초록 ▼

개발 목적 및 필요성
화석에너지의 고갈과 환경오염, 그리고 해외 각국의 환경규제 정책은 그 나라의 경제성장과 동반되는 가운데, 태양광 산업은 최근 큰 시장으로 부각되고 있다. 그러나 태양광 모듈 핵심 원료인 폴리실리콘 가격은 상대적으로 고가로 태양광 모듈 가격을 상승시키고 있다. 그러나 태양광 모듈을 만드는 공정인 폴리실리콘 잉곳에서 부터 블릭(Blick)과 웨이퍼(Wafe)를 가공하는 과정에서 많은 양의 폐실리콘 슬러지가 발생되는데, 이 폐기물인 폐실리콘 슬러지를 재활용하여 폴리실리콘을 재생하는 생산 설비를 개발하여, 태양광

개발 목적 및 필요성
화석에너지의 고갈과 환경오염, 그리고 해외 각국의 환경규제 정책은 그 나라의 경제성장과 동반되는 가운데, 태양광 산업은 최근 큰 시장으로 부각되고 있다. 그러나 태양광 모듈 핵심 원료인 폴리실리콘 가격은 상대적으로 고가로 태양광 모듈 가격을 상승시키고 있다. 그러나 태양광 모듈을 만드는 공정인 폴리실리콘 잉곳에서 부터 블릭(Blick)과 웨이퍼(Wafe)를 가공하는 과정에서 많은 양의 폐실리콘 슬러지가 발생되는데, 이 폐기물인 폐실리콘 슬러지를 재활용하여 폴리실리콘을 재생하는 생산 설비를 개발하여, 태양광 산업의 폴리실리콘 가격안정과 폐실리콘 슬러지 재활용을 통한 환경산업에 기여하는데 그 목적이 있다.

연구개발 결과
폴리실리콘 제조/가공 과정에서 발생하는 Si 순도 약 73% 폐실리콘 슬러지(Sludge)를 브라운가스(브라운가스)를 이용한 용융(Melting) 및 성장(Growing)으로 6n급 재생폴리실리콘(Recycled Polysilicon)을 생산하기 까지는
(1) 순도를 높이기 위한 금속물 제거 및 실리콘 파우더 건조
(2) 실리콘 성장을 위한 수냉식 냉각판 제작
(3) 브라운가스 전용 버너 개발
(4) 실리콘 용융 및 성장 온도 도출
(5) 용융온도 헌팅방지와 안정적인 온도유지를 위한 최소가스량 파악
(6) 그로잉 시 시간당 온도하강 범위 도출
(7) 성장(Growing) 종료 시간 및 온도 파악
등의 시험 과정을 거치면서 Si 순도 약 73% 폐실리콘 슬러지를 6n급의 재생폴리실리콘(Recycled Polysilicon)으로 Up-grade 시킬 수 있는 방법을 개발하였다.

최초 계획은 용융 및 성장을 3~4번 반복하여야만 Si 순도 약 73%에서 6n급으로 Up-grade 될 것으로 예상하였으나, 전처리와 단 1회의 용융 및 성장과정을 통해 최적조건을 찾아 6n(99.999906%) 재생 폴리실리콘으로 생산하는 기술을 획득하게 되었다.

본 과제의 궁극적인 목적인 폐자원의 재활용에서 그간 전기로나 화석연료를 이용한 재활용은 불가능했던 것이, 브라운가스를 이용하여 완성된 것은 기술적 진보와 환경적측면, 그리고 부가가치 창출에서 매우 획기적이고 독보적인 기술이라 판단된다.

성능사양 및 기술개발 수준
기존의 전기방식은 간접 가열이기에 도가니 안에 있는 입자가 매우 작은 폐폴리실리콘 파우더를 녹이는 것은 불가능하다. 또한 LPG 등과 같은 화석연료를 이용하여 직접 가열하여 녹일 경우에 화석연료에 포함된 탄소 등 불순물에 의해 폴리실리콘을 오염시켜 실리콘(Si) 순도가 낮아지기 때문에 이 또한 사용이 불가능하다.

그러나 당사의 브라운가스방식은 수소와 산소의 혼합가스(브라운가스)인 고온의 화염으로 입자가 작은 폐폴리실리콘을 직접 가열함으로서 저에너지로 손쉽게 녹이고, 성장(Growing)과정을 통하여 6n급 폴리실리콘을 생산할수 있다.

전기에 의한 간접가열방식에 비해 적은 에너지로 가능한 브라운가스방식은 기존방식과는 차별화되는 획기적인 고에너지효율 직접가열 방식으로 세계최초로 개발된 것이다.

활용계획
· 태양광 셀을 만들기 위해 잉곳 및 웨이퍼를 가공할 때 발생되는 폐실리콘 슬러지를 6n급 폴리실리콘으로 재생
· 폐실리콘 슬러지를 전처리와 용융만하여 MG(Metallurgical Grade)로 재생
· MG 및 폴리실리콘 생산기술의 국산화로 국가 기술력 확보

( 출처 : 요약서 4p )

Abstract ▼

Ⅳ. Results
By producing the recycled polysilicon of 6n grade polysilicon with the step of melting the 2n grade waste polysilicon sludge generated through the process of making polysilicon by using Brown gas and growing, We have done as below in this project.

1) Drying the silicon powder to

Ⅳ. Results
By producing the recycled polysilicon of 6n grade polysilicon with the step of melting the 2n grade waste polysilicon sludge generated through the process of making polysilicon by using Brown gas and growing, We have done as below in this project.

1) Drying the silicon powder to increase the purity
2) Manufacturing the water cooled cooling plate to grow the melted silicon
3) Developing the exclusive Brown gas burner
4) Discovering the melting and growing temperature of silicon
5) Finding the minimum volume of Brown gas to maintain the steady temperature and to prevent silicon from hunting the melting temperature
6) Discovering the temperature range per hour during growing period
7) Finding the end point of temperature at the end of growing

We found the way to up-grade the Si 73% of wasted silicon sludge to the 6n grade recycled polysilicon as done above tests.

Unlike the original plan which is needed to melt and grow 3 or 4 steps to up-grade the Si 73% of wasted silicon sludge into the 6n grade, it was possible to up-grade into the 6n(99.999906%) grade by only one time melting and growing against for the original plan, because we found the optimal conditions of pre-treatment, melting and growing.

Through the first year of research and development, As melting the solid state silicon sludge which is removed water from the waste silicone with non-metal(B,P, etc) and metal(Fe, Cu, Zn, Ni, etc) in the melting furnace by using Brown gas, we developed the 4n grade(99.99%) recycling equipment of polysilicon which is 300kg per 3 days to be able to use for the raw material of silicon ingot after removing the parts of impurity.

Through the second year of research and development, As melting the waste silicon powder with non-metal(B,P, etc) and metal(Fe, Cu, Zn, Ni, etc) in the 1,500℃ Brown gas melting furnace and growing, we developed the recycled equipment to be able to produce the 6n grade(99.999906%) of polysilicon as the rate of 750kg per 3 days after removing the parts of impurity.

( 출처 : SUMMARY 16p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 서 ... 4
• 요 약 문 ... 8
• SUMMARY ... 16
• 목차 ... 22
• 표목차 ... 24
• 그림목차 ... 25
• 제1장 서 론 ... 32
• 제1절 연구개발과제의 개요 ... 34
• 1. 연구개발의 중요성(필요성) ... 34
• 2. 연구개발의 국내외 현황 ... 35
• 3. 연구개발 대상 기술의 차별성 ... 37
• 제2절 연구개발의 목표 및 추진전략 ... 40
• 1. 연구개발의 목표 ... 40
• 2. 연구개발의 추진전략·체계 및 연구수행방법 ... 43
• 제2장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 50
• 제1절 브라운가스 발생기 제작 ... 52
• 1. 브라운가스 발생기 설계 (120㎥/h) ... 52
• 2. 브라운가스 발생기 개발 제작 (120㎥/h) ... 52
• 3. Gas Header 제작 ... 55
• 4. 폐실리콘 용융설비 프로그램 개발 ... 57
• 5. 정류기 및 TR(변압기) 제작 ... 61
• 6. 브라운가스 발생기 가동 시험 ... 63
• 7. 브라운가스 전용 버너 개발 ... 67
• 제2절 3kg 도가니용 용융설비 개발 ... 73
• 1. 연구수행 내용 및 방법 ... 73
• 2. 3kg 도가니용 용융로 연구결과 분석 ... 89
• 제3절 60kg 도가니용 용융설비 개발 ... 98
• 1. 연구수행 내용 및 방법 ... 98
• 제4절. 300kg 도가니용 용융설비 개발 ... 113
• 1. 연구수행 내용 및 방법 ... 113
• 2. 300Kg 도가니용 용융설비 연구결과 분석 ... 135
• 제5절 브라운가스 발생기 (160㎥/h) 개발 ... 139
• 1. 브라운가스 발생기 제작 ... 139
• 2. 재생 실리콘 용융설비 프로그램 개발 ... 141
• 3. 정류기 및 TR(변압기) 제작 ... 146
• 4. 브라운가스 발생기 가동 시험 ... 148
• 제6절 750kg 도가니용 용융설비 개발 ... 151
• 1. 연구수행 내용 및 방법 ... 151
• 2. 750Kg 도가니용 용융로 연구결과 분석 ... 189
• 제7절 폐실리콘 슬러지 원료 및 재생실리콘 순도 분석 ... 196
• 제3장 목표 달성도 및 관련분야 기여도 ... 204
• 제1절 연도별 연구개발 목표의 달성도 ... 206
• 제2절 관련분야의 기술발전 기여도 ... 207
• 제4장 연구개발 결과의 활용계획 ... 212
• 제1절 연구개발 결과 활용 ... 214
• 제5장 참고문헌 ... 216
• 끝페이지 ... 219