KR20210108775A - 잉곳 성장용 와이어 인양장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장용 와이어 인양장치는 시드를 고정 및 지지하는 시드 척과 격리되어 시드 척 상부에 설치되며, 와이어를 감았다 푸는 원통형 드럼과, 상기 원통형 드럼의 길이방향을 따라 양방향으로 소정거리 연장되는 중심축과, 상기 중심축에 대해서 양방향에서 베어링을 매개로 회전가능하게 지지하여 회전력을 공급하는 일방향의 제 1 모션 피드-쓰로우와 상기 제 1 모션 피드-쓰로우에 대하여 대향하여 배치되는 타방향의 제 2 모션 피드-쓰로우와, 상기 제 2 모션 피드-쓰로우의 피동축에 구동축이 커플링수단에 의해 연결되어 적어도 2 이상의 웜기어의 작동에 의해서 동력을 전달하는 웜기어박스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

잉곳 성장용 와이어 인양장치{WIRE PULLING APPARATUS FOR INGOT GROWING INSTALLATION}
본 발명은 잉곳 성장용 와이어 인양장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초크랄스키법을 사용한 잉곳의 성장 시 외부 회전 동력을 내부 드럼에 제공하되, 드럼 양단을 지지하고, 상용 감속기 사용으로 부품 수급기간을 단축하며 일정 수준의 품질유지가 가능하여 와이어 인양값 변환시 오차 발생을 최소화할 수 있는 잉곳 성장용 와이어 인양장치에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 잉곳 성장장치에서 실리콘 잉곳(ingot)은 석영 도가니에 폴리실리콘(polysilicon)과 불순물(dopant)을 용융하여 형성된 실리콘 용융물에 인상장치를 사용하여 시드를 디핑(dipping)시키고 이 시드(Seed)와 석영 도가니를 서로 반대 방향으로 회전시키면서 서서히 시드를 인상함으로써(pulling up) 성장 제조된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 잉곳은 종결정인 시드(5)를 실리콘 융액에 디핑한 후에, 일정한 속도로 회전시키면서 인상함으로써 성장된다. 석영 도가니(7) 내부에 녹아있는 실리콘 융액에 시드(5)를 디핑하기 위해서는 상기 시드(5)를 고정
및 지지하는 시드 척(3)이 마련되고, 상기 시드척(3) 상면에는 와이어(1)가 연결되어 제어부(20)의 제어하에 와이어 인양장치(10)에 의하여 상기 시드(5)를 실리콘 융액으로부터 인상시켜 실리콘 잉곳을 성장시킬 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 와이어 인양장치(10)는 잉곳 인양용 와이어(1)가 감기는 시드 와이어 드럼(11)과, 상기 시드 와이어 드럼(11)에 외부에서 기계적인 힘 및 운동을 제공하기 위한 웜 기어 세트(13)와, 상기 시드 와이어 드럼(11)의 중심축과 상기 웜 기어 세트(13)를 연결하여 밀봉영역의 외측에서 밀봉영역의 내측으로 회전력을 제공하는 모션 피드-쓰로우(motion feed-through 15)로 구성된다.
그런데, 종래 잉곳 성장장치에서, 상기 시드 와이어 드럼(11)에 대해 단일 모션 피드-쓰로우(15)가 일측에 설치되어 외팔보식으로 상기 웜 기어 세트(11)의 회전력을 밀봉영역 내부로 전달함으로써 성장하는 실리콘 잉곳의 하중을 지탱한다.
즉 정지하중을 받는 모션 피드-쓰로우(15)의 최대 변위량을 계산한 결과 400kg 부하시 최대 처짐량이 0.91mm가 발생하는 등 미세한 처짐이 발생하여 쵸크랄스키법으로 실리콘 잉곳을 성장시킬 때, 와이어 인양 값이 달라지는 문제점이 발생한다.
또한, 상기 웜 기어 세트(13)를 수작업으로 가공하는 경우에 모션 피드-쓰로우(15)를 통해 회전 백래시가 발생하여 와이어 인양 값에 오차가 발생한다.
여기서 회전 백래시란 모션 피드-쓰로우(15)으 구동축과 종동축이 서로 독립적으로 회전하는 능력의 의미하며, 구성요소들간의 간극 또는 상호작용으로 인하여 모션 손실이 발생하는 것을 의미한다.
도 2c에 도시된 바와 같이 시드의 일단에 와이어를 연결하여 회전 구동에 의해 잉곳이 성장될 때, 잉곳의 성장 길이에 따른 직경의 변화가 일어나는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 웜 기어 세트(13)는 수작업으로 가공되어 일정 수준으로 품질 관리가 힘들어 잉곳의 성장 초반부에 인상 속도의 급격한 증가하거나 또는 초기 잉곳의 가벼운 무게로 인해 백래쉬가 발생하여 와이어 인양 높이의 오차가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해소하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 초크랄스키법을 사용한 잉곳의 성장 시 드럼 양단 지지를 지지하여 드럼 샤프트에 대하여 부하가 일정하게 제공되어 외부의 회전력이 드럼에 대해 빠르고 정확하게 전달될 수 있고, 상용 감속기 사용으로 부품 수급기간을 단축하며 일정 수준의 품질유지가 가능하여 와이어 인양값 변환시 오차 발생을 최소화할 수 있는 잉곳 성장용 와이어 인양장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장용 와이어 인양장치는 시드를 고정 및 지지하는 시드 척과 격리되어 시드 척 상부에 설치되며, 와이어를 감았다 푸는 원통형 드럼과, 상기 원통형 드럼의 길이방향을 따라 양방향으로 소정거리 연장되는 중심축과, 상기 중심축에 대해서 양방향에서 베어링을 매개로 회전가능하게 지지하여 회전력을 공급하는 일방향의 제 1 모션 피드-쓰로우와 상기 제 1 모션 피드-쓰로우에 대하여 대향하여 배치되는 타방향의 제 2 모션 피드-쓰로우와, 상기 제 2 모션 피드-쓰로우의 피동축에 구동축이 커플링수단에 의해 연결되어 적어도 2 이상의 웜기어의 작동에 의해서 동력을 전달하는 웜기어박스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장용 와이어 인양장치에 의하면, 초크랄스키법을 사용한 잉곳의 성장 시 드럼 양단 지지를 지지하여 드럼 샤프트에 대하여 부하가 일정하게 제공되어 외부의 회전력이 드럼에 대해 빠르고 정확하게 전달될 수 있고, 상용 감속기 사용으로 부품 수급기간을 단축하며 일정 수준의 품질유지가 가능하여 와이어 인양값 변환시 오차 발생을 최소화할 수 있는 잉곳 성장용 와이어 인양장치를 제공하는 것이다.
도 1은 종래 잉곳 성장 설비의 개략도이다.
도 2a는 종래 잉곳 성장 설비의 잉곳 성장용 와이어 인양장치의 정면도이다.
도 2b는 2a의 A-A를 따라 취한 단면도이다.
도 2c는 종래 잉곳 성장용 와이어 인양장치를 이용한 경우의 잉곳 성장 길이 성장에 대한 직경 변화를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장용 와이어 인양장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장용 와이어 인양장치를 이용한 경우의 잉곳 성장 길이 성장에 대한 직경 변화를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장용 와이어 인양장치의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장용 와이어 인양장치(100)는 석영 도가니(7) 내부에 녹아있는 실리콘 융액에 시드(5)를 디핑하기 위해서 상기 시드(5)를 고정 및 지지하는 시드 척(3)과 격리되어 시드 척(3) 상부에 설치되며, 와이어(1)를 감았다 푸는 드럼(110)은 원통형이며, 상기 원통형 드럼(110)의 길이방향을 따라 양방향으로 소정거리 연장되는 중심축(120)을 구비하며, 상기 중심축(120)에 대해서 양방향에서 베어링을 매개로 회전가능하게 지지하여 회전력을 공급하는 일방향의 제 1 모션 피드-쓰로우(130)와 상기 제 1 모션 피드-쓰로우(130)에 대하여 대향하여 배치되는 타방향의 제 2 모션 피드-쓰로우(140)와, 상기 제 2 모션 피드-쓰로우(140)의 피동축(141)에 구동축(151)이 연결되어 적어도 2 이상의 웜기어(153)의 작동에 의해서 동력을 전달하는 웜기어박스(150)를 포함한다.
상기 원통형 드럼(110)은 상기 시드 척(110) 상판(111)에 대해 고정 설치된 U자형 브라켓(113)에 대해 상기 제 1 모션 피드-쓰로우(130)와 상기 제 2 모션 피드-쓰로우(140)에 의해 이격되게 양방향에서 지지 설치되어 중심축(120)에 대해 자유롭게 회전구동가능하게 구성된다.
상기 제 1 모션 피드-쓰로우(130)는 상기 원통형 드럼(110)의 중심축(120)의 일단에 대해 끼임결합하는 피동축(131)을 가지며, 상기 중심축(120)의 외주면에 결합되는 베어링수단(135)을 매개로 원통형의 실린더형 관부재(136)이 상기 U자형 브라켓(113)의 일단에 대해 체결되어 있으며, 상기 피동축(131)의 타단에는 원반상의 밸런스 수단(138)이 수직 하방으로 결합되어 있다.
상기 제 2 모션 피드-쓰로우(140)는 상기 웜기어박스(150)의 기어 구동축(151)에 대해 연결되는 피동축(141)을 가지며, 상기 피동축(141)의 외주부에는 원통형 베어링 수단(143)이 설치되며 상기 베어링 수단(143)의 외주부에 실린더형 관부재(145)가 상기 U자형 브라켓(113)의 타단에 대해 체결되어 상기 웜기어박스(150)의 구동축(151)에 의해 전달되는 회전력을 상기 베어링수단(143)을 매개로 상기 드럼(110)에 전달하고 상기 드럼의 중심축(120)과 연동하는 상기 제 1 모션 피드-쓰로우(131)의 피동축(131)에 전달하여 하나의 구동수단인 상기 웜기어박스(150)의 회전력을 상기 제 1 모션 피드-쓰로우(130)와 상기 제 2 모션 피드-쓰로우(140)에 양분할 수 있도록 구성된다.
상기 웜기어박스(150)가 상기 드럼(110)으로부터 멀리 외측에 이격 설치되어 백래시가 발생할 수 있는바, 상기 베어링수단(145)는 관형상으로 길게 형성되지만, 상기 관부재(145)의 중공의 적어도 일부에 리세스(146)을 제공하여 상기 드럼(110)에 연결되는 피동축(141)은 단단히 고정되고, 상기 웜기어박스(150)의 구동축(151)에 연결되는 부분은 간격이 있어서 회전력이 보다 정확하고 쉽게 전달될 수 있도록 구성된다.
한편, 상기 드럼(110)의 회전시 잉곳 인상 오차를 줄이기 위해서 상기 관부재(136, 146)를 상기 드럼(110)의 중심축과 연결하는 마운드(147)는 제 1 부분(147a)과 제 2 부분(147b)을 가지며 외주부에 탄성스프링이 감겨져 탄성적으로 상기 드럼(110)을 지지하도록 구성되어 있다.
상기 제 2 모션 피드-쓰로우(140)는 상기 와이어(1)를 따른 잉곳 성장시 잉곳 하중을 양분하는 것을 특징으로 한다.
상기 와이어(1)는 강성이 좋은 텅스텐 소재의 와이어를 여러 겹 꼽아 만든 것으로 하단부에 시드를 고정하여 잉곳을 성장시키며 잉곳을 인양시키는 역할을 한다.
상기 제 1 모션 피드-쓰로우(130)와 상기 제 2 모션 피드-쓰로우(140)는 상기 원통형 드럼(110)을 양방향에서 지지하도록 상기 원통형 드럼(110)의 중심축(120)이 연장되는 실린더형 마운트(137, 147)을 각각 구비한다,
상기 실린더형 마운드(137, 147)은 탄성스프링에 의해서 탄성적으로 이루어진 벨로즈수단일 수 있다.
상기 제 1 모션 피드-쓰로우(130)와 상기 제 2 모션 피드-쓰로우(140)는 상기 중심축(120)을 매개로 외부의 웜 기어 박스(150)로부터의 동력을 상기 원통형 드럼(110)에 대해 이상적으로 거의 전부 전달할 수 있다.
상기 제 1 모션 피드-쓰로우(130)와 상기 제 2 모션 피드-쓰로우(140)는 각각 중 상기 제 1 모션 피드-쓰로우(130)의 직경이 상기 제 2 모션 피드-쓰로우(140)의 직경보다 더 작아서 시드척(3) 상면에서 와이어(1)가 연결되는 제어부(20)의 제어하에 와이어 인양장치(100)의 잉곳 성장 초기에는 상기 제 2 모션 피드-쓰로우(140)에 의해서 주로 모션을 공급할 수 있도록 제어될 수 있다.
또한, 시드척(3) 상면에서 와이어(1)가 연결되는 제어부(20)의 제어하에 와이어 인양장치(100)의 잉곳 성장 후기에는 보다 직경이 작은 상기 제 1 모션 피드-쓰로우(140)에 의해서 주로 모션을 공급할 수 있도록 제어될 수 있다.
상기 제 1 모션 피드-쓰로우(130)의 길이가 상기 제 2 모션 피드-쓰로우(140)의 길이보다 짧게 구성되지만, 상기 밸런스 수단(138)에 의해서 연장되어 상기 웜기어박스(150)의 구동력이 상기 상기 제 1 모션 피드-쓰로우(130)와 상기 제 2 모션 피드-쓰로우(140)에 대해 안정적으로 분할될 수 있다.
상기 제 2 모션 피드-쓰로우(140)를 웜 기어 박스(150)의 구동축에 나란히 연동하게 설치하여 길이를 길게 할 때보다 백래시를 줄일 수 있으며, 상기 원통형 드럼(110)을 감아 올리거나 내리는 동력을 전달하는 웜 기어 박스(150)의 부하 또는 스트레스를 덜 받게 할 수 있다.
상기 웜 기어 박스(150)는 사용하는 표준용 기어 박스를 이용할 수 있으며, 기어 박스내 치열 가공 품질이 일정하게 유지되어 백래쉬 발생 범위를 일정하게 관리할 수 있다.
한편, 시드 와이어 인양시 발생하는 상기 웜 기어 박스(150)의 변수를 상수화함으로써 상기 제어부(201)의 제어를 보다 정밀하게 할 수 있다.
(실험예)
정지 하중을 받는 상기 제 1 모션 피드-쓰로우(130)와 상기 제 2 모션 피드-쓰로우(140)의 최대 변위량을 거리 261mm, 관성모멘트 2.41E+5 mm4, 탄성계수 196GPa인경우에 계산해 보면 종래에는 400kg 부하 시 최대 쳐짐량이 0.91mm 발생하였다면, 동일 조건에서 최대 변위량의 하중 조건이 양단 지지로 변경되어 0.057mm 발생하여 1/16로 감소됨을 알 수 있었다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장용 와이어 인양장치를 이용한 경우의 잉곳 성장 길이 성장에 대한 직경 변화를 나타내는 도면이다.
이에 따라 도 4에 도시된 바와 같이, 잉곳 성장 초기(A)나 잉곳 성장 후기(B) 모두에서 거희 잉곳 성장 길이에 대한 잉곳 직경의 길이 변화가 거의 발생하지 않음을 알 수 있다.
110 : 원통형 드럼 120 : 중심축
130 : 제 1 모션 피드-쓰로우 140 : 제 2 모션 피드-쓰로우
135, 145 : 커플링수단 143 : 베어링수단
136, 146 : 실린더형 관부재 131, 141 : 피동축
150 : 웜기어박스
147 : 드럼 마운드

Claims (6)

  1. 시드를 고정 및 지지하는 시드 척과 격리되어 시드 척 상부에 설치되며, 와이어를 감았다 푸는 원통형 드럼과, 상기 원통형 드럼의 길이방향을 따라 양방향으로 소정거리 연장되는 중심축과, 상기 중심축에 대해서 양방향에서 베어링을 매개로 회전가능하게 지지하여 회전력을 공급하는 일방향의 제 1 모션 피드-쓰로우와 상기 제 1 모션 피드-쓰로우에 대하여 대향하여 배치되는 타방향의 제 2 모션 피드-쓰로우와, 상기 제 2 모션 피드-쓰로우의 피동축에 구동축이 커플링수단에 의해 연결되어 적어도 2 이상의 웜기어의 작동에 의해서 동력을 전달하는 웜기어박스를 포함하는 잉곳 성장용 와이어 인양장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원통형 드럼은 상기 시드 척의 상판에 대해 고정 설치된 U자형 브라켓에 대해 상기 제 1 모션 피드-쓰로우와 상기 제 2 모션 피드-쓰로우에 의해 이격되게 양방향에서 지지 설치되어 상기 중심축에 대해 자유롭게 회전구동가능하게 구성되는 잉곳 성장용 와이어 인양장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 모션 피드-쓰로우는 상기 원통형 드럼의 중심축의 일단에 대해 끼임결합하는 피동축을 가지며, 상기 중심축의 외주면에 결합되는 베어링수단을 매개로 원통형의 실린더형 관부재가 상기 U자형 브라켓의 일단에 대해 체결되어 있으며, 상기 피동축의 타단에는 밸런스 수단이 수직 하방으로 결합되어 있는 잉곳 성장용 와이어 인양장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 모션 피드-쓰로우는 상기 웜기어박스의 기어 구동축에 대해 연결되는 피동축을 가지며, 상기 피동축의 외주부에는 원통형 베어링 수단이 설치되며 상기 베어링 수단의 외주부에 실린더형 관부재가 상기 U자형 브라켓의 타단에 대해 체결되어 상기 웜기어박스의 구동축에 의해 전달되는 회전력을 상기 베어링수단을 매개로 상기 원통형 드럼에 전달하고 상기 원통형 드럼의 중심축과 연동하는 상기 제 1 모션 피드-쓰로우의 피동축에 전달하여 하나의 구동수단인 상기 웜기어박스의 회전력을 상기 제 1 모션 피드-쓰로우와 상기 제 2 모션 피드-쓰로우에 균일하게 분할하는 잉곳 성장용 와이어 인양장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 베어링수단은 관형상으로 길게 형성되지만, 상기 실린더형 관부재의 적어도 일부를 차지하며, 나머지 적어도 일부에 리세스가 형성되는 잉곳 성장용 와이어 인양장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 원통형 드럼의 회전시 잉곳 인상 오차를 줄이기 위해서 상기 실린더형 관부재를 상기 원통형 드럼의 중심축과 연결하는 벨로즈형 마운드를 구비하며, 상기 벨로즈형 마운드는 상기 원통형 드럼 양방향에 제 1 부분과 제 2 부분을 구비하는 잉곳 성장용 와이어 인양장치.
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JP2004352520A (ja) * 2003-05-27 2004-12-16 Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp 単結晶成長装置
KR20110060693A (ko) * 2009-11-30 2011-06-08 (주)에스테크 잉곳성장장치의 시드 메카니즘 중량 밸런싱장치

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