WO2011074848A2 - 플라즈마 아크토치의 위치조절장치 - Google Patents
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Definitions
- Another object of the present invention is to arrange the plasma arc torch so that the raw material can be uniformly heated, and to adjust the position of the arc torch with a simple operation.
- FIG. 3 is a block diagram showing a heating area of the surface of the molten silicon in accordance with a conventional embodiment.
- Figure 4 is a block diagram showing the heating area of the surface of the molten silicon in accordance with an embodiment of the present invention.
- the rotating device 30 for rotating the plasma arc torch 18 will be described with reference to FIG. 2.
- a driving belt 34 which is rotated by receiving power from the rotary motor 32;
- the drive belt 34 is wound to include a rotating plate 36 that rotates in conjunction with the rotation of the drive belt 34.
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Abstract
본 발명은 플라즈마 아크토치의 위치조절장치에 관한 것이다. 본 발명은 실리콘 용탕에 대해 플라즈마 아크토치를 승강시키는 승강장치와; 상기 실리콘 용탕에 대해 플라즈마 아크토치를 원주방향으로 회전시키는 회전장치와; 상기 실리콘 용탕에 대해 플라즈마 아크토치의 각도를 조절하는 각도조절장치를 포함한다. 그리고, 상기 플라즈마 아크토치는 다수개가 방사형으로 일정한 간격으로 배치된다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 고상의 실리콘을 용융하여 초기 용탕을 형성하는데 소요되는 시간이 단축되고 주조속도가 증가되는 효과가 있다. 또한, 원료의 용해성을 향상시킬 수 있고, 안정적인 원료의 용해가 가능하여 경제적인 연속주조 및 고품질의 태양전지용 실리콘 잉고트를 제조할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 실리콘 연속주조장치에 사용되는 플라즈마 아크토치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원료투입부를 중심으로 방사상으로 배치된 다수개의 플라즈마 아크토치의 위치를 간단한 조작을 통해 조절할 수 있도록 하는 플라즈마 아크토치의 위치조절장치에 관한 것이다.
예전부터 태양전지의 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼는 실리콘의 일방향 응고 잉고트를 얇게 절단하는 것에 의해 제조되고 있다. 여기에서, 실리콘 웨이퍼의 품질 및 비용은 실리콘 잉고트의 품질 및 비용에 의해 결정 되어진다.
따라서, 실리콘 웨이퍼의 품질을 높이고 비용을 낮추기 위해서는 고품질의 일방향 응고 실리콘 잉고트를 제조하는 비용을 낮출 필요가 있으며, 이 방법으로서 잉고트의 응고를 위한 주형의 재질인 흑연 또는 석영 도가니를 사용하여 주형의 손실이 없는 전자기 연속주조법이 사용되기 시작하였다.
이러한 전자기 연속주조법에 있어서, 원료인 실리콘은 융점이 매우 높고 전기전도도가 낮은 반도체 재료로서, 복사열 방출로 인한 냉각효과는 큰 반면 유도발열로 인한 가열효과는 작아 장입 원료를 효율적으로 연속 용해하는데 가열원의 효과적인 공급이 필요하다.
가열원의 공급을 위해 플라즈마 아크병용의 보조열원을 인가함에 있어 상부 용탕 표면에 플라즈마 열원이 장입된 고상의 소재를 용융온도인 1414℃까지 가열하고, 이후에 표면에 용융이 발생하면 액상으로 상변화를 일으키는 융해열이 요구되고 이에 따라 지속적으로 투입되는 장입 원료의 용융온도까지의 가열 및 융해과정이 연속적으로 이루어지도록 해야 한다.
종래의 단일 플라즈마 아크 토치의 수평방향 주사 방법을 병용한 전자기 연속주조법은 초기 고상 실리콘을 용융시켜 연속주조를 위한 용탕을 형성하기까지 많은 시간이 소요되고, 플라즈마 토치와 내측 벽면 사이의 사이드 아크가 발생하는 문제가 있다.
또한, 플라즈마 토치와 내측 벽면 사이의 사이드 아크가 발생하는 문제와 수평주사 방법을 이용할 경우 단수의 토치가 이동하며 발생시키는 부위 간의 열적 불균형과 국소적인 열밀도의 변화로 인해 원료 용융성이 제한되는 문제점이 있었다.
그리고, 용해성능 향상을 위해 수평방향 주사 플라즈마 토치의 용량을 증가시키면 가열면에 가해지는 열량이 과도하므로, 실리콘 용탕 휘발 및 실리콘 퓸(fume: 연무상의 고체 미립자)의 발생이 많아지게 되며 이는 용융성의 저하 및 용융물 순도의 저하를 초래하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다수개의 플라즈마 아크토치를 배치하여 실리콘의 주조속도를 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 원료가 균일하게 가열될 수 있도록 플라즈마 아크토치를 배치하고 아크토치의 위치를 간소한 조작으로 조절하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 실리콘 용탕에 대해 플라즈마 아크토치를 승강시키는 승강장치와; 상기 실리콘 용탕에 대해 플라즈마 아크토치를 원주방향으로 회전시키는 회전장치와; 상기 실리콘 용탕에 대해 플라즈마 아크토치의 각도를 조절하는 각도조절장치를 포함하고, 상기 플라즈마 아크토치는 다수개가 방사형으로 일정한 간격으로 배치됨을 특징으로 한다.
상기 승강장치는, 승강모터와; 상기 승강모터에 연결되어 동력을 전달하는 구동기어와; 상기 구동기어에 맞물려 회전되는 스크류잭과; 상기 스크류잭에 연결되어 상기 스크류잭의 회전에 연동하여 승강되는 승강플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 회전장치는, 회전모터와; 상기 회전모터로부터 동력을 전달받아 회전되는 구동벨트와; 상기 구동벨트가 감아져 상기 구동벨트의 회전에 연동하여 회전되는 회전플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 각도조절장치는, 각도조절모터와; 상기 각도조절모터에서 전달된 동력을 직선운동으로 변환시키는 캠기어와; 상기 캠기어의 회전에 연동하여 직경방향으로 이동이 가능하고, 상기 플라즈마 아크토치와 회전이 가능하도록 연결되는 토치 연결부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 각도조절장치는, 상기 플라즈마 아크토치의 회전중심이 되고, 상기 회전플레이트에 고정되는 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 각도조절모터의 모터축에는 베벨기어가 구비되어 상기 캠기어로 동력을 전달함을 특징으로 한다.
상기 토치 연결부재에는 상기 캠기어에 형성된 캠슬릿에 삽입되는 삽입핀이 구비됨을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 아크토치는 4개가 원주방향을 따라 90도의 간격으로 배치됨을 특징으로 한다.
본 발명에서는 플라즈마 아크토치가 방사형으로 다수개가 배치되고, 각각의 아크토치는 실리콘 용탕과의 거리 및 각도 조절이 이루어질 수 있도록 구성된다. 따라서, 실리콘 원료의 투입량 증가 또는 원료의 입도 변화에 따라 플라즈마 아크토치의 위치를 쉽게 조절할 수 있으므로 고상의 실리콘을 용융하여 초기 용탕을 형성하는데 소요되는 시간이 단축되고 주조속도가 증가되는 효과가 있다.
또한, 방사상으로 배치된 플라즈마 아크토치가 용탕을 전체적으로 균일하게 가열할 수 있으므로 용해성을 향상시킬 수 있고, 안정적인 원료의 용해가 가능하여 경제적인 연속주조 및 고품질의 태양전지용 실리콘 잉고트를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 플라즈마 아크토치의 위치조절장치를 보인 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예를 구성하는 각도조절장치의 구성을 보인 평면도.
도 3은 종래의 실시예에 따라 실리콘 용탕 표면의 가열영역을 표시한 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 실리콘 용탕 표면의 가열영역을 표시한 구성도.
이하 본 발명에 의한 플라즈마 아크토치의 위치조절장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 플라즈마 아크토치의 위치조절장치를 보인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예를 구성하는 각도조절장치의 구성을 보인 평면도이며, 도 3는 종래의 실시예에 따라 실리콘 용탕 표면의 가열영역을 표시한 구성도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 실리콘 용탕 표면의 가열영역을 표시한 구성도이다.
이들 도면에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 플라즈마 아크토치의 위치조절장치는 실리콘 용탕(14)에 대해 플라즈마 아크토치(18)를 승강시키는 승강장치와; 상기 실리콘 용탕(14)에 대해 플라즈마 아크토치(18)를 원주방향으로 회전시키는 회전장치와; 상기 실리콘 용탕(14)에 대해 플라즈마 아크토치(18)의 각도를 조절하는 각도조절장치를 포함한다. 그리고, 상기 플라즈마 아크토치(18)는 다수개가 방사형으로 일정한 간격으로 배치된다.
먼저, 챔버(10)의 중앙에는 원료를 공급하기 위한 원료공급부(11)가 수직한 방향으로 길게 형성된다. 그리고, 상기 챔버(10)의 내부에는 실리콘이 용융되기 위한 도가니(12)가 설치된다. 그리고, 상기 도가니(12)의 내부에는 실리콘이 용융된 실리콘 용탕(14)이 소정 높이로 형성된다. 상기 실리콘 용탕(14)은 투입되는 원료의 양과 입도에 따라 그 높이가 변화할 수 있다.
그리고, 상기 도가니(12)의 측면에는 유도코일(16)이 설치된다. 상기 도가니(12)의 측면에는 종방향으로 다수개의 슬릿이 형성되어 있고, 상기 슬릿은 유도코일(16)에 흐르는 고주파의 전류에 의해 발생하는 자기장을 도가니(12)의 내부까지 투과시켜 원료에 유도전류를 발생시키게 된다. 상기 유도전류에 따른 주울 가열효과로 인해 연속적으로 공급되는 장입원료를 가열하여 용해시킬 뿐 아니라 도가니(12)의 내벽 쪽으로 전자기력이 발생하여 용탕과 도가니(12) 내벽의 접촉을 경감시키게 된다. 따라서, 용해된 실리콘 융액은 도가니(12)의 하부방향으로 응고시키면서 인출되고, 원료공급이 계속되면 실리콘의 일방향 응고 잉고트가 연속적으로 제조된다.
한편, 상기 실리콘 용탕(14)의 상방에는 실리콘 용탕(14)과 소정의 거리만큼 이격 되게 플라즈마 아크토치(18)가 설치된다. 본 실시예에서 상기 플라즈마 아크토치(18)는 방사형으로 다수개가 일정한 간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 이는 단일의 플라즈마 아크토치(18)보다 효과적으로 실리콘 용탕(14)을 가열시키기 위함이다.
도 2 및 도 4을 참조하면, 상기 플라즈마 아크토치(18)는 4개가 원주방향으로 90도의 간격을 형성하도록 배치된다. 이와 같이 배치된 플라즈마 아크토치(18)의 가열영역은 도 4에 잘 도시되어 있다. 한편, 도 3에 도시된 종래의 단일 플라즈마 아크토치(18)에 의하면 화살표 방향으로 이동하면서 가열을 하게 되므로 실리콘 용탕(14)이 불균일하게 가열되는 문제가 있다. 하지만, 본 발명의 플라즈마 아크토치(18)는 다수개가 방사형으로 배치되어 있으므로 실리콘 용탕(14)을 각각의 부위에서 고정된 상태에서도 균일하게 가열시키는 것이 용이하다.
다음으로, 도 1을 참조하여 상기 플라즈마 아크토치(18)와 실리콘 용탕(14) 사이의 거리를 조절하기 위한 승강장치(20)의 구성에 대해 설명한다. 상기 승강장치(20)는 승강모터(22)와; 상기 승강모터(22)에 연결되어 동력을 전달하는 구동기어(24)와; 상기 구동기어(24)에 맞물려 회전되는 스크류잭(26)과; 상기 스크류잭(26)에 연결되어 상기 스크류잭의 회전에 연동하여 승강되는 승강플레이트(28)를 포함한다. 상기 승강플레이트(28)는 상기 플라즈마 아크토치(18)가 고정되도록 결합된다.
따라서, 상기 승강모터(22)가 작업자에 의해 정방향 또는 역방향으로 회전되면 상기 승강플레이트(28)가 화살표 A방향으로 승강되면서 플라즈마 아크토치(18)를 승강시킨다. 즉, 상기 실리콘 용탕(14)의 높이가 변화하면 이에 맞추어 상기 승강모터(22)를 구동시켜 플라즈마 아크토치(18)의 높이를 변화시켜 적절한 높이에서 효과적인 가열이 이루어질 수 있도록 한다.
다음으로, 도 2를 참조하여 상기 플라즈마 아크토치(18)의 회전을 위한 회전장치(30)의 구성에 대해 설명한다. 상기 회전장치(30)는 회전모터(32)와; 상기 회전모터(32)로부터 동력을 전달받아 회전되는 구동벨트(34)와; 상기 구동벨트(34)가 감아져 상기 구동벨트(34)의 회전에 연동하여 회전되는 회전플레이트(36)를 포함한다.
상기 회전플레이트(36)의 외주면에는 회전기어(38)가 구비되어 있고, 상기 구동벨트(34)는 상기 회전기어(38)에 맞물리게 감아진다. 그리고, 상기 회전플레이트(36)에는 플라즈마 아크토치(18)가 고정되게 결합된다. 한편, 상기 승강플레이트(28)와 회전플레이트(36)는 서로 고정되게 결합될 수도 있고, 별도로 구비되어 상기 승강모터(22) 및 회전모터(32)에 의해 각각 구동될 수도 있다.
상기 회전모터(32)가 작업자에 의해 정방향 또는 역방향으로 회전되면 상기 회전플레이트(36)가 화살표 B방향으로 회전되고, 회전 플레이트(36)에 고정된 상기 플라즈마 아크토치(18)가 원주방향으로 움직이게 된다. 이와 같이 되면 상기 실리콘 용탕(14)에서 가열이 플라즈마 아크토치(18)의 고정 위치에 따라 원활하게 이루어지도록 측벽 내지는 모서리부에 위치시키는 것이 가능하게 되므로 실리콘 용탕(14)의 표면에서 투입되는 장입 원료 등의 간섭 내지는 가열 면적의 분배에 유리하게 되므로 전체적으로 (18)를 활용한 실리콘 용융에 유리한 균일한 가열면의 확보가 가능하게 된다. 끝으로, 도 1 및 도 2를 참조하여 상기 플라즈마 아크토치(18)의 각도조절을 위한 각도조절장치(40)의 구성에 대해 설명한다. 상기 각도조절장치(40)는 크게 각도조절모터(42)와; 상기 각도조절모터(42)에서 전달된 동력을 직선운동으로 변환시키는 캠기어(48)와; 상기 캠기어(48)의 회전에 연동하여 직경방향으로 이동이 가능하고, 상기 플라즈마 아크토치(18)와 연결되는 토치 연결부재(52)를 포함한다.
상기 각도조절모터(42)의 모터축(43)의 선단에는 베벨기어(44)가 구비된다. 그리고, 상기 베벨기어(44)는 캠기어(48)의 외주면에 형성된 기어부(50)와 서로 맞물린다. 한편, 상기 캠기어(48)는 캠기어박스(46)의 내부에 설치되는 것으로서, 상기 각도조절모터(42)에서 전달되는 회전운동력을 직선의 운동력으로 변환시키는 역할을 한다.
이를 위해, 상기 캠기어(48)에는 다수개의 캠슬릿(49)이 형성된다. 상기 캠슬릿(49)은 소정의 곡률을 가지는 것으로서, 본 실시예에서는 4개가 대략 직교한 방향으로 배치되어 있다. 상기 캠슬릿(49)에는 상기 토치 연결부재(52)의 연결핀(53)이 삽입되어 안내된다. 따라서, 상기 캠기어(48)가 회전을 하게 되면, 상기 토치 연결부재(52)가 직경방향으로 직선운동을 하면서 플라즈마 아크토치(18)의 각도를 조절하게 된다.
구체적으로 설명하면, 상기 토치 연결부재(52)는 상기 플라즈마 아크토치(18)의 연결부(19)와 회전핀(P)을 통해 특정 방향의 축 회전이 가능하도록 연결된다. 그리고, 도 1을 참조하면, 상기 플라즈마 아크토치(18)는 승강플레이트(28)에 설치된 고정부(55)와 회전핀(P)에 의해 회전 가능하게 연결된다. 여기에서 상기 고정부(55)는 상기 플라즈마 아크토치(18)의 회전 중심이 된다. 따라서, 상기 토치 연결부재(52)가 도 1에서 좌우방향으로 직선운동을 하게 되면 상기 플라즈마 아크토치(18)는 고정부(55)를 중심으로 화살표 C방향으로 회전을 하는 것이다. 이와 같이 상기 각도조절장치는 실리콘 용탕(14)에 대한 플라즈마 아크토치(18)의 각도를 조절함으로써, 실리콘 용탕(14)의 측벽이나 중앙 쪽으로 가열이 이루어질 수 있도록 한다.
한편, 이상에서 상기 각도조절장치가 베벨기어(44)에 의해 동력이 전달되도록 구성하였으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니고 평기어, 워엄기어 등에 의해 동력이 전달되도록 하는 구성도 가능할 것이다.
이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 플라즈마 아크토치의 위치조절장치의 작용을 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명에서는 플라즈마 아크토치(18)가 방사형으로 4개가 배치된다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이 종래의 도 3보다 가열영역이 넓어지고 실리콘 용탕(14)을 전체적으로 균일하게 가열할 수 있게 된다.
또한, 상기 플라즈마 아크토치(18)는 상술한 바와 같이 승강장치, 회전장치 및 각도조절장치에 의해 작업자가 손쉽게 조작할 수 있도록 구성된다. 따라서, 공급되는 원료의 양과 입도에 따른 플라즈마 아크토치(18)와 실리콘 용탕(14)의 거리 및/또는 각도를 조절할 수 있고, 가열이 잘 이루어지지 않는 측벽, 모서리부 및 중앙부에도 가열이 충분히 이루어질 수 있으므로 원료의 용융성 및 용융물의 순도가 향상될 수 있다.
한편, 아래에는 종래의 단일 플라즈마 아크토치(18)와 본 발명의 다수의 플라즈마 아크토치(18)로 가열하였을 때 측정값들을 비교한 실험 데이터가 도시되어 있다.
이를 참조하면, 먼저, 초기용탕 형성시간은 종래에 비해 현저하게 감소한 것을 알 수 있다. 이와 같이 초기용탕 형성시간이 줄어듦으로써 전체적인 공정속도가 빨라질 수 있다. 그리고, 유도전원 출력 또한 종래에 비해 약 200kW 감소한 것을 알 수 있다. 반면에, 플라즈마 아크토치(18)는 1개가 아닌 4개가 사용되었으므로 플라즈마 출력은 증가하였으나, 전체적인 출력의 합은 종래에 비해 감소한 것을 알 수 있다. 종합하여 보면, 본 발명에 의한 플라즈마 아크토치의 위치조절장치에 의해 연속주조를 위한 초기 준비시간이 줄어들고, 인출속도를 증가시킬 수 있으며, 고품질의 실리콘 잉고트를 주조하는 데에 유리한 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
Claims (8)
- 실리콘 용탕에 대해 플라즈마 아크토치를 승강시키는 승강장치와;상기 실리콘 용탕에 대해 플라즈마 아크토치를 원주방향으로 회전시키는 회전장치와;상기 실리콘 용탕에 대해 플라즈마 아크토치의 각도를 조절하는 각도조절장치를 포함하고,상기 플라즈마 아크토치는 다수개가 방사형으로 배치됨을 특징으로 하는 플라즈마 아크토치의 위치조절장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 승강장치는,승강모터와;상기 승강모터에 연결되어 동력을 전달하는 구동기어와;상기 구동기어에 맞물려 회전되는 스크류잭과;상기 스크류잭에 연결되어 상기 스크류잭의 회전에 연동하여 승강되는 승강플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크토치의 위치조절장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 회전장치는,회전모터와;상기 회전모터로부터 동력을 전달받아 회전되는 구동벨트와;상기 구동벨트가 감아져 상기 구동벨트의 회전에 연동하여 회전되는 회전플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크토치의 위치조절장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 각도조절장치는,각도조절모터와;상기 각도조절모터에서 전달된 동력을 직선운동으로 변환시키는 캠기어와;상기 캠기어의 회전에 연동하여 직경방향으로 이동이 가능하고, 상기 플라즈마 아크토치의 회전이 가능하도록 연결되는 토치 연결부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크토치의 위치조절장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 플라즈마 아크토치의 회전중심이 되고, 상기 회전플레이트에 고정되는 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크토치의 위치조절장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 각도조절모터의 모터축에는 베벨기어가 구비되어 상기 캠기어로 동력을 전달함을 특징으로 하는 플라즈마 아크토치의 위치조절장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 토치 연결부재에는 상기 캠기어에 형성된 캠슬릿에 삽입되는 삽입핀이 구비됨을 특징으로 하는 플라즈마 아크토치의 위치조절장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 플라즈마 아크토치는 4개가 원주방향을 따라 90도의 간격으로 배치됨을 특징으로 하는 플라즈마 아크토치의 위치조절장치.
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