KR100564770B1 - 고 용해효율 전자기 연속주조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도가니를 포함하는 고 용해효율 전자기 연속주조장치로서, 상기 도가니는 수직축을 가지며, 상부의 열도가니와 하부의 냉도가니로 이루어지고, 유도코일에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 열도가니는 수냉이 되지 아니하며 고 전기전도성의 비금속 재료로 이루어지고, 상기 냉도가니는 냉각구조를 가지고 있으며, 열전도성 및 전기전도성의 금속 재료로 이루어지며, 상기 열도가니는 상단부가 둘레방향으로 일체화되어 있고, 하단부는 둘레방향의 적어도 일부가 종방향의 슬릿들에 의해 세그먼트로 분할된 구조를 이루며, 상기 냉도가니는 둘레방향의 적어도 일부분이 종방향의 슬릿들에 의해 상단부로부터 하단부까지 세그먼트로 분할되는 구조를 이루고, 낮은 전기전도성 재료는 고 융점의 반도체이며, 특히 실리콘이고, 열도가니의 비금속재료는 흑연인 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 용탕의 전 구간에 걸쳐 용탕에 작용하는 전자기압을 용탕의 정수압보다 큰 상태로 유지하면서도, 원료의 가열 및 용해효율을 현격히 향상시킬 수 있으며, 고 융점이면서도 전기전도도가 낮은 반도체 또는 금속 재료의 전자기 연속주조를 가능케하는 이점이 있다.

전자기연속주조장치, 실리콘용탕, 냉도가니, 열도가니, 흑연

Description

고 용해효율 전자기 연속주조장치{apparatus for continuously casting an low electroconductive material by induction}

도1은 종래의 전형적인 전자기연속주조장치의 전체 구성도.

도2는 종래기술의 비교예에 사용된 냉도가니의 구조를 설명하기 위한 단면도.

도3은 본 발명의 제1 실시예에 사용된 전자기연속주조장치의 단면도.

도4는 본 발명의 제 2 실시예에 사용된 전자기연속주조장치의 단면도.

도5는 본 발명의 제 3 실시예에 사용된 전자기연속주조장치의 단면도.

도6은 종래기술의 비교예에서 용탕의 상부에 고체 원료가 공급되는 경우, 용탕의 표면에 형성된 응고피막을 보여주는 사진들.

도7은 본 발명의 각 실시예 및 종래기술의 비교예에 따라 발생하는 전자기압을 용탕의 정수압과 비교하여 도시한 그래프.

〈도면의 주요부분에 대한 설명〉

1: 유도코일 2: 냉도가니

3: 슬릿 4: 세그먼트

5: 용탕 6: 장입원료

7: 더미바(dummy bar) 8: 주괴(ingot)

9: 플라즈마 아크 가열원 10: 열도가니

11: 단열재(자기장 투과)

본 발명은 태양전지의 기판용으로 사용되는 실리콘 주괴의 제조와 같이 높은 융점과 낮은 전기전도성을 가지는 반도체나 금속 재료를 고 순도의 주괴로 전자기 연속주조하는 장치에 관한 것이다.

이 타입의 주괴는 예를 들면 태양전지와 같은 광기전성 요소들(photovoltaic elements), 예를 들면 실리콘 웨이퍼의 제조를 위한 출발재로서 사용된다.

지금까지는 다결정 태양전지용 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위해서는 흑연도가니 안이나 또는 흑연도가니 내부에 위치시킨 석영도가니 안에서 실리콘을 용해한 후 수냉되는 주형(또는 도가니 주형 일체형) 바닥으로부터 서서히 방향성 응고시켜 주괴를 제조한 후, 주괴를 500 ㎛ 미만의 두께를 갖는 아주 얇은 웨이퍼로 슬라이스하는 제조 방법이 가장 널리 사용되어 왔다. 그러나 이 방식은 흑연도가니와 석 영도가니로부터 유입되는 흑연 및 산소에 의해 실리콘 주괴가 오염되는 문제점과 실리콘이 응고하며 팽창하는 과정에서 석영도가니가 파괴되어 매 작업시마다 새로운 석영도가니를 사용해야 하므로 제조비가 증가하는 문제점이 있다.

한편, 실리콘 웨이퍼의 품질 및 비용은 주괴의 품질 및 비용에 의해 결정되기 때문에, 최근 들어 불순물의 혼입을 억제함으로써 실리콘 웨이퍼의 품질을 올리고 도가니 및 주형의 손실을 없애고 생산성을 향상시킴으로써 제조비용을 낮추기 위한 방법으로서 전자기 연속주조법이 사용되기 시작하였다.

종래의 전자기 연속주조법으로는 도1에 보여진 바와 같이, 유도코일(1)과 유도코일(1)의 내측에 배치된 도전성 소재(통상적으로 무산소동을 사용함)로 제작된 하부 개방형의 연속주조형 냉도가니(2)(cold crucible)가 사용된다.

이 냉도가니(2)는 둘레방향으로 따라서 적어도 일부분이 종방향의 슬릿(3)들에 의해 여러 개의 세그먼트(4)들로 분할된 구조이며, 용탕(5)의 응고와 냉도가니(2)의 보호를 목적으로 내부로 냉각수가 통과하는 수냉구조로 이루어져 있다.

이와 같이 종방향으로 형성된 슬릿(4)은 유도코일(1)에 흐르는 고주파의 전류에 의해 발생하는 자기장을 냉도가니(2) 내부까지 투과시켜 용해 원료에 유도 전 류를 발생시키게 되는 데, 그에 따른 주울 가열(Joule heating) 효과로 연속적으로 공급되는 장입 원료(6)를 가열 용해시킬 뿐 만 아니라, 냉도가니(2)의 내부쪽으로 전자기력이 발생하여 용해 원료와 벽면과의 접촉을 경감시키게 된다.

전자기 연속주조법은 이러한 도가니와의 접촉 경감 효과에 의하여 원료의 오염이 억제되고 주괴 제품의 품질이 향상되며 동시에 주형이 소모 교체되지 않아 설비 비용이 줄어들고 생산성이 향상되는 이점이 있다. 또한 연속적인 주조 작업이 가능하고 생산속도가 매우 높은 장점이 있어 경제적인 주괴의 제조가 가능하다.

그렇지만 이와 같은 전자기 연속주조법은 냉도가니가 수냉구조로 되어 있기 때문에 융점이 높고 전기전도도가 낮은 재료를 고 순도의 주괴로 제조하는 데 문제점이 발생하게 된다. 즉, 고 순도를 요하지 않는 철강이나 알루미늄의 전자기 연속주조 공정에서는 원료를 미리 용해하는 용해공정이 별도로 존재하고 상기 냉도가니에서는 단지 주조공정만이 이루어지는 반면, 고순도를 요하는 재료의 주괴를 제조하기 위해서는 냉도가니 내에서 용해공정과 주조공정이 함께 연속적으로 이루어지기 때문에 원료의 용해를 위해서 많은 전력을 요하게 된다.

특히, 실리콘은 융점이 매우 높고 전기전도도가 낮은 반도체재료로서 복사열 방출로 인한 냉각효과는 큰 반면 유도발열로 인한 가열효과는 작아 소재를 효율적으로 연속 용해하는 데에 어려움이 있다. 이는 아주 낮은 열전도도와 약 700℃ 미만의 온도에서의 전기적으로 비전도성의 실리콘과 유도가열원사이의 결합(coupling)의 부족에 기인한 것이다.

따라서 현재는 수 백 kW에 이르는 대 용량의 전원장치를 사용하거나, 일본 특허출원공개번호 특개 2001-19594에서와 같이, 도가니 둘레에 배치된 유도코일에 의한 전자 유도 가열과 플라즈마 아크 가열원의 병용에 의해 하부 개방형 도가니 내에 실리콘 용액을 형성하는 방법에 개시되어 있으나, 이것들은 과도한 설비비 및 제조비가 든다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 고 융점이고 전기전도도가 낮은 원료의 가열 및 용해 효율을 현저히 향상시키면서, 용탕의 전 구간에 걸쳐 전자기력을 용탕의 정수압보다 큰 상태로 유지할 수 있는, 이 원료를 고 순도의 다결정 주괴로 연속주조할 수 있는 간단한 전자기연속주조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

실험 및 수치해석에 의한 연구결과에 따르면 냉도가니만을 사용하는 전형적인 전자기 연속주조법에서는 통상적으로 70~80%의 유도발열량이 냉도가니에서 발생하게 되어 원료의 가열 및 용해에 기여하지 못하고 냉각수에 의해 손실되게 된다.

특히 고체의 연료가 공급되는 용탕의 상부는 용탕 높이에 비례하는 정수압이 작아, 용탕이 도가니벽으로부터 멀리 떨어지게 되고 그에 따라 전자장의 집중효과가 작아 낮은 전자장 값을 보이며 유도발열량이 줄어들게 된다.

이 때 원료가 고 융점이면서도 낮은 전기전도성의 재료인 경우에는 고주파전원장치의 용량이 작아 유도코일에 인가되는 전류가 작으면 유도발열에 의한 가열효과가 복사열 방출에 의한 냉각효과보다 작아 용탕이 쉽게 냉각 응고되어 연속적이 용해주조 공정이 어렵게 된다.

한편, 용탕의 하부는 용탕의 높이가 증가함에 따라 정수압이 커지기 때문에 도가니와의 무접촉을 유지하기 위해서는 가열효과보다는 전자기압의 효과가 상대적으로 더 중요하게 되는 영역이다.

따라서 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 하부 개방형 도가니를 포함하는 고융점 및 저 전기전도성의 재료의 전자기 연속주조용 장치를 다음과 같이 구성하였다.
본 발명에 따른 고 용해효율 전자기연속주조장치는 도가니를 포함하고 한다. 상기 도가니는 수직축을 가지며, 상부의 열도가니(10)와 하부의 냉도가니(2)로 이루어지고, 유도코일(1)에 의해 둘러싸여 있다.
상기 열도가니(10)는 냉각이 되지 아니하며, 전기전도성의 비금속 재료로 이루어진다. 상기 냉도가니(2)는 수냉구조를 가지고 있으며, 열전도성 및 전기전도성의 금속 재료로 이루어진다.
상기 열도가니(10)는 상단부가 둘레방향으로 일체화되어 있고, 하단부는 둘레방향의 적어도 일부가 종방향의 슬릿(3)들에 의해 세그먼트(4)로 분할된 구조를 이룬다. 상기 냉도가니(2)는 둘레방향의 적어도 일부분이 종방향의 슬릿(3)들에 의해 상단부로부터 하단부까지 세그먼트(4)로 분할되는 구조를 이룬다.
상기 유도 코일(1)은 열도가니(10)의 외부에 둘러싸여, 전류가 인가됨에 따라 발생된 자기장을 상기 열도가니(10)의 슬릿(3)들을 통하여 상기 열도가니(10)의 내부까지 투과시켜 원료를 가열 용해시킨다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 종방향의 슬릿들(3)중 적어도 일부가 상기 열도가니(10)와 상기 냉도가니(2)에 걸쳐서 직선적으로 이어지는 것이 바람직하다.

1. 전자기압 효과보다는 가열효과가 중요한 용탕의 상부에 대응하는 도가니의 상부에는, 고 융점인 비금속 소재중에서 전기전도성이 뛰어난 소재로 냉각하지 아니하는 구조의 도가니(이하, 열도가니라 한다)를 제작하였다. 따라서, 열도가니에서 발생되는 유도발열량이 용탕의 가열에 기여하도록 한다.

2. 가열효과보다는 전자기압의 효과가 상대적으로 더 중요하며, 유도코일을 빠져나와 응고가 개시되는 용탕의 하부에 대응하는 도가니의 하부에는, 고 열전도도의 도전성 금속 재료의 수냉하는 구조를 갖는 도가니(이하, 냉도가니라 한다)를 제작하여, 용탕과 도가니사이에 접촉이 이루어지지 아니하도록 하였다.

따라서, 원료의 용해 효율을 현격히 향상시키면서도 용탕의 전 구간에 걸쳐 전자기력이 용탕의 정수압보다 큰 상태로 유지시킬 수 있다.

상기 상부의 열도가니는 상단부가 둘레방향으로 일체화되어 있고, 하단부는 둘레방향의 적어도 일부가 종방향의 슬릿들에 의해 세그먼트로 분할된 구조를 이루며, 상기 하부의 냉도가니는 둘레방향의 적어도 일부분이 종방향의 슬릿들에 의해 상단부로부터 하단부까지 세그먼트로 분할되는 구조를 이루는 것이 바람직하다.

상기 종방향의 슬릿들중 적어도 일부가 상기 상부인 열도가니와 하부인 냉도가니에 걸쳐서 직선적으로 이어지는 전기전도성 재료의 주괴를 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전자기 연속주조 장치를 이용하여 낮은 전기전도성 재료로 서, 고 융점의 반도체, 예를 들면 실리콘이나, 고 융점의 금속재료의 주괴를 제조하는 데 적합하다.

상기 열도가니의 비금속재료는 흑연인 것이 바람직하다.

상기 도가니는 상부인 열도가니를 둘러싸는 단열재의 자기장 투과덮개를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

실시예

이하, 본 발명을 비교예와 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 2 ~ 도 5와 같이 전자기연속주조장치의 구조를 변경하면서 실리콘의 용해 및 주조실험을 수행하고 유도발열 효과와 전자기압 효과를 정량적으로 비교하였다.

도가니의 외부에는 내경 125 mm, 외경 145mm, 높이 54 mm 이며 5턴으로 감긴 유도코일(1)을 위치시키되 유도코일(1)의 상단이 도가니 상단으로부터 5 mm 아래에 위치하도록 설치하였으며, 주파수 20kHz의 교류전류를 최대 1,230 A까지 인가하였다.

연속주조를 위해서는 우선 더미바(7)로 도가니의 아래를 막은 상태에서 도가니안에 원료(6)를 장입하고, 초기 용탕(5)을 용탕 돔(dome)이 도가니 상단 5 mm 아 래에 이르기까지 형성시킨 후, 원료(6)를 계속적으로 보급하면서 더미바(7)를 일정 속도로 하강시키며 연속적으로 주괴(8)를 제조한다.

비교예

도2에 보여진 바와 같이, 종래의 도가니는 유도코일(1)과 유도코일(1) 내측에 배치된 도전성재료의 하부개방형의 도가니(2)로 이루어지며, 도가니(2)는 둘레방향을 따라서, 종방향의 슬릿(3)들에 의해 여러 개의 세그먼트(4)로 분할된 구조이다. 또한 용탕(5)의 응고와 도가니의 보호를 목적으로 도가니의 내부는 냉각수를 통과시켜 수냉시키는 구조로 하였으며, 도가니의 규격은 내경 50mm, 외경 80mm, 길이 200mm, 슬릿(3) 개수 12개, 슬릿(3) 길이 150mm로 하였고, 도가니 재질은 무산소동으로 하여 제작하였다.

비교예에서는 초기 용탕(5)을 형성시킨 후의 연속적인 용해주조 공정이 매우 어려웠는데, 이는 실리콘이 전기전도도가 작고 융점이 높은 재료로서 유도발열에 의한 가열효과는 작고 복사열 방출에 의한 냉각효과는 커 용탕(5)이 쉽게 냉각되기 때문이다.

즉 도가니벽으로부터 멀리 떨어져 전자장이 낮아 유도발열량이 작은 용탕(5)의 상부에 고체 원료(6)가 공급되는 경우에는 도 6에서와 같은 응고피막이 용탕(5) 의 표면에 형성되어 연속적인 용해공정이 이루어질 수 없었다.

제 1 실시예

도3에 보여진 바와 같이, 제 1 실시예의 도가니는 상부의 열도가니(10)와 하부의 냉도가니(2)로 이루어져 있다.

즉, 제 1 실시예에서 사용된 장치는 도 3에서 보는 바와 같이 상기 도 2의 냉도가니(2) 상부에 내경 50mm, 외경 80mm, 높이 30mm 인 흑연소재의 열도가니(10)를 얹어 놓은 구조이다.

전자기압 효과보다는 가열효과가 중요한 상부의 열도가니(10)는 고융점인 비금속소재 중에서 전기전도성이 뛰어난 것으로 이루어지며, 냉각구조를 가지지 아니한다. 따라서, 열도가니에서 발생되는 유도발열량이 용탕의 가열에 기여하도록 하였다. 이에 반하여 가열효과보다는 전자기압의 효과가 상대적으로 더 중요하며, 유도코일(1)을 빠져나와 응고가 개시되는 하부의 냉도가니(2)는 고 열전도성 및 전기전도성의 금속재료로 제작하고 수냉하는 구조로 하였다.

냉도가니(2)는 둘레방향의 적어도 일부분이 종방향의 슬릿(3)들에 의해 상단부에서 하단부까지 세그먼트(4)로 분할되는 구조로 이루어진다.

열도가니(10)의 외부는 원료(6)의 가열효과 향상과 유도코일(1)의 보호를 위해서 자기장 차폐효과가 없는 단열재(11)를 이용하여 단열시켰다.

제 1 실시예에서는 흑연소재의 열도가니(10)에서 생성된 유도발열량이 냉각수로 손실되지 않고 원료(6)의 가열 및 용해에 기여하여 연속적인 용해공정이 가능하였으나 용탕(5)과 도가니와의 접촉이 억제되지 않은 문제점이 관찰되었다. 이는 도7에서 알수 있듯이, 용탕(5)의 정수압보다 전자기압이 작아 용탕(5)을 도가니와 무접촉상태로 유지하기 어렵기 때문이다.

제 2 실시예

제 2 실시예에서는 도 4에서 보는 바와 같이 내경 50mm, 외경 80mm, 높이 30mm인 흑연소재의 열도가니(10)를 종방향의 슬릿(3) 12개에 의해 12개의 세그먼트(4)로 완전히 분할한 후 상기 도 2에서의 냉도가니(2) 위에 위치시켰으며, 비금속재료의 열도가니(10) 하단부와 상기 전기전도성 재료의 냉도가니(2) 상단부에 형성된 종방향의 슬릿(3)들은 상기 두 도가니의 경계 부근에서도 전자기력이 도절되지 않도록 서로 연속되게 하였다. 나머지 조건은 도 3의 제 l 실시예와 동일하다.

제 2실시예에서는 전자기압이 향상되어 용탕(5)과 도가니와의 접촉을 막을 수 있었지만, 비교예에서와 마찬가지로 초기 용탕(5) 생성 후 고체 원료(6)를 투입하는 경우에 응고피막이 용탕(5)의 표면에 쉽게 형성되어 연속적인 용해공정이 이루어질 수 없었다. 이는, 표1에 보여지는 바와 같이, 총유도발열량의 약 50%가 냉도가니에서 발생 도가니냉각공정에서 손실되기 때문으로 보인다.

제 3 실시예(최적 양호한 실시예)

제 3 실시예는 도 5에서 보는 바와 같이 내경 50mm, 외경 80mm, 높이 30mm인 흑연 소재의 열도가니(10)를 상단부는 둘레방향으로 일체화되어 있는 구조로 하고, 하단부는 길이 20mm인 슬릿(3)에 의해 12개의 세그먼트(4)로 분할된 구조로 되어 있고, 상기 비금속재료의 열도가니(10) 하단부와 상기 전기전도성 재료의 냉도가니(2) 상단부에 형성된 종방향의 슬릿(3)들은 상기 두 도가니의 경계 부근에서도 전자기력이 도절되지 않도록 서로 연속되게 하였다. 나머지 조건은 도 3의 제 1 실시예와 도 4의 제 2 실시예와 동일하다.

제 3실시예에서는 용탕(5)과 도가니와의 접촉도 억제하면서 고체 원료(6)를 170g/min 이상의 속도로 투입하여 연속적으로 용해주조할 수 있었다.

각 실시예에 따른 유도발열 효과와 전자기압 효과를 정량적으로 비교해보기 위하여 전자기장 해석 전용 상용프로그램인 OPERA-3D를 사용하여 유도발열량과 전 자기압을 계산하고 그 결과를 표 1과 도 7에 각각 정리하였다.

(표 1) 비교예 및 실시예의 유도발열량.

	냉도가니(kW)	열도가니(kW)	실리콘 용탕(kW)
비교예	11.04		5.39
실시예1	5.15	19.13	1.47
실시예2	9.52	4.18	5.48
실시예3	8.40	14.58	4.60

표 1의 계산결과로부터, 비교예와 같이 냉도가니(2)만을 사용하는 종래의 전자기 연속주조공정에서는 총유도발열량의 약 67%가 냉도가니(2)에 발생 도가니 냉각공정으로 손실되는데, 냉도가니(2) 위에 분할되지 않거나 종방향의 슬릿(3)에 의해 부분적으로 분할된 흑연소재의 열도가니(10)를 얹는 제 1, 3 실시예에서는 총 유도발열량의 20 ~ 30%만 냉도가니(2)에 발생 손실됨을 알 수 있다.

한편 도 7에 도시한 전자기압과 정수압과의 계산결과로부터, 슬릿(3)이 없는 흑연소재의 열도가니(10)를 사용하는 제 1 실시예와 같은 경우에는 용탕(5)의 정수압보다 전자기압이 작아 용탕(5)을 도가니와 무접촉상태로 유지하기 어려운 반면, 제 2, 3 실시예와 같이 열도가니(10)를 사용하더라도 하단부로부터 적어도 일부분을 종방향의 슬릿(3)을 내는 경우에는 전자기압을 용탕(5)의 정수압보다 동일하거나 크게 유지할 수 있음을 알 수 있다.

따라서 제 3실시예와 같이 전자기연속주조장치의 도가니의 상부를 흑연과 같이 비금속 소재 중에서 전기전도성이 뛰어난 소재로 제작하여 수냉하지 않고 도가니 하부는 동과 같이 고 열전도성의 전기전도성 금속 소재로 제작하여 수냉하는 구조로 하며, 이때 또한 상부 도가니의 상단부는 둘레방향으로 일체화되어 있고 하단부는 종방향의 슬릿(3)들에 의하여 둘레 방향으로 여러 개의 세그먼트(4)로 분할된 구조로 함으로써, 고 융점이면서도 전기전도도가 낮은 실리콘을 도가니와의 무접촉 상태를 유지하면서도 효율적으로 연속 용해주조할 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 용탕의 전 구간에 걸쳐 용탕에 작용하는 전자기압을 용탕의 정수압보다 큰 상태로 유지하면서도 원료의 가열 및 용해 효율을 현격히 향상시킬 수 있어, 고 융점이면서도 전기전도성이 낮은 반도체 또는 금속재료의 전자기 연속주조를 가능하게 하는 이점이 있다.

Claims (8)

1. 도가니를 포함하는 전자기연속주조장치로서, 상기 도가니는 수직축을 가지며, 상부의 열도가니와 하부의 냉도가니로 이루어지고, 유도코일에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 열도가니는 냉각이 되지 아니하며, 전기전도성의 비금속 재료로 이루어지고, 상기 냉도가니는 수냉구조를 가지고 있으며, 열전도성 및 전기전도성의 금속 재료로 이루어지는 고 용해효율 전자기연속주조장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 열도가니는 상단부가 둘레방향으로 일체화되어 있고, 하단부는 둘레방향의 적어도 일부가 종방향의 슬릿들에 의해 세그먼트로 분할된 구조를 이루며, 상기 냉도가니는 둘레방향의 적어도 일부분이 종방향의 슬릿들에 의해 상단부로부터 하단부까지 세그먼트로 분할되는 구조를 이루는 고 용해효율 전자기 연속주조장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 종방향의 슬릿들중 적어도 일부가 상기 열도가니와 상기 냉도가니에 걸쳐서 직선적으로 이어지는 고 용해효율 전자기 연속주조장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서, 상기 전기전도성의 비금속재료는 흑연인 고 용해효율 전자기 연속주조장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 도가니의 외부를 둘러싸는 단열재의 자기장 투과덮개를 추가로 포함하는 고 용해효율 전자기 연속주조장치.

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