실리콘 카바이드 - 천체 망원경용 미러 소재

실리콘 카바이드(카보룬덤이라고도 함)는 실리콘과 탄소 원자로 구성된 무기 화합물로, 자연계에서는 모이사나이트 형태로 발견되며, 1893년부터 연마재로 사용하기 위해 대량 생산되어 왔다.

SiC는 70가지 이상의 결정 형태로 존재하며, 알파 실리콘 카바이드(a-SiC)와 베타 실리콘 카바이드(b-SiC)라는 두 가지 다형체로 분류된다. 실험 오차 범위 내에서, 두 형태 모두 최대 10 GPa의 압력에서 동시에 녹는다.

기울기가 음수입니다.

실리콘 카바이드는 매우 단단하고 밀도가 높은 소재로, 다양한 용도로 사용됩니다. 이 소재는 사포, 연삭 휠, 절삭 공구, 자동차 부품 및 자동차용 내화재와 같은 제품에서 찾아볼 수 있으며, 또한 높은 경도와 낮은 열팽창 계수 덕분에 용광로, 가마 및 내화 라이닝의 내화재로 사용될 뿐만 아니라 천문 망원경의 거울 재료로도 활용됩니다.

에드워드 구드리치 애치슨은 1891년, 점토와 분말 코크스(탄소)를 혼합한 물질을 전기로에서 가열하여 “카보런덤”으로 알려진 청흑색 물질을 생산함으로써 실리콘 카바이드를 최초로 대량 생산했다.”

5~8 GPa 범위의 압력에서 실리콘 카바이드의 용융에 대한 연구 결과, 연구 대상인 모든 압력 조건에서 실리콘 카바이드는 동질 용융을 보였으며, 그 용융 곡선의 기울기는 -44 ± 4 K/GPa로 음의 값을 나타냈는데, 이는 밀도 함수 이론이 이를 정확하게 예측했음을 입증하는 증거가 된다.

기울기가 양수입니다

실리콘 카바이드(SiC)는 뛰어난 특성을 지닌 비산화물 세라믹 소재로, 다양한 고온 응용 분야에서 유용하게 사용됩니다. SiC는 경도가 높을 뿐만 아니라 강도도 매우 뛰어나며, 다결정 체의 인장 강도는 최대 27 GPa에 달합니다. 또한 우수한 크리프 저항성을 갖추고 있을 뿐만 아니라 열팽창 계수도 낮습니다.

이산화세륨(CeO₂) 세라믹은 물에는 녹지 않지만 용융 알칼리 및 철 용액에는 용해되며, 고압 환경에서 내마모성, 내식성, 내충격성 및 열팽창 저항성을 갖춘 모든 첨단 구조용 세라믹 중 가장 단단한 재질로, 원자로 부품과 같은 고온 용도에 사용하기에 이상적입니다.

일반적으로 a-SiC로 불리는 실리콘 카바이드는 전기차의 브레이크와 클러치, 방탄조끼에 널리 사용될 뿐만 아니라, 이종 촉매의 기판으로도 활용됩니다. 이 소재를 산업용 규모로 생산하는 과정에는 여전히 전기 용광로를 사용하여 순수한 규사 모래를 미세하게 분쇄한 코크스와 함께 환원하는 공정이 포함되며, 전력 전자 분야의 고전압 응용 분야에서는 실리콘 카바이드의 산업용 규모 생산 방식이 여전히 널리 선호되고 있다.

부정적인 온도 계수를 가집니다

이산화규소라고도 알려진 실리콘 카바이드는 규소와 탄소로 구성된 단단한 화합물로, 광물인 모이사나이트 형태로 자연에 존재하지만, 1893년부터 연마재 및 방탄조끼용 세라믹 판재 재료로 사용하기 위해 분말과 결정 형태로 대량 생산되어 왔다. 크기가 큰 단결정 입자들을 소결하여 결합하면 매우 강인한 구조용 세라믹을 제조할 수 있으며, 또한 합성 모이사나이트 보석의 원료로도 자주 사용된다. 실리콘 카바이드는 반도체 역할도 수행하며, 질소나 인을 도핑하면 n형 소재가 되고, 마찬가지로 베릴륨, 붕소 또는 알루미늄을 도핑하면 p형 소재로 변할 수 있습니다.

실리콘 카바이드는 넓은 밴드갭과 높은 전기장 파괴 강도를 가지고 있어, 극도로 높은 온도나 전압에서 작동하는 전자 소자에 적합합니다. 또한, 열충격에 강한 특성 덕분에 널리 사용되고 있습니다. 실리콘 카바이드는 다양한 단위 셀 형태(입방, 마름모꼴, 육각형)로 존재합니다. 점토를 사용하여 고밀도화하면 넥(neck)의 성장을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 그렇지 않으면 탄성 계수를 감소시킬 수 있는 SiO₂의 형성을 방지할 수 있습니다. 다양한 연구에서 밀도 함수 이론(DFT) 시뮬레이션을 기반으로 한 제1원리 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 고압 하에서의 용융 거동을 조사했습니다.

양압 계수를 가진다

실리콘 카바이드는 극도로 단단하고 강성이 높은 세라믹 소재로, 높은 내열성, 낮은 열팽창 계수 및 화학적 반응에 대한 내성을 특징으로 합니다. 이 소재는 구매용 과립 형태는 물론, 대형 망원경의 거울로 제작할 수 있는 웨이퍼 등 다양한 크기와 형태로 제공됩니다. 실리콘 카바이드의 제조 방법은 직접 탄소 합성법부터 화학 기상 증착법까지 다양합니다.

급냉 실험 및 현장 측정을 통해 3100+40 K에서 5-8 GPa에 이르는 온도 범위에서 ZB 및 RS SiC의 데비 온도가 압력에 따라 어떻게 변화하는지에 대한 연구가 수행되었다. 그 결과, 상압 조건에서는 두 라메 상수(l, m) 모두 양의 값을 보였으며, 특히 m의 편차가 점차 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 고압에서 전하 이동 상호작용을 수반하는 비중심 다체력의 강도가 증가하여 SiC의 압축성에 기계적 강성이 가해지는 것을 시사한다.