KR200443370Y1 - 분리가능한 단결정 성장용 도가니 - Google Patents

분리가능한 단결정 성장용 도가니 Download PDF

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Abstract

본 고안은 압전 단결정 예를 들어, PMN-PT, PIN-PT, PZN-PT, PYN-PT등과 같은 납(Pb)을 포함하는 산화물 단결정 성장용 도가니 구조에 관한 것으로, 특히, 분리가능한 체결수단에 의해 결합된 상도가니 및 하도가니로 구성되는 분리가능한 단결정 성장용 도가니에 관한 것이다.
도가니, 단결정, 성장

Description

분리가능한 단결정 성장용 도가니{Separable crucible for crystal growth}
본 고안은 압전 단결정 예를 들어, PMN-PT, PIN-PT, PZN-PT, PYN-PT등과 같은 납(Pb)을 포함하는 산화물 단결정 성장용 도가니 구조에 관한 것으로, 특히, 분리가능한 체결수단에 의해 결합된 상도가니 및 하도가니로 구성되는 분리가능한 단결정 성장용 도가니에 관한 것이다.
종래 단결정 성장법 중 VB (Vertical Bridgeman, 수직 브리지만)법은 도가니 선단부에 종결정을 배치하고, 원료 융액을 종결정에 접촉시키며, 종결정측으로부터 서서히 온도를 강하시키는 것에 의해 단결정을 성장시키는 방법이다. 이러한 수직브리지만법을 구현하기 위한 원통형 도가니는 공지되어 있다.
통상의 원통형 도가니(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 종결정을 장입하는 선단부(11), 상기 선단부 직경보다 큰 직경을 가지면서 단결정 성장을 위한 공간이 제공되는 원통형 몸체부(13) 및, 이들 양자를 연속한 면으로 연결하기 위한 원추부(12)로 구성되어 있다. 다결정 원료가 장입된 도가니(10)는 단결정 제조장치 (결정 성장로) 내부에 배치된 도가니 설치부 (미도시)에 장착되고, 주변 가열부로부터 온도기울기를 포함하는 온도 프로파일에 따라 다결정 원료를 녹여 융액 상태로 종 결정에 접촉시키고, 이후 종결정측으로부터 온도를 서서히 내려 융액(14)을 고체화시킴으로써 단결정(15) 성장이 진행된다. 이후, 성장이 완료되면, 도가니(10)를 강제로 찢어 벗겨내고, 단결정 잉곳(15)을 수득한다.
상기에서 언급된 찢어진 도가니는 재활용될 수 있으나, 정교한 도가니로 다시 제작되어야 하므로 이에 수반되는 비용, 시간 등 비효율적인 작업이 반복되고 있는 실정이다. 또한, 종래 도가니 선단부의 원통형 형상은 시드 홀더 내주면에서 소망하지 않는 이종 핵생성이 일어나서 단결정 성장 수율이 낮다는 문제점이 있었다. 이러한 수율 저하의 문제점을 해결하기 위하여 도가니 내주면에서 유래하는 이종 핵의 성장을 제거하고 경계가 아닌 상대적으로 중앙 위치에서의 단결정만 성장시키기 위한 선단부 내부 구조를 변경시켜, 선단부 상단부에서 직하방으로 1-20mm 길이를 가지는 보강편의 셀렉터 구조가 제안되었으나, 이러한 형상의 선단부를 가지는 도가니 제작이 쉽지 않다는 문제점이 있었다.
본 고안자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 도가니 내면에서의 단결정 성장 과정을 예의 주시한 결과, 단결정은 도가니 내면에 부착되어 성장되지만, 도가니 내면이 폴리싱되어 있으며, 도가니 내면 재질이 단결정 성장 과정에서 소정의 촉매로 기능한다는 사실로부터, 성장된 단결정 잉곳은 도가니 내면에 일정한 유격을 가지는 것을 확인하였다. 즉, 단결정 잉곳은 물리적 힘에 의해 도가니 내부로부 터 강제적으로 인출될 수 있는 상태라는 것을 발견하였다. 이러한 관찰 및 인식으로부터 본 고안자는 상기 비생산적인 문제점을 해결하기 위하여 분리가능한 도가니를 제안하게 되었다.
본 고안은 성장된 단결정 잉곳을 도가니로부터 도가니를 파손하지 아니하고 빼내기 위하여, 단결정 성장용 도가니에 있어서, 원통형 선단부, 상기 선단부 직경보다 큰 직경을 가지며, 상단부에 제1 체결수단을 가지는 원통형 몸체부, 및 이들 양자를 연속한 면으로 연결하는 원추부로 구성된 하도가니, 및 상기 하도가니 몸체부 체결수단과 체결될 수 있는 제2 체결수단을 하단부에 가지는 원통형 상도가니를 포함하여 이루어지는, 분리가능한 단결정 성장용 도가니를 제공하는 것이다.
본 고안은 제한적이지 않지만 다음과 같은 기술적 특징을 포함한다.
하도가니 및 상도가니를 체결하기 위한 체결수단 각각은 암나사부 및 수나사부로 이루어져 나사 결합될 수 있으며; 또는 하나 이상의 홀을 가지는 플랜지부들로 이루어지며, 이들 플랜지들은 볼트 및 너트로 체결될 수 있다. 이때, 상기 플랜지들 사이에는 바람직하게는 가스켓과 같은 밀봉수단이 개재될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 도가니와 동일한 재질로 나사 결합부 또는 플랜지 접면 외주면를 용접할 수 있다.
본 고안에 의한 분리가능한 단결정 성장용 도가니를 구성하는 하도가니 및 상도가니 재질은 동일 재질일 수 있으며, 바람직하게는 W(텅스텐), Pt(백금), Pt-Rh, Rh-Ir, Pt-Zr으로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 합금인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상도가니 상부를 밀폐하기 위하여 상도가니 내부로 오목하게 형성된 커버가 더욱 포함될 수 있으며, 상기 커버는 상기 상도가니와 동일한 재질일 수 있다.
또한, 본 고안은 종결정의 재용융 부위로부터 성장되는 결정경계가 수직 상향으로 진행되어 단결정 잉곳에도 존재하여 결정구조적인 결함을 가지고 이에 따라 단결정 수율이 저하되는 것을 방지하기 위하여, 상면 관통구 및 하면 관통구 직경이 다른 링 형상의 블로커(blocker)를 더욱 포함하며, 블로커는 하도가니 선단부에 삽입되며, 이때 상면 관통구 직경은 하면 관통구 직경보다 크도록 구성되며, 바람직하게는 상기 관통구를 형성하는 벽면은 유선형일 수 있다. 즉, 상기 블로커는 하도가니 선단부에 삽입되, 블로커 하면이, 하도가니 선단부 내로 삽입되는 종결정(시드) 상면과 접하도록 구성될 수 있다. 본 고안에 의한 분리가능한 단결정 성장용 도가니에 있어서, 하도가니 및 상도가니 내주면은 폴리싱된 것을 특징으로 한다.
본 고안에 의한 분리가능한 단결정 성장용 도가니는, 단결정 성장이 완료된 후, 도가니에서 잉곳을 인출함에 있어서, 하도가니 및 상도가니를 분리함과 동시에 잉곳을 빼낼 수 있으므로 종래 도가니 파손 및 이에 따른 재(再) 제작에 소요되는 비용 등을 절감할 수 있어 종래 단일 도가니 구조 방식에 비하여 생산성 제고에 기여할 수 있다. 또한, 본 고안에 의한 간단한 형상의 블로커를 도입함에 따라, 저비용으로 결정경계를 유효하게 제거함으로써 결정 구조적으로 결함이 적은 단결정 제 조가 가능하다.
상기와 같은 목적을 달성하고자 본 고안에 의한 분리가능한 단결정 성장용 도가니(100) 실시예를 첨부도면에 따라 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하도가니(30)는 종래 단일 도가니 형상과 동일하되, 바람직하게는 W(텅스텐), Pt(백금), Pt-Rh(백금-로듐), Rh-Ir(로듐-이리듐) 및 Pt-Zr(백금-지르코늄)으로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상으로 이루어진 합금으로 제작될 수 있다. 하도가니(30)는 원통형 선단부(31), 상기 선단부 직경보다 큰 직경을 가지며 동일 중심점을 가지는 원통형 몸체부(33), 및 이들 양자를 연속한 면으로 연결하는 원추부(32)가 일체로 구성되며, 하도가니(30) 상단부에는, 하기 설명될 상도가니(20) 하단부를 체결할 수 있는 수단, 바람직하게는 나사결합 또는 볼트(40), 너트(41)에 의한 결합이 가능한 구조가 형성된다. 본 고안에 의한 하나의 실시예에 의하면, 하도가니(30) 상단 내주면에 암나사부(35) 또는 상단 외주면에 수나사부가 형성되며, 또 다른 실시예에 의하면, 하도가니(30) 상단 원주를 따라 다수의 홀을 가지는 플랜지(36)가 형성될 수 있다. 특히, 플랜지 구조를 이용한 체결에 있어서는, 상하 플랜지 사이에 밀봉수단, 바람직하게는 가스켓 부재가 삽입될 수 있어, 단결정 성장 단계에서 요구되는 고온, 고압에서의 내압에 따른 융액 유출을 방지할 수 있다. 한편, 상도가니 및 하도가니 나사결합 부위를 도가니와 동일한 재질을 이용한 용접부(64)가 제공되어 고온, 고압의 도가니 융액은 더욱 밀봉될 수 있다. 또 한, 플랜지를 이용하여 체졀된 경우에는, 플랜지 접면 외주면을 따라 도가니와 동일한 재질을 이용한 용접부(64)가 제공되어 고온, 고압의 도가니 융액의 외부 유출을 방지할 수 있음은 물론이다.
한편, 본 고안의 상도가니(20)는 하도가니 몸체부(23)와 동일 형상 및 직경 구조로 이루어지되, 바람직하게는 길이방향 (단결정 성장방향)으로 하도가니 몸체부 길이에 대비하여 더욱 길게 구성되며, 하도가니 상단부와의 결합을 위한 체결수단이 상도가니 하단부에 형성된다. 즉, 하도가니 체결수단에 따라, 본 고안에 의한 하나의 실시예에 의하면, 상도가니(20) 하단 외주면에 수나사부(38) 또는 하단 내주면에 암나사부가 형성되며, 또 다른 실시예에 의하면, 상도가니(20) 하단 원주를 따라 다수의 홀을 가지는 플랜지(37)가 형성될 수 있다. 도 2 및 도 4는 본 고안에 의한 바람직한 체결수단을 가지는 분리가능한 단결정 성장용 도가니를 도시한 것이나, 체결수단이 이에 국한되는 것은 아님은 분명하다.
한편, 단결정 성장 단계에서 상도가니 상부 개방구를 밀폐하기 위하여 상도가니 내부 공간 방향으로 오목하게 형성된 커버(24)가 더욱 포함될 수 있다. 본 고안에 의한 상도가니 커버(24)는 내부 공간 및 외부를 밀폐시켜, 원료 융액의 휘발을 억제하여 성장되는 단결정의 조성변동을 최소화할 수 있다. 이때 커버(24)는 고온 고압에 따른 도가니 압력에 견디기 위한 설계에 따라 하향 오목한 형상이 바람직하다. 상기 커버 재질은 상도가니 재질과 동일하며, 바람직하게는 상도가니(20) 구성 재질은 하도가니(30) 재질과 동일하고, 상도가니(20) 및 하도가니(30) 내주면은 바람직하게는 폴리싱될 수 있다.
또한, 본 고안에 따른 분리가능한 단결정 성장용 도가니는 상면 관통구 및 하면 관통구 직경이 다른 링 형상의 블로커(blocker, 27)를 포함한다. 주지되는 바와 같이, 시드 홀더 직경이 동일한 도가니를 적용하여 단결정 성장을 수행하는 경우, 종결정의 재용융 부위로부터 성장되는 결정경계가 수직 상향으로 진행되어 단결정 잉곳에도 존재하여 이에 따른 결정구조적인 결함을 가지며 단결정 수율이 저하된다. 이를 방지하기 위하여, 본 고안에 의한 블로커(27)는, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상면(271) 제1 관통구(273) 및 하면(272) 제2 관통구(274) 직경이 다른 링 형상의 블로커(blocker)를 포함하며, 블로커(27)는 하도가니 선단부(21)에 삽입되며, 이때 상면 제1 관통구(273) 직경은 하면 제2 관통구(274) 직경보다 큰 것을 특징으로 한다. 본 고안에 의한 블로커(27)가 삽입됨에 따라 단결정 성장 시 소망하지 않은 종결정에서 생성된 결정경계는 제거될 수 있으며 결정 구조적으로 결함이 적은 단결정을 제조할 수 있다. 링 삽입 구조를 설명하면, 하도가니 선단부(21)에 삽입되되, 블로커 하면(272)이, 종결정(40) 상면과 접하도록 배치되고, 제1 관통구(273) 및 제2 관통구(274)를 형성하는 블로커 벽면들은 유선형으로 구성되어 종결정 성장에서 발생될 수 있는 부작용을 방지하도록 이루어진다.
본 고안에 의한 분리가능한 단결정 성장용 도가니는 하도가니 및 하도가니를 체결수단에 의해 체결하여 단결정(50) 성장을 진행시키고, 단결정 잉곳이 완성된 후, 상기 체결을 해체하여 잉곳을 인출함에 있어, 도가니를 파손시키지 않고 빼낼 수 있도록 제작한 것이 특징이다.
한편, 본 고안에 의한 하도가니와 동일 재질의 링 형태의 블로커를 삽입하여 경계면에서 생성된 이종 핵에 의한 바람직하지 않은 결정성장을 방지하여 우수한 품질의 단결정을 제조할 수 있는 것이다.
도 1은 종래 단결정 성장용 도가니 단면도를 도시한 것이고,
도 2는 본 고안에 의한 하나의 실시예에 의한 분리가능한 단결정 성장용 도가니를 구성하는 상도가니(20) 및 하도가니(30) 결합 사시도이며,
도 3은 도 2의 실시예에 의해 결합된 본 고안에 의한 도가니 단면도이며,
도 4는 본 고안에 의한 하나의 실시예에 의한 분리가능한 단결정 성장용 도가니를 구성하는 상도가니(20) 및 하도가니(30) 결합 사시도이며,
도 5는 도 4의 실시예에 의해 결합된 본 고안에 의한 도가니 단면도이며,
도 6은 융액 조성 변경을 방지하기 위한 커버(24) 및 이종핵 성장을 방지하기 위하여 링 형태의 블로커(27)가 부착된 시예가 구현된 본 고안에 의한 도가니 개략 단면도를 도시한 것이고,
도 7은 도 6에서 구현된 실시예 일부 확대도를 도시한 것이다.

Claims (13)

  1. 단결정 성장용 도가니에 있어서,
    원통형 선단부, 상기 선단부 직경보다 큰 직경을 가지며, 상단부에 제1 체결수단을 가지는 원통형 몸체부, 및 이들 양자를 연속한 면으로 연결하는 원추부로 구성된 하도가니, 및
    상기 하도가니 몸체부 체결수단과 체결될 수 있는 제2 체결수단을 하단부에 가지는 원통형 상도가니를 포함하여 이루어지는, 분리가능한 단결정 성장용 도가니.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 체결수단은 암나사부로 이루어지며, 상기 제2 체결수단은 수나사부로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 분리가능한 단결정 성장용 도가니.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 체결수단 및 제2 체결수단은 하나 이상의 홀을 가지는 플랜지부들로 이루어지며, 이들은 볼트 및 너트로 체결되는 것을 특징으로 하는, 분리가능한 단결정 성장용 도가니.
  4. 제3항에 있어서, 상기 플랜지부 사이에는 밀봉수단이 개재되는 것을 특징으로 하는, 분리가능한 단결정 성장용 도가니.
  5. 제4항에 있어서, 상기 밀봉수단은 가스켓으로 구성된 것을 특징으로 하는, 분리가능한 단결정 성장용 도가니.
  6. 제3항에 있어서, 상기 플랜지부 외주면에는 용접부가 더욱 제공되는 것을 특징으로 하는, 분리가능한 단결정 성장용 도가니.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하도가니 및 상도가니 재질은 동일 재질인 것을 특징으로 하는, 분리가능한 단결정 성장용 도가니.
  8. 제7항에 있어서, 상기 재질은 W(텅스텐), Pt(백금), Pt-Rh, Rh-Ir, Pt-Zr으로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 합금인 것을 특징으로 하는, 분리가능한 단결정 성장용 도가니.
  9. 제1항에 있어서, 상기 상도가니 상부를 밀폐하기 위하여 상도가니 내부로 오목하게 형성된 커버가 더욱 포함된 것을 특징으로 하는, 분리가능한 단결정 성장용 도가니.
  10. 제1항에 있어서, 상면 관통구 및 하면 관통구 직경이 다른 링 형상의 블로 커(blocker)가 하도가니 선단부에 삽입하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 분리가능한 단결정 성장용 도가니.
  11. 제10항에 있어서, 상기 블로커 상면 관통구 직경은 상기 하면 관통구 직경보다 큰 것을 특징으로 하는, 분리가능한 단결정 성장용 도가니.
  12. 제11항에 있어서, 상기 블로커 상면 및 하면 관통구를 형성하는 벽면은 유선형으로 형성된 것을 특징으로 하는, 분리가능한 단결정 성장용 도가니.
  13. 제1항에 있어서, 상기 하도가니 및 상도가니 내주면은 폴리싱된 것을 특징으로 하는, 분리가능한 단결정 성장용 도가니.
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