KR200446667Y1 - 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 효율적인 열전달에 의한 솔라셀용 실리콘 잉곳의 제조 공정 시간을 단축시키며, 높은 수율을 얻게 하는 제조장치에 관한 것으로서, 진공챔버와, 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터와, 상기 도가니를 지지하는 지지수단과, 상기 진공챔버 내부의 온도를 제어하기 위한 냉각수단을 포함하며, 상기 히터는 상기 도가니 외부를 둘러싼 형태로 설치되는 상면부, 측면부, 저면부 외부히터 중 적어도 어느 하나를 포함하는 외부히터와; 상기 도가니 내부의 상단에 설치되어 상기 도가니 내부의 원료인 다결정 실리콘에 직접적으로 열을 가하는 내부히터를 포함하여 이루어진다.

솔라셀, 실리콘잉곳, 다결정, 아크방전, 내부히터, 온도구배

Description

솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치{APPARATUS OF FABRICATING SILICON INGOT FOR SOLAR CELL}

본 고안은 솔라셀의 원료인 다결정 실리콘을 이용하여 실리콘 잉곳을 제조하는 제조장치에 관한 것으로서, 상세하게는 원료 실리콘이 담기는 도가니의 내부에 별도의 히터 또는 아크방전 장치를 구비하여 원료 실리콘에 직접적으로 열을 가할 수 있도록 함으로써 실리콘 용융공정의 시간을 단축시키고, 효율적으로 전력을 절약할 수 있는 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치에 관한 것이다.

다결정 실리콘을 이용한 실리콘 잉곳의 제조방법은 원료인 다결정 실리콘을 석영 또는 흑연으로 이루어진 도가니에 충진시킨 후 진공조건에서 실리콘 원료를 용해하고, 이를 응고하는 공정을 통해 제조된다.

상기 실리콘 잉곳의 원료가 되는 다결정 실리콘은 지멘스법(Siemens process)에 의해 제조된 불규칙한 형상의 천크 다결정 실리콘 혹은 유동층 반응법(Fludized-bed reaction process)에 의해 제조된 구형의 입상 다결정 실리콘을 이용한다.

이러한 실리콘 잉곳 제조를 위한 종래의 제조장치에 대하여 도 3를 참조하여 설명하기로 한다.

도 3에 도시된 바와 같이 종래의 실리콘 잉곳 제조장치(200)는 진공을 유지하는 챔버(110)와, 챔버(110) 내에 배치되어 원료물질(M)을 담는 도가니(120)와, 원료물질(M)의 용융을 위해 도가니(120)를 가열하는 히터(130)와, 도가니를 지지하는 지지수단(140)과, 챔버(110)의 측벽 내면에 설치되어 외부로의 열방출을 차단하는 단열재(150)와, 원료물질(M)의 응고를 위해 설치되는 냉각수단(미도시)으로 이루어진다.

그러나, 이러한 구성의 실리콘 잉곳 제조장치(200)는 도가니(120)를 가열하는 히터(130)가 도가니(120) 외부에 설치되어 있고, 챔버(110) 내부는 거의 진공으로 유지되기 때문에, 열원인 히터(130)로부터 원료물질(M)까지의 열전달은 대류의 영향을 받지 못하고, 오직 히터(130)로부터 도가니(120) 혹은 원료물질(M)까지의 복사로서만 수행된다.

따라서, 열원인 히터(130)로부터의 열에너지가 도가니(120) 내부 중앙부위로 효율적으로 전달되지 아니하며, 열전도도가 낮은 다결정 실리콘을 용융시키는데에는 많은 전력을 필요로 하며, 공정시간 역시 그에 따라 길어진다. 일례로, 상기 장치의 작동 시에 히터(130)의 표면온도가 1,600 내지 2,000℃에 이르는 반면, 도가니(120) 내부의 온도는 1,300 내지 1,400℃에 불과하여 다량의 열손실을 감수해야 한다. 또한, 이러한 높은 용융 전력에 노출된 도가니(120)는 그 내부에 축적된 열 응력으로 인하여 뒤틀리고, 도가니(120) 내부 입자 또는 도가니(120) 내부에 코팅된 박리재의 성분 등의 불순물이 방출되어 용융물 내에 혼합되게 됨으로써 무결함 결정의 생산량 및 수율을 저하시키는 원인이 된다.

또한, 종래의 히터(130)를 이용하여 용융하는 과정에서, 상부 및 하부의 수직방향으로의 온도구배가 크지 않아 생성물인 실리콘 잉곳의 높이가 한정되고, 용융물의 상부의 일부 영역에 에지 구조(edge structute)가 생겨나게 된다. 이러한 에지구조는 냉각 과정에서 하부 구조보다 먼저 응고하게 되어 결국에는 생성물인 실리콘 잉곳에 크랙이 발생되게 된다.

아울러, 도가니(120) 내부를 천크 다결정 실리콘으로 충진시키던지, 입상 다결정 실리콘으로 충진시키던지 간에, 다결정 실리콘의 용융 후의 부피는 감소하게 되는 문제점이 있는바, 종래에는 효율적인 장치 운전을 위하여 도가니(120) 내부에 다결정 실리콘 공급 장치를 별도로 구비함으로써 이를 해소하고자 하였다. 이에 대해서는 일본 실용신안 출원번호 제50-11788호(1975년)에 개시되어 있다. 그러나, 이 또한 별도의 공급장치 및 제어장치를 마련하여야 하는 등의 문제점이 있다고 할 것이다.

본 고안은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 고안의 목적은 도가니 내부에 별도의 히터를 구비하여 원료 실리콘에 효율적인 열전달을 수행하도록 하며;

도가니 내부 상하부의 수직방향으로의 온도구배를 형성하여, 생성물의 결함발생을 방지하며;

상기 별도의 히터를 실리콘 재질로 제작하여 가열 시 원료물질과 함께 용융되도록 함으로써, 공정 중에 추가적으로 원료 실리콘을 공급하지 아니하고도 초기 충진된 원료물질의 공정 중 부피감소를 보정할 수 있도록 하며;

아크방전을 일으키는 전극을 포함함으로써, 보다 효율적이고 경제적인 공정을 수행할 수 있도록 하며; 실리콘 잉곳의 제조 공정시간을 단축시키는 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치를 제공하는데 있다.

본 고안에 의한 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치는, 진공챔버와, 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터와, 상기 도가니를 지지하는 지지수단과, 상기 진공챔버 내부의 온도를 제어하기 위한 냉각수단을 포함하며, 상기 히터는 상기 도가니 외부를 둘러싼 형태로 설치되는 상면부, 측면부, 저면부 외부히터 중 적어도 어느 하나를 포함하는 외부히터와; 상기 도가니 내부의 상단에 설치되어 상기 도가니 내 부의 원료인 다결정 실리콘에 직접적으로 열을 가하는 내부히터를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 내부히터는 실리콘 재질의 U자형의 로드로 형성되며, 원료 다결정 실리콘의 상부에 직접적인 열을 가하는 내부 히팅수단과, 내부 히팅수단의 상단에 설치되어 내부 히팅수단에 전류를 가하여 열을 발생시키는 한 쌍의 히팅전극과, 내부 히팅수단 및 히팅전극을 상부에서 지지하도록 히팅전극에 결합된 내부히터 지지수단으로 이루어지는 것이 공정중 별도의 원료보충 없이 내부히터가 히터의 역할과 함께 보충 원료 공급장치의 역할을 동시에 수행하기에 바람직하다.

또한, 상기 내부 히팅수단은 용융되어 생성물을 형성하기 때문에 소모품으로 사용되며, 따라서 교체가능하도록 제작함이 바람직하다.

또한, 상기 내부히터는 상기 도가니 내부에 플라즈마 상태를 조성하여 아크방전을 일으켜서 원료인 다결정 실리콘을 가열할 수 있도록 상기 도가니 내부에 다수의 전극으로 이루어진 방전전극을 더 포함하는 것이 더욱 효율적인 열전달을 위하여 바람직하다.

또한, 본 고안에 의한 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치는 진공챔버와, 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터와, 상기 도가니를 지지하는 지지수단과, 상기 진공챔버 내부의 온도를 제어하기 위한 냉각수단을 포함하며, 상기 히터는 상기 도가니 외부를 둘러싼 형태로 설치되는 상면부, 측면부, 저면부 외부히터 중 적어도 어느 하나를 포함하는 외부히터와;

상기 도가니 내부에 플라즈마 상태를 조성하여 아크방전을 일으켜서 원료인 다결정 실리콘을 가열할 수 있도록 상기 도가니 내부에 다수의 전극으로 이루어진 방전전극을 포함하여 이루어질 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 고안에 의한 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치에 따르면, 원료 실리콘에 효율적인 열전달을 수행하도록 하는 장점을 갖는다.

또한, 도가니 내부 상하부의 수직방향으로의 온도구배를 형성하여, 생성물의 결함발생을 방지하는 장점을 갖는다.

또한, 공정 중에 추가적으로 원료 실리콘을 공급하지 아니하고도 초기 충진된 원료물질의 공정 중 부피감소를 보정할 수 있도록 한다.

또한, 아크방전을 일으키는 전극을 포함함으로써, 보다 효율적이고 경제적인 공정을 수행할 수 있도록 하며, 실리콘 잉곳의 제조 공정시간을 단축시킬 수 있다.

이하, 본 고안의 바람직한 실시예 및 도면을 참조하여 본 고안에 의한 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치의 구성 및 작동에 대하여 살펴보기로 한다.

제 1 실시예

도 1은 본 고안의 제 1 실시예에 따른 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치의 구성을 나타낸 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 고안의 제 1 실시예에 따른 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치(100)는 진공 상태를 유지하는 진공챔버(10)와, 진공챔버(10) 내부에 배치되며 원료 실리콘을 담는 흑연 또는 석영 재질의 도가니(20)와, 도가니(20)에 복사열을 가하여 가열하는 다수의 히터(30)와, 도가니(20)를 하부에서 지지하는 지지수단(40)과, 진공챔버(10) 측벽 내면에 설치되어 외부로의 열방출을 차단하는 단열재(50)와, 상기 진공챔버(10) 내부의 온도를 제어하기 위한 냉각수단(미도시)으로 이루어진다.

여기서, 히터(30)는 도가니(20)를 둘러싼 형태로 설치되는 외부히터(31)와 도가니(20) 내부에 배치되어 바람직하게는 U자형의 로드 형태로 설치되는 내부히터(32)로 이루어진다.

외부히터(31)는 카본 또는 흑연 재질로 형성되며, 도가니(20) 상부에 설치되는 상면부 외부히터(31a)와 도가니(20)의 측면 둘레를 감싼 형태로 설치되는 측면부 외부히터(31b)와 도가니(20)의 저면에 설치되는 저면부 외부히터(31c)로 이루어진다. 또는 상기 세가지 외부히터(31a, 31b, 31c) 중 적어도 어느 하나를 단독으로 또는 동시에 설치하여 사용할 수도 있다.

내부히터(32)는 그 자체가 실리콘 재질로 이루어지며, 내부에 전극을 구비하여 판상 또는 막대상의 형태로 제조될 수도 있고, 바람직하게는 실리콘 재질의 U자형의 로드(rod)로 형성되며, 원료 다결정 실리콘(M)에 직접적인 열을 가하는 내부 히팅수단(32a)과, 내부 히팅수단(32a)의 상단에 설치되어 내부 히팅수단(32a)에 전류를 가하여 열을 발생시키는 흑연 재질의 히팅전극(32b)과, 내부 히팅수단(32a) 및 히팅전극(32b)을 상부에서 지지하도록 히팅전극(32b)에 결합된 내부히터 지지수 단(32c)으로 이루어질 수 있다. 여기서, 내부히터(32)는 상기 상면부 외부히터(31a)의 역할을 더욱 효율적으로 수행하기 때문에, 상면부 외부히터(31a)를 본 고안의 구성에서 제외시킬 수도 있다.

다음으로 상기 구성을 갖는 본 고안에 따른 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치(100)의 작동에 대하여 설명하기로 한다.

먼저, 도가니(20)에 원료인 다결정 실리콘(M)을 충진시킨다. 여기서, 원료로 사용되는 다결정 실리콘은 천크 다결정 실리콘이나, 입상 다결정 실리콘 중 어느 것을 사용할 수도 있으나, 입상 다결정 실리콘을 사용하는 경우에는 상대적으로 수율이 낮아지고, 생성물인 실리콘 잉곳에 공극(void)가 발생될 소지가 높아 일반적으로는 천크 다결정 실리콘을 선호하는 편이다.

충진되는 다결정 실리콘의 양은 생성물인 실리콘 잉곳의 수율과 품질을 고려하여 최적화시키는 것이 바람직하다. 도가니(20) 내에 다결정 실리콘을 과다하게 충진시키면 기계적 응력이 발생하여 충진물이 유동하게 되면, 도가니(20)의 벽면의 입자가 긁혀나와 불순물이 되거나, 브릿지 등의 불량을 형성시킬 가능성을 증가시킨다. 또한, 너무 적게 충진시키면 전력소모가 크고 공정 속도가 느려져 비경제적이라는 단점이 있다.

원료물질 충진 과정이 마무리되면, 챔버 내에 별도로 설치된 기체 도입구를 통해 아르곤(Ar)이나 수소(H₂) 가스를 도입시키고, 진공 상태를 유지하며 도가 니(20)의 상부, 측면부, 저면부의 육면을 둘러싼 외부히터(31)와, 별도의 전극을 갖는 내부히터(32)를 이용하여 도가니(20) 내의 충진물을 용융시킨다. 상기 용융 과정에서 소요되는 히터(30)의 총 소비전력은 200kW 수준으로 하고, 용융 온도는 1,450℃부근으로 유지시켜 원료물질(M)을 용융시킨 후, 서서히 냉각함으로써 도가니(20) 내부의 용융물을 응고시켜 실리콘 잉곳을 제조한다.

상기 용융과정이 마무리되면, 저면부 외부히터(31c)가 설치되지 아니한 경우라면 도 1에 도시된 Y 방향으로 이동 가능한 지지수단(40)을 이용하여 도가니(20)를 하강시키고, 히터(30)가 설치되어 있지 아니한 챔버의 하단부의 쿨링 존에서 냉각온도 200℃까지 서서히 냉각시켜 도가니(20) 내부의 실리콘 용융물을 응고시켜 실리콘 잉곳을 제조한다.

다음으로는, 상기 내부히터(32)에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.

상기 충진 과정에서 충진물이 적절하게 채워진 경우라도 용융공정을 거치게 되면 초기에 설정된 최적부피보다 감소하게 되며, 도가니(20)의 수직방향으로의 온도구배가 형성되지 아니하여 생성물에 결함을 발생시키는 원인이 되며, 최적의 용융온도 1,450℃를 유지하기 위해 히터(30) 온도는 1,600℃ 이상으로 설정하며, 소비전력이 많이 요구되는 비효율성의 문제점이 있는바, 본 고안에서는 내부히터(32)를 도가니(20) 내부에 설치하여 상기 문제점을 해소하였다. 이하, 내부히터(32)의 작동 원리 및 상기 문제점에 대한 해결 원리를 설명하도록 한다.

내부히터(32)의 작동 원리로서, 양극과 음극으로 이루어진 흑연 재질의 히팅 전극(32b)에 전류가 공급되면, 히팅전극(32b)에 의해 발생된 열로 인해 히팅전극(32b)의 양극과 음극에 연결될 수 있도록 U자형 로드 구조로 형성된 내부 히팅수단(32a)이 가열되며, 가열된 내부 히팅수단(32a)에서 방출되는 복사 열 에너지에 의해 내부에 충진되어 있는 원료 실리콘(M)이 가열되어 용융된다.

상기 내부히터(32)를 설치함에 따라 도가니(20) 내부에 충진된 원료 실리콘(M)에 직접적인 열전달이 가능하게 되어, 외부히터(31)에 의한 열전달보다 훨씬 효율적인 원료 물질(M)에 대한 가열이 가능하게 된다. 이에 따라 소비전력이 감소하고, 공정 시간 또한 단축되게 된다.

또한, 상기 내부 히팅수단(32a)은 원료물질(M)의 상부를 가열하게 되는바, 도가니(20)의 수직방향으로의 온도구배를 형성하게 되고, 이러한 온도 구배로 인해, 상술한 생성물의 결함을 방지할 수 있다.

또한, 내부 히팅수단(32a)을 실리콘 재질로 형성하였기 때문에, 내부 히팅수단(32a)은 도가니(20) 내부에서 그대로 용융되어 내부에 충진되어 있는 원료 실리콘(M)과 함께 용융물을 형성하고, 이후에 함께 냉각되어 실리콘 잉곳으로 생성된다. 따라서, 상기 부피 감소에 따른 문제점을 해소하여 수율을 향상시킨다. 덧붙여, 예상되는 바와 같이, 내부 히팅수단(32a)은 용융되어 생성물을 형성하기 때문에 소모품으로 사용된다.

제 2 실시예

도 2a 및 도 2b는 본 고안의 제 2 실시예에 따른 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.

도 2a는 한 쌍의 방전 수단을 구비한 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치의 구성을 나타낸 것이며, 도 2b는 세 쌍의 방전 수단 및 내부 히팅수단을 구비한 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치의 구성을 나타낸 것이다.

도 2a에 나타난 것처럼, 다른 구성은 도 1의 본 고안의 제 2 실시예에 따른 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치(100)의 구성을 따르며, 제 1 실시예의 내부히터(32)를 대체하여 아크방전을 일으키는 방전전극(33)을 설치하며, 상기 방전전극(33)은 각각 도가니(20)의 상부와 도가니(20) 내부면에 흑연 또는 금속 재질의 양극(33a)과 음극(33b)을 형성하여 구성된다.

상기 제 1 실시예에서와 마찬가지로, 방전전극(33)은 상기 상면부 외부히터(31a)의 역할을 수행하기 때문에, 상면부 외부히터(31a)를 본 고안의 구성에서 제외시킬 수도 있다.

이러한 방전전극(33)의 작동 원리는 상기 양극(33a)과 음극(33b)에 강한 직류(DC)를 가하여 도가니(20) 내부에 플라즈마 상태를 형성하면 특히 양극(33a) 부근에 고온이 형성되어, 도가니(20)에 충진된 원료물질(M)의 상부에 더 열이 많이 가해짐에 따라, 온도구배가 형성되고, 이로써 상술한 생성물의 결함 문제를 해결하게 된다.

도 2b는 도 2a에 나타난 실리콘 잉곳 제조장치(100)의 구성에 더하여, 여러 쌍의 방전 수단을 설치함과 함께, 제 1 실시예 상에 나타난 내부히터(32)를 설치하여 상기 효과를 극대화시키고자 구성된 실리콘 잉곳 제조장치(100)를 도시한 것이 다.

이러한 구성으로써 제 1 실시예와 제 2 실시예에서 상술한 효과를 극대화할 수 있다.

본 고안의 권리 범위는 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구 범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허 청구 범위에서 청구하는 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 변형할 수 있는 범위까지 본 고안의 청구 범위 내에 있다는 것이 이해될 것이다.

도 1은 본 고안의 제 1 실시예에 의한 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치의 단면도

도 2는 본 고안의 제 2 실시예에 의한 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치의 단면도

도 3은 종래 기술에 의한 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치의 단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 진공챔버 20: 도가니

30: 히터 31: 외부히터

32: 내부히터 33: 방전전극

40: 지지수단 50: 단열재

100: 실리콘 잉곳 제조장치

110: 진공챔버 120: 도가니

130: 히터 140: 지지수단

150: 단열재 200: 종래의 실리콘 잉곳 제조장치

Claims (3)

1. 진공챔버와, 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터와, 상기 도가니를 지지하는 지지수단을 포함하는 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치에 있어서,

   상기 도가니는 상기 진공챔버 내부에 배치되며 원료 실리콘을 담는 흑연 또는 석영 재질로 이루어지고,

   상기 히터는 상기 도가니 외부를 둘러싼 형태로 설치되는 상면부, 측면부, 저면부 외부히터 중 적어도 어느 하나를 포함하는 외부히터와;

   상기 도가니 내부의 상단에 설치되어 상기 도가니 내부의 원료인 다결정 실리콘에 직접적으로 열을 가하는 내부히터를 포함하며,

   상기 내부히터는 원료 실리콘과 함께 용융되어 실리콘 잉곳을 생성함으로써 부피감소를 보충하기 위하여, 실리콘 재질의 U자형의 로드로 형성되어, 원료 다결정 실리콘의 상부에 직접적인 열을 가하는 내부 히팅수단과;

   내부 히팅수단의 상단에 설치되어 내부 히팅수단에 전류를 가하여 열을 발생시키는 흑연재질의 한 쌍의 히팅전극과;

   내부 히팅수단 및 히팅전극을 상부에서 지지하도록 히팅전극에 결합된 내부히터 지지수단;으로 이루어지며,

   상기 내부 히팅수단은 교체가능하도록 제조된 것을 특징으로 하는 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 내부히터는 상기 도가니 내부에 플라즈마 상태를 조성하여 아크방전을 일으켜서 원료인 다결정 실리콘을 가열할 수 있도록 상기 도가니 내부에 다수의 전극으로 이루어진 방전전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치.
3. 진공챔버와, 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터와, 상기 도가니를 지지하는 지지수단을 포함하는 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치에 있어서,

   상기 도가니는 상기 진공챔버 내부에 배치되며 원료 실리콘을 담는 흑연 또는 석영 재질로 이루어지고,

   상기 히터는 상기 도가니 외부를 둘러싼 형태로 설치되는 상면부, 측면부, 저면부 외부히터 중 적어도 어느 하나를 포함하는 외부히터와;

   상기 도가니 내부에 플라즈마 상태를 조성하여 아크방전을 일으켜서 원료인 다결정 실리콘을 가열할 수 있도록 상기 도가니 내부에 다수의 전극으로 이루어진 흑연 또는 금속재질의 방전전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 솔라셀용 실리콘 잉곳 제조장치.

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