KR20170116612A - 석영 유리 잉곳 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 산소와 수소 및 석영 분말 유리를 공급하는 버너가 존재하고,내화물(204) 내부에 석영 유리를 용융시켜 석영 유리 잉곳을 제조하는 제조장치에서, 상기 내화물과 석영 유리의 경계부에 라이닝재(220)가 구비되고, 상기 라이닝재는 지르코니아 빈입자, 석영유리분말, 및 바인더로 만들어지므로서, 지르코니아와 석영 유리 분말을 혼합한 라이닝재를 내화 벽돌에 사용하고 온도하강 조건을 최적화하여, 내화물 경계부에 발생하는 균열을 억제하고 내화물과 유리와의 분리성이 개선된 석영 유리 잉곳 제조장치를 제공할 수 있고, 결과적으로 직경 1000mm 정도 크기를 가진 석영 유리도 안정적으로 제작할 수 있음은 물론, 원가절감 효과도 이루게 된다.

Description

석영 유리 잉곳 제조 장치{MANUFACTURING APPARATUS FOR QUARTZ GLASS INGOT}

본 발명은 석영 유리 잉곳(quartz glass ingot) 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지르코니아와 석영 유리 분말을 혼합한 라이닝재를 내화 벽돌에 사용하고, 온도 하강 속도도 조절하므로서, 열팽창계수 차이와 경계부와 중앙부와의 온도차의 영향으로 균열이 발생되는 것을 억제할 수 있도록 하는 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, 버너의 유리퇴적의 경계면 부분에 큰 기포가 발생하는 문제, 열팽창계수차이 및 경계부와 중앙부와의 온도차의 영향으로 균열이 발생하는 문제 등을 해결하기 위한 방법을 구체적으로 제시한 석영 유리 잉곳 제조 장치는 아직까지는 존재하지 않는 실정이다.

따라서, 버너의 유리퇴적 경계면 부분의 큰 기포 발생을 억제하고, 내화물 경계부에 균열의 발생을 억제하고, 또한 내화물과 석영 유리와의 분리성을 개선할 수 있는 석영 유리 잉곳 제조 장치의 개발이 절실한 실정이다.

선행기술 1 : 대한민국 특허공개번호 : 10-2002-0076183(2002년10월09일) 선행기술 2 : 대한민국 등록번호 : 10-1479539 (2014년12월30일)

버너의 유리퇴적의 경계면 부분에 큰 기포가 발생하기 쉽기에 이에 대한 대책이 필요하고, 내화물 등 열팽창계수차이와 경계부와 중앙부와의 온도차의 영향으로 발생하는 균열을 억제하고, 고온으로 인하여 내화물과 유리접촉 부분이 단단하게 고결됨에 따르는 유리와의 분리성을 개선할 필요가 있는 석영 유지 제조장치를 제조할 수 있도록 한다

상기 목적은, 산소와 수소 및 석영 분말 유리를 공급하는 버너가 존재하고, 내화물(204) 내부에 석영 유리를 용융시켜 석영 유리 잉곳을 제조하는 제조장치에서, 상기 내화물과 석영 유리의 경계부에 라이닝재(220)가 구비되고, 상기 라이닝재는 지르코니아 빈입자, 석영유리분말, 및 바인더로 만들어지므로서 달성된다.

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.

그리고, 상기 라이닝재의 조성과 재료는 지르코니아 캐스터블 40 ∼ 50 %, 지르코니아 빈입자 40 ∼ 50 %, 석영유리분말 3.5 ∼ 6.5%, 바인더(PVA)3.5 ∼ 6.5 % 이다,

최고 온도로 올라갈 때까지의 시간보다 석영 분말 공급이 중지되면서부터 점멸까지의 시간이 더 길다,

본 발명은, 지르코니아와 석영 유리 분말을 혼합한 라이닝재를 내화 벽돌에 사용하고 온도하강 조건을 최적화하여, 내화물 경계부에 발생하는 균열을 억제하고 내화물과 유리와의 분리성이 개선된 석영 유리 잉곳 제조장치를 제공할 수 있고, 결과적으로 직경 1000mm 정도 크기를 가진 석영 유리도 안정적으로 제작할 수 있음은 물론, 원가절감 효과도 이루게 된다

도 1은 한 개의 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 멀티 버너를 사용하여 석용 유리 잉곳을 제조하는 본원 발명의 장치를 나타낸 실시예의 도면이다.
도 4는 본원 발명에서 사용되는 버너의 단면 구조를 나타낸 실시예의 도면이다,
도 5는 내화로의 구조를 상세히 나타낸 도면이다.
도 6은 다중초점을 가진 버너의 배치를 나타낸 도면이다,
도 7은 균열과 기포가 발생되는 영역을 나타내는 도면이다.
도 8은 내화물에 라이닝재가 구비된 실시예의 도면이다.
도9는 라이닝재를 만드는 방법을 나타낸 실시예의 도면이다.
도 10은 균열(크렉) 방지를 위하여 온도 하강 속도를 조절하는 방법을 나타낸 실시예의 도면이다. .

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 석영 유리 잉곳 제조장치에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하기 위하여 필요한 통상의 기술에 대해서는 상세 설명을 생략할 수 있다.

본 발명은 버너의 유리퇴적의 경계면 부분에 기포 발생을 억제하고, 내화물과 유리와의 경계부에 발생되는 균열을 억제하고, 내화물과 유리와의 분리성을 개선한 석영 유리 잉곳 제조 장치를 제공하고자 한다. 또한, 본 발명을 통하여서는 직경 1000mm 정도 크기를 가진 석영 유리 잉곳을 용이하게 제작할 수가 있다.

또한, 본원 발명은 고순도의 석영유리 분말(Sand)이나 규사 등 원료분말을 효율적으로 용융하기 위한 석영유리 제조 장치에 관한 것으로, 경우에 따라서는 복수개의 촛점을 가진 버너를 사용할 수가 있다.

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 한 개의 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 멀티 버너를 사용하여 석용 유리 잉곳을 제조하는 본원 발명의 장치를 나타낸 실시예의 도면이다.

도 3은 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 4는 본원 발명에서 사용되는 버너의 단면 구조를 나타낸 실시예의 도면이다,

도 4에 도시된 버너는 본원 발명에서 사용한 버너의 한 실시예의 형태이며, 반드시 도 4의 실시예에 도시된 버너만이 본원 발명에 사용되는 것은 아니다.

도 4의 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 4를 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 5는 내화로의 구조를 상세히 나타낸 도면이다.

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 5에 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 6은 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 6이 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.

한편, 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 7은 균열과 기포가 발생되는 영역을 나타내는 도면이다.

멀티 버너(100-1)(100-2)를 사용하게 될 경우 유리 내의 기포수준은 기존 산수소 용융보다 향상되지만, 멀티버너를 사용함으로써 각각의 버너의 유리퇴적의 경계면 부분에 큰 기포가 발생하기 쉽기에 이에 대한 대책이 필요하다.

그리고, 석영유리(205)와 내화물(204)은 서로 접촉되고, 접촉 경계부분에서 석영유리(205)와 내화물(204)의 열팽창계수에서 차이가 생기게 되고, 경계부와 중앙부와의 온도차이도 생기게 되므로 균열의 발생위험이 매우 높으며, 대형 사이즈의 석영 유리를 제작하게 됨에 따라 이러한 균열의 발생 위험은 더 높아지게 된다.

즉, 석영 유리(205) 용융 후 석영유리의 크렉 발생은 자연냉각시 석영유리중앙부와 경계부(석영 유리 외부 영역으로 내화물과의 경계 부분)의 온도 차이에 따라 응력이 발생(압축과 인장)하고, 이 응력이 유리의 기계적 강도를 넘기 때문에 파괴되어 균열(크렉)이 발생되게 된다.

또한, 석영 유리의 열팽찰 계수는 0.55 X 10-6 ℃ 로서, 알루미나에 비하여 1/10정도 작으므로 내화물과 석영 유리의 열팽창 계수의 차이로 인하여 경계 부분에 균열(크렉)이 발생되게 된다. 한편, 열팽창 계수가 높은 지르코니아 역시 균열(크렉)이 발생되게 되고, 따라서 내화물(204)의 수명이 단축되는 원인이 되게 된다.

아울러, 석영 유리가 고온에서 제작되기 때문에 내화물(204)과 석영 유리(205)의 접촉부분은 단단하게 고결되어있어, 내화물과 석영 유리를 분리할 때 분리성을 개선할 필요가 있게 된다.

도 8은 내화물에 라이닝재가 구비된 실시예의 도면이다.

온도하강시 내화물과 석영유리의 수축율이 다르게 된다. 즉 석영 유리(205)의 수축율은 작고 내화물(205)의 수축율은 크게 된다. 따라서 석영 유리(205)와 내화물(205)의 경계 부분에 균열(크렉)이 발생하게 된다.

그리고, 이러한 균열 발생을 최소화하거나 억제하기 위하여 도 8에 도시된 바와 같이 라이닝재(완충제)(220)을 내화물(204) 내부이고, 석영 유리(205)와 만나는 영역에 설치할 필요가 있다.

또한, 라이닝재(220)의 조성과 재료는 “지르코니아 캐스터블 40 ∼ 50 %, 지르코니아 빈입자 40 ∼ 50 %, 석영유리분말 3.5 ∼ 6.5%, 바인더(PVA)3.5 ∼ 6.5 % ” 이다.

도9는 라이닝재를 만드는 방법을 나타낸 실시예의 도면이다.

도면에서처럼, 라이닝재(220)의 원료가 되는 지르코니아 캐스터블, 지르코니아 빈입자, 석영유리분말, 및 바인더(PVA)를 정해진 비율 만큼, 교반기(230)에 투입한 후에 교반 혹은 믹싱하게 된다.

그런다음, 몰드(232)에 라이닝재(220)를 주입한 후에 형태가 만들어 지도록 굳힌 다음, 형태가 만들어진 라이닝재(220)를 오븐(234)에 넣고 1350℃ 로 소결하여 최종적으로 사용할 수 있는 라이닝재(220)가 완성된다.

또한, 일반적으로 라이닝재의 판 두께는 한정되어 있지 않으나, 라이닝재는 일회성이기 때문에 비용절감을 위해 얇을수록 좋으나, 너무 얇게 되면 제조가 어려운 단점이 존재하게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에서 라이닝재의 두께는 5 ∼20mm로 진행하는 것이 바람직하며, 가장 최적의 두께는 10mm ± 3 이다.

도 10은 균열(크렉) 방지를 위하여 온도 하강 속도를 조절하는 방법을 나타낸 실시예의 도면이다.

석영 유리 잉곳 제조를 위한 과정은 산수소 불꽃을 공급하는 점화 단계, 원하는 석영 유리의 크기에 도달되면 석영분말 투입 중지 단계, 화염중지, 그리고 점멸의 단계로 나누게 된다, 이때, 석영 분말 중지 단계에서 화염이 중지되고 점멸되는 단계까지 하강 속도를 늦추는 조절을 하여, 크렉을 방지하게 된다.

한편, 1700℃(공정온도 1600~1700℃)에서 1250℃까지의 온도 구간에서는 30℃/hr이내의 냉각 속도가 바람직하고, 1250℃에서 상온까지는 로냉(자연냉각)으로 진행한다.

10 : 정량 공급장치 60 : 리프팅 기어
11 : 투입부 100 : 버너
30 : 내화로 50 : 잉곳
51 : 타켓 40 : 지지판
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
220 : 라이닝재 230 : 교반기
232 : 몰드 234 : 오븐

Claims (4)

1. 산소와 수소 및 석영 분말 유리를 공급하는 버너가 존재하고,
   내화물(204) 내부에 석영 유리를 용융시켜 석영 유리 잉곳을 제조하는 제조장치에서,
   상기 내화물과 석영 유리의 경계부에 라이닝재(220)가 구비되고,
   상기 라이닝재는 지르코니아 빈입자, 석영유리분말, 및 바인더로 만들어지는 것을 특징으로 하는 석영 유리 잉곳 제조장치.
2. 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 석영 유리 잉곳 제조장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 라이닝재의 조성과 재료는 지르코니아 캐스터블 40 ∼ 50 %, 지르코니아 빈입자 40 ∼ 50 %, 석영유리분말 3.5 ∼ 6.5%, 바인더(PVA)3.5 ∼ 6.5 %인 것을 특징으로 하는 석영 유리 잉곳 제조장치.
4. 제 1항에 있어서, 최고 온도로 올라갈 때까지의 시간보다 석영 분말 공급이 중지 되면서부터 점멸까지의 시간이 더 긴 것틀 특징으로 하는 석영 유리 잉곳 제조장치.
   
   

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