KR20100042372A - Thermal plasma fluidized bed reactor and method for preparing polysilicon using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열 플라스마 유동층 반응장치 및 이를 이용한 실리콘의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermal plasma fluidized bed reactor and a method for producing silicon using the same.
현재 실리콘계 태양전지의 주원료로 사용되는 고순도 실리콘(polysilicon; SOG-Si)을 생산하는 방법은 우선, 규석 또는 규사와 흑연을 아크방전로에서 반응시킴으로써 고순도의 금속급 실리콘을 제조하고, 이러한 금속급 실리콘을 출발원료로 하여 가스화 공정을 통해 실란원료를 합성, 분리하고 충분히 정제함으로써 실란원료 가스를 제조한다.The method of producing high-purity silicon (SOG-Si), which is currently used as a main raw material of silicon solar cells, firstly manufactures high-purity metallic silicon by reacting silica or silica with graphite in an arc discharge furnace. As a starting material, a silane raw material gas is produced by synthesizing, separating and sufficiently purifying the silane raw material through a gasification process.
이어서, 상기 실란원료 가스를 이용하여 고체상태의 고순도의 실리콘을 형성시킴으로써 실리콘 석출(deposition) 또는 화학기상증착(chemical vapor deposition)공정을 수행하는 것이다.Subsequently, the silicon deposition or chemical vapor deposition process is performed by forming silicon of high purity in a solid state using the silane raw material gas.
즉, 종래에는 상기한 바와 같은 실란원료 가스를 고온에서 수소환원반응 및 열분해반응을 시켜 실리콘 원소(미립자)를 생성시키고, 이 실리콘 원소가 막 대(rod) 또는 입자의 표면에서 다결정상태를 이루게 하고, 이를 석출함으로써 실리콘 결정을 생성하였다.That is, conventionally, the silane raw material gas as described above is subjected to hydrogen reduction reaction and pyrolysis reaction at high temperature to generate silicon element (particulates), and the silicon element forms a polycrystalline state on the surface of rod or particle. By depositing this, silicon crystals were produced.
종래 주로 사용되어 오던 실리콘 석출방법은 상기 실리콘 결정을 U자형 실리콘 위에 석출시키는 종형(bell-jar type) 반응법을 사용하였는데, 이러한 종형 반응법에 의하면, 반응 후 생산되는 실리콘을 막대 형태로 회수하게 되는바, 실리콘이 일정량 석출되면 반응기 내부의 U자형 실리콘의 두께증가에 따라 주기적으로 교체를 해주어야 하므로 실리콘의 연속생산이 어렵고, 지속적인 석출을 수행하기 위한 온도를 유지하기 어렵다는 문제점이 있었다.The silicon precipitation method, which has been mainly used in the related art, uses a bell-jar type reaction in which the silicon crystals are deposited on the U-shaped silicon. According to this bell type reaction, the silicon produced after the reaction is recovered in a rod form. If the silicon is precipitated in a certain amount, it must be replaced periodically according to the increase in the thickness of the U-shaped silicon in the reactor, it is difficult to continuously produce the silicon, it was difficult to maintain the temperature for performing the continuous precipitation.
아울러, 실리콘을 포함하는 모노실란, 이염화실란, 삼염화실란 또는 사염화실란 등과 같은 실란원료 가스를 원료로 이용하는 경우, 생산 단가가 높기 때문에 경제적이지 못하며, 폭발 위험성으로 인하여 안전성에도 문제가 있었다.In addition, when using a silane raw material gas such as monosilane, dichloride, trichloride or tetrachloride containing silicon as a raw material, it is not economical because the production cost is high, there is also a safety problem due to the explosion risk.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 열 플라스마를 이용하여 고순도 실리콘 입자를 연속 생산함으로써 가격 경제성이 우수하며, 폭발 위험성을 제거한 열 플라스마 유동층 반응장치 및 이를 이용한 실리콘의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and provides a thermal plasma fluidized bed reactor and a method for producing silicon using the same, which is excellent in cost economics by continuously producing high-purity silicon particles using thermal plasma, and eliminates the risk of explosion. Its purpose is to.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 내부 공간에 열 플라스마를 발생시키는 전극봉을 구비하는 플라스마 토치부; 상기 플라스마 토치부에 반응물을 공급하는 반응물공급부; 상기 플라스마 토치부에 반응가스 또는 운반가스를 공급하는 가스공급부; 및 상기 반응물 및 반응가스를 반응시키는 유동층 반응기를 포함하는 실리콘 제조용 열 플라스마 유동층 반응장치를 제공한다.The present invention provides a means for solving the above problems, the plasma torch unit having an electrode for generating a thermal plasma in the inner space; A reactant supply unit supplying a reactant to the plasma torch unit; A gas supply unit supplying a reaction gas or a carrier gas to the plasma torch unit; And it provides a thermal plasma fluidized bed reactor for producing silicon comprising a fluidized bed reactor for reacting the reactant and the reaction gas.
또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 열 플라스마 유동층 반응장치에 구비된 플라스마 토치부의 내부 공간에 반응물 및 반응가스를 공급하고 열 플라스마를 발생시키는 단계; b)상기 플라스마 토치부의 내부 공간에 운반가스를 공급하여 상기 반응물과 반응가스를 순환시키면서 열 환원반응을 일으키는 단계; 및 c)상기 열 환원반응에 의하여 생성된 실리콘 입자로부터 잔여가스를 분리하고, 고순도 실리콘 입자를 회수하는 단계를 포함하는 열 플라스마 유동층 반응장치를 이용한 실리콘의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is another means for solving the above problems, supplying the reactant and the reaction gas to the inner space of the plasma torch unit provided in the thermal plasma fluidized bed reaction apparatus according to the present invention and generating a thermal plasma; b) supplying a carrier gas to the inner space of the plasma torch unit to cause a heat reduction reaction while circulating the reactant and the reaction gas; And c) separating residual gas from the silicon particles produced by the heat reduction reaction, and recovering the high purity silicon particles.
본 발명에 따른 열 플라스마 유동층 반응장치 및 이를 이용한 실리콘의 제조방법에 의하면, 열 플라스마에 의하여 얻어진 고온의 에너지를 이용하여 열 환원반응을 일으키므로 가격 경제성 및 반응온도 유지가 탁월하며, 제품의 연속 생산이 가능할 뿐 아니라 반응에 공급되는 폭발 위험성 물질을 배출할 수 있어, 보다 안전하게 고순도 실리콘 입자를 제조할 수 있다.According to the thermal plasma fluidized bed reaction apparatus according to the present invention and a method for producing silicon using the same, the thermal reduction reaction is performed by using the high temperature energy obtained by the thermal plasma, so it is excellent in economical cost and maintains the reaction temperature, and continuously produces the product. Not only is this possible, it is possible to release the potentially explosive substances supplied to the reaction, making it possible to produce high purity silicon particles more safely.
본 발명은 내부 공간에 열 플라스마를 발생시키는 전극봉을 구비하는 플라스마 토치부; 상기 플라스마 토치부에 반응물을 공급하는 반응물공급부; 상기 플라스마 토치부에 반응가스 또는 운반가스를 공급하는 가스공급부; 및 상기 반응물 및 반응가스를 반응시키는 유동층 반응기를 포함하는 실리콘 제조용 열 플라스마 유동층 반응장치에 관한 것이다.The present invention includes a plasma torch unit having an electrode for generating a thermal plasma in an inner space; A reactant supply unit supplying a reactant to the plasma torch unit; A gas supply unit supplying a reaction gas or a carrier gas to the plasma torch unit; And relates to a thermal plasma fluidized bed reactor for producing silicon comprising a fluidized bed reactor for reacting the reactants and the reaction gas.
여기서, 상기 플라스마 토치부에 구비된 전극봉은 플라스마 토치부의 내부 공간에 열 플라스마를 발생시킬 수 있는 모든 형태의 열 플라스마 발생장치를 포함하는 것이며, 예를 들면, 상기 플라스마 토치부의 하부로 삽입 결합되는 것으로서, 하단에 전력 공급부로부터 전력을 공급받는 전력선이 연결되고, 상기 전력 공급부로부터 플라스마 전력을 공급받아 아크 방전을 일으킴으로써 상기 플라스마 토치부의 내부 공간에 고온의 열 플라스마를 발생시키는 것일 수 있다.Here, the electrode provided in the plasma torch portion includes all types of thermal plasma generating apparatus capable of generating thermal plasma in the inner space of the plasma torch portion, for example, as being inserted into the lower portion of the plasma torch portion A power line receiving power from a power supply unit is connected to a lower end of the power supply unit, and the plasma power is supplied from the power supply unit to generate an arc discharge, thereby generating a high temperature thermal plasma in the inner space of the plasma torch unit.
이와 같이 고온의 열 플라스마를 이용하여 반응물과 반응가스 간에 열 환원반응을 일으키는 경우 저가의 원료를 이용하는 경우에도 열 환원반응을 가속화시킬 수 있어 보다 용이하게 고순도의 실리콘 입자를 연속 생산할 수 있다.As described above, when the thermal reduction reaction between the reactant and the reaction gas is performed by using a high temperature heat plasma, the thermal reduction reaction can be accelerated even when using a low-cost raw material, so that silicon particles of high purity can be continuously produced more easily.
즉, 상기 열 플라스마에 의하여 플라스마 토치부의 내부 공간에 높은 에너지를 가진 분자 및 원자가 생성되고, 이에 따라 상기 플라스마 토치부의 내부 공간에 공급된 반응물과 반응가스는 열 플라스마에 의하여 발생된 고온의 열에너지를 이용하여 열 환원반응을 일으키므로 활성화 에너지는 감소되고 화학반응은 가속화되어 보다 용이하게 열 환원반응을 일으킬 수 있다.That is, the thermal plasma generates molecules and atoms having high energy in the inner space of the plasma torch portion, and thus the reactant and the reactant gas supplied to the inner space of the plasma torch portion use high temperature thermal energy generated by the thermal plasma. As a result of the heat reduction reaction, the activation energy is reduced and the chemical reaction is accelerated, thereby more easily causing the heat reduction reaction.
한편, 상기 전극봉은 관리가 용이하도록 탈부착할 수 있으며, 플라스마 토치부에 삽입 결합되는 경우에 상기 삽입 결합되는 연결 부분에서 누수가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 상기 연결 부분에 오링(O-ring)을 구비할 수 있다.On the other hand, the electrode can be detachable for easy management, O-ring (O-ring) to the connecting portion to prevent the leakage occurs in the connecting portion is inserted and coupled when the plasma torch is coupled to the part It can be provided.
또한, 상기 플라스마 토치부의 내벽 및 전극봉은 각각 고온 반응에 따른 불순물의 유입을 방지할 수 있도록 그라파이트가 코팅된 구리재질 또는 그라파이트 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the inner wall and the electrode of the plasma torch portion are preferably made of graphite coated copper or graphite so as to prevent inflow of impurities due to high temperature reaction.
아울러, 상기 전극봉은 외주면에 외부 절연을 위하여 세라믹 절연체를 코팅한 것이 바람직하다.In addition, the electrode is preferably coated with a ceramic insulator for external insulation on the outer peripheral surface.
한편, 상기 반응물공급부는 상기 플라스마 토치부의 내부 공간으로 반응물을 공급하는데, 상기 반응물공급부의 상부에는 회전식 모터가 구비되고, 하부는 급격한 경사가 진 깔때기 형상으로 이루어진 것이 바람직하다.On the other hand, the reactant supply unit supplies a reactant to the inner space of the plasma torch, the upper portion of the reactant supply is provided with a rotary motor, the lower portion is preferably made of a steep inclined funnel shape.
즉, 상기 회전식 모터는 플라스마 토치부로 공급되는 반응물의 공급유량을 조절하며, 이에 따라 연속적인 공급을 가능하게 한다. 또한, 상기 반응물공급부의 하부는 급격한 경사가 진 깔때기 형상으로 이루어지기 때문에 자유 낙하에 의하여 반응물이 원활하게 플라스마 토치부의 내부 공간으로 공급될 수 있도록 한다.That is, the rotary motor regulates the supply flow rate of the reactant supplied to the plasma torch unit, thereby enabling continuous supply. In addition, since the lower part of the reactant supply part is made of a steep inclined funnel shape, the reactant can be smoothly supplied to the inner space of the plasma torch part by free fall.
한편, 상기 가스공급부는 플라스마 토치부의 내부 공간으로 공급된 반응물과 결합하여 열 환원반응을 일으킬 수 있도록 플라스마 토치부의 내부 공간에 반응가스를 공급한다.On the other hand, the gas supply unit supplies a reaction gas to the inner space of the plasma torch unit to combine with the reactants supplied to the inner space of the plasma torch unit to cause a heat reduction reaction.
여기서, 상기 반응물은 실리카인 것이 바람직하다. 상기 반응물을 사용하는 경우, 원료의 가격을 절감할 수 있다는 장점이 있다.Here, the reactant is preferably silica. When using the reactant, there is an advantage that can reduce the price of the raw material.
또한, 상기 반응가스는 수소, 메탄, 염화수소 및 프로판으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.In addition, the reaction gas is preferably at least one selected from the group consisting of hydrogen, methane, hydrogen chloride and propane.
이와 같이 반응물 및 반응가스가 상기 플라스마 토치부의 내부 공간으로 공급된 후에 상기 전극봉으로부터 열 플라스마가 발생되면 상기 플라스마 토치부의 내부 공간이 가열되고, 반응물 내의 실리콘 입자들이 움직이기 시작하면서 유동층을 형성하면서 상기 반응물과 반응가스는 열 환원반응을 일으킨다.As such, when the thermal plasma is generated from the electrode after the reactant and the reactant gas are supplied to the inner space of the plasma torch, the inner space of the plasma torch is heated, and the silicon particles in the reactant start to move to form a fluidized bed while forming the fluidized bed. The supergas reacts with heat reduction.
이어서, 상기 가스공급부로부터 플라스마 토치부의 내부 공간에 운반가스가 공급되면 상기 열 환원반응을 일으키는 반응물 및 반응가스는 상기 운반가스에 의하여 상기 플라스마 토치부의 상단을 통하여 유동층 반응기의 내측을 순환하면서 연속적으로 열 환원반응을 일으키게 되고, 이에 따라 유동하는 고온의 실리콘 입자 표면에 실리콘을 석출하게 되며, 실리콘 입자의 크기가 점차적으로 커져서 일정한 크기로 성장하게 되면, 이를 수집하고, 회수함으로써 고순도 실리콘 입자를 얻을 수 있다.Subsequently, when a carrier gas is supplied from the gas supply unit to the inner space of the plasma torch unit, reactants and reaction gases causing the heat reduction reaction are continuously heated while circulating inside the fluidized bed reactor through the upper end of the plasma torch unit by the carrier gas. It causes a reduction reaction, thereby depositing silicon on the surface of the flowing high temperature silicon particles, and when the size of the silicon particles gradually increases and grows to a certain size, high purity silicon particles can be obtained by collecting and recovering them. .
여기서, 상기 운반가스는 아르곤, 질소 및 헬륨으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.Here, the carrier gas is preferably at least one selected from the group consisting of argon, nitrogen and helium.
한편, 상기 유동층 반응기는, 상기 반응물과 반응가스가 내측으로 순환 이동되면서 열 환원반응을 일으킬 수 있도록 순환식으로 형성된 것이 바람직하다.On the other hand, the fluidized bed reactor, it is preferable that the reactant and the reaction gas is formed in a circulation type so as to cause a heat reduction reaction while circulating inside.
나아가, 상기 유동층 반응기는, 상기 플라스마 토치부의 상단과 연결되는 상승부와, 상기 상승부와 병렬로 배치되는 하강부와, 상기 상승부의 상단과 상기 하강부의 상단을 연결하는 연결부와, 상기 하강부의 하단과 플라스마 토치부의 일측을 연결하는 공급부를 포함하는 루프형인 것이 바람직하다.Further, the fluidized bed reactor, the rising portion connected to the upper end of the plasma torch portion, the lower portion disposed in parallel with the rising portion, the connecting portion connecting the upper end of the rising portion and the lower portion, and the lower end of the lower portion And it is preferable that the loop type including a supply portion for connecting one side of the plasma torch portion.
여기서, 상기 하강부는 중단에 사이클론 반응기가 관통 구비될 수 있다.Here, the descending portion may be provided with a cyclone reactor penetrated in the middle.
즉, 상기 플라스마 토치부의 내부 공간에서 반응물과 반응가스가 열 환원반응을 일으키면, 상기 반응물 및 반응가스는 가스공급부로부터 공급된 운반가스에 의하여 상기 유동층 반응기의 내부를 순환하면서 열 환원반응을 일으키고, 이에 따라 상기 하강부로부터 고순도의 실리콘 입자를 회수할 수 있다.That is, when the reactant and the reaction gas in the internal space of the plasma torch unit causes a heat reduction reaction, the reactant and the reaction gas causes a heat reduction reaction while circulating the inside of the fluidized bed reactor by the carrier gas supplied from the gas supply unit, Therefore, the silicon particles of high purity can be recovered from the lower portion.
이러한 유동층 반응기는 층 내부가 완전 혼합상태에 가깝기 때문에 전열속도가 크고 장치 내의 온도를 균일하게 유지하기 쉬우며, 연속적인 공급과 배출이 가능하다는 장점이 있다.This fluidized bed reactor has advantages of high heat transfer rate, easy to maintain uniform temperature in the apparatus, and continuous feeding and discharging, since the inside of the bed is almost completely mixed.
여기서, 상기 연결부는 상기 상승부에서 하강부 측으로 기울어진 형상인 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the connection portion is inclined toward the lower portion from the rising portion.
운반가스에 의하여 상승부의 상단까지 이동된 실리콘 입자들은 연결부의 기울어진 형상을 따라 하강부 측으로 이동하므로, 상대적으로 적은 운반가스를 이용하는 경우에도 반응기 내부 하단에 분말(powder) 형태로 쌓이지 않고, 원활하게 하 강부까지 이동할 수 있다.Since the silicon particles moved to the upper end of the rising part by the carrier gas move toward the lower part along the inclined shape of the connection part, even when using a relatively small carrier gas, it does not accumulate in the form of powder at the bottom of the reactor, and smoothly. You can move to the lower part.
또한, 상기 사이클론 반응기는 상기 하강부로 공급된 실리콘 입자들로부터 잔여가스를 분리하여 배출하는 제1배출구 및 상기 잔여가스가 분리된 실리콘 입자를 배출하는 제2배출구를 구비할 수 있다.In addition, the cyclone reactor may have a first outlet for separating and discharging the residual gas from the silicon particles supplied to the lower portion and a second outlet for discharging the silicon particles from which the residual gas is separated.
여기서, 상기 잔여가스는 미반응한 반응가스 및 운반가스 등과 같이 고순도의 실리콘 입자를 형성하는 환원반응에 참여하지 않고 남은 가스들을 의미한다.Here, the residual gas refers to gases remaining without participating in a reduction reaction that forms silicon particles of high purity, such as unreacted reaction gas and carrier gas.
즉, 상기 사이클론 반응기는 상기 반응물과 반응가스가 열 환원반응을 통하여 고순도 실리콘 입자를 생성한 후, 상기 제1배출구를 통하여 상기 고순도 실리콘 입자로부터 상기 잔여가스를 분리 배출시키고, 상기 잔여가스를 분리시킨 고순도 실리콘 입자를 제2배출구로 배출시켜 수집할 수 있다.That is, in the cyclone reactor, the reactant and the reaction gas generate high purity silicon particles through a heat reduction reaction, and then separate and discharge the residual gas from the high purity silicon particles through the first outlet, and separate the residual gas. High purity silicon particles may be collected by discharged into the second outlet.
또한, 사이클론 반응기는 일측에 상기 고순도 실리콘 입자 중 일부를 수집하는 측정부를 추가로 구비할 수 있다. 즉, 상기 측정부를 통하여 연속 공정 중 반응시간에 따라 생성되는 고순도 실리콘 입자의 생성량을 관찰할 수 있다.In addition, the cyclone reactor may further include a measuring unit for collecting some of the high purity silicon particles on one side. That is, it is possible to observe the amount of high-purity silicon particles generated according to the reaction time during the continuous process through the measuring unit.
한편, 상기 공급부는 상기 하강부와 플라스마 토치부를 연결하며, 상기 하강부의 하단에 수집된 고순도의 실리콘 입자를 회수할 수 있도록 상기 하강부와 연결된 일단이 탈부착 가능하도록 형성될 수 있다.On the other hand, the supply portion is connected to the lower portion and the plasma torch, the one end connected to the lower portion can be formed detachable so as to recover the high-purity silicon particles collected at the lower portion of the lower portion.
아울러, 상기 공급부는 플라스마 토치부 내부 공간으로 공급된 가스가 역으로 유입되거나 공급된 반응물이 역으로 유입되지 않도록 플라스마 토치부의 일측과 연결되는 타단이 차폐 가능하도록 형성될 수 있다.In addition, the supply part may be formed so that the other end connected to one side of the plasma torch part may be shielded so that the gas supplied into the plasma torch part internal space does not flow into the back or the supplied reactant does not flow into the back.
또한, 상기 공급부는 상기 플라스마 토치부 측으로 기울어진 형상인 것이 바 람직하다. 즉, 이와 같은 공급부의 형상으로 인하여 운반가스를 사용하지 않는 경우에도 상기 반응물공급부로부터 공급되는 반응물이 플라스마 토치부의 일측에 형성된 반응물 공급 홀을 통하여 원활하게 플라스마 토치부의 내부 공간으로 이동될 수 있다.In addition, the supply portion is preferably inclined toward the plasma torch portion. That is, even when the carrier gas is not used, the reactant supplied from the reactant supply unit may smoothly move to the inner space of the plasma torch unit through the reactant supply hole formed at one side of the plasma torch unit.
또한, 상기 공급부는 일단에 운반가스공급부를 구비할 수 있다. 상기 운반가스공급부는 상기 공급부의 일단에서 운반가스를 공급함으로써 공급부 내로 공급된 반응물이 플라스마 토치부로 보다 원활하게 이동될 수 있도록 한다.In addition, the supply unit may be provided with a carrier gas supply unit at one end. The carrier gas supply part supplies the carrier gas from one end of the supply part so that the reactant supplied into the supply part can be smoothly moved to the plasma torch part.
여기서, 본 발명의 열 플라스마 유동층 반응장치는 플라스마 토치부 및 유동층 반응기에 있어서, 각 연결부분을 지지하는 복수개의 연결부재를 추가로 구비할 수 있다.Here, the thermal plasma fluidized bed reactor of the present invention may further include a plurality of connecting members for supporting each connecting portion in the plasma torch unit and the fluidized bed reactor.
상기 연결부재는 플라스마 토치부 및 유동층 반응기의 각 연결부분을 견고하게 결합시키고, 지지하므로 보다 안정적으로 반응기를 고정시킬 수 있다.The connecting member firmly couples and supports each connection part of the plasma torch and the fluidized bed reactor, so that the reactor can be more stably fixed.
여기서, 상기 연결부재는 각 연결부분에 오링을 추가로 구비할 수 있으며, 이를 통하여 상기 연결부분을 보다 기밀하게 실링하고, 누수를 방지할 수 있다.Here, the connection member may further include an O-ring in each connection portion, thereby sealing the connection portion more hermetically and preventing leakage.
또한, 복수개의 연결부재 중 하강부와 공급부의 연결부분을 지지하는 제1연결부재는 상기 하강부에 수집된 실리콘 입자를 회수할 수 있도록 일측에 개폐기를 구비할 수 있다.In addition, the first connection member for supporting the connection portion of the lower portion and the supply portion of the plurality of connection members may be provided with a switch on one side to recover the silicon particles collected in the lower portion.
즉, 이 경우 상기 제1연결부재의 개폐기를 통하여 상기 하강부에 수집된 고순도 실리콘 입자를 외부로 회수할 수 있으며, 이에 따라 하강부와 공급부를 탈착시키지 않아도 상기 개폐기를 통하여 연속적으로 고순도 실리콘 입자를 용이하게 회수할 수 있다.That is, in this case, it is possible to recover the high purity silicon particles collected in the lower portion through the switchgear of the first connection member to the outside, so that the high purity silicon particles continuously through the switch without removing the lower portion and the supply portion. It can be easily recovered.
또한, 본 발명의 열 플라스마 유동층 반응장치는 플라스마 토치부 및 유동층 반응기에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the thermal plasma fluidized bed reactor of the present invention preferably further includes a cooling water supply unit for supplying cooling water to the plasma torch and the fluidized bed reactor.
상기 냉각수 공급부는, 플라스마 토치부의 외벽과 내벽 사이에 마련된 냉각수 순환통로와 유동층 반응기의 외벽에 냉각수를 공급함으로써 고온의 열 에너지에 의하여 플라스마 토치부 또는 유동층 반응기가 손상되는 것을 방지할 수 있다.The cooling water supply unit may prevent the plasma torch unit or the fluidized bed reactor from being damaged by high temperature thermal energy by supplying cooling water to the cooling water circulation passage provided between the outer wall and the inner wall of the plasma torch unit and the outer wall of the fluidized bed reactor.
여기서, 상기 냉각수 공급부는 플라스마 토치부에 공급되는 냉각수가 일정한 수압이 되지 않는 경우 플라스마 토치부의 동작을 중단시키는 제어부를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.Here, the cooling water supply unit preferably further includes a control unit for stopping the operation of the plasma torch unit when the cooling water supplied to the plasma torch unit does not become a constant water pressure.
상기 제어부는 일정한 수압의 냉각수가 공급되지 않는 경우 플라스마 토치부에서 발생되는 고온의 열 플라스마에 의한 손상을 방지할 수 있도록 플라스마 토치부의 동작을 중단시킬 수 있다.The control unit may stop the operation of the plasma torch unit so as to prevent damage due to the high temperature thermal plasma generated in the plasma torch unit when the cooling water of a constant water pressure is not supplied.
뿐만 아니라, 본 발명의 열 플라스마 유동층 반응장치는 유동층 반응기에서 배출되는 잔여가스로부터 미세물질을 여과하는 필터를 추가로 구비하는 것이 바람직하다.In addition, the thermal plasma fluidized bed reactor of the present invention is preferably further provided with a filter for filtering the fine material from the residual gas discharged from the fluidized bed reactor.
상기 필터는 외부로 배출되는 잔여가스에 미세물질이 포함되지 않도록 여과하는 역할을 하며, 이에 따라 잔여 반응물이 잔여가스와 함께 외부로 배출되는 것을 방지할 수 있다.The filter serves to filter the fine gas to not be contained in the residual gas discharged to the outside, thereby preventing the residual reactant from being discharged to the outside together with the residual gas.
나아가, 본 발명의 열 플라스마 유동층 반응장치는 유동층 반응기에서 배출되는 잔여가스를 연소시키는 스크러버를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.Furthermore, the thermal plasma fluidized bed reactor of the present invention preferably further comprises a scrubber for combusting the residual gas discharged from the fluidized bed reactor.
상기 스크러버는 유동층 반응기에서 배출되는 잔여가스 중 폭발 위험성이 있는 가스를 바로 배출시키지 않고 연소시킨 후에 배출시키므로 본 발명에 따른 열 플라스마 유동층 반응장치의 폭발 위험성을 줄이고, 안전성을 향상시킬 수 있다.The scrubber is discharged after the combustion gas is not immediately discharged from the residual gas discharged from the fluidized bed reactor without burning, it is possible to reduce the explosion risk of the thermal plasma fluidized bed reactor according to the present invention, and to improve the safety.
뿐만 아니라, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, a)제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 열 플라스마 유동층 반응장치에 구비된 플라스마 토치부의 내부 공간에 반응물 및 반응가스를 공급하고 열 플라스마를 발생시키는 단계; b)상기 플라스마 토치부의 내부 공간에 운반가스를 공급하여 상기 반응물과 반응가스를 순환시키면서 열 환원반응을 일으키는 단계; 및 c)상기 열 환원반응에 의하여 생성된 실리콘 입자로부터 잔여가스를 분리하고, 고순도 실리콘 입자를 회수하는 단계를 포함하는 열 플라스마 유동층 반응장치를 이용한 실리콘의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention as another means for solving the above problems, a) reactants and reaction gases in the internal space of the plasma torch unit provided in the thermal plasma fluidized bed reactor according to any one of claims 1 to 12 Feeding and generating a thermal plasma; b) supplying a carrier gas to the inner space of the plasma torch unit to cause a heat reduction reaction while circulating the reactant and the reaction gas; And c) separating residual gas from the silicon particles produced by the heat reduction reaction, and recovering the high purity silicon particles.
본 발명에 따른 열 플라스마 유동층 반응장치를 이용한 실리콘의 제조방법에 의하면, 우선, 플라스마 토치부의 내부 공간에 반응물 및 반응가스를 공급하고, 상기 플라스마 토치부의 내부 공간에 전극봉을 이용하여 열 플라스마를 발생시킨다.According to the method for producing silicon using the thermal plasma fluidized bed reactor according to the present invention, first, a reactant and a reaction gas are supplied to an inner space of a plasma torch portion, and a thermal plasma is generated using an electrode rod in the inner space of the plasma torch portion. .
이어서, 상기 플라스마 토치부의 내부 공간에 운반가스를 공급하여 상기 반응물 및 반응가스를 유동층 반응기의 내부로 순환시키면서 열 환원반응을 일으키고, 상기 열 환원반응에 의하여 생성된 고순도 실리콘 입자로부터 잔여가스를 분리 배출함으로써 고순도 실리콘 입자만을 회수한다.Subsequently, a carrier gas is supplied to the inner space of the plasma torch to cause a heat reduction reaction while circulating the reactant and the reaction gas into the fluidized bed reactor, and the residual gas is separated and discharged from the high purity silicon particles produced by the heat reduction reaction. As a result, only high-purity silicon particles are recovered.
여기서, 전극봉을 통하여 플라스마 토치부의 내부 공간에 공급되는 열 플라 스마 전력은 20 내지 40 V인 것이 바람직하다.Here, the thermal plasma power supplied to the inner space of the plasma torch portion through the electrode is preferably 20 to 40V.
상기 열 플라스마 전력이 20 V 미만인 경우 플라즈마가 발생하지 않을 수 있다는 문제점이 있으며, 40 V를 초과하는 경우 전극봉 및 토치부의 손상이 빠르게 진행될 수 있다는 문제점이 야기될 수 있다.If the thermal plasma power is less than 20 V, there is a problem that the plasma may not be generated, and if the thermal plasma power exceeds 40 V, a problem may occur that damage of the electrode and the torch portion may proceed rapidly.
또한, a)단계에서, 열 환원반응 시에 플라스마 토치부의 내부 공간온도는 1500 내지 2800℃인 것이 바람직하다.In addition, in step a), the internal space temperature of the plasma torch unit during the heat reduction reaction is preferably 1500 to 2800 ° C.
상기 플라스마 토치부의 내부 공간온도가 1500℃ 미만인 경우, 실리카의 환원이 진행되기 어려울 수 있으며, 2800℃를 초과하는 경우, 전극봉 및 토치부가 손상될 수 있다는 문제점이 있다.When the internal space temperature of the plasma torch portion is less than 1500 ° C., the reduction of silica may be difficult to proceed, and when the plasma torch portion exceeds 2800 ° C., the electrode and the torch portion may be damaged.
또한, 상기 반응물의 공급유량은 5 g/min 이하인 것이 바람직하다. 상기 반응물의 공급유량이 5 g/min을 초과하는 경우 반응물의 유동현상이 현저하게 저하될 수 있다는 문제가 있다.In addition, the supply flow rate of the reactant is preferably 5 g / min or less. If the supply flow rate of the reactants exceeds 5 g / min, there is a problem that the flow phenomenon of the reactants can be significantly reduced.
아울러, 고순도 실리콘 입자의 크기는 100 내지 200 메쉬(mesh)인 것이 바람직하다. 상기 고순도 실리콘 입자의 크기가 100 메쉬 미만인 경우, 유동속도가 너무 빨라져 열환원이 원활하게 이루어지지 않을 우려가 있으며, 200 메쉬를 초과하는 경우, 토치부에서 상부로 이동 시에 더 많은 운반가스가 필요하게 되므로 비용적인 측면에서 비효율적이라는 문제점이 있다.In addition, the size of the high purity silicon particles is preferably 100 to 200 mesh (mesh). If the size of the high-purity silicon particles is less than 100 mesh, the flow rate is too fast, there is a risk that the heat reduction is not smooth, if more than 200 mesh, more carrier gas is required when moving from the torch to the top There is a problem in that it is inefficient in terms of cost.
이하, 도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열 플라스마 유동층 반응장치를 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 플라스마 유동 층 반응장치를 나타낸 개략도이다.Hereinafter, a thermal plasma fluidized bed reactor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1. 1 is a schematic view showing a thermal plasma fluidized bed reactor according to an embodiment of the present invention.
다만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.However, the embodiments described in the present specification and the configuration shown in the drawings are only one embodiment of the present invention and do not represent all of the technical ideas of the present invention, and various equivalents may be substituted for them at the time of the present application. It should be understood that there may be variations and variations.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열 플라스마 유동층 반응장치(100)는 플라스마 토치부(110), 반응물공급부(120), 가스공급부(130), 유동층 반응기(140), 연결부재(150), 냉각수 공급부(160), 필터(170) 및 스크러버(180)를 구비한다.Referring to Figure 1, the thermal plasma
상기 플라스마 토치부(110)는 내부 공간에 열 플라스마를 발생시킬 수 있도록 세라믹 절연체(111a)가 코팅된 전극봉(111)이 하단에 결합되고, 반응물공급부(120)로부터 반응물이 공급되는 일측에 반응물 공급 홀(113)이 형성되며, 타측에는 가스공급부(130)로부터 반응가스 또는 운반가스가 공급되는 가스 공급 홀(115)이 형성된다.The
아울러, 상기 플라스마 토치부(110)의 내벽과 외벽의 사이에는 냉각수 순환통로가 형성되어 상기 플라스마 토치부(110)의 일측에 형성된 냉각수 공급 홀(117)을 통하여 냉각수가 공급되면, 상기 냉각수 순환통로를 통하여 냉각수를 순환시키면서 열 플라스마에 의한 고온의 열에너지를 회수한다.In addition, when the cooling water circulation passage is formed between the inner wall and the outer wall of the
한편, 상기 반응물공급부(120)는 상기 플라스마 토치부의 내부 공간으로 공급되는 반응물의 유량을 조절할 수 있도록 상부에 회전식 모터(121)를 구비한다.On the other hand, the
상기 플라스마 토치부(110)의 상단에는 상승부(141)가 연결되어 상기 플라스마 토치부(110)의 내부 공간에 공급된 반응물 및 반응가스가 운반가스에 의하여 상기 상승부(141)의 상단으로 이동되며, 상기 상승부의 상단에는 연결부(143)가 구비되어 상승부(141)의 상단으로 이동된 반응물 및 반응가스는 상기 연결부(143)를 통과하여 하강부(145)로 이동된다.A rising
상기 사이클론 반응기(146)는 상기 하강부(145)의 중단에 관통 구비되어 상기 상승관(141) 및 연결부(143)를 통과하면서 열 환원반응에 의하여 생성된 고순도 실리콘 입자 및 미반응한 반응가스 및 운반가스 등과 같은 잔여가스를 공급받는다.The
상기 사이클론 반응기(146)는 제1배출구(146a), 제2배출구(146b) 및 측정부(146c)를 구비하는데, 상기 제1배출구(146a)는 사이클론 반응기(146)의 상부 일측에 마련되어 고순도 실리콘 입자와 함께 공급된 잔여가스를 분리하여 배출하고, 상기 제2배출구(146b)는 사이클론 반응기(146)의 하부에 마련되어 상기 잔여가스가 분리된 고순도 실리콘 입자를 하측으로 배출한다.The
아울러, 상기 측정부(146c)는 사이클론 반응기(146)의 하부 일측에 마련되어 고순도 실리콘 입자 중 일부를 수집하고, 이에 따라 시간에 따른 반응물의 변화 등을 확인할 수 있다.In addition, the measuring
잔여가스가 분리되어 상기 제2배출구(146b)로 배출된 고순도 실리콘 입자는 하강부(145)의 하단에 수집된다.The residual gas is separated and the high purity silicon particles discharged to the
한편, 상기 공급부(149)는 상기 하강부(145)의 하단과 플라스마 토치부(110)에 형성된 반응물 공급 홀(113)을 연결하며, 일측에는 반응물공급부(120)의 하단과 연결된 분기관(149a)이 연통 구비되어 상기 분기관(149a)을 통하여 상기 반응물공급부(120)로부터 반응물을 공급받는다.On the other hand, the
나아가, 상기 공급부(149)는 일단에 운반가스공급부(149b)가 구비되어 상기 반응물공급부(120)로부터 공급받은 반응물이 공급부(149)를 통하여 원활하게 플라스마 토치부(110)로 이동될 수 있도록 상기 운반가스공급부(149b)로부터 운반가스를 공급받는다.Further, the
한편, 상기 플라스마 토치부(110), 상승부(141), 연결부(143), 하강부(145), 사이클론 반응기(146) 및 공급부(149)의 연결부분에는 각각 연결부재(150)가 구비되어 각 연결부분을 지지한다.On the other hand, the
복수개의 연결부재(150) 중 하강부(145)와 공급부(149)의 연결부분을 지지하는 제1연결부재(151)는 하강부(145)의 하단에 수집된 고순도 실리콘 입자를 회수할 수 있도록 일측에 개폐기를 구비한다.The
또한, 상기 냉각수 공급부(160)는 상기 플라스마 토치부(110)의 일측에 형성된 냉각수 공급 홀(117) 및 복수개의 연결부재(150)의 일측을 통하여 냉각수를 공급함으로써 상기 플라스마 토치부(110) 및 유동층 반응기(140)가 고온의 열 에너지로 인하여 손상되거나 누수가 일어나는 것을 방지한다.In addition, the cooling
아울러, 상기 필터(170)는 상기 사이클론 반응기(146)의 제1배출구(146a)를 통하여 배출되는 잔여가스 중에서 미세분말을 여과함으로써 잔여가스만이 외부로 배출되도록 한다.In addition, the
또한, 상기 스크러버(180)는 상기 필터(170)를 통과하여 배출되는 잔여가스 중에서 폭발 위험성이 있는 가스를 연소시킴으로써, 남은 가스가 안전하게 외부로 배출될 수 있도록 한다.In addition, the
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 플라스마 유동층 반응장치를 나타낸 개략도이다.1 is a schematic view showing a thermal plasma fluidized bed reactor according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 열 플라스마 유동층 반응장치100: thermal plasma fluidized bed reactor
110 : 플라스마 토치부 111 : 전극봉110: plasma torch portion 111: electrode
111a : 세라믹 절연체 113 : 반응물 공급 홀111a: ceramic insulator 113: reactant supply hole
115 : 가스 공급 홀 117 : 냉각수 공급 홀115: gas supply hole 117: cooling water supply hole
120 : 반응물공급부 121 : 회전식 모터120: reactant supply 121: rotary motor
130 : 가스공급부 140 : 유동층 반응기130
141 : 상승부 143 : 연결부141: rising portion 143: connecting portion
145 : 하강부 146 : 사이클론 반응기145: lowering portion 146: cyclone reactor
146a : 제1배출구 146b : 제2배출구146a:
146c : 측정부 149 : 공급부146c: measuring part 149: supplying part
149a : 분기관 149b : 운반가스공급부149a:
150 : 연결부재 151 : 제1연결부재150: connecting member 151: first connecting member
160 : 냉각수 공급부 170 : 필터160: cooling water supply unit 170: filter
180 : 스크러버180: scrubber
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