KR20120110107A - 실리콘 전자 주조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 전자 주조에 있어서의 도가니(200)의 외측으로의 변형을 방지할 수 있는 실리콘 전자 주조 장치의 제공을 목적으로 한다. 노체 용기(100)와, 노체 용기(100)의 내부에 설치된 도전성의 도가니(200)와, 이 도가니(200)의 외주에 설치된 유도 코일(300)을 구비하고, 노체 용기(100) 내를 소정의 기체로 일정 압력으로 하고, 유도 코일(300)에 전압을 부하함으로써 도가니(200) 내의 실리콘을 유도 발열시켜 용해한 뒤에 응고시키는 실리콘 전자 주조 장치(1)에 있어서, 도가니(200)의 외주면에 전기적 절연재로 이루어지는 강성 구조체(810)가 끼워맞추어져 있다.

Description

실리콘 전자 주조 장치{ELECTROMAGNETIC CASTING APPARATUS FOR SILICON}

본 발명은 주로 태양전지용 실리콘 기판을 위한 실리콘 주괴를 제조하는 실리콘 전자 주조 장치에 관한 것이다.

지구 규모적인 환경 문제를 개선하기 위한 하나의 방법으로서 태양전지의 보급이 진행되어 왔다. 제조되는 태양전지는 자원량의 풍부함 및 높은 광전 변환 효율로 실리콘 결정을 사용하는 것이 대부분이지만, 그중에서도 전자(電磁) 주조에 의해 제조된 다결정 실리콘 기판을 사용하는 태양전지의 생산이 증가하고 있다.

이 실리콘의 전자 주조는 노체(爐體) 용기 내에서, 내부를 냉각수로 순환한 구리제의 도가니와, 그 도가니의 외주에 설치된 유도 코일에 의해, 실리콘괴를 도가니 내에서 전자력에 의해 부유 용해하고, 실리콘괴를 하방으로 연속적으로 끌어내리면서 응고시킴으로써 실리콘 주괴를 제조한다.

이것에 의하면 수냉각된 도가니의 내부에서 실리콘괴를 전자력에 의해 부유 용해하기 때문에, 용해 실리콘은 도가니의 내면과 접촉하지 않아, 용해 실리콘에 대한 도가니로부터의 불순물 오염을 없앨 수 있다. 또한 실리콘괴를 용해하기 위하여 사용하는 도가니도 거의 용해 실리콘과 접촉하지 않기 때문에 손상되지 않고, 항구적인 도가니로서 사용할 수 있다.

이렇게 하여, 상기의 실리콘 전자 주조는 장대한 길이의 실리콘 주괴를 연속적으로 제조함에 의한 높은 생산성, 안정적이고 또한 정상적인 주조 조건에 기인하는 실리콘 주괴의 고품질성 및 균질성에 의해, 공업적인 생산법의 하나가 되었다.

(발명의 개시)

(발명이 해결하고자 하는 과제)

그렇지만, 상기의 실리콘 전자 주조에는 다음과 같은 문제가 존재했다. 즉, 실리콘 주괴의 연속적인 하강에 의한 응고 과정에서, 도 1에 도시하는 바와 같이, 도가니, 용해 실리콘, 및 응고한 실리콘 주괴의 3개의 물체의 접촉점에서, 어떤 미량의 용해 실리콘이 응고한 실리콘 주괴와 도가니 사이의 미소한 틈에 끼어 들어가, 이 끼어 들어간 용해 실리콘이 응고할 때에 체적 팽창하여 도가니의 내면을 미는 힘을 발생했다. 실리콘은 액체로부터 고체로 변화될 때에 약 9%의 체적 팽창을 한다. 즉, 이 현상은 일반적인 금속에 반하여, 응고할 때에 체적 팽창하는 실리콘의 특이한 성질에 의한 것이다.

도가니와 실리콘 주괴 사이에 끼어 들어간 용해 실리콘이 응고하여 체적 팽창할 때에 도가니의 내면을 외측으로 미는 힘은, 주괴 횡단면이 작을 때에는 총합으로서는 상대적으로 큰 힘이 되지는 않아, 이 힘은 도가니의 강성에 의해 되밀리는 힘과 균형을 이루어, 주조를 계속해도 도가니가 더욱 외측으로 변형되지는 않았다.

그런데, 실리콘 주괴가 대형화하여 주괴 횡단면이 커지면, 도가니의 내면을 누르는 힘은 밀리는 면적이 증대함과 아울러 힘의 모멘트의 관계에 의해 누적적으로 커져, 도가니의 강성을 초과하여, 도가니가 외측으로 크게 변형되어 영구변형 하게 되었다. 실리콘 주괴의 응고계면 높이에서 도가니가 외측으로 확대하여 도가니 폭이 커지면, 그 폭에 적당한 큰 폭의 주괴가 생기게 된다. 주조를 계속함에 따라, 실리콘 주괴의 폭이 점차 커지고, 도가니가 더욱 외측으로 만곡하여, 도가니의 중턱이 하부의 폭보다도 커지면, 실리콘 주괴는 하강이 불능으로 되었다.

예를 들면, 각형의 실리콘 주괴를 제조하는 경우의 정방형의 단면을 갖는 각형 도가니에서는, 실리콘 주괴의 단면의 폭을 35cm로 했을 때에, 응고계면 높이에서의 도가니의 외측으로의 영구변형이 나타나게 되었다. 도가니의 변형량은 주조의 진행과 함께 확대되고, 이것에 따라 실리콘 주괴의 변 길이의 확대가 진행되어, 어떤 시점 이후는 실리콘 주괴의 하강을 불능하게 했다.

본 발명은, 상기의 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 실리콘 전자 주조에 있어서의 도가니의 외측으로의 변형을 방지할 수 있는 실리콘 전자 주조 장치의 제공을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위하여, 노체 용기와, 노체 용기의 내부에 설치된 도전성 도가니와, 이 도가니의 외주에 설치된 유도 코일을 구비하고, 상기 노체 용기 내를 소정의 기체로 일정 압력으로 하고, 상기 유도 코일에 전압을 부하함으로써 상기 도가니 내의 실리콘을 유도 발열시켜 용해한 뒤 응고시키는 실리콘 전자 주조 장치에 있어서, 상기 도가니의 외주면에 전기적 절연재로 이루어지는 강성 구조체가 끼워맞추어져 있는 것을 특징으로 한다. 이것에 의하면, 용해 실리콘이 응고한 실리콘 주괴와 도가니 사이의 미소한 틈에 끼어 들어가고, 이 끼어 들어간 용해 실리콘이 응고할 때에 체적 팽창하여 도가니의 내면을 민 경우이어도, 강성 구조체가 도가니의 외주면에 끼워맞추어져 있음으로써, 도가니의 외측으로의 변형을 방지할 수 있다.

또한, 상기 강성 구조체는, 용해한 실리콘과 응고한 실리콘 주괴와의 응고계면 높이 위치에서, 상기 도가니의 외주면에 끼워맞추어져 있는 것이 바람직하다. 이것에 의하면 특히 외측으로의 변형이 생기기 쉬운 개소인 응고계면 높이 위치에서, 도가니의 외측으로의 변형을 방지할 수 있다.

또한 상기 강성 구조체는 내경이 35cm 이상의 상기 도가니의 외주면에 끼워맞추어져 있어도 된다. 이것에 의하면 특히 외측으로의 변형이 생기기 쉬운 크기인 도가니에 있어서, 도가니의 외측으로의 변형을 방지할 수 있다.

본 발명에 의하면, 용해 실리콘이 응고한 실리콘 주괴와 도가니 사이의 미소한 틈에 끼어 들어가고, 이 끼어 들어간 용해 실리콘이 응고할 때에 체적 팽창하여 도가니의 내면을 민 경우에도, 강성 구조체가 도가니의 외주면에 끼워맞추어져 있음으로써, 도가니의 외측으로의 변형을 방지할 수 있다. 이 때문에 안정한 실리콘 주괴의 제조를 계속적으로 행하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 도가니와 실리콘 주괴 사이에 끼어 들어간 용해 실리콘이 응고시에 체적 팽창하여 도가니를 외측으로 미는 힘을 추정하는 캔틸레버빔 모델을 도시하는 도면.
도 2는 제 1 실시예에 따른 실리콘 전자 주조 장치의 구성 개략도.
도 3은 도 2의 강성 구조체를 끼워맞춘 각통 형상의 도가니의 사시도.
도 4는 제 2 실시예에 따른 실리콘 전자 주조 장치의 구성 개략도.
도 5는 도 4의 강성 구조체를 끼워맞춘 원통 모양의 도가니의 사시도.

(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)

다음에 본 발명의 실시형태에 따른 실리콘 전자 주조 장치(이하, 본 장치(1)라고 함)에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

<전체 구성>

본 장치(1)는, 도 2 또는 도 4에 도시하는 바와 같이, 노체 용기(100)와, 노체 용기(100)의 내부에 설치된 도가니(200)와, 도가니(200)의 외주에 설치된 유도 코일(300, 300')과, 실리콘괴를 재치하는 흑연대(400)와, 흑연대(400)를 상하로 이동시키는 상하이동 장치(500)와, 용해 실리콘(S')의 응고를 제어하는 온도제어로(600)와, 도가니(200)의 상방에 설치된 원료공급기(700)를 구비하여 이루어진다. 이들 각 부재에 대해서는, 종래의 장치와 동일한 구성이다.

또한, 실리콘에 대해서는, 가열 전의 상태를 실리콘괴, 가열 후의 용해된 상태를 용해 실리콘(S'), 냉각 후의 응고된 상태를 실리콘 주괴(S)라고 부르기로 한다.

<노체 용기의 구성>

상기 노체 용기(100)는 상기 도가니(200)나 유도 코일(300) 등을 덮는 태양에서 설치된 밀폐 용기이다.

이 노체 용기(100)의 상부에는 송입구(110)가 형성됨과 아울러, 하부에는 배기구(120)가 형성되어 있다. 주조시에는 노체 용기(100) 내를 진공펌프(도시 생략)에 의해 0.1Torr까지 감압한 뒤, 송입구(110)로부터 소정의 기체(예를 들면, 아르곤 가스)를 대기압까지 송입하게 되어 있다.

또한 노체 용기(100)의 바닥벽(130)에는 삽입통과 구멍(130a)이 뚫어 설치되고, 상기 상하이동 장치(500)가 삽입통과되어 있다. 이 삽입통과 구멍(130a)은 노체 용기(100)를 밀폐용기로 하기 위하여 고무 등으로 이루어지는 실링 부재(140)가 설치되는 것이 좋다.

<도가니의 구성>

상기 도가니(200)는 구리제이며, 내부를 냉각수가 순환하여 도가니 측벽을 냉각하게 되어 있다. 또한, 210은 냉각수가 유입 또는 유출되는 관이다.

이 도가니(200)는 둘레 방향으로 전기적으로 절연하기 위하여, 복수의 세그먼트로 둘레 방향으로 분할되어 있다. 또한 도가니(200)의 각 세그먼트 사이에는 운모 등의 전기적 절연재가 삽입되는 것이 좋다.

또한, 도 2 및 도 3에 도시하는 도가니(200)는 단면 형상이 정방형, 도 4 및 도 5에 도시하는 도가니는 단면 형상이 원형이다.

<강성 구조체의 구성>

상기 도가니의 외주면에는, 전기적 절연재로 이루어지는 강성 구조체가 끼워맞추어져 있다. 예를 들면, 도 3에 도시하는 도가니(200)의 경우, 각통 형상의 강성 구조체(810)가 끼워맞추어져 있다. 또한 도 5에 도시하는 도가니(200)의 경우, 강성 구조체는 원통 형상의 강성 구조체(820)가 끼워맞추어져 있다.

도가니(200)와 실리콘 주괴(S) 사이에 끼어 들어간 실리콘 용액(S")이 응고시에 체적 팽창하여 도가니(200)를 외측으로 미는 힘을 추정하기 위하여 도 1에 도시한 캔틸레버빔 모델을 응용한다.

이 모델에서는, 끼워 넣은 실리콘 용액(S")이 반구 형상이고 길이(L) 4mm, 두께(T) 2mm, 폭(W) 2mm의 실리콘 기둥(SH) 속에 갇혀서 응고된다. 응고되어 팽창될 때의 힘(f1)은 도가니의 내면에 대하여 수직 방향으로 누름과 동시에, 동일한 크기의 힘(f2)이 실리콘 기둥(SH)을 역방향으로 민다. 실리콘 기둥(SH)은 하단이 고정된 캔틸레버빔이므로, 실리콘 기둥(SH)에 작용하는 힘(f2)이 실리콘 기둥(SH)의 중심점에 작용한다고 하면, 실리콘 기둥(SH)이 변형되는 거동은 길이 4mm이며 두께 및 폭이 2mm인 일정한 단면의 캔틸레버빔이 길이 방향의 중심점에 집중 하중을 받는 변형 거동으로서 근사된다.

일정한 단면의 캔틸레버빔이 길이 방향의 중심점에 집중 하중을 받아 변형할 때의 힘과 변형량의 관계는 탄성률과 항복 휨의 크기를 알 수 있으면 추정할 수 있다. 빔이 하중을 받으면, 우선, 탄성 변형 영역에서 하중의 증가와 아울러 빔의 휨이 비례적으로 증대한다. 이 비례적인 관계는 빔의 휨이 항복 휨량에 도달할 때까지 유지된다. 빔의 휨이 항복 휨량에 도달하면, 이후는, 빔은 소성 변형 영역에서 변형을 계속하고, 변형을 계속하기 위한 하중은 항복 휨량에 도달한 하중과 크게 변하지 않는다. 따라서, 빔이 변형을 계속하기 위한 최대 하중은 빔의 휨이 항복 휨량에 도달했을 때의 하중이 되면 근사적으로 생각할 수 있고, 이 항복시의 최대 하중과 동일한 크기로 역방향의 힘(f1)이 도가니(200)를 미는 힘이 된다.

융점 근방의 고체 실리콘의 탄성률(영률)과 항복 휨량을 다른 물질의 값으로부터 유추한다. 실리콘은 상온에서는 반도체이지만, 500℃ 정도 이상의 온도에서는 금속적인 성질을 나타낸다. 또한 실리콘은 융점 근방의 고온에서는 부드러워져, 용이하게 소성 변형한다. 일반적으로, 참고로서, 상온의 금속의 영률은 50?150GPa, 유리는 65?90GPa이다. 영률은 온도 의존성이 크지 않으므로, 융점 근방의 온도에서 30% 정도가 된다고 생각한다. 따라서, 실리콘의 영률을 상온에서 100GPa로 하고, 융점 근방에서는 30GPa로 한다.

금속의 항복 휨량은, 일반적으로, 상온에서 0.2% 내력으로서 정의되는 경우가 많다. 즉, 금속에서는 항복 휨은 0.2% 정도이다. 그러나, 항복 휨의 크기는 온도의존성이 커 고온으로 될수록 작아지므로, 융점 근방에서는 상온에 비해 1/10 정도가 된다고 한다. 따라서, 융점 근방의 실리콘의 항복 휨량을 0.02%로 한다.

영률 30GPa이고 길이 4mm, 두께 2mm, 폭 2mm의 실리콘 기둥(SH)의 캔틸레버빔이 최대 0.02%까지 휠 때의 길이 방향의 중심점에서의 집중 하중의 크기는 약 4N으로 계산된다. 이 때의 빔의 길이 방향의 중심점에서의 변형량(최대 변형량)은 0.00027mm가 된다. 따라서, 본 모델 계산에 의하면, 도가니(200)와 실리콘 주괴 사이에 끼어 들어간 실리콘 용액(S")이 응고시에 체적 팽창하여 도가니(200)를 외측으로 미는 힘은 도가니(200)가 용해 실리콘(S') 및 실리콘 주괴(S)와 접하는 수평선을 따라 2mm의 길이당 약 4N으로 산정된다.

상기에서 산출된 도가니(200)를 외측으로 미는 힘을 기준으로 하여, 350mm의 정방형 단면을 갖는 실리콘 주괴(S)를 제조하는 도가니의 변형 거동을 추정한다. 도가니(200)의 내변이 350mm이면, 합계로 약 700N의 힘이 도가니의 정방형의 1변에 실리콘 주괴(S)의 응고계면을 따라 등분포 하중으로서 걸리게 된다.

한편, 실리콘 용액(S")의 체적 팽창에 의한 도가니(200)의 휨을 방지하기 위하여, 도가니(200)의 외주가 끼워 맞추는 전기적 절연재로 이루어지는 강성 구조체(810)에 대해서는, 섬유 강화 플라스틱을 사용하는 경우의 휨 강도를 추산한다. 섬유 강화 플라스틱은 유리 섬유를 사용한 것으로, 영률이 10GPa을 갖는 재질을 선정할 수 있다. 당해 유리섬유 강화 플라스틱을 사용하여, 100mm 두께, 30mm 폭을 갖는 구조체를 350mm의 내변을 갖는 도가니(200)의 외주에 끼워맞춘 경우, 당해 강성 구조체는 내측 사변형의 1변에서 도가니(200)와 함께 최대로 700N의 힘을 등분포 하중으로서 받는다고 근사적으로 생각할 수 있다. 이 경우, 도가니(200) 및 섬유 강화 플라스틱의 강성 구조체(810)가 받는 힘과 휨의 관계는, 도가니(200)의 분할된 세그먼트의 치수를 사용하여, 두께 33mm, 폭 23.3mm이고 700mm의 스팬을 갖는 일정한 단면의 구리의 빔이 양단 자유단에서 집중 하중을 받는 반발력과, 350mm 스팬을 갖는 두께 100mm, 폭 30mm의 섬유 강화 플라스틱의 빔이 자유단 양쪽 지지 빔의 균등 하중을 받았을 때의 반발력의 합계로서 계산할 수 있다.

당해 복합빔에 700N의 하중이 걸린 경우에는, 섬유 강화 플라스틱의 영률을 10GPa, 구리의 영률을 110GPa로 하면, 섬유 강화 플라스틱 빔의 중앙 위치에서의 최대 변형량은 0.011mm, 최대 굽힘 응력은 0.43MPa, 최대 휨률은 0.0043%로 계산된다. 당해 최대 굽힘 응력은 섬유 강화 플라스틱의 항장력 130MPa보다도 충분히 작다. 따라서, 섬유 강화 플라스틱의 강성 구조체(810)를 도가니(200)에 끼워 맞추면, 실리콘 용액이 끼어 들었을 때의 응고체적 팽창에 의한 힘을 받는 도가니(200)를 영구 변형으로부터 방지할 수 있어, 실리콘 주괴(S)를 연속하여 하강할 수 있게 된다.

다음에 원주 형상의 실리콘 주괴(S)를 제조하는 원통 형상의 도가니(200)를 사용하는 경우에 대하여, 외주에 섬유 강화 플라스틱의 강성 구조체(820)를 끼워맞춘 도가니(200)의 변형 강도에 대하여 추산한다. 일본공업규격(JIS B9265)에 정해진 압력 용기의 강도 계산에서는, 내압이 걸린 얇은 원통에서는 용기의 원주 방향에 작용하는 인장응력에 대하여 안전률 4를 사용하는 것이 기술되어 있다. 실리콘을 주조하는 도가니(200)의 내경을 600mm, 외경을 660mm로 하고, 도가니(200)의 외주에 끼워맞추는 섬유 강화 플라스틱의 강성 구조체(820)의 두께를 2mm, 끼워맞추는 폭을 50mm로 한다. 이 경우에는, 용해 실리콘(S")이 도가니(200)와 응고한 실리콘 주괴(S) 사이에 끼어 들어가 응고할 때에 도가니(200)의 내면을 미는 힘은 1mm당 2N의 힘이 작용하기 때문에, 도가니(200)의 1884mm의 내주 전체에서는 3768N의 힘이 작용한다고 한다. 이 합계한 도가니(200)를 외측으로 미는 힘은 도가니(200)의 강성에 의한 반력을 고려하지 않으면, 도가니(200)의 강성을 통하여 도가니(200)의 외주면에 끼워맞추어진 섬유 강화 플라스틱의 원통 형상의 강성 구조체(820)를 내측으로부터 균등하게 미는 힘이 된다고 근사할 수 있다.

따라서, 내경 660mm, 폭 50mm, 두께 2mm의 섬유 강화 플라스틱의 원통 형상의 강성 구조체(820)에는 합계로 3768N의 힘이 103620mm²의 내면에 균등하게 걸린다고 근사된다. 이 때문에, 내압 0.037MPa이 작용하는 내경 660mm, 두께 2mm의 섬유 강화 플라스틱의 원통 형상의 강성 구조체(820)에서는, 원주 방향에 작용하는 인장응력은 6.6MPa이 된다고 계산된다. 일본공업규격(JIS B9265)에서는 안전률을 4로 하고 있으므로, 당해 섬유 강화 플라스틱의 인장강도가 26.4MPa 이상이면, 원통 형상의 강성 구조체(820)의 파괴에 대한 문제는 없다. 전술한 바와 같이, 당해 섬유 강화 플라스틱의 인장강도는 130MPa이므로, 안전률을 포함시킨 필요 강도보다도 충분히 커, 실리콘 용액(S")가 끼어 들었을 때의 응고 체적 팽창에 의한 힘을 받는 도가니(200)에 끼워맞춘 섬유 강화 플라스틱의 원통 형상의 강성 구조체(820)의 파괴와 도가니(200)의 변형을 방지할 수 있다.

<그 밖의 부재의 구성>

상기 유도 코일(300, 300')은 전압이 부하됨으로써 상기 도가니(200) 내의 실리콘괴를 유도 발열시켜 용해시키는 것이다.

특히 도 2에 도시하는 유도 코일(300)은 2개의 상이한 유도주파수의 유도 코일(310, 320)이 상하에 배치되어 이루어진다. 이들 2개의 상이한 유도주파수의 각 유도 코일(310, 320) 사이에는, 피차의 자기작용을 차단하기 위한 자기 차폐판(330)이 설치되어 있다. 또한, 각 유도 코일(310, 320)에 부하하는 단자 전압을 바람직하게는 900V 이하, 더욱 바람직하게는 600V 이하로 하는 것이 좋다.

상기 온도제어로(600)는 용해 실리콘(S')을 완만하게 냉각하여 응고시키기 위한 것이다. 일반적으로, 상방에서 하방을 향하여 소정의 온도구배를 유지하고 있고, 최종적으로는 용해 실리콘(S')을 소정 온도까지 완만하게 냉각하게 되어 있다.

상기 흑연대(400)는 흑연으로 이루어지는 받침대이다. 주조시에는 상하이동 장치(500)에 의해 하측의 유도 코일의 높이까지 배치된 뒤, 장입된 실리콘괴가 대 위에 재치된다. 그리고, 노체 용기(100) 내를 중심선을 따라 하강함으로써, 용해 실리콘(S')을 하강시키면서 응고시키게 되어 있다.

상기 상하이동 장치(500)는 상기 흑연대(400)를 노체 용기(100)의 중심선을 따라 상하로 이동시키는 것이다. 이 상하의 이동에 대해서는, 달리 설치된 구동장치(도시 생략)에 의해 주조 조건에 따라 상하로 적당하게 이동하게 되어 있다.

상기 원료공급 용기(700)는 원료가 되는 실리콘괴나 흑연괴를 상방으로부터 도가니(200) 내로 장입하는 것이다. 우선은 소정 중량의 실리콘괴를 장입한 뒤, 그 상면에 흑연괴를 장입한다. 이 흑연괴는 실리콘의 발열을 보조하는 것으로, 유도 코일을 통전하면, 우선 흑연괴가 발열하여 승온한 뒤, 하방의 실리콘괴가 흑연의 복사열을 받아 승온한다. 실리콘괴가 소정 온도 이상이 되면 실리콘괴의 전기 저항값이 떨어지고, 실리콘괴 중의 유도 전류가 증가하여 자기발열을 개시한다. 실리콘괴가 자기발열을 개시함과 동시에, 상방의 흑연괴는 도가니(200)로부터 상방으로 뽑아진다.

(실시예 1)

실리콘 전자 주조 장치의 실시예로서, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 도가니(200)의 외주면에 전기적 절연체를 사용한 강성 구조체(810)를 끼워맞춘 장치를 사용하여 각주 형상의 실리콘 주괴(S)를 제조하는 경우로서, 다음과 같이 행했다.

본 실시예에서는, 실리콘 주괴(S)의 주조 방향에 대한 횡단면은 정방형이고, 그 폭 길이는 35cm였다. 따라서, 수평 방향의 횡단면이 정방형인 도가니(200)의 내측 폭 직경을 35cm, 외측 폭 직경을 41.6cm로 하고, 도가니(200)를 세로 방향으로 전기적으로 절연하기 위한 분할수를 60으로 했다. 60으로 분할한 도가니(200)의 각 세그먼트의 길이는 70cm이며, 내부에 냉각수를 순환하도록 가공되고, 각 세그먼트 사이에는 전기적 절연재인 운모를 삽입했다. 도가니(200) 내의 냉각수는 합계로 매분 500리터의 유량이었다.

또한 2개의 유도 코일(310, 320)은 상하로 배열 설치되고, 상방측의 유도 코일(310)은 정방형의 2턴으로 내측 폭 직경이 42.6cm, 높이가 15cm이며, 최대 출력 350kW의 유도 전원에 접속되고, 유도 주파수를 10kHz로 설정했다. 또한 하방측의 유도 코일(320)은 상방측의 유도 코일(310)과 동일한 형상이었지만, 최대 출력 150kW의 유도 전원에 접속되고, 유도 주파수를 35kHz로 설정했다. 병설한 2개의 유도 코일(310, 320)은 도가니(200)의 높이 방향의 중심에 설치되고, 양쪽 유도 코일(310, 320) 사이에는 두께 3mm의 구리제의 자기 차폐판(330)이 설치되고, 이 자기 차폐판(330)의 외주를 파형관에 의해 수냉했다.

또한 섬유 강화 플라스틱을 사용한 강성 구조체(810)를 도가니(200)의 외주면에 끼워맞춘 모습을 도 3에 도시했다. 도가니(200)의 외변을 따라 내변(빔의 길이)이 41.6cm, 빔의 두께가 10cm, 빔의 폭이 3cm인 강성 구조체(810)를 하방측의 유도 코일(320)의 바로 아래에 도가니(200)와 접착 고정하여 끼워맞추었다.

본 실시예의 조작 수순은 이하와 같았다. 최초에, 끌어내림 방향에 대한 횡단면이 정방형이고 폭이 35cm의 흑연대(400)를 그 상면이 유도 코일(320)의 하단 위치와 동일하게 되도록 상하이동 장치(500)에 올려놓고 도가니(200) 속에 하방으로부터 삽입하고, 이 흑연대(400) 위에 50kg의 실리콘괴를 장입했다. 장입한 실리콘괴의 상면으로부터 2cm 상방에는, 끌어내림 방향에 대한 횡단면이 정방형이고, 그 폭이 30cm, 높이가 7cm의 흑연괴를 도가니(200)의 상방으로부터 삽입했다. 노체 용기(100) 내를 진공펌프에 의해 0.1Torr까지 감압한 후에 아르곤 가스를 대기압까지 노내에 송입하고, 다음에 주파수 10kHz의 상방측의 유도 코일(310)에는 유도 출력을 인가하여 200kW가 될 때까지 차례로 증가시키고, 이어서 35kHz의 하방측의 유도 코일(320)에도 유도 출력을 인가하여 100kW까지 증가시켰다. 2개의 유도 코일(310, 320)에 통전하면, 우선, 실리콘괴의 상방에 삽입된 흑연괴가 유도 발열해서 승온하여 적색이 되고, 다음에, 장입된 실리콘괴가 적색으로 된 흑연괴의 복사열에 의해 승온했다. 이 실리콘괴의 온도가 약 500℃가 되면 실리콘의 전기 저항값이 떨어지고, 실리콘괴 중의 유도 전류가 증가하여 자기 발열을 개시했다. 실리콘괴가 자기 발열을 개시함과 동시에, 상기 흑연괴를 도가니(200)로부터 상방으로 뽑아냈다. 또한 유도출력을, 상방측의 유도 코일(310)에 대해서는 350kW까지, 하방측의 유도 코일(320)에 대해서는 150kW까지, 각각 증가시켜 실리콘의 용해를 가속시켰다. 자기 발열을 개시한 실리콘괴는 더욱 승온되어, 얼마 되지 않아 완전히 용해되었다. 용해 실리콘(S')이 도가니(200)의 내면벽과 대면하는 측면은 전자기력을 받아 용해 실리콘(S')은 도가니(200)와 비접촉으로 이간했다.

초기에 장입한 실리콘이 완전히 용해되어 안정적으로 유지된 후, 도가니(200)의 바로 아래에 설치된 실리콘 주괴의 온도제어로(600)를 승온하여 실리콘 주괴의 하강 방향으로 약 35℃/cm의 온도구배를 유지시켰다. 다음에 1에서 20mm로 입도 조정된 실리콘 원료를 상방에 위치하는 원료공급기(700)로부터 도가니(200) 속에 연속적으로 장입하면서, 용해 실리콘(S')을 유지하고 상하이동 장치(500)를 하강시켜 주조를 개시했다. 상하이동 장치(500)의 하강이 개시되고, 용해 실리콘(S')이 하방측의 유도 코일(320)의 하단의 위치보다도 하강하면 용융 실리콘(S')이 받는 전자력이 감소하여 냉각되어 응고한다.

이렇게 하여, 연속적인 원료의 공급과 연속적인 주괴의 응고가 동시에 행해지고 연속 주조가 실시되었다. 본 실시예에서는 주조속도를 매분 2.0mm로 행하고, 정상적인 주조시의 유도전원 출력은 상방측의 유도 코일(310)에서는 약 260kW, 하방측의 유도 코일(320)에서는 약 80kW이었다. 주조는 주괴의 전체 길이가 200cm가 되면 정지되었다.

상기의 수순으로 주조한 주괴를 실온까지 냉각한 후에 주괴를 노내로부터 취출하고, 도가니(200)의 내변의 외측으로의 변형을 측정했다. 그 결과, 도가니(200)는 변형되지 않은 것이 확인되었다.

(실시예 2)

실리콘 전자 주조 장치의 실시예로서, 도 4 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 도가니(200)의 외주면에 전기적 절연체를 사용한 강성 구조체(820)를 끼워맞춘 장치를 사용하여 원기둥 형상의 실리콘 주괴(S)를 제조하는 경우로서, 다음과 같이 행했다.

본 실시예에서는, 실리콘 주괴의 주조 방향에 대한 횡단면은 원형이며, 그 직경은 600mm이었다. 따라서, 도가니(200)의 내경을 600mm, 외경을 660mm로 하고, 도가니(200)를 세로 방향으로 전기적으로 절연하기 위한 분할수를 60으로 했다. 60으로 분할한 도가니(200)의 각 세그먼트는 내부에서 냉각수가 순환하도록 가공되고, 각 세그먼트 사이에는 전기적 절연재의 운모를 삽입했다. 도가니(200) 내의 냉각수는 합계로 매분 500리터의 유량이었다.

또한 유도 전원은 최대 출력 600kW, 주파수는 약 6kHz를 사용했다. 유도 코일(300')은 내경 670mm의 3턴이고 코일 높이는 300mm이었다. 실리콘 용탕을 상면으로부터 가열하는 플라스마 제트 장치(도시 생략)는 직경이 98mm이고 길이가 1.5m의 수냉각된 플라즈마 토치, 최대 출력 300kW의 직류전원, 플라즈마 가스 점화용의 고주파 발신 장치 및 아르곤 가스의 유량제어기로 구성되었다. 플라즈마 토치의 플라즈마 분사구의 직경은 18mm이었다.

또한 섬유 강화 플라스틱을 사용한 강성 구조체(820)를 도가니(200)의 외주에 끼워맞춘 모습을 도 5에 도시했다. 도가니(200)의 외주를 따라 두께가 2mm, 폭이 50mm의 강성 구조체(820)를 유도 코일(300')의 바로 아래에, 도가니(200)에 감아서 접착 고정했다.

본 실시예의 수순은 이하와 같다. 최초에, 끌어내림 방향에 대한 횡단면의 직경이 600mm의 흑연대(400)를 받침대의 상면이 유도 코일(300')의 하단 위치와 동일하게 되도록 상하이동 장치(500)에 올려놓고 도가니(200) 속에 하방으로부터 삽입하고, 이 흑연대(400) 위에 120kg의 실리콘괴를 장입했다. 이어서, 노체 용기(100) 내를 진공펌프에 의해 0.1Torr까지 압력을 내린 후에 아르곤 가스를 대기압까지 노 내에 송입했다. 다음에, 플라즈마 토치를 그 선단이 받침대 위의 실리콘괴에 접근하도록 하강시키고, 또한 아르곤을 플라즈마 토치에 매분 200리터 유입하여 직류 플라즈마를 플라즈마 토치의 음극과 실리콘괴 사이에 점화했다. 플라즈마의 점화를 확인한 후, 유도 전원을 발신시키고 실리콘괴에 전력을 인가했다.

아르곤 플라즈마의 점화와 유도 전원의 인가를 개시하고 서서히 투입 전력을 증가하면, 실리콘괴의 온도상승이 빨라지고, 머지않아 실리콘괴의 용해가 시작되었다. 실리콘의 용해가 시작되고나서 실리콘 원료를 원료공급기(700)로부터 더 투입하여 용해 실리콘(S')의 양이 250kg이 될 때까지 투입을 계속했다. 플라스마 제트의 조사를 받고, 또한 도가니(200) 내에서 유도 용해된 실리콘의 용탕의 상태는 안정되어 있어, 실리콘 용탕이 도가니(200)의 내면벽과 대면하는 측면은 전자기력을 받아 도가니(200)와는 비접촉으로 이간되었다.

초기 용해가 안정적으로 된 후, 도가니(200)의 바로 아래에 설치된 주괴의 온도제어로(600)를 승온하여 실리콘 주괴(S)의 하강 방향으로 약 50℃/cm의 온도구배를 유지시켰다. 또한, 파쇄한 실리콘 원료를 상방에 위치하는 원료공급기(700)로부터 도가니(200) 속에 연속적으로 장입하면서, 용해 실리콘(S')을 유지하고 있는 상하이동 구동 장치(500)를 하강시켜 주조를 시작했다. 상하이동 구동 장치(500)의 하강이 시작되자, 연속적인 원료의 공급과 연속적인 주괴의 응고가 동시에 이루어져 연속 주조가 실시되었다. 본 실시예에서는 주조 속도를 매분 3.0mm로 행하고, 정상적인 주조시의 유도 전원 출력은 약 400kW, 플라즈마 발생을 위한 출력은 전압 약 130V, 전류 약 1500A의 약 200kW로 행해졌다. 주조는 주괴의 전체 길이가 3m가 되면 정지되었다.

상기의 수순으로 주조한 주괴를 실온까지 냉각한 후에 주괴를 노 내로부터 취출하여, 도가니(200)의 내변의 외측으로의 변형을 측정했다. 그 결과, 도가니(200)는 변형되지 않은 것이 확인되었다.

(산업상의 이용가능성)

본 발명은 태양전지용 실리콘 기판을 위한 고품질의 실리콘 주괴를 제조하기 위하여, 실리콘괴를 유도 발열에 의해 용해하여 실리콘 주괴를 제조하는 실리콘 전자 주조에 적용 가능하다.

1…본 장치 100…노체 용기
200…도가니 300…유도 코일
310…상방측의 유도 코일 320…하방측의 유도 코일
330…자기 차폐판 400…흑연대
500…상하이동 장치 600…온도 제어로
700…원료 공급기 810, 820…강성 구조체

Claims (3)

1. 노체 용기와, 노체 용기의 내부에 설치된 도전성의 도가니와, 이 도가니의 외주에 설치된 유도 코일을 구비하고, 상기 노체 용기 내를 소정의 기체로 일정 압력으로 하고, 상기 유도 코일에 전압을 부하함으로써 상기 도가니 내의 실리콘을 유도 발열시켜 용해한 뒤에 응고시키는 실리콘 전자(電磁) 주조 장치에 있어서, 상기 도가니의 외주면에 전기적 절연재로 이루어지는 강성 구조체가 끼워맞추어져 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 전자 주조 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 강성 구조체는, 용해한 실리콘과 응고한 실리콘 주괴와의 응고 계면 높이 위치에서, 상기 도가니의 외주면에 끼워 맞추어져 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 전자 주조 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 강성 구조체는 내경이 35cm 이상의 상기 도가니의 외주면에 끼워맞추어져 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 전자 주조 장치.
   

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