실리콘 카바이드 용도

일반적으로 카보런덤(carborundum /karb@rndu/)이라고 불리는 실리콘 카바이드는 실리콘과 탄소로 구성된 극도로 단단한 합성 결정질 화합물로, 내화물 및 세라믹, 내마모성 부품 제조, 발광 다이오드(LED) 기판 및 반도체 기판 제조 등 다양한 분야에서 연마재 및 내마모성 소재로 오랫동안 활용되어 왔습니다. 19세기 후반부터는 발광 다이오드(LED)의 반도체 기판으로도 사용되어 왔습니다.

고온 및 고전압 환경에서 작동하는 전력 전자 장치 역시 안정적인 작동을 위해 이 소재에 의존하고 있습니다.

고성능 브레이크 디스크

1891년부터 일반적으로 ‘카보런덤’으로 불려온 실리콘 카바이드(SiC)는 발견 및 양산 이후 널리 생산되고 있다. 주로 자동차 브레이크나 클러치와 같이 극도의 내구성이 요구되는 분야에 사용되며, 이 화합물로 만든 세라믹 판이 포함된 방탄 조끼 판재에도 활용되는 실리콘 카바이드는 모스 경도 척도에서 9위를 차지하며, 천연 물질 중에서는 다이아몬드에 이어 두 번째로 단단합니다.

SiC는 가공 및 제조가 비교적 용이하기 때문에 브레이크 디스크와 같이 고온에 노출되는 부품에 널리 사용됩니다. 마찰면이 강철을 녹이거나 다른 재료를 손상시킬 정도의 온도에 도달할 수 있기 때문에, 많은 제동 시스템에서는 마찰면이 가열될 때 발생하는 가스를 배출하도록 설계된 여러 개의 구멍이나 슬롯이 있는 통기식 디스크를 사용합니다.

SiC는 연마재, 야금 및 내화물 산업에 사용하기 위해 여러 제조업체에서 생산하고 있습니다. 에드워드 애치슨은 1891년에 이 물질을 제조하는 효율적인 방법을 최초로 개발했습니다. 순수한 실리카 모래와 분쇄된 코크스 탄소를 전기 가열로에 넣고 전류를 흘려보내면 화학 반응이 일어나 SiC의 작은 결정이 생성되며, 이를 분쇄하여 분말 형태로 만들어 상업적으로 사용합니다.

방탄복

실리콘 카바이드(SiC)는 실리콘과 탄소로 구성된 초경질 합성 결정질 화합물로, 모스 경도 척도상에서는 붕소 카바이드와 다이아몬드 다음으로 경도가 높습니다. 19세기 후반부터 이 물질은 그 경도와 기타 우수한 특성 덕분에 연삭 휠, 절삭 공구, 사포와 같은 내마모성 부품에 활용되어 왔습니다. 또한 내화 재료, 세라믹, 심지어 발광 다이오드(LED)용 반도체 기판의 구성 요소로도 사용됩니다.

에드워드 애치슨은 1891년경, 탄소와 알루미나 혼합물을 가열하는 과정에서 뜻밖에도 작은 검은색 결정체를 발견한 것을 계기로 모이사나이트를 최초로 인공적으로 생산해 냈으며, 이를 바탕으로 ‘애치슨 공정’을 개발하고 상업적 생산에 착수했습니다. 모이사나이트의 천연 원석은 운석이나 특정 내화물에서만 발견될 수 있습니다.

SiC는 공유 결합을 통해 서로 연결된 밀집 배열 층으로 구성되어 있습니다. 각 층은 4개의 실리콘 원자와 4개의 탄소 원자로 이루어진 두 개의 주요 배위 사면체를 포함하고 있으며, 이들이 다양한 배열을 이루며 SiC의 여러 폴리타입을 형성합니다. 이러한 구조는 극도의 경도를 제공하며, 각 폴리타입마다 물리적 특성이 상당히 다릅니다.

SiC는 강도, 강성, 열전도도 및 낮은 열팽창 특성을 모두 갖추고 있어, 펌프 베어링, 밸브, 샌드블라스팅 인젝터, 고속 샤프트 씰링 용도뿐만 아니라 대형 천문 망원경의 거울 등 극한의 하중과 극한 온도에 노출되는 부품에 이상적인 소재입니다. 이러한 특성 덕분에 SiC는 펌프 베어링, 밸브, 샌드블라스팅 인젝터, 고속 샤프트 씰링 등 이러한 특성이 요구되는 공학 분야에 널리 사용됩니다.

반도체 소재

전력 전자기기 수요의 증가로 인해 실리콘 카바이드의 인기가 비약적으로 높아졌습니다. 이 소재는 물리적 특성과 전자적 특성이 결합되어 있어, 더 높은 항복 전계 생성, 더 낮은 스위칭 손실, 그리고 더 높은 에너지 효율을 달성하는 데 이상적입니다.

실리콘 카바이드는 일반적으로 절연체이지만, 특정 불순물을 도핑함으로써 반도체로 변환될 수 있다. 알루미늄, 붕소, 갈륨 또는 질소 도펀트(P형 반도체)를 도핑하면 실리콘 카바이드는 N형 반도체로 작용하며, 인 도펀트를 도핑하면 N형 반도체로 작용합니다. 도핑제는 밴드 구조 측면에서 전자의 이동도에 영향을 미치는데, 전자는 전도 밴드를 따라 이동하는 반면, 정공은 가전자 밴드를 따라 이동합니다.

SiC는 밴드갭이 매우 넓기로 알려져 있어, 기존 실리콘보다 훨씬 더 높은 항복 전계를 달성할 수 있습니다. 이로 인해 스위칭 손실이 줄어들고 사용되는 부품 수가 감소하여 에너지 효율이 향상되는데, 이는 더 높은 전압과 온도를 견뎌야 하는 전기차 전력 변환 시스템에서 특히 중요한 장점입니다.

실리콘 카바이드는 또한 탄소 섬유 강화 실리콘 카바이드(CFRC)와 같은 복합 재료에 활용되어, 제동 시 발생하는 것과 같은 극한의 온도와 응력을 견딜 수 있는 강하면서도 가벼운 구조물을 제작하는 데 사용될 수 있습니다. 또한, 실리콘 카바이드는 고속 충격을 견딜 수 있기 때문에 초밤(Chobham) 방탄판과 같은 방탄 장갑의 구성 요소로 사용됩니다.

에너지 저장

일반적으로 카보런덤이라고 불리는 실리콘 카바이드(SiC)는 모든 천연 물질 중 가장 높은 인장 강도를 지닌, 매우 강하고 날카로운 물질입니다. 4개의 실리콘 원자와 4개의 탄소 원자가 빽빽하게 배열된 공유 결합 구조로 결정화된 SiC는 무기산, 염류 및 알칼리에 대한 내성이 매우 뛰어나며, 현재 알려진 재료 중 가장 높은 인장 강도 중 하나를 자랑합니다.

희귀 광물인 모이사나이트는 1907년부터 분말 형태로 대량 생산되어 연삭 휠, 연마재, 자동차 브레이크 및 클러치와 같은 경질 세라믹 제품, 그리고 방탄 조끼용 세라믹 플레이트 등 다양한 용도로 사용되어 왔습니다. 또한 1907년부터는 발광 다이오드(LED) 및 검출기와 같은 전자 분야에서도 활용되어 왔습니다.

순수한 SiC는 전기 절연체입니다. 그러나 질소나 인과 같은 도펀트(도펀트는 물질의 특성을 변화시키는 데 사용됨)를 첨가하면, SiC가 반도체처럼 작동하게 되어 전력 전자 소자가 전도 상태와 비전도 상태 사이를 효율적으로 전환함으로써 전력을 효율적으로 생성하거나 소비할 수 있게 됩니다.

SiC 반도체는 전압 및 전류 손실, 열 효율, 크기와 무게 절감 측면에서 기존의 실리콘 반도체에 비해 상당한 개선 효과를 제공합니다. 따라서 SiC는 전기차에 탑재된 인버터 및 DC/DC 컨버터에 이상적인 소재로, 필수적인 전력 전자 부품의 크기와 무게를 줄여 DC 급속 충전을 가능하게 하면서 동시에 크기와 무게를 절감해 줍니다. 심지어 일반 반도체보다 더 높은 온도와 주파수에서도 작동할 수 있습니다!