KR20170034975A - 다중 초점 멀티 버너가 구비된 석영 유리 잉곳 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 분말 원료와 산소가 혼합되어 도입되는 원료 도입관과 수소가 도입되는 수소 도입관 및 다수의 관으로 만들어지고 원료가 분출되는 세관이 구비되는 메인 버너와 산소와 수소만 분출되는 보조 버너가 구비되고, 상기 세관의 경사 각도도 서로 다르게 되어, 상거 버너의 세관에서 화염이 분출되어 모아지는 지점을 초점이라고 할 때, 상기 세관에서 분출되는 화염의 초점 거리도 서로 다르므로서, 복수개의 버너를 사용하면서도, 내화로(내화벽돌) 내에서 상부의 온도도 내려가지 않고, 효율이 떨어지지도 않도록 하므로서, 결과적으로 품질이 향상되고 가격 경쟁력도 가질 수 있도록 하는 직경 1000mm 정도 크기를 가진 석영 유리를 안정적으로 제작할 수 있도록 한다.

Description

다중 초점 멀티 버너가 구비된 석영 유리 잉곳 제조 장치{QUARTZ GLASS INGOT MANUFACTURING APPARATUS WITH MULT BURNER CAPABLE OF MULTI FOCUSING}

본 발명은 다중 촛점 멀티 버너(burner)가 구비된 석영 유리 잉곳(quartz glass ingot) 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수개의 촛점을 가진 버너를 복수개 이상 구비하여 대형 석영 유리를 제조할 수 있도록 하고, 에너지 효율과 원료 분말의 효율이 높은 다중 촛점 멀티 버너(burner)가 구비된 석영 유리 잉곳(quartz glass ingot) 제조장치에 관한 것이다,

석영 유리 버너가 사용되는 곳 중에서 종래에는, 버너 화염 중에서 생성된 용융된 석영유리 미립자를 회전하는 출발 부재 상에 부착 퇴적시켜 다공질 모재를 합성하고, 이것을 전기로 내에서 탈수, 소결하는 외부 부착법(OVD： Outside Vapor PhaseDeposition법)은 비교적 임의의 굴절률 분포의 것이 얻어지고, 또한 대구경의 광섬유 모재를 양산할 수 있기 때문에 범용되고 있다.

그리고, 유리 미립자를 용융시켜 출발 부재 상에 수트를 퇴적시키기 위해서, 종래 동심 다중관 버너가 이용되어 왔다. 그러나, 이러한 동심 다중관 구조의 버너는 유리 원료 가스, 가연성 가스 및 조연성 가스의 혼합이 충분히 행해지지 않기 때문에, 유리 미립자의 생성이 충분하지 않았다. 그 결과, 수율이 늘지 못하고 균일한 용융이 곤란하였다.

또한, 석영 유리제 버너는 외관에 연소 가스를 흐르게 하고, 내관 노즐(nozzle)로부터 조연성 가스를 흐르게 하여 연소시킴으로써 고온이 얻어지기 때문에 여러가지 화염 가공에 사용되고 있다. 또한, 외관 내에 복수의 노즐이 되는 세관을 삽입한 버너를 사용하고, 외관에 연소 가스를 흐르게 하고, 노즐로부터 조연성 가스를 흐르게 함과 아울러, 임의의 세관에 유리 원료 가스를 흐르게 하고, 화염 가수분해시킴으로써 석영 유리 미립자의 용융이 행해지고 있다.

한편, 또 다른 종래의 산수소 불꽃을 이용한 석영용융장치는 미국특허 3, 128, 166 및 일본특허 소60-22641에 소개된 바와 같이 산수소 불꽃을 발생하는 버너의 노즐과 그 전반부에 별도의 원료 분말 공급구를 갖는 구조로 구성되어 있으며, 버너 외부로부터 원료인 석영분말 이 버너 중심관을 통해 공급되게 되어 있다. 이러한 경우에는 원료의 입도 분포에 따라서는 작은 크기의 입자는 완전히 용융이 되더라도 큰 입자는 무게 때문에 불꽃 내에서 완전히 용융되지 않은 상태로 석영유리 구조체에 용착되게 되어 용융석영 유리제품의 투명도를 저하하는 등의 문제가 발생하며, 필요이상으로 산수소 불꽃온도를 높여야 하는 등 투명하고 결점이 없는 용융석영유리의 제조에는 부적합한 여러 가지의 문제점을 가지고 있다.

아울러, 특허(대한민국 공개 특허 10-2002-0076183)에는 "Mg, Ca, Sr, Ba, Y, Hf 및 Zr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 0.047중량% 이상 1.100중량% 이하 함유하고, 600nm의 가시광 투과율(1mm 두께)이 80% 이상인 것을 특징으로 하는 석영글라스와 지르코늄(Zr)을 함유하는 석영글라스로서, 이 석영글라스의 임의의 미소 영역으로부터 EPMA(X선 마이크로 애널라이저(X-ray micro analyzer))를 이용하여 Zr의 농도를 정량(定量)할 때, 얻어진 정량값의 변동계수가 0.1∼100인 것을 특징으로 하는 석영글라스."를 제공한다,

또한, 특허(대한민국 등록특허 : 10-1479539)에는 “상기 원료 도입관은 중앙관 상부에 구비되고, 산소 도입관은 중앙관 측면에 구비되며, 상기 원료 및 가스 분출되는 외관과 세관이 더 구비될 때, 상기 세관은 복수개로 만들어지고, 상기 외관은 상기 세관을 감싸는 구조이며, 상기 외관의 직경은 도입구 쪽보다 배출구 쪽이 더 작고, 원료 분말은 원료 도입관을 통하여 도입되거나 혹은 수소 도입관 통하여 도입되는 것을 선택하므로서, 원료가외관 혹은 세관으로 배출되는 것이 선택되는 것을 특징으로 하는 석영 유리 잉곳 제조용 버너"를 제공하고 있다.

그러나, 고속의 기체와 분발이 석영 유리제 버너의 도입관에 유입되기 때문에 더 좋은 효율을 갖는 석영 유리제 버너의 원료 도입관 구조를 변화시켜 최적화 하여야 함은 물론, 세관과 배출구의 구조 및 다수의 세관을 포함하고 있는 외관의 구조 또한 최적화 시켜야 하는 필요성을 가지지만, 기존버너에 비하여 300mm이상의 잉곳을 안정적으로 제작할수 있는 석용 유리제 멀티 버너가 존재하지 않고 있는 실정이다.

선행기술 1 : 대한민국 특허 공개번호 : 10-2002-0076183(2002년 10월09일) 선행기술 2 : 대한민국 등록번호 : 10-1479539 (2014년12월30일)

다중 촛점을 가진 버너를 복수개 이상 구비하여 300 mm 이상의 대형 석영 유리 잉곳을 제조할 수 있도록 하고, 버너와 내화로(내화벽돌) 사이의 거리를 변경하지 않아도 되므로 구조를 간단하게 하며, 크기가 큰 석영유리를 제조하는 과정에서도 내화로(내화벽돌) 내에서 상부의 온도도 내려가지 않고, 효율이 떨어지지도 않도록 하므로서, 결과적으로 큰 크기의 석영 유리를 제조할 수 있도록 한다

상기 목적은, 분말 원료와 산소가 혼합되어 도입되는 원료 도입관과 수소가 도입되는 수소 도입관 및 다수의 관으로 만들어지고 원료가 분출되는 세관이 구비되는 메인 버너와 산소와 수소만 분출되는 보조 버너가 구비되고, 상기 세관의 경사 각도도 서로 다르게 되어, 상거 버너의 세관에서 화염이 분출되어 모아지는 지점을 초점이라고 할 때, 상기 세관에서 분출되는 화염의 초점 거리도 서로 다르다.

그리고, 상기 버너는 적어도 2 개 이상 사용되고, 상기 버너가 적어도 2 개 이상 사용될 때, 상기 버너는 메인 버너와 보조 버너를 포함하고, 메인 버너는 석영 유리 분말, 산소 및 수소를 분출하고, 보조 버너는 산소와 수소 만을 분출한다,

또한, 상기 메인 버너가 2 개 이상 사용되어, 제 1 메인 버너(100-1), 제 2 메인 버너(100-1) 및 제 3 메인 버너(100-1)가 존재할 때, 상기 메인 버너의 초점 거리는 서로 같다.

한편, 상기 버너에서 용융된 석영이 분출되는 내화로가 존재하고 상기 내화로 내부에서 석용 유리 잉곳이 만들어 질 때, 상기 내화로 내부의 단열재는 Zr, Al, Si의 원소 중 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 단열재이고, 내화로 외부 단열재는 Zr, Al, Si의 원소 중 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 단열재이다.

본 발명은, 복수개의 버너를 사용하면서도, 내화로(내화벽돌) 내에서 상부의 온도도 내려가지 않고, 효율이 떨어지지도 않도록 하므로서, 결과적으로 품질이 향상되고 가격 경쟁력도 가질 수 있도록 하는 직경 1000mm 정도 크기를 가진 석영 유리를 안정적으로 제작할 수 있도록 한다.

또한, 내화로의 상하 이동을 하지 않고, 별도의 회전장치도 없도록 하므로서 내화로 구조가 간단하며, 냉각수 같은 별도의 냉각장치 없이도 사용이 가능하고, 단열효과도 향상되어, 결과적으로 산소, 수소량의 감소가 가능하여 원가절감 효과를 이루게 된다.

도 1은 한개의 버너를 사용하는 종래의 장치로서 버너에 원료가 공급되어 지고, 버너에 의해 쿼츠 잉곳이 형성되는 원리를 나타내는 도면이다.
도 2는 석영 유리 잉곳 제조용 버너를 나타낸 도면이다.
도 3은 석영유리 잉곳 제조용 정량 공급장치를 나타낸 실시예의 도면이다.
도 4는 멀티 버너를 사용하여 석용 유리 잉곳을 제조하는 본원 발명의 장치를 나타낸 실시예의 도면이다.
도 5는 본원 발명에서 사용되는 버너의 단면 구조를 나타낸 실시예의 도면이다,
도 6과 도 7은 멀티 초점을 가진 본원 발명의 버너를 나타낸 실시예의 도면이다.
도 8과 도 9는 내화로와 버너의 배치를 나타낸 도면이다.
도 10과 도 11은 보조 버너의 효과를 보여주는 실시예의 도면이다.
도 12는 내화로 내부에서의 초점 거리를 나타낸 실시예의 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 다중초점 멀티 버너가 구비된 석영 유리 잉곳 제조장치에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명하기 위해 필요한 통상의 기술에 대해서는 상세 설명을 생략할 수 있다.

본 고안은 직경 1000mm 정도 크기를 가진 석영 유리 잉곳 제조를 위하여, 고순도의 석영유리 분말(Sand)이나 규사 등 원료분말을 효율적으로 용융하기 위한 석영유리 제조 장치에 관한 것으로, 특히 복수개의 촛점을 가진 버너를 복수개 이상 구비하고, 버너와 용융물의 사이의 거리를 변경가능할 수 있도록 한다.

그리고, 버너 재질은 반도체, 태양광용 고순도 석영유리 잉곳 제조용으로 99.99%급 고순도 석영유리를 사용하여 제조되어야 한다.

일반적으로 고순도의 석영유리는 반도체 산업에 있어서 필수적인 소재로 반도체 산업의 발달에 따라 계속적으로 그 수요가 증가하고 있다. 따라서 고순도의 석영유리를 제조하기 위한 석영의 용융방법으로 전기로 용융, 아크용융, 산수소 불꽃용융 등 이미 여러 가지의 용융법 및 장치가 고안되어 사용되고 있다. 특히 산수소 불꽃은 장치가 간단하고 값싸게 구성할 수 있기 때문에 석영유리의 용융 및 잉곳 제조 등에 있어 가장 일반적으로 사용되는 방법이다.

도 1은 한개의 버너를 사용하는 종래의 장치로서 버너에 원료가 공급되어 지고, 버너에 의해 쿼츠 잉곳이 형성되는 원리를 나타내는 도면이다.

일반적으로 산수소 불꽃을 이용한 석영용융장치는 미국특허 3, 128, 166 및 일본특허 소60-22641에 소개된 바와 같이 산수소 불꽃을 발생하는 버너의 노즐과 그 전반부에 별도의 분말원료 공급구를 갖는 구조로 구성되어 있으며, 버너 외부로부터 원료인 석영분말 이 버너 중심관을 통해 공급되게 되어 있다.

즉, 도1 에서처럼 분말 원료가 원재료 공급 탱크(정량공급장치)(10)를 통하여 버너(100)에 공급되고, 산소와 수소 또한 버너(100)에 공급된다. 그리고, 냉각수를 사용하는 시스템(20)도 구비되며, 내화성 머플(Fireproof Muffle)(30) 내부에서 석영유리 구조체(Target)(51) 위에서부터 쿼츠 잉곳(50)이 만들어 진다. 이때, 만들어지는 쿼츠 잉곳을 지지하는 지지판(Suport Plate)(40)과 상기 지지판의 높이를 조절하여 주는 리프팅 기어(Lifting Gear)(60)가 더 구비되어 진다.

도 2는 석영 유리 잉곳 제조용 버너를 나타낸 도면이다.

즉, 도 2는 본원 발명에서 메인 버너로 사용되는 버너의 실시예를 도시한 예이지만, 본원 발명에서 메인 버너로 사용되는 버너가 반드시 도 2의 버너의 구조에 한정되는 것은 아니다.

상부 중심에 원료 도입관(101)이 구비되며, 상기 원료 도입관은 다시 4개의 관(101a)으로 분리되어 외관(120)쪽으로 연장되어 형성되는 구조를 가지게 된다, 따라서, 상기 원료 도입관(101)으로부터 유입되는 원료 분말과 수소가지는 외관 4 개의 관으로 분리되고 상기 4 개의 관(101a)은 다시 외관(120)으로 연결되어 배출되게 된다. 이때, 상기 관(101a)의 개수가 4개로 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라 6개 내지 8개 관으로 분기할 수 있다.

또한, 원료 도입관 측면에 구비된 수소 도입관(102)는 내부 중앙관(105)과 연결되고, 상기 중앙관은 직경이 더 넓혀져서, 다수의 세관(111)으로 연결된다. 따라서, 수소 도입관(102)으로 공급된 수소는 중앙관(105)을 통하여 세관(111)으로 배출되게 되는 것이다.

한편, 버너의 상부 가장자리에 두 개의 관으로 형성된 산소 도입관(103)은 중앙관 측면에 곡선의 모양으로 연결되어, 외관(120)과 연결된다, 따라서, 산소 도입관(103)을 통하여 공급된 산소는 외관을 통하여 배출되게 된다.

이때, 중앙관(105)는 내부 중앙관(105b)과 외부 중앙관(105c)로 구성된다. 따라서, 수소 도입돤(102)으로 공급된 수소가 중앙관(105)의 내부 중앙관(105b)을 통하여 세관(111)으로 연결되는 구조가 되는 것이다. 그리고, 산소 도입관(103)은 중앙관의 외부 중앙관(105c)을 통하여 외관(120)으로 연결되는 구조를 가지게 된다. 그러므로, 각각 세관(111)과 외관(120)으로 분리되어 배출이 가능하게 된다.

물론, 원료 도입관(101)은 중앙관(105) 방향으로 하향 형성되지만, 도 4의 A가 나타낸 부분처럼, 원료 도입관(101)과 중앙관(105)은 서로 분리되는 구조를 가지게 된다, 그리고, 상기 원료 도입관(101)으로 부터 분리된 관(101a)은 외관(120)과 연결되는 구조를 가지게 된다.

한편, 내화로(30) 내부에는 타원형 단면의 노 내부 공간이 형성된다, 이때, 내화로 내부의 단면이 반드시 타원형의 경우만 존재하는 것은 아니며, 원형, 사각형 혹은 팔각형 등 다양한 모양의 단면 구조도 가능하다.

내화로(30)의 상부에는 선단부를 타겟(51)에 향하는 버너(100)가 설치되어 있다. 그리고, 3000℃ 까지 온도가 올라가는 내화로 내부의 온도를 측정하는 IR 카메라(내화로 밖의 외부에 설치되며, 본 발명에서는도시 생략함), 내화로(30)를 관찰하기 위한 관찰창(도시생략)과, 배기구(도시 생략)가 각각 설치되어 있다.

또한, 열전쌍 온도계(thermoelectric couple)에 의해 단열재 중간 부분의 온도가 측정된다.

잉곳 제조를 위해서는 먼저, 타겟(51)를 충분한 온도(1500 ∼ 1800℃ 정도)로 가열한 후, 버너(100)로부터 예를 들면 염화규소(SiCl4) 등의 원료 가스를 공급하고, 가수 분해 반응에 의해 잉곳(50)의 합성을 개시한다. 그 후에는 서서히 SiO2 가루를 타겟(51)에 퇴적시킴과 동시에 용해시켜 유리화한다. 이때, 타겟(51)를 회전시킴과 동시에좌우 방향으로 요동시킴으로써, 잉곳(50)이 균일하게 가열되도록 한다. 또한, IR 카메라(52)에 의해 잉곳 합성면과 버너(100)의 거리를 모니터하고, 잉곳의 성장에 관계없이 그 거리가 일정하게 되도록 타겟(51)를 낮춘다. 또한, 배기관은 배기구)를 통해 내화로(30) 내의 배기를 실시함으로써, 내화로 내부의 과열을 방지한다.

도 3은 석영유리 잉곳 제조용 정량 공급장치를 나타낸 실시예의 도면이다.

도면에서처럼, 정량 공급 장치(10)는 투입구(11)와 배출구(12)를 포함한다. 그리고, 투입구(11)는 석영 유리 분말 혹은 규소 화합물 분말을 투입하는 곳이며, 투입구 측면에는 모터(71)가 더 구비되어, 투입구 내에 구비된 정량 공급 기어의 회전을 제어하게 된다.

그리고, 투입구 하단에는 좁은 관 형태의 배출구(12)가 구비된다. 이때, 재료가 되는 분말을 균일하게 공급하는 방법이 균일한 잉곳 제조를 위해서는 매우 중요하게 된다.

도 4는 멀티 버너를 사용하여 석용 유리 잉곳을 제조하는 본원 발명의 장치를 나타낸 실시예의 도면이다.

도 4는 직경이 1000 mm 정도 되는 대형 석영 유리 잉곳을 제조하기 위한 장치이며, 복수개의 버너(100)를 사용하고, 버너(100)의 숫자에 대응하여 복수개의 정량 공급 장치(10)가 사용된다.

즉, 본원 발명에서는 다중 촛점 멀티 버너(200)가 사용되며, 상기 다중 초점 멀티 버너(200)는 복수개의 버너(100)가 배열된 것을 의미한다. 그리고, 석영 유리(205)가 만들어지는 내화벽돌로 된 내화로(204), 상기 내화로(204) 내부의 기체를 배기하는 배기 집전기(201), 석영 유리 분말(203)을 정량 공급장치로 공급하여 주는 승강기(202) 및 내화로(204) 내부의 온도를 측정하기 위한 온도 측정용 열전대(206) 등이 구비된다.

또한, 석영 분말이 정량 공급 장치(10)에서 버너(10)에 공급 되기 위하여 원료 공급 파이프(207)가 설치되며, 버너에 수소를 공급하기 위한 수소 공급 파이프(208) 및 버너에 산소를 공급하기 위한 산소 공급 파이프(209)도 각각 설치된다.

한편, 본원 발명에서는 다중 초점 버너(100)를 복수개 사용하므로서 버너(100)와 내화로(204) 사이의 거리를 조절하지 않아도 되며, 내화로를 회전시킬 필요도 없게 되므로, 대형 석영 유리 잉곳을 제조함에도 간단한 구조의 내화로로 가능하게 된다.

도 5는 본원 발명에서 사용되는 버너의 단면 구조를 나타낸 실시예의 도면이다,

도 5에 도시된 버너는 본원 발명에서 사용한 버너의 한 실시예의 형태이며, 반드시 도 5의 실시예에 도시된 버너만이 본원 발명에 사용되는 것은 아니다.

도 5의 버너의 특징은 원료 도입관(101)과 세관(111)의 구조를 간단히 하지만, 원료 도입관과 세관 사이에 블럭(122)을 구비하여, 버너의 안정성을 꽤하여, 버너의 효율을 좋게 하는 특징을 가지게 된다. 즉, 본원 발명의 버너(100) 상부에는 도면에서처럼 원료 도입관(101)과 수소 도입관(102)은 구비되고, 산소는 원료와 함께 원료 도입관(101)으로 도입되게 된다.

그리고, 상기 원료 도입관(101)과 수소 도입관(102)은 연결부(103a)에서 만나며, 상기 원료 도입관(101)은 직경의 크기가 점점더 커지면서 경사 구조를 가지는 내부관(121)과 연결되어 진다. 한편, 상기 수소 도입관(102)에서 유입된 수소는 버너 내부에서는 만나지 않고, 원료가 버너 밖으로 분출되는 과정에서 버너 출구쪽에서 만나게 된다. 즉, 버너에서 배출되는 화염(원료와 산소가 혼합되어 배출됨)과 수소는 만나게 된다,

또한, 상기 내부관(121) 하부에 지지판(123)이 장착되고, 상기 지지판(123)에 다수개의 세관(111)이 연결되는 구조를 갖는다. 이때, 상기 내부관(121) 안쪽에는 블럭(122)이 구비되며, 상기 블럭(122)은 연결부에서 분사되는 원료와 산소가 강한 힘으로 세관에 직접 닿게 되는 것을 막아 준다.

따라서, 원료 도입관을 통하여 원료 분말과 산소가 도입되고, 상기 산소와 원료 분말은 경사 구조를 가지는 내부관(121)을 지나고, 지지판(123)에 연결된 세관(111)을 통과하여 버너(100)를 나가게 된다. 상기 연결부(130a)에는 외관(120)과 통하는 홀(hole)(103b)가 구비된다.

아울러, 수소 도입관을 통하여 주입된 수소는 내부관(121)과 외관(120) 사이를 통하여 버너 밖으로 배출된다.

한편, 도 5를 보면 외관(120) 내부에 내부관(121)과 세관(111)이 위치하는 배치를 알 수 있다. 그리고, 블럭(122)은 블럭 바(bar)(122a)에 의하여 내부관(121) 내에 고정되어 진다. 그러므로, 외관(120)은 내부관(121)은 물론 다수의 세관(111)까지 감싸는 구조를 가진다. 이때, 블럭바는 원통형의 형상을 가지게 된다,

결과적으로 상기 버너(100)에는 다수의 홀이 형성된 지지판(123)이 더 구비되어, 상기 지지판에 상기 세관이 용접 결합되고, 상기 지지판은 원형이고 두께를 가진 판상 형태이다, 그리고, 상기 지지판에 형성된 하나의 홀에는 하나의 세관이 하나씩 대응되는 형태로 결합되고, 상기 내부관 내부에 원통형 형상의 블럭이 더 구비되고, 상기 블럭은 블럭바에 의하여 내부관 내부에 고정되도록 구비되는 구조를 가지게 된다.

도 6과 도 7은 멀티 초점을 가진 본원 발명의 버너를 나타낸 실시예의 도면이다.

도 6은 버너의 설계값과 초점을 나타낸 도면으로, 버너에서 나오는 화염이 모아지는 점을 초점이라고 하고, 버너에서 화염이 출발하는 지점부터 초점까지의 거리를 초점 거리라고 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본원 발명에서는 초점 거리가 180mm 인 내초점, 초점 거리가 210mm 인 중초점 및 초점 거리가 230mm 인 외초점이 존재한다. 그리고, 상기에서처럼 초점 거리는 세관(111)의 경사 각도에 따라 변하게 된다.

그리고, 본원 발명의 실시예에서 제시한 내초점, 중초점 및 외초점의 거리는 하나의 예이며, 본원 발명의 반드시 상기 촛점 거리에 한정되는 것은 아니다, 이때, 본원 발명에서는 세관(111)의 경사도를 서로 달리하는 방법을 사용하여 초점 거리를 다르게 한다,

일반적으로 종래에 사용되는 버너는 초점이 하나이므로 내화로(204)와 버너(100) 사이의 거리를 조절한다, 그러나, 본원 발명에서는 초점 거리가 3개인 버너를 사용하므로서 버너와 내화로 사이의 거리를 조절할 필요가 없게 된다.

또한 상기 도면에서 알수 있는 바와 같이 원료 도입(101)관 내부의 직경은 수소 도입관(102)의 내부의 직경보다 2 배 정도 더 크며, 블럭의 직경은 원료 도입관 내부의 직경보다 크지만, 20% 이내로 크다.

그리고, 내부관(121)의 경우 원료 도입관의 끝 부분과 연결되는 부분의 직경보다 지지판(123)에 연결되는 직경이 6배에서 7배 정도 더 크며, 세관이 위치 하는 부분의 외관은 경사도를 가지게 되고, 상기 경사도는 15 ° 이내이지만 10 °에서 20 °까지의 변화는 가능하다.

도 7은 세관의 단면 모양과 설계값을 나타낸 실시예의 도면이다. 도 6의 (A)는 "View A"(A 지점에서 바라본 단면도)의 형상이고, 도 6의 (B)는 "View B"(B 지점에서 바라본 단면도)의 형상이다,

도면에서 도시된 바와 같이, "View B" 가 세관의 입구쪽이고, "View A"는 세관의 출구쪽이다, 그리고 다수의 세관(111)이 원형의 모양을 따라서 배치된다. 그리고 상기 세관에 의하여 만들어진 원형 모양의 직경 측면에서, "View B"의 직경이 "View A" 직경보다 더 크며, 따라서 세관이 경사가 지게 된다. 아울러, 입구쪽(View B)에서의 세관(111)의 크기는 출구쪽(View A) 세관(111)의 크기보다 작게 만들어 진다.

또한, 본원 발명에서 세관(111)은 47개 정도 사용사지만 반드시 상기 숫자에 한정되는 것은 아니다. 그리고 외관(120)의 단면 원(circle)에서 볼 때, 세관이 위치하는 위치는 가상의 원(circle)의 선을 따라 위치하게 된다. 즉 최초의 가상의 원의 선을 따라 세관이 위치하고, 그다음에 두번째 가상의 원의 선을 따라 세관이 위치하며, 그 다음에 세번째와 네번째 가상의 원의 선을 따라 세관이 위치하는 형태를 가진다.

물론 세관의 위치가 상기의 설명에서처럼 반드시 가상의 원에 만 존재할 필요는 없다. 설계 변경에 따라 다양한 위치가 가능하다,

또한, 수직선과 수평선을 기준으로 하여 첫번째 가상의 원의 선을 따라 위치하는 세관의 각도, 두번째 가상의 원의 선을 따라 위치하는 세관의 각도 및, 세번째 가상의 원의 선을 따라 위치하는 세관의 각도는 각각 차이를 두었다.

도 8과 도 9는 내화로와 버너의 배치를 나타낸 도면이다.

도 8은 내화로의 구조를 상세히 나타낸 도면으로, 석영 유리 잉곳이 생산되는 내부 안쪽에는 산화 지르 코늄 벽돌(212)로 만들어지고, 상기 산화 지르 코늄 벽돌(212) 바깥쪽에는 내화 단열 벽돌(213)로 만들어진다, 그리고, 내화 단열 벽돌(213) 바깥에는 단열재 재료 중에 하나인 CF 벌크(215)로 채워지고, 내화 단열 벽돌(213) 아래에도 CF 보드(216)이 존재한다. 또한, CF 벌크(215) 외부에는 철판(214)가 구비된다.

한편, 산화 지르 코늄 벽돌(212)과 내화 단열 벽돌(213) 상부에는 탄화 규소 판(211)이로 덮여지고, 그 상단에 다시 석영 유리로 뚜껑(210)으로 덮여지며, 상기 석영 유리로 뚜껑(210)에 버너(100)가 장착되어 화염이 분사되게 된다.

아울러, 도 8에 도시된 바와 같이 내화 벽돌 내부에 육면체 모양의 잉곳 생산부가 존재하며, 산화 지르 코늄 벽돌(212)로 만들어지는 내부 공간에서는 잉곳 생산부보다 입구 쪽이 더 좁게 만들어 진다.

본원 발명에서는 석영유리 잉곳의 크기(size)가 1060x1060x260㎜(가로x세로x높이)인 경우를 실시예로 제작하였으나, 반드시 상기 크기에 한정되는 것은 아니다.

한편, 산화 지르 코늄 벽돌(212)인 내부 단열재는 Zr, Al, Si의 원소 중 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 단열재이고, 내화 단열 벽돌(213)인 외부 단열재는 Zr, Al, Si의 원소 중 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 단열재이다.

도 9는 다중초점을 가진 버너의 배치를 나타낸 도면이다,

본원 발명에서는 석영 잉곳의 넓이에 따라 버너의 수량 및 배치를 조절할 수 있음을 원칙으로 하며, 이러한 버너 수량의 결정과 배치는 수평온도구배 조절에 영향을 준다.

그리고, 도 9이 실시예에서는 5개의 버너를 사용함을 예로 들었다, 하지만. 상기의 설명에서와 같이 버너는 2개 이상 부터 10개 및 그 이상까지 사용할 수 있음은 당연하다.

한편, 5개의 버너(100)를 사용할 경우에, 외각에 존재하는 4 개의 버너는 메인버너(100-1)이고, 내부에 존재하는 1개의 버너는 보조 버너(100-2)이다. 그리고, 상기 메인버너(100-1)에서는 석영 분말(quartz powder)과 산소 및 수소가 사용되고, 보조버너(100-2)에서는 산소와 수소가 사용된다. 즉 보조 버너(100-2)에서는 용융된 석영이 분사되지 않고 산소와 수소의 불꽃 만 분사된다.

도 10과 도 11은 보조 버너의 효과를 보여주는 실시예의 도면이다.

보조 버너(100-2)가 구비되지 않고, 메인 버너(100-1)로만 제작 시에는 용융물이 합쳐지는 곳에서 기포가 발생하여 품질 저하의 문제가 발생되게 되며, 따라서, 가운데 보조 버너(100-2)를 구비하고 상기 보조 버너(100-2)는 기포를 제어하는 역할을 하게 된다.

그리고, 본원 발명에서는 "가로 1060㎜, 세로 1060 ㎜, 높이 260㎜" 인 석영유리 잉곳을 제작하였으며, 내화로(204) 내부의 온도를 "1500~1800℃"로 하여 제작 공정을 진행하였다.

그리고, 분말공급(생산) 속도는 메인버너(100-1) 4 개를 모두 합해서 "1 ∼32kg/hr" 이내로 유지하였다.

본원 발명에서처럼, 버너 내부에 보조 버너(100-2)를 구비하도록 하므로서, 생산속도는 3배 이상 향상될 수 있었다. 예를들변 기존에는 생산 속도가 0.1∼10kg/hr(토소 특허참조. 특허출원번호 : 10-2002-0016491)정도가 되었다.

그리고, 내화로(204) 구조가 간단하여 용융물의 상하이동이 가능하고, 이를 위한 별도의 회전장치가 없이도 가능하다. 그리고, 냉각수 같은 별도의 냉각장치 없이도 사용이 가능가능하고, 단열효과가 향상되어 결과적으로 산소, 수소량의 감소가 가능하여 원가절감 효과를 이루게 된다. 또한, 밀폐형의 구조이므로 원료분말의 손실량이 감소되며, 기존에는 효율이 80~90% 정도에 이르고 멀티에서는 90~95% 정도가 된다,

아울러, 본원 발명의 실시예에서는 내화로 내부를 직육면체의 형상으로 하고 내부에서 석영 유리 잉곳을 제작하였으나, 석영 유리 생산의 필요에 따라. 내화로의 평면 모양을 원형, 사각형 혹은 다각형 등으로 제작할 수도 있다. 그리고 이러한 형상 변경은 수율 향상으로 이어지게 된다.

그리고 보조 버너는 메인 버너의 중간에 위치하게 된다,

도 12는 내화로 내부에서의 초점 거리를 나타낸 실시예의 도면이다.

도 12는 초점 거리의 종류가 3 개 일 경우의 실시예의 도면으로, 버너(100)에서 화염이 출발하는 위치에서 석영 유리 잉곳이 만들어지는 내화로(204) 내부의 바닥까지의 거리를 100 %로 했을 때, 제 1 초점 거리는 상기 거리(100%로 한 거리)의 76.9 %으로 하고, 제 2 초점 거리는 69.2 %로 하며, 제 3 초점 거리는 57.7 %로 한다,

만일, 메인 버너가 n 개 사용되고 제 1 메인 버너(100-1), 제 2 메인 버너(100-1) 및 제 3 메인 버너(100-1)가 존재할 때, 제 1 메인 버너(100-1)의 초점거리, 제 2 메인 버너(100-1)의 초점거리, 및 제 3 메인 버너(100-1)의 초점거리는 서로 같게 된다, 그리고 제 1 메인 버너(100-1)와 내화로 바닥 사이의 거리, 제 2 메인 버너(100-1)와 내화로 바닥 사이의 거리, 및 제 3 메인 버너(100-1)와 내화로 바닥 사이의 거리는 서로 같다,

본원발명에서와 같이 초점이 다양한 버너를 여러개 사용하므로서, 내화로의 구조를 간단하고 크게 할 수 있으며, 도가니의 위치도 고정할 수 있다.

또한, 종래에는 단일 초점이므로 내화로 내부에서 용융된 석영 유리의 상부 온도가 내려갈 수 있는 문제가 생겨 효율도 떨어지게 된다. 그러나, 본원 발명의 다중 초점은 하부 뿐 아니라 상부도 화염의 초점이 존재하므로, 상부에 온도가 내려가는 문제점도 해결되게 된다,

10 : 정량 공급장치 60 : 리프팅 기어
11 : 투입부 100 : 버너
30 : 내화로 50 : 잉곳
51 : 타켓 40 : 지지판
12 : 배출구 14 : 가이드부
15 : 정량 공급 기어 71 : 모터
13 : 출구판 15a : 기어날
101 : 원료 도입관 102 : 수소 도입관
103 : 산소 도입관 103a : 연결부
105 : 중앙관 110 : 중심관(원료 공급관)
111 : 세관 120 : 외관
121 : 내부관(내관) 122 : 블럭
123 : 지지판 200 : 다중촛점 멀티버너
201 : 배기 집전기 202 : 승강기
203 : 분말 204 : 내화로
205 : 석영 206 : 온도 측정용 열전대
207 : 원료 공급 파이프 208 : 수소 공급 파이프
209 ; 산소 공급 파이프 210 : 석영 유리로 뚜껑
211 : 탄화 규소 판 212 : 산화 지르 코늄 벽돌
213 : 내화 단열 벽돌 100-1 ; 메인 버너
100-2 보조 버너 214 ; 철판
215 : CF 벌크 216 : CF 보드

Claims (5)

1. 분말 원료와 산소가 혼합되어 도입되는 원료 도입관과 수소가 도입되는 수소 도입관 및 다수의 관으로 만들어지고 원료가 분출되는 세관이 구비되는 메인 버너와 산소와 수소만 분출되는 보조 버너가 구비되고,
   상기 세관의 경사 각도도 서로 다르게 되어,
   상거 버너의 세관에서 화염이 분출되어 모아지는 지점을 초점이라고 할 때, 상기 세관에서 분출되는 화염의 초점 거리도 서로 다른 것을 특징으로 하는 다중초점 멀티 버너가 구비된 석영 유리 잉곳 제조장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 버너는 적어도 2 개 이상 사용되는 것을 특징으로 하는 다중초점 멀티 버너가 구비된 석영 유리 잉곳 제조장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 버너가 적어도 2 개 이상 사용될 때, 상기 버너는 메인 버너와 보조 버너를 포함하고, 메인 버너는 석영 유리 분말, 산소 및 수소를 분출하고, 보조 버너는 산소와 수소 만을 분출하는 것을 특징으로 하는 다중초점 멀티 버너가 구비된 석영 유리 잉곳 제조장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 메인 버너가 2 개 이상 사용되어, 제 1 메인 버너(100-1), 제 2 메인 버너(100-1) 및 제 3 메인 버너(100-1)가 존재할 때, 상기 메인 버너의 초점 거리는 서로 같은 것을 특징으로 하는 다중초점 멀티 버너가 구비된 석영 유리 잉곳 제조장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 버너에서 용융된 석영이 분출되는 내화로가 존재하고 상기 내화로 내부에서 석용 유리 잉곳이 만들어 질 때,
   상기 내화로 내부의 단열재는 Zr, Al, Si의 원소 중 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 단열재이고,
   내화로 외부 단열재는 Zr, Al, Si의 원소 중 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 단열재인 것을 특징으로 하는 다중초점 멀티 버너가 구비된 석영 유리 잉곳 제조장치.
   
   

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