실리콘 카바이드 특성 및 응용 분야

탄화규소는 지구상에서 가장 단단하고 강한 소재 중 하나로, 강도, 열전도성, 내산성 등의 특성으로 잘 알려져 있어 다양한 산업 분야에 적용하기에 적합한 소재입니다.

SiC는 모이사나이트로 알려진 자연 발생 광물이지만, 1893년부터 연마재 및 기타 산업 및 반도체 기판 용도로 사용하기 위해 분말과 결정 형태로 대량 생산되고 있습니다.

특성

실리콘 카바이드는 가장 유리한 산업용 소재 중 하나로 꼽히는 독특한 특성을 자랑합니다. 특히 첨단 세라믹 소재 중에서도 단단하고 가벼우며 열팽창률이 낮아 열전도율이 우수하고 침식과 마모를 쉽게 관리할 수 있어 밀 라이닝 시스템, 사이클론 부품, 스프레이 노즐 및 압출기에 사용하기에 적합한 특성을 가지고 있습니다.

순수한 상태의 실리콘 카바이드는 전기 절연체입니다. 그러나 제어된 불순물을 첨가하면 탄화규소를 반도체 소자처럼 작동하도록 만들 수 있습니다. 알루미늄, 붕소, 갈륨은 P형 소자를, 질소와 인은 N형 소자를 만들 수 있습니다.

SiC 트랜지스터는 실리콘 트랜지스터에 비해 항복 전압이 높고 턴온 저항이 낮기 때문에 스위칭 주파수를 높이고 전력 전자 시스템을 더 작게 만들 수 있습니다. 전기 자동차 충전 인버터는 SiC를 사용하여 전력 관리 시스템의 크기와 무게를 줄이고 주행 거리를 늘릴 수 있습니다.

속성

실리콘 카바이드는 일반적으로 SiC라고도 하며, 실리콘과 탄소로 구성된 매우 단단한 합성 결정 화합물로 화학적으로 불활성이며 부식에 강합니다(염산, 황산 또는 기타 산의 공격에 취약하지만).

실리콘 카바이드는 높은 강도와 강성, 낮은 열팽창률, 산화 및 마모에 대한 저항성, 고온에서도 탄성 저항성을 유지하는 등 가치 있는 소재로 만드는 많은 유리한 특성을 자랑합니다. 세라믹과 반도체 특성의 조합으로 인해 연마재뿐만 아니라 구조용 세라믹에 탁월한 소재 선택이 될 수 있습니다.

순수한 SiC는 무색의 결정체입니다. 그러나 다양한 양의 불순물을 첨가하면 전기적 특성이 반도체로 변경될 수 있습니다. 결정 내 층상 구조는 독특한 결정 구조를 가진 다양한 유형의 실리콘 카바이드를 생성하는데, Wolfspeed에 따르면 1.12eV의 넓은 밴드갭 값으로 인해 전력 전자 장치에 적합한 6H-SiC 육각형 결정 구조가 가장 많이 발견됩니다.

애플리케이션

실리콘 카바이드의 독특한 물리적, 전자적 특성은 전력 전자 장치에 혁신을 일으키고 있습니다. SiC를 사용하여 제작된 새로운 디바이스는 이전 제품에 비해 향상된 신뢰성, 낮은 전력 손실, 빠른 스위칭 시간, 뛰어난 에너지 효율을 자랑합니다.

순수한 실리콘 카바이드는 전기 절연체 역할을 하지만, 불순물(도펀트라고 함)을 도핑하면 특정 상황에서 전기를 전도할 수 있습니다. 알루미늄, 붕소, 갈륨을 도핑하면 P형 반도체를, 인과 질소를 도핑하면 N형 반도체를 만들 수 있습니다.

탄화규소의 원자 구조는 탄소와 실리콘 원자가 공유 결합하여 두 개의 1차 배위 사면체로 이루어진 것과 유사하며, 탄소 원자 4개와 실리콘 원자 4개가 서로 공유 결합하여 각각 탄소 원자 4개와 실리콘 원자 4개가 공유 결합으로 이루어진 두 개의 1차 배위 사면체를 형성하고, 공유 결합으로 서로 결합합니다. 일반적으로 미세한 분말로 분쇄한 다음 유기실리콘 바인더와 같은 비산화물 소결 보조제와 혼합하여 페이스트 혼합물을 만든 다음 저온 등방성 프레스 또는 압출 공정을 사용하여 다양한 모양으로 만들 수 있으며 절삭 공구, 구조 재료(방탄 조끼/복합 갑옷), 자동차 부품 제조, 거울 재료 생산 및 천체 망원경용 거울 재료에 광범위하게 사용됩니다.

제조

실리콘 카바이드는 가장 단단하고 강한 첨단 세라믹 소재 중 하나로 열팽창률이 낮고 내산성, 내식성, 내마모성이 뛰어납니다.

실리콘 카바이드 생산에는 다양한 화학 반응이 포함되지만, 가장 일반적으로는 Acheson 공정을 사용합니다. 이 공정은 실리카와 코크스의 혼합물을 고온에서 가열하여 화학 물질이 화학적으로 반응하여 결정을 형성할 때까지 가열하는 것입니다.

그런 다음 이러한 결정을 미세한 분말로 분쇄하고 유기실리콘 바인더와 같은 비산화물 소결 보조제와 결합하여 압출 또는 냉간 등방성 압착을 통해 압축 및 성형된 페이스트를 만듭니다.

실리콘 카바이드는 경도와 내구성 덕분에 현대의 세공품에 없어서는 안 될 소재입니다. 용광로 라이닝, 절삭 공구 및 연삭 휠, 펌프 및 로켓 엔진의 내마모성 부품, 저항이 낮은 전력 전자 부품, 낮은 항복 전압으로 인한 더 얇은 웨이퍼에 이르기까지 다양한 용도로 사용되고 있는 실리콘 카바이드는 그 활용도가 높습니다.