KR101317198B1

KR101317198B1 - 성장로 감시 장치

Info

Publication number: KR101317198B1
Application number: KR1020110108635A
Authority: KR
Inventors: 이영철; 김성렬; 김영민; 조형호; 김형재
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-10-15
Anticipated expiration: 2031-10-24
Also published as: KR20130044530A

Abstract

본 발명은 성장로 상단에 위치하는 헤드의 뷰어포인터에 성장로 내부에 위치하는 용융 알루미나의 상면을 디지털 화상으로 취득하고 또한 온도를 감지하여 용융 알루미나의 용융 상태를 감시할 수 있는 성장로 감시 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기의 목적 달성을 위하여 본 발명은 내부에 용융 알루미나를 담는 성장로, 성장로 상단에 형성된 헤드를 포함하는 성장로 감시장치에 있어서,
상기 헤드는 2개의 뷰어포인터를 포함하며, 상기 각 뷰어포인터에 장착되는 플랜지부; 일측 플랜지부에 장착되어 상기 성장로에 담긴 용융 알루미나의 상면을 촬영하는 디지털 카메라; 타측 플랜지부에 장착되어 상기 용융 알루미나 상면의 온도를 측정하는 온도계; 및 상기 디지털 카메라의 영상과 상기 온도계의 정보를 입력 받아 출력장치에 출력하는 제어장치를 포함하되,
상기 플랜지부는 상기 헤드에 고정되는 원통형상의 고정부; 상기 고정부 내경에 나사결합하며 끝단에는 투시창이 장착된 탈착부; 상기 탈착부 내경에 형성된 확산부; 아르곤 가스 주입을 위하여 상기 고정부에 형성된 주입홀; 및 상기 주입홀과 연통되어 내경부에 아르곤 가스를 주입을 위하여 상기 탈착부에 형성된 배출홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

성장로 감시 장치{Monitoring apparatus for sapphire growth furnace}

본 발명은 성장로 감시 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 사파이어 성장로의 용융 알루미나의 표면을 감시하기 위한 성장로 감시 장치에 관한 것이다.

사파이어 단결정을 생성하기 위한 대표적인 방법으로 쵸크랄스키법과 Kyropoulos 방법 등 용융 성장법을 들 수 있다. 상기 방법은 성장로 내에 위치하는 용융된 알루미나에 단결정 씨드를 알루미나 표면에 접촉시켜 단결정을 서서히 성장시키는 방법으로 비교적 우수한 결합밀도를 가지는 장점이 있어 산업 전반에 많이 적용되는 방법이다.

상기 방법에서는 용융된 알루미나가 상기 씨드에 접촉하여 씨드를 성장시키는 것으로 씨드의 효율적인 성장을 상기 용융된 알루미나의 유동 형태에 많은 영향을 받는다. 상기 용융된 알루미나는 성장로 내부의 열원에 의하여 성장로 도가니 벽면에 접촉하는 부위의 온도가 상승하여 도가니 내부에 용융 알루미나의 대류가 발생한다.

상기 대류에 의한 알루미나의 거동을 살펴보면, 성장로의 테부리부에서 상승하여 상장로 단면의 중앙부로 하강하는 형태를 나타낸다.

가열되는 열원의 온도구배가 적절하고 상기 용융 알루미나가 충분히 가열된 경우에는 상기 성장로 상단의 단면 중앙에서 상승된 알루미나가 합쳐져 하강점이라 불리는 위치에서 하강하는 현상이 발생되며, 상기 하강점이 성장로 단면의 중심부에 위치하고, 상기 하강점에 씨드를 접촉하면 단결정 성장을 위한 씨딩공정이 효율적으로 진행되는 것으로 알려져 있다.

그러나 종래 사파이어 생성 시스템의 경우에는 씨드의 하강은 성장로 상단에 위치하는 헤드에 형성된 뷰어포인터로 알루미나의 상면의 색깔과 하강점의 생성 여부를 작업자가 직접 관찰하여 그 시기를 결정하는 방식으로 진행된다.

따라서, 종래 생산 방식에서는 작업자의 숙련 여부가 사파이어의 품질에 지대한 영향을 미치므로 초보 작업자는 원활한 생산을 할 수 없는 단점이 있어, 이러한 씨드의 하강 시기를 작업자와 관계없이 정확하게 판단할 수 있는 새로운 장치가 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로 성장로 상단에 위치하는 헤드의 뷰어포인터에 성장로 내부에 위치하는 용융 알루미나의 상면을 디지털 화상으로 취득하고 또한 온도를 감지하여 용융 알루미나의 용융 상태를 감시할 수 있는 성장로 감시 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

상기의 목적 달성을 위하여 본 발명은 내부에 용융 알루미나를 담는 성장로, 성장로 상단에 형성된 헤드를 포함하는 성장로 감시장치에 있어서, 상기 헤드는 2개의 뷰어포인터를 포함하며, 상기 각 뷰어포인터에 장착되는 플랜지부; 일측 플랜지부에 장착되어 상기 성장로에 담긴 용융 알루미나의 상면을 촬영하는 디지털 카메라; 타측 플랜지부에 장착되어 상기 용융 알루미나 상면의 온도를 측정하는 온도계; 및 상기 디지털 카메라의 영상과 상기 온도계의 정보를 입력 받아 출력장치에 출력하는 제어장치를 포함하되,
상기 플랜지부는 상기 헤드에 고정되는 원통형상의 고정부; 상기 고정부 내경에 나사결합하며 끝단에는 투시창이 장착된 탈착부; 상기 탈착부 내경에 형성된 확산부; 아르곤 가스 주입을 위하여 상기 고정부에 형성된 주입홀; 및 상기 주입홀과 연통되어 내경부에 아르곤 가스를 주입을 위하여 상기 탈착부에 형성된 배출홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

바람직하게는, 상기 탈착부의 내경은 하단으로 갈수록 직경이 감소하는 가속부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 탈착부의 내경은 하단으로 갈수록 직경이 감소하는 가속부와 상기 가속부에 연속하여 하단으로 갈수록 직경이 증가하는 확산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 탈착부는 상기 투시창의 아래에 내경을 차단할 수 있는 조리개 형태의 차단수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 제어장치는 상기 디지털 카메라에서 획득되는 상면의 영상과 상기 온도계에서 측정되는 온도 정보를 상기 출력장치에 주기적으로 출력하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 제어장치는 상기 디지털 카메라에서 획득되는 상면의 디지털 영상의 명암과 상기 온도계의 정보를 이용하여 하강점의 발생을 판단하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제어장치는 상기 영상에서 가장 낮은 명암의 값이 선 정의된 명암 값보다 낮은 경우와 측정된 온도가 선 정의된 온도보다 낮은 경우에는 하강점이 발생된 것으로 판단하여 그 결과를 상기 출력장치에 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 용융 알루미나 상면의 화면을 디지털 카메라를 통하여 획득하고 상기 획득된 디지털 화면의 명암을 검색하여 하강점을 발생 여부와 그 위치를 정확히 파악하며, 또한 상면의 온도를 동시에 감지하여 씨드의 하강 시기를 결정할 수 있는 효과가 있으며, 또한, 비 숙련자도 사파이어 성장 장치를 구동할 수 있는 효과가 있으며, 더 나아가 사파이어의 품질의 균일화와 생산성 향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 따른 성장로 감시장치에 대한 구성도이며,
도 2는 도 1의 헤드의 결합 구성도이며,
도 3은 도 1의 플랜지부의 조립도이며,
도 4는 도 3의 탈착부의 단면도이다.

이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 성장로 감시 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 헤드(10), 플랜지부(20), 디지털 카메라(50), 온도계(60), 제어장치(70), 출력장치(80)를 포함하여 구성된다.

먼저 상기 헤드(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 사파이어 성장 장치의 케이싱(1) 내부에 위치하는 성장로(2)의 상단에 단열재(5)를 매개로 설치되며, 상기 성장로(2) 내부의 용융 알루미나의 상면(3)을 관찰할 수 있는 제1뷰어포인터(11), 제2뷰어포인터(12) 및 씨드를 장착한 제어봉(4)이 투입되는 제어홀(14)을 포함한다. 이때 상기 단열재(5)는 상기 제1뷰어포인터(11), 제2뷰어포인터(12) 및 제어홀(14)의 간섭을 배제하기 위하여 일부가 절개되어 구성된다.

상기 제1뷰어포인터(11)와 제2뷰어포인터(12)에는 플랜지부(20)가 고정된다. 상기 플랜지부(20)의 끝단에는 투명한 투시창(21)이 위치하여 용융 알루미나의 상면(3) 상태를 직접 육안으로 관찰할 수 있다.

한편, 상기 플랜지부(20)는 성장로(2)에서 기화된 용융 알루미나가 상기 투시창(21)의 내부에 부착되어 시야를 흐리게 하는 현상을 방지하기 위하여 다수의 구성품을 포함한다.

먼저 상기 플랜지부(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 헤드(10)에 고정되는 고정부(25)를 포함한다. 상기 고정부(25)는 중공의 원통 형상으로 내경에는 고정나사(26)가 형성되어 있으며, 측면에는 아르곤을 주입할 수 있는 주입홀(27)이 형성되어 있다.

상기 주입홀(27)을 통하여 불활성 기체인 아르곤을 주입하는 경우 내경으로 아르곤이 투입된다.

한편, 상기 고정부(25)에는 탈착부(30)가 결합한다. 상기 탈착부(30)는 원통형상으로 외부에는 상기 고정나사(26)와 결합하는 외경나사(31)가 형성되어 상기 고정나사(26)와 외경나사(31)에 의하여 상호 결합 또는 분리될 수 있다.

상기 탈착부(30)의 끝단에는 투명한 투시창(21) 결합하여 탈착부(30)의 일단을 밀폐한다. 상기 투시창(21)은 투명 재질의 고온 유리가 적합하다.

또한 상기 탈착부(30)는 필요한 경우 상기 투시창(21)의 하단에 차단수단(32)이 장착된다.

상기 차단수단(32)은 조리개 형태로 외부에서 차단수단(32)의 회전부(33)를 회전시키는 경우 내부에 위치하는 조리개(34)가 회전 방향에 따라 상기 탈착부(30)의 내부를 개방 또는 폐쇄한다.

상기 차단수단(32)의 측면에는 상기 고정부(25)에 형성되는 주입홀(27)과 연통되는 배출홀(35)이 형성되어 상기 주입홀(27)을 통하여 공급되는 아르곤을 탈착부(30) 내부로 유입시킨다.

한편, 상기 탈착부(30)의 내경은 도 4에 도시된 바와 같이 길이 방향으로 다른 직경으로 형성한다. 예를 들면 하부로 갈수록 내경을 점진적으로 감소시키는 사다리꼴 형태의 가속부(36)로 구성할 수 있으며, 또한 하부로 갈수록 내경을 짐진적으로 감소하는 가속부(36)를 형성하고 어느 위치 이상에서는 반대로 직경을 증가하는 확산부(37)를 추가하는 형태로도 구성할 수 있다.

특히 상기 탈착부(30)의 내경부는 상기 성장로(2)의 환경과 연통되어 진공으로 형성되며, 상기 진공 환경 하에서 기화된 용융 알루미나가 상기 투시창(21)에 부착되어 시야를 가리므로 상단에 형성된 배출홀(35)를 통하여 아르곤이 투입되는 경우에는 상기 가속부(36)에 의하여 유속이 빨라져 기화된 알루미나의 투시창(21)의 접근을 효율적으로 방지할 수 있으며, 미량의 아르곤의 투입으로도 상기와 같은 투시창(21)의 흐림을 방지할 수 있다.

그리고 내경 끝단에 형성된 확산부(37)는 투입된 아르곤의 유속을 감소시켜 성장로(2)에서 형성되는 사파이어 성장에 미칠 수 있는 온도의 영향을 차단할 수 있는 특징이 있다.

한편, 제1뷰어포인터(11)의 플랜지부(20)에는 디지털 카메라(50)가 장착되어, 상기 제1뷰어포이터(11)의 투시창(21)을 통하여 성장로(2)의 상면(3)의 상태로 디지털 화면으로 획득한다. 상기 디지털 화면은 연속적으로 촬영될 수 있으며, 촬영 주기는 적절히 조절한다.

그리고 제2뷰어포인터(12)의 플랜지부(20)에는 온도계(60)가 장착되며, 상기 온도계(6) 역시 투시창(21)을 통하여 상면(3)의 특정한 지점의 온도를 측정하며, 여기서 측정점은 하강점이 생성되는 위치의 온도를 측정하는 것이 바람직하다.

또한 필요한 경우 상기 온도계(60)는 열화상을 이용하여 상면(3)의 온도 분포를 측정할 수도 있다.

상기 제어장치(70)는 상기 디지털 카메라(50)에서 획득되는 상면(3)의 디지털 화면을 수신하여 저장하며, 또한 상기 온도계(60)를 통하여 측정되는 온도 또는 열화상을 수신하여 저장한다.

용융 알루미나의 경우에는 일정한 온도 이상일 경우에는 온도 차에 기인된 밀도의 변화가 발생하고 상기 밀도 변화에 의하여 대류가 발생한다.

상기 대류는 상면(3)에서도 유동을 발생시키며, 이러한 유동에 의하여 획득된 상면(3)의 디지털 화면에는 명암차이를 포함하게 된다.

특히 성장로(2)의 상면의 경우에는 비교적 일정한 온도로 제어되고 해당 온도에서 발휘되는 명암은 비교적 같은 형태를 가지며, 용융 알루미나에서 발휘되는 색채의 강도가 높아 주변 조명 등의 영향은 극히 미미하므로 비교적 손쉽게 명암차이를 분석할 수 있으며, 이러한 명암분석은 통상의 비젼 시스템에 적용되는 방식을 적용할 수 있다.

예를 들면, 디지털 화상의 비트 단위로 RGB의 명암 값을 합산한 결과를 기초로 전체 화면의 비교할 수도 있으며, 필요한 경우에는 상면 중앙의 일정한 영역만의 명암을 비교할 수도 있다.

상기 제어장치(70)는 주기적으로 입력되는 상면(3)의 디지털 화면을 분석하여 가장 명암이 낮은 위치를 선정한다.

가장 낮은 명암이 선 정의된 하강점 발생 시의 명암과 비교하여 유사한 경우, 그리고 온도계(60)에 측정된 온도가 선 정의된 하강점의 온도와 유사한 경우에는 하강점이 발생된 것으로 판단한다.

하강점 발생이 감지되는 경우에는 상기 제어장치(70)는 출력장치(80)에 상기 하강점 발생 주기에 대한 정보를 출력하고, 필요한 경우에는 알람을 발생시킬 수도 있다.

물론 상기 제어장치(70)는 상기 하강점 발생 정보에 더하여, 디지털 카메라(50)에서 주기적으로 촬영되는 상면(3)의 상태와 온도계(60)에서 측정되는 온도 또는 온도분포를 지속적으로 출력한다.

따라서 작업자는 상기 출력장치(80)의 화면의 지시사항에 따라 씨드를 투입하면 이후 사파이어가 성장로(2)에서 성장하게 된다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

1: 케이싱 2: 성장로
3: 상면 4: 제어봉
5: 단열재 10: 헤드
11: 제1뷰어포인터 12: 제2뷰어포인터
14: 제어홀 20: 플랜지부
21: 투시창 25: 고정부
26: 고정나사 27: 주입홀
30: 탈착부 31: 외경나사
32: 차단수단 33: 회전부
34: 조리개 35: 배출홀
36: 가속부 37: 확산부
50: 디지털 카메라 60: 온도계
70: 제어장치 80: 출력장치
100: 성장로 감시장치

Claims

내부에 용융 알루미나를 담는 성장로, 성장로 상단에 형성된 헤드를 포함하는 성장로 감시장치에 있어서,
상기 헤드는 2개의 뷰어포인터를 포함하며,
상기 각 뷰어포인터에 장착되는 플랜지부;
일측 플랜지부에 장착되어 상기 성장로에 담긴 용융 알루미나의 상면을 촬영하는 디지털 카메라;
타측 플랜지부에 장착되어 상기 용융 알루미나 상면의 온도를 측정하는 온도계; 및
상기 디지털 카메라의 영상과 상기 온도계의 정보를 입력 받아 출력장치에 출력하는 제어장치를 포함하되,
상기 플랜지부는 상기 헤드에 고정되는 원통형상의 고정부;
상기 고정부 내경에 나사결합하며 끝단에는 투시창이 장착된 탈착부;
상기 탈착부 내경에 형성된 확산부;
아르곤 가스 주입을 위하여 상기 고정부에 형성된 주입홀; 및
상기 주입홀과 연통되어 내경부에 아르곤 가스를 주입을 위하여 상기 탈착부에 형성된 배출홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 성장로 감시장치.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 탈착부의 내경은 하단으로 갈수록 직경이 감소하는 가속부를 포함하는 것을 특징으로 하는 성장로 감시장치.
청구항 1에 있어서, 상기 탈착부의 내경은 하단으로 갈수록 직경이 감소하는 가속부와 상기 가속부에 연속하여 하단으로 갈수록 직경이 증가하는 확산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 성장로 감시장치.
청구항 1에 있어서, 상기 탈착부는 상기 투시창의 아래에 내경을 차단할 수 있는 조리개 형태의 차단수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성장로 감시장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제어장치는 상기 디지털 카메라에서 획득되는 상면의 영상과 상기 온도계에서 측정되는 온도 정보를 상기 출력장치에 주기적으로 출력하는 것을 특징으로 하는 성장로 감시장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제어장치는 상기 디지털 카메라에서 획득되는 상면의 디지털 영상의 명암과 상기 온도계의 정보를 이용하여 하강점의 발생을 판단하는 것을 특징으로 하는 성장로 감시장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제어장치는 상기 영상에서 가장 낮은 명암의 값이 선 정의된 명암 값보다 낮은 경우와 측정된 온도가 선 정의된 온도보다 낮은 경우에는 하강점이 발생된 것으로 판단하여 그 결과를 상기 출력장치에 출력하는 것을 특징으로 하는 성장로 감시장치.