KR20130071186A - 실리콘 정련 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 정련 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘에 함유되어 있는 불순물을 효과적으로 제거함으로써 실리콘의 순도를 증가시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일측면에 따른 실리콘 정련장치는 공급되는 실리콘 분말과 산용액을 반응시켜 상기 실리콘 분말에 함유되어 있는 불순물을 제거하는 반응조; 상기 반응조와 연결되고 상기 반응조로부터 상기 실리콘 분말과 상기 산용액의 혼합액을 공급받으며 상기 혼합액을 필터를 통해 고상의 고순도 실리콘과 액상의 폐액으로 분리하는 고액분리부; 및 상기 반응조 및 상기 고액분리부로부터 배출되는 유해가스를 처리 및 배출시키는 유해가스 처리부를 포함할 수 있다.

Description

실리콘 정련 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REFINING SILICON}

본 발명은 실리콘 정련 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘에 함유되어 있는 불순물을 효과적으로 제거함으로써 실리콘의 순도를 증가시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체용이나 태양전지용 웨이퍼로 사용되는 실리콘의 경우, 자연상태의 규석(SiO2)과 코크스 등의 탄소환원제를 아크(arc) 등을 이용하여 고온에서 반응시키는 열탄소환원법에 의해 얻어지게 된다. 그러나 이때 얻어진 실리콘은 다량의 불수물들을 함유하고 있고, 약 99% 정도의 순도를 가지게 되므로, 추가적인 정련과정을 거쳐야만 반도체용 웨이퍼(순도 99.99999999%(10N))나 태양전지용 웨이퍼(순도 99.9999%(6N))로 사용할 수 있게 된다.

여기서, 반도체 용도로 이용되는 실리콘은, 규석을 환원하여 얻어진 순도 98% 정도의 야금급 금속 실리콘을 실리콘 염화물로 변환하고, 그 후에 이 실리콘 염화물을 증류한 후에 열 분해하는 방법으로 제조되고 있으며, 상당히 복잡한 제조 공정 및 지극히 엄격한 공정 관리를 필요로 하므로, 필연적으로 제조 비용이 높아진다. 이 때문에, 이 반도체 용도의 실리콘은 품질이 매우 양호하기는 하나 이에 수반하여 제조비용이 너무 높기 때문에 수요의 신장에 동반하여 저비용화가 요구되고 있는 태양전지의 용도로는 적합하지 않다.

그러므로, 가격이 저렴한 야금급 금속 실리콘을 원료로 하여, 태양 전지 용도로 적합한 순도 6N급 이상으로 정련 즉, 실리콘에 함유되어 있는 불순물을 제거하는 다양한 방법이 제안되고 있는 실정이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 고순도의 태양광급 실리콘을 제조할 수 있는 실리콘 정련장치 및 그 방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않으며, 부가적인 과제는 본 발명의 명세서에 기재된 내용으로부터 충분히 이해가능할 것이다.

본 발명의 일측면에 따른 실리콘 정련장치는 공급되는 실리콘 분말과 산용액을 반응시켜 상기 실리콘 분말에 함유되어 있는 불순물을 제거하는 반응조; 상기 반응조와 연결되고 상기 반응조로부터 상기 실리콘 분말과 상기 산용액의 혼합액을 공급받으며 상기 혼합액을 필터를 통해 고상의 고순도 실리콘과 액상의 폐액으로 분리하는 고액분리부; 및 상기 반응조 및 상기 고액분리부로부터 배출되는 유해가스를 처리 및 배출시키는 유해가스 처리부를 포함할 수 있다.

이때, 상기 실리콘 정련장치는 상기 반응조와 연결되어 상기 반응조로 상기 실리콘 분말 및 상기 산용액을 공급하는 원료 공급부를 더 포함하고, 상기 원료 공급부는 상기 실리콘 분말을 공급하는 실리콘 공급기 및 증류수와 혼합된 상기 산용액을 공급하는 산용액 공급기로 이루어지며, 산용액 공급기에는 공급되는 산용액의 중량을 측정하는 로드셀이 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 반응조는 내벽과 외벽의 이중구조로 형성되며, 상기 내벽과 외벽 사이에는 열매가 주입되는 것이 유리하다.

그리고, 상기 반응조에는 히터가 구비되어 반응물과 열매를 가열하는 것이 효율적인 반응을 위하여 바람직하다.

또한, 상기 반응조는 상기 실리콘 분말 및 상기 산용액의 반응을 촉진시키기 위해 교반, 버블, 초음파 또는 압력 중 어느 하나 혹은 둘 이상을 복합적으로 발생시키는 장치를 구비하는 것이 유리하다.

본 발명의 또한가지 측면인 실리콘 정련방법은 실리콘 분말과 산용액을 준비하는 단계; 상기 실리콘 분말과 상기 산용액을 반응시켜 상기 실리콘 분말에 함유되어 있는 불순물을 제거하는 단계; 및 상기 실리콘 분말과 상기 산용액의 혼합액을 고상의 실리콘 분말과 액상의 폐액으로 필터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 방법은 필터링된 상기 실리콘 분말을 세척하는 단계를 더 포함하는 것이 유리하다.

본 발명에 따르면, 실리콘에 함유되어 있는 금속 불순물을 산처리를 통해 제거함으로써, 고순도의 태양광급 실리콘을 제공할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실리콘 정련 장치를 나타낸 구성도, 그리고
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 정련 방법을 공정 순으로 나타낸 공정 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실리콘 정련 장치(100)는 고순도의 태양광급(6N) 실리콘을 제조하기 위해 저순도의 실리콘 분말에 함유되어 있는 금속 불순물을 산처리를 통해 제거하는 정련 장치로, 반응조(120), 고액분리부(130) 및 유해가스 처리부(140)를 포함하여 형성된다. 이때, 실리콘 정련장치(100)는 반응조(120)로 실리콘 분말과 산용액을 공급하는 원료 공급부(110)를 구비할 수 있다.

원료 공급부(110)는 반응조(120)로 실리콘 분말 및 산용액을 공급하는 장치로, 반응조(120)와 연결된다. 이때, 실리콘 분말과 산용액은 반응조(120)로 각각 공급되어 반응조(120) 내에서 혼합된다. 따라서, 원료 공급부(110)는 이를 위해 실리콘 공급기(111)와 산용액 공급기(112)로 이루어질 수 있다. 즉, 실리콘 공급기(111)에는 실리콘 분말이 채워지는데, 그 입자 크기는 대략 5㎛ 이상 ~ 1mm 이하일 수 있고, 반응조(120)로 공급되는 실리콘 분말의 양은 3~10kg일 수 있다. 더불어, 반응조(120)로 공급되는 실리콘 분말의 비산 방지를 위해, 실리콘 공급기(111)에 증류수가 공급되어, 실리콘 슬러리 형태로 공급되는 것이 바람직하다.

또한, 산용액 공급기(112)는 염산, 질산, 불산 등의 산성용액이 각각의 봄베에 채워진 형태로 구성된다. 이때, 반응조(120)로 공급되는 산성용액은 대략 30~120L일 수 있는데, 이러한 산성용액 공급량은 실리콘 분말의 공급량 및 반응조(120)의 수용용량을 고려하여 설정한다. 그리고 이러한 산성용액은 증류수와 함께 혼합된 상태로 반응조(120)에 공급된다.

더불어, 이와 같은 실리콘 분말 및 산용액은 각각의 배관라인에 설치되어 있는 펌프(150)의 펌핑 작용에 의해 이동되고, 반응조(120)로의 공급 여부 및 공급량은 배관라인에 설치되어 있는 각종 밸브류에 의해 제어될 수 있다. 이때, 공급량을 정밀하게 제어하기 위하여 각각의 산용액과 증류수의 용기에는 로드셀(113)이 설치되어 공급될 수 있다. 로드셀이 설치될 경우 공급된 산용액 및 증류수의 중량을 정확히 산출할 수 있어 불순물 제거효율에 중요한 인자인 조성제어가 용이하다.

반응조(120)는 실리콘 분말과 산용액 간의 반응이 진행되는 공간을 제공한다. 즉, 불순물이 함유되어 있는 저순도 실리콘 분말은 반응조(120) 내에서 염산, 질산, 불산 등의 산성용액과 혼합되고, 이들 산성용액과 불순물 간의 화학적 반응에 의해 실리콘 분말에 함유되어 있는 불순물이 제거된다.

이러한 반응조(120)의 상부 또는 측부에는 실리콘 분말 및 산용액이 주입될 수 있도록 각각의 주입구가 형성된다. 반응조의 내부는 공급된 원료가 반응할 수 있도록 적절한 온도로 가열될 필요가 있는데, 이를 위하여 히터(123)가 반응조의 내부에 구비될 수 있다. 상기 히터의 발열에 의하여 반응조는 반응온도까지 가열될 수 있다. 도면에서 볼 수 있듯이, 상기 히터(123)는 반응조 내부에 삽입된 형태일 수도 있으며, 반응조 내벽에 부착된 형태를 가질 수도 있으며, 그 형태에 특별한 제한은 없다.

그리고, 상기 반응조(120)는 내벽과 외벽으로 이루어진 이중구조로 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 내벽과 외벽 사이에는 열매가 주입되고, 이러한 열매를 통해 반응조(120) 내부의 온도는 일정하게 유지될 수 있다. 즉, 상술한 히터(123)에 의하여 반응온도까지 가열될 수 있으며, 가열된 반응조의 내부 온도의 편차를 가급적 줄이기 위해 비열이 높은 열매가 반응조 내에 포함되는 것이다. 이때, 이러한 열매는 통상 열매로 사용되는 것이라면 어떠한 것이라도 사용가능하며, 특히 50~100℃에서 사용가능한 것이라면 모두 사용가능하다. 상기 온도에선 오일계 열매가 많이 사용될 수 있다. 상기 열매는 상술한 히터로부터 발생한 열에 의해 온도가 유지될 수 있으나, 필요한 경우에는 펌프에 의해 순환되면서 오일히터(122)에 의해 가열된 후 반응조(120)로 주입될 수도 있다.

즉, 오일히터(122)는 반응조(120)에 연결되어 열매를 가열하여 반응조(120)의 둘레를 따라 지속적으로 순환시키게 된다. 이때, 이러한 열매의 순환은 펌프(150)에 의해 이루어질 수 있다. 오일히터(122)의 발열량은 상술한 히터(123)에 의한 가열량의 부족분을 채울 정도이면 충분하다. 또한, 오일히터(122)는 이상가열에 의한 오버히팅(overheating)을 차단할 수 있어야 하며, 반응조(120) 내부에 설치되는 써모커플(thermocouple)의 온도측정결과와 연계되어, 이를 바탕으로 한 온도보정을 통해 열매를 적정온도로 가열하도록 형성될 수 있다.

한편, 반응조(120) 내에서 실리콘 분말과 산용액이 반응하게 되면, 이 과정에서 이 과정에서 유해가스가 필연적으로 발생하게 된다. 따라서, 반응조(120)의 상부에는 이러한 유해가스를 유해가스 처리부(140)로 배출시키는 배출구가 형성된다.

또한, 반응조(120)는 공급되는 염산, 질산, 불산 등의 강산성 용액에 대한 내산성을 가지는 재질로 형성되어야 함은 물론이다.

그리고 앞서 언급한 바와 같이, 반응조(120) 상부 및 측부를 포함하는 복수 부분에는 실리콘 분말과 산용액 간의 반응 시 내부 온도를 측정하고 히터(123)의 발열량을 조절하는 써모커플이 설치될 수 있다. 상기 온도측정결과는 오일히터(122)와의 온도보정에도 이용될 수 있으며, 별도의 써모커플 등의 온도측정장치를 이용하여 오일히터(122)에 의한 온도보정을 실시할 수도 있다.

또한, 반응조(120)의 상부 또는 측부에는 작업자가 반응조(120) 내부를 관찰할 수 있도록 투시창이 형성될 수 있다.

더불어, 반응조(120)는 분리형으로 형성되어 내부세척 등에 대한 편의를 증진시킬 수 있다. 이때, 반응조(120)의 분리 및 결합부분은 유해가스로부터의 안전을 위해 충분한 밀폐력을 확보하고 있어야 한다.

한편, 반응조(120)에 공급되는 실리콘 분말과 산용액은 서로 접촉될 때 화학적 반응이 일어나게 되는데, 이러한 반응을 더욱 촉진시키기 위해 인공적으로 혼합시키는 것이 바람직하다. 따라서, 반응조(120)에는 교반기가 설치되거나 버블 발생기, 초음파 발생기 또는 가압기 등의 장치가 설치되어, 실리콘 분말과 산용액 간의 반응을 촉진시킬 수 있다. 이에 따라, 도 1에는 반응 촉진 장치로, 반응조(120)에 교반기(121)가 설치된 상태를 도시하였다. 하지만, 이는 하나의 실시예일뿐 위의 버블 발생기, 초음파 발생기 또는 가압기가 설치되어 교반기(121)를 대체할 수 있음은 물론이다. 더불어 필요에 따라 위 장치가 복합적으로 사용되는 것 또한 가능하다.

교반기(121)는 실리콘 분말과 산용액의 반응을 촉진시키기 위한 이들을 교반시키는 장치이다. 이러한 교반기(121)는 모터(121a), 회전축(121b) 및 임펠러(121c)를 포함하여 형성될 수 있다. 여기서, 모터(121a)는 반응조(120) 외부 상측에 배치되고, 이에 회전 가능하게 연결되는 회전축(121b)에 회전력을 부여한다. 그리고 모터(121a)에 회전 가능하게 연결된 회전축(121b)은 반응조(120)의 길이 방향을 따라 반응조(120) 내부에 배치된다. 그리고 회전축(121b)의 하단에는 임펠러(121c)가 결합되어 회전축(121b)의 회전 시 연동되어 회전하게 되며, 이러한 임펠러(121c)에 의해 발생되는 소용돌이형 기류에 의해 실리콘 분말과 산용액이 전체적으로 섞이게 되어 이들의 반응이 촉진된다. 이때, 실리콘 분말 및 산용액과 직접 접촉하는 회전축(121b)과 임펠러(121c)는 교반과정에서 실리콘 분말을 오염시키지 않도록 내산성을 갖는 재질로 형성되어야 함은 물론이다.

이러한 교반기(121)의 회전속도는 rpm 단위로 조절 가능하게 형성될 수 있다. 그리고 교반기(121)는 최대 110℃에 달하는 반응온도에 대한 충분한 내열성을 가져야 하고, 대략 30~120L의 산용액을 충분히 교반시킬 수 있는 교반용량을 가져야 하며, 교반 시 반응조(120) 내부에 정체되는 영역이 없도록 임펠러(121c)의 크기 및 이의 회전 속도가 설정되어야 한다.

고액분리부(130)는 실리콘 분말과 산용액로 이루어진 혼합액을 고상의 고순도 실리콘 분말과 액상의 산폐액으로 분리하는 장치이다. 이러한 고액분리부(130)는 필터일 수 있다. 즉, 고액분리부(130)의 한가지 형태로는 고상의 실리콘 분말은 걸러내되 액상의 산폐액은 통과시키는 장치를 들 수 있는데, 이를 이용하여 불순물이 제거된 고순도의 실리콘 분말을 단시간에 분리시킬 수 있다. 상기 필터의 형태와 눈의 크기 등은 본 발명에서 적합하게 사용되는 실리콘 분말을 여과할 수 있는 범위내에서 자유롭게 선택이 가능하다.

이러한 고액분리부(130)는 배관라인을 통해 반응조(120)와 연결되고, 반응조(120)로부터 배출되는 혼합액의 유입은 펌프(150)의 펌핑 작용을 통해 이루어질 수 있다. 한편, 고액분리부(130)에는 폐액수거함(131)이 배관으로 연결되고, 이러한 폐액수거함(131)은 필터를 통해 실리콘 분말과 분리된 상폐액을 수거하게 된다.

더불어, 고액분리부(130)는 반응조(120)와 마찬가지로, 내산성 및 내열성을 갖는 재질로 형성되어야 함은 물론이다. 그리고 고액분리부(130)의 작동시 발생되는 유해가스는 유해가스 처리부(140)로 배출된다.

유해가스 처리부(140)는 공정 중에 발생되어 배출되는 유해가스 즉, 반응조(120)에서의 실리콘 분말과 산용액 간의 반응 중에 발생되는 유해가스 및 고액분리부(130)에서의 분리 과정에서 발생되는 유해가스를 처리 및 배출시키는 장치이다.

이러한 유해가스 처리부(140)는 콘덴서(condenser)(141) 및 스크러버(scrubber)(143)를 포함하여 형성될 수 있다. 여기서, 콘덴서(141)는 반응조(120)의 배출구와 배관라인을 통해 연결되고 반응조(120)의 상부에 위치된다. 이러한 콘덴서(141)는 반응조(120)로부터 배출되는 유해가스가 스크러버(143)에 도달하기 전에 일차적으로 걸러주는 역할을 한다. 이때, 콘덴서(141)에는 냉각수를 순환공급시키는 펌프(150)를 포함하는 칠러(chiller)(142)가 연결될 수 있고, 이에 따라, 콘덴서(141)는 칠러(142)에 의해 순환 공급되는 냉각수를 이용하여 고온의 배출 유해가스를 냉각 및 정화시킨다.

또한, 스크러버(143)는 건식 또는 습식방식으로 유해가스를 세정하는 장치로, 콘덴서(141)와 배관을 통해 연결된다. 즉, 스크러버(143)는 콘덴서(141)를 통과한 유해가스를 최종적으로 정화시켜 배출하는 장치이다. 이러한 스크러버(143)는 최대 120L 가량의 산용액으로부터 발생되는 유해가스를 처리할 수 있도록 설계되어야 한다. 이때, 스크러버(143)에는 반응조(120) 외에 고액분리부(130)로부터 배출되는 유해가스가 유입될 수 있다. 이러한 스크러버(143)를 통해 정화된 배기가스는 후드 등을 통하여 외부로 배출된다.

이하, 본 발명에 따른 실리콘 정련 방법에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 실리콘 정련 방법을 공정 순으로 나타낸 공정 순서도로, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 실리콘 정련 방법은 먼저, 칼슘(Ca), 철(Fe), 알루미늄(Al) 등의 금속 불순물이 함유되어 있는 실리콘 분말과 이러한 실리콘 분말과 반응하여 금속 불순물을 제거하는 역할을 하는 염산, 질산, 불산 등의 산성용액을 준비한다. 이 단계에서는 입자 크기가 5㎛~1mm 정도의 실리콘 분말을 대략 3~10㎏ 준비한다. 이러한 실리콘 분말의 공급량은 예컨대, 반응이 이루어지는 반응조(120)의 용량에 따라 변화될 수 있다. 그리고 산성용액은 반응될 실리콘 분말의 공급량에 맞도록 대략 30~120L로 준비한다. 정련효율을 높이기 위한 산성용액 및 증류수의 조성제어를 위한 공급량 조절을 정밀하기 위해서 각 용액의 용기에는 로드셀(113)이 설치될 수 있다.

다음으로, 정량으로 준비된 실리콘 분말과 산용액을 반응시켜 산용액을 통해 실리콘 분말에 함유되어 있는 불순물을 제거한다. 여기서, 실리콘 분말과 산용액을 혼합하기 전 산용액에 증류수를 혼합하는 것이 바람직하다. 또한, 실리콘 분말과 산용액 간의 반응을 촉진시키기 위해, 이들을 교반시키거나 초음파, 압력, 버블 등을 발생시킬 수 있으며, 교반기(121)가 사용될 수 있다.

한편, 실리콘 분말과 산용액 간의 반응과정에서 발생되는 유해가스는 외부로 배출시킨다. 이때, 이러한 유해가스를 콘덴서(141) 및 스크러버(143)로 통과시켜 여러 단계로 정화 처리한 다음 공기 중으로 배출시켜야만 한다.

다음으로, 금속 불순물이 제거된 실리콘 분말과 산용액의 혼합액을 서로 분리한다. 이 단계에서는 예컨대, 고액분리부(130)를 이용하여 이들을 여과(filter)분리시킨다. 여기서, 혼합액으로부터 분리된 고순도의 실리콘 분말에 대해 수 차례 세척 과정을 진행하여 최종적으로 고순도의 실리콘 분말을 얻는다. 한편, 실리콘 분말과 분리된 산성 폐액은 폐액수거함(131)과 같은 용기에 수거한 다음 폐기 처리한다.

이상에서 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 실리콘 정련 장치, 110: 원료 공급부,
111: 실리콘 공급기, 112: 산용액 공급기,
113 : 로드셀, 120: 반응조,
120a: 내벽, 120b: 외벽,
121: 교반기, 121a: 모터,
121b: 회전축, 121c: 임펠러,
122: 오일히터, 123 : 히터,
130: 고액분리부, 131: 폐액수거함,
140: 유해가스 처리부, 141: 콘덴서,
142: 칠러, 143: 스크러버,
150: 펌프

Claims (7)

1. 공급되는 실리콘 분말과 산용액을 반응시켜 상기 실리콘 분말에 함유되어 있는 불순물을 제거하는 반응조;
   상기 반응조와 연결되고 상기 반응조로부터 상기 실리콘 분말과 상기 산용액의 혼합액을 공급받으며 상기 혼합액을 필터를 통해 고상의 고순도 실리콘과 액상의 폐액으로 분리하는 고액분리부; 및
   상기 반응조 및 상기 고액분리부로부터 배출되는 유해가스를 처리 및 배출시키는 유해가스 처리부를 포함하는 실리콘 정련장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응조와 연결되어 상기 반응조로 상기 실리콘 분말 및 상기 산용액을 공급하는 원료 공급부를 더 포함하고,
   상기 원료 공급부는 상기 실리콘 분말을 공급하는 실리콘 공급기 및 증류수와 혼합된 상기 산용액을 공급하는 산용액 공급기로 이루어지며,
   산용액 공급기에는 공급되는 산용액과 증류수의 중량을 측정하는 로드셀이 구비되는 실리콘 정련장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응조는 내벽과 외벽의 이중구조로 형성되며,
   상기 내벽과 외벽 사이에는 열매가 주입되는 실리콘 정련장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 반응조에는 히터가 구비되어 반응물과 열매를 가열하는 실리콘 정련장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응조는 상기 실리콘 분말 및 상기 산용액의 반응을 촉진시키기 위해 교반, 버블, 초음파 또는 압력 중 어느 하나 혹은 둘 이상을 복합적으로 발생시키는 장치를 구비하는 실리콘 정련장치.
   
6. 실리콘 분말과 산용액을 준비하는 단계;
   상기 실리콘 분말과 상기 산용액을 반응시켜 상기 실리콘 분말에 함유되어 있는 불순물을 제거하는 단계; 및
   상기 실리콘 분말과 상기 산용액의 혼합액을 고상의 실리콘 분말과 액상의 폐액으로 필터링하는 단계를 포함하는 실리콘 정련방법.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   필터링된 상기 실리콘 분말을 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 정련방법.

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