KR20120016473A - 실리콘 파우더의 제조방법 및 그 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입도 분포가 균일하고 불순물의 성분이 최대한 억제된 실리콘 파우더 제조방법 및 그 제조장치를 제공하기 위한 것으로, 제1입도 범위를 갖는 금속 실리콘 덩어리를 파쇄해 실리콘 알갱이를 형성하되, 상기 실리콘 알갱이의 입도 범위가 상기 제1입도 범위보다 적어도 작은 제2입도 범위를 갖게 되도록 하는 제1단계와, 상기 실리콘 알갱이를 분쇄해 제1실리콘 파우더를 형성하되, 상기 제1실리콘 파우더의 입도 범위가 상기 제2입도 범위보다 적어도 작은 제3입도 범위를 갖게 되도록 하는 제2단계와, 상기 제1실리콘 파우더를 중력의 방향으로 자력이 인가되는 상태에서 선별해, 상기 제3입도 범위가 상기 제1실리콘 파우더보다 높은 제2실리콘 파우더를 형성하는 제3단계를 포함하는 실리콘 파우더의 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것이다.

Description

실리콘 파우더의 제조방법 및 그 제조장치{Manufacturing method of silicon powder and manufacturing device for the same}

본 발명은 실리콘 파우더의 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고품질의 실리콘 파우더를 높은 효율로 생산할 수 있는 실리콘 파우더의 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것이다.

실리콘은 자연 상태에서는 산소와의 반응성이 크기 때문에 대개 실리콘 옥사이드(SiOx)의 형태로 존재한다. 따라서 금속 실리콘을 얻기 위해서는 용광로에 실리콘 옥사이드와 환원제를 넣어 환원 반응을 거쳐야 하며, 탈산 공정을 거쳐야 한다.

순도가 높은 금속 실리콘은 반도체 분야, 태양전지 분야, 알루미늄 합금 분야, 유기실리콘 화합물 분야 등 다양한 산업에 폭 넓게 사용되고 있다.

특히, 반도체 분야, 태양전지 분야 및 유기실리콘 화합물 분야는 순도가 높은 금속 실리콘 파우더를 이용하기 때문에, 높은 수준의 실리콘 파우더 입도 분포를 요구한다.

그러나 금속 실리콘은 세라믹 계열이기 때문에, 파쇄 및 분쇄 과정에서 다량의 미분이 발생하며, 그 입도 분포의 범위가 매우 다양하게 이뤄진다.

또한, 실리콘 파우더 내에는 분쇄 및 선별 과정에서 발생한 철(Fe) 성분을 갖는 물질이 다량으로 혼합되는 데, 이 철 성분이 선별기 내에서 실리콘 파우더와 혼합되어 폐기 처리되어 실리콘 파우더의 생산 효율을 저하시키는 문제가 된다.

더욱이 실리콘 파우더를 제조하는 과정에서, 파우더로 제작하기 전의 실리콘 덩어리의 철 성분 물질의 함유량보다 파우더로 제작한 후의 철 성분 물질의 함유량이 더욱 높아진다. 이는 큰 덩어리의 금속 실리콘을 미세하게 분쇄하는 과정에서 덩어리 내부의 철 성분 물질이 밖으로 나오게 되고, 이 철 성분 물질이 실리콘 파우더와 같이 존재하게 되기 때문이다.

본 발명은 상기와 같은 문제 및/또는 한계를 극복하기 위한 것으로, 입도 분포가 균일한 실리콘 파우더의 제조방법 및 그 제조장치를 제공하는 데에 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 생산된 불순물의 성분이 최대한 억제된 고순도의 실리콘 파우더 제조방법 및 그 제조장치를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 제1입도 범위를 갖는 금속 실리콘 덩어리를 파쇄해 실리콘 알갱이를 형성하되, 상기 실리콘 알갱이의 입도 범위가 상기 제1입도 범위보다 적어도 작은 제2입도 범위를 갖게 되도록 하는 제1단계와, 상기 실리콘 알갱이를 분쇄해 제1실리콘 파우더를 형성하되, 상기 제1실리콘 파우더의 입도 범위가 상기 제2입도 범위보다 적어도 작은 제3입도 범위를 갖게 되도록 하는 제2단계와, 상기 제1실리콘 파우더를 중력의 방향으로 자력이 인가되는 상태에서 선별해, 상기 제3입도 범위가 상기 제1실리콘 파우더보다 높은 제2실리콘 파우더를 형성하는 제3단계를 포함하는 실리콘 파우더의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 제2실리콘 파우더에 혼합된 철 성분 물질의 함량이 상기 제1실리콘 파우더에 혼합된 철 성분 물질의 함량보다 낮을 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1입도 범위는 직경이 10 내지 200mm일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2입도 범위는 직경이 0.1 내지 30mm일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제3입도 범위는 직경이 45 내지 425㎛일 수 있다.

본 발명은 또한 전술한 목적을 달성하기 위하여, 금속 실리콘 덩어리를 파쇄해 실리콘 알갱이를 형성하는 파쇄기와, 상기 실리콘 알갱이를 분쇄해 제1실리콘 파우더를 형성하는 분쇄기와, 상기 제1실리콘 파우더를 선별해 제2실리콘 파우더를 형성하는 것으로, 저면이 자력을 갖고 상부에 투입구가 구비된 본체와, 상기 본체의 내부 공간을 구획하는 적어도 하나의 스크린과, 상기 구획된 공간과 연통된 배출구를 포함하는 선별기를 포함하는 실리콘 파우더의 제조장치를 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 스크린은, 상기 투입구로부터 저면까지 순차로 서로 이격되게 설치된 제1스크린 및 제2스크린을 포함하고, 상기 본체의 내부 공간은, 상기 제1스크린 및 제2스크린에 의해 상기 투입구로부터 저면까지 순차로 상기 제1공간 내지 제3공간으로 구획될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1스크린은 망의 입도가 대략 425㎛일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2스크린은 망의 입도가 대략 45㎛일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 본체와 연결된 진동부를 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면 입도 분포가 균일한 실리콘 파우더를 제공할 수 있고, 실리콘 파우더에 혼합된 불순물, 특히 철 성분 물질의 혼합량도 작게 되도록 할 수 있다.

또한, 입도 범위를 벗어난 실리콘 미분에도 철 성분 물질의 혼합량이 작게 되도록 함으로써, 실리콘 미분의 폐기량을 줄이고 실리콘 미분을 재활용할 수 있어, 전체 생산 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 실리콘 파우더를 제조하기 위한 장치의 개략적인 구성도,
도 2는 도 1에서 선별기의 바람직한 일 실시예를 나타내는 단면도.

이하, 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나. 본 발명은 이 밖에도 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 실리콘 파우더를 제조하기 위한 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1에서 선별기의 바람직한 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

먼저, 금속 실리콘 덩어리를 파쇄기(10)에 투입한다. 이 때, 금속 실리콘 덩어리는 실리콘(Si) 함유량이 99w% 이상, 철(Fe) 성분 물질의 혼합량이 4000ppm 이하인 고순도의 것이 바람직하다.

상기 실리콘 덩어리는 지름이 제1입도 범위의 입도분포를 갖는 데, 10~200mm의 입도 분포를 갖는 것이 바람직하다. 200mm를 초과하는 덩어리의 경우에는 파쇄기(10)에서의 파쇄 효율이 떨어질 수 있기 때문에 다시 부셔 입도 10~200mm 이내가 되도록 한다. 입도 10mm 미만의 것은 외기와 접촉하는 표면적이 크기 때문에 오염으로 인한 순도 저하가 문제될 수 있다.

이러한 금속 실리콘 덩어리는 파쇄기(10)에서 파쇄되어, 상기 제1범위보다 대체로 작고, 적어도 일부 중첩되는 제2입도 범위의 입도 분포를 갖는 금속 실리콘 알갱이로 된다. 상기 제2입도 범위는 0.1~30mm의 입도 분포를 갖는 것이 바람직하다.

파쇄 과정에서는 실리콘 미분의 발생을 최대한 억제하는 것이 좋다. 이는 파쇄 단계에서의 실리콘 미분은 손실분으로 처리될 수 있어 파우더 생산 효율을 저하시킬 수 있기 때문이다. 따라서 입도가 적어도 0.1mm 이상이 되도록 파쇄한다.

또, 파쇄 과정에서는 실리콘의 입도가 30mm를 초과하지 않도록 한다. 30mm 이상의 큰 입도를 가지는 실리콘은 후속하는 분쇄 과정에서 그 무게 때문에 공기 가속력이 떨어지고 이에 따라 분쇄 효율이 떨어질 수 있다. 또, 이는 연속적인 분쇄 과정에서 분쇄 흐름을 막을 수 있으며, 장비에 무리가 가게 할 수 있다. 그리고 분쇄 효율이 떨어지므로 전체 일일 생산량이 감소하는 결과를 가져온다.

이 실리콘 알갱이는 분쇄기(20)에 투입된다. 분쇄기(20)에서 실리콘 알갱이는 수십 ㎚~수백 ㎛ 크기를 갖는 제1실리콘 파우더가 된다. 이 제1실리콘 파우더는 제3입도 범위의 입도 분포를 갖게 되도록 형성하는 데, 바람직하게는 입도 분포가 45~425㎛가 되도록 한다.

상기 분쇄기(20)는 투입된 실리콘 알갱이를 공기로 가속시키고, 이를 실리콘보다 경도가 큰 칼날과 칼날 사이로 통과시켜 분쇄하는 방식이다.

통상 실리콘 파우더는 45㎛ 이상의 것을 얻어야 양품으로 판정받을 수 있으므로, 상기 분쇄기(20)에서는 상기 제1실리콘 파우더가 적어도 45㎛ 이상의 입도를 갖도록 분쇄하는 것이 바람직하다.

그러나 분쇄기에서 분쇄된 상기 제1실리콘 파우더 내에서 제3입도 범위에 속하는 실리콘 파우더의 양이 그리 높지는 않고, 제3입도 범위를 벗어난 금속 실리콘이 다수 존재한다. 예컨대 상기 제1실리콘 파우더 내에서 45㎛이하의 미분은 대략 15% 내외로 발생한다.

따라서 분쇄기(20)로부터 토출된 실리콘 파우더를 선별기(30)에 투입하여 제3입도 분포, 바람직하게는 입도 분포가 45~425㎛를 갖는 실리콘 파우더의 양이 제1실리콘 파우더보다 월등히 높은 제2실리콘 파우더를 얻고, 그 결과물을 패킹부(40)에서 포장한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면 도 2에서 볼 수 있는 바와 같은 선별기(30)를 통해 상기 제2실리콘 파우더를 얻을 수 있다.

도 2에 따른 선별기(30)는 본체(31)와, 이 본체(31) 하부의 진동부(34)를 포함한다.

상기 본체(31)는 내부가 빈 공간으로 구비된 통상으로 형성되며, 바람직하게는 상부에 투입구(310)가 배치되고, 저면(314) 하부에는 진동부(34)가 설치된다. 본체(31)의 적어도 측면에는 복수의 배출구가 구비되는 데, 바람직하게, 제1배출구(311), 제2배출구(312) 및 제3배출구(313)가 구비된다. 상기 저면(314)은 그 자체가 자력을 갖는 재질로 형성되거나, 외부 장치에 의해 저면(314)이 자력을 갖도록 콘트롤될 수 있다.

상기 본체(31)는 내부가 제1공간(331), 제2공간(332) 및 제3공간(333)으로 구획되는 데, 하나의 일체형 케이스에 의해 본체(31) 내부가 제1공간(331), 제2공간(332) 및 제3공간(333)으로 구획될 수도 있고, 세 개의 분리된 케이스가 결합되어 제1공간(331), 제2공간(332) 및 제3공간(333)을 갖는 본체(31)를 형성할 수도 있다. 상기 제1배출구(311)는 제1공간(331)에 연통되고, 제2배출구(312)는 제2공간(332)에 연통되며, 제3배출구(313)는 제3공간(333)에 연통된다.

상기 제1공간(331)과 제2공간(332)은 상기 본체(31) 내에 설치된 제1스크린(321)에 의해 구획된다. 상기 제2공간(332)과 제3공간(333)은 상기 본체(31) 내에 설치된 제2스크린(322)에 의해 구획된다. 상기 제1스크린(321) 및 제2스크린(322)은 각각 3차원 진동을 하는 트위스트 스크린을 사용할 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 극초음파 스크린, 진동스크린, 오실레이팅 스크린 등이 사용될 수 있다. 또, 각 스크린의 형상도 원형, 사각형, 육각형 및 팔각형 등 다양하게 적용 가능하다.

상기 제1스크린(321)은 망의 입도가 대략 425㎛로 형성되며, 투입구로부터 투입된 제1실리콘 파우더 중 입도가 425㎛보다 작은 것을 제2공간(332)으로 통과시키고, 425㎛보다 큰 입도의 실리콘 알갱이(351)는 제1배출구(311)를 통해 배출되어 전술한 분쇄기(20)로 다시 이송되어 분쇄 단계를 다시 거치게 된다.

상기 제2스크린(322)은 망의 입도가 대략 45㎛로 형성되며, 입도가 45㎛보다 작은 미분은 제3공간(333)으로 통과시키고, 45㎛보다 큰 입도의 제2실리콘 파우더(352)는 제2배출구(312)를 통해 배출되어 패킹부(40)에서 포장된다. 이렇게 제조된 제2실리콘 파우더(352)는 98% 이상이 상기 제3입도 범위, 즉, 바람직하게 45~425㎛의 입도 분포를 가질 수 있다.

제3공간(333)에서는 실리콘 미분과 철(Fe) 성분 물질의 미분(이하, 철 미분(36)이라 함)이 혼합된 상태가 되는 데, 철 미분(36)이 자력을 갖는 저면(314)에 부착되고, 실리콘 미분(353)은 제3배출구(313)를 통해 배출되게 된다.

본 발명에서 상기 본체(31)의 저면(314)이 자력을 띰으로써, 제1스크린(321) 및 제2스크린(322)을 통한 선별 과정에서 철 미분(36)은 본체(31)의 저면(314)을 향하게 되고, 제1배출구(311) 내지 제3배출구(313)를 통해 배출되는 각 실리콘은 철 성분 물질의 혼합량이 적은 고순도의 것이 된다.

처음 파쇄기(10)에 투입된 금속 실리콘 덩어리들에 혼합된 철 성분 물질의 함량은 4000ppm이었는 데, 도 2에서 제2배출구(312)를 통해 배출되는 제2실리콘 파우더(352)의 철 성분 물질의 혼합량은 3950ppm이었다. 그리고 제3배출구(313)를 통해 배출되는 실리콘 미분(353)의 철 성분 물질의 혼합량은 4620ppm 이었다.

저면이 자력을 갖지 않은 경우 제3배출구(313)를 통해 배출되는 실리콘 미분의 철 성분 물질의 혼합량이 약 6500ppm인 것에 비하면, 상기와 같은 실리콘 파우더(352) 및 실리콘 미분(353)의 철 함유량은 매우 적은 상태인 것을 알 수 있다.

그리고 본 발명의 경우 최종 제품이 되는 제2배출구(312)를 통해 배출되는 제2실리콘 파우더(352)의 철 성분 물질의 혼합량은 전술한 바와 같이 자력에 의한 선광 과정을 거치기 때문에 투입구(310)에 투입되는 제1실리콘 파우더의 철 성분 물질의 혼합량보다 낮게 되어, 고순도의 제품을 얻을 수 있게 된다.

본 발명에 따라 얻어진 실리콘 미분(353)은 철 함유량이 현저히 적기 때문에 이를 손실미분으로 폐기처리하지 않고 재활용부(50)로 공급되어 재활용할 수 있어, 실리콘 미분의 폐기량을 현저히 줄일 수 있다.

본 발명에서 도면으로 도시하지는 않았지만, 상기 분쇄기(20) 및 선별기(30)를 통과하는 동안 발생되는 1~1,000nm의 초미분은 싸이클론이나 백필터(Bag filter)를 통해 제거될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

Claims (10)

1. 제1입도 범위를 갖는 금속 실리콘 덩어리를 파쇄해 실리콘 알갱이를 형성하되, 상기 실리콘 알갱이의 입도 범위가 상기 제1입도 범위보다 적어도 작은 제2입도 범위를 갖게 되도록 하는 제1단계;
   상기 실리콘 알갱이를 분쇄해 제1실리콘 파우더를 형성하되, 상기 제1실리콘 파우더의 입도 범위가 상기 제2입도 범위보다 적어도 작은 제3입도 범위를 갖게 되도록 하는 제2단계; 및
   상기 제1실리콘 파우더를 중력의 방향으로 자력이 인가되는 상태에서 선별해, 상기 제3입도 범위가 상기 제1실리콘 파우더보다 높은 제2실리콘 파우더를 형성하는 제3단계;를 포함하는 실리콘 파우더의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2실리콘 파우더에 혼합된 철 성분 물질의 함량이 상기 제1실리콘 파우더에 혼합된 철 성분 물질의 함량보다 낮은 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1입도 범위는 직경이 10 내지 200mm인 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2입도 범위는 직경이 0.1 내지 30mm인 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제3입도 범위는 직경이 45 내지 425㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더의 제조방법.
6. 금속 실리콘 덩어리를 파쇄해 실리콘 알갱이를 형성하는 파쇄기;
   상기 실리콘 알갱이를 분쇄해 제1실리콘 파우더를 형성하는 분쇄기; 및
   상기 제1실리콘 파우더를 선별해 제2실리콘 파우더를 형성하는 것으로, 저면이 자력을 갖고 상부에 투입구가 구비된 본체와, 상기 본체의 내부 공간을 구획하는 적어도 하나의 스크린과, 상기 구획된 공간과 연통된 배출구를 포함하는 선별기;를 포함하는 실리콘 파우더의 제조장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 스크린은, 상기 투입구로부터 저면까지 순차로 서로 이격되게 설치된 제1스크린 및 제2스크린을 포함하고,
   상기 본체의 내부 공간은, 상기 제1스크린 및 제2스크린에 의해 상기 투입구로부터 저면까지 순차로 상기 제1공간 내지 제3공간으로 구획된 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더의 제조장치.
8. 제6항에 있어서,
   상기 제1스크린은 망의 입도가 대략 425㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더의 제조장치.
9. 제6항에 있어서,
   상기 제2스크린은 망의 입도가 대략 45㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더의 제조장치.
10. 제6항에 있어서,
    상기 본체와 연결된 진동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더의 제조장치.

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