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KR101311739B1 - 폴리실리콘 제조장치 - Google Patents

폴리실리콘 제조장치 Download PDF

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KR101311739B1
KR101311739B1 KR1020130004000A KR20130004000A KR101311739B1 KR 101311739 B1 KR101311739 B1 KR 101311739B1 KR 1020130004000 A KR1020130004000 A KR 1020130004000A KR 20130004000 A KR20130004000 A KR 20130004000A KR 101311739 B1 KR101311739 B1 KR 101311739B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
container body
rod
base plate
polysilicon
manufacturing apparatus
Prior art date
Application number
KR1020130004000A
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English (en)
Inventor
김익진
최성환
Original Assignee
주식회사 아이제이피에스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to PCT/KR2014/000364 priority patent/WO2014109618A1/ko
Priority to US14/549,115 priority patent/US9059220B2/en

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Abstract

본 실시예는 폴리실리콘 제조장치에 관한 것으로, 이는 베이스 플레이트; 이 베이스 플레이트 상에 결합되는 용기본체; 베이스 플레이트에 설치된 3 개의 전극과 연결되어 용기본체 내에 배치되는 적어도 하나의 로드; 용기본체 내에 반응가스를 공급하기 위해 용기본체와 연통되는 반응가스원; 및 전극들에 접속되어 로드가 발열하게 하는 교류 전원을 공급하도록 된 전력공급설비를 포함하여서, 전기소모량을 감소시킴과 더불어, 기존에 비해 수율 및 생산성을 대폭 향상시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

Description

폴리실리콘 제조장치 {Polysilicon manufacturing apparatus}
본 실시예는 폴리실리콘 제조장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 전기소모량을 감소시킴과 더불어, 기존에 비해 수율 및 생산성을 대폭 향상시킬 수 있는 폴리실리콘 제조장치에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐, 종래의 기술을 구성하는 것이 아님을 밝혀둔다.
폴리실리콘은 결정구조가 다결정 상태이면서 순도가 매우 높아 현재 반도체소자, 태양전지 등 상업적으로 널리 이용되고 있다.
이와 같은 폴리실리콘은 막대형 또는 입자형으로 제조되고 있는데, 그 제조방법을 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
우선, 규석 또는 규사(주성분: SiO2)와 흑연(주성분: C)을 아크 방전로에서 반응시키면 순도가 약 99 % 정도의 금속급 Si(Metallurgical Si: 이하 MG-Si)이 제조된다.
이 MG-Si를 출발물질로 하여 화학 반응, 즉 가스화 공정을 통해 실란(Silane) 원료를 합성, 분리하고 충분히 정제하면, 고순도를 갖는 가스 상태의 실란 원료를 제조하게 된다. 제조되는 고순도의 실란 원료로는 화학식 SiHCl3로 표현되는 삼염화실란(Trichlorosilane: 이하 TCS라 함)가스이며 이를 재처리할 경우에 화학식 SiH4로 표현되는 모노실란(Monosilane)가스를 만들 수 있다. TCS는 MG-Si을 HCl와 반응시켜 얻고, 모노실란가스는 MG-Si을 SiCl4 및 H2와 반응시키거나 MG-Si를 SiF4 및 NaAlH4와 반응시켜 얻는다.
다음으로, 화학증기증착(Chemical Vapor Deposition) 공정을 이용하여 수소와의 혼합 분위기 하에서 고순도의 실란가스로부터 Si을 석출하여 고체 상태의 폴리실리콘을 제조한다.
실란가스는 고온의 환경 하에서 수소환원 반응 및 열분해 반응을 통해 Si 미립자를 생성시키는데, 이와 같이 생성된 Si 미립자가 결정 씨드(Seed)로 기능하는 로드(Rod) 또는 입자의 표면에 석출되어 다결정의 폴리실리콘이 얻어지게 되는 것이다.
이와 같이 실란가스를 이용하여 고체 상태의 폴리실리콘을 제조하는 방법으로는 지멘스(Siemens) 석출법과 유동층 석출법이 있는데, 상업적으로는 TCS를 원료로 이용하는 지멘스 석출법이 가장 많이 활용되고 있다.
한편, TCS 대신 모노실란을 원료로 제조하여 Si을 석출시키는 방법은 모노실란이 갖는 낮은 반응온도(약 550 ~ 850 ℃)로 반응기의 가열에 대한 부담이 적고 수율도 최소 90 %로 높은 반면에, TCS를 제조한 후 Si과 결합하는 Cl를 H로 치환하는 공정이 추가로 필요하며, 높은 폭발 위험성으로 인해 취급 및 저장이 매우 까다롭고, 더구나 Si 석출 중에 모노실란의 열분해에 의해 다량 발생하는 Si 분말을 처리해야 하는 단점이 있다. 이에 따라 폴리실리콘을 제조하는 업자들은, 높은 반응온도와 낮은 수율(약 25 % 이내)에도 불구하고, 지멘스 석출법을 주로 활용하고 있다.
아래에서는 도면을 참조하여 지멘스 석출법에 대해 간략히 설명하기로 한다. 도 1은 지멘스 석출법에 의해 폴리실리콘을 제조하는 장치의 개략도로서, 지멘스 석출법은 도 1에 도시된 바와 같이 종형 반응기(Bell-Jar Reactor)를 이용하여 실란가스로부터 막대형 폴리실리콘을 제조하는 방법이다.
지멘스 석출법을 설명하면, 청정 분위기로 유지되는 스테인리스 재질의 종형 반응기(A) 내부에 가느다란 굵기를 갖는 Si 코어 로드(B)를 ∩형상으로 위치시키고, Si 코어 로드(B)의 말단을 한 쌍의 전극(C)과 각각 연결시킨다. 이어서, 예열기(Preheater)를 이용하여 약 300 ℃ 이상으로 예열시킴으로써 Si 코어 로드(B)의 비저항을 낮춰 전기저항 가열이 가능하게 한다. 이때, 전극(C)을 통해 소정 전위차의 전기를 공급하면, Si 코어 로드(B)가 높은 온도(약 1,000 ~ 1,150 ℃)로 가열될 수 있고, 실란가스(예컨대 TCS) 및 수소가스(H2)로 이루어진 반응가스를 종형 반응기(A) 내부로 공급하면, Si 코어 로드(B)의 표면에 Si이 석출되면서 점차 Si 코어 로드(B)의 굵기가 증가하게 된다. 이와 같은 전기저항 가열 및 Si 석출을 수일 내지 수십일 이상 유지하게 되면, 직경이 약 10 내지 15 cm 정도가 되는 막대형 폴리실리콘 제품을 얻게 되는 것이다. 종형 반응기(A)의 내부에서 Si 코어 로드(B)의 직경이 더 증가하기 어려워지면 Si 석출 운전을 종료한 다음, 막대형 폴리실리콘 제품을 꺼낸다. 미반응 가스(TCS, H2)와 반응 중에 발생하는 가스(HCl, STC 등)는 외부로 배출되게 된다.
하지만, 이와 같은 종래의 방법은 전기저항 가열을 이용하여 실란가스를 열분해하고 Si을 석출하는 방식상의 한계로 인하여 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저, 전기저항 가열을 이용하여 실란가스를 분해하고 Si을 원활히 석출하기 위해서는 반응기 내부의 온도를 1,000 ℃이상으로 유지하여야 하는데, 이 때문에 전기저항 가열을 위한 전기소모량이 막대하여 원가부담이 상당히 높다. 더구나, 고급 전력공급 설비를 설치해야 하므로, 초기 설비투자비도 매우 비싸다는 문제점이 있다.
또한, 전기저항 가열을 이용하여 실란가스를 분해하고 Si을 석출함으로써 원하는 크기의 폴리실리콘 제품을 얻기 위해서는, 경우에 따라 수십일 이상의 장기간의 시간이 필요하기 때문에 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 실시예는 전기소모량을 감소시킴과 더불어, 기존에 비해 수율 및 생산성을 대폭 향상시킬 수 있는 폴리실리콘 제조장치를 제공하는 데 그 주된 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 따른 폴리실리콘 제조장치는, 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트 상에 결합되는 용기본체; 상기 베이스 플레이트에 설치된 3 개의 전극과 각각 연결되는 다리부를 구비하며 상기 용기본체 내에 배치되는 적어도 하나의 로드; 상기 용기본체 내에 반응가스를 공급하기 위해 상기 용기본체와 연통되는 반응가스원; 및 상기 전극들에 접속되어 상기 로드가 발열하게 하는 전류를 공급하도록 된 전력공급설비를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 다른 측면에 따른 폴리실리콘 제조장치는, 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트 상에 결합되는 용기본체; 상기 베이스 플레이트에 설치된 3 개의 전극과 중성점에 각각 연결되는 다리부를 구비하며 상기 용기본체 내에 배치되는 적어도 하나의 로드; 상기 용기본체 내에 반응가스를 공급하기 위해 상기 용기본체와 연통되는 반응가스원; 및 상기 전극들에 접속되어 상기 로드가 발열하게 하는 전류를 공급하도록 된 전력공급설비를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 실시예에 의하면, 전극에 상용의 3상 교류전원을 그대로 연결하여 사용하게 됨으로써, 전력 효율은 향상되면서 전기소모량 및 이에 따른 운영비를 대폭 절감할 수 있는 효과가 있게 된다. 또, 상용의 3상 교류전원을 그대로 연결하여 사용하게 됨으로써, AC-DC 컨버터와 같은 전력변환장치를 생략할 수 있어 시스템의 구조 및 부품수를 줄일 수 있게 됨으로써, 설비투자비를 절감할 수 있는 효과도 있다.
더욱이, 전력 효율이 향상되고 대용량 전력을 사용함으로써, 로드에서의 석출물 직경을 확장시키게 되어 궁극적으로 기존에 비해 수율 및 생산성을 대폭 증대시킬 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.
도 1은 지멘스 석출법에 의해 폴리실리콘을 제조하는 장치의 개략도이고,
도 2와 도 3은 제1실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치의 평면도와 정면도,
도 4는 제1실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치의 단면도,
도 5는 제1실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치에 적용되는 로드의 형상을 나타낸 예시도,
도 6과 도 7은 제2실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치의 단면도들,
도 8은 제2실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치에 적용되는 로드의 형상을 나타낸 예시도이다.
이하, 본 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 실시예들의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2와 도 3은 제1실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치의 평면도와 정면도이고, 도 4는 단면도이며, 도 5는 제1실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치에 적용되는 로드의 형상을 나타낸 예시도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 제1실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치(100)는 베이스 플레이트(10); 이 베이스 플레이트(10) 상에 결합되는 용기본체(20); 베이스 플레이트(10)에 설치된 3 개의 전극(11)과 각각 연결되는 다리부(32)를 구비하며 용기본체(20) 내에 배치되는 적어도 하나의 로드(30); 용기본체(20) 내에 반응가스를 공급하기 위해 용기본체(20)와 연통되는 반응가스원(미도시); 및 전극(11)들에 접속되어 로드(30)가 발열하게 하는 전류를 공급하도록 된 전력공급설비(미도시)를 포함한다.
베이스 플레이트(10)에는 전극(11) 및 유입관(12) 또는 유출관(13; 도 7 참조)이 설치될 수 있으며, 상측에 전기의 인가에 의해 전기저항으로 발열하는 고순도 Si 재질의 로드(30)가 전극(11)과 연결되어 설치된다. 이 베이스 플레이트(10)는 별도의 프레임(60)을 사용하여 지면으로부터 상승하여 위치될 수 있다. 또한, 베이스 플레이트(10) 상에는, 반응이 완료된 후에 용기본체(20)를 베이스 플레이트(10)로부터 분리하여 들어올릴 때, 용기본체(20)의 움직임을 제한하면서 높이방향으로 원활히 이동되게 하는 가이드(70)가 설치될 수 있다. 용기본체(20)의 측방으로는 가이드(70)를 따라 이동할 수 있는 적어도 하나의 고리부(21)가 구비되어 있다.
여기서 전극(11)은 본 출원인이 양도받아 실시중인 대한민국 특허 제1116594호 "대전력 시스템용 전극"이 사용될 수 있다. 이 전극(11)에 상용의 3상 교류전원을 그대로 연결하여 사용하게 됨으로써, 전력 효율은 향상되면서 전기소모량 및 이에 따른 운영비를 대폭 절감할 수 있는 효과가 있게 된다. 특히, 전극(11)에 상용의 3상 교류전원을 그대로 연결하여 사용하게 되면, 통전이 바로 이루어질 수 있기 때문에, 종래의 예열공정 및 예열기가 필요 없게 되는 장점이 있다. 도 5에는 이러한 3 개의 전극(11)이 사용된 상태가 개략적으로 도시되어 있다.
반응가스를 공급하기 위한 유입관(12)은 베이스 플레이트(10)에만 한정되지 않고, 필요에 따라 용기본체(20)의 상부 또는 후술하는 용기뚜껑(40)에도 설치될 수 있다.
용기본체(20)는 원통 또는 종(Bell) 형상으로 형성되며, 하단이 베이스 플레이트(10)의 상면에 밀봉되게 조립되면서 그 밀폐된 내부공간이 반응영역으로 작용한다. 필요에 따라 용기본체(20)의 측벽에도 유출관(13; 도 3 참조)이 마련될 수 있다. 용기본체(20)에는 도시되지 않은 순환유체 입구와 순환유체 출구가 설치되어 있다. 순환유체 입구로부터 유입된 순환유체는 용기본체(20)의 외벽 및 내벽 사이에 형성된 공간을 통해 흐르고 나서 순환유체 출구로 배출됨으로써, 용기본체(20)의 내부 온도를 적절히 유지할 수 있게 되어 있다. 순환유체로는 물 또는 오일이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 순환유체가 오일인 경우에, 순환유체는 용기본체(20) 속에 유입된 초기에 저온이기 때문에 냉매로 작용하게 되어서, 용기본체(20)가 과열되는 것을 방지하여 용기본체(20)를 보호하는 역할을 수행하는 한편, 용기본체(20)를 통해 열을 전달받아 그 온도가 상승한 후에는 열을 어느 정도 보존하여 용기본체(20)의 내부를 미리 예열하는 효과와 함께 열 손실을 감소시키는 작용을 하게 된다. 추가로, 열 보존 유체로 작용한 고온(예컨대 300 ℃ 이상)의 핫 오일을 용기본체(20)로부터 배출시킨 후 열교환하여, 이 폐열을 TCS, H2 등과 같은 반응가스를 예열하는 데에 사용할 수 있다.
용기본체(20) 내에 로드(30)가 배치되게 된다. 전극(11)을 통해 로드(30)에 전기가 인가되어 로드(30)를 높은 온도로 가열하면, 용기본체(20) 내에 공급되는 반응가스가 열분해 되어 로드(30)에 Si이 증착된다. 제1실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치(100)에 구비되는 로드(30)는 3 개의 전극(11)과 연결되도록 설치되는데, 바람직하기로는 도 5에 도시된 바와 같이 상부(31)가 대략 Y자 형상으로 갈라지게 형성되고, Y자로 된 상부(31)의 3 단부에서 각각 아래로 3 개의 다리부(32)가 뻗은 일체형 로드(30)가 설치된다.
용기본체(20)의 측벽에는 그 내부를 시각적으로 확인할 수 있는 감시창 또는 카메라(22)가 구비될 수 있다. 또한, 용기본체(20)를 관통하여 온도센서가 설치될 수도 있다.
제1실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치(100)에서, 용기본체(20)는 대략 반구 형상의 용기뚜껑(40)과 분리가능하게 구성될 수 있다. 선택적으로, 용기본체(20)와 용기뚜껑(40) 사이에는 용기본체(20) 내에 별도의 자켓(50; 도 7 참조)을 설치하기 위한 카운터 플랜지(51)가 개재될 수 있으며, 이 카운터 플랜지(51)에 의해 폴리실리콘 제조장치(100)의 내부를 반응가스의 공급영역과 반응영역으로 구획할 수 있게 된다.
여기서 자켓(50)은 본 출원인이 출원한 대한민국 특허출원 제10-2012-0100211호 "자켓과 이를 사용한 반응기"의 기술이 사용된다. 이 이중관 구조의 측방 가스 공급용 자켓(50)을 사용하게 됨으로써, 폴리실리콘의 제조공정에서 공급되는 반응가스가 밀집되게 분포할 수 있도록 하여 반응가스가 로드(30)와 접촉할 기회 및 시간을 증대시켜 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있게 된다. 또한, 로드(30)에서 발생하는 고온의 열을 자켓(50)이 차단하게 되어 용기본체(20)가 직접 전달받게 되는 열이 줄어들게 되고, 이에 따라 손실되는 열에너지가 줄어들게 되며 손실된 열에너지만큼 전기를 인가하여 열에너지를 다시 공급해야 하는 전력소비량을 절감하게 됨은 물론, 반응가스가 자켓(50)과 접촉하여 열을 전달받아 반응에 적합한 온도로 용이하게 가열될 수 있어서 열에너지의 이용효율을 대폭 향상시킬 수 있는 효과가 있게 된다. 전술한 특허출원의 내용이 본 명세서에 병합되며 참조로 인용된다.
한편, 이러한 자켓(50)의 열차단에도 불구하고, 빨갛게 가열되는 로드(30)에서 방사되는 열에너지가 용기본체(20)의 내부 표면까지 전달될 수 있고, 이에 따른 에너지 손실이 여전히 존재하게 된다. 이를 해소하기 위해 제1실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치(100)는 로드(30)에서 방사된 열의 일부를 로드(30) 쪽으로 재방사함으로써 에너지 손실을 줄여주는 코팅부(23)를 용기본체(20)의 내부 표면에 구비한다.
코팅부(23)는 실리콘, 흑연, 실리콘 카바이드(SiC), 유리(Glass) 중 적어도 어느 하나로 만들어지는 것이 바람직하다. 코팅부(23)를 만드는 데 이용할 수 있는 재질은 이것에만 국한되는 것은 아니다. 예를 들면, 코팅부(23)는 실리콘 카바이드가 코팅된 물질, 질화규소(실리콘 질화물), 실리콘, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 질화 붕소, 몰리브덴이나 몰리브덴 기반으로 된 합금, 텅스텐 또는 텅스텐 기반으로 된 합금, 탄탈륨 또는 탄탈륨 기반으로 된 합금, 실리카 기반으로 된 다공성 물질, 알루미노실리케이트 기반으로 된 다공성 물질, 금이 코팅된 다공성 물질, 금이 코팅된 물질, 백금이 코팅된 다공성 물질, 백금이 코팅된 물질, 실리카가 코팅된 다공성 물질, 실리카가 코팅된 물질, 은이 코팅된 다공성 물질, 은이 코팅된 물질, 그리고 펄라이트로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 어느 한 가지 또는 이들 중 둘 이상의 조합으로 만들어질 수 있다.
예를 들어, 유리로 된 코팅부(23)는 시중에서 구입가능한 유리 코팅제를 용기본체(20)의 내부 표면에 소정 두께로 도포한 후 건조 및 경화시켜 완성된다. 이러한 코팅부(23)의 존재로 인하여, 내열성 및 내식성을 필요로 하는 용기본체(20)의 요구조건을 만족시켜 용기본체(20)의 수명을 증대시킬 뿐만 아니라, 제품 순도의 향상 및 부식 방지 효과의 증진이 성취되게 된다.
도 6과 도 7은 제2실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치의 단면도들이고, 도 8은 제2실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치에 적용되는 로드의 형상을 나타낸 예시도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 제2실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치(200)는 베이스 플레이트(10); 이 베이스 플레이트(10) 상에 결합되는 용기본체(20); 베이스 플레이트(10)에 설치된 3 개의 전극(11)과 중성점(15)에 각각 연결되는 다리부(32)를 구비하며 용기본체(20) 내에 배치되는 적어도 하나의 로드(30'); 용기본체(20) 내에 반응가스를 공급하기 위해 용기본체(20)와 연통되는 반응가스원(미도시); 및 전극(11)들에 접속되어 로드(30')가 발열하게 하는 전류를 공급하도록 된 전력공급설비(미도시)를 포함한다.
제2실시예에서는 베이스 플레이트(10)에 중성점(15)을 추가로 구비하고서 이 중성점(15)에 연결되도록 변형된 형상을 가진 로드(30')를 포함한 점만 제외하고, 나머지 구성요소들은 전술한 제1실시예의 구성요소들과 동일하다. 이에, 제2실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치(200)를 설명함에 있어, 제1실시예에 의한 폴리실리콘 제조장치(100)와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하면서 그 구성 및 기능의 상세한 설명을 생략하기로 한다.
전술한 바와 같이, 전극(11)은 본 출원인이 양도받아 실시중인 대한민국 특허 제1116594호 "대전력 시스템용 전극"이 사용될 수 있다. 이 전극(11)에 상용의 3상 교류전원을 그대로 연결하여 사용하게 됨으로써, 전력 효율은 향상되면서 전기소모량 및 이에 따른 운영비를 대폭 절감할 수 있는 효과가 있게 된다. 이러한 전극(11)이 도 7 및 도 8에 도시되어 있으며, 3 개의 전극(11)이 사용된 예가 도해되어 있다.
베이스 플레이트(10)에는 3 개의 전극(11)과 이들 전극(11) 사이에 중성점(15)이 설치될 수 있는데, 제2실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치(200)에 구비되는 로드(30')는 3 개의 전극(11)과 중성점(15)에 연결되게 된다. 바람직하기로는, 도 8에 도시된 것처럼 거꾸로 된 U자, 즉 ∩형상으로 형성된 로드 분할부(33)의 바깥쪽에 위치된 일측 다리부(32a)는 전극(11)에 연결되고 안쪽에 위치된 타측 다리부(32b)는 전극(11)들 사이에 배치되면서 베이스 플레이트(10) 상에 놓인 중성점(15)에 연결되는 형태로 될 수 있다. 안쪽에 위치된 3 개의 타측 다리부(32b)가 공동으로 하나의 중성점(15) 상에 연결되는 것이 좋으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 중성점(15)의 측면에는 관통구멍이 형성되어 베이스 플레이트(10)에 설치된 유출관(13)과 연통된다. 이를 위에서 바라보면, 대략 Y자 형상으로부터 바람개비의 날개들 형상처럼 절곡되고 연장한 모양으로 보이면서 6개의 다리부가 뻗은 일체형 로드(30')로 될 수 있다. 여기서, 소정의 과전류를 이용해서 로드(30')를 예열해야 하는 경우에 중성점(15)이 접지로 작용할 수 있지만, 로드(30')의 예열이 요구되지 않을 때에는 중성점(15)이 그대로 로드(30')를 물리적으로 또는 기계적으로 지지하기 위한 지지부로 작용할 수 있음을 밝혀둔다.
제2실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치(200)는, 제1실시예와 마찬가지로, 용기본체(20)가 대략 반구 형상의 용기뚜껑(40)과 분리가능하게 구성될 수 있다. 선택적으로, 용기본체(20)와 용기뚜껑(40) 사이에는 용기본체(20) 내에 별도의 자켓(50)을 설치하기 위한 카운터 플랜지(51)가 개재될 수 있으며, 이 카운터 플랜지(51)에 의해 폴리실리콘 제조장치(200)의 내부를 반응가스의 공급영역과 반응영역으로 구획할 수 있게 된다. 여기서 자켓(50)은 본 출원인이 출원한 대한민국 특허출원 제10-2012-0100211호 "자켓과 이를 사용한 반응기"의 기술이 사용된다. 이러한 이중관 구조의 측방 가스 공급용 자켓(50)의 적용예가 도 6 및 도 7에 개략적으로 도시되어 있는데, 자켓(50)의 적용예는 반드시 이에 한정되는 것이 아니다.
이하에서는 본 실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치(100, 200)의 작동에 관하여 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치(100, 200)에서, 로드(30, 30')에 전기를 인가하여 로드(30, 30')의 표면온도가 반응에 적합한 약 1,000 ℃ 이상으로 유지되게 한다. 여기서, 인가되는 전기는 상용의 3상 교류전원으로부터 전극(11)을 통해 공급받는다. 이렇게 교류전원이 인가되면 전극(11)에 접속하는 로드(30, 30')에서는 내부 중심부보다 표면에서부터 발열이 이루어진다.
표면을 흐르는 전류의 대부분을 표피효과에 의한 가열로 활용하여서, Y자 형상으로 형성된 로드(30)의 상부(31)에 있는 중심접점에서는 O(Zero) V가 되게 된다. 한편, 예열이 필요한 경우에는, 소정의 과전류로 인해 로드(30')로 들어가는 전류와 나가는 전류 간 불평형이 이루어져 그 합이 0이 되지 않게 되고, 이에 따라 남는 전류가 중성점(15)을 통해 흘려 보내어지게 된다.
이어서, 반응가스원으로부터 유입관(12)을 통해 용기본체(20) 내로 반응가스(TCS + H2)를 공급하면, 반응가스는 로드(30, 30')를 향해 분사되거나 로드(30, 30')의 주변을 채우게 된다. 본 실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치(100, 200)는, 한 쌍의 전극을 사용하던 종래의 기술과 달리, 상용의 3상 교류전원을 그대로 연결하여 사용함으로써 적어도 3 개의 전극(11)을 사용하고 각 전극(11)에 하나의 다리부(32, 32a)가 연결된 로드(30, 30')를 사용할 수 있게 되어 있다.
반응 중에 발생하는 가스(HCl, STC 등)와 미반응 가스 중 일부(예컨대 TCS)는 베이스 플레이트(10)에 설치된 유출관(13)을 통해 외부로 배출되거나, 미반응 가스 중 나머지(예컨대 H2 등)는 용기본체(20)의 측벽에 있는 유출관(13)으로 배기될 수 있다.
또한, 이중관 구조의 측방 가스 공급용 자켓(50)을 사용한 경우에는, 반응가스가 자켓(50)의 외측 튜브 및 내측 튜브의 사이에 있는 통로로 유입될 수 있게 된 후에, 반응가스가 내측 튜브에 형성된 다수의 분사공을 통하여 내측 튜브 내에 위치된 로드(30, 30')를 향해 측방으로 분사된다.
반응을 유도하기 위해 고온을 유지하는 자켓(50)의 내부로, 비교적 낮은 온도(예컨대 약 150 ℃)를 가진 반응가스가 공급되면서, 반응가스는 자켓(50)과 접촉하여 열을 전달받아 반응에 적합한 온도로 용이하게 가열될 수 있을 뿐만 아니라, 로드(30, 30')에서 발생하는 고온의 열을 직접 받게 되어 상승하는 자켓(50) 자체의 온도를 반응가스가 떨어뜨리는 효과를 얻을 수 있다. 또, 자켓(50)의 이러한 열 차단으로 인해, 용기본체(20)가 직접 전달받게 되는 열이 줄어들게 되고, 이에 따라 용기본체(20)를 통해 손실되는 열에너지가 줄어들어, 용기본체(20) 내 온도를 고온으로 유지하기 위한 로드(30, 30'), 즉 전극(11)의 전력소비량이 감소되게 됨으로써, 열에너지의 이용효율을 현저히 향상시킬 수 있게 된다.
더구나, 용기본체(20)의 내부 표면에 코팅된 코팅부(23)는 그 표면이 복사열을 방사하고, 이로써 전체적인 에너지 보존량을 증가시키게 된다. 또, 이러한 코팅부(23)로 인해 용기본체(20)는 내열성 및 내식성이 크게 향상되게 된다.
반응이 완료된 후, 용기본체(20)를 베이스 플레이트(10)로부터 분리하여 들어올리면, 용기본체(20)에 일부 구성요소 등이 조립된 채로 함께 가이드(70)를 따라 들어 올려지게 되어 분리가 용이하게 이루어질 수 있고, 궁극적으로 제품을 폴리실리콘 제조장치(100)로부터 편리하게 인출해 낼 수 있다.
물론, 용기뚜껑(40)을 용기본체(20)와 분리할 수 있는 경우에도, 용기뚜껑(40)을 용기본체(20)와 분리하고 나서 용기뚜껑(40)을 들어올리면, 용기뚜껑(40)에 자켓(50) 등과 같은 구성요소가 조립된 채로 함께 들어 올려지게 되어 분리가 용이하게 이루어질 수 있고, 제품을 편리하게 인출해 낼 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 내용은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 그 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 베이스 플레이트
11 : 전극
20 : 용기본체
23 : 코팅부
30, 30' : 로드
40 : 용기뚜껑
50 : 자켓
60 : 프레임
70 : 가이드
100, 200 : 폴리실리콘 제조장치

Claims (13)

  1. 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트에 결합되는 용기본체;
    상기 베이스 플레이트에 설치된 3 개의 전극과 각각 연결되는 다리부를 구비하며 상기 용기본체 내에 배치되는 적어도 하나의 로드;
    상기 용기본체 내에 반응가스를 공급하기 위해 상기 용기본체와 연통되는 반응가스원; 및
    상기 전극들에 접속되어 상기 로드가 발열하게 하는 전류를 공급하도록 된 전력공급설비
    를 포함하는 폴리실리콘 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로드는 상부가 Y자 형상으로 갈라지게 형성되고, Y자로 된 상기 상부의 3 단부에서 각각 아래로 3개의 다리부가 뻗어 상기 전극에 각각 연결되는 형태의 일체형 로드인 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  3. 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트 상에 결합되는 용기본체;
    상기 베이스 플레이트에 설치된 3 개의 전극과 중성점에 각각 연결되는 다리부를 구비하며 상기 용기본체 내에 배치되는 적어도 하나의 로드;
    상기 용기본체 내에 반응가스를 공급하기 위해 상기 용기본체와 연통되는 반응가스원; 및
    상기 전극들에 접속되어 상기 로드가 발열하게 하는 전류를 공급하도록 된 전력공급설비
    를 포함하는 폴리실리콘 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 로드는 거꾸로 된 U자로 형성된 다수의 로드 분할부를 구비하고, 상기 각 로드 분할부의 일측 다리부는 상기 전극에 각각 연결되고 타측 다리부는 상기 전극들 사이에 배치되면서 상기 베이스 플레이트 상에 놓인 상기 중성점에 연결되는 형태의 일체형 로드인 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 용기본체에는 순환유체 입구와 순환유체 출구가 설치되어, 상기 순환유체 입구로부터 유입된 순환유체가 상기 용기본체의 외벽 및 내벽 사이에 형성된 공간을 통해 흐르고 나서 상기 순환유체 출구로 배출되도록 된 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 순환유체는 상기 용기본체 속에서 냉매로 작용하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 순환유체는 상기 용기본체 속에서 열을 보존하는 유체로 작용하고, 상기 용기본체로부터 배출된 후 열교환되어 상기 반응가스를 예열하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 용기본체의 측벽에는 내부를 시각적으로 확인할 수 있는 감시창 또는 카메라가 구비되는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 용기본체의 내부 표면에 코팅부가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 코팅부는 실리콘, 흑연, 실리콘 카바이드(SiC), 유리 중 적어도 어느 하나로 만들어지는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  11. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 용기본체 내에는 이중관 구조의 측방 가스 공급용 자켓이 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  12. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트는 별도의 프레임을 사용하여 지면으로부터 상승하여 위치될 수 있고,
    상기 베이스 플레이트 상에는 상기 용기본체의 움직임을 제한하면서 높이방향으로 이동되게 하는 가이드가 설치되며,
    상기 용기본체의 측방으로는 상기 가이드를 따라 이동할 수 있는 적어도 하나의 고리부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  13. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전류는 상용의 3상 교류전원으로부터 인가되는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
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