KR20160000956U - 실리콘 결정 생산 장치 - Google Patents

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KR20160000956U
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라이언 크리스토퍼 엘로이트
앤드류 저스틴 프란시스
제이미 포틸로
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그라프텍 인터내셔널 홀딩스 인코포레이티드
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Abstract

방향성 응고 시스템 퍼니스를 위한 절연 및 가열 조립체가 제공된다. 절연 조립체는 대체로 정사각형 형상으로 배열된 복수의 측벽 및 인접한 측벽을 상호 연결하도록 배치된 곡선형 엣지 패널을 포함한다. 가열 요소는 대체로 정사각형 형상으로 배열된 4개의 측부 바아를 포함한다. 측부 바아들이 엣지 커넥터에 의해서 서로에 대해서 전기적으로 연결된다. 엣지 커넥터는 측부 바아의 수직 높이의 적어도 1.5배 높이로 상향 또는 하향 연장한다.

Description

실리콘 결정 생산 장치{DEVICE FOR SILICON CRYSTAL PRODUCTION}
전기를 생산하기 위한 태양 전력 및 구체적으로 광전지의 이용은 국가적인 전력 포트폴리오에서 점점 더 중요한 요소가 되고 있다. 일반적으로, 광전지는, 다양한 방법으로 제조되는 결정질 실리콘(crystalline silicon)으로 제조된다. 하나의 일반적인 방법은 방향성 응고 시스템(DSS) 프로세스를 통하는 것으로서, 여기에서 실리콘 공급원료가 석영 도가니 내로 장입되고 도가니의 내용물이 용융될 때까지 가열된다. 이어서, 열 에너지가 도가니의 하단부로부터 제거된다. 용융체는 온도 구배를 가지고, 응고가 하단부로부터 시작하여 위쪽으로 성장하게 된다. 응고 후에, 결정질 실리콘이 제거될 수 있고 최종적인 이용을 위해서 처리될 수 있을 것이다.
하나의 양태에 따라서, 방향성 응고 시스템 퍼니스(furnace)를 위한 절연 조립체는 대체로 정사각형 형상으로 배열된 복수의 측벽을 포함한다. 측벽은 적어도 하나의 절연 패널을 포함한다. 복수의 곡선형 엣지 패널이 배치되어 인접한 측벽을 상호 연결한다. 곡선형 엣지 패널은 측벽 중 적어도 하나와 대면하는 각도형(angled) 표면을 가지고, 측벽은 매칭되는(matching) 각도형 표면을 가진다. 곡선형 엣지 패널 각도형 표면은 측벽 각도형 표면과 접한다(abut).
다른 양태에 따라서, 방향성 응고 시스템 퍼니스의 가열 요소가 대체로 정사각형 형상으로 배열된 복수의 측부 바아(side bar)를 포함하고, 측부 바아는 수직 높이를 가진다. 측부 바아의 인접한 쌍이 엣지 커넥터에 의해서 전기적으로 연결된다. 엣지 커넥터는 각도형 커넥터에 의해서 결합된 한 쌍의 이격된 레그(leg)를 가진다. 레그는 측부 바아 수직 높이의 적어도 1.5배 높이로 상향 또는 하향 연장한다.
도 1은 방향성 응고 시스템 퍼니스의 입면도이다.
도 2는 도 1의 선 A-A를 따른 단면도이다.
도 3은 상부 캡을 제거한 상태로 퍼니스를 도시한 입면도이다.
도 4는 절연 조립체의 입면도이다.
도 5는 스틸 프레임을 제거한 상태로 도 4의 선 B-B을 따라서 도시한 절연 조립체의 단면도이다.
도 6은 도 5의 확대 지역(C)의 확대된 단면도이다.
도 7은 상부 캡 및 절연 조립체를 제거한 상태로 퍼니스를 도시한 입면도이다.
도 8은 가열 요소의 입면도이다.
도 9는 가열 요소의 상면도이다.
도 10은 도 9의 확대 지역(D)의 확대 상면도이다.
이제, 도 1을 참조하면, 방향성 응고 시스템 퍼니스가 도시되어 있고 전체적으로 숫자 '10'으로 표시되어 있다. 퍼니스(10)는 상부 캡(12) 및 하부 캡(14)을 가지며, 상부 캡(12) 및 하부 캡(14)은 결합될 때 퍼니스 내부(16)(도 2)를 형성한다. 캡(12 및 14)은 일반적으로 둥근 상단부 및 하단부를 각각 가지는 대체로 원통형이다. 캡(12) 및/또는 캡(14)은, 실리콘 장입물을 퍼니스(10) 내로 로딩하고 언로딩하는 것을 돕기 위해서, 서로에 대해서 이동가능하다. 이하에서 더 구체적으로 설명하는 바와 같이, 퍼니스 내부(16) 안에서, 실리콘 장입물이 충진된 석영 도가니(미도시)가 가열되어 용융을 유발하고 후속하는 냉각 중의 결정화를 유발한다.
퍼니스(10) 내의 온도가 1500 ℃ 이상에 도달할 수 있을 것이고, 그에 따라 퍼니스 내부(16) 안에 위치되는 절연 조립체(20)가 퍼니스(10)를 효과적으로 이용하기 위한 중요 구성요소가 된다. 도 3 내지 6을 참조하면, 절연 조립체(20)는 실질적으로 정사각형 또는 실질적으로 직사각형 구성으로 배열된, 4개의 측벽(22a-d)(도 4), 상단부 벽(24)(도 3), 및 하단부 벽(26)(도 5)을 포함한다. 일 실시예에서, 각각의 측벽(22)이 2개의 인접한 측벽(22)으로부터 실질적으로 90도 오프셋되어 배향된다. 그에 따라, 유리하게, 측벽(22)이 정사각형을 형성한다. 각각의 측벽(22), 상단부 벽(24) 및 하단부 벽(26)이 하나 이상의 절연 패널(28)로부터 형성된다. 외측 스틸 프레임(30)이 절연 패널(28)의 외부에 배치되고 절연 패널(28)에 대한 구조적 지지를 제공하여 측벽(22)을 형성한다.
예를 들어, 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 유리하게 각각의 측벽(22)은 복수의 절연 패널(28)을 포함한다. 하나의 실시예에서, 절연 패널(28)은 중첩된 및/또는 적층된 배열체로 구성되고, 각각의 측벽(22)은 두께-관통(thru-thickness) 방향으로 적어도 2개의 절연 패널을 포함한다. 일 실시예에서, 각각의 측벽(22)은 16개의 절연 패널(28)을 포함하고, 8개의 패널(28)은 절연 조립체의 내측 표면(36)과 대면하고 8개의 패널(28)은 절연 조립체의 외측 표면(34)과 대면한다. 이러한 실시예에서, 유리하게, 외측 표면(34)에 가까운 인접한 절연 패널들(28) 사이의 접합부(32a)는 내측 표면(36)에 가까운 인접한 절연 패널들(28) 사이의 접합부(32b)로부터 오프셋된다(즉, 정렬되지 않는다). 접합 지역을 오프셋시키는 것에 의해서, 열이 빠져나갈 수 있는 직접적인 경로를 최소화하는 것에 의해서, 개선된 열적 절연이 가능해진다. 다른 실시예에서, 각각의 측벽(22)은 두께-관통 방향으로 하나의 절연 패널(28)만을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 각각의 측벽(22)은 단일 절연 패널(28)을 포함한다. 조립체(20)에서, 임의의 특별한 내측 표면(36)이 임의 수의 절연 패널(28)을 포함할 수 있을 것이고, 임의의 특별한 외측 표면(34)이 임의의 수의 절연 패널(28)을 포함할 수 있을 것이다.
절연 조립체는 유리하게 2.25 m3 초과, 보다 유리하게 2.50 m3 초과, 및 보다 더 유리하게 2.70 m3 초과의 내부 부피를 형성할 수 있을 것이다. 하나의 실시예에서, 각각의 측벽(22)의 절연 패널(또는, 하나 초과인 경우에, 패널들)이 1200 mm 초과의, 보다 유리하게 1300 mm 초과의, 그리고 보다 더 유리하게 1400 mm 초과의 조합된 길이를 가진다. 추가적인 실시예에서, 각각의 측벽(22)에 대한 절연 패널(들)이 1400 mm 내지 1500 mm의 조합된 길이를 가진다. 일 실시예에서, 각각의 측벽(22)의 절연 패널(들)이 1000 mm 초과의, 보다 유리하게 1100 mm 초과의, 그리고 보다 더 유리하게 1250 mm 초과의 조합된 높이를 가진다. 추가적인 실시예에서, 각각의 측벽(22)에 대한 절연 패널(들)이 1250 mm 내지 1300 mm의 조합된 높이를 가진다. 일 실시예에서, 각각의 측벽(22)의 절연 패널(들)이 약 80 mm 내지 약 100 mm의, 보다 더 유리하게 약 85 mm 내지 약 95 mm의 조합된 두께를 가진다.
유리하게, 각각의 측벽(22)이 엣지 패널(38)에 의해서 인접한 측벽(22)과 결합한다. 확인할 수 있는 바와 같이, 유리하게, 엣지 패널(38)은 대체로 원호-형상의 횡단면을 갖는다. 단일 엣지 패널(38)이 측벽(22)의 전체 높이에 걸쳐 연장할 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 둘 이상의 엣지 패널(38)이 적층된 구성으로 배열되어, 측벽(22)의 전체 높이에 걸쳐 연장할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 엣지 패널(38)은 엣지 패널(38)의 내측 반경(Ri)을 가지는 내측 표면(39) 및 외측 반경(Ro)을 가지는 외측 표면(41)을 포함한다. 일 실시예에서, 내측 반경(Ri)은 외측 반경(Ro)과 상이하다. 일 실시예에서, 엣지 패널(38)의 중심-점은 측벽(22)의 절연 패널(들)의 조합된 두께의 45% 내지 95%의 두께를 가진다. 추가적인 실시예에서, 엣지 패널(38)의 중심-점은 측벽(22)의 절연 패널(들)의 조합된 두께의 55% 내지 75%의 두께를 가진다. 또 다른 실시예에서, 엣지 패널(38)의 중심-점은 측벽(22)의 절연 패널(들)의 조합된 두께의 60% 내지 70%의 두께를 가진다.
각각의 엣지 패널(38)은 측벽(22)과의 수직 계면을 따른 각도형 표면(40)을 포함한다. 각도형 표면(40)은 인접한 측벽의 평면에 수직한 각도 이외의 각도로 유리하게 배향된다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 엣지 패널(38)의 각도형 표면(40)은 5도 보다 큰 각도(Δ)로 배향될 수 있을 것이다. 추가적인 실시예에서, 각도(Δ)가 약 10도 내지 약 45도이다. 다른 추가적인 실시예에서, 각도(Δ)가 45도 내지 약 30도이다. 유사하게, 엣지 패널(38)에 접하는 각각의 절연 패널(28)은 각도형 표면(40)의 각도(Δ)와 매칭되는 각도형 표면(42)을 가진다. 이러한 방식에서, 같은 높이의(flush) 결합이 가능해진다. 또한, 엣지 패널(38) 및 절연 패널(28)이 열적 사이클 중에 부풀어 오르고(swell) 접촉할 수 있을 것이다. 이러한 부풀어 오름 및 접촉은 각도형 표면(40 및 42)에 의해서 수용되고, 이는 부풀어 오름 및 접촉 중에 측벽(22)과 엣지 패널(38) 사이의 상대적인 슬라이딩 이동을 허용한다.
절연 패널(28) 및 엣지 패널(38)은 탄소계 절연 재료로 유리하게 제조된다. 특히 바람직한 실시예에서, 패널(28 및 38)은, 열 유동에 대한 저항을 나타내는 탄소 섬유로 형성된 열 절연 재료로 제조된다.
절연 재료는, 탄소 섬유만을, 또는 다른 탄화된 또는 탄화가능한 재료와 조합된 탄소 섬유를 포함할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 섬유는, 단독적인 또는 다른 탄소 섬유와 혼합된, 등방성 피치-기반의(pitch-based) 탄소 섬유를 포함할 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 절연 재료는 레이온 또는 PAN으로부터 유도된 탄소 섬유를 포함할 수 있을 것이다. 전술한 탄소 섬유로 형성된 절연 재료가 큰 시트 또는 보드로 형성될 수 있을 것이고, 고온 퍼니스 등에서의 이용에 적합하게 하는 충분한 강도 및 절연 성질을 나타낸다는 것을 발견하였다.
전술한 섬유는, 후속 열처리 스테이지 중에 섬유를 함께 유지하는 액체 결합제와 조합될 수 있을 것이다. 충분한 코킹(coking) 및 결합 성질을 나타내기만 한다면, 임의 결합제가 이용될 수 있을 것이다. 형성 후에, 절연 재료를 불활성(비-산화) 대기 내에서 약 900 ℃ 내지 2000 ℃의 최종 온도로 탄화시켜, 이용되는 형성 프로세스에 따라서, 보드 또는 원통형 캐스팅의 형상의 탄화된 예비 성형품(preform)을 생산할 수 있을 것이다. 탄화 온도는 캐스팅의 최종 용도에 따라서 선택되고, 일반적으로, 캐스팅이 사용중에 노출되는 가장 높은 온도보다 높은 온도이다.
절연 보드는, 유리하게, 주로 탄소(즉, 적어도 95% 탄소, 보다 바람직하게, 적어도 98% 탄소, 가장 바람직하게 99.5% 초과의 탄소)이고, 열적 절연에 적합한, 전형적으로 약 1.0 g/cm3 미만, 바람직하게 0.5 g/cm3 미만, 보다 바람직하게, 0.3 g/cm3 미만의 밀도를 갖는다. 일 실시예에서, 절연 보드는 유리하게 약 0.1 내지 약 0.4 g/cm3 의 낮은 밀도, 및 약 0.5 W/m-°K 미만의 열 전도도를 가진다. (다른 기재가 없는 경우에, 열 전도도는 25 ℃에서 공기 중에서 측정된 것이다.)
도 2 및 도 7을 다시 참조하면, 수용기(50)가 절연 조립체(20) 내부에 배치된다. 수용기(50)는 유리하게 그래파이트 판으로 제조되고, 석영 도가니(미도시)를 내부에 수용하도록 구성된다. 가열 요소(52)가 또한 절연 조립체(20) 내부에 그리고 측벽(22)과 수용기(50) 사이에 배치된다. 전류가 가열 요소(52)로 인가되어 저항 가열을 유도한다. 높은 실현 온도로 인해서, 가열 요소(52)는 그래파이트 재료로 유리하게 제조된다.
이제, 도 8을 참조하면, 가열 요소(52)는, 수용기(50)를 완전히 둘러싸기 위해서 엣지 커넥터(56)에 의해서 인접한 측부 바아(54)에 각각 전기적으로 연결되는 4개의 측부 바아(54)를 포함한다. 전기 입력부(58)가 측부 바아(54)에 전기적으로 연결되어 입력 전력을 제공한다. 일 실시예에서, 3상(three phase) 전력 입력의 경우에, 3개의 전기 입력부가 제공된다. 측부 바아(54)는 일반적으로 판 형상이다(즉, 비교적 얇고 편평하다). 일 실시예에서, 측부 바아(54)는 유효 표면적 증가를 위해서 구불구불한 구성을 가진다. 엣지 커넥터(56)는 일반적으로, 각도형 커넥터(62)에 의해서 상단부에서 결합된, 상향 연장하는 한 쌍의 레그(60)를 가지는 반전된 u-형상이다. 일 실시예에서, 상향 연장 레그(60)는 측부 바아(54)의 높이의 적어도 1.5배, 보다 유리하게 적어도 2.0배로 연장한다. 수용기(50)의 모서리에서의 가열 요소(52)의 이러한 부가적인 표면적은, 보다 균일한 열이 모서리로 인가되는 개선된 가열 프로파일을 가능하게 한다. 엣지 커넥터(56)가 도면에서 대체로 반전된 u-형상으로 도시되어 있지만, 엣지 커넥터(56)가 또한 대체로 u-형상의 구성(즉, 도면에 도시된 구성으로부터 수직으로 반전된 구성)을 가질 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.
각도형 커넥터(62)는 3개의 섹션; 중앙 부분(66)에 의해서 결합된 한 쌍의 수용 부분(64)을 포함한다. 수용 부분(64)은 중앙 부분(66)으로부터 대체로 45도 각도(α)로 배열된다. 다시, 각각의 커넥터(62)에 대해서, 제1 수용 부분(64)은 제2 수용 부분(64)에 대해서 90도 각도로 배열된다. 수용 부분(64)은, 상향 연장 레그(60)의 단부 부분(70)을 수용하고 기계적인 또는 임의의 다른 수단에 의해서 그러한 단부 부분에 고정될 수 있는 한 쌍의 이격된 아암(68)을 포함한다.
각도형 커넥터(62)와 조합된 곡선형 엣지 페인(pane)(38)을 이용하는 것에 의해서, 보다 큰 내부 부피가 가능해지고, 이는 다시 비교적 큰 수용기가 가능하도록 한다. 이러한 방식에서, 동일한 크기의 퍼니스(즉, 상부 캡(12) 및 하부 캡(14))를 이용하여, 보다 큰 실리콘 장입물을 용융시킬 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 전술한 구성 중 하나 이상은 적어도 600 kg의, 보다 유리하게 적어도 700 kg의, 그리고 보다 더 유리하게 적어도 800 kg의 실리콘을 수용하는 크기의 석영 도가니를 이용할 수 있게 하고, 대안으로, 도가니가 1000 kg 미만의 크기를 가질 수 있을 것이다.
상기 설명은 당업자로 하여금 본 고안을 실시할 수 있게 하기 위한 것이다. 그러한 설명으로부터 당업자가 명확하게 인지할 수 있는 모든 가능한 변형 및 수정을 구체적으로 설명하기 위한 의도는 없다. 그러나, 그러한 모든 변형 및 수정이 이하의 청구항에 의해서 규정되는 본 고안의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
따라서, 새롭고 유용한 실리콘 결정 생산 퍼니스에 관한 본 고안의 특별한 실시예를 설명하였지만, 그러한 언급은 이하의 청구항에서 개진된 것을 제외하고 본 고안의 개념에 대한 제한으로서 간주되지 않는다.

Claims (14)

  1. 방향성 응고 시스템 퍼니스를 위한 절연 조립체로서,
    대체로 정사각형 형상으로 배열되고, 적어도 하나의 절연 패널을 포함하는 복수의 측벽;
    인접한 측벽을 상호 연결하도록 배치된 복수의 곡선형 엣지 패널
    을 포함하고,
    상기 곡선형 엣지 패널은 상기 측벽 중 적어도 하나와 대면하는 각도형 표면을 갖고, 상기 측벽은 매칭되는 각도형 표면을 갖고, 상기 곡선형 엣지 패널 각도형 표면은 상기 측벽 각도형 표면과 접하는, 절연 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 곡선형 엣지 패널의 상기 각도형 표면의 각도가 5도 초과인, 절연 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 각도가 약 10도 내지 약 45도인, 절연 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 곡선형 엣지 패널은 내측 반경(Ri)을 갖는 내측 표면 및 외측 반경(Ro)을 갖는 외측 표면을 포함하고, 상기 내측 반경(Ri)은 상기 외측 반경(Ro)과 상이한, 절연 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 엣지 패널은 엣지 패널 두께를 포함하고, 상기 측벽은 측벽 두께를 갖고, 상기 엣지 패널 두께는 상기 측벽 두께의 55% 내지 75%를 포함하는, 절연 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 절연 패널이 탄소 섬유를 포함하는, 절연 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 절연 보드가 약 0.1 내지 약 0.4 g/cm3 의 밀도 및 약 0.5 W/m-K 미만의 열 전도도를 갖는, 절연 조립체.
  8. 방향성 응고 시스템 퍼니스의 가열 요소로서,
    대체로 정사각형 형상으로 배열된 복수의 측부 바아를 포함하고, 상기 측부 바아는 수직 높이를 갖고;
    인접한 상기 측부 바아들이 엣지 커넥터에 의해서 전기적으로 연결되고, 상기 엣지 커넥터는 각도형 커넥터에 의해서 결합된 한 쌍의 이격된 레그를 갖고;
    상기 레그는 상기 측부 바아 수직 높이의 적어도 1.5배 높이로 상향 또는 하향 연장되는, 가열 요소.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 레그가 상기 측부 바아 수직 높이의 적어도 2.0배 높이로 연장되는, 가열 요소.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 각도형 커넥터가 중앙 부분에 의해서 결합된 한 쌍의 수용 부분을 포함하고, 상기 각각의 수용 부분은 중앙 부분으로부터 약 45도의 각도로 배열되는, 가열 요소.
  11. 제10항에 있어서,
    각각의 상기 수용 부분이 인접한 각도형 커넥터에 대해서 약 90°각도로 배열되는, 가열 요소.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 수용 부분이 상기 레그의 단부 부분을 수용하는 한 쌍의 이격된 아암을 포함하는, 가열 요소.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 측부 바아 및 상기 엣지 커넥터가 그래파이트로 구성된, 가열 요소.
  14. 방향성 응고 시스템 퍼니스로서,
    절연 조립체 및 가열 요소를 포함하고,
    상기 절연 조립체는:
    (a) 대체로 정사각형 형상으로 배열되고, 적어도 하나의 절연 패널을 포함하는 복수의 측벽;
    (b) 인접한 측벽을 상호 연결하도록 배치된 복수의 곡선형 엣지 패널
    을 포함하고,
    상기 곡선형 엣지 패널은 상기 측벽 중 적어도 하나와 대면하는 각도형 표면을 갖고, 상기 측벽은 매칭되는 각도형 표면을 갖고, 상기 곡선형 엣지 패널 각도형 표면은 상기 측벽 각도형 표면과 접하고,
    상기 가열 요소는:
    (a) 대체로 정사각형 형상으로 배열된 복수의 측부 바아를 포함하고, 상기 측부 바아는 수직 높이를 갖고;
    (b) 인접한 상기 측부 바아들이 엣지 커넥터에 의해서 전기적으로 연결되고, 상기 엣지 커넥터는 각도형 커넥터에 의해서 결합된 한 쌍의 이격된 레그를 갖고;
    상기 레그는 상기 측부 바아 수직 높이의 적어도 1.5배 높이로 상향 또는 하향 연장되는, 방향성 응고 시스템 퍼니스.
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