KR20160012511A - 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치 - Google Patents

사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치 Download PDF

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KR20160012511A
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박종관
이학형
안병현
최민국
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디케이아즈텍 주식회사
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Abstract

본 발명은 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치에 관한 것으로서, 도가니부의 상부에 승강하도록 설치된 승강부와, 이 승강부에 승강구동력을 제공하는 승강구동부와, 도가니부의 내부상태를 2개 이상의 위치에서 감시하는 영상분석부와, 도가니부의 내부온도를 감시하는 온도측정부와, 영상분석부에 의한 도가니부의 내부상태 및 온도측정부에 의한 도가니부의 내부온도에 따라 승강구동부에 제어신호를 제공하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 잉곳의 시드성장시 온도측정부에서 도가니부의 온도를 측정하고 영상분석부에 의해 잉곳을 복수개의 위치에서 촬영하여 영상을 분석함으로써, 잉곳의 성장상태를 잉곳의 전체 둘레에서 촬영하여 영상분석의 정확도를 향상시키는 동시에 촬영시간 및 분석시간을 단축시켜 오토시딩의 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

Description

사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치{Apparatus for auto seeding of sapphire ingot growth furnace}
본 발명은 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 성장로의 도가니에 원자재를 장입하고 가열하여 사파이어 단결정의 잉곳을 성장시키는 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치에 관한 것이다.
반도체 직접회로, 발광 다이오드, 데이터 저장 장치, 광 탐지기등 현대의 정밀한 전자 제품에 소요되는 많은 소자들은 일반적으로 단결정으로부터 제조된다. 예를 들면, 반도체 집접회로는 단결정 실리콘 기판에서 제조되며, 발광다이오드, 데이터 저장장치, 광 탐지기 등과 같은 소자들은 일반적으로 사파이어 단결정 기판으로부터 제조된다.
특히, 친환경적이고 저전력소비를 위한 LED(Light-Emitting Diode)에 관련된 각종 사업영역이 확장됨에 따라, LED의 제조시 사용되는 사파이어 기판재료에 대한 대구경화 및 대량 생산화가 요구되고 있다.
이러한, 사파이어 기판은 잉곳이라고 불리는 덩어리를 절단하여 형성되며, 이러한 잉곳을 제조하는 방법으로는 2050 ℃의 고온에서 알루미나 분말을 융해하여 결정을 성장시켰으며, 베르누이법(Verneuil method), 플럭스법(flux growth), 쵸크랄스키법(Czochralski method), 온도구배법(thermal gradient technique), EF법(edge-defined film-fed growth), 카이로풀러스법(Kyropoulos method) 등이 개발되었다. 구체적으로, 한국공개특허 제2011-0042433호 및 국제공개특허 WO 2010/071142호는 쵸크랄스키법에 대한 발명이고, 한국등록특허 제0573525호는 카이로풀러스법에 대한 발명이다.
즉, 사파이어 잉곳을 제조하는 쵸크랄스키법과 카이로풀러스법은 도가니에 알루미나 원재료를 충진하여 가열 및 용융시킨 후, 사파이어 시드(seed)를 용융체로 하향 및 접촉시킨 후, 제어된 속도로 인상시키거나 그대로 온도를 낮춤으로써, 시드에 용융물이 점진적으로 부착되어 잉곳이 형성되도록 하는 방법이다.
또한, 사파이어 기판들은 큰덩어리의 잉곳을 실린더 형상으로 절단하며, 절단된 실린더를 웨이퍼 형상으로 절단을 하여 이루어진다. 이때 실린더 내부에는 기포, 불순물 등의 형태의 결함이 존재하게 되며, 웨이퍼 절단시 이러한 기포등의 결함이 발생된 부위를 제외하게 되므로, 실린더 내부에 결함이 발생된 부위를 제외한 부분만이 양호한 제품으로 판단하게 된다. 따라서, 실린더 형상의 내부의 결함을 사전에 방지하여 잉곳제품의 불량율을 낮출 수 있는 방안의 개발이 절실한 실정이다.
특히, 종래에는 단순하게 작업자의 시각분석을 통해 시드의 승강이나 접촉이 수작업에 의한 승강작업에 의해 이루어지므로, 잉곳의 상부에 형성되는 시드링의 상층 및 하층의 간격이 불일치하여 다결정으로 성장하거나, 잉곳에 이물질이나 기포가 발생되어 양질의 잉곳을 제조하기 어렵다는 문제점도 있었다.
또한, 종래에는 잉곳 제조시 시드가 잉곳의 성장상태를 1곳의 위치에서 영상분석하므로, 핫존(hot zone)의 가림과 시드 자체의 가림에 의한 촬영 영상의 음영부위에 대한 영상분석이 어려워 영상분석의 정확도가 저하될 뿐만 아니라 영상분석에 과다한 시간이 소요되는 문제점이 있었다.
이는 적절한 잉곳 성장에 필요한 사파이어 용융물의 표면상태 및 이에 접하는 시드의 상태에 대한 정보의 부족을 초래하여, 양질의 잉곳을 재현성 있게 성장시키는 데 걸림돌이 되고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허 제2011-0042433호 (2011년 04월 27일) 대한민국 등록특허 제0573525호 (2006년 04월 26일)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 잉곳의 성장상태를 잉곳의 전체 둘레에서 촬영하여 영상분석의 정확도를 향상시키는 동시에 촬영시간 및 분석시간을 단축시켜 오토시딩의 정밀도를 향상시킬 수 있는 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 발열성능이 향상될 뿐만 아니라 가열에 필요한 전력소비를 절감할 수 있는 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 시드의 접촉시점을 확인하고 시딩상태를 확인할 수 있는 동시에 잉곳의 시딩온도 재설정이나 상승속도 결정 등과 같은 성장초기 환경을 더욱 정밀하게 촬영하여 제어할 수 있는 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 원자재의 용융시 흡열반응에 의해 발생되는 온도변화를 측정하여 오토시딩의 정밀도를 향상시키는 동시에 잉곳의 생산성을 향상시킬 수 있는 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 사파이어 단결정의 원자재가 장입되는 도가니부를 가열하여, 용융된 원자재에 시드를 접촉하고 인상시켜 잉곳을 성장시키도록 사파이어 잉곳 성장로에 설치된 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치로서, 도가니부(10)의 상부에 승강하도록 설치된 승강부(20); 상기 승강부(20)의 일방에 결합되어 상기 승강부(20)에 승강구동력을 제공하는 승강구동부(30); 상기 도가니부(10)의 상부 둘레에 설치되어 도가니부(10)의 내부상태를 2개 이상의 위치에서 촬영하는 영상분석부(40); 상기 도가니부(10)의 온도를 측정하는 온도측정부(50); 및 상기 영상분석부(40)에 의한 상기 도가니부(10)의 내부상태 및 상기 온도측정부(50)에 의한 상기 도가니부(10)의 온도에 따라 상기 승강구동부(30)에 제어신호를 제공하는 제어부(60);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 도가니부(10)는, 그라파이트(graphite) 재질의 카본재 히터에 의해 가열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 영상분석부(40)는, 시드의 접촉시점을 확인하고 시딩상태를 확인하도록 촬영하는 감시카메라를 구비하며, 상기 도가니부(10)의 상부 일방에 설치된 제1 감시카메라; 및 상기 도가니부(10)의 상부 타방에 설치되어, 상기 제1 감시카메라의 음영지역을 감시하는 제2 감시카메라;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 영상분석부(40)는, 상기 제1 감시카메라에서 촬영한 영상과 상기 제2 감시카메라에서 촬영한 형상을 결합하여 상기 도가니부(10)의 상부의 전체 둘레에 대한 영상을 상기 제어부(60)에 제공하도록 상기 제1 감시카메라와 상기 제2 감시카메라 사이의 배치각도가, 상기 도가니부(10)의 중앙부위를 기준해서 90∼270°인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 온도측정부(50)는, 상기 도가니부(10)에서 원자재의 용융시 흡열반응에 의한 온도변화를을 측정하도록 열전대로 이루어지며, 상기 도가니부(10)의 하층부위에 대한 온도를 측정하는 제1 열전대; 상기 도가니부(10)의 중간층부위에 대한 온도를 측정하는 제2 열전대; 및 상기 도가니부(10)의 상층부위에 대한 온도를 측정하는 제3 열전대;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 잉곳의 시드성장시 온도측정부에서 도가니부의 온도를 측정하고 영상분석부에 의해 잉곳을 복수개의 위치에서 촬영하여 영상을 분석함으로써, 잉곳의 성장상태를 잉곳의 전체 둘레에서 촬영하여 영상분석의 정확도를 향상시키는 동시에 촬영시간 및 분석시간을 단축시켜 오토시딩의 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 도가니부의 가열수단으로서 그라파이트(graphite) 재질의 카본재 히터를 사용함으로써, 발열성능이 향상될 뿐만 아니라 가열에 필요한 전력소비를 절감할 수 있게 된다.
또한, 영상분석부로서 제1 감시카메라와 제2 감시카메라를 구비하여 제1 감시카메라의 음영지역을 제2 감시카메라에 의해 촬영하고 이들 사이의 설치각도를 도가니부의 중앙부위를 기준해서 소정각도로 이격시킴으로써, 시드의 접촉시점을 확인하고 시딩상태를 확인할 수 있는 동시에 잉곳의 시딩온도 재설정이나 상승속도 결정 등과 같은 성장초기 환경을 더욱 정밀하게 촬영하여 제어할 수 있게 된다.
또한, 온도측정부로서 도가니부의 하층부위, 중간층부위 및 상층부위에 대한 온도를 구분하여 측정하도록 열전대로 이루어짐으로써, 원자재의 용융시 흡열반응에 의해 발생되는 온도변화를 측정하여 오토시딩의 정밀도를 향상시키는 동시에 잉곳의 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치가 설치되는 사파이어 잉곳 성장로를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치의 승강부와 진동부를 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치의 승강구동부를 나타내는 구성도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치의 영상분석부를 나타내는 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치의 제1 무게측정부를 나타내는 구성도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치의 영상분석부의 배치상태를 나타내는 배치도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치의 영상분석부의 제1 카메라에서 촬영한 사진.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치의 영상분석부의 제2 카메라에서 촬영한 사진.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치가 설치되는 사파이어 잉곳 성장로를 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치의 승강부와 진동부를 나타내는 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치의 승강구동부를 나타내는 구성도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치의 영상분석부를 나타내는 구성도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치의 제1 무게측정부를 나타내는 구성도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치의 영상분석부의 배치상태를 나타내는 배치도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치의 영상분석부의 제1 카메라에서 촬영한 사진이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치의 영상분석부의 제2 카메라에서 촬영한 사진이다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치는, 승강부(20), 승강구동부(30), 영상분석부(40), 온도측정부(50), 제어부(60)를 포함하여 이루어져, 사파이어 단결정의 원자재로서 알루미나(Al2O3)가 장입되는 도가니부(10)를 가열하여, 용융된 알루미나에 시드를 접촉하고 인상시켜 잉곳을 성장시키도록 사파이어 잉곳 성장로에 설치된다.
도가니부(10)는, 사파이어 단결정의 원자재로서 알루미나가 장입되고 가열수단(12)에 의해 가열되어 알루미나가 용융되도록 텅스텐(tungsten)이나 몰리브덴(molybdenum), 이들의 합금 등과 같은 금속재료로 제조된 도가니(11)로 이루어진 사파이어 잉곳의 성장로이다.
가열수단(12)은, 도가니(11)의 측면 및 하면의 둘레에 설치되어 도가니(11)를 가열하는 가열부재로서, 그라파이트(graphite) 재질의 카본재 히터로 이루어지며, 측면히터와 하면히터의 분리형으로 이루어져 있는 것이 바람직하다.
측면히터는 도가니(11)의 측면 둘레에 원통형상으로 형성된 히터로서 도가니(11)의 측면을 가열하게 되고, 하면히터는 도가니(11)의 하면 둘레에 원형으로 형성된 히터로서 도가니(11)의 하면을 가열하게 된다.
승강부(20)는, 도가니부(10)의 상부에 승강하도록 설치된 승강수단으로서, 도 3에 나타낸 바와 같이 지지블럭(21), 승강봉(22), 구동모터(23)로 이루어져, 도가니부(10)에서 용융된 알루미나에 시드를 접촉시켜 상승에 의해 시드링을 성장시키게 된다.
지지블럭(21)은, 승강구동부(30)에 의해 상하방향으로 승강되도록 설치된 승강지지수단으로서, 대략 사각형상의 블럭으로 형성되어 승강부(20)를 지지하게 되며, 지지블럭(21)의 내부에는 승강봉(22)과 구동모터(23) 사이의 구동력전달을 단속하도록 커플러(coupler)가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
승강봉(22)은, 지지블럭(21)의 하부에 설치되되 수직축을 기준해서 회전하도로록 설치된 승강부재로서, 지지블럭(21)과 함께 승강구동부(30)에 의해 상하방향으로 승강하는 동시에 상하방향의 수직축을 기준해서 수평방향으로 회전가능하게 된다.
구동모터(23)는, 지지블럭(21)의 상부에 설치된 회전구동수단으로서, 승강봉(22)에 연결되어 승강봉(22)에 수직축을 기준해서 수평방향의 회전구동력을 제공하게 된다. 이러한 구동모터(23)로는 0∼20RPM에 대한 펄스 피드백을 통한 정밀제어가 가능한 서보모터를 사용하는 것이 바람직하다.
승강구동부(30)는, 승강부(20)의 일방에 승강부(20)를 승강시키도록 결합되어 승강부(20)에 승강구동력을 제공하는 승강구동수단으로서, 도 4에 나타낸 바와 같이 고속구동부(31), 저속구동부(32) 및 핸들구동부(33)으로 이루어져 있다.
고속구동부(31)는, 승강부(20)의 일방에 승강부(20)를 상하방향으로 슬라이딩시켜 승강하도록 설치되어, 승강부(20)를 0∼25 ㎜/sec의 속도로 모터의 구동에 의해 승강시키게 된다.
저속구동부(32)는, 고속구동부(31)의 일방에 고속구동부(31)를 상하방향으로 슬라이딩시켜 승강하도록 설치되어, 승강부(20)와 고속구동부(31)를 함께 0.1∼30 ㎜/hr의 속도로 모터의 구동에 의해 승강시키게 된다.
핸들구동부(33)는, 고속구동부(31)의 일방에 고속구동부(31)를 상하방향으로 슬라이딩시켜 승강하도록 설치되어, 승강부(20)와 고속구동부(31)를 함께 0.1∼0.5 ㎜/hr의 속도로 핸들의 조작에 의해 승강시키게 된다.
영상분석부(40)는, 도가니부(10)의 상부에 설치되어 도가니부(10)의 내부상태를 감시하는 영상분석수단으로서, 도 5에 나타낸 바와 같이 카메라(41), 셔터(42), 셔터구동기(43), 구동축(44)으로 이루어져 있다.
카메라(41)는, 승강부(20)의 둘레 일방에 시드를 향해서 수직을 기준해서 하방으로 소정각도 경사지게 입설된 촬영수단으로서, 알루미나의 용융상태, 시드와 용융 알루미나의 접촉상태, 시드링의 성장상태 등과 같이 도가니부(10)의 내부상태를 촬영하여 감시하도록 CCD카메라 등과 같이 다양한 카메라를 사용할 수 있게 된다.
셔터(42)는, 카메라(41)의 하부를 개폐하도록 카메라(41)의 수직축을 기준해서 수평방향으로 회전가능하게 설치된 개폐부재로서, 복수개의 셔터(42)가 카메라(41)의 조리개와 마찬가지로 카메라(41)의 하부에 집합되거나 분산되어 카메라(41)를 개폐하게 된다.
따라서, 이러한 셔터(42)에 의해 도가니부(10) 내부로부터 가스와 열의 외부 유출을 최소화하는 동시에 복사열을 차단하고 완전밀폐시 지연시간을 확보할 수 있게 된다.
셔터구동기(43)는, 셔터(42)의 일방에 설치되어 셔터(42)에 회전구동력을 제공하는 셔터동력원으로서, 에어실린더 또는 유압실린더 등과 같은 유공압부재를 이용한 유공압모터를 사용하는 것이 바람직하다.
구동축(44)은, 셔터(42)와 셔터구동기(43) 사이에 설치되어 셔터구동기의 회전구동력을 셔터(42)에 전달하는 동력전달부재로서, 셔터구동기(43)와 구동축(44) 사이에는 동력전달을 단속하도록 커플러(coupler)가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
따라서, 이러한 영상분석부(40)에 의해 대류속도의 수치화가 가능하고, 용융 알루미나의 각 영역에 대한 구분연산이 가능하며, 시드링의 단계별 구분 및 수치화도 가능하고, 제어부에서 사용가능한 프로그램의 구현도 가능하게 된다.
또한, 영상분석부(40)는 도가니부(10)의 상부 둘레에 설치되어 시드의 접촉시점을 확인하고 시딩상태를 확인하도록 촬영하며 도가니부(10)의 내부상태를 2개 이상의 위치에서 감시하도록 복수개의 감시카메라를 구비하는 것도 가능함은 물론이다.
이러한 영상분석부(40)는, 도가니부(10)의 상부 일방에 설치된 제1 감시카메라(40a)와, 도가니부(10)의 상부 타방에 설치되어 제1 감시카메라(40a)의 음영지역, 즉 핫존(hot zone)의 가림과 시드 자체의 가림에 의한 음역지역을 감시하는 제2 감시카메라(40b)를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
제1 감시카메라(40a)와 제2 감시카메라(40b)는, 도가니부(10)의 둘레부위를 270°까지 영상촬영이 가능하므로, 도 7에 나타낸 바와 같이 제1 감시카메라(40a)와 제2 감시카메라(40b) 사이의 설치각도(α)는, 도가니부(10)의 중앙부위를 기준해서 90∼270°로 이격되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 제1 감시카메라(40a)와 제2 감시카메라(40b)의 영상촬영 각도가 270° 보다 작은 경우에는, 이들 사이의 설치각도(α)를 도가니부(10)의 중앙부위를 기준해서 90°보다 더 크게 변경하고 270°보다 더 작게 변경하는 것도 가능함은 물론이다.
또한, 이러한 영상분석부(40)는, 도 8에 나타낸 바와 같이 9시 방향에 설치된 제1 감시카메라(40a)에서 촬영한 영상과, 도 9에 나타낸 바와 같이 12시 방향에 설치된 제2 감시카메라(40b)에서 촬영한 형상을 결합하여 도가니부(10)의 상부의 전체 둘레에 대한 영상을 제어부(60)에 제공하게 된다.
따라서, 영상분석부(40)에 의해 도가니부(10)의 상부의 전체 둘레에 대한 영상을 제어부(60)에 제공함으로써, 도가니부(10)의 영상에 대한 정확도를 향상시킬 뿐만 아니라 영상 촬영시간과 영상 분석시간을 단축시킬 수 있게 된다.
온도측정부(50)는, 도 1에 나타낸 바와 같이 도가니부(10)에 설치되어 도가니(11)의 온도를 감시하는 열전대로서, 도가니부(10)의 하층부위에 대한 온도를 측정하는 제1 열전대(51)와, 도가니부(10)의 중간층부위에 대한 온도를 측정하는 제2 열전대(52)와, 도가니부(10)의 상층부위에 대한 온도를 측정하는 제3 열전대(53)을 포함하여 이루어져 있다.
이러한 제1 내지 제3 열전대(51, 52, 53)로는, 파이로미터(pyrometer) 등과 같이 고온을 측정할 수 있는 다양한 열전대를 적용하는 것도 가능함은 물론이다.
이러한 온도측정부(50)를 이용하여 도가니(11) 내부에서 알루미나의 용융상태를 측정하거나 알루미나의 고체 또는 액체 상태변화에 따른 흡열반응에 의한 온도변화를 측정하여 시드의 접촉시점을 파악할 수 있게 된다.
또한, 온도측정부(50)의 측정부위에는 도가니부(10)의 고온상태로부터 손상을 방지하게 위해 카메라(41)의 셔터(42)와 마찬가지로 구동기에 의해 개폐되는 셔터와 같은 개폐부재가 설치되는 것도 가능함은 물론이다.
제어부(60)는, 도 2에 나타낸 바와 같이 도가니부(10)의 측면 일방에 설치되되 승강부(20) 및 승강구동부(30)에 연결되고, 영상분석부(40) 및 온도측정부(50)와 접속된 제어수단으로서, 영상분석부(40)에 의한 도가니부(10)의 내부상태 및 온도측정부(50)에 의한 도가니부(10)의 내부온도에 따라 승강부(20) 및 승강구동부(30)에 제어신호를 제공하므로, 수작업이 아닌 각종 감시데이터 및 제어데이터에 의한 오토시딩이 가능하게 된다.
또한, 본 실시예의 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치는, 승강부(20)의 상부에 설치되어 잉곳의 무게를 측정하는 제1 무게측정부(70)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
제1 무게측정부(70)는, 도 6에 나타낸 바와 같이 승강부(20)의 상단에 설치되어 승강봉(22)의 하부에 설치된 시드에 접촉되어 성장되는 사파이어 단결정의 잉곳의 무게변화를 측정하는 측정수단으로서, 레벨조정 플레이트(71), 고정브래킷(72) 및 로드셀 유닛(73)으로 이루어져 있다.
레벨조정 플레이트(71)는, 승강부의 상부 고정단에 설치된 플레이트로서, 제1 무게측정부(70)의 상판을 구성하게 되며 승강부(20)의 지지블럭(21)의 하부에 결합되어 있다.
고정브래킷(72)은, 레벨조정 플레이트(71)의 하부에 복수의 지지대에 의해 소정거리 이격 설치된 브래킷으로서, 제1 무게측정부(70)의 하판을 구성하게 되며 승강부(20)의 지지블럭(21)의 하부에 소정거리 이격되어 결합된다.
로드셀 유닛(73)은, 레벨조정 플레이트(71)와 고정브래킷(72) 사이에 설치되어 도가니부(10)에서 시드와 접촉되어 성장되는 잉곳의 무게를 측정하는 무게측정수단이다.
또한, 이러한 로드셀 유닛(73)은, 승강부(20)의 중력에 대한 편심을 측정하도록 3개의 로드셀 또는 4개의 로드셀 등과 같이 3개 이상의 로드셀로 이루어져 있는 것도 가능함은 물론이다.
이러한 경우에, 제어부(60)는, 제1 무게측정부(70)에 의한 도가니부(10) 내부에서의 잉곳의 무게변화에 따라 승강부(20) 및 승강구동부(30)에 제어신호를 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예의 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치는, 도 1에 나타낸 바와 같이 도가니부(10)의 하부에 설치되어 도가니(11)의 무게를 측정하는 제2 무게측정부(80)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 제2 무게측정부(80)는 도가니(11)의 무게변화를 측정하는 로드셀 유닛으로서, 승강부(20)의 하단에 설치된 시드가 용융된 알루미나에 접촉시의 도가니(11)의 무게변화 및 시드링 성장시의 도가니(11)의 무게변화 등과 같이 도가니부(10)의 다양한 무게변화를 측정하여 제어부(60)에 전달함으로써, 제어부(60)에서 이에 의거한 각종 제어신호를 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예의 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치는, 도 3에 나타낸 바와 같이 승강부(20)의 일방에 설치되어, 용융된 알루미나에 시드의 접촉개시시 이물질을 제거하도록 시드에 진동을 부여하는 진동부(90)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 진동부(90)로는 수압이나 압축공기를 사용하여 피스톤 로드부를 구동시켜 진동을 발생시키는 진동발생기를 사용하며, 진동발생기의 진동세기와 진동폭은 진동발생기의 유량 및 압력조절에 의해 제어가 가능하게 되어 있다.
따라서, 진동부(90)에 의해 시드와 용융 알루미나의 접촉개시시에 시드에 부착되는 이물질을 제거하고 시드를 상부로 상승시킨 후 다시 용융 알루미나에 접촉하여 시드링을 성장시킴으로써, 잉곳의 품질을 개선할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 잉곳의 시드성장시 온도측정부에서 도가니부의 온도를 측정하고 영상분석부에 의해 잉곳을 복수개의 위치에서 촬영하여 영상을 분석함으로써, 잉곳의 성장상태를 잉곳의 전체 둘레에서 촬영하여 영상분석의 정확도를 향상시키는 동시에 촬영시간 및 분석시간을 단축시켜 오토시딩의 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 도가니부의 가열수단으로서 그라파이트(graphite) 재질의 카본재 히터를 사용함으로써, 발열성능이 향상될 뿐만 아니라 가열에 필요한 전력소비를 절감할 수 있게 된다.
또한, 영상분석부로서 제1 감시카메라와 제2 감시카메라를 구비하여 제1 감시카메라의 음영지역을 제2 감시카메라에 의해 촬영하고 이들 사이의 설치각도를 도가니부의 중앙부위를 기준해서 소정각도로 이격시킴으로써, 시드의 접촉시점을 확인하고 시딩상태를 확인할 수 있는 동시에 잉곳의 시딩온도 재설정이나 상승속도 결정 등과 같은 성장초기 환경을 더욱 정밀하게 촬영하여 제어할 수 있게 된다.
또한, 온도측정부로서 도가니부의 하층부위, 중간층부위 및 상층부위에 대한 온도를 구분하여 측정하도록 열전대로 이루어짐으로써, 원자재의 용융시 흡열반응에 의해 발생되는 온도변화를 측정하여 오토시딩의 정밀도를 향상시키는 동시에 잉곳의 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.
10: 도가니부 20: 승강부
30: 승강구동부 40: 영상분석부
50: 온도측정부 60: 제어부
70: 제1 무게측정부 80: 제2 무게측정부
90: 진동부

Claims (5)

  1. 사파이어 단결정의 원자재가 장입되는 도가니부를 가열하여, 용융된 원자재에 시드를 접촉하고 인상시켜 잉곳을 성장시키도록 사파이어 잉곳 성장로에 설치된 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치로서,
    도가니부(10)의 상부에 승강하도록 설치된 승강부(20);
    상기 승강부(20)의 일방에 결합되어 상기 승강부(20)에 승강구동력을 제공하는 승강구동부(30);
    상기 도가니부(10)의 상부 둘레에 설치되어 도가니부(10)의 내부상태를 2개 이상의 위치에서 촬영하는 영상분석부(40);
    상기 도가니부(10)의 온도를 측정하는 온도측정부(50); 및
    상기 영상분석부(40)에 의한 상기 도가니부(10)의 내부상태 및 상기 온도측정부(50)에 의한 상기 도가니부(10)의 온도에 따라 상기 승강구동부(30)에 제어신호를 제공하는 제어부(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도가니부(10)는, 그라파이트(graphite) 재질의 카본재 히터에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상분석부(40)는, 시드의 접촉시점을 확인하고 시딩상태를 확인하도록 촬영하는 감시카메라를 구비하며,
    상기 도가니부(10)의 상부 일방에 설치된 제1 감시카메라; 및
    상기 도가니부(10)의 상부 타방에 설치되어, 상기 제1 감시카메라의 음영지역을 감시하는 제2 감시카메라;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 영상분석부(40)는, 상기 제1 감시카메라에서 촬영한 영상과 상기 제2 감시카메라에서 촬영한 형상을 결합하여 상기 도가니부(10)의 상부의 전체 둘레에 대한 영상을 상기 제어부(60)에 제공하도록 상기 제1 감시카메라와 상기 제2 감시카메라 사이의 배치각도가, 상기 도가니부(10)의 중앙부위를 기준해서 90∼270°인 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도측정부(50)는, 상기 도가니부(10)에서 원자재의 용융시 흡열반응에 의한 온도변화를 측정하도록 열전대로 이루어지며,
    상기 도가니부(10)의 하층부위에 대한 온도를 측정하는 제1 열전대;
    상기 도가니부(10)의 중간층부위에 대한 온도를 측정하는 제2 열전대; 및
    상기 도가니부(10)의 상층부위에 대한 온도를 측정하는 제3 열전대;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 성장로의 오토시딩 장치.
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