KR20100002230A

KR20100002230A - 수냉식 몰드

Info

Publication number: KR20100002230A
Application number: KR1020090058048A
Authority: KR
Inventors: 아츠시 시마즈
Original assignee: 쟈판 스파 쿼츠 가부시키가이샤
Priority date: 2008-06-28
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-01-06
Also published as: EP2138468A3; TW201006971A; JP2010030880A; JP5441106B2; EP2138468B1; US8082757B2; US20100162767A1; EP2138468A2

Abstract

내부에 냉각수 유동을 위한 공간이 구비된, 석영 도가니의 제조를 위한 수냉식 몰드로서, 수냉식 몰드는, 열전도성 금속 또는 합금 재료로 제조되는 외측 몰드부와, 외측 몰드부의 내면에 밀접하게 배치되고, 내열재로 제조되는 내측 몰드부를 포함한다.

수냉식, 외측 몰드부, 내측 몰드부

Description

수냉식 몰드 {WATER-COOLED MOLD}

본 발명은 석영 도가니의 제조시에 사용하기 위한 수냉식 몰드에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 최적화된 몰드 구조를 갖는 수냉식 몰드에 관한 것이다.

석영 유리 도가니는 반도체 재료로서 실리콘 단결정, 태양 전지 재료로서 실리콘 결정 등을 인상하는데 사용된다. 예컨대, 실리콘 단결정은 주로, 석영 유리 도가니에 채워진 다결정 실리콘 덩어리를 실리콘 용융물을 형성하기 위해 가열하여 용융시키고, 실리콘 용융물에 종결정(seed crystal)을 침지시킨 후, 실리콘 용융물로부터 종결정을 인상하는 방법에 의해 제조된다. 태양 전지 재료로서 실리콘 결정은 실리콘 단결정과 비교할 때 단일-결정화 정도에 있어서 낮지만 동일한 인상 방법에 의해 제조된다.

석영 유리 도가니를 제조하는 방법으로서 회전 몰드법이 알려져 있다. 이 방법에서는, 회전가능한 사발 모양의 몰드를 사용하여, 몰드의 회전 동안 생성되는 원심력을 이용함으로써, 미가공(raw) 석영 분말을 몰드의 내면 상에 내면을 따라 소정 두께로 퇴적시킨다. 이어서, 몰드의 상방에 그리고 몰드의 회전 중심축 주위에 배치된 전극(들)의 아크 방전을, 통해 용융점(용융 온도)보다도 더 높은 온 도(약 2000℃)로 가열함으로써 석영 분말이 용융 및 유리화되어, 몰드의 내면을 따르는 형태의 유리 도가니를 형성하고, 이어서 이렇게 형성된 유리 도가니를 냉각하여 몰드로부터 취출한다.

수냉식 몰드는 지금까지, 회전 몰드법에 의해 석영 유리 도가니를 제조하는데 사용되는 몰드로서 알려져 왔다. 예컨대, 일본공개특허공보 평11-43394호에는, 회전하는 스테인리스강 수냉식 몰드에 미가공 석영 분말을 채우고 아크 방전을 통해 용융시켜, 석영 유리 도가니를 제조하는 기술이 개시되어 있다. 유사하게, 일본공개특허공보 제2002-154850호에는, 회전하는 스테인리스강 수냉식 몰드에 석영 분말을 채우고 감압하에서 아크 방전을 통해 형상화시켜 석영 유리 도가니를 제조하는 기술이 개시되어 있다.

종래의 스테인리스강 수냉식 몰드에서는, 몰드의 바닥부 및 몰드의 주변 벽부 내부에 냉각수가 흐르는 공간을 형성하고, 고온 가열의 분위기 하에서 몰드의 바닥부 및 몰드의 주변 벽부를 냉각수로 냉각함으로써 몰드의 열손상이 방지된다. 몰드의 내면은 보통 약 100℃로 냉각된다. 반면에, 몰드의 내면 상에 퇴적되는 미가공 석영 분말은, 아크 방전을 통해 용융점보다 더 높은 온도로 가열됨으로써 용융 및 유리화된다.

종래의 수냉식 몰드의 냉각 구조에서, 몰드의 내면 상에 퇴적되는 석영 분말은 몰드 내면의 반대쪽인 외면측에서 용융점보다 높은 온도로 가열함으로써 용융 및 유리화되지만, 몰드의 냉각에 의해 몰드 내면 부분에서의 열이 제거되기 때문에, 몰드의 내면 측에 위치해 있는 석영 분말의 상당 부분은 유리화 없이 용융되지 않은 상태로 남게 된다. 종래의 수냉식 몰드를 이용하여 소망하는 두께의 유리화 층을 형성하기 위해, 소망하는 두께에 요구되는 중량보다 약 2배 많은 양의 석영 분말이 사용된다. 따라서, 제품 형성을 위한 석영 분말의 양이 사용된 양과 비교할 때 작아, 석영 분말의 손실량이 큰 문제점이 있다.

다른 한편으로, 전체 부분이 탄소로 이루어진 탄소 몰드가 알려져 있다. 비록 탄소가 스테인리스강과 비교할 때 내열성이 높지만, 장기간 동안 고온에서 사용될 경우 산화 소비(oxidative consumption)로 인해 열적 손상을 받기 쉽다. 열적 손상을 받은 몰드로 인해 석영 유리 도가니 형상에 문제가 있게 되고, 이로 인해 비싼 몰드 전체를 새 것으로 교체함으로써 경제적 효율을 현저히 떨어뜨리는 문제점이 있다.

본 발명은, 수냉식 몰드의 구조를 최적화함으로써, 종래의 수냉식 몰드에서의 상술한 문제점을 해결하여, 충분한 내열성을 가지며, 미가공 석영 분말의 용융되지 않은 부분을 상당히 감소시키는 수냉식 몰드를 제공하는 것이다.

본 발명은 다음의 구성을 갖는 수냉식 몰드를 제공한다:

(1) 내부에 냉각수 유동을 위한 공간이 구비된, 석영 도가니의 제조를 위한 수냉식 몰드로서, 열전도성 금속 또는 합금 재료로 제조되는 외측 몰드부와, 외측 몰드부의 내면에 밀접하게 배치되고, 내열재로 제조되는 내측 몰드부를 포함하는 수냉식 몰드.

(2) 상기 항목 (1)에 있어서, 내측 몰드부에 몰드의 내면으로 개구하는 배출 구멍(vent hole)이 형성되는 수냉식 몰드.

(3) 상기 항목 (1) 또는 (2)에 있어서, 내측 몰드부는, 외측 몰드부의 바닥부 상에 배치되는 접시 형상의 하부 분할 부분과, 하부 분할 부분 상에 분리될 수 있게 쌓이며, 외측 몰드부의 내면에 밀접하게 배치되는 1 이상의 고리 형상의 상부 분할 부분으로 일체로 구성되는 수냉식 몰드.

(4) 상기 항목 (3)에 있어서, 복수의 분할 부분 각각은 탄소재로 제조되는 수냉식 몰드.

(5) 상기 항목 (1)에 있어서, 외측 몰드부는 수냉 재킷으로서 구성되는 수냉 식 몰드.

(6) 상기 항목 (1)에 있어서, 몰드는 상방 개구부를 갖는 바닥이 있는 원통형이며, 회전축선으로서 바닥부의 중앙 위치에서부터 개구부의 중앙 위치를 지나는 가상 선을 중심으로 몰드가 회전되는 회전 몰드법에 의해 석영 도가니를 제조하는데 이용되는 수냉식 몰드.

본 발명에 따른 수냉식 몰드는, 몰드를 구성하는 외측 몰드부가, 그 내부에 냉각수의 유동을 위한 공간이 구비되고 열전도성 금속 또는 합금 재료로 제조되며, 내열재로 제조된 내측 몰드부가 외측 몰드부의 내면에 밀접하게 배치되는, 석영 도가니의 제조를 위한 몰드이기 때문에, 석영 분말이 외측 몰드부의 내면과 직접 접촉하지 않는다. 따라서, 고온으로 가열하는 동안 몰드가 외측 몰드부에 의해 냉각된다 하더라도, 가열된 미가공 석영 분말로부터 몰드의 내면을 통해 열이 제거되는 현상이, 내열성 재료로 제조된 내측 몰드부의 단열 효과에 의해 덜 일어나게 되고, 그 결과 용융되지 않은 상태로 남게 되는 미가공 석영 분말의 양이 현저하게 감소하게 된다.

도 1에는 본 발명에 따른 수냉식 몰드의 일반적인 구성의 예가 도시되어 있다.

도시된 수냉식 몰드(10)는 석영 도가니 제조를 위한 수냉식 몰드로서, 주로 외측 몰드부(11) 및 내측 몰드부(12)를 포함한다.

외측 몰드부(11)의 내부에는 냉각수의 유동을 위한 공간이 구비되고, 열전도성 금속 또는 합금 재료로 제조되며, 그 일 예로서 수냉 재킷을 들 수 있다. 외측 몰드부(11)의 재료로서는, 뛰어난 냉각 성능을 구비한 열전도성 및 내부식성 금속 또는 합금 재료가 바람직하여, 예컨대 오스테나이트 스테인리스강, 내후성강(atmosphere corrosion resisting steel), 티타늄 등이 포함된다.

내측 몰드부(12)는 외측 몰드부의 내면에 밀접하게 배치되고, 탄소재와 같은 내열재로 제조되며, 외측 몰드부(11)와 일체로 수냉식 몰드(10)를 구성한다. 또한, 수냉식 몰드(10)는 상방 개구부를 갖는 바닥이 있는 원통형으로 형성되며, 수냉식 몰드(10)는, 회전축선으로서 바닥부의 중앙 위치에서부터 개구부의 중앙 위치를 지나는 가상 선을 중심으로 몰드가 회전되는 회전 몰드법에 의해 석영 도가니를 제조하는데 사용된다.

외측 몰드부(11)를 구성하는 수냉 재킷은, 재킷 내에 냉각수를 유동 및/또는 순환시키기 위한 공간이 형성된 스테인리스강으로 제조되며, 상기 공간으로 냉각수를 공급하기 위한 수단(도시되지 않음)에 연결된다. 외측 몰드부(11)의 전체 내면에는, 탄소재, 예컨대 카본 라이닝(carbon lining)과 같은 내열재로 제조된 내측 몰드부(12)가 밀접하게 그리고 일체로 배치된다.

내측 몰드부(12)의 내부에는 라이닝 면으로 개구하는 복수의 배출 구멍(13)이 형성된다. 이들 배출 구멍(13)은, 회전축에 대응하는 몰드의 바닥부에 형성된 집합 구멍(collective hole; 14)과 연이어 통하며, 집합 구멍(14)을 통해 외압 저감 장치(도시되지 않음)에 연결된다. 내측 몰드부(12)의 내면 상에 퇴적된 미가공 석영 분말층 내부의 공기는 배출 구멍(13)을 통해 외부쪽으로 흡인되어, 미가공 석영 분말층이 감압 상태로 유지된다. 가열 용융 동안 흡인을 통해 미가공 석영 분말층에 있는 공기를 제거함으로써, 석영 분말의 유리화에 있어서 내부 기포의 체류가 방지되고, 이로 인해 실질적으로 기포를 포함하고 있지 않는 투명 유리층이 형성될 수 있다.

수냉식 몰드(10)를 구성하는 내측 몰드부(12)는 분리될 수 있는 복수의 분할 부분(split segment; 20 내지 24)으로 제조될 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 수냉식 몰드(10)는, 외측 몰드부(11)의 바닥부 상에 배치된 접시 형상의 하부 분할 부분(20)과, 하부 분할 부분(20) 상에 분리될 수 있게 쌓이며 외측 몰드부(11)의 내면에 밀접하게 배치되는 1 이상의 고리 형상의 상부 분할 부분, 즉 도 1에서는 4개의 상부 분할 부분(21 내지 24)들로 일체로 구성된다. 이들 분할 부분(20 내지 24)들은 외측 몰드부(11)의 내면을 덮는 내측 몰드부(12)를 형성한다.

접시 형상의 하부 분할 부분(20)에는, 내부를 관통하여 바닥부에서 몰드 내면으로 개구하는 복수의 배출 구멍(13)과, 바닥부의 중심에서 외부로 연이어 통하는 집합 구멍(14)이 형성된다. 또한 상부 분할 부분(21 내지 23)들은 동일한 내경 및 외경을 갖는 고리 형상의 부재들로서, 이들 각 부분에는 상면에서부터 하면까지 관통하며 몰드의 내면으로 개구하는 배출 구멍(13)이 형성된다. 최상부의 분할 부분(24)은, 다른 상부 분할 부분(21 내지 23)과 동일한 내경을 가지며 U자형 단면을 갖는 고리 형상의 부재로서, 그 내부에 배출 구멍(13)이 형성된다. 최상부의 분할 부분(24)은, 당해 분할 부분의 외측으로 개방된 오목부와 결합하는 고정 부재(25) 와 같은 고정 수단과, 볼트(26) 등을 통해 외측 몰드부(11)의 상단에 고정된다. 접시 형상의 하부 분할 부분(20) 및 상부 분할 부분(21 내지 24)은 고정 수단에 의해 상호 일체로 고정되며, 외측 몰드부(11)의 내면에 분리 가능하게 부착된다.

따라서, 내측 몰드부(12)는 복수의 분할 부분(20 내지 24)을 조립하여 구성되며, 이로 인해 내측 몰드부가 외측 몰드부(11)의 내면에 용이하게 부착될 수 있다. 또한, 내측 몰드부(12)가 외측 몰드부에 분리 가능하게 부착되기 때문에, 내측 몰드부(12)가 열적 손상을 받은 경우, 새로운 내측 몰드부로 용이하게 교체될 수 있다. 분할 부분(20 내지 24)들 중에, 단지 열적 손상을 받은 분할 부분만을 부분적으로 새로운 분할 부분으로 교체할 수 있기 때문에, 몰드 유지 비용이 저렴하게 유지될 수 있을 뿐만 아니라, 수냉식 몰드 전체의 사용 기간이 크게 향상될 수 있다.

도 2에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 수냉식 몰드(10)는, 상방 개구부를 갖는 바닥이 있는 원통형이며, 원심력을 발생시키기 위해 바닥부의 중앙 위치에서부터 개구부의 중앙 위치를 지나는 가상 선을 중심으로 회전되고, 이로 인해 미가공 석영 분말이 회전 몰드법에 의해 내측 몰드부(12)의 내면 상에 소정 두께로 퇴적된다. 이어서, 몰드(10)의 위에 그리고 몰드의 회전 중심축 주위에 배치된 전극(35)들의 아크 방전을 통해 용융점(약 2000℃)보다 높은 온도로 가열됨으로써 미가공 석영 분말이 용융되어, 용융된 석영층(34)이 형성된다.

도 3에 도시된 것처럼, 종래의 수냉식 몰드에는 내측 몰드부가 형성되지 않기 때문에, 석영 분말을 가열 용융시키는 단계에서 미가공 석영 분말이 수냉식 몰 드(10)의 내면(31) 상에 직접적으로 퇴적된다. 이렇게 생성된 석영층(30)의 내면(32)은 용융점(약 2000℃)보다 더 높은 온도로 가열되는 동안, 수냉식 몰드의 내면(31)은 약 100℃로 냉각된다. 그러나, 석영층(30)의 열전도도가 작기 때문에, 석영층(30)의 내부에는 석영층(30)의 내면(32)에서부터 수냉식 몰드(10)의 내면(31)에 이르기까지 큰 온도 구배(temperature gradient)가 발생한다. 따라서, 퇴적된 석영층 중 용융점보다 높지 않은 온도 영역에 대응하는 부분이 늘어나고, 그 결과 석영층(30)에서 차지하는 용융되지 않은 석영층(33)의 비율이 커지게 된다. 따라서, 소망하는 두께를 갖는 용융된 석영층을 형성하기 위해, 용융되지 않은 석영층(33)을 고려한 두께로 미가공 석영 분말을 퇴적시킬 필요가 있다.

반대로, 도 4에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 외측 몰드부(11) 및 내측 몰드부(12)를 포함하는 수냉식 몰드(10)가 사용되는 경우, 미가공 석영 분말은 내측 몰드부(12)의 내면 상에 퇴적되고, 외측 몰드부(11)의 내면과는 직접 접촉하지 않게 된다. 내측 몰드부(12)의 존재로 인해, 내측 몰드부(12)의 내면 상에 퇴적되는 석영층의 온도가 높게 유지될 수 있고, 이로 인해 석영층(30)에 남게 되는 용융되지 않은 석영층(33)의 두께가 크게 감소될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수냉식 몰드의 종단면도이다.

도 2는 회전 몰드법에 의한 도가니의 제조를 나타내는 단면도이다.

도 3은 종래의 수냉식 몰드를 이용하여 석영 도가니를 제조하는 경우 미가공 석영 분말을 가열하는 상태를 나타내는 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 수냉식 몰드를 이용하여 석영 도가니를 제조하는 경우 미가공 석영 분말을 가열하는 상태를 나타내는 단면도이다.

Claims

내부에 냉각수의 유동을 위한 공간이 구비된, 석영 도가니의 제조를 위한 수냉식 몰드로서,

열전도성 금속 또는 합금 재료로 제조되는 외측 몰드부와, 상기 외측 몰드부의 내면에 밀접하게 배치되고, 내열재로 제조되는 내측 몰드부를 포함하는 수냉식 몰드.
제1항에 있어서,

상기 내측 몰드부에 몰드의 내면으로 개구하는 배출 구멍이 형성되는 수냉식 몰드.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 내측 몰드부는, 상기 외측 몰드부의 바닥부 상에 배치되는 접시 형상의 하부 분할 부분과, 상기 하부 분할 부분 상에 분리될 수 있게 쌓이며, 상기 외측 몰드부의 내면에 밀접하게 배치되는 1 이상의 고리 형상의 상부 분할 부분을 포함하는 복수의 분할 부분들로 일체로 구성되는 수냉식 몰드.
제3항에 있어서,

상기 복수의 분할 부분들의 각각은 탄소재로 제조되는 수냉식 몰드.
제1항에 있어서,

상기 외측 몰드부는 수냉 재킷으로서 구성되는 수냉식 몰드.
제1항에 있어서,

상기 몰드는 상방 개구부를 갖는 바닥이 있는 원통형이며, 회전축선으로서 바닥부의 중앙 위치에서부터 상기 개구부의 중앙 위치를 지나는 가상 선을 중심으로 몰드가 회전되는 회전 몰드법에 의해 석영 도가니를 제조하는데 이용되는 수냉식 몰드.