실리콘 단결정 잉곳 성장을 위한 새들(Saddle) 형태의 초전도 자석 설계 및 제작 :A design and fabrication of saddle type superconducting magnet for silicon single crystal ingot growth

박광명

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박광명 (연세대학교, 연세대학교 공학대학원)

지도교수: 고태국

발행연도: 2018

저작권: 연세대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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초록· 키워드

초크랄스키 법을 사용한 실리콘 잉곳 성장 공정에서 석영 도가니 안의 액상 실리콘의 열적 대류 및 석영 도가니에서 발생하는 불순물과 산소 농도 제어를 위해서 큰 자기장이 필요하다. 이 때 자기장은 넓은 범위에서 1500G 수준의 자기장이 필요하므로 초전도 자석의 사용이 불가피하다. 초전도 자석의 설계 시 일반적인 솔레노이드 코일은 크기가 커지고, 자기장의 균일도가 떨어지는 문제가 있다. 본 연구에서는 같은 자기장 세기에서 크기를 줄일 수 있고, 균일도를 높일 수 있는 말안장형(Saddle Type) 코일을 고려하였다. 다만, 말안장형 코일은 권선 시 선재에 장력에 의해 특정한 부분에 힘을 많이 받게 되어 균일한 권선이 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 가속기 권선의 Coil-End에 사용하는 Constant Perimeter Winding 방법을 적용하여 코일 형상 설계를 하였다. 적용된 코일 형상을 통해 권선의 효율성과 균일도가 향상되었으며, 설계된 코일 형상에 대한 FEM 자기장 해석 또한 진행 되었다. 냉각 방식에 있어서 초전도 코일의 냉매인 액체 헬륨을 사용하지 않고 최소의 냉동기만 사용하는 전도냉각방식으로 설계를 진행하였다. 냉매를 사용하지 않기 때문에 시스템 전체를 냉각하기 위해서 고 효율의 서멀 링크(Thermal Link)를 사용해야 한다. 기존 시스템에서는 효과적인 열 전달을 위해 극저온 냉각용으로 고가의 OFHC(무산소동)를 서멀 링크로 사용하여 비용이 증가하는 문제가 있다. 본 연구에서는 이를 대체할 수 있는 5N Aluminum을 서멀 링크로 사용 하였다.
코일 및 냉각 시스템은 설계에 따라 실리콘 단결정 잉곳 성장용 초전도 자석이 제작되었다. 냉각 테스트 결과 냉동기를 가동한 후 정상운전 온도까지의 냉각 시간은 302시간이 소요되었고, 이는 예상 소요시간보다 34시간 빠른 결과였다. 코일의 냉각 온도 또한 예상하였던 4K 이하(3.77K)이며, 유입되는 전체 열침입 계산과 일치하였다. 중심 자기장을 1500G 여자 후 29시간 유지 실험 결과, 코일의 온도는 0.1K 이내로 상승하여 5N Aluminum의 성능이 확인되었다. 최종 여자 실험 후 자기장 분포를 확인하기 위해 자속을 측정하였고, 측정한 결과와 자기장 해석과 일치함을 확인하였다. 본 연구를 통해 개발된 실리콘 단결정 잉곳 성장용 초전도 자석은 상전도 CUSP 자석을 대체할 수 있음을 실리콘 단결정 잉곳 성장으로 확인하였다.

In the silicon ingot growth process using the Czochralski method, a large magnetic field is required to control the thermal convection of the liquid silicon in the quartz crucible and the generated impurity and oxygen concentration from the quartz crucible. In this case, since the magnetic field requires a magnetic field of 1500 G in a wide range, the use of a superconducting magnet is inevitable. When a superconducting magnet is designed, a conventional solenoid coil has a problem in that its size becomes large and the magnetic field becomes ununiform. In this study, we consider a saddle type coil which can reduce the size and increase the uniformity in the same magnetic field strength. However, since the saddle type coil receives a lot of force at a specific portion due to tension on the wire at the time of winding, therefore uniform winding is difficult. In order to solve this problem, the coil shape design was applied by using the constant perimeter winding method used for the coil end of the accelerator coil. The efficiency and uniformity of the windings were improved through the applied coil shape, and the FEM magnetic field analysis for the designed coil shape also proceeded. In the cooling method, the design was carried out by the conduction cooling method using only the minimum cryocooler without using the liquid helium which is the refrigerant of the superconducting coil. Because no refrigerant is used, a high-efficiency thermal link must be used to cool the magnet system. In existing systems, expensive OFHC (oxygen free copper) is used as a thermal link for cryogenic cooling for effective heat transfer, which causes an increase in cost. In this study, we used 5N aluminum as an alternative thermal link. Superconducting magnets were produced according to the coil and cooling system design. As a result of the cooling test, it took 302 hours to cool down to the normal operating temperature after operating the cryocooler, which was 34 hours earlier than the expected duration time. The cooling temperature of the coil was also less than the expected 4K (3.77K), consistent with the total heat input calculations. After maintaining the center magnetic field at 1,500 G for 29 hours, the temperature of the coil rose to within 0.1 K and the performance of 5N aluminum was confirmed. After the final excitation experiment, magnetic flux was measured to confirm the magnetic field distribution and it is confirmed that the measured results are in agreement with the magnetic field analysis. The successful growth of silicon single crystal ingot was confirmed that the superconducting magnets for silicon single crystal ingot growth can be substituted for the CUSP magnets.

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