KR20070095130A - 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니로서, 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 이루어지며, 상기 냉 도가니의 내벽면중, 유도코일이 배열된 지점보다 종 방향으로 아래 부근에 형성된 홈에 삽입되어 있는 단열인서트 부재를 포함하는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니를 제공한다.

본 발명에 의하면, 원료의 가열 및 용해 효율을 현격히 향상시키고, 특히 용탕의 상부 가열효과를 향상시키는데 효과적이며, 용탕의 전 구간에 걸쳐 무접촉 내지 연 접촉 상태를 유지하며, 유도가열 이외 2차 가열 원의 병용이 용이하며, 결정결함 및 균열의 생성을 효과적으로 억제할 수 있으며, 도가니의 유지관리가 쉬우며, 간단한 도가니를 사용하여 전자기 연속주조를 가능케 하는 이점이 있다.

전자기 연속주조기용 도가니, 열 도가니, 단열인서트부, 단열 자기장 투과덮개

Description

용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니{A crucible for an electromagnetic continuous casting apparatus with high melting efficiency and product yield}

도 1은 종래의 전형적인 전자기 연속주조기용 도가니의 전체 구성도.

도 2는 종래기술의 비교예에 사용된 냉도가니의 구조를 설명하기 위한 단면도.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전자기 연속주조기용 도가니의 구조를 설명하기 위한 단면도.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전자기 연속주조기용 도가니의 구조를 설명하기 위한 단면도.

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전자기 연속주조기용 도가니의 구조를 설명하기 위한 단면도.

도 6은 본 발명의 제 2 실시예와 제 3 실시예에따라 제조된 실리콘 주괴의 CT 단층 촬영사진.

도 7은 본 발명의 제 2 실시예와 제 3 실시예에 따라 제조된 실리콘 주괴를 절단한 단면사진.

〈도면의 주요부분에 대한 설명〉

1: 유도코일 2: 냉 도가니

3: 슬릿 4: 세그먼트

5: 용탕 6: 장입 원료

7: 더미바(dummy bar) 8: 주괴(ingot)

9: 플라즈마 아크 가열 원 10: 어닐링 로

11: 열 도가니 12: 단열재(자기장 투과)

13: 단열인서트 부재 20: 분획 판

21: 유입구 22: 배출구

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

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

지금까지는 다 결정 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 슬라이스 하는 제조 방법이 가장 널리 사용되어 왔다. 그러나 이 방식은 흑연도가니와 석영도가니로부터 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 도 1에 나타낸 바와 같이, 유도코일(1)과 유도코일(1)의 내측에 배치된 도전성 소재(통상적으로 무산소동을 사용함)로 제작된 하부 개방형의 연속주조형 냉 도가니(2)(cold crucible)가 사용된다.

이 냉 도가니(2)는 둘레방향을 따라서 적어도 일부분이, 특히 유도코일(1) 내측에 위치하는 부분은 종 방향의 슬릿(3)들에 의해 여러 개의 세그먼트(4)들로 분할된 구조이며, 용탕(5)의 응고와 냉 도가니(2)의 보호를 목적으로 내부로 냉각수가 통과하는 수냉구조로 이루어져 있다.

이와 같이 종 방향으로 형성된 슬릿(4)은 유도코일(1)에 흐르는 고주파의 전 류에 의해 발생하는 자기장을 냉 도가니(2) 내부까지 투과시켜 용해 원료에 유도 전류를 발생시키게 되는 데, 그에 따른 주울 가열(Joule heating) 효과로 연속적으로 공급되는 장입 원료(6)를 가열 용해시킬 뿐만 아니라, 냉 도가니(2)의 내부 쪽으로 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 냉 도가니가 수냉 구조로 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 냉 도가니에서는 단지 주조공정만이 이루어지는 반면, 고순도를 요하는 재료의 주괴를 제조하기 위해서는 냉 도가니 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 컸지만 유도 발열로 인한 가열효과는 작아 소재를 효율적으로 연속 용해하는 데에 어려움이 있다. 이는 아주 낮은 열전도도와 약 700^oC 미만의 온도에서의 전기적으로 비전도성의 실리콘과 유도가열원 사이의 결합(coupling) 의 부족에 기인한 것이다.

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

따라서 본 발명자들은 낮은 전기전도성 재료를 전자기 연속주조하는데 있어 용탕의 전 구간에 걸쳐 용탕에 작용하는 전자기압을 용탕의 정수압보다 큰 상태로 유지하면서도, 원료의 가열 및 용해효율을 현격히 향상시키기 위하여, 수직축을 가지며, 상부의 열 도가니와 하부의 냉 도가니로 이루어지며, 유도코일에 의해 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는「고 용해효율 전자기 연속주조장치」를 대한민국 특허출원번호 10-2004-0065177에서 제시하였다.

한편, 본 발명자들에 의한 계속된 연구에 의하면 고 융점이고 전기전도도가 낮으면서도 취성이 큰 반도체나 금속 재료를 전자기 연속주조하는데 있어서 도가니의 구조는 작업의 용이성, 원료의 용해효율, 주괴의 품질 및 회수율 등에 큰 영향을 미친다.

종래의 전자기 연속주조법에 사용되는 냉 도가니를 살펴보면, 독립적인 여러 개의 세그먼트들이 주괴의 단면형상에 맞게 조립되어 사용되는 조립형과 냉 도가니의 종 방향 중 일부분만 종 방향 슬릿에 의해 세그먼트로 분할되고 나머지 부분은 둘레방향으로 일체화되어 있는 일체형이 사용되고 있는데, 우선 조립형 냉 도가니 의 경우에는 주괴의 단면 형상 및 크기가 결정되기 전인 연구개발 단계에 있어서는 편리하나 생산단계에 있어서는 독립적인 세그먼트를 해체하거나 조립하는 과정으로 인해 작업의 용이성이 떨어지는 단점이 있다.

일체형 냉 도가니의 경우에는 세그먼트들의 변형 방지 및 형상 유지에는 유리하나, 현행처럼 도 2와 같이 슬릿이 없어 냉 도가니 내부로의 자기장 투과를 차폐하는 무 슬릿부가 냉 도가니의 상부에 위치하여 사용되게 되면 원료의 용해효율이 떨어지는 문제점이 있다. 즉, 차가운 고체의 원료가 공급되며, 정수압이 작아 용탕이 도가니 벽으로부터 멀리 떨어지게 되고 그에 따라 자기장의 집중효과가 작게 되는 용탕 상부에서의 자기장 값을 더욱 낮추게 되어 유도발열량이 크게 줄어들게 되며, 또한, 대한민국 특허출원번호 10-2004-0065177에서와 같은 용해효율 향상을 위한 열 도가니를 설치하기에도 곤란하며 설치하더라도 큰 효과를 기대할 수 없다.

이때 일본 특허출원공개번호 특개 2001-19594에 의하면 부족한 가열효과를 보충하기 위하여 플라즈마 아크 가열 원을 병용하게 되는 경우에는 냉 도가니 내 벽면으로의 사이드 아크가 발생하는 문제가 일어나 이를 방지하기 위하여 석영관 등을 추가적으로 설치 절연을 해 주어야 한다.

반대로 일체형 도가니의 무 슬릿부를 냉 도가니의 하부에 오도록 위치시켜 사용하게 되면, 용탕 상부에서의 자기장 감쇄 효과를 줄일 수 있고 열 도가니를 설치하기에도 적합하여 원료의 가열효과 관점에서는 유리하나, 이번에는 주괴의 품질 및 회수율에는 나쁜 영향을 미치게 된다. 즉, 냉각부인 응고 층이 형성되는 유도코 일 하단으로부터 냉 도가니를 빠져나오기까지의 거리가 길어짐에 따라 주괴의 온도 하락이 급격히 이루어지게 되므로, 큰 열응력장이 형성되어 전위 같은 결정결함이 생성되기 쉽고, 특히 취성이 큰 재료의 경우에는 균열이 발생하여 회수율을 떨어뜨리게 된다.

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 전자기 연속주조기용 도가니를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 목적은 취성이 큰 반도체 또는 금속재료를 고 순도의 다 결정 주괴로 결정 결함 및 균열의 생성이 없이 높은 회수율로 전자기 연속 주조할 수 있는 전자기 연속주조기용 도가니를 제공하는 것을 목적으로 한다.

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

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

이때 원료가 고 융점이면서도 낮은 전기전도성의 재료인 경우에는 고주파전원장치의 용량이 작아 유도코일에 인가되는 전류가 작으면 유도 발열에 의한 가열효과가 복사열 방출에 의한 냉각효과보다 작아 용탕이 쉽게 냉각 응고되어 연속적이 용해 주조 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.

또한, 고 융점이면서 전기전도도가 낮고 취성이 큰 재료인 경우에는 결정결함 및 균열의 발생을 막기 위하여 유도코일 하단을 벗어나 응고 층이 형성되게 되면 급격한 온도 하락을 피하는 것이 바람직하다. 특히, 실리콘과 같은 반도체 재료는 일단 응고가 일어나게 되면 전기전도도가 현격히 떨어지고 그에 따라 유도발열량이 급격히 줄어들게 되므로 주괴의 온도는 더욱 쉽게 하락하게 된다.

따라서 본 발명에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 수직축을 갖고 바닥 면이 없이 개방되어 있는 전자기 연속주조기용 도가니를 다음과 같이 구성하였다.

상기 전자기 연속주조장치에 사용되는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니로서, 상기 도가니는 수직축을 가지며, 상부의 열도가니와 하 부의 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 이루어지며, 상기 냉 도가니 상부 외 측의 적어도 일부와 상기 열도가니 외 측의 적어도 일부는 유도코일에 내측에 위치하여 원료의 용해 효율을 현격히 향상시키면서도 용탕의 전 구간에 걸쳐 전자기력이 용탕의 정수압보다 큰 상태로 유지하며, 상기 냉도가니의 내 벽면 중 종 방향으로 유도코일보다 아래 지점에 위치하는 적어도 일부는 홈을 파내고 비금속 재료로 된 단열인서트 부재를 삽입하여 복사열 방출량을 줄이도록 하는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니를 제공한다.

바람직하게는, 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 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니를 제공한다.

또한 바람직하게는, 상기 열 도가니와 상기 단열인서트 부재는 상기 냉 도가니와의 사이에 저 전기전도성 및 저 열전도성의 시트를 삽입하거나 공극을 둠으로써 열적 및 전기적으로 분리되어 있는 것이 바람직하다. 특히, 상기 냉 도가니와 전기적으로 분리된 열 도가니는 플라즈마 및 전자빔과 같은 가열 원을 병용하는 경우 사이드 아크 발생의 방지에 유리하고, 열적으로 분리되어 있어야 발생된 열을 냉도가니쪽으로 손실되는 양을 줄이고 용탕으로 전달되는 양을 늘려 유리하다. 또 한 단열인서트 부재는 열적으로 냉도가니와 분리되어 있어야 단열인서트 부재 표면온도가 주괴의 온도에 더 가까워져 복사열 방출에 의한 주괴의 급속한 냉각을 억제하는데 유리하게 되고, 전기적으로 분리되어 있어야 사이드 아크 발생 방지에 유리하게 된다.

또한 바람직하게는, 상기 냉도가니의 수냉구조는 유입구와 배출구가 상기 냉도가니의 하부의 하단부에 형성되어 있는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니를 제공한다. 유입구와 배출구의 위치를 냉도가니의 하단부에 형성하는 이유는, 일체형 냉도가니의 경우 무 슬릿부를 냉도가니의 하부에 오도록 위치시켜 사용함으로써 차가운 고체의 원료가 공급되며 정수압이 작아 용탕이 도가니 벽으로부터 멀리 떨어지게 됨에 따라 자기장의 집중효과가 작게 되는 용탕 상부에서의 무 슬릿부에 의한 자기장 감쇄 효과를 줄일 수 있고, 열 도가니를 설치하기에도 적합하여 원료의 가열효과 관점에서 유리하기 때문이다.

또한 바람직하게는, 상기 전기전도성의 비금속재료는 흑연인 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니를 제공한다.

또한 바람직하게는, 상기 도가니의 외부를 둘러싸는 단열재의 자기장 투과덮개를 추가로 포함하는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니를 제공한다.

또한 바람직하게는, 상기 종방향의 슬릿들중 적어도 일부가 상기 열도가니와 상기 냉도가니에 걸쳐서 직선적으로 이어지는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니를 제공한다.

( 실시예 )

이하, 본 발명을 비교예와 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 2 ~ 도 4와 같이 전자기 연속주조기용 도가니의 구조를 변경하면서 자기장을 측정 비교하고, 실리콘의 용해 및 주조실험을 수행하였으며, 제조한 주괴는 CT단층촬영법 및 단면절단에 의한 직접검사법을 병행 균열 발생 여부를 확인하였다.

도가니의 외부에는 선경 10mm의 수냉 동관을 내경 125mm, 외경 145mm의 5~8턴의 솔레노이드 형태로 감은 유도코일(1)을 위치시키되 유도코일(1)의 상단이 도가니 상단으로부터 5mm 아래에 위치하도록 설치하였으며, 주파수 20 kHz의 교류전류를 최대 1,230 A까지 인가하였다.

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

( 비교예 )

도 2에 보여진 바와 같이, 종래의 도가니는 유도코일(1) 내측에 배치된 도전 성 재료의 하부개방형의 냉 도가니(2)로 이루어지는데, 상기 냉 도가니(2)의 상부는 둘레방향으로 일체화된 무 슬릿부이며, 하부는 둘레방향을 따라서 종 방향의 슬릿(3)들에 의해 여러 개의 세그먼트(4)로 분할된 일체형의 구조이다. 또한, 용탕(5)의 응고와 도가니의 보호를 목적으로 도가니의 내부는 냉각수를 통과시켜 수냉시키는 구조로 하였다. 주괴의 직경을 결정하는 냉 도가니의 내경은 50mm였으며, 12개의 슬릿(3)에 의해 같은 간격의 세그먼트로 분할하였다.

비교예에서는 실시예 1 ~ 실시예 3에 비교하여 동일 인가전류 하에서 가장 낮은 자기장 값을 보였으며, 그 결과 초기 용탕(5)을 형성시킨 후의 연속적인 용해 주조 공정이 매우 어려웠다. 이는 실리콘이 전기전도도가 작고 융점이 높은 재료로서 유도 발열에 의한 가열효과는 작은 반면 복사열 방출에 의한 냉각효과는 커 용탕(5)이 쉽게 냉각되기 때문이다.

제 1 실시예

도 3에 보여진 바와 같이, 제 1 실시예의 도가니(2)는 바닥면이 없이 개방되어 있는 원통형 부재로 이루어진다. 하부개방형 냉 도가니(2)에서 상부는 둘레방향으로 다수의 부분(세그먼트)(3)으로 나누어지고, 그의 하부는 둘레방향으로 무 슬릿부로 이루어진 일체형의 구조를 이루고 있다. 냉 도가니의 상부에 다수의 슬릿이 형성됨으로써, 자기장이 내부까지 투과시키며, 냉 도가니의 하부는 일체화되어 상부부분의 세그먼트(4)들을 지지 유지한다. 주괴의 직경을 결정하는 냉 도가니의 내경은 50mm였으며, 12개의 슬릿(3)에 의해 등간격의 세그먼트로 분할하였다.

또한, 냉 도가니(2)의 내부는 용탕(5)의 응고와 도가니의 보호를 목적으로 도가니의 내부는 냉각액을 통과시켜 수냉하는 구조로 되어 있다. 구체적으로 설명하면, 분획 판(20)에 의해 분획 되어 내부와 외부를 형성함으로써, 냉 도가니(2)의 하단부에 형성된 유입구(21)을 통해 도입된 냉각액이 내부를 따라서 상승하면서 내벽 표면을 냉각시킨 후에, 외부부분을 따라서 하강하여 냉 도가니(2)의 하단부에 형성된 배출구(22)에 모여진 후, 냉 도가니(2)밖으로 배출된다.

유도코일(1)은 개방형 도가니(2)의 상부 외 측에 동심원을 이루면서 제공되며, 동축케이블(도시되지 않음)에 의해 전원(도시되지 않음)에 연결된다. 유도코일(1)과 동축케이블(도시되지 않음)은 동일한 냉각수단에 의해 냉각되어 진다.

하부개방형 냉 도가니(2)는 둘레방향으로 형성된 세그먼트들(4)사이의 폭이 약 13mm 이다. 하부개방형 도가니(2)의 재료는 동 이외에 전도성 재료가 사용될 수 있다.

제 1 실시예에서는 비교예를 포함한 모든 실시예 중에서 가장 높은 자기장 값을 보였으나, 여전히 초기 용탕(5)을 형성시킨 후의 연속적인 용해 주조 공정은 어려웠다. 이는 전자기장 해석 전용 상용프로그램인 OPERA-3D의 계산결과에 의하면 제 1 실시예와 같은 전자기 연속주조공정에서 발생하는 총 유도발열량의 약 70%가 냉 도가니(2)에서 발생하여, 원료의 가열 및 용해에 기여하지 못하고 냉각공정으로 손실되기 때문이다.

제 2 실시예

제 2 실시예에서는, 도 4에서 보는 바와 같이, 하부개방형 냉 도가니(2)는 하부를 제외하고, 상부에 둘레방향으로 12개의 종 방향 슬릿(3)들에 의해 등 간격의 세그먼트(4)로 나누어지는 구조를 갖는 동으로 이루어진 내경 50mm의 중공 원통형 부재로 이루어진다. 종 방향 슬릿들에 의해 세그먼트들로 분할되어 있어, 자기장을 냉 도가니의 내부로 투과시킨다.

하부 개방형 냉 도가니(2)의 하부는 둘레방향으로 일체화되어 상부의 세그먼트(4)들을 지지 유지한다.

냉 도가니(2)의 내부는 분획 판(20)에 의해 분획 되어 내부와 외부를 형성함으로써, 냉 도가니(2)의 하단부에 형성된 유입구(21)를 통해 도입된 냉각액이 내부를 따라서 상승하면서 내벽 표면을 냉각시키고, 외부부분을 따라서 하강하여 냉도가니(2)의 하단부에 형성된 배출구(22)에 모여진 후, 냉 도가니(2)밖으로 배출된다. 본 발명에 따른 실시예에서는 유입구(21)와 배출구(22)가 냉 도가니의 하부의 하단부에 형성되는 구조를 이루고 있다.

하부개방형 도가니(2)는 둘레방향으로 형성된 세그먼트들(4)사이의 폭이 약 13mm 이다. 하부개방형 도가니(2)의 재료는 동 이외에 전도성 재료가 사용될 수 있다.

열 도가니(11)는 동심원을 이루며 연통가능하게 하부개방형 냉 도가니(2)위에 제공된다. 냉 도가니(2)위에 배열된 열 도가니(11)는 냉각구조를 가지지 않고 냉각이 되지 아니하며, 내경 50mm, 외경 80mm, 높이 30mm인 흑연 소재로 제작되며, 상부는 둘레방향으로 일체화되어 있는 구조로 하고, 하부는 길이 20mm인 슬릿(3)에 의해 12개의 등간격 세그먼트(4)로 분할된 구조로 되어 있다.

유도코일(1)은 냉 도가니(2)의 상부의 외측둘레의 적어도 일부와 열 도가니(10)의 외측둘레의 적어도 일부를 둘러싸도록 배열되어 있으며, 냉 도가니(2)의 상부에 형성된 종 방향의 슬릿(3)들과 열 도가니(10)의 하부에 형성된 슬릿(3)들은 두 도가니의 경계 부근에서도 전자기력이 도절 및 상쇄되지 않도록 서로 연속되게 하였다.

제 2 실시예에서는 제 1 실시예보다는 다소 낮은 자기장 값을 보였으나 비교예 보다는 월등히 높은 자기장 값을 보였으며, 용해 주조 실험 결과 고체 원료(6)를 170g/min 이상의 속도로 투입하며 용탕(5)과 도가니와의 접촉도 억제하면서 연속 적으로 용해 주조할 수 있었다.

하지만, 도 6과 도 7에서와 같은 균열이 주괴 내부에 형성되는 문제점이 발생하였다. 이는 냉각부의 길이, 즉 응고 층이 형성되는 유도코일(1) 하단으로부터 냉 도가니(2)를 빠져나오기까지의 거리가 길어짐에 따라 주괴(8)의 온도 하락이 급격히 이루어지게 되어 큰 열응력장이 형성되었기 때문에 취성이 큰 실리콘 주괴에 균열이 발생한 것이다.

제 3 실시예(최적 양호한 실시예)

제 3 실시예는 도 5에서 보는 바와 같이, 냉 도가니(2)의 내 벽면 중 종 방향으로 유도코일(1)의 아래에 위치하는 내벽의 일부를 홈을 파내고 비금속 재료로 된 단열인서트 부재(13)를 삽입한 구조를 갖는다. 그 외의 나머지 조건은 제 2 실시예와 동일하다.

제 3 실시예에서는 실리콘의 용해 주조 실험 결과 용탕(5)을 도가니와의 무접촉 조건에서 고체 원료(6)를 170g/min 이상의 속도로 투입하며 연속적으로 용해 주조할 수 있었다. 또한, CT 단층촬영법 및 단면절단에 의한 직접검사 결과 균열 발생이 없었음을 확인할 수 있었다.

각 실시예에 따른 자기장의 변화, 특히 복사열 방출은 가장 크고 자기장 집중효과는 가장 작을 것으로 판단되는, 용탕(5)의 상부에 대응하는 곳에서의 자기장 값을 평가하기 위하여, 유도코일(1)의 상단부 중심에서의 자기장 값을 측정표 1에 정리하였다. 제 1 실시예 ~ 제 2 실시예에서와 같이 냉 도가니(2)는 세그먼트(4)로 분할된 부분을 위쪽에 배치하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

(표 1) 비교예 및 실시예에서 유도코일 상단부 중심에서의 자기장 값

	비교예	제 1 실시예	제 2 실시예
자기장 (gauss)	150	260	220

도 6과 도 7에는 각각 제 2 실시예와 제 3 실시예에서 제조한 주괴(8)를 CT단층촬영법 및 단면절단에 의한 직접검사법에 의한 균열 발생 여부를 조사한 사진 을 도시하였다. 냉 도가니(2)의 내벽면 중 유도코일(1) 아래에 위치하는 일부를 홈을 파내고 단열인서트 부재(13)를 삽입하는 간단한 방법으로 주괴(8)의 균열 발생을 효과적으로 억제할 수 있음을 알 수 있다. 이는 냉각부에 있어서 단열인서트 부재(13)의 뜨거운 표면이 냉 도가니(2)의 차가운 표면을 대체하게 됨에 따라, 마주하는 두 물체의 표면온도에 의해 결정되는, 좀더 자세히는 두 물체의 표면온도의 네 제곱 값의 차이에 의해 결정되는 복사열 방출량이 많이 줄어들었기 때문이다.

이상과 같은 본 발명은 용탕의 전 구간에 걸쳐 용탕에 작용하는 전자기압을 용탕의 정수압보다 큰 상태로 유지하면서도 원료의 가열 및 용해 효율을 현격히 향상시킬 수 있고, 특히 전자기장의 집중효과가 작아 유도발열량이 작은 반면, 복사열 방출이 큰 용탕 상부의 가열효과를 향상시키는데 효과적이며, 용탕의 전 구간에 걸쳐 무접촉 또는 열 접촉 상태를 유지하여 원료의 용해효율을 현격히 향상시킬 수 있으며, 유도가열 이외의 2차 가열 원의 병용이 용이하다.

또한, 본 발명에 따르면, 냉각부의 복사열 방출을 줄여서 결정결함 및 균열의 생성을 효과적으로 억제할 수 있어 회수율을 향상시킬 수 있으며, 도가니의 유지 관리가 쉽다. 따라서, 고 융점이면서도 전기전도가 낮고 취성이 큰 반도체 또는 금속재료를 간단한 도가니를 사용하여 전자기 연속주조를 가능케 하는 이점이 있다.

Claims (7)

1. 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니로서,

   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 이루어지며,

   상기 냉 도가니의 내벽면 중, 유도코일이 배열된 지점보다 종 방향으로 아래 부근에 형성된 홈에 삽입되어 있는 단열인서트 부재를 포함하는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니.
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 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 열 도가니와 상기 단열인서트 부재는 상기 냉 도가니와 열적 및 전기적으로 분리되어 있는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉도가니의 수냉구조는 유입구와 배출구가 상기 냉도가니의 하부의 하단부에 형성되어 있는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전기전도성의 비금속재료는 흑연인 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 도가니의 외부를 둘러싸는 단열재의 자기장 투과덮개를 추가로 포함하는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니.
7. 제 2 항에 있어서, 상기 종방향의 슬릿들중 적어도 일부가 상기 열도가니와 상기 냉도가니에 걸쳐서 직선적으로 이어지는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니.

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