KR102215441B1 - 단열재 측정장치 및 단열재 측정방법 - Google Patents

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김정규
고상기
장병규
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최정우
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Abstract

구현예는 권취된 도선을 포함하는 코일부; 및 상기 코일부와 전기적으로 연결된 계측수단;을 포함하고, 상기 계측수단은 상기 코일부에 측정용 전원을 인가하여 단열재의 전자기적 물성을 측정하는, 단열재 측정장치와, 이를 통한 단열재 측정방법에 관한 것이다.

Description

단열재 측정장치 및 단열재 측정방법{A PPARATUS FOR MEASURING A INSULATION MATERIAL AND METHOD OF APPLYING THE SAME}
구현예는 단열재 측정장치, 이를 이용한 단열재 측정방법 등에 관한 것이다.
유도가열은 코일에 고주파 교류 전류를 공급하여, 전자유도 작용에 의해 발생되는 와전류에 의한 줄(joule)열을 이용해서 코일의 내측에 배치된 피가열물을 가열하는 방식이다.
유도가열 수단 및 단열재가 구비된 장치로 잉곳을 성장시킬 시, 잉곳성장용기, 단열재 각각의 무게(밀도), 열전도도, 전기 저항 등의 특성이 잉곳 성장에 상당한 영향을 줄 수 있다. 따라서, 유도가열 방식을 통해 가열되는 잉곳성장용기 뿐만 아니라 단열재의 전자기적 물성을 사전에 파악하고 진행하는 것이, 잉곳 성장의 재현성 확보에 있어 필요하다.
전술한 배경기술은 발명자가 구현예의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
관련 선행기술로, 한국 공개특허 10-2014-0104500에 개시된 “실리카 유리 도가니의 평가 방법, 실리콘 단결정의 제조 방법”이 있다.
구현예의 목적은 단열재의 전자기적 물성을 보다 간소화된 방법을 통해 측정할 수 있는 단열재 측정장치, 단열재 측정방법을 제공하는 것에 있다.
구현예의 다른 목적은 단열재의 전자기적 물성을 측정하고, 이를 토대로 잉곳 성장에 적용 시 보다 향상된 재현성을 확보할 수 있도록 하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 단열재 측정장치는,
단열재의 전자기적 물성을 간접적으로 측정하는 장치로,
권취된 도선을 포함하는 코일부; 및
상기 코일부와 전기적으로 연결된 LCR미터인 계측수단;을 포함하고,
상기 코일부는 외측으로 인출된 인출선을 포함하고, 상기 인출선은 상기 LCR 미터와 연결되고,
상기 단열재는 상기 코일부를 둘러싸며 배치되고,
상기 계측수단은 상기 코일부에 교류전원인 측정용 전원을 인가하여 단열재에 의해 유도되는 전자기적 물성을 측정하고,
상기 전자기적 물성은 상기 코일부에서의 등가직렬저항, 상기 코일부에서의 등가직렬인덕턴스 및 상기 코일부에서의 큐인자 중 선택된 하나 이상이고,
상기 코일부의 단면은,
상기 단열재의 저면 또는 상면과 평행한 방향인 x 방향에서 측정한 x 방향 두께와 상기 단열재의 옆면 방향으로 상기 x 방향과 수직한 z 방향에서 측정한 z 방향 두께를 갖고,
상기 코일부는 상기 z 방향 두께가 상기 x 방향 두께보다 큰 공심코일형일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 전자기적 물성은, 상기 단열재의 저항과 비례할 수 있다.
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일 구현예에 있어서,
상기 코일부의 상기 z 방향 두께는 상기 x 방향 두께대비 5배 이상 40 배 이하이고,
상기 코일부 도선의 권취횟수는 10회 이상 50회 이하일 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 단열재 측정방법은,
단열재의 전자기적 물성을 간접적으로 측정하는 방법으로,
권취된 도선을 포함하는 코일부와 단열재를 상기 단열재가 상기 코일부를 둘러싸도록 배치하는 배치단계; 및
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상기 코일부에 교류전원인 측정용 전원을 인가하고, 상기 코일부와 전기적으로 연결된 LCR미터인 계측수단을 통해 상기 단열재에 의해 유도되는 전자기적 물성을 상기 코일부에서 측정하는 측정단계;를 포함하고,
상기 전자기적 물성은 상기 코일부에서의 등가직렬저항, 상기 코일부에서의 등가직렬인덕턴스 및 상기 코일부에서의 큐인자 중 선택된 하나 이상이고,
상기 코일부의 단면은,
상기 단열재의 저면 또는 상면과 평행한 방향인 x 방향에서 측정한 x 방향 두께와 상기 단열재의 옆면 방향으로 상기 x 방향과 수직한 z 방향에서 측정한 z 방향 두께를 갖고,
상기 코일부는 상기 z 방향 두께가 상기 x 방향 두께보다 큰 공심코일형이고,
상기 측정단계에서 상기 측정용 교류전원의 전압은 10mV 내지 5V일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 전자기적 물성은, 상기 단열재의 저항과 비례할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 잉곳성장용 단열재는,
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잉곳성장용기; 및 상기 잉곳성장용기의 외면을 둘러싸는 단열재;를 포함하고, 제1항에 따른 단열재 측정장치에 100 kHz 및 0.1 A의 교류전원을 인가하여 측정한 등가직렬저항 값이 10.57 Ω 내지 14.16 Ω일 수 있다.
일 실시예에 따른 단열재 측정장치 및 단열재 측정방법은, 단열재의 전자기적 물성을 비교적 간단한 방법으로 짧은 시간에 신뢰성 있게 측정할 수 있다. 또한, 잉곳성장용기의 유도가열을 통해 잉곳을 성장시킬 시, 잉곳성장용기 뿐만 아니라 단열재가 갖는 저항, 전자기적 물성과 이로 인하여 유도되는 열적 특성을 예측할 수 있고, 보다 유리한 특성을 갖는 단열재에 대한 자료를 제공할 수 있다. 이에 따라 잉곳 성장의 재현성을 확보하고, 신속하고 간소화된 방법으로 단열재의 전자기적 물성을 측정할 수 있다.
도 1은 구현예에 따른 코일부와, 단열재 및 잉곳성장용기의 배치를 나타낸 사시도.
도 2는 도 1의 코일부의 단면(BB′)을 확대한 부분확대도.
도 3은 구현예에 따른 단열재 측정장치를 나타낸 사시도.
도 4는 실시예 및 비교예에서 측정한 단열재의 등가직렬저항 값과, 단열재의 무게와 관계를 나타낸 그래프.
도 5는 실시예 및 비교예의 단열재를 통해 탄화규소 잉곳을 성장시킬 시 평균 성장율을 나타낸 그래프.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하나 이상의 구현예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 구현예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서, 어떤 구성이 다른 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성들을 더 포함할 수도 있음을 의미한다.
본 명세서에서, 어떤 구성이 다른 구성과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우만이 아니라, '그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서, A 상에 B가 위치한다는 의미는 A 상에 직접 맞닿게 B가 위치하거나 그 사이에 다른 층이 위치하면서 A 상에 B가 위치하는 것을 의미하며 A의 표면에 맞닿게 B가 위치하는 것으로 한정되어 해석되지 않는다.
본 명세서에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B"를 의미한다.
본 명세서에서, “제1”, “제2” 또는 “A”, “B”와 같은 용어는 특별한 설명이 없는 한 동일한 용어를 서로 구별하기 위하여 사용된다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
유도가열 방식을 적용하여 잉곳성장용기 내에서 잉곳을 성장시킬 시, 잉곳성장용기 및 이를 둘러싸는 단열재 각각의 무게, 밀도, 열전도도, 전기저항 등의 특성이 잉곳 성장에 상당한 영향을 줄 수 있다. 또한, 복수 개의 단열재들 중, 각각의 단열재에 그 특성 차이가 있는데, 비교적 쉽게 측정 가능한 무게만이 아니라 열전도도, 전기저항 특성 등에도 차이가 있고, 이러한 차이는 잉곳의 성장 시 속도나 품질에 영향을 미칠 수 있다. 단열재 각각의 열전도도, 전기저항 등은 유도가열을 진행하면 확인할 수 있으나, 유도가열 진행에는 상대적으로 오랜 시간이 소요되고, 단열재 및 잉곳성장용기의 가열과 냉각 과정을 거쳐야 하므로 측정 효율성이 떨어지고, 유도가열 과정에서 단열재의 성능에 변화가 발생할 수도 있다.
발명자들은 잉곳성장용기 단열재의 전자기적 물성을 사전에 비교적 간단한 방법으로 파악하여 잉곳 성장 시 충분할 재현성을 확보할 수 있는, 단열재 측정장치 및 단열재 측정방법을 제시한다.
단열재 측정장치
일 실시예에 따른 단열재 측정장치는,
권취된 도선을 포함하는 코일부(10); 및
상기 코일부와 전기적으로 연결된 계측수단(300);을 포함하고,
상기 계측수단은 상기 코일부에 측정용 전원을 인가하여 단열재(400)의 전자기적 물성을 측정한다.
상기 전자기적 물성은 상기 단열재에 의하여 상기 코일부(10)에 발생하는 유도기전력의 변화량과 관련된 요소일 수 있다. 유도기전력은 자속의 변화에 의해 발생되는 기전력으로, 상기 코일부에 인가되는 측정용 전원이 교류전원일 경우, 발생되는 교번 자기장에 의해 상기 단열재에 유도전류가 형성되고, 이로 인해 코일부에 유도기전력이 가해질 수 있다.
상기 전자기적 물성은 또한 상기 단열재(400)의 저항과 비례하는 요소일 수 있다.
상기 전자기적 물성은 상기 계측수단(300)을 통해 특정 주파수 및 전압을 갖는 측정용 교류전원이 코일부(10)에 인가될 시, 유도되는 것일 수 있다.
이 때, 상기 단열재(400)는 상기 코일부의 외측에 위치할 수 있다. 상기 코일부는 지지체의 외면에 위치할 수 있고, 예시적으로 상기 지지체는 피단열체(200)일 수 있다. 상기 지지체로 피단열체가 적용된 단열재 측정장치를 적용하는 경우, 실재 피단열체와 함께 배치되었을 때의 단열재의 전자기적 특성을 보다 쉽게 확인할 수 있다.
상기 측정용 교류전원의 주파수는 1 mHz 내지 200 kHz 일 수 있고, 10 Hz 내지 100 kHz 일 수 있다. 상기 측정용 교류전원의 전압은 5 mV 내지 5 V 일 수 있고, 10 mV 내지 5 V 일 수 있다. 상기 주파수 및 전압 범위에서 상기 코일부에 목적으로 하는 전자기적 물성이 나타나도록 효과적으로 유도할 수 있다.
상기 전자기적 물성은 구체적으로 등가직렬저항(equivalent serial resistance), 등가직렬인덕턴스(equivalent serial inductance) 및 큐 인자(quality factor) 중 선택된 하나 이상일 수 있다. 통상 상기 등가직렬저항 또는 등가직렬인덕턴스는 커패시터 또는 인덕터가 포함된 회로의 특성 측정 시 사용되는 인자이나, 구현예에서는 단열재(400)에 인접하게 배치된 코일부의 전자기적 물성을 측정하고자 상기 인자를 적용하였으며, 이를 통해 상기 단열재의 전자기적 물성을 보다 빠르고 유의미하게 확인한다.
상기 코일부(10)는 외측으로 인출된 인출선(12a, 12b)을 포함할 수 있고, 각각의 인출선은 상기 계측수단(300)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 인출선은 도선이 권취될 시 도선의 양단에 해당하는 것일 수 있다.
상기 코일부(10)는 내측에 위치하는 수용공간(13)을 포함할 수 있다. 상기 수용공간의 길이(폭)은 100 mm 이상일 수 있고, 300 mm 이하일 수 있으나, 상기 피단열체(200)가 대응되도록 하고 유도기전력을 가할 수 있는 길이라면 이에 제한하는 것은 아니다. 상기 코일부의 도선이 수용공간의 단면이 원형이 되도록 권취될 수 있고, 상기 수용공간(13)은 상기 피단열체를 수용할 수 있는 크기를 갖는 원기둥형일 수 있다.
상기 코일부(10)는 외측에 위치하는 배치공간(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 배치공간은 상기 단열재가 위치하는 공간이다. 상기 배치공간은 일정한 형상으로 성형된 단열재가 배치될 수 있고, 유도기전력이 미치는 범위라면 그 크기나 형상에 제한은 없다. 상기 단열재가 잉곳성장용으로 적용되는 경우, 상기 단열재는 피단열체인 도가니의 본체를 감싸는 형태를 가질 수 있고, 예시적으로 원기둥형태를 가질 수 있다. 상기 코일부의 도선이 원형으로 권취될 시, 상기 배치공간은 상기 코일부의 외측면 또는 상기 단열재의 내측면과 대응되는 형상일 수 있고, 예시적으로 윈기둥형일 수 있다.
상기 코일부(10)는 코일부가 상기 단열재(400)의 일면과 나란히 위치하도록 배치될 수 있다. 예시적으로 상기 코일부는 단열재의 옆면과 코일부가 나란히 위치할 수 있고, 단열재의 밑면 또는 윗면과 코일부가 나란히 위치할 수 있다.
상기 코일부에 측정용 교류전원을 인가 시 상기 단열재에 전류가 유도될 수 있는 거리에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 코일부 내부의 비어있는 수용공간(13)에 피단열체(200)가 위치하고, 상기 코일부 외부에 소정 간격으로 상기 단열재가 위치하도록 할 수 있다. 즉, 상기 단열재는 상기 코일부에 인가된 측정용 교류전원으로 유도되는 유도기전력이 미치는 범위 내에 배치될 수 있다.
상기 코일부(10)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 그 단면(BB′)이 상기 단열재(400)의 저면 또는 상면과 평행한 방향인 x 방향에서 측정한 x 방향 두께(Tx), 상기 단열재의 옆면 방향, 상기 x 방향과 수직한 z 방향에서 측정한 z 방향 두께(Tz)를 가질 수 있다. 이 때, 상기 z 방향 두께는 상기 x 방향 두께보다 큰 공심코일 형태일 수 있다.
상기 코일부(10)는 내주면(13)이 상기 피단열체(200)의 옆면에 접하도록 배치될 수 있고, 상기 피단열체와 단열재(400) 사이의 간격에 배치될 수 있다.
상기 코일부(10)의 내주면(13) 형상은 상기 피단열체(200)의 옆면 형상과 대응되는 형상일 수 있다.
상기 코일부(10)의 x 방향 두께(Tx)는 상기 단열재(400)의 외측으로 횡단면과 평행하게 발산하는 방향일 수 있다.
상기 코일부(10)의 z 방향 두께(Tz)는 상기 x 방향 두께(Tx) 대비 5 배 이상일 수 있고, 10 배 이상일 수 있다. 상기 z 방향 두께는 상기 x 방향 두께 대비 50 배 이하일 수 있고, 40 배 이하일 수 있다. 또한, 상기 코일부 도선의 권취횟수는 10회 이상일 수 있고, 12회 이상일 수 있고, 15회 이상일 수 있다. 상기 도선의 권취횟수는 50회 이하일 수 있고, 45회 이하일 수 있고, 40회 이하일 수 있다. 상기 두께 및 권취횟수 범위를 갖는 코일부를 통해, 상기 전자기적 물성 측정 신뢰도를 높이도록 하고, 도선의 낭비를 최소화하도록 한다.
상기 코일부(10)의 도선은 50 가닥 이상, 2000 가닥 이하의 소선을 꼬아 형성된 선을 피복하여 마련될 수 있고, 상기 소선 또한 피복된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 도선은 리츠선(litz wire)일 수 있다. 상기 소선의 직경은 0.05 mm 이상일 수 있고, 0.08 mm 이상일 수 있다. 상기 소선의 직경은 0.2 mm 이하일 수 있고, 0.125 mm 이하일 수 있다. 상기 가닥 및 직경 범위에서 도선의 가공과정이 간소화될 수 있고, 표피효과로 인한 에너지 손실을 최소화할 수 있다.
상기 도선의 직경은 상기 피단열체(200) 및 단열재(400)의 둘레, 상기 소선의 직경 및 가닥수에 따라 달라질 수 있다.
상기 피단열체(200)는 횡단면이 일정한 통 형상일 수 있고, 외경(D0)이 일정한 형상일 수 있고, 외경과 내경을 가지며 내부공간을 포함하되 상부가 개방된 형태일 수 있다.
상기 단열재(400)는 횡단면이 일정한 통 형상일 수 있고, 내경(D1)이 일정한 형상일 수 있고, 외경과 내경을 가지며 내부공간을 포함하되 상부 및 하부가 개방된 형태일 수 있다. 상기 단열재의 내부공간에 상기 피단열체(200)가 배치될 수 있고, 상기 단열재와 피단열체 간 소정 간격을 가질 수 있다.
상기 피단열체(200)는 예시적으로 외부의 가열수단으로 가열될 수 있는 피가열체일 수 있으며, 유도가열 수단으로 가열될 수 있는 잉곳성장용기일 수 있다. 상기 피단열체는 잉곳 성장용 흑연 도가니일 수 있고, 탄화규소 잉곳 성장용 흑연 도가니일 수 있다.
상기 단열재(400)는 탄소계 펠트를 포함할 수 있고, 구체적으로 흑연 펠트를 포함할 수 있으며, 레이온계 흑연 펠트 또는 피치계 흑연 펠트를 포함할 수 있다.
상기 단열재(400)는 탄화규소 잉곳 성장을 위한 잉곳성장장치에 적용될 수 있다. 구체적으로, 내부공간을 갖는 잉곳성장용기(200); 상기 잉곳성장용기의 외면에 배치되어 상기 잉곳성장용기를 둘러싸는 단열재(400); 상기 잉곳성장용기의 온도를 조절하는 가열수단; 상기 단열재로 둘러싸인 잉곳성장용기를 내부에 포함하는 반응챔버; 상기 반응챔버 내부와 연결되며 반응챔버 내부의 진공도를 조절하는 진공배기장치; 상기 반응챔버 내부와 연결되며 반응챔버 내부에 기체를 유입시키는 배관; 상기 기체 유입을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러;를 포함하는 잉곳성장장치에 적용될 수 있다.
상기 계측수단(300)은, 내부에 피단열체(200), 외부에 단열재(400)가 위치하는 코일부에 기술한 주파수 및 전압의 교류전원을 인가할 수 있고, 상기 교류전원을 인가 시 유도되는 등가직렬저항, 등가직렬인덕턴스, 큐 인자 등을 측정할 수 있다. 상기 계측수단은 구체적으로 LCR 미터일 수 있다.
상기 계측수단(300)을 통해 측정되는 상기 단열재의 전자기적 물성 값을 활용하여, 무게 등의 다른 계측수단과 함께 또는 별도로, 유사한 전자기적 물성을 갖는 단열재를 선별하도록 하고, 이를 잉곳성장용기의 단열재로 적용하여 잉곳 성장 시 재현성을 확보할 수 있다.
단열재 측정방법
상기의 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 단열재 측정방법은,
권취된 도선을 포함하는 코일부(10)와 인접하게 단열재(400)를 배치하는 배치단계; 및
상기 코일부와 전기적으로 연결된 계측수단(300)을 통해 상기 코일부에 측정용 전원을 인가하고, 상기 코일부에 유도되는 전자기적 물성을 측정하는 측정단계;를 포함한다.
상기 배치단계는 상기 코일부(10)에 피측정물인 단열재(400)를 배치하는 단계이다. 상기 배치단계는 상기 코일부 외부에 소정 간격으로 상기 단열재(400)가 위치하도록 할 수 있다. 상기 배치단계는 상기 코일부 내부에 피단열체(200)도 함께 위치하도록 할 수 있다.
상기 배치단계의 상기 코일부(10)는 측정용 교류전원을 인가 시 상기 단열재(400)에 전류가 유도될 수 있는 거리에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 코일부 외부에 상기 단열재(400)가 배치되도록 할 수 있다. 이와 함께 상기 코일부 내부의 비어있는 수용공간(13)에 상기 피단열체(200)가 수용되도록 배치하거나 배치하지 않을 수 있다.
상기 배치단계의 코일부(10)의 특징은 앞서 기술한 바와 같다.
상기 배치단계에서 상기 코일부가(10) 공심코일 형태일 시, 상기 코일부의 내주면(13)은 상기 피단열체(200)의 옆면과 접할 수 있고, 상기 옆면과 소정 간격을 두며 코일부 내부 수용공간(13)에 배치되도록 할 수 있다. 그리고 상기 코일부의 외주면과 소정 간격을 두며 코일부 외부에 상기 단열재(400)가 배치되도록 할 수 있다.
상기 배치단계의 피단열체(200) 및 단열재(400)의 특징은 앞서 기술한 바와 같다.
상기 측정단계는 상기 코일부(10)와 전기적으로 연결된 계측수단(300)을 통해, 특정 주파수 및 전압의 측정용 교류전원을 인가하고, 상기 코일부에 유도되는 전자기적 물성을 측정하는 단계이다. 구체적으로, 상기 측정단계의 측정용 교류전원의 주파수는 1 mHz 내지 200 kHz 일 수 있고, 10 Hz 내지 100 kHz 일 수 있다. 상기 측정용 교류전원의 전압은 5 mV 내지 5 V 일 수 있고, 10 mV 내지 5 V 일 수 있다. 상기 주파수 및 전압 범위에서 상기 코일부에 목적으로 하는 전자기적 물성이 나타나도록 효과적으로 유도할 수 있다.
상기 측정단계의 전자기적 물성은 상기 단열재(400)에 의해 발생하는 유도기전력의 변화와 관련된 요소 또는 상기 단열재의 저항과 비례하는 요소를 포함할 수 있고, 이는 앞서 기술한 바와 같다.
상기 측정단계의 측정용 교류전원의 조건을 앞서 기술한 바와 같다.
잉곳성장용 단열재
일 실시예에 따른 잉곳성장용 단열재는,
잉곳성장용기; 및 상기 잉곳성장용기의 외면을 둘러싸는 단열재;를 포함하고, 상기에 따른 단열재 측정장치에 100 kHz 및 0.1 A의 교류전원을 인가하여 측정한 등가직렬저항 값이 10.57 Ω 내지 14.16 Ω일 수 있다.
상기 단열재 측정장치는, 앞서 기술한 바와 같이 공심코일 형태의 코일부(10)가 포함된 단열재 측정장치일 수 있다.
상기 공심코일 형태의 코일부(10)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 그 단면(BB′)이 상기 단열재(400)의 저면 또는 상면과 평행한 방향인 x 방향에서 측정한 x 방향 두께(Tx), 상기 단열재의 옆면 방향, 상기 x 방향과 수직한 z 방향에서 측정한 z 방향 두께(Tz)를 가질 수 있다. 이때, 상기 z 방향 두께는 상기 x 방향 두께보다 클 수 있다. 구체적으로, z 방향 두께:상기 x 방향 두께 비는 1:27일 수 있고, 권취횟수는 27회일 수 있다. 상기 코일부를 이루는 도선은 0.1 mm 직경의 소선이 750 가닥 꼬여 피복된 3.5 mm 직경의 리츠선일 수 있다.
상기 잉곳성장용기(200) 및 단열재(400)의 구체적 형태는 앞서 기술한 바와 같다.
상기 잉곳성장용기(200)의 내경(D0)이 150 mm 내지 180 mm이고, 내경에서 외경 방향으로 두께가 10 mm 내지 30 mm인 경우, 상기 잉곳성장용기가 코일부(10) 내부에 접하며 수용된 상태 및 상기 코일부 외부에 단열재가 위치한 상태에서 상기 단열재 측정장치로 100 kHz 및 0.1 A의 교류전원을 인가하여 측정한 등가직렬저항(Rs) 값은 10.57 Ω 내지 14.16 Ω일 수 있고, 11.95 Ω 내지 12.87 Ω일 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<공심코일 형태의 코일부, 잉곳성장장치 준비>
25 회의 도선 권취횟수를 갖고, 공심코일 형태의 코일부를 마련하였다. 상기 도선은 0.1 mm 직경의 소선이 750 가닥 꼬여 피복된 3.5 mm 직경의 리츠선을 사용하였다. 상기 코일부의 내경은 172 mm, 외경은 180 mm였고, 측정할 원통형 단열재의 옆면 높이방향과 평행한, 상기 코일부의 z 방향 두께는 상기 단열재의 저면과 평행한 x 방향 두께 대비 25 배 였다.
상기 코일부의 리츠선 양단부인 인출선(12a, 12b)을 LCR 미터(HIOKI 3522-50)와 연결하였고, 100 kHz 및 0.1 A의 교류전원을 인가 시 상기 코일부의 전자기적 물성(등가직렬저항, 등가직렬인덕턴스, 큐 인자 중 어느 하나) 값이 0이 되도록 영점을 조정하였다. 상기 영점 조정 전 상기 코일부의 등가직렬인덕턴스 값은 131 uH이었고, 등가직렬저항은 4.01 Ω이었다.
<실시예 - 전자기적 물성을 측정하고 선별된 단열재를 통한 잉곳 성장>
내부공간을 가지고, 180 mm의 외경(D0)을 갖고, 원통형의 흑연 잉곳성장용기와, 이를 둘러싸고 표 1의 무게를 갖는 단열재의 내주면 사이에, 상기 준비된 단열재 측정장치의 코일부가 도 3과 같이 배치되도록 하였다. LCR 미터를 통해 상기 코일부에 100 kHz, 0.1 A의 교류전원을 인가하고, 유도되는 등가직렬저항(Rs), 등가직렬인덕턴스(Ls) 및 큐 인자(Q)를 측정하였다. 측정 소요시간은 대략 20 초였다.
이후, 11.88 Ω 내지 12.87 Ω의 등가직렬저항 측정값을 가지는 단열재로 둘러싸인 잉곳성장용기 내부의 상부에 탄화규소 종자정을 배치하고, 하부에 탄화규소 원료분말을 배치하였다. 상기 잉곳성장용기를 밀폐하고, 그 외부를 가열 코일이 구비된 반응챔버 내에 배치하였다.
상기 잉곳성장용기 내부공간을 감압하여 진공 분위기로 조절하고, 아르곤 가스를 주입하여 상기 내부공간이 대기압에 도달하도록 한 다음, 다시 내부공간을 감압시켰다. 동시에, 상기 가열코일에 전원을 인가하여 내부공간의 온도를 5~10 ℃/min의 승온 속도로 2500 ℃의 온도까지 승온시켰고, 5 torr의 압력 조건 하에서 100 시간 동안 탄화규소 원료와 대향하는 탄화규소 종자정 면에 탄화규소 잉곳을 성장시켰다. 이 때 탄화규소 잉곳의 평균 성장률을 표 1에 나타내었다.
<비교예 - 전자기적 물성이 미 측정된 임의의 단열재를 통한 잉곳 성장>
상기 전자기적 물성 측정이 진행되지 않은 임의의 단열재로 둘러싸인 잉곳성장용기를 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예와 동일하게 진행하여 탄화규소 잉곳을 성장시켰으며, 이 때 탄화규소 잉곳의 평균 성장률을 표 1에 나타내었다.
무게(g) 코일부에 유도된 Rs(Ω)* 성장률(μm/hr)
실시예 1 474 12.70 0.13
실시예 2 489 12.83 0.13
실시예 3 484 12.83 0.13
실시예 4 474 12.63 0.13
실시예 5 484 12.80 0.13
실시예 6 481 12.75 0.13
실시예 7 474 12.59 0.12
실시예 8 483 12.87 0.12
실시예 9 480 12.78 0.12
실시예 10 475 12.62 0.14
실시예 11 477 12.60 0.14
실시예 12 478 12.76 0.14
실시예 13 457 11.88 0.12
실시예 14 494 12.00 0.12
실시예 15 496 11.95 0.12
비교예 1 488 미측정 0.04
비교예 2 498 미측정 0.04
비교예 3 508 미측정 0.04
Rs(Ω)*: 등가직렬저항
표 1 및 도 5를 살펴보면, 11.88 Ω 내지 12.87 Ω의 등가직렬저항 측정값을 가지는 단열재로 둘러싸인 잉곳성장용기로 탄화규소 잉곳을 성장시킨 실시예 1 내지 실시예 15(Example 1 내지 Example 15)는, 0.12 μm/hr 내지 0.14 μm/hr의 성장률을 나타내는 것을 확인하였다. 반면, 전자기적 물성을 측정하지 않고 임의의 단열재로 둘러싸인 잉곳성장용기로 탄화규소 잉곳을 성장시킨 비교예 1 내지 비교예 3(C.Example 1 내지 C.Example 3)은, 0.04 μm/hr의 성장률을 나타내었다.
<단열재의 무게와 상기 단열재 측정장치의 측정값과의 상관관계 비교>
상기 실시예 및 비교예에서 측정한 단열재의 등가직렬저항 값과, 단열재의 무게 간 상관관계를 도 4에 나타내었다. 이를 참조하면, 단열재의 무게와 측정된 등가직렬저항 값과는 결정계수가(R2) 0.5728로 상관관계가 미약한 것을 알 수 있다. 무게를 통해 단열재를 선별하고 이를 통해 잉곳을 성장시킬 시, 상기 비교예의 결과에서 나타난 바와 같이 잉곳 성장 재현성 확보에 어려움이 있을 수 있다.
상기 단열재 측정장치를 통해 유사한 전자기적 물성을 갖는 단열재를 선별하도록 하고, 이를 잉곳성장용기의 단열재로 적용하여 효과적인 잉곳 성장이 가능하도록 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 코일부 12, 12a, 12b: 인출선
13: 코일부 내주면 200: 피단열체
300: 계측수단 400: 단열재

Claims (10)

  1. 단열재의 전자기적 물성을 간접적으로 측정하는 장치로,
    권취된 도선을 포함하는 코일부; 및
    상기 코일부와 전기적으로 연결된 LCR 미터인 계측수단;을 포함하고,
    상기 코일부는 외측으로 인출된 인출선을 포함하고, 상기 인출선은 상기 LCR 미터와 연결되고,
    상기 단열재는 상기 코일부를 둘러싸며 배치되고,
    상기 계측수단은 상기 코일부에 교류전원인 측정용 전원을 인가하여 단열재에 의해 유도되는 전자기적 물성을 측정하고,
    상기 전자기적 물성은 상기 코일부에서의 등가직렬저항, 상기 코일부에서의 등가직렬인덕턴스 및 상기 코일부에서의 큐인자 중 선택된 하나 이상이고,
    상기 코일부의 단면은,
    상기 단열재의 저면 또는 상면과 평행한 방향인 x 방향에서 측정한 x 방향 두께와 상기 단열재의 옆면 방향으로 상기 x 방향과 수직한 z 방향에서 측정한 z 방향 두께를 갖고,
    상기 코일부는 상기 z 방향 두께가 상기 x 방향 두께보다 큰 공심코일형인,
    단열재 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자기적 물성은, 상기 단열재의 저항과 비례하는,
    단열재 측정장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코일부의 상기 z 방향 두께는 상기 x 방향 두께대비 5배 이상 40 배 이하이고,
    상기 코일부 도선의 권취횟수는 10회 이상 50회 이하인,
    단열재 측정장치.
  6. 삭제
  7. 단열재의 전자기적 물성을 간접적으로 측정하는 방법으로,
    권취된 도선을 포함하는 코일부와 단열재를 상기 단열재가 상기 코일부를 둘러싸도록 배치하는 배치단계; 및
    상기 코일부에 교류전원인 측정용 전원을 인가하고, 상기 코일부와 전기적으로 연결된 LCR 미터인 계측수단을 통해 상기 단열재에 의해 유도되는 전자기적 물성을 상기 코일부에서 측정하는 측정단계;를 포함하고,
    상기 전자기적 물성은 상기 코일부에서의 등가직렬저항, 상기 코일부에서의 등가직렬인덕턴스 및 상기 코일부에서의 큐인자 중 선택된 하나 이상이고,
    상기 코일부의 단면은,
    상기 단열재의 저면 또는 상면과 평행한 방향인 x 방향에서 측정한 x 방향 두께와 상기 단열재의 옆면 방향으로 상기 x 방향과 수직한 z 방향에서 측정한 z 방향 두께를 갖고,
    상기 코일부는 상기 z 방향 두께가 상기 x 방향 두께보다 큰 공심코일형이고,
    상기 측정단계에서 상기 측정용 교류전원의 전압은 10mV 내지 5V인,
    단열재 측정방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전자기적 물성은, 상기 단열재의 저항과 비례하는,
    단열재 측정방법.
  9. 삭제
  10. 잉곳성장용기; 및 상기 잉곳성장용기의 외면을 둘러싸는 단열재;를 포함하고, 제1항에 따른 단열재 측정장치에 100 kHz 및 0.1 A의 교류전원을 인가하여 측정한 등가직렬저항 값이 10.57 Ω 내지 14.16 Ω인, 잉곳성장용 단열재.
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