 끓는 점 이상으로 유지하고 진공 상태의 응축기 상부의 온도를 마그네슘의 끓는 점 이하로 유지하는 단계와,

   상기 응축기를 따른 수직 이격된 다수의 유동 제한 지점에서 상기 응축기를 통과하는 상기 증발된 재료의 상향 유동을 제한하는 단계와,

   상기 유동 제한 지점에서 아연을 제외한 금속의 순도가 대략 99.9999%가 되는 고체 순도를 증발된 재료를 응축하는 단계를,

   포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
3. 초고순도 마그네슘을 생산하는 방법에 있어서,

   99.9% 내지 99.99%의 순도를 갖는 마그네슘 재료로써 높은 진공의 고순도 흑연 도가니를 충전시키는 단계와,

   상기 도가니를 가열하여 상기 재료를 증발시키는 단계와,

   상기 도가니로부터 수직 상향으로 연장하고 상기 도가니로부터의 증발된 재료의 상향 유동이 향하는 진공의 고순도 흑연 응축기를 제공하는 단계와,

   상기 응축기를 대략 600℃의 온도로 하부 영역 내에 유지시키는 단계와,

   상기 응축기를 대략 450℃의 온도로 상기 하부 영역 위에 위치한 상부 영역 내에 유지시키는 단계와,

   적어도 하나 이상의 배플이 고순도 흑연으로 제조되고 상기 재료가 450℃ 내지 600℃ 사이의 온도인 적어도 하나의 영역 내에서 증발된 재료의 유동을 제한하도록 위치된 다수의 배플을 응축기 내에 구비하여 상기 증발된 재료의 상향 유동을 제한하는 단계와,

   적어도 하나의 배플 상에 아연을 제외한 1 ppm 이하의 금속 불순물을 함유하는 정제된 마그네슘을 응축하는 단계를,

   포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 의한 방법에 따라 정제된 재료.
5. 제4항에 있어서, 고휘발성 재료 외의 다른 재료의 금속 불순물이 1 ppm 이하가 되는 것을 특징으로 하는 재료.
6. 제4항에 있어서, 마그네슘 및 아연 이외의 금속 불순물이 1 ppm 이하가 되는 것을 특징으로 하는 재료.
7. 제4항에 있어서, 상기 재료는 아연을 제외한 1 ppm 이하의 금속 불순물을 갖는 것을 특징으로 하는 재료.
8. 제4항에 있어서, 다른 고휘발성 재료 외의 금속 불순물이 1 ppm 이하가 되고 다른 고휘발성 재료의 금속 불순물은 10 ppm 이하가 되는 것을 특징으로 하는 재료.
9. 제4항에 있어서, 다른 고휘발성 재료 외의 금속 불순물이 1 ppm 이하가 되고 다른 고휘발성 재료의 금속 불순물은 5 ppm 이하가 되는 것을 특징으로 하는 재료.
10. 제4항에 있어서, 아연 외의 금속 불순물이 1 ppm 이하가 되고 아연의 금속 불순물은 10 ppm 이하가 되는 것을 특징으로 하는 재료.
11. 초고순도 재료를 생산하기 위한 진공 증류 장치에 있어서,

    진공 챔버와,

    상기 챔버 내에서 수직 직립하고, 하부에 증발 정제되는 재료의 충전량을 수납하기 위한 체적을 갖는 흑연 도가니와, 상기 도가니로부터 상향으로 연장하고 상기 도가니의 체적과 연통하는 중공 내부와 상부에 상기 내부 및 진공 챔버 사이에서 연통하는 개구를 갖는 흑연 응축기와, 상기 응축기를 따른 수직 이격된 다수의 각각의 위치에 상호 위치되고 응축기와 진공 챔버를 향한 개구를 통해 증발된 재료의 증기의 상기 도가니로부터의 상향 유동을 방해하기 위한 다수의 흑연 배플을 추가로 구비하는 증류 컬럼과,

    도가니에 인접한 제1 히터와 제1 히터 위로 이격되고 상기 위치의 적어도 하나에 인접한 제2 히터를 구비하고, 상기 응축기를 따라 이격된 개별적으로 제어가능한 다수의 영역 히터와,

    상기 히터에 연결되어 다수의 상이한 온도, 즉 도가니에서는 재료의 증발 온도 이상인 제1 온도와, 적어도 한 위치 아래에서 제1 온도보다 낮은 제2 온도와, 제2 온도보다 낮고 적어도 한 위치에 인접한 초고순도의 재료의 응축 온도보다 작은 제3 온도를 포함하는 온도로 증류 컬럼의 온도를 유지하도록 상기 히터를 제어하게 설정되는 히터 제어부를,

    포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제11항에 있어서, 도가니 내의 재료를 증발시키고, 증발된 재료를 다수의 배플 중 적어도 하나 상에 응축시키도록 그 상에 흑연 표면의 온도를 유지시키고, 재료의 실질적인 응축을 피하도록 하기에 충분히 높은 온도로 적어도 하나의 배플과 도가니 사이의 응축기 내부의 흑연 표면 온도를 유지하기 위해서, 개별적으로 제어가능한 영역 히터와 상기 히터 제어부를 구비하는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제12항에 있어서, 도가니의 온도는 재료를 증발시키기 위한 수단에 의해 대략 700℃로 유지되고, 적어도 한 배플의 흑연 표면의 온도는 그 온도를 유지시키기 위한 수단에 의해 대략 500℃ 이하로 유지되고, 적어도 한 배플과 도가니 사이의 응축기 내의 흑연 표면의 온도는 그 온도를 유지하기 위한 수단에 의해 대략 500℃ 이상으로 유지되는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제11항에 있어서, 개별적으로 제어가능한 다수의 영역 히터는 제1 히터 및 제2 히터 사이에서 직립 위치하는 제3 히터를 구비하는 적어도 3개의 영역 히터를 구비하고, 상기 히터 제어부는 제2 및 제3 히터에 연결되어 상기 증류 컬럼의 제2 및 제3 온도를 각각 유지하도록 제2 및 제3 히터를 유지하게 설정되는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제11항에 있어서, 적어도 한 위치 이상의 다수의 위치의 각각은 그 내부에 하나의 배플을 유지하기 위한 지지부를 가지며, 다수의 배플은 상기 지지부의 소정의 하나 내에 제거가능하게 장착되는 적어도 하나의 배플을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제15항에 있어서, 각각의 지지부는 응축기 내부에 형성된 유사한 치수의 홈이고, 적어도 하나의 배플은 상기 홈에 적합하도록 치수가 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제15항에 있어서, 상기 응축기는 제거가능한 배플과 지지부에 접근할 수 있도록 개발될 수 있는 절개된 하우징을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제11항에 있어서, 다수 배플의 각각은 중심이 일치하지 않는 증기 통로를 구비하고 있으며, 인접한 배플들은 각각의 위치에서 상기 통로가 응축기 내에서 상승하는 증기용의 엇갈린 경로를 제공하도록 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제11항에 있어서, 상기 응축기는 원통을 형성하도록 설계된 긴 반원통형의 상호 끼워지는 다수의 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제11항에 있어서, 상기 응축기는 그 내부에 접근할 수 있도록 개방될 수 있는 종방향으로 절개된 하우징을 구비하고, 또한 상기 응축기는 연결될 때 절개된 하우징을 상호 유지하도록 형상화된 적어도 하나의 단부 캡을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제11항에 있어서, 상기 응축기는 고순도의 흑연으로 형성된 흑연 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
22. 제21항에 있어서, 상기 고순도 흑연은 중량 비율로 10 ppm 이하의 회분 함유량을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.