실리콘 카바이드의 높은 용융 온도

실리콘 카바이드는 경도와 강도가 매우 높고 우수한 고온 특성을 지닌 비산화물 세라믹으로, 까다로운 용도에 걸쳐 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있습니다.

1500~2100°C의 아르곤 분위기에서 시험한 시편에 대한 파단면 분석 결과, 가장 바깥쪽 층만 산화된 것으로 나타났으며, 해당 산화막 내에서만 변형되고 길게 늘어난 붕소 입자가 관찰되었고, 그 주위에는 WO₃ 위스커가 분포해 있었다.

열역학

실리콘 카바이드(SiC)는 여러 가지 바람직한 산업적 특성을 지닌 불활성 세라믹 소재입니다. 이러한 특성으로는 높은 강도, 내마모성, 내열충격성, 열전도도뿐만 아니라 내산성 및 내알칼리성을 갖추고 있으며, 최대 1600°C의 온도까지 견딜 수 있습니다.

SiC는 도핑 농도와 조성에 따라 전기 절연체 또는 반도체 역할을 할 수 있습니다. 질소나 인을 도핑하면 n형 전도성이 나타나고, 붕소, 갈륨 또는 알루미늄을 도핑하면 p형 전도성이 나타납니다.

오늘날 실리콘 카바이드는 철강 생산, 금속 열처리, 플로트 유리 생산, 세라믹 및 전자 부품 제조는 물론, 복합재 장갑(예: 초밤 장갑) 및 방탄조끼 생산에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있습니다.

SiC는 압력과 온도의 함수로서 녹으며, 그 용융 온도는 이 두 변수에 의해 결정된다. 저압 조건에서, SiC의 상도표는 3C 입방 결정과 6H 육방 결정의 평형 혼합물로 나타나는 비일치 용융을 보여준다([17] 참조). 그러나 고압 조건에서는 연구 결과, 그림 5에서 볼 수 있듯이 명확한 용융 곡선을 보이는 액체를 형성하며 일치 용융이 일어나는 것으로 관찰되었다. 이러한 느린 반응 속도는 탄소 원자 반경과 실리콘 원자 반경 간의 큰 차이에 기인한 것으로 보인다([18] 참조).

압력

실리콘 카바이드는 반도체 특성, 특히 일반 실리콘에 비해 뛰어난 내전압 성능으로 인해 주목을 받고 있습니다. 또한, 실리콘 카바이드는 연마재로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 자동차용 고성능 브레이크 디스크와 같은 내화물 분야에서도 활용됩니다.

SiC는 주로 알파 실리콘 카바이드(a-SiC) 형태로 발견되며, 그 육방정계 결정 구조는 우르츠이트와 유사합니다. 그러나 베타 형태도 저온에서 형성될 수 있으나, 상업적 응용 분야는 제한적입니다. SiC는 다이아몬드와 유사한 특성을 지닌 강인하고 내마모성이 뛰어난 소재로, 내열성과 내식성이 뛰어난 것으로 알려져 있습니다.

실리콘 카바이드는 다양한 내화물, 연마재 및 야금 분야에서의 사용을 위해 분말이나 결정 형태로 생산됩니다. 흑연과 결합하여 자동차용 고성능 브레이크 디스크에 사용되는 탄소섬유 강화 실리콘 카바이드를 제조하는 데 자주 활용됩니다.

Lely 공정은 실리콘 카바이드를 제조하는 대표적인 방법입니다. 이 공정에서는 탄소를 전도체로 사용하는 전극이 장착된 화강암 도가니 내에서 실리카 모래와 석탄(일반적으로 코크스)의 혼합물을 매우 높은 온도로 가열하며, 코크스를 통해 전류를 흘려보내 화학 반응을 일으킵니다. 이를 통해 더 낮은 온도에서 승화가 일어나고, 더 낮은 온도에서는 흑연 막대에 침전되어 ‘모이사나이트’로 알려진 순수한 SiC 원석 결정이 생성됩니다.

확산

실리콘 카바이드(SiC)는 융점이 매우 높은(2700oC) 비정질 결정질 물질입니다. Si와 C 원자 사이의 강력한 공유 결합으로 인해, 실리콘 카바이드는 다이아몬드(모스 경도 9.5)의 경도에 미치지 못하지만 극도의 경도와 취성을 나타냅니다. 1893년 애리조나주 캐니언 디아블로 운석 크레이터에서 발견된 모이사나이트 형태로 자연적으로 존재하며, 또는 고온의 전기로에서 환원된 실리카-탄소를 사용하여 인공적으로 제조되기도 합니다.

실리콘 카바이드는 뛰어난 물리적·화학적 특성 덕분에 널리 활용되고 있습니다. 이 물질은 표준 실리콘보다 10배 더 높은 내전압성을 갖추고 있으며, 1000V 이상에서 작동하는 시스템에서 질화갈륨보다 더 우수한 성능을 발휘하는 등 뛰어난 전기적 특성을 자랑합니다. 또한 열충격 저항성과 내마모성도 갖추고 있습니다.

실리콘 카바이드의 절연 능력을 향상시키기 위한 노력의 일환으로, 고온 어닐링 공정 중 발생하는 성능 저하를 완화하기 위해 종종 탄소 층(C-캡이라고 함)으로 코팅합니다. 그러나 안타깝게도 이 코팅은 프렌켈 쌍의 형성을 촉진하고 이동 불가능한 안티사이트를 생성함으로써 자가 확산에 해로운 영향을 미칠 수도 있다(이 현상에 대한 설명은 그림 4 참조). 그림 4는 1700°C에서 1시간 동안 어닐링된 C-캡이 없는 시편과 C-캡이 적용된 시편의 비교 결과를 보여준다. 두 시편 모두 1700°C에서 1시간 동안 어닐링된 C-캡 처리 시편에 핀홀이 존재하기 때문에 시편 간 프로파일 형태에 차이가 나타나며, 이는 자기확산 곡선의 아레니우스 플롯 간의 차이에서 확인할 수 있습니다(이는 C-캡 처리 시편에 핀홀이 존재함을 나타냅니다).

온도

실리콘 카바이드(SiC)는 고온에서 뛰어난 열적 안정성과 강도를 지닌 비산화물 세라믹 소재입니다. 결정 격자 구조로 결합된 밀집된 탄소와 실리콘 원자로 구성된 SiC는 융점이 매우 높으며, 이러한 특성 덕분에 극한의 온도가 존재하는 산업 분야에 적합합니다.

순수한 SiC는 전기 전도성이 뛰어나지는 않지만, 특정 도펀트를 첨가하면 전도성이 크게 향상됩니다. 또한 SiC의 열충격 저항성과 크리프 저항성은 알루미나나 탄화붕소와 같은 다른 고온 세라믹 소재보다 뛰어납니다.

철강 산업에서 90% 실리콘 카바이드는 기본 산소 용광로(BOF)의 필수 구성 요소입니다. 이 물질은 고철 대 용강 비율을 높이고 출강 온도를 상승시키는 연료 역할을 하며, 또한 용융강에서 불순물을 제거하면서 탈산 작용을 돕는 동시에 용융강의 탄소 함량 수준을 조절하는 효과적인 수단이기도 합니다.

SiC는 철강 산업뿐만 아니라 그 밖에도 다양한 용도로 사용됩니다. 예를 들어, 폴리염화비닐(PVC) 및 기타 유기 화합물을 생산하는 데 효율적인 촉매 역할을 합니다. 또한 SiC는 알루미나와 붕소 카바이드를 생산하는 데 사용될 수 있으며, 초밤(Chobham) 장갑과 같은 복합 장갑의 핵심 구성 요소이기도 합니다.