KR20120136876A - 불활성 가스 블로윙을 이용한 표면 품질이 우수한 실리콘 기판 제조 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
연속주조법을 이용하여 실리콘 기판 제조의 생산성을 향상시키면서, 제조되는 기판의 표면 품질 향상에 기여할 수 있는 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치는 실리콘 원료가 공급되는 실리콘 원료 투입부; 상기 실리콘 원료 투입부의 하부에 장착되며, 상기 공급된 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용탕을 형성하는 실리콘 용융부; 상기 실리콘 용융부로부터 실리콘 용탕을 공급받아 저장한 후, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 토출하는 실리콘 용탕 저장부; 상기 실리콘 용탕 저장부로부터 토출되는 실리콘 용융물을 이송하는 이송부; 및 상기 이송부에 의하여 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하는 냉각부;를 포함하고, 상기 냉각부는 불활성 가스 블로윙 방식으로 상기 실리콘 용융물을 냉각하되, 블로윙되는 불활성 가스 취입량이 0.1 ~ 3Nm3/h인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치는 실리콘 원료가 공급되는 실리콘 원료 투입부; 상기 실리콘 원료 투입부의 하부에 장착되며, 상기 공급된 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용탕을 형성하는 실리콘 용융부; 상기 실리콘 용융부로부터 실리콘 용탕을 공급받아 저장한 후, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 토출하는 실리콘 용탕 저장부; 상기 실리콘 용탕 저장부로부터 토출되는 실리콘 용융물을 이송하는 이송부; 및 상기 이송부에 의하여 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하는 냉각부;를 포함하고, 상기 냉각부는 불활성 가스 블로윙 방식으로 상기 실리콘 용융물을 냉각하되, 블로윙되는 불활성 가스 취입량이 0.1 ~ 3Nm3/h인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 실리콘 기판 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연속 주조법(continuous casting)을 이용하여 높은 생산성 및 품질 향상에 기여할 수 있는 불활성 가스 블로윙(inert gas blowing)을 이용한 실리콘 기판 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
실리콘 태양전지의 핵심부품인 실리콘 기판은 태양전지 모듈 단가의 약 28%를 차지하고 있다.
태양전지용 실리콘 기판은 일반적으로 실리콘 용융 후, 용융된 실리콘을 응고시켜 단결정 실리콘 잉곳(ingot) 또는 다결정 실리콘 블록을 제조한 후, 수 차례에 걸친 절단 공정을 통하여 제조된다.
실리콘 기판 제조 방법들의 경우, 절단 공정에 의하여 실리콘 원료 손실이 40 ~ 50% 발생하여 제조단가 상승의 주원인으로 작용하고 있다.
이와 같은 절단 손실을 근본적으로 제거하기 위해, 실리콘 용탕으로부터 실리콘 기판을 직접 제조하는 기술이 개발되고 있다.
실리콘 기판의 직접 제조 기술은 수직 성장법과 수평 성장법으로 구분될 수 있다. 수직 성장법은 이미 양산화가 진행 중에 있으나, 성장 속도가 느리다는 단점이 있다. 반면, 수평 성장법은 높은 성장 속도에도 불구하고 양산화가 진행되지 못하고 있다.
실리콘 직접 제조를 위한 종래의 수평 성장법의 경우, 대표적으로 RGS(Ribbon growth on substrate)법이 있다. 그러나, RGS법은 실리콘 용탕 저장 용기 내부에서 고화를 제어하며, 블레이드를 이용하여 형상 제어를 하기 때문에 다음과 같은 문제점이 있다.
우선, RGS법의 경우 실리콘 용탕 저장 용기 내부에서 고화를 제어하는데, 용기 내부에서 고화를 일으키기 위해서는 밀리세컨(msec) 이하로 고화 시간을 제어해야 한다. 만약, 약간만 고화 시간이 지나치면 블레이드에 고화된 기판이 끼게 되어 장치 자체가 파손될 수 있다.
또한, 균일한 고화를 위해서는 실리콘 용탕의 온도를 전체 기판 면적에 대해 균일하게 조절해야 한다. 그러나, 유동성이 강한 실리콘 용탕의 온도를 균일하게 제어하는 것은 매우 어렵다.
또한, RGS법의 경우, 기판의 형상 제어를 위해 블레이드를 사용한다. 이 경우 블레이드가 파손될 확률이 높으며, 블레이드와 실리콘 기판의 기계적인 접촉은 기판의 오염을 가져올 여지가 높은 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 연속주조법(continuous casting)을 이용하여 실리콘 용탕으로부터 직접 실리콘 기판을 제조하되, 제조되는 실리콘 기판의 표면 품질을 향상시킬 수 있는 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 불활성 가스 블로윙을 이용하여 표면 품질을 향상시킬 수 있는 실리콘 기판 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 표면 품질이 우수한 실리콘 기판 제조 장치는 실리콘 원료가 공급되는 실리콘 원료 투입부; 상기 실리콘 원료 투입부의 하부에 장착되며, 상기 공급된 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용탕을 형성하는 실리콘 용융부; 상기 실리콘 용융부로부터 실리콘 용탕을 공급받아 저장한 후, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 토출하는 실리콘 용탕 저장부; 상기 실리콘 용탕 저장부로부터 토출되는 실리콘 용융물을 이송하는 이송부; 및 상기 이송부에 의하여 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하는 냉각부;를 포함하고, 상기 냉각부는 불활성 가스 블로윙 방식으로 상기 실리콘 용융물을 냉각하되, 블로윙되는 불활성 가스 취입량이 0.1 ~ 3Nm3/h인 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 표면 품질이 우수한 실리콘 기판 제조 방법은 (a) 실리콘 용융부의 내부로 실리콘 원료를 장입하는 단계; (b) 상기 실리콘 용융부의 내부에 장입된 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용탕을 형성하는 단계; (c) 상기 실리콘 용융부의 게이트를 개방하여 상기 실리콘 용탕을 출탕하는 단계; (d) 상기 출탕되는 실리콘 용탕을 실리콘 용탕 저장부에 저장하는 단계; (e) 상기 이송부를 구동하여 상기 실리콘 용탕을 토출하는 단계; 및 (f) 상기 이송부에 의하여 이송되는 실리콘 용융물에 불활성 가스를 분사하여 냉각하는 단계;를 포함하며, 상기 (f) 단계시, 상기 불활성 가스 취입량은 0.1 ~ 3Nm3/h인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 표면 품질이 우수한 실리콘 기판 제조 장치 및 그 제조 방법은 생산성 및 물성제어가 용이한 연속주조법을 이용하면서, 불활성 가스 블로윙을 적용함으로써 제조되는 실리콘 기판의 품질을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 표면 품질이 우수한 실리콘 기판 제조 장치를 이용하여 제조된 실리콘 기판은 우수한 표면 품질을 가질 수 있는 바, 태양전지용 기판에 적합하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치로부터 제조된 실리콘 기판의 표면 미세구조를 나타낸 사진이다.
도 4는 도 3에 도시된 실리콘 기판의 단면 미세구조를 나타낸 사진이다.
도 5는 불활성 가스 미적용시 제조되는 실리콘 기판의 표면을 나타낸 사진이다.
도 6은 불활성 가스 적용시 제조되는 실리콘 기판의 표면을 나타낸 사진이다.
도 7은 도 6에 도시된 실리콘 기판의 표면을 폴리싱한 후의 표면을 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치로부터 제조된 실리콘 기판의 표면 미세구조를 나타낸 사진이다.
도 4는 도 3에 도시된 실리콘 기판의 단면 미세구조를 나타낸 사진이다.
도 5는 불활성 가스 미적용시 제조되는 실리콘 기판의 표면을 나타낸 사진이다.
도 6은 불활성 가스 적용시 제조되는 실리콘 기판의 표면을 나타낸 사진이다.
도 7은 도 6에 도시된 실리콘 기판의 표면을 폴리싱한 후의 표면을 나타낸 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 표면 품질이 우수한 실리콘 기판 제조 장치 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 도시된 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치(100)는 실리콘 원료 투입부(110), 실리콘 용융부(120), 실리콘 용탕 저장부(130), 이송부(140) 및 냉각부(150)를 포함한다.
실리콘 원료 투입부(110)는 외부로부터의 실리콘 원료를 공급받아 실리콘 용융부(120)의 내부로 정해진 양의 실리콘 원료를 공급한다.
실리콘 용융부(120)는 공급된 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용탕을 형성한다. 이러한 실리콘 용융부(120)는 유도가열 방식, 저항가열 방식 등 다양한 방식으로 실리콘 원료를 용융시킬 수 있으며, 이하에서는 유도가열 방식을 일 예로 설명하도록 한다.
실리콘의 경우, 금속과 달리 대략 700℃ 이하의 온도에서는 전기전도도가 낮아 전자기 유도에 의한 직접 가열이 어렵다. 따라서, 실리콘 원료는 도가니 열에 의한 간접 용융 방식으로 용융될 수 있다.
간접 용융 방식에 의한 실리콘 용융의 경우 도가니는 흑연 도가니가 이용될 수 있는데, 흑연의 경우 비금속 재질임에도 전기전도도 및 열전도도가 매우 높아 전자기 유도에 의한 도가니 가열이 쉽게 이루어질 수 있다. 다만, 실리콘이 흑연 도가니 열에 의하여 간접 용융될 경우, 실리콘 혹은 도가니 내측면의 오염 문제가 있다.
따라서, 700℃ 이하의 온도에서는 도가니 열에 의하여 실리콘을 간접 가열하고, 그 이상의 온도에서는 유도 용융을 통하여 실리콘 원료를 비접촉 용융시킴으로써 실리콘의 오염 문제를 최소화하는 것이 바람직하다.
유도 용융 방식으로 실리콘 원료를 용융시킬 경우, 실리콘 용융부(120)는 도가니(121), 유도 코일(122), 출탕구(123) 및 게이트(124)를 포함하는 유도 용융 장치가 될 수 있다.
도가니(121)는 실리콘 원료를 저장하며, 하부에 출탕구(123)가 형성되어 있다. 도가니(121)는 흑연 도가니 혹은 수냉동 도가니가 이용될 수 있으며, 이들이 복합적으로 적용된 형태의 도가니가 이용될 수도 있다.
유도 코일(122)은 도가니(121)의 외측벽을 둘러싸도록 장착된다. 유도 코일(122)은 교류 전원과 연결된다.
게이트(124)는 도가니(121) 하부에 형성된 출탕구(123)를 개폐한다. 게이트(124)는 바(bar) 타입이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 밸브 타입이 이용될 수도 있다.
실리콘 용탕 저장부(130)는 실리콘 용탕을 공급받아 저장한 후, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 토출한다. 실리콘 용탕 저장부(130)는 하부면이 개방되어 있을 수 있으며, 이 경우 실리콘 용탕 저장부(130) 하부에 배치되는 이송부(140)가 실리콘 용탕 저장부(130)의 하부면을 정의하게 된다.
또한, 실리콘 용탕 저장부(130)는 하부 일측에 실리콘 용탕이 토출되는 토출구(132)가 형성되어 있다. 토출구(132)의 두께는 실리콘 기판의 두께를 결정하는 하나의 요소가 될 수 있으며, 대략 0.1 ~ 2mm 정도가 될 수 있다.
이송부(140)는 실리콘 용탕 저장부(130)의 하부에 배치되며, 실리콘 용탕 저장부(130)로부터 토출되는 실리콘 용융물을 연속적으로 이송한다. 이송부(140)는 이송 기판의 형태가 될 수 있으며, 컨베이어 벨트 방식의 이송 장치가 이용될 수도 있다.
이송부(140)가 이송 기판의 형태가 될 경우, 이송부(140)는 하나의 기판으로 이루어질 수 있으며, 이송을 담당하는 이송 기판과 실리콘 용탕이 접촉하고 실리콘 기판을 형성하는 하부 기판으로 분리되어 있을 수 있다.
이러한 이송부(140)는 실리콘 용탕과의 온도차이를 최소화하기 위하여 예비 가열부(142)에 의하여 미리 가열되어 있는 것이 바람직하다.
이송부(140)는 C, SiC, Si3N4, 그라파이트(Graphite), Al2O3, Mo 등과 같이 실리콘과 열팽창계수가 다른 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 이송부(140)의 열팽창계수가 실리콘과 다를 경우, 실리콘 용융물의 냉각 후 제조되는 실리콘 기판이 이송부(140)로부터 쉽게 분리될 수 있으며, 이송부(140)의 재사용이 가능하다.
냉각부(150)는 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하여 실리콘 기판을 형성한다.
본 발명에서 냉각부(150)는 아르곤 가스, 헬륨 가스, 질소 가스 등과 같은 불활성 가스 블로윙(blowing) 방식으로 실리콘 용융물을 냉각할 수 있다. 이 경우, 불활성 가스로는 아르곤 가스, 헬륨 가스 및 질소 가스 중 선택되는 단독 가스 또는 이들의 혼합 가스가 이용될 수 있다.
불활성 가스 블로윙의 경우 실리콘 용융물을 급속 냉각하여 잔류하는 용융물을 제거하는 데 기여할 수 있으며, 또한 표면 평탄화를 통하여 제조되는 실리콘 기판의 표면 형상 제어가 용이하다.
이때, 불활성 가스 취입량은 0.1 ~ 3 Nm3/h으로 실시될 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.6 ~ 2.5 Nm3/h를 제시할 수 있다. 만일, 불활성 가스의 취입량이 0.1 Nm3/h 미만일 경우에는 효과적인 블로윙이 안되어 제조되는 실리콘 기판의 두께가 매우 두꺼워지는 관계로 연속적인 주조가 불가능해지는 문제가 있다. 반대로, 불활성 가스 취입량이 3 Nm3/h를 초과할 경우에는 제조되는 실리콘 용융물이 날리어 연속적인 실리콘 기판 제조가 불가능해지는 문제가 있다.
한편, 도 1에 도시된 실리콘 기판 제조 장치를 이용할 때, 제조되는 실리콘 기판의 생산성 및 품질은 실리콘 용탕 저장부의 내부에 저장되는 실리콘 용탕의 표면 온도, 이송부의 예열온도, 이송부의 이동속도 등에 의해 큰 영향을 받을 수 있다. 이들 공정 변수들은 각각 단독적으로 영향을 미치기 보다는 복합적인 작용을 통하여 제조되는 실리콘 기판의 생산성 등에 영향을 미친다.
즉, 실리콘 용탕의 표면 온도는 1350 ~ 1500℃이고, 이송부(140)의 예열온도는 750 ~ 1400℃이며, 이송부(140)의 이동속도는 450 ~ 1400cm/min인 것을 제시할 수 있다. 또한, 실리콘 용탕 저장부로부터 출탕 후 기판 이송 시간을 0.5 ~ 3.5초인 것을 제시할 수 있다.
만일, 실리콘 용탕 저장부(130)에 저장되는 실리콘 용탕의 표면 온도가 1350℃ 미만일 경우 토출 전에 실리콘 용탕이 굳어 버릴 우려가 있고, 실리콘 용탕의 표면 온도가 1500℃를 초과할 경우 토출 후 이송과정에서 실리콘 용융물이 흘러내리는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 이송기판(140)의 예열온도가 750℃ 미만일 경우 이송기판(140)과 실리콘 용탕이 접하는 부분에서 실리콘 용탕이 굳어버릴 우려가 있다. 반대로, 이송기판(140)의 예열온도가 1400℃를 초과할 경우 실리콘 용융물이 흘러내리는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 이송기판(140)의 이동속도가 450cm/min 미만일 경우 제조되는 실리콘 기판의 두께가 과다하게 두꺼워질 수 있다. 반대로, 이송기판(140)의 이동속도가 1400cm/min를 초과할 경우 제조되는 실리콘 기판이 너무 얇아지는 문제점이 있다.
또한, 실리콘 용탕 저장부로부터 출탕 후 기판 이송 시간이 0.5초 미만일 경우에는 제조되는 실리콘 기판이 너무 얇아지는 문제가 있다. 반대로, 실리콘 용탕 저장부로부터 출탕 후 기판 이송 시간이 3.5초를 초과할 경우에는 제조되는 실리콘 기판의 두께가 지나치게 두꺼워져 연속적인 주조가 불가능해지는 문제가 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 도시된 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 방법은 이송부 예열 단계(S210), 실리콘 원료 장입 단계(S220), 실리콘 용탕 형성 단계(S230), 게이트 개방 단계(S240), 실리콘 용탕 저장 단계(S250), 실리콘 용탕 토출 단계(S260) 및 실리콘 용융물 냉각 단계(S270)를 포함한다.
이송부 예열 단계(S210)에서는 실리콘 용탕 저장부의 하부 일측에 배치되는 이송부를 예열한다. 이때, 이송부의 예열온도는 750 ~ 1400℃로 실시하는 것이 바람직하다. 만일, 이송부의 예열온도가 750℃ 미만으로 실시될 경우에는 이송부와 실리콘 용탕이 접하는 부분에서 실리콘 용탕이 굳어버릴 우려가 있다. 반대로, 이송부의 예열온도가 1400℃를 초과할 경우 실리콘 용융물이 흘러내리는 문제가 발생할 수 있다.
상기 이송부는 젖음성이 좋고, 고내식성을 가지며, 용융점이 실리콘보다 높은 재질인 것이 바람직하다. 또한, 냉각 후 실리콘 기판을 용이하게 분리하기 위하여, 이송부는 실리콘과 열팽창계수가 다른 재질을 이용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 이송부는 C, SiC, Si3N4, 그라파이트(Graphite), Al2O3 및 Mo 중 하나 이상의 재질로 형성될 수 있다.
이송부 예열 단계(S210)는 게이트 개방 단계(S240) 혹은 실리콘 용탕 저장 단계(S250) 이전에 이송부의 예열이 완료되도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 본 발명에 따른 실리콘 기판 제조 방법에서 최초부터 이송부를 반드시 예열하여야 하는 것은 아니며, 필요에 따라 선택적으로 다양한 방식으로 수행될 수 있다.
실리콘 원료 장입 단계(S220)에서는 실리콘 원료 투입부를 통하여 실리콘 용융부의 내부로 정해진 양의 실리콘 원료를 장입한다.
실리콘 용탕 형성 단계(S230)에서는 실리콘 용융부의 내부에 장입된 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용탕을 형성한다. 실리콘 원료의 용융은 유도 용융 방식이 이용될 수 있으며, 이를 위하여 실리콘 용융부는 실리콘 원료를 저장하며 하부에 출탕구가 형성되어 있는 도가니와, 상기 도가니 외측벽을 둘러싸는 유도 코일과, 상기 출탕구를 개폐하는 게이트를 포함할 수 있다.
게이트 개방 단계(S240)에서는 게이트를 개방하여, 실리콘 용융부에 의하여 용융 형성된 실리콘 용탕을 출탕한다.
실리콘 용탕 저장 단계(S250)에서는 게이트 개방에 의하여 실리콘 용융부에서 출탕되는 실리콘 용탕을 저장한다. 실리콘 용탕 저장부에서 실리콘 용탕의 표면온도는 1350 ~ 1500℃가 되도록 유지하는 것이 바람직하다. 만일, 실리콘 용탕 저장부에서 실리콘 용탕의 표면 온도가 1350℃ 미만일 경우 토출 전에 실리콘 용탕이 굳어 버릴 우려가 있다. 반대로, 실리콘 용탕의 표면 온도가 1500℃를 초과할 경우 토출 후 이송과정에서 실리콘 용융물이 흘러내리는 문제가 발생할 수 있다.
실리콘 용탕 토출 단계(S260)에서는 이송부를 수평방향으로 구동하여 토출구를 통하여 실리콘 용탕을 토출시킨다.
이때, 이송 기판의 이동속도는 450 ~ 1400 cm/min로 실시하고, 실리콘 용탕 저장부로부터 출탕 후 기판 이송 시간은 0.5 ~ 3.5초로 실시하는 것이 바람직하다.
만일, 이송기판의 이동속도가 450cm/min 미만일 경우 제조되는 실리콘 기판의 두께가 과다하게 두꺼워질 수 있다. 반대로, 이송기판(140)의 이동속도가 1400cm/min를 초과할 경우 제조되는 실리콘 기판이 너무 얇아지는 문제점이 있다.
또한, 실리콘 용탕 저장부로부터 출탕 후 기판 이송 시간이 0.5초 미만일 경우에는 제조되는 실리콘 기판이 너무 얇아지는 문제가 있다. 반대로, 실리콘 용탕 저장부로부터 출탕 후 기판 이송 시간이 3.5초를 초과할 경우에는 제조되는 실리콘 기판의 두께가 지나치게 두꺼워져 연속적인 주조가 불가능해지는 문제가 있다.
실리콘 용융물 냉각 단계(S270)에서는 이송부에 의하여 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하여 실리콘 기판을 주조한다.
이때, 실리콘 용융물의 냉각은 불활성 가스 블로윙 방식으로 실시될 수 있으며, 불활성 가스는 대표적으로 아르곤 가스를 제시할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 헬륨 가스, 질소 가스 등이 이용되어도 무방하다.
여기서, 불활성 가스 취입량은 0.1 ~ 3 Nm3/h으로 실시될 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.6 ~ 2.5 Nm3/h를 제시할 수 있다. 만일, 불활성 가스의 취입량이 0.1 Nm3/h 미만일 경우에는 효과적인 블로윙이 안되어 제조되는 실리콘 기판의 두께가 매우 두꺼워지는 관계로 연속적인 주조가 불가능해지는 문제가 있다. 반대로, 불활성 가스 취입량이 3 Nm3/h를 초과할 경우에는 제조되는 실리콘 용융물이 날리어 연속적인 실리콘 기판 제조가 불가능해지는 문제가 있다.
이상으로, 본 발명의 실시예에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 방법이 종료될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 방법으로 제조된 실리콘 기판의 표면 미세구조를 나타낸 사진이고, 도 4는 도 3에 도시된 실리콘 기판의 단면 미세구조를 나타낸 사진이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제조되는 실리콘 기판의 경우, 다결정 구조를 갖는 것을 볼 수 있고, 평균 50 ~ 100㎛의 결정 크기를 가지며, 수직 성장된 주상구조를 가진다. 이와 같은 주상구조는 태양전지로 제조할 경우, 태양광에 의해 여기된 소수 캐리어의 수명이 증가하여, 전지효율이 향상될 수 있는 장점을 가지고 있다.
한편, 도 5는 불활성 가스 블로윙 미적용시 제조되는 실리콘 기판의 표면을 나타낸 사진이다. 도 6은 불활성 가스 블로윙 적용시 제조되는 실리콘 기판의 표면을 나타낸 사진이다.
도 5를 참조하면, 불활성 가스 블로윙 미적용시, 제조되는 실리콘 기판의 표면은 울퉁불퉁한 표면을 갖는다.
실리콘의 액상 밀도는 대략 2.57g/cm3 이며, 실리콘의 고상 밀도는 대략 2.33 g/cm3 이다. 실리콘의 고상 밀도가 더 낮은 결과, 실리콘이 액상에서 고상으로 냉각할 경우 부피가 팽창하게 되며, 고른 팽창이 아닐 경우 도 5에 나타낸 예와 같이 표면이 울퉁불퉁하게 된다. 따라서, 제조되는 실리콘 기판의 표면 품질이 좋지 못하다.
반면, 도 6에 도시된 바와 같이, 불활성 가스 블로윙, 구체적으로 아르곤 가스 블로윙을 실시한 경우 도 5에 비하여 훨씬 우수한 표면 품질을 갖는 것을 알 수 있다.
또한, 도 7은 도 6에 도시된 실리콘 기판의 표면을 폴리싱(polishing)한 후의 표면을 나타낸 사진이다.
태양전지용 실리콘 기판은 통상 100 ~ 400㎛의 두께를 갖는 것을 이용한다. 따라서, 상기 도 7에 도시된 방법으로 제조되는 실리콘 박판의 두께도 100 ~ 400㎛로 조절될 경우, 태양전지용 기판으로 쉽게 적용할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
표 1은 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에 기재된 조건에 따라 제조되는 실리콘 박판의 두께 및 형상을 각각 측정하여 나타낸 것이다.
[표 1]
표 1을 참조하면, 실시예 1 ~ 4는 불활성 가스인 아르곤 가스의 취입량에 따라 제조되는 박판의 두께 및 형상을 알아보기 위한 것으로, 아르곤 가스의 취입량이 증가할수록 기판의 두께가 감소하는 것을 확인하였다.
다만, 실시예 1과 같이, 아르곤 가스의 취입량이 0.5 Nm3/h인 경우는 효과적인 블로윙이 안되어 실리콘 기판의 두께가 매우 두꺼웠으며, 0.65 Nm3/h 이상의 취입량부터 제대로 된 블로윙 효과가 있음을 알 수 있었다.
이 경우, 적절하지 않은 불활성 가스 취입량으로 인해 기판 제조가 불가능하더라도 이송부의 예열온도, 이송부의 이동속도 및 출탕 후 기판 이송 시간 등의 다른 변수를 조절함으로써 연속적인 실리콘 기판 제조가 가능해질 수는 있다.
반면, 비교예 1과 같이 아르곤 가스 취입량이 3.0 Nm3/h로 지나치게 높을 경우에는 제조되는 기판이 날리어 연속적인 실리콘 기판 제조가 불가능하다는 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
110 : 실리콘 원료 투입부 120 : 실리콘 용융부
121 : 도가니 122 : 유도 코일
123 : 출탕구 124 : 게이트
130 : 실리콘 용탕 저장부 132 : 토출구
140 : 이송 기판 142 : 예비 가열부
150 : 냉각부
121 : 도가니 122 : 유도 코일
123 : 출탕구 124 : 게이트
130 : 실리콘 용탕 저장부 132 : 토출구
140 : 이송 기판 142 : 예비 가열부
150 : 냉각부
Claims (13)
- 실리콘 원료가 공급되는 실리콘 원료 투입부;
상기 실리콘 원료 투입부의 하부에 장착되며, 상기 공급된 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용탕을 형성하는 실리콘 용융부;
상기 실리콘 용융부로부터 실리콘 용탕을 공급받아 저장한 후, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 토출하는 실리콘 용탕 저장부;
상기 실리콘 용탕 저장부로부터 토출되는 실리콘 용융물을 이송하는 이송부; 및
상기 이송부에 의하여 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하는 냉각부;를 포함하고,
상기 냉각부는 불활성 가스 블로윙 방식으로 상기 실리콘 용융물을 냉각하되, 블로윙되는 불활성 가스 취입량이 0.1 ~ 3Nm3/h인 것을 특징으로 하는 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 불활성 가스는
아르곤 가스, 헬륨 가스 및 질소 가스 중 어느 하나 또는 하나 이상의 혼합 가스가 이용되는 것을 특징으로 하는 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 실리콘 용융부는
상기 실리콘 원료를 저장하며, 하부에 출탕구가 형성되어 있는 도가니와,
상기 도가니 외측벽을 둘러싸는 유도 코일과,
상기 출탕구를 개폐하는 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 실리콘 용탕 저장부에 저장되는 실리콘 용탕의 표면 온도는 1350 ~ 1500℃인 것을 특징으로 하는 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 이송부의 예열온도는
750 ~ 1400℃이고, 상기 이송부의 이동속도는 450 ~ 1400cm/min인 것을 특징으로 하는 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 실리콘 용탕 저장부로부터 출탕 후 기판 이송 시간은
0.5 ~ 3.5초로 실시되는 것을 특징으로 하는 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 실리콘 용탕 저장부는
하부 일측에 실리콘 용탕이 토출되는 토출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
- 제1항에 기재된 장치를 이용하여 실리콘 기판을 제조하는 방법에 있어서,
(a) 실리콘 용융부의 내부로 실리콘 원료를 장입하는 단계;
(b) 상기 실리콘 용융부의 내부에 장입된 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용탕을 형성하는 단계;
(c) 상기 실리콘 용융부의 게이트를 개방하여 상기 실리콘 용탕을 출탕하는 단계;
(d) 상기 출탕되는 실리콘 용탕을 실리콘 용탕 저장부에 저장하는 단계;
(e) 상기 이송부를 구동하여 상기 실리콘 용탕을 토출하는 단계; 및
(f) 상기 이송부에 의하여 이송되는 실리콘 용융물에 불활성 가스를 분사하여 냉각하는 단계;를 포함하며,
상기 (f) 단계시, 상기 불활성 가스 취입량은 0.1 ~ 3Nm3/h인 것을 특징으로 하는 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 (a) 단계 이전에,
상기 이송부를 750 ~ 1400℃로 예열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
상기 실리콘 용탕 저장부 내에 저장되는 실리콘 용탕의 표면온도는
1350 ~ 1500℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 (f) 단계에서,
상기 불활성 가스는
아르곤 가스, 헬륨 가스 및 질소 가스 중 어느 하나 또는 하나 이상의 혼합 가스가 이용되는 것을 특징으로 하는 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 (e) 단계에서,
상기 이송부의 이동속도는 450 ~ 1400cm/min이고, 출탕 후 기판 이송 시간은 0.5 ~ 3.5초인 것을 특징으로 하는 불활성 가스 블로윙을 이용한 실리콘 기판 제조 방법.
- 제8항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 기재된 방법으로 제조되며,
100 ~ 400㎛ 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지용 실리콘 기판.
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2011
- 2011-06-10 KR KR1020110056067A patent/KR101248073B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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