실리콘 카바이드는 무엇인가요?

실리콘 카바이드는 다이아몬드보다 높은 모스 경도를 자랑하는 가장 단단한 소재 중 하나입니다. 또한 인장 강도와 영 계수 값이 뛰어나며 기계적 특성도 우수합니다.

그래핀의 전기적 특성에는 높은 포화 전자 이동도와 전압 파괴 저항이 포함되어 있어 인버터와 같은 고성능 전자 장치에 적합합니다.

화학 성분

실리콘 카바이드(SiC)는 탄소와 실리콘이 공유 결합 구조로 이루어진 합금입니다. SiC는 1700~2500℃ 범위의 온도에서 전기 저항로에서 탄소와 실리카의 혼합물을 반응시켜 생산할 수 있으며, 이렇게 하면 흑연, 알파 SiC, 베타 SiC 금속 등급 재료와 외부 표면에 반응하지 않은 재료로 구성된 단단한 원통형 잉곳이 만들어집니다.

SiC는 밀도가 3.21g/cm-3이고 2700℃에서 승화되는 노란색에서 녹색, 청흑색 결정 형태이며 액체 알칼리 및 철 용해성 용액에도 용해됩니다.

SiC는 다결정 유형과 형성 방법에 따라 내부 미세 구조가 다양한 다결정 물질로, 다양한 특성을 가지고 있습니다. a-SiC와 b-SiC 다형체 간의 주요 차이점 중 하나는 각각의 결정 시스템에 있습니다. a-SiC의 경우 육각형 우르츠자이트, 텅스텐 카바이드(WC)는 마름모꼴 텅스텐 카바이드인데, 후자는 융점이 1875 degC로 다른 다형체보다 낮아서 이 중에서 더 많이 선택되는 소재입니다.

물리적 속성

결정질 SiC는 실리콘과 탄소 원자가 3차원 격자 구조로 배열되어 층 사이에 공유 결합을 형성하여 높은 융점과 내부 산화에 대한 저항성을 제공하는 동시에 경도를 높입니다.

결정질 SiC의 전기적 특성은 폴리타입(정육면체, 육면체 또는 마름모꼴)에 따라 달라집니다. 각 폴리타입은 결정 격자 내 Si와 탄소 원자의 배열이 다르기 때문에 독특한 반도체 전자 특성을 나타냅니다.

일반적인 생산 공정에서는 순수 SiC를 아르곤 가스 분위기에서 고온으로 승화시킨 다음 Lely의 공정을 사용하여 시드 결정으로 결정화하여 단결정을 만들고, 잘 정립된 공정 단계를 사용하여 전력 전자 애플리케이션을 위한 추가 공정을 거칩니다.

기계적 특성

실리콘 카바이드는 단단하고 내마모성이 뛰어나 현대의 세공 분야에서 우수한 연마재로 사용됩니다. 또한 실리콘 카바이드는 산업용 용광로의 내화 라이닝 재료로 활용될 뿐만 아니라 연삭 휠과 절삭 공구를 만드는 데도 사용됩니다.

SiC는 성형 및 소성 공정, 입자 크기, 순도, 화학량 론 및 치밀화된 몸체 내의 기공 구조에 따라 기계적 특성이 크게 달라집니다. 온도는 이러한 특성에 막대한 영향을 미치며, 심지어 소스마다 큰 차이를 보일 수 있습니다.

고밀도 SiC의 영 계수는 20degC에서 약 400-450 GNm-2, 1500degC에서 360-400 GNm-2이며, 전단 강도는 이 값의 절반을 차지합니다. 이러한 재료의 경우 굽힘 강도를 측정하기 어려울 수 있으며, 문헌에 보고된 값은 20degC에서 500-660 MNm-2, 1500degC에서 약 5000-6000 MNm-2 사이입니다. 크리프 저항은 우수하지만 균열 및 파괴가 발생하지 않도록 인장 응력 수준을 합리적인 수준 이내로 유지해야 합니다.

전기적 특성

실리콘 카바이드는 고온과 화학 반응을 견디는 능력이 있어 열악한 환경에서도 성능 저하를 방지할 수 있습니다. 하지만 안타깝게도 이 부서지기 쉽고 단단한 소재는 실온 인장 강도가 약 4GPa에 달합니다(엔지니어링 특성 데이터 1979).

SiC는 우수한 전기 전도성과 낮은 저항으로 잘 알려져 있으며, 낮은 저항과 높은 포화 전자 이동도를 효과적으로 활용할 수 있는 전력 및 RF 전자 애플리케이션에 적합합니다. 또한 SiC의 내구성은 내방사선성 및 내열충격성뿐만 아니라 오래 지속됩니다.

제조업체는 다양한 공정을 사용하여 입방형 SiC를 생산합니다. 한 가지 방법은 분말 탄소를 가소제와 혼합하고 소성하여 생성된 반응 결합 SiC를 사용하는 것으로, 이후 가스 상태의 실리콘이나 용융 탄소를 주입하여 더 많은 SiC를 형성할 수 있습니다. 또 다른 접근 방식은 성장을 위해 기판에 증착하기 전에 가스를 진공 챔버에 넣는 화학 기상 증착을 사용하는 것으로, 이 기술은 반도체 업계에서 널리 사용되고 있습니다.