KR20130006166A - 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치 및 방법 - Google Patents
태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치 및 방법은, 측면 히터가 측면 상부히터와 측면 하부히터로 분할된 상태에서, 도가니는 고정시키고 응고면의 변화에 따라 히터를 포함된 챔버를 이송시키면서 일방향성 응고 공정을 수행할 수 있도록 구성됨으로써, 보다 효율적인 열전달 및 정련이 가능해져 고품질의 결정성 다결정 실리콘 잉곳을 제작할 수 있는 효과를 갖는다.
Description
본 발명은 태양전지 등에 사용되는 다결정 실리콘 제작 장치 및 방법에 관한 것이다.
태양전지 시장은 2003년 이후 최소 35% 이상의 연간 성장률을 나타내며 급성장하여 2007년 시장규모는 2,392MW에 도달하였으며, 결정질 실리콘 태양전지는 89.6%의 시장 점유율을 나타내고 있는 실정이다.(Photon International, 2008)
2008년 대한민국 신재생 에너지원별 발전단가를 추산하면 바이오매스(69원), 조력(77원), 연료전지(168원), 풍력(170원), 태양광(570원) 순으로 다른 신재생 에너지원과 비교하여 그리드 패리티에 도달하기 어려운 위치에 있어, 그리드 패리티를 낮추려면 획기적인 방법이 필요하다.
태양 전지를 보다 경쟁력 있는 에너지원으로 발전시키기 위해서는 태양 전지의 고효율화 및 저가화가 달성되어야 하며, 그 중에서도 전체 태양전지 가격의 70% 정도를 차지하는 고순도 실리콘 기판을 보다 저렴하게 제조할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
태양전지용 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 대한민국 등록특허 10-0852686호에 개시된 바와 같이, 챔버 내부에 실리콘 장입을 위한 소정 형상의 도가니와 도가니 내의 실리콘 원소재를 용융시키기 위해 열을 가하는 히터 및 일방향성 응고를 유도하기 위한 열 교환기 등으로 구성된다.
그러나, 종래 기술의 태양전지용 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치는, 측면 히터가 일체형으로 구성된 상태에서 응고 공정을 수행하기 때문에 응고면의 변화에 따른 영역별 온도 조절이 불가능하고, 이에 따라 응고부 쪽의 불순물을 상측으로 보다 원활하게 이동시키지 못하여, 결과적으로 경제적이면서 고품질의 다결정 실리콘 잉곳을 제작하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 경제적이면서도 고품질의 다결정 실리콘 잉곳을 보다 효율적으로 제조할 수 있는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치는, 중공 구조를 갖고 외부와의 단열을 위해 단열재가 구비된 챔버와; 상기 챔버 내에서 실리콘 재료가 담겨진 도가니가 위치되는 받침대와; 상기 챔버 내에서 도가니 상부에 위치되어 도가니 쪽에 열을 제공하는 상부 히터와; 상기 챔버 내에서 도가니 둘레에 위치되어 도가니 쪽에 열을 제공하되, 상하로 분할된 구조를 갖는 측면 상부히터 및 측면 하부히터와; 상기 받침대 쪽에 구비되어 상기 도가니 하부 쪽을 냉각시키는 열교환기와; 상기 받침대에 도가니의 위치를 고정한 상태에서, 도가니 내의 응고부와 용융부의 경계면인 응고면의 위치에 따라 상기 챔버와 함께 챔버 내에 구비된 측면 상부히터 및 측면 하부히터를 상하 이동시키는 이송 기구를 포함한 것을 특징으로 한다.
상기 이송 기구는 이송 제어부와, 이 이송 제어부의 제어 신호에 따라 상기 챔버 및 그 안에 설치된 상부 히터, 측면 상부히터, 측면 하부히터를 상하 이동시키는 이송 구동부를 포함하고, 상기 이송 제어부는, 상기 측면 상부히터 하단부가 도가니의 응고면과 동일 높이에 위치되도록 이송 구동부를 제어하는 것이 바람직하다.
상기 챔버의 하부에는 플랜지 모양의 확장된 구조를 갖는 이송 지지부가 구비되고, 상기 이송 구동부는 상기 이송 지지부와 바닥 사이에 구비되어 상기 챔버를 상하 이동시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 챔버의 하부와 챔버가 위치된 바닥 구조물 사이에는 챔버 내부를 밀폐시킬 수 있도록 밀폐 구조물이 설치되는 것이 바람직하다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치는, 도가니가 위치될 수 있도록 공간부를 갖는 챔버와; 상기 챔버 내에 구비되어 도가니가 올려지는 받침대와; 상기 챔버 내의 도가니 둘레에 위치되고, 도가니 내의 실리콘 재료 응고면을 중심으로 상하로 분리되게 위치됨과 아울러 응고면을 따라 상하 이동 가능하게 이루어진 측면 상부히터 및 측면 하부히터와; 상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터를 상하 이동시키는 이송 기구와; 상기 도가니의 하부쪽을 냉각시키는 열교환기와; 상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터를 서로 상이한 온도로 제어하는 제어부를 포함한 것을 특징으로 한다.
상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터는 챔버 내에서 상하 이동 가능하게 이루어지고, 상기 이송 기구는 상기 챔버 내에서 상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터를 지지하는 히터 지지체를 상하 이동시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 열교환기는, 응고 속도 조절이 가능하도록 상기 도가니 하부 쪽으로부터 위치 조절이 가능하거나, 열 방출량을 변화시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 방법은, 상기 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치를 이용한 것으로서, 챔버 내의 받침대 위에 실리콘 재료가 담겨진 도가니를 투입하는 제1단계와; 제1단계 후에, 청구항 1에 기재된 상부 히터 및 측면 상부히터를 작동시켜 도가니 내의 실리콘 재료를 용융시키는 제2단계와; 제2단계 후에, 도가니 내의 실리콘 재료의 융융이 완료되면, 도가니 하부 쪽에 열교환기를 이용하여 도가니 내의 용융 실리콘을 하부로부터 응고시키는 제3단계와; 제3단계를 진행함에 따라 도가니 바닥으로부터 점차 상측으로 응고가 진행될 때 액상과 고상의 경계면인 응고면을 중심으로 상기 측면 상부히터는 용융부 쪽에 위치되고, 측면 하부히터는 응고부 쪽에 위치되도록 측면 상부히터와 측면 하부히터를 점차 상승시키는 제4단계를 포함한 것을 특징으로 한다.
상부 히터 및 측면 상부히터의 온도는 실리콘 용융 온도보다 높은 온도로 제어하고, 상기 측면 하부히터의 온도는 실리콘의 용융 온도보다 낮은 온도로 제어하는 것이 바람직하다.
상기 제2단계 내지 제4단계는, 챔버 내부에 투입한 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기 하에서 진행하는 것이 바람직하다.
상기 제4단계에서, 상기 측면 상부히터의 하단부 경계면이 도가니 내의 응고면과 동일한 높이가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.
상기 제4단계에서, 상기 측면 하부히터의 온도는 실리콘 응고부에 발생되는 열응력에 의한 결함을 방지하고 실리콘 응고부의 재결정 유도하기 위해 실리콘의 용융 온도보다 낮은 온도로 제어하는 것이 바람직하다.
상기 제3단계 및 제4단계에서, 도가니 내의 용융 실리콘 응고 속도는 상기 열교환기의 열 방출량을 제어하는 방식으로 조절하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 본 발명의 주요한 과제 해결 수단들은, 아래에서 설명될 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용', 또는 첨부된 '도면' 등의 예시를 통해 보다 구체적이고 명확하게 설명될 것이며, 이때 상기한 바와 같은 주요한 과제 해결 수단 외에도, 본 발명에 따른 다양한 과제 해결 수단들이 추가로 제시되어 설명될 것이다.
본 발명에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치 및 방법은, 측면 히터가 측면 상부히터와 측면 하부히터로 분할된 상태에서, 도가니는 고정시키고 히터를 포함된 챔버를 이송시키면서 일방향성 응고 수행이 가능하기 때문에 보다 효율적인 열전달 및 정련이 가능해지고, 공정 속도 향상으로 생산성을 높일 수 있고, 이에 따라 공정원가를 절감할 수 있게 되어 경제성 있는 실리콘 잉곳 제작이 가능해지는 효과가 있다.
즉, 본 발명은, 도가니 위치는 고정된 상태에서 도가니 주변의 히터를 이동시키면서 응고 공정을 수행하기 때문에 도가니의 진동 및 흔들림이 없게 되어 용탕 상부로의 불순물 이동 방해 요인이 제거되고, 이에 따라 불순물이 응고부에서 용융부 쪽으로 원활하게 확산되어 고품질의 다결정 실리콘 잉곳의 제작이 가능해지는 효과가 있는 것이다.
또한, 본 발명은, 응고 과정에서 응고부와 용융부 쪽을 서로 다른 온도로 제어되는 측면 상부히터와 측면 하부히터를 위치시키고, 응고면의 높이에 따라 이동시키면서 일방향 응고를 통한 정련 공정을 진행하기 때문에 응고시에 발생되는 열응력 등에 의한 응고부의 결함 방지 및 재결정 유도 등을 통해서 고품질의 결정성 다결정 실리콘 잉곳을 제작할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치가 도시된 단면 구성도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치의 작동 과정을 보여주는 도면들이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치가 도시된 단면 구성도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치의 작동 과정을 보여주는 도면들이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치가 도시된 단면 구성도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치는, 단열 구조를 갖는 챔버(10), 이 챔버(10) 내에 도가니(1)가 위치되는 받침대(20), 챔버(10) 내에서 도가니(1) 주위에 배치되는 히터들(30)로 구성된다.
그리고, 상기 받침대(20) 쪽에는 도가니(1) 냉각을 위한 열교환기(40)가 구비되고, 상기 챔버(10) 및 히터들(30)이 도가니(1)를 중심으로 상하로 상대 이동시키는 이송 기구(50)가 구비된다.
이와 같은 본 발명의 주요 구성 부분을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 챔버(10)는 내부에서 고순도 다결정 실리콘 잉곳을 제작할 수 있도록 중공 구조로 구성되고, Ar 등의 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기를 형성할 수 있도록 밀폐형 구조를 갖도록 이루어진다.
챔버(10)는 도면에 예시된 바와 같이 하부가 개방된 원통형 또는 사각통형 등의 캡(Cap) 구조로 구성될 수 있다.
챔버(10)의 내부에는 외부와의 단열을 위해 단열 구조물(15)이 구비된다.
단열 구조물(15)은 챔버(10)의 천정면과 내측 둘레면에 모두 설치되는 것이 바람직하다.
챔버(10)의 하부는 챔버를 상하 이동시키는 이송 기구(50)가 구성될 수 있도록 플랜지 모양으로 확장된 구조를 갖는 이송 지지부(12)가 구성된다.
이송 지지부(12)는 아래에서 설명할 이송 구동부(51)의 상측에 위치된 상태에서 챔버(10) 및 단열 구조물(15)을 지지할 수 있는 구조이면 다양하게 변형하여 구성할 수 있다.
이송 지지부(12)와 아래에서 설명할 바닥판(14) 사이에는 상기 챔버(10) 등이 상하 이동될 때 챔버(10) 내부를 밀폐시키기 위한 밀폐 구조물(17)이 설치된다.
밀폐 구조물(17)은 기본적으로 챔버(10)가 상하로 이동함에 따라 확장 또는 수축되면서 챔버(10)의 내부 공간을 밀폐시킬 수 있도록 구성되는데, 일례로 상하 방향으로 확장 수축되는 금속 벨로우즈, 다단 삽입식 구조의 확장수축 통체 등을 이용하여 구성할 수 있다. 물론, 각 구성 부품 사이에는 밀봉을 위한 실링 부재가 설치되어 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 장치가 설치된 바닥면에는 도 1에 예시된 바와 같이 바닥판(14)이 설치되는 것이 바람직하다.
다음, 받침대(20)는 바닥판(14) 상부에서 챔버(10)의 내측으로 수직으로 세워지게 설치된다.
이러한 받침대(20)는 바닥판(14)에 고정된 상태로 설치되어 도가니(1)를 안정적으로 지지할 수 있도록 구성된다.
참고로, 도가니(1)는 실리콘 잉곳을 제조하기 위해 실리콘이 담겨지는 용기로서, 널리 공지된 구성이므로 자세한 설명은 생략한다.
도면에 예시하지는 않았지만, 챔버(10) 내에 도가니(1)를 투입하고 배출할 수 있도록 도어가 설치된다. 도어는 챔버(10), 단열 구조물(15), 히터(30)의 일부가 함께 개방될 수 있는 구조로 구성되고, 챔버(10) 내부를 밀폐시킬 수 있는 부재가 함께 설치되어 구성되는 것이 바람직하다.
다음, 히터들(30)은 상부 히터(31), 측면 상부히터(33), 측면 하부히터(35)로 이루어져, 상기 챔버(10)의 내부에 고정되어 설치된다. 즉, 상기 히터들(30)은 챔버(10)의 내측에 고정 수단 등을 통해 지지되게 설치되어 챔버(10)와 함께 상하로 이동할 수 있도록 구성된다.
또한, 히터들(30)은 챔버(10) 외부에 구비된 전원 제공부와 연결되고, 아래에서 설명할 제어부 등의 제어 신호에 따라 함께 또는 개별적으로 작동하여 고효율의 정련을 유도할 수 있도록 구성된다.
상부 히터(31)는 대략 판형 구조로 형성되어 도가니(1) 상부 쪽에 위치된 상태에서 도가니(1) 쪽에 열을 제공하도록 구성된다.
측면 상부히터(33) 및 그 하측에 위치된 측면 하부히터(35)는 도가니(1) 둘레에 통형 구조로 위치되어 도가니(1) 쪽에 열을 제공하도록 구성되는데, 이 두 히터(33)(35)는 하나의 측면 히터가 상하로 분할됨으로써 각각을 구성하는 방식으로 이루어진다.
측면 상부히터(33)는 상부 히터(31)와 함께 도가니(1) 내부에 담겨진 실리콘 재료를 용융시키는 기능을 하고, 측면 하부히터(35)는 응고된 재료를 융용 온도 이하에서 가열하는 기능을 담당한다.
여기서, 측면 상부히터(33)는 실리콘 재료 용융을 위해 상하 전체 길이가 도가니(1)의 길이와 동일하거나 더 (상하로) 길게 구성되는 것이 바람직하다.
측면 하부히터(35)는 온도 제어를 통해 용융 실리콘 응고시에 발생되는 열응력 등에 의한 응고부(S)의 결함 방지, 재결정 유도를 통해 고품질의 다결정 실리콘 잉곳제작이 가능하도록 하는 기능을 한다. 이에 대해서는 아래에서 구체적으로 설명한다.
다음, 열교환기(40)는 상기 받침대(20) 쪽에 구비되어 도가니(1) 밑면에서부터 상부로의 순차적인 일방향성 응고를 유도하기 위해 도가니(1) 하부 쪽을 냉각시킬 수 있도록 설치된다.
열교환기(40)는 도가니(1) 하부 쪽을 냉각시킬 수 있는 구조이면, 공지의 여러 냉각 시스템을 이용하여 구성할 수 있다. 즉, 도가니(1) 하부 쪽에 냉각 온도를 제공하는 냉각 라인을 구성하고, 이 냉각 라인에 냉각 유체가 통과하도록 구성하는 방법을 비롯하여, 냉각 플레이트(41) 등을 도가니(1) 하부 쪽에 밀착시키는 방식 등으로 구성할 수 있다.
도면에서는 열교환기(40)가 도가니(1) 하부 쪽에 밀착되는 냉각 플레이트(41)로 이루어져, 도가니(1)의 밑면을 냉각시키도록 구성된 실시예를 예시하고 있다. 이러한 냉각 플레이트(41)는 도 2b 등에 예시된 바와 같이 지지 구조물이 상하 이동이 가능하도록 구성되고, 그 내측에는 냉각을 위한 통로 또는 열전도 부재 등이 구비되어 구성된다.
냉각 플레이트(41)는 도가니 하부 쪽으로부터 높이 조절 즉, 위치 조절이 가능하도록 구성되어 열방출량을 제어함으로써 도가니 내의 응고 속도 조절이 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.
다음, 이송 기구(50)는, 받침대(20) 상부에 도가니(1)의 위치를 고정한 상태에서, 상기 챔버(10)를 비롯하여 이 챔버(10) 내에 구비된 히터들(30)을 상하로 이동시키도록 구성된다.
이러한 이송 기구(50)는 이송 제어부(미도시)와, 이 이송 제어부의 제어 신호에 따라 상기 챔버(10) 및 상부 히터(31), 측면 상부히터(33), 측면 하부히터(35)를 상하 구동시키는 이송 구동부(51)로 구성된다.
이송 제어부는 상기 측면 상부히터(33) 하단부(33a)가 도가니(1) 내의 응고 영역(S)과 용융 영역(L)의 경계면인 응고면(B)과 동일 높이에 위치되도록 이송 구동부(51)를 제어할 수 있게 구성되는 것이 바람직하다.
이는, 일방향 응고를 통한 정련 공정시 응고부(S)에서 용융부(L)로 불순물이 확산되는 것을 방해하지 않기 위해, 히터들(30)을 포함한 챔버(10)의 이송을 통해 응고가 이루어지며, 경계면인 응고면(B)은 측면 상부히터(31)의 하단부(33a)로 제어한다.
물론, 응고면(B)을 측면 상부히터(33)의 하단부(33a)로 제어하는 것에 한정되지 않고, 측면 상부히터(33)의 하단부와 측면 하부히터(35)의 상단부 사이 영역 또는 측면 하부히터(35)의 상단부 등으로 그 위치를 실리콘 물성, 두 히터(33)(35)의 온도제어 조건 등에 따라 적절하게 변경하여 제어하는 것도 가능하다.
한편, 응고 공정 과정에서 측면 상부히터(31)의 하단부(33a) 등이 응고면(B) 높이와 일치하도록 이송 기구(50)를 작동하여 챔버(10) 및 히터들(30)을 상승시키는 것이 바람직하고, 이때 응고면(B)은 두 히터(33)(35)의 가열 온도, 실리콘의 물성 등 여러 가지 응고 변수에 따라 적절하여 확보된 데이터에 근거하여 설정되는 것이 바람직하다.
이송 구동부(51)는 상기 이송 지지부(12)와 설치 바닥면 사이에 구비되어 상기 챔버(10)를 상하 이동시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
이러한 이송 구동부(51)는 상하 높이 조절이 가능한 다양한 구동 기구를 이용하여 구성할 수 있는데, 예들 들면 리니어 모터, 챔버를 승강시키는 로봇식 리프트기구, 모터를 이용한 볼 스크류, 유압 실린더 등을 이용하여 구성할 수 있다.
도면에서는 이송 구동부(51)가 볼 스크류로 구성된 것을 예시하고 있다.
한편, 이송 제어부를 비롯하여 상기 히터들(30)은 본 발명의 장치를 제어하는 제어부(미도시)의 신호에 따라 제어되게 구성된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치를 이용한 본 발명에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 방법을 설명한다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 도어(미도시)를 열고, 챔버(10) 내의 받침대(20) 위에 실리콘 재료가 담겨진 도가니(1)를 투입하고, 도어를 닫고 챔버(10)를 밀폐시킨다.
다음, 상부 히터(31) 및 측면 상부히터(33)를 작동시켜 도가니(1) 내의 실리콘 재료를 용융시킨다. 이때 상부 히터(31) 및 측면 상부히터(33)의 온도는 실리콘 용융 온도보다 높은 온도, 예를 들면 1450℃ ~ 1600℃로 설정되어 제어되는 것이 바람직하다.
이러한 실리콘 재료 용융 공정은 챔버(10) 내부에 Ar 등을 투입한 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기 상태에서 진행하는 것이 바람직하다. 챔버(10)에 불활성 기체 투입 및 배출하는 구조 및 방법, 그리고 진공을 형성하고 파기하는 구조 및 방법은 널리 공지되어 있으므로 구체적인 도면 예시 및 설명은 생략한다.
다음, 도 2b를 참조하면, 상기 과정을 거쳐 도가니(1) 내의 실리콘 재료의 융융(이하 '용융 실리콘'이라고도 함)이 완료되면, 도가니(1) 하부 쪽에 열교환기(40)를 이용하여 도가니(1) 내의 용융 실리콘을 하부로부터 응고시킨다. 본 실시예에서는 도가니(1) 하부에 냉각 플레이트(41)를 상승 밀착시킨 상태에서 도가니(1) 내의 용융 실리콘을 냉각시키는 것이다.
이때, 도 2c 및 도 2d를 참조하면, 도가니(1) 내부의 용융 실리콘은 도가니(1) 바닥으로부터 점차 상측으로 응고가 진행되는데, 측면 상부히터(33) 하단부(33a)가 응고면(액상과 고상의 경계면)(B)을 따라 점차 높아지도록 이송 기구(50)를 작동하여 챔버(10) 및 히터들(30)을 동시에 상측으로 이동시켜 일방향성 응고를 진행한다.
응고면(B)을 측면 상부히터(33)의 하단부(33a) 경계면으로 제어함으로써 일방향 응고를 통한 정련 공정시 고상과 액상 공존 영역의 제어가 용이하고, 이에 따라 고상 액상의 온도 구배 조절이 용이해져서, 불순물의 액상으로의 확산이 용이하여 정련능을 향상시킬 수 있게 된다.
이와 함께, 도가니(1) 내의 실리콘 응고부(S)에 발생되는 열응력에 의한 결함을 방지하고 실리콘 응고부(S)의 재결정을 유도하기 위해 측면 하부히터(35)의 온도를 적절하게 제어한다. 측면 하부히터(35)의 온도는 실리콘의 용융 온도보다 낮은 온도인 1200℃ ~ 1400℃로 제어하는 것이 바람직하다.
그리고 도가니 내의 응고 속도는 상기와 같은 히터들(30)의 가열 온도에 대한 열교환기(40)의 열 방출량을 제어하는 방식으로 조절할 수 있다. 즉, 도면에서와 같이 높이 조절이 가능한 냉각 플레이트(41)로 구성될 경우에 도가니(1) 밑면으로부터 냉각 플레이트(41)의 위치를 조절함으로써 열 방출량을 변화시켜 응고 속도를 조절할 수 있는 것이다. 또한 위치 조절 방식이 아닌 열교환기의 냉각 유체의 유량, 열용량 등을 조절하는 방식으로 제어하는 것도 가능하다.
상기와 같은 도가니(1) 내의 실리콘 응고 공정 역시 실리콘 용융 공정과 같이 챔버(10) 내부가 Ar 등의 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기 상태에서 진행하는 것이 바람직하다.
한편, 상기과정에서, 상부 히터(31), 측면 상부히터(33), 측면 하부히터(35)를 개별적으로 제어하여 고효율의 정련을 유도하는 것이 바람직하다.
특히, 측면 하부히터(35)의 온도 제어를 통해 실리콘 응고부(S)에서의 열응력에 의한 내부 결함 방지 및 재결정을 유도하여 보다 고품질의 결정성 다결정 실리콘 잉곳을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 구성을 보여주는 도면이다.
앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에서는 이송 기구(50)에 의해 챔버(10) 및 히터(30)가 함께 상하 이동하는 구성으로 이루어지나, 도 3에 예시된 본 발명의 다른 실시예에서는 히터들(30)만 챔버(10') 내에서 상하 이동할 수 있도록 구성된다.
즉, 챔버(10')는 내부 공간을 구성토록 고정되게 구성되고, 그 내부에 위치된 히터들(30)이 히터 지지체(37)에 고정되게 설치되어 히터 이송 기구(50')에 의해 히터들(30)이 동시에 상하 이동할 수 있도록 구성되는 것이다.
이와 같은 본 발명의 다른 실시예에서는 도가니(1) 내의 실리콘 응고 공정을 진행할 때, 챔버(10')는 이송하지 않고, 히터 이송 기구(50')를 이용하여 히터 지지체(37)를 통해 히터들(30)을 상측을 이동시키면서 진행하게 된다.
이러한 본 발명의 다른 실시예는, 히터 이송 구조를 제외한 다른 부분의 구성 및 제조 방법은 앞서 설명한 일 실시예의 구성과 동일 또는 유사하게 구성될 수 있으므로, 도면에 동일한 도면 부호를 부여하고 반복 설명은 생략한다.
상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (13)
- 중공 구조를 갖고 외부와의 단열을 위해 단열재가 구비된 챔버와;
상기 챔버 내에서 실리콘 재료가 담겨진 도가니가 위치되는 받침대와;
상기 챔버 내에서 도가니 상부에 위치되어 도가니 쪽에 열을 제공하는 상부 히터와;
상기 챔버 내에서 도가니 둘레에 위치되어 도가니 쪽에 열을 제공하되, 상하로 분할된 구조를 갖는 측면 상부히터 및 측면 하부히터와;
상기 받침대 쪽에 구비되어 상기 도가니 하부 쪽을 냉각시키는 열교환기와;
상기 받침대에 도가니의 위치를 고정한 상태에서, 도가니 내의 응고부와 용융부의 경계면인 응고면의 위치에 따라 상기 챔버와 함께 챔버 내에 구비된 측면 상부히터 및 측면 하부히터를 상하 이동시키는 이송 기구를 포함한 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치.
- 청구항1에 있어서,
상기 이송 기구는 이송 제어부와, 이 이송 제어부의 제어 신호에 따라 상기 챔버 및 그 안에 설치된 상부 히터, 측면 상부히터, 측면 하부히터를 상하 이동시키는 이송 구동부를 포함하고,
상기 이송 제어부는, 상기 측면 상부히터 하단부가 도가니의 응고면과 동일 높이에 위치되도록 이송 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치.
- 청구항2에 있어서,
상기 챔버의 하부에는 플랜지 모양의 확장된 구조를 갖는 이송 지지부가 구비되고,
상기 이송 구동부는 상기 이송 지지부와 바닥 사이에 구비되어 상기 챔버를 상하 이동시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치.
- 청구항1에 있어서,
상기 챔버의 하부와 챔버가 위치된 바닥 구조물 사이에는 챔버 내부를 밀폐시킬 수 있도록 밀폐 구조물이 설치된 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치.
- 도가니가 위치될 수 있도록 공간부를 갖는 챔버와;
상기 챔버 내에 구비되어 도가니가 올려지는 받침대와;
상기 챔버 내의 도가니 둘레에 위치되고, 도가니 내의 실리콘 재료 응고면을 중심으로 상하로 분리되게 위치됨과 아울러 응고면을 따라 상하 이동 가능하게 이루어진 측면 상부히터 및 측면 하부히터와;
상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터를 상하 이동시키는 이송 기구와;
상기 도가니의 하부쪽을 냉각시키는 열교환기와;
상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터를 서로 상이한 온도로 제어하는 제어부를 포함한 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치.
- 청구항5에 있어서,
상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터는 챔버 내에서 상하 이동 가능하게 이루어지고,
상기 이송 기구는 상기 챔버 내에서 상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터를 지지하는 히터 지지체를 상하 이동시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치.
- 청구항1 또는 청구항 5에 있어서,
상기 열교환기는, 응고 속도 조절이 가능하도록 상기 도가니 하부 쪽으로부터 위치 조절이 가능하거나, 열 방출량을 변화시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치.
- 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치를 이용한 것으로서,
챔버 내의 받침대 위에 실리콘 재료가 담겨진 도가니를 투입하는 제1단계와;
제1단계 후에, 청구항 1에 기재된 상부 히터 및 측면 상부히터를 작동시켜 도가니 내의 실리콘 재료를 용융시키는 제2단계와;
제2단계 후에, 도가니 내의 실리콘 재료의 융융이 완료되면, 도가니 하부 쪽에 열교환기를 이용하여 도가니 내의 용융 실리콘을 하부로부터 응고시키는 제3단계와;
제3단계를 진행함에 따라 도가니 바닥으로부터 점차 상측으로 응고가 진행될 때 액상과 고상의 경계면인 응고면을 중심으로 상기 측면 상부히터는 용융부 쪽에 위치되고, 측면 하부히터는 응고부 쪽에 위치되도록 측면 상부히터와 측면 하부히터를 점차 상승시키는 제4단계를 포함한 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 방법.
- 청구항8에 있어서,
상부 히터 및 측면 상부히터의 온도는 실리콘 용융 온도보다 높은 온도로 제어하고,
상기 측면 하부히터의 온도는 실리콘의 용융 온도보다 낮은 온도로 제어하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 방법.
- 청구항8에 있어서,
상기 제2단계 내지 제4단계는, 챔버 내부에 투입한 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기 하에서 진행하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 방법.
- 청구항8에 있어서,
상기 제4단계에서, 상기 측면 상부히터의 하단부 경계면이 도가니 내의 응고면과 동일한 높이가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 방법.
- 청구항8에 있어서,
상기 제4단계에서, 상기 측면 하부히터의 온도는 실리콘 응고부에 발생되는 열응력에 의한 결함을 방지하고 실리콘 응고부의 재결정 유도하기 위해 실리콘의 용융 온도보다 낮은 온도로 제어하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 방법.
- 청구항8에 있어서,
상기 제3단계 및 제4단계에서, 도가니 내의 용융 실리콘 응고 속도는 상기 열교환기의 열 방출량을 제어하는 방식으로 조절하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 방법.
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