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탄화규소
탄화규소(炭化硅素, Silicon Carbide)는 규소와 탄소로 이루어진 4족 화합물 반도체로 원소기호는 SiC이다. 탄화규소는 자연에서 극히 희귀한 광물 모이사나이트로 생성된다. 합성 SiC 분말은 연마재로 사용할 목적으로 1893년부터 대량 생산되었다. 탄화규소 입자는 소결을 거쳐 함께 결합되어 매우 단단한 세라믹을 형성하며, 자동차 브레이크, 자동차 클러치, 방탄복, 세라믹플레이트와 같은 높은 내구성을 요구하는 응용 분야에 널리 사용되고 있다. 실리콘 카바이드의 큰 단결정은 렐리 기법으로 팽창할 수 있으며, 합성 모이사나이트로 알려진 보석으로 절단될 수 있다.
발광 다이오드(LED) 및 초기 라디오의 광석 감파기와 같은 탄화규소의 전자 응용은 1907년경에 처음으로 시연되었다. 실리콘 카바이드는 고온이나 고전압 또는 둘 다에서 작동하는 반도체 전자 장치에 사용된다.
개요
탄화규소는 규소와 탄소로 구성된 화합물이다. 규소보다 저항은 작고 강도와 열전도율은 각각 10배, 3배 이상 높다. 열도 덜 발생한다.
주로 연마재로서 숫돌·연마포나 특수내화물·화학반응용기나 저항발열체나 반도체 재료로 사용된다.
탄화규소(SiC)는 전기차의 고전압·고열을 버티지 못하는 실리콘의 한계를 극복하기 위해 업계가 주목하는 소재다. 질화갈륨(GaN)과 함께 '와이드 밴드갭' 소재로도 불린다. 전자의 이동을 가로막는 에너지 장벽인 밴드갭이 실리콘보다 세 배 이상 높다. 밴드갭이 높을수록 고전압·전력에 강하다. 고온에서도 반도체 특성을 잃지 않고, 전류를 제어할 수 있는 범위인 절연파괴전계도 실리콘보다 10배 이상 높은 것이 장점이다. 그만큼 정격전압이 높아져 부품의 크기와 무게를 줄일 수 있다.
탄화규소 전력반도체의 경우 에너지 손실량은 규소 전력반도체의 10% 수준에 불과하며 섭씨 200도 이상 고온에서 구동할 수 있다.
신소재
이제까지의 연마재(硏磨材), 전기재료 용도 외에 고온 구조재용으로도 기대가 크다.
비산화물 세라믹의 대표적인 존재로, 숫돌 따위의 연마재료, 또는 발열체와 바리스터 등의 전기재료, 내화물로서 없어서는 안 되는 공업용 재료이다. 실리카와 코크스를 원료로 하며, 전기로에서 열을 강하게 가하여 제조한다. 탄화규소는 SiC의 화학식으로 표시되는 난융성(難融性) 공유결합 화합물이며, 높은 경도, 높은 분해온도, 전기ㆍ열의 전도성을 특징으로 한다. 탄화 규소는 소결(燒結)이 어려운 물질이고, 치밀화 소결이 곤란한 관계로 전기재료, 내화재료 용도에는 다공질(多孔質) 소결체가, 그 밖에는 반응 소결체가 사용되었다.
그러나 B계 조제에 의한 소결기술이 개발되어 용이하게 치밀질(緻密質) 소결체를 얻을 수 있게 되어, 고온 구조재 용도에 대한 적용이 기대되고 있다. 탄화규소는 질화규소에 비해 상온 강도는 다소 낮고(상온 굽힘강도 70~90㎏/㎟), 또한 인성면(靭性面)에서도 떨어지지만 1500℃까지 강도의 저하가 없어 고온특성이 우수하다. 베릴리아계(系) 첨가제를 이용하여 소결할 때 입계(粒界)의 특성을 제어하여 절연성 소결체를 얻는 기술이 근년에 개발되었기 때문에 앞으로 고열 전도율 특성을 살린 용도에 관심이 모아지고 있다.
성질
순수한 것은 무색 투명한 육각판상(六角板狀) 결정으로, 녹는점 2,700℃ 이상이고, 2,200℃에서 승화한다. 보통은 불순물로 인해서 갈색 또는 흑색 결정이다. 아주 단단하며, 굳기[硬度]는 루비와 다이아몬드의 중간 정도이다. 물·산에 녹지 않는다. 화학적으로 극히 비활성이지만, 공기 중에서 1,750℃로 가열하면 급속히 산화된다. 왕수에도 안정하지만, 융해알칼리에 의해서 서서히 분해된다.
특성
반도체라는 특성 덕분에 향후 첨단 반도체 제조공정에서 광범위하게 사용될 수 있는 소재이기 때문에 산화알루미늄, 이산화지르코늄, 질화규소와 함께 뉴세라믹(New Ceramic)으로도 불린다. 자연에서도 미량이지만 결정상태로 발견되기도 하며 이 경우 모이사나이트라 불린다, 현재 다양한 산업에서 사용되고 있는 공업용 탄화규소는 1891년 미국의 화학자였던 에드워드 굿리치 애치슨(Edward Goodrich Acheson)이 다이아몬드를 인공적으로 만들기 위해 코크스와 점토의 혼합물을 탄소아크 등으로 가열했을 때 반짝이는 물질을 발견한 후 탄소(Carbon)와 코런덤(Corundum), 즉 산화 알루미늄의 화합물이라는 뜻으로 카보런덤(Carborundum)이라는 이름을 붙이고 카보런덤사를 설립하여 최초의 인공적인 탄화규소를 생산하기 시작했다.
규소와 탄소가 1:1로 결합되어 화학적으로 매우 안정되어 있고 물리적으로도 매우 딱딱한 재료이다. 재료의 구조에 따라 전기적으로 고전압에 일반 실리콘보다 10배 이상 더 견딜 수 있으며 열전도도 3배 이상 높기 때문에 고전압과 고열이 발생하는 전자소자에 사용되기에 적합하고, 물리적으로나 화학적으로 여러가지 장점을 갖고 있는 반도체 소재이기 때문에 현재 반도체소자와 관련하여 많은 연구개발이 이뤄지고 있다. 자연상태에서 희귀하게 발견되는 보석의 일종인 모이사나이트와는 달리 인공적으로 만들어진 공업용 탄화 규소는 주로 연마재나 차세대 반도체 소자나 다이오드, 태양광 인버터, 산업용 모터 컨트롤러, 에어컨, 자동차 부품 컨트롤러 등에서도 사용되며 지구상에서 가장 딱딱하다는 다이아몬드와 탄화 붕소(Boron Carbide) 다음으로 우수한 9.2의 모스 경도를 가진 덕분에 방탄복이나 주력전차의 복합장갑에 들어가는 세라믹 방탄재의 재료로 쓰이기도 한다.
제조법
규석 SiO₂와 피치코크스 또는 석유코크스 등 탄소의 혼합물에 직접 전류를 통하고, 그 저항열을 이용해서 강열(强熱)하여 만든다. SiO2+3C → SiC＋2CO 반응시간은 10∼30시간, 온도는 1800∼1900℃이며, 2000℃ 이상이 되면 SiC가 다시 분해한다. 반응이 종료한 후에는 방랭(放冷)하고, 분쇄·수세(水洗)하여 제품으로 만든다.
참고자료
같이 보기
