KR20140031839A - 아연 가스의 공급 방법 및 공급 장치 - Google Patents
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Abstract
아연의 끓는점 이상으로 과가열된 아연 가스를 제어된 공급 속도로 공급하는 방법 및 장치가 제공된다. 본 발명의 아연 가스의 공급 방법은, 아연 가스 증발 장치에 융체 아연을 도입하는 공정과, 아연 가스의 공급 속도에 대응한 전력을 입력하고, 고주파 유도 가열에 의해 아연을 자기 발열시켜서 융체 아연으로부터 아연 가스를 발생시키는 공정과, 발생한 아연 가스를 가스 가열 장치로 도입하는 공정과, 아연 가스를 저항 가열로 가열하여 과가열된 아연 가스로 하는 공정을 포함한다. 본 발명의 아연 가스의 공급 장치는 상기 방법에 사용되는 아연 가스 증발 장치, 가스 가열 장치 및 컨트롤 장치를 포함한다.
Description
본 발명은 아연 가스를 공급하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 상세하게는, 과가열된 아연 가스를 제어된 공급 속도로 공급하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
근래, 지구 온난화를 방지하고 새로운 전력 수요에 부응하는 기술로서, 태양광 발전에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양광 발전은 단결정이나 다결정 실리콘을 사용한 태양 전지에 의한 방법이 주류이며, 태양광 발전 장치의 급속한 수요 증가 예측에 대응하여, 주요 재료인 고순도 실리콘을 저렴하게 대량으로 공급하는 것이 요구되고 있다.
현재, 상업적으로 공급되고 있는 고순도 실리콘은 지멘스 공법에 의해 제조되고 있다. 이러한 방법은 제조비용을 차지하는 전력비용이 크고, 또한 회분식 제조가 되기 때문에 생산 효율이 나쁜 방법이다. 더욱이, 원료로서 사용하는 트리클로로실란의 제조 설비, 지멘스 공법에 의한 고순도 실리콘의 제조 공정으로부터 배출되는 분해가스에서 미반응의 트리클로로실란, 수소 및 부생되는 사염화규소 등을 분리·회수·처리하는 부대설비도 필요하다. 이들을 고려하면 지멘스 공법은 저렴하면서도 대량으로 고순도 실리콘을 제조하는 방법으로서는 적합하지 않는다.
고순도 실리콘을 제조하는 방법의 하나로서, 아연 가스에 의해 사염화규소를 환원하여 고순도 실리콘을 제조하는 아연 환원법이 있다. 아연 환원법에 의한 고순도 실리콘의 제조는 1960년대까지 소규모이긴 하지만 상업적으로 실시되고 있었다. 그러나, 지멘스 공법이 개발·실용화되고 나서는 아연 환원법에 의한 고순도 실리콘의 상업적인 제조는 실시되지 않았다. 지멘스 공법에 의해 제조된 고순도 실리콘의 전기 특성이 당시 아연 환원법에 의해 제조된 고순도 실리콘보다도 좋고, 또한 고순도 실리콘의 수요는 반도체용이 중심이어서 양도 한정적이었다는 점에서, 고비용이지만 지멘스 공법에 의한 제조가 많이 실시되어 현재에 이르렀다.
고순도 실리콘을 저렴하게 대량으로 제조하는 기술 검토는 계속적으로 실시되어 보고가 이루어지고 있다(비특허 문헌 1). 이러한 보고의 결론으로서는, 이하의 제조 공정을 조합시킨 방법이 지멘스 공법에 비해, 그리고 다른 방법에 비해 가장 제조비용을 싸게 하여 고순도 실리콘을 제조하는 가능성을 갖는다고 한다. 상기 방법은,
(1) 유동층 중에서 사염화규소를 아연 가스로 환원하여 생성된 실리콘을 투입된 시드 실리콘(seed silicon) 위에 성장시켜 발출(拔出)하는 고순도 실리콘의 제조 공정,
(2) 부생되는 염화아연 가스, 미반응의 아연 가스 및 미반응의 사염화규소 가스를 유동층 반응 장치의 상부에서 연속적으로 발출하고, 응축 장치로 염화아연 및 아연을 혼합 액체로서 포집하여 미반응의 사염화규소와 분리하는 분리 회수 공정,
(3) 응축된 염화아연 및 아연의 혼합 액체를 용융염 전해 장치로 보내서 전해하여 염소와 아연을 회수하는 공정,
(4) 회수한 염소와 규산(SiO2) 및 탄소, 또는 금속 실리콘을 반응시켜, 사염화규소를 제조하는 공정을 포함하고, 용융염 전해된 아연이 순환 사용되는 방법이다. 또한, 이러한 고순도 실리콘 제조 방법에 의해, 50톤/년의 고순도 실리콘을 생산하는 파일럿 제조 장치를 설계해서 제조비용을 시산(試算)하여, 다른 방법에 비해 가장 낮은 비용으로 제조가 가능하다고 한다.
상기 보고서에 기재된 방법을 참조로 각 공정의 문제점을 철저하게 조사하여, 아연 환원법에 의한 고순도 실리콘의 제조를 구체화하는 검토가 실시되고 있다. 예를 들면, 사염화규소 가스를 아연 가스로 환원하여 고순도 실리콘을 제조하는 공정에서는, 종형 반응기를 사용하여 반응기 내에 사염화규소 가스와 아연 가스를 공급하여 사염화규소 공급 노즐의 선단부에 고순도 실리콘을 생성시키고, 나아가 고순도 실리콘을 하방을 향하도록 성장시키는 방법이 개시되어 있다(특허 문헌 1). 그러나 대량의 고순도 실리콘을 제조하기 위해서는, 대량으로 아연 가스를 제어하면서 공급하는 방법 및 그 장치가 필요하지만 그 구체적인 방법은 개시되어 있지 않다.
아연 가스를 공급하는 방법으로서는, 플런저를 사용해서 융체 아연을 아연 가스 발생기로 도입하여, 그 내부에 배치되며 외부로부터 유도 가열되는 그라파이트 트레이에 접촉시켜서 가열하고, 플런저에 의한 도입량에 대응한 아연 가스를 발생시키는 방법이 개시되어 있다(비특허 문헌 1). 그러나 이러한 방법으로는, 아연 가스의 발생 속도는 그라파이트 트레이로부터의 전열량에 의해 한정되어, 단위 시간당의 발생량을 크게 취하기 어렵다. 또한. 그라파이트 트레이 등과 같이 탄소를 주성분으로 하는 장치 재료는 아연 가스 중으로 탄소분을 혼재시키므로 바람직하지 못하고, 더욱이 그라파이트에 포함되는 인(P)이나 철(Fe) 등의 중금속 성분을 혼재시키므로 바람직하지 못하다. 또한, 도입된 융체 아연 모두가 가스화되어 융체 아연 중에 존재하는 불순물의 대부분도 가스화되어 아연 가스 중으로 동반되기 때문에, 이러한 아연 가스를 사용하여 아연 환원법에 의해 제조된 고순도 실리콘의 전기 특성에 영향을 준다.
석영으로 만들어진 장치 내에 미리 정제된 금속 입자체를 연속적으로 투입하고, 나아가 투입된 금속 입자체를 외부로부터 유도 가열해서 용융 금속으로 하며, 투입된 양에 상당하는 용융 금속을 증발 용기 내로 유하(流下)시켜 유하된 용융금속을 외부에서 가열하여 모두 증발시켜서 금속 가스를 발생시키는 장치가 개시되어 있다(특허 문헌 2). 그러나 이와 같은 구성에서는, 미리 투입하는 금속을 필요한 순도까지 정제 처리하는 것이 필요하다는 점, 또한 증발 용기 외부로부터의 가열량이 크지 않다는 점에서 증발량이 한정되어, 단위 시간당의 발생량을 크게 하여 금속 가스를 발생할 수 없다.
여기서, 고주파 유도 가열 방식에 의해 융체 아연으로부터 아연 가스를 발생시킬 때의 문제점에 대해서 설명한다. 고주파 유도 가열 방식은, 아연 바로 자체에 유도 전류를 흘려서 자기 발열시키는 것으로서, 융체 아연의 온도가 아연의 끓는점에 도달하면, 과잉 전력을 인가해도 융체 아연의 온도는 아연의 끓는점 온도 이상으로는 되지 않고, 입력한 과잉전력에 상당하는 아연 가스가 발생한다. 이렇게 하여 발생한 아연 가스의 온도도 아연의 끓는점 온도라는 점에서, 주위의 저온부(아연의 끓는점 온도보다도 낮은 부분)와 접촉하면, 아연 가스가 식어서 일부가 결로(응축)상태가 된다. 아연 환원 반응으로의 공급을 생각하면, 아연 가스 공급 장치에서 발생한 아연 가스는 기상(氣相) 상태에서 이송되지 않으면 안 되고, 이를 위해서는 발생한 아연 가스를 끓는점 이상의 온도로 승온, 즉 과가열할 필요가 있다. 그러나 아연 가스에는 고주파 유도 전류가 흐르지 않고, 자기 발열하는 일은 없기 때문에, 고주파 유도 가열 방식으로는 과가열된 아연 가스를 얻을 수 없다.
아연용탕을 유지하는 용해 유지로와 유도 가열 코일과 흑연 도가니를 갖는 증발로를 구비하며, 용해 유지로와 증발로의 하부를 흑연 슬리브(sleeve)제의 연통관으로 결합하고, 흑연 슬리브의 바깥둘레에 유도 가열 코일을 감고, 전체를 캐스터블 시멘트층에 일체로 매립한 연속 아연 증발로가 개시되어 있다(특허 문헌 3). 그러나 이러한 구성의 장치로는 연속적으로 아연을 증발시킬 수는 있지만, 상술한 바와 같이, 과가열된 아연 가스를 발생시킬 수는 없다. 또한, 이 문헌은 공급 속도를 제어하면서 과가열된 아연 가스를 공급하는 방법에 관하여 어떠한 개시도 시사도 하고 있지 않다. 또한, 이러한 장치에서는, 흑연 도가니나 흑연 슬리브를 사용하고 있기 때문에, 아연 가스 중에 탄소분이 혼재되어 바람직하지 못하다.
선행 기술 문헌
[특허 문헌]
특허 문헌 1：일본 특허 공개 공보 2007-145663호
특허 문헌 2：일본 특허 공개 공보 2008-184641호
특허 문헌 3：일본 실용신안 공개 공보 소61-199567호
[비특허 문헌]
비특허 문헌 1：Seifelt D. A. and Browning M. F., "Pilot-Scale Development of the Zinc Reduction for Production of High-Purity Silicon" AIChE Symposium Series[(American Institute of Chemical Engineers) No. 216, Vol. 78, p104-115(1982)]
본 발명의 과제는 아연의 끓는점 이상으로 과가열된 아연 가스를 제어된 공급 속도로 공급하는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 과가열된 아연 가스를 큰 공급 속도로 제어해서 효율적으로 공급하는 방법을 제공하는 것이다. 나아가, 아연 가스로 동반되는 불순물의 양을 억제하여 과가열된 아연 가스를 공급하는 방법 및 이 방법에 사용하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명자들은 상술한 과제를 해결하기 위해서 예의 검토를 거듭한 결과, 고주파 유도 가열 수단에 입력하는 전력의 양에 의해 아연 가스의 발생 속도를 제어할 수 있는 것을 찾아내어 본 발명을 완성함에 이르렀다. 본 발명은 이하에 나타내는 사항 [1] 내지 [9]를 포함한다.
[1] 아연 가스 증발 장치에 융체 아연을 도입하는 공정 (1);
아연 가스의 공급 속도에 대응한 전력을 입력하고, 고주파 유도 가열에 의해 아연을 자기 발열시켜서 상기 융체 아연으로부터 아연 가스를 발생시키는 공정 (2);
발생한 아연 가스를 가스 가열 장치에 도입하는 공정 (3); 및
상기 아연 가스를 저항 가열에 의해 가열해서 과가열된 아연 가스로 하는 공정 (4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연 가스의 공급 방법.
[2] 상기 공정 (2)가 아연 가스 증발 장치 내의 융체 아연의 액면이 액면 높이 40% 내지 100%의 범위에 있을 때에 실시되는 것을 특징으로 하는 사항 [1]에 기재된 아연 가스의 공급 방법.
[3] 아연 가스 증발 장치에 도입하는 융체 아연의 온도가 430℃ 내지 700℃의 범위이고,
고주파 유도 가열에 의해 발생시킨 아연 가스의 온도가 아연의 끓는점 온도이며,
과가열시킨 아연 가스의 온도가 아연의 끓는점 온도 내지 1,100℃의 범위인 것을 특징으로 하는 사항 [1] 또는 [2]에 기재된 아연 가스의 공급 방법.
[4] 아연 가스 증발 장치에 도입하는 융체 아연이 염화아연을 전해해서 얻어진 융체 아연 및 전해 아연, 건식 정련 아연 또는 리사이클 아연을 융해해서 얻어진 융체 아연으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 융체 아연인 것을 특징으로 하는 사항 [1] 내지 [3] 중에서 어느 하나의 사항에 기재된 아연 가스의 공급 방법.
[5] 아연 가스 증발 장치에 도입하는 융체 아연이 염화아연을 전해하여 얻어진 융체 아연인 것을 특징으로 하는 사항 [4]에 기재된 아연 가스의 공급 방법.
[6] 상기 공정 (1)이 아연 가스 증발 장치 내의 융체 아연의 중량 및 온도를 계측하면서 아연 가스 증발 장치에 융체 아연을 도입하는 공정이며,
상기 공정 (2)가 아연 가스 증발 장치의 방열량 및 고주파 유도 가열의 장치 효율로부터 산출된 아연 가스의 공급 속도에 대응한 전력을 입력하고, 고주파 유도 가열에 의해 아연을 자기 발열시켜서 융체 아연으로부터 아연 가스를 발생시키는 공정인 것을 특징으로 하는 사항 [1] 내지 [5] 중에서 어느 하나의 사항에 기재된 아연 가스의 공급 방법.
[7] 아연 가스 증발 장치 내의 융체의 온도가 아연의 끓는점 온도가 될 때까지, 아연 가스 증발 장치의 내부가 아연의 끓는점 온도시의 장치의 방열량에 상당하는 고주파 유도 전력을 입력하고, 융체 아연의 온도를 아연의 끓는점 온도까지 상승시키는 공정; 및
아연 가스 증발 장치 내의 융체의 온도가 아연의 끓는점 온도가 되었을 때부터 아연 가스 증발 장치 내의 융체 아연의 중량 및 온도를 계측하면서, 아연 가스 증발 장치에 융체 아연을 도입하는 공정을 더 포함하고,
상기 공정 (2)가 아연 가스의 공급 속도에 대응한 전력을 입력하고, 고주파 유도 가열에 의해 융체 아연으로부터 목적 속도의 아연 가스를 발생시키는 공정인 것을 특징으로 하는 사항 [1] 내지 [5] 중에서 어느 하나의 사항에 기재된 아연 가스의 공급 방법.
[8] 상기 공정 (1)이, 아연 가스 증발 장치 내의 융체 아연의 중량 및 온도, 및 아연 가스 증발 장치에 도입하는 융체 아연의 온도를 계측하면서, 아연 가스 증발 장치에 융체 아연을 아연 가스의 공급 속도와 같은 속도로 도입하는 공정이고,
상기 공정 (2)가 아연 가스 증발 장치의 방열량, 고주파 유도 가열의 장치 효율 및 아연 가스 증발 장치에 도입하는 융체 아연의 온도로부터 산출된 아연 가스의 공급 속도에 대응한 전력을 입력하고, 고주파 유도 가열에 의해 아연을 자기 발열시켜서 융체 아연으로부터 아연 가스를 발생시키는 공정이며,
융체 아연의 도입과 아연 가스의 발생이 연속적으로 실시되는 것을 특징으로 하는 사항 [1] 내지 [5] 중에서 어느 하나의 사항에 기재된 아연 가스의 공급 방법.
[9] 사항 [1] 내지 사항 [8] 중에서 어느 하나의 사항에 기재된 아연 가스의 공급 방법에 사용되고, 아연 가스 증발 장치, 가스 가열 장치 및 컨트롤 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연 가스의 공급 장치.
상기 사항 [1]의 방법에 의하면, 고주파 유도 가열 수단에 입력하는 전력을 제어하여, 목적의 공급 속도로 과가열된 아연 가스를 발생시킬 수 있다. 또한, 아연 가스 발생 공정과 과가열 공정을 나누어서 제어하는 것이 가능하게 되어 제어가 간단해진다. 입력 전력의 양을 변화 또는 정지함으로써 아연 가스의 발생 속도의 변화 또는 정지를 간편하게 실시할 수 있다.
고주파 유도 가열에 의해 융체 아연을 직접 가열하는 방법을 채용하는 것에 의해, 큰 에너지를 줄 수 있고, 큰 공급 속도로 아연 가스를 공급하는 것이 가능해 진다. 더욱이, 고주파 유도 가열 수단에 입력하는 전력은 작은 전력부터 큰 전력까지 폭넓게 변화가 가능하여, 과가열된 아연 가스를 작은 공급 속도로부터 큰 공급 속도까지 바꿀 수 있다.
상기 사항 [2]의 방법에 의하면, 고주파 유도 가열의 효율을 높게 유지하여 운전할 수 있으면서 그와 함께, 융체 아연 중의 불순물이 아연 가스에 동반되는 것을 억제하고, 나아가 융체 아연 중의 불순물을 제거한 아연 가스를 공급할 수 있다.
상기 사항 [3]의 방법에 의하면, 도입하는 융체 아연은 도입에 적합한 점도·흐름성을 가지며, 고주파 유도 가열을 받아서 발생한 끓는점 온도의 아연 가스를 저항 가열로 빠르게 과가열할 수 있다.
상기 사항 [4]의 방법에 의하면, 다양한 제법에 의해 얻어진 아연을 사용하고, 과가열된 아연 가스를 발생시킬 수 있다.
상기 사항 [5]의 방법에 의하면, 염화아연의 전해에 의해 얻어진 용융 상태의 융체 아연을 사용하는 것에서, 아연을 가열해서 융체로 할 필요 없이, 에너지 소비량을 억제할 수 있다.
상기 사항 [6]의 방법에 의하면, 고주파 유도 가열 수단에 입력하는 전력에 의해 제어하고, 목적의 공급 속도로 과가열된 아연 가스를 발생시킬 수 있다.
상기 사항 [7]의 방법에 의하면, 고주파 유도 가열 수단에 입력하는 전력을 제어하고, 목적의 공급 속도로 과가열된 아연 가스를 발생할 때까지의 상승 시간(rise time)을 단축할 수 있다.
상기 사항 [8]의 방법에 의하면, 고주파 유도 가열 수단에 입력하는 전력을 제어하여, 목적의 공급 속도로 과가열된 아연 가스를 연속적으로 발생시킬 수 있다.
상기 사항 [9]의 장치를 사용하면, 고주파 유도 가열에 입력하는 전력을 제어하여, 목적의 공급 속도로 과가열된 아연 가스를 발생시킬 수 있다.
도 1은 아연 가스 공급 장치를 구성하는 장치의 개념도이다.
도 2는 아연 가스 증발 장치의 단면도의 일예이다.
도 3은 가스 가열 장치의 단면도의 일예이다.
도 4는 드로스(dross) 처리 수단의 일예 및 수용구에 연결된 예를 나타내는 개념도이다.
도 5는 실시예 1로 얻어진 입력 전력과 증발 속도와의 관계도이다.
도 6은 실시예 2로 얻어진 액면 높이 위치와 효율과의 관계도이다.
도 7은 본 발명의 아연 가스의 공급 방법을 고순도 실리콘의 제조에 사용할 경우의 일예를 나타내는 개념도이다.
도 2는 아연 가스 증발 장치의 단면도의 일예이다.
도 3은 가스 가열 장치의 단면도의 일예이다.
도 4는 드로스(dross) 처리 수단의 일예 및 수용구에 연결된 예를 나타내는 개념도이다.
도 5는 실시예 1로 얻어진 입력 전력과 증발 속도와의 관계도이다.
도 6은 실시예 2로 얻어진 액면 높이 위치와 효율과의 관계도이다.
도 7은 본 발명의 아연 가스의 공급 방법을 고순도 실리콘의 제조에 사용할 경우의 일예를 나타내는 개념도이다.
이하, 본 발명의 과가열된 아연 가스를 공급하는 방법 및 이러한 방법에 사용하는 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 아연 가스의 공급 방법은, 아연 가스 증발 장치에 융체 아연을 도입하는 공정과, 아연 가스의 공급 속도에 대응한 전력을 입력하고, 고주파 유도 가열에 의해 아연을 자기 발열시켜서 융체 아연으로부터 아연 가스를 발생시키는 공정과, 발생한 아연 가스를 가스 가열 장치에 도입하는 공정과, 아연 가스를 저항 가열에 의해 가열해서 과가열된 아연 가스라고 하는 공정을 포함한다.
여기서, 아연은 이하의 표 1 내지 표 3에 나타내는 물성값 및 열물성값을 갖는다.
[표 1]
[표 2]
[표 3]
아연의 기화열은 1764kJ/㎏이며, 예를 들면 420℃의 융체 아연을 907℃까지 가열하는데 필요한 열량 233kJ/㎏(비열(比熱)은 표 2의 정압 비열의 420℃와 907℃ 값의 평균값을 사용해서 계산)과 비교하면 한자리 정도 크다. 따라서, 420℃ 정도의 융체 아연을 가열해서 아연 가스를 발생시키기 위해서는, 기화시키는 단계에서 에너지를 효율적으로 융체 아연에 더하는 것이 중요하다. 아연 가스를 과가열하여, 1,100℃의 아연 가스로 하기 위해서는 61.4kJ/㎏의 열량을 더하면 좋고, 사염화규소를 아연 가스에 의해 환원하여 고순도 실리콘을 제조하는 반응 온도, 예를 들면, 950℃의 아연 가스로 하기 위해서는 13.7kJ/㎏의 열량을 더하면 좋다. 기화 단계의 가열 방법을 적절하게 선택하는 것이 과가열된 아연 가스의 공급에 관해서 중요한 기술이라는 것을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 방법에 의해 과가열된 아연 가스의 공급을 실시하는 장치의 일예를 나타내는 개념도이며, 아연 가스 공급 장치(1)는 아연 가스 증발 장치(10), 가스 가열 장치(20) 및 컨트롤 장치(30)를 구비한다. 컨트롤 장치(30)는 도입하는 융체 아연의 온도, 아연 가스 증발 장치(10)의 중량, 아연 가스 증발 장치(10) 내의 융체 아연의 온도 및 가스 가열 장치(20)의 온도 등의 상태량을 검출해서 표시하고, 그 상태량에 의거하여 아연 가스 증발 장치(10) 및 가스 가열 장치(20)에 입력하는 전력을 제어하며, 아연 가스의 발생 속도를 제어한다. 발생원(A)으로부터 공급되는 융체 아연은 계량 수단(B)에 의해 계량되어, 드로스 처리 수단(C)을 거쳐서 아연 가스 증발 장치(10)로 도입된다. 계량 수단(B)과 드로스 처리 수단(C) 및 아연 가스 증발 장치(10)와 가스 가열 장치(20) 등의 장치들 사이의 배관은 단열재로 보온하고, 필요에 따라 더 가열한다.
도 2는 아연 가스 증발 장치(10)의 일례를 나타내는 개념도이며, 용융 아연을 유지하는 도가니(101), 도가니(101)를 유지하며 둘러싸도록 설치되는 단열재(102), 그 주위에 감겨있는 유도 코일(103)을 더 가진다. 도가니(101)의 상부에는, 수용구(105), 아연 가스 출구(106), 온도 계측구(110) 및 불활성 가스 도입구(111)를 갖는 증발기 덮개(107)가 배치된다. 도가니(101)를 유지하는 단열재(102)는 바닥판(108) 상에 배치되며, 나아가 칭량 장치(109) 위에 설치된다. 전체적으로는 케이싱(112)에 의해 둘러싸인다. 유도 코일(103)은 인버터나 콘덴서 뱅크 등으로 이루어지는 전력 공급 설비(도시되지 않음) 및 유도 코일 냉각 설비(도시되지 않음)에 접속된다. 전력 공급 설비는 컨트롤 장치(30)에 의해 제어된다.
도가니(101)는 내부에 유지된 용융 아연이 주위에 배치된 유도 코일(103)에 의해 균등하게 가열될 필요가 있는 점에서, 도가니(101)의 형상은 원통형인 것이 바람직하다. 둥근 형상의 바닥을 갖는 도가니(101)는 내부 변형이 잘 생기지 않아 강도가 높으므로 더욱 바람직하다. 도가니(101)의 재질은 융체 아연을 유지할 수 있고, 사용 온도 범위에 있어서 내성을 가지며, 융체 아연의 품질에 영향을 주지 않는 재료라면 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들면, 석영이나 세라믹재가 바람직한 재질이며, 특히 부도체인 석영이 바람직하다. 부도체인 석영 도가니(101)는 유도 가열되지 않고 융체 아연이 직접 가열되기 때문에, 전력의 공급을 정지하는 즉시 증발이 정지한다.
도가니(101)의 높이, 직경 및 바닥의 곡률 반경, 그리고 유도 코일(103)의 높이 및 직경은 특별하게 한정되지 않고, 유도 전류의 침투 깊이, 유도 가열의 효율, 증발 면적 및 필요한 증발량에 의해 결정하면 좋다. 가늘고 길수록 유도 가열 효율이 증가하고, 굵을수록 증발 면적은 커진다. 예를 들면, 외경 460㎜, 내경 400㎜, 곡률반경 230㎜ 및 높이 750㎜의 석영제 도가니(101)와, 높이 500㎜ 및 내경 550㎜의 유도 코일(103)을 사용하여, 유도 코일(103)의 상단을 도가니(101)의 상단으로부터 220㎜ 하방으로 배치하였을 경우, 유도 코일의 상단까지 융체 아연을 넣었을 때의 융체 아연의 중량은 약 330㎏이 된다. 액면 높이 위치 40%의 융체 아연의 중량은 약 90㎏이 된다. 이러한 240㎏의 차이는 아연 가스 증발 장치(10)로 융체 아연의 추가 도입을 실시하지 않고 공급할 수 있는 아연 가스의 양이 된다. 여기서, 액면 높이 위치(%)라는 것은 유도 코일(103)의 상단의 높이를 100(%)으로 하여 유도 코일(103)의 하단으로부터의 상대 높이를 백분율(%)로 표기한 것으로 정의한다. 직경 900㎜정도의 불투명 석영제 관(管)은 시장에서 입수가 가능하며, 이를 가공하여 큰 구경의 도가니로 하는 것도 가능하다.
유도 코일(103)의 상단은 도가니(101)의 상부에서 융체 아연을 유도 가열했을 때에 일어나는 융체의 고조 높이보다 큰 여유를 갖도록 배치하면 좋다. 예를 들면, 상기 크기의 도가니(101)에 330㎏의 융체 아연을 넣어서 400㎏/hr의 증발 속도로 500㎐의 고주파 유도 가열을 실시할 경우, 융체 아연이 200㎜ 정도 고조되므로, 유도 코일(103)의 상단은 도가니(101)의 상부에서 200㎜ 이상의 여유를 가지고 배치하면 좋다.
도가니(101)는 단열재(102)에 의해 둘러싸여 지지된다. 단열재(102)는 융체 아연을 유지한 도가니(101)를 유지할 수 있는 강도를 가지고, 유도 가열되지 않는 재질이며, 작은 열전도율을 가지는 것이면 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들면, 단열재(102)로서는 규사, 실리카 분말 및 규사나 실리카 분말을 포함하는 캐스터블재가 바람직하고, 유지를 고려하면 규사가 보다 바람직하다. 유도 코일(103)과 도가니(101) 사이의 간극을 메우도록 단열재(102)를 충전해서 설치해도 된다.
증발기 덮개(107)의 재질은 아연 가스에 대하여 내성이 있으며, 작은 열전도율을 가지고, 유도 가열되지 않으며, 수용구(105)나 아연 가스 출구(106) 등을 설치할 수 있도록 가공이 가능한 재료라면 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들면, 석영이나 세라믹재가 바람직하게 사용된다. 석영으로 만들어진 증발기 덮개(107)를 세라믹 섬유 보드나 블랭킷으로 덮도록 해도 좋다. 세라믹재로서 실리카-알루미나계의 저(低) 시멘트 캐스터블을 사용할 수도 있다.
바닥판(108)의 재질은 작은 열전도율을 가지고, 유도 가열되지 않으며, 가공이 가능한 재료라면 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들면, 세라믹재가 바람직하게 사용되고, 세라믹재로서 실리카-알루미나계의 저 시멘트 캐스터블을 사용할 수도 있다.
수용구(105)의 구조는 증발한 아연 가스가 역류하지 않고 융체 아연을 공급할 수 있게 액봉(液封) 기구를 가지고 있으면 특별하게 한정되지 않는다. 도 2와 같이 외부에 액봉 기구를 설치한 구성으로 해도 되고, 도가니(101)에 홀딩되는 융체 아연의 내부까지 융체 아연을 도입하는 관을 연장하여 액봉 기구가 되도록 구성해도 된다. 수용구(105)에 사용하는 재질은 융체 아연 및 아연 가스에 대하여 내성이 있어서 가공이 가능한 재료이면 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들면, 석영이나 세라믹재가 바람직하게 사용된다. 특히 석영은 가공이 용이한 재료라는 점에서 바람직하다.
도 3은 증발한 아연 가스를 받아들여서 과가열하는 가스 가열 장치(20)의 일예를 나타내는 개념도이며, 가열 존(201), 단열 보호 커버(202), 저항 가열 히터(203), 온도계(204) 및 아연 가스 온도계(205)를 구비한다. 가열 존(201)은 중공관 구조를 가지고, 외부로부터 저항 가열 히터(203)로 가열하는 방식의 예시이다. 가열 존(201)의 내부에 가열 기구를 더 가지는 구조로 해도 좋고, 또한 아연 가스에 내성이 있는 충전물이나 구축물을 가열 존(201)의 내부에 배치한 구조로 하여도 좋다. 가열 존(201)의 재질은 사용 온도에 있어서 아연 가스에 내성이 있으며, 가공이 가능한 재료라면 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들면, 석영이나 세라믹재가 바람직하게 사용되고, 석영은 가공성도 좋으므로 특히 바람직하게 사용된다.
가열 존(201)의 길이 및 내경은, 아연 가스의 공급 속도 및 공급 온도 및 저항 가열 히터(203)의 가열 온도로부터 필요한 전열 면적을 확보하도록 설계하면 좋다. 저항 가열 히터(203)는 칸탈선, 탄화규소 및 이규화몰리브덴을 사용한 저항 가열 히터들 중에서 과가열 온도에 따라 선택해서 사용하면 좋다. 도 3의 참조 부호 20a, 20b 등과 같이 직관 형상의 저항 가열 히터(203)를 분할되는 단열 보호 커버에 장착한 형상으로 해도 되고, 또한 굴곡이 가능한 저항 가열 히터는 가열 존(201)을 둘러싸도록 배치하여도 된다.
도 4는 잠수 둑 방식(submerged weir)에 의한 드로스 처리 수단(C)의 일예를 나타내는 개념도이며, 드로스 처리 수단(C)을 수용구(105) 전에 연결하여 사용한 예이다. 융체 아연은 아연 가스 발생 장치(1)로 도입될 때까지, 저류(貯留), 수송 및 계량 등을 할 때, 공기와의 접촉이나 사용한 재질과의 작용에 의해 발생한 드로스를 포함하는 경우가 있다. 드로스가 아연 가스 증발 장치에 유입되는 것을 막기 위해서, 내부에 복수의 둑을 구비한 드로스 처리 수단(C)을 수용구(105) 전에 설치하는 것이 바람직하다. 드로스 처리 수단(C)에 사용하는 장치의 재질은 융체 아연에 대하여 내성이 있어서 가공이 가능한 재료라면 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들면, 석영이나 세라믹재가 바람직하게 사용되고, 또한 이들을 조합시켜 사용할 수도 있다. 또한, 드로스 처리 수단(C)에는 가열에 의해 도입하는 융체 아연의 온도를 조절하는 기구를 가지는 것, 그리고 불활성 가스를 도입해서 공기와의 접촉을 방지하는 기구를 가지는 것이 바람직하다.
계량 수단(B)으로서는, 예를 들면, 레이들(ladle)을 사용해서 이송하는 방법이나 펌프를 사용해서 이송하는 방법 등과 이송된 융체 아연의 중량 변화를 검출해서 도입량을 산출하는 방법을 조합시킨 수단, 펌프를 사용해서 이송하는 방법과 펌프의 토출(吐出) 속도로부터 도입량을 산출하는 방법을 조합시킨 수단 등이 이용 가능하다. 나아가 밸브나 밸브를 사용해서 유량의 제어를 실시하는 것, 흐름의 도중에 둑을 설치하는 방법 등을 조합시키는 것도 가능하다.
아연 가스의 공급은 이하의 방법에 의해 실시된다. 발생원(A)으로부터 공급된 융체 아연을 계량 수단(B)으로 계량한 후, 드로스 처리 수단(C)에 넣어 드로스를 처리한다. 드로스 처리 수단(C)으로부터 유출되는 융체 아연을, 예를 들면, 불활성 가스를 사용한 씰(seal) 구조로서 공기(산소함량)의 침입을 막도록 연결하여 수용구(105)로부터 아연 가스 증발 장치(10)로 도입한다.
아연 가스 증발 장치로 도입하는 융체 아연의 온도(T1)를, 예를 들면, 드로스 처리 수단에 구비한 온도 계측 수단으로 측정한다. 가스 증발 장치(10)로 도입한 융체 아연의 양은 칭량 장치(109)를 사용해서 아연 가스 증발 장치(10)의 중량변화를 측정해서 구한다. 아연 가스 증발 장치(10) 내의 융체 아연의 온도(T2)는 온도 계측구(110)로부터 삽입된 보호관(예를 들면, 석영제)으로 보호한 열전대 검출기 등의 온도 검출 수단으로 측정한다.
아연 가스 증발 장치(10)로 도입되는 융체 아연의 온도(T1)는 430℃ 내지 700℃의 범위가 바람직하고, 450℃ 내지 600℃의 범위가 보다 바람직하고, 450℃ 내지 550℃의 범위가 더욱 바람직하다. 아연은 융점의 420℃ 이상에서 융체 아연이 되며, 점성이 낮고 높은 유동성을 나타낸다는 점에서, 420℃ 이상으로 유지된 융체 아연이면 좋고, 430℃ 이상의 융체 아연이면 응축될 우려도 적으므로 바람직하다. 아연의 증기압은 700℃에서는 8kPa로 낮으므로, 증기압의 면에서는 700℃ 이하가 바람직하다.
도입하는 융체 아연으로서는 염화아연의 용융염 전해로 산출되는 융체 아연 및 전해 아연, 건식 정련 아연 또는 리사이클 아연을 통상적으로 실시되는 방법으로 융해하여 얻어진 융체 아연 등을 사용할 수 있다. 도입하는 융체 아연은 1종을 사용해도 되고, 또는 2종 이상을 조합시켜서 사용하여도 된다.
염화아연의 용융염 전해는 단염에서 전해하는 경우 또는 복염을 사용해서 전해하는 경우 중에서 어느 경우라도, 450℃ 내지 500℃ 정도에서 전해가 실시된다. 단염에서의 전해 또는 복염을 사용해서의 전해 중에서 어느 경우라도, 아연의 융점 이상의 온도이면서 또한 전해 온도 이하인 450℃ 내지 500℃에서 융체 아연이 산출되게 된다. 용융염 전해로부터 산출된 450℃ 내지 500℃의 융체 아연을 도입하는 경우는, 아연 가스 증발 장치(10)에서 고주파 유도 가열에 필요한 에너지의 양이 적어지므로 특히 바람직하다.
아연 가스 증발 장치(10) 내의 융체 아연의 액면의 높이는 미리 아연 가스 증발 장치(10)에 융체 아연을 도입하여, 칭량 장치(109)의 표시량과 액면의 높이의 관계를 구하고, 이러한 관계식으로 칭량 장치(109)의 값을 측정하여 융체 아연의 액면의 높이를 구한다. 융체 아연의 온도에 의한 밀도 변화는 적으므로, 칭량 장치(109)의 중량으로부터 융체 아연의 액면을 높은 정밀도로 구할 수 있다.
아연 가스 증발 장치(10)로 입력한 전력이 가열 에너지로 변환되는 장치 효율(K)은 아래와 같이 구한다. 아연 증발 장치(10)에 융체 아연을 도입하고, 입력 전력의 양을 바꾸면서 아연 가스 증발 장치(10)의 중량 감소 속도를 측정하여, 입력 전력량과 중량 감소 속도의 관계식을 구한다. 입력 전력에 대한 중량 감소 속도의 기울기와 입력 전력에 대한 아연의 기화열로부터 계산되는 중량 감소 속도의 기울기의 비(比)로 장치 효율(K)을 구한다.
아연 가스 증발 장치(10)의 방열량(QV：단위 ㎾)은, 중량 감소 속도가 0일 때의 입력 전력(WV：단위 ㎾), 즉 방열량과 평형이 되는 가열에 필요한 입력 전력의 양에서 하기 수학식 1에 의해 계산된다.
[수학식 1]
QV＝WV×K
장치 효율(K)은 아연 증발 장치(10) 내의 융체 아연의 높이와 유도 코일(103)과의 위치 관계에서 변화된다는 점에서, 아연 가스의 발생은 장치 효율(K)의 변화가 두드러지지 않는 융체 아연의 높이와 유도 코일(103)과의 위치 관계의 범위에서 실시할 필요가 있다. 융체 아연의 존재 범위가 유도 코일의 높이, 즉 유도 코일의 가열 가능 범위에 대하여 현저하게 좁을 경우에는, 유도 가열 수단에 입력한 에너지를 가열 에너지에 이용하는 효율이 저하하고, 입력 전력에 대응한 아연 가스의 증발량이 얻을 수 없게 된다. 유도 코일의 장치 효율(K)의 변화가 두드러지지 않은, 유도 코일(103)과 융체 아연의 액면의 범위를 미리 구하여, 이와 같은 범위 내에서 유도 가열을 실시하여 입력 전력에 대응한 아연 가스를 발생시킨다.
아연 가스 증발 장치(10)로 도입되어 끓는점 온도(Tb)까지 가열된 융체 아연에서, 공급 속도(VV：단위 ㎏/hr)로 아연 가스를 발생시키기 위해서는, 하기 수학식 2로 산출한 전력(WI：단위 ㎾)을 유도 가열 수단에 입력하면 좋다. 이에 의해, VV의 속도로 끓는점 온도(Tb)의 아연 가스가 발생한다. 유도 가열 수단에 입력되는 전력( WI)을 변경하면, 그 양에 대응한 공급 속도로 아연 가스를 발생시킬 수 있다.
[수학식 2]
WI＝(VV/3600×1764)/K＋WV
아연 가스 증발 장치(10)를 사용해서 아연 가스를 발생시키는 조작의 바람직한 형태는 이하와 같다. 아연 가스 증발 장치(10)에 온도 T1의 융체 아연을 칭량 장치(109)의 표시량을 바탕으로, 유도 코일(103)의 상단에 가까운 레벨까지 도입하여, 수학식 2에 의해 산출된 전력(WI)을 입력한다. 아연 가스 증발 장치(10)의 상태는 온도 T2와 칭량 장치(109)의 표시량의 변화를 측정하여 검출한다. 온도 T2가 온도 Tb 미만의 상태에서는 융체 아연은 온도 상승 상태에 있으며 아연 가스의 발생은 없다. 온도 T2가 온도 Tb와 다름없이 일정해지고, 칭량 장치(109)의 표시량이 변화를 시작한 시점부터, 수학식 2에 의해 산출된 전력(WI)의 입력에 의해 아연 가스가 VV의 속도로 발생한다. 아연 가스 증발 장치(10) 내의 융체 아연의 액면이 액면 높이 위치 40%가 될 때까지, 보다 바람직하게는 액면 높이 위치 50%가 될 때까지, 입력 전력(WI)에 대응한 일정한 공급 속도로 아연 가스를 공급할 수 있다.
융체 아연의 온도(T2)가 끓는점 온도(Tb)가 될 때까지의 입력 전력은 아연 가스 공급 속도(VV)에 대응하는 전력(WI)으로 바꾸고, 장치의 허용 출력의 범위이기는 하나 보다 높은 전력으로 해도 된다. 융체 아연의 온도(T2)가 끓는점 온도(Tb)가 된 시점부터 입력 전력을 WI로 감소시키거나, 혹은 융체 아연의 온도(T2)가 끓는점 온도(Tb)에 근접함에 따라 입력 전력을 WI에 가까워지도록 변경해도 된다. 이로써 융체 아연을 끓는점 온도(Tb)까지 온도 상승시키는 시간을 단축시킬 수 있다.
아연 가스 증발 장치(10)에 온도 T1의 융체 아연을 도입 속도(VIN：단위 ㎏/hr)로 연속적으로 도입하면서, 이와 같은 공급 속도(VV), 즉 VIN＝VV의 상태에서 아연 가스를 발생시키기 위해서는, 하기 수학식 3에 의해 산출한 전력(WI)을 유도 가열 수단에 입력하면 좋다. 이로써 VV의 공급 속도로 끓는점 온도(Tb)의 아연 가스를 연속적으로 발생시킬 수 있다. 단, 수학식 3에 있어서 C는, 온도 T1에 있어서의 융체 아연의 정압 비열과 온도 Tb에 있어서의 융체 아연의 정압 비열의 평균값이다.
[수학식 3]
WI＝(VV/3600×(1764＋C(Tb－T1))/K＋WV
아연 가스 증발 장치(10)의 상태는 온도 T2와 칭량 장치(109)의 표시량의 변화를 관찰함으로써 검출한다. 온도 T2가 온도 Tb과 동일하면서, 또한 칭량 장치(109)의 변화가 없는 경우에는, VV의 평균 속도로 아연 가스가 발생한다.
온도 T2는 온도 Tb과 같은 상태이지만 칭량 장치(109)의 표시량이 감소하고 있을 때는, 융체 아연의 도입 온도(T1)가 당초의 설정보다 높게 되어 있는 상태, 또는 융체 아연의 도입 속도(VIN)가 감소하고 있는 상태이며, 칭량 장치의 변화를 억제하는 것과 같이 도입 온도(T1) 또는 도입 속도(VIN)를 수정한다. 온도 T2는 온도 Tb과 같은 상태이지만 칭량 장치(109)의 표시량이 증가하고 있을 때는, 융체 아연의 도입 온도(T1)가 당초의 설정보다 낮아져 있는 상태, 또는 융체 아연의 도입 속도(VIN)가 증가하고 있는 상태이며, 칭량 장치(109)의 변화를 억제하는 것과 같이 도입 온도(T1) 또는 도입 속도(VIN)를 수정한다. 즉, 유도 가열 수단에 전력(WI)을 입력함으로써, 아연 가스를 VV의 평균 속도로 발생시킬 수 있고, 나아가 칭량 장치(109)의 변화를 억제하도록 융체 아연의 도입 온도(T1) 또는 도입 속도(VIN)를 제어함으로써, 아연 가스를 VV의 평균 속도가 되도록 유지해서 발생시킬 수 있다.
아연 가스 증발 장치(10)로부터 발생한 끓는점 온도(Tb)의 아연 가스를 끓는점 온도 이상에 유지된 배관을 통해서 가스 가열 장치(20)로 도입하고, 예를 들면, 저항 가열 히터(203)를 사용해서 1,100℃ 내지 1,200℃로 가열된 가열 존(201)으로 통과시켜서, 끓는점 이상 내지 1,100℃ 정도, 바람직하게는 940℃ 내지 1,100℃ 정도, 더 바람직하게는 950℃ 내지 1,050℃ 정도로 과가열된다. 가열 존(201)의 길이 및 내경은 아연 가스의 공급 속도와 공급 온도 범위를 만족하도록 필요한 전열 면적을 확보하면 좋다. 저항 가열 히터(203)의 가열이 가능한 온도 범위는 히터의 종류에 따라 다르나, 입수가 용이한 칸탈선을 사용한 저항 가열 히터의 경우, 사용 가능 온도의 상한은 1,200℃ 정도이며, 끓는점 이상 내지 1,100℃의 온도 범위에 과가열된 아연 가스로서 공급할 때에 사용하는 것이 바람직하다.
도 7은 아연 환원법에 의한 고순도 실리콘의 제조에 관한 것으로서, 각 공정과 관련된 일예를 나타낸 개념도이다. 도 7에는 아연 환원법 실리콘 제조 공정으로부터 배출되는 부생한 염화아연을 분리 회수하고, 분리 회수된 염화아연을 용융염 전해 공정으로 보내서 융체 상태에서 공급되는 융체 아연으로부터 드로스를 제거하여 아연 가스 발생 장치로 도입하고, 본 발명의 방법에 의해 아연 가스를 제어한 공급 속도로 공급하여, 아연 가스 환원법에 의한 실리콘의 제조에 다시 사용할 수 있는 것을 나타낸다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위는 이들에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
사용한 아연 가스 증발 장치(10)는, 외경 460㎜, 내경 400㎜, 곡률 반경 230㎜ 및 높이 750㎜의 불투명 석영제 도가니(101)와 높이 500㎜ 및 내경 550㎜의 유도 코일(103)을 구비한다. 도가니(101)는 실리카-알루미나계의 저 시멘트 캐스터블로 만들어진 바닥판(108) 위에 재치되고, 도가니(101)의 주위는 규사로 단열되며, 석영제의 증발기 덮개(107)가 장착되고, 상부는 세라믹 섬유보드로 덮어져, 칭량 장치(플로어 스케일)(109) 위에 놓인다. 고주파 유도 가열에는 500㎐의 주파수와 600㎾의 출력을 갖는 전원을 사용하였다.
이러한 아연 가스 증발 장치(10)에 450℃의 융체 아연 330㎏을 도입하고, 고주파 유도 가열해서 끓는점 온도까지 가열하였다. 고주파 유도 가열하는 입력 전력을 바꾸고, 입력 전력과 중량 감소 속도(아연의 증발 속도) 관계의 근사식을 구하였다. 도 5에 결과를 나타낸다. 시험에 사용한 장치로는 기울기가 1.0(㎏/hr·㎾), 중량 감소 속도가 0일 때의 입력 전력(WV)은 35㎾가 되고, 입력 전력에 대하여 중량 감소 속도는 직선 관계를 나타내었다. 입력 전력을 변화시킴으로써, 대응한 속도로 아연을 증발할 수 있다는 것이 확인되었다. 기화열로부터 구한 입력 전력에 대한 아연의 증발 속도의 기울기는 2.04(㎏/hr·㎾)이며, 실시예에서 사용한 아연 가스 증발 장치(10)의 장치 효율(K)은 50%가 되고, 방열량(QV)은 17.5㎾이었다.
실시예 2
실시예 1과 같은 장치를 사용하여 융체 아연의 액면이 변화되었을 경우의 장치 효율(K)의 변화를 구하였다. 도 6에 결과를 나타낸다. 장치 효율(K)은 융체 아연의 액면이 액면 높이 위치 50%보다도 위에 있을 경우에는 변화가 거의 없고, 융체 아연의 액면이 액면 높이 위치 40%보다 낮아지면, 장치 효율(K)의 저하가 명확하게 보였다. 융체 아연의 액면 높이 위치 40%보다 위의 범위를 유지하면, 장치 효율(K)의 변화는 두드러지지 않으며, 입력 전력으로 제어하여 아연 가스의 발생이 가능하고, 나아가 액면 높이 위치 50%보다 위의 범위를 유지하면, 높은 정밀도로 유도 가열이 가능해진다는 것을 알았다.
실시예 3
실시예 1과 같은 아연 가스 증발 장치(10)에 칸탈선 히터를 사용해서 1,100℃로 가열한, 길이 3,000㎜ 및 내경 100㎜의 불투명 석영제의 가열 존(201)을 갖는 가스 가열 장치(20)를 연결하고, 나아가 가스 가열 장치(20)의 출구를 아연 가스의 냉각 회수기에 연결하였다. 용융염 전해하여 얻어진 융체 아연을 사용하여 과가열된 아연 가스의 공급 시험을 실시하였다. 냉각 회수기는 표면을 열전도가 큰 세라믹 캐스터재로 라이닝된 스틸제이며, 주위를 수냉 재킷으로 둘러싸서 칭량 장치(플로어 스케일) 위에 재치하여, 냉각 회수한 아연량을 측정할 수 있게 하였다.
아연 가스를 VV＝250㎏/hr의 공급 속도로 발생시키는 시험을 실시하였다. 대응하는 입력 전력은, WI＝280㎾로 산출되었다. 용융염 전해하여 얻어진 450℃의 융체 아연 330㎏을 아연 가스 증발 장치(10)에 도입하고, 280㎾의 전력을 입력하였다. 융체 아연의 온도(T2)는 상승을 시작하여, 약 10분으로 끓는점 온도가 되고, 칭량장치(플로어 스케일)(109)의 표시량이 감소하기 시작하여 아연 가스가 발생하기 시작하였다. 가스 가열 장치(20)에 설치한 아연 가스 온도계(205)의 온도는 950℃ 내지 970℃로 대략 일정한 값을 나타냈다. 칭량 장치(플로어 스케일)(109)의 표시량이 융체 아연의 액면의 높이가 액면 높이 위치의 40%에 상당하는 중량이 될 때까지 전력을 입력하여 아연 가스의 발생을 계속한 후, 전력의 입력을 멈추고 시험을 종료하였다. 아연 가스 증발 장치(10)는 전력의 입력 개시부터 입력 정지까지인 59분 동안 238㎏의 아연 가스를 발생하였다. 아연 가스의 발생 속도는 242㎏/hr로 계산되었다.
실시예 4
용융염 전해하여 얻어진 융체 아연에 스틸 울을 용해시켜, 모의적으로 불순물을 혼재시킨 융체 아연을 작성하여, 이러한 융체 아연을 사용해서 실시예 3과 같은 방법으로 아연 가스의 발생 및 회수 시험을 실시하였다. 냉각 회수기에 회수된 아연으로부터 분석용의 자료를 채취하고, 통상적으로 실시되는 방법으로 전 처리를 실시한 후, ICP-AES(유도 결합 플라스마 발광 분광법)에 의해 아연 중의 불순물 분석을 실시하였다. 결과를 표 4에 나타낸다.
[표 4]
표 4의 분석 결과에서, 모의 융체 아연 중에 혼재된 불순물은 회수된 아연에는 포함되지 않고, 이와 같은 방법으로 불순물이 제거 정제된 아연 가스를 공급할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 방법 및 장치는 아연 가스를 사용해서 사염화규소를 환원하는 아연 환원법에 의해 고순도 실리콘을 제조하는 방법에 있어서의 아연 가스의 공급에 유효하게 사용할 수 있다. 또한, 아연 환원법으로부터 부생한 염화아연을 전해하고, 얻어진 융체 아연을 수용하여 아연 가스로서 공급하는 것을 가능하게 하며, 아연 환원법에 사용하는 아연의 순환 이용을 실현한다.
1：아연 가스 공급 장치 10：아연 가스 증발 장치
101：도가니 102：단열재
103：유도 코일 104：냉각수
105：융체 아연 수용구 106：아연 가스 출구
107：증발기 덮개 108：바닥판
109：칭량 장치 110：온도 계측구
111：불활성 가스 도입구 112：케이싱
20：가스 가열 장치 201：가열 존
202：단열 보호 커버 203：저항 가열 히터
204：온도계 205：아연 가스 온도계
30：컨트롤 장치 A：융체 아연의 발생원
B：계량 수단 C：드로스 처리 수단
D：아연 환원법 실리콘 제조 장치
101：도가니 102：단열재
103：유도 코일 104：냉각수
105：융체 아연 수용구 106：아연 가스 출구
107：증발기 덮개 108：바닥판
109：칭량 장치 110：온도 계측구
111：불활성 가스 도입구 112：케이싱
20：가스 가열 장치 201：가열 존
202：단열 보호 커버 203：저항 가열 히터
204：온도계 205：아연 가스 온도계
30：컨트롤 장치 A：융체 아연의 발생원
B：계량 수단 C：드로스 처리 수단
D：아연 환원법 실리콘 제조 장치
Claims (9)
- 아연 가스 증발 장치에 융체 아연을 도입하는 공정 (1);
아연 가스의 공급 속도에 대응한 전력을 입력하고, 고주파 유도 가열에 의해 아연을 자기 발열시켜서 융체 아연으로부터 상기 아연 가스를 발생시키는 공정 (2);
발생한 아연 가스를 가스 가열 장치에 도입하는 공정 (3); 및
상기 아연 가스를 저항 가열에 의해 가열해서 과가열된 아연 가스로 하는 공정 (4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연 가스의 공급 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 공정(2)가 상기 아연 가스 증발 장치 내의 융체 아연의 액면이 액면 높이 40% 내지 100%의 범위에 있을 때에 실시되는 것을 특징으로 하는 아연 가스의 공급 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 아연 가스 증발 장치에 도입하는 상기 융체 아연의 온도가 430℃ 내지 700℃의 범위이고,
상기 고주파 유도 가열에 의해 발생시킨 아연 가스의 온도가 아연의 끓는점 온도이며,
상기 과가열된 아연 가스의 온도가 아연의 끓는점 온도 내지 1,100℃의 범위인 것을 특징으로 하는 아연 가스의 공급 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아연 가스 증발 장치에 도입되는 융체 아연이 염화아연을 전해해서 얻어진 융체 아연 및 전해 아연, 건식 정련 아연 또는 리사이클 아연을 융해해서 얻어진 융체 아연으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 융체 아연인 것을 특징으로 하는 아연 가스의 공급 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 아연 가스 증발 장치에 도입하는 융체 아연이 염화아연을 전해하여 얻어진 융체 아연인 것을 특징으로 하는 아연 가스의 공급 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공정 (1)이 상기 아연 가스 증발 장치 내의 융체 아연의 중량 및 온도를 계측하면서 상기 아연 가스 증발 장치에 융체 아연을 도입하는 공정이고,
상기 공정 (2)가 상기 아연 가스 증발 장치의 방열량 및 고주파 유도 가열의 장치 효율로부터 산출된 아연 가스의 공급 속도에 대응한 전력을 입력하고, 상기 고주파 유도 가열에 의해 아연을 자기 발열시켜서 융체 아연으로부터 상기 아연 가스를 발생시키는 공정인 것을 특징으로 하는 아연 가스의 공급 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 아연 가스 증발 장치 내의 융체의 온도가 아연의 끓는점 온도가 될 때까지는, 상기 아연 가스 증발 장치의 내부가 아연의 끓는점 온도시의 장치의 방열량에 상당하는 고주파 유도 전력을 입력하고, 상기 융체 아연의 온도를 아연의 끓는점 온도까지 상승시키는 공정; 및
상기 아연 가스 증발 장치 내의 융체의 온도가 아연의 끓는점 온도가 되었을 때부터, 상기 아연 가스 증발 장치 내의 융체 아연의 중량 및 온도를 계측하면서, 상기 아연 가스 증발 장치에 융체 아연을 도입하는 공정을 더 포함하며,
상기 공정 (2)가 상기 아연 가스의 공급 속도에 대응한 전력을 입력하고, 상기 고주파 유도 가열에 의해 융체 아연으로부터 목적 속도의 아연 가스를 발생시키는 공정인 것을 특징으로 하는 아연 가스의 공급 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공정 (1)이 상기 아연 가스 증발 장치 내의 융체 아연의 중량 및 온도, 그리고 아연 가스 증발 장치에 도입하는 융체 아연의 온도를 계측하면서, 상기 아연 가스 증발 장치에 융체 아연을 아연 가스의 공급 속도와 같은 속도로 도입하는 공정이며,
상기 공정 (2)가 상기 아연 가스 증발 장치의 방열량, 고주파 유도 가열의 장치 효율 및 아연 가스 증발 장치에 도입하는 융체 아연의 온도로부터 산출된 아연 가스의 공급 속도에 대응한 전력을 입력하고, 상기 고주파 유도 가열에 의해 아연을 자기 발열시켜서 융체 아연으로부터 아연 가스를 발생시키는 공정이며,
상기 융체 아연의 도입과 아연 가스의 발생이 연속적으로 실시되는 것을 특징으로 하는 아연 가스의 공급 방법. - 제 1 내지 제 8 항 중 어느 하나에 기재된 아연 가스의 공급 방법에 사용되고, 아연 가스 증발 장치, 가스 가열 장치 및 컨트롤 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연 가스의 공급 장치.
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