합성 실리콘 카바이드

일반적으로 커런덤이라고도 불리는 실리콘 카바이드는 엔지니어링 분야에 널리 사용되는 단단한 소재입니다. 뛰어난 강도, 내구성, 화학적 불활성 및 내열성 특성으로 혹독한 환경과 고성능 엔진에 탁월한 소재입니다.

Acheson 방법, Lely 공정, 화학 기상 증착 등 다양한 방법으로 SiC를 합성할 수 있는 방법이 고안되었습니다.

화학 기상 증착

실리콘 카바이드의 CVD는 반도체, 촉매 및 에너지 저장 애플리케이션에 사용되는 귀중한 제조 공정입니다. 이 증착 방법은 제어된 화학 반응의 증기상을 활용하여 최대 1400degC의 온도에서 기판에 박막을 증착하거나 더 낮은 온도에서 플라즈마 형태로 여전히 높은 증착 속도로 기판에 박막을 증착합니다.

증착된 재료는 다양한 모양과 크기를 가질 수 있으며 표면 마감은 매끄럽거나 질감이 있을 수 있습니다. 또한 증착 온도를 변경하여 필름의 특성을 조정할 수도 있습니다. 증착 시 실란(SiH4), 디실란(Si2H6), 테트라클로로실란과 같은 다양한 준비 가스와 메탄(CH4), 아세톤(C2H6) 프로판(C3H8) 메틴/톨루엔/톨루엔(C7H8) 헥산(C6H14), 염화메틸(CH3) 사염화탄소(CCl4) 등과 같은 탄소 전구체가 활용되고, 증착 시에는 메탄(CH4), 염화수소화합물을 사용합니다. 플라즈마 강화 화학 기상 증착 시스템(PECVD)과 같은 PECVD 시스템에서 최적의 결과를 얻을 수 있습니다.

PECVD는 저압의 가스를 1.3kPa 미만의 증착 챔버로 전달하여 전기 에너지를 가하여 흐름을 활성화하고 전자, 이온 및 전자 여기 종으로 구성된 글로우 방전 플라즈마를 생성하여 반응물 분자를 분해하고 기화시킨 후 가열된 기판과 반응하여 박막을 형성하는 것입니다.

증착된 b-SiC는 스펙트럼의 가시광선 및 적외선 파장 범위 모두에서 빛을 투과할 수 있습니다. 또한 전기 저항이 500옴-㎟ 이상이어야 하며, 1000옴-㎟ 이상이면 더욱 좋습니다. 이러한 특성으로 인해 대량 합성을 통해 생산된 b-SiC는 항상 불투명하게 유지되며 이러한 파장에서 빛을 흡수하고 산란시킵니다. 본 발명은 투명도가 높고 경도를 포함한 바람직한 기계적 특성을 갖는 합성 b-SiC를 생산하는 공정을 개발하는 데 중점을 둡니다. 순수한 열역학적 및 운동학적 설명에서 질량 수송 모델에 이르기까지 수송 현상과 화학을 나타내는 예측 모델링 접근법이 점점 더 많이 개발되고 있습니다.

열 분해

합성 실리콘 카바이드(SiC)를 만드는 데 필요한 화학 반응은 고온을 수반하므로 환기가 잘 되는 곳에서 진행해야 합니다. 또한 내열 장갑과 보안경과 같은 적절한 안전 장비를 착용하고, 반응 과정에서 방출될 수 있는 증기를 흡입하지 않도록 적절한 흄 후드와 환기 덕트를 사용해야 합니다.

약 섭씨 900도의 온도에서 실리콘(Si)은 녹는점인 섭씨 905도까지 가열됩니다. 이 시점에서 SiC는 이산화탄소와 수소 가스로 분해되기 시작하여 물 분자와 반응하여 이산화규소 화합물인 SiO2와 같은 기체 상태의 이산화규소 화합물을 형성합니다. 더 가열하면 수소가 공기 중에 존재하는 산소 분자와 결합하여 고체 실리콘 옥시카바이드 SiO2를 형성하며, 이는 건조 및 경화 후에도 남아 있습니다.

SiC 옥시카바이드 고체는 냉각되면 단단한 세라믹 블록을 형성하여 총알이나 기타 유해 물질에 대한 방탄 갑옷을 제공합니다. 이 소재는 안정적인 보호 기능을 제공합니다.

실리콘 옥시카바이드는 내마모성 및 부식 방지 소재를 만드는 등 내마모성 외에도 다양한 용도로 사용됩니다. 예를 들어 알루미늄 전해조와 구리 용해로 내부의 단열재로 사용하거나 로켓 노즐과 가스 터빈용 블레이드를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

특정 운석과 커런덤 매장지에서 미량으로만 나타나는 천연 광물과는 달리, 전 세계에서 판매되는 대부분의 SiC는 다양한 공정을 통해 합성으로 생산되며, 특히 모이사나이트 보석으로 절단되어 판매되는 경우가 많습니다.

합성 실리콘 카바이드는 열분해를 통해 생산할 수 있으며, 열 안정성이 뛰어나 높은 열 수준과 전압 수준을 요구하는 산업용 애플리케이션에 적합한 소재입니다.

열분해는 다른 방법보다 더 큰 단결정을 생성하며, 이를 산업용으로 원하는 유형의 실리콘 카바이드로 절단 및 연마할 수 있습니다. 또한 열분해를 통해 원자 층이 어떻게 쌓이는지에 따라 다양한 유형의 실리콘 카바이드를 만들 수 있으며, 이러한 종류는 입방체, 육면체 또는 마름모꼴로 분류할 수 있습니다.

산화

탄화규소는 불활성이며 대부분의 산(염산, 황산, 불산) 또는 염기와 반응하지 않습니다. 그러나 900degC 이상의 온도에서는 공기 중에서 산화되어 건식 산화로 알려진 SiO2를 생성합니다. 건식 산화에 대한 동역학 및 모델은 광범위하게 연구되어 왔으며, 특히 포물선과 선형 상수(하나는 확산 제어 메커니즘을 나타내고 다른 하나는 표면 프로세스를 나타냄)를 사용하여 확산 제어 메커니즘과 표면 제어 프로세스를 동시에 설명하는 딜과 그로브의 모델이 가장 대표적입니다. [13]

탄화 규소 산화에는 여러 단계가 포함됩니다. 초기 단계는 산소-Si 결합 부위에 카르보닐 결함을 생성하고 이산화탄소를 탈착하는 것입니다. DFT 계산에 따르면 이 단계는 350kJ/mol의 활성화 에너지를 가지며 온도가 높을수록 더 빨리 일어나고 질화물과 함께 있으면 속도가 떨어집니다.

카르보닐 결함이 산화되면 추가 산화를 위한 개시제 역할을 하는 산화막이 형성됩니다. 다음으로 크리스토발라이트라고 하는 구상 결정의 연속적인 층이 성장하여 비정질 매트릭스에 분산되어 국부적으로 입자 경계를 증가시키면서 산화 속도를 느리게 합니다.

크리스토발라이트는 액체 실리콘과 탄소를 결합하는 Lely의 전기로 공정을 비롯한 다른 공정을 통해서도 생산할 수 있습니다. 크리스토발라이트 소재는 화학적 불활성뿐만 아니라 열적, 기계적 특성이 뛰어나 다양한 모양, 크기, 밀도로 제작할 수 있습니다.

그래핀으로 만든 소재는 특히 가스 터빈에서 니켈 초합금 블레이드와 베인을 대체하는 등 폭넓게 활용되고 있습니다. 상온에서는 음의 온도 계수를, 고온에서는 양의 온도 계수를 갖는 그래핀은 고온 발열체에 탁월한 소재이며 다양한 도펀트를 첨가하여 전기 전도도를 향상시킬 수 있습니다.

물리적 기상 증착

실리콘 카바이드(SiC)는 바람직한 물리적, 화학적, 기계적, 전기적 특성의 조합으로 인해 매력적인 소재 시스템으로 자리 잡았습니다. SiC의 넓은 조정 가능한 밴드 갭, 낮은 밀도 및 강도, 열 전도성 및 내충격성은 그 성공과 연구에 크게 기여해 왔습니다[1]. SiC는 전 세계적으로 여전히 집중적인 연구의 중심에 있습니다[2-3].

화학 기상 증착(CVD)은 화학 기상 증착 공정을 통해 제조된 독립형 박막인 우수한 광학 투과율, 순도 및 전기 저항률을 가진 SiC를 생산할 수 있는 가능성을 제공하지만, 일반적으로 CVD 공정은 고온에서 작동하기 때문에 필름 품질이 저하될 수 있습니다.

연구자들은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD), 전자 사이클로트론 공명 CVD, 마그네트론 스퍼터링 및 펄스 레이저 증착을 방법으로 사용하여 SiC 필름을 생산하기 위한 저온 CVD 기술을 개발하는 데 진전을 보이고 있습니다. 전구체 선택, 증착 공정 조건에서 사용되는 가스 혼합물 및 기판 온도는 모두 최종 필름 특성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

최근 MEMS/NEMS 시스템 및 기타 애플리케이션에 사용하기 위한 SiC 박막의 CVD 생산에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 하지만 기존의 CVD 방식은 녹는점보다 훨씬 높은 섭씨 1400~1500도의 온도가 필요하기 때문에 생산이 어렵습니다.

SiC의 CVD 성장은 증착 가스 소스에서 산소 및 질소와 같은 오염 물질을 생성할 수 있습니다. 이러한 아다톰(오염 물질)은 시간이 지남에 따라 필름을 열화시켜 변색 및 접착력 저하 문제를 일으킬 수 있습니다.

물리적 기상 증착(PVD)은 용매 없이 작동하여 불순물을 제거하는 CVD의 대안입니다. PVD 기술은 다양한 금속, 합금 및 유전체를 증착하는 데 사용할 수 있습니다.

폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판 위에 양극성 bi2Te3 및 양극성 Sb2Te3 필름을 증착하여 폴더블 열전 발전기(f-TEG)를 생산하기 위해 PVD 기술이 사용되었습니다. 이러한 PVD 증착 필름은 주름이 없는 PET 기판을 사용하여 제작한 폴더블 열전 발전기에 비해 내부 저항이 낮습니다.