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Silicon Carbide (SiC)의 다각적 이해와 산업적 응용

일일 보고서 2024년 07월 15일
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목차

  1. 요약
  2. Silicon Carbide (SiC)의 개요
  3. SiC의 제조 방법
  4. SiC의 산업적 응용
  5. SiC의 최근 동향 및 사례 연구
  6. 결론

1. 요약

  • 이 리포트는 Silicon Carbide(SiC)의 특성, 제조 방법, 다양한 산업적 응용 및 최근 동향에 대해 다각적으로 분석합니다. SiC는 고온 강도, 내마모성, 내식성 등의 우수한 물성으로 인해 전력 반도체, LED, 연마재, 고온 세라믹 부품 등에서 폭넓게 사용됩니다. 제조 방법으로는 화학기상증착법(CVD), 반응결합 실리콘 카바이드(SiSiC), 소결 SiC(SSiC), 질화물 보세 실리콘 카바이드(NBSiC)가 있으며, 현재 SiC의 중요한 응용 사례와 전기차 및 재생 가능 에너지 시스템에서의 사용, 그리고 onsemi의 체코 공화국 공장 설립 등 최근 동향을 다루고 있습니다. 또한, Tsunenobu Kimoto 교수가 개발한 고순도 SiC 제조 기술도 소개됩니다.

2. Silicon Carbide (SiC)의 개요

  • 2-1. SiC의 정의

  • 실리콘 카바이드(Silicon Carbide, SiC)는 실리콘과 탄소의 화합물로, 매우 강하고 견고한 소재입니다. SiC는 250개 이상의 다양한 결정 구조, 이른바 다형(polymorphs)을 가지고 있으며, 이러한 다형은 동일한 화학적 조성을 가지지만 원자의 배열이 다릅니다. SiC의 이러한 다양한 형태는 특히 얇은 필름과 섬유에서 관찰됩니다.

  • 2-2. 물리적 및 화학적 특성

  • 실리콘 카바이드는 높은 강도와 경도를 가지며, 가공 없이도 높은 내열성과 내마모성을 제공합니다. SiC 섬유는 직경이 0.1~0.8 마이크로미터에 이르며 길이는 2.0~60 마이크로미터입니다. 이와 같은 섬유 형태의 SiC는 베타 형태로 존재하며, 분해 온도는 2973K에 이릅니다. 또한, 열팽창계수가 낮아 열적 안정성이 높고, 압축 계수는 0.21x10-6입니다. SiC의 밀도는 3.216 g/cm3이며, 경도는 모스 경도 기준 9.5에 이르고, 인장 강도는 20.8 GPa입니다. 이러한 특성으로 인해 SiC는 다양한 산업적 응용 분야에서 중요한 소재로 사용되고 있습니다.

3. SiC의 제조 방법

  • 3-1. 화학기상증착법(CVD)

  • 화학기상증착법(CVD)는 기체 상태의 전구체를 화학 반응을 통해 고체 상태의 코팅이나 박막으로 증착하는 기술입니다. SiC 제조에서 사용될 때, SiC 분말은 기체 전구체와 화학 반응을 일으켜서 화학적으로 결합된 SiC 층을 만듭니다. 이 방법은 얇고 균일한 SiC 층을 형성하는 데 매우 효과적입니다.

  • 3-2. 반응결합 실리콘 카바이드(SiSiC)

  • 반응결합 실리콘 카바이드(SiSiC)는 다공질 탄소나 흑연과 용융 실리콘 간의 화학 반응을 통해 제조됩니다. 이 방식으로 제조된 SiSiC는 남은 실리콘 잔여물이 있어 흔히 '실리콘화된 실리콘 카바이드'라고도 불립니다. 이는 높은 내열성과 기계적 강도를 지녀 고온 환경에서도 우수한 특성을 발휘합니다.[출처: 'Reaction bonded silicon carbide - Wikipedia', DocId: go-wikipedia-Q7300258-31802451]

  • 3-3. 소결 SiC(SSiC)

  • 소결 SiC(SSiC)는 실리콘 카바이드 분말을 소결하여 제조되며, 소결 과정에서 낮은 온도를 가능하게 하기 위해 소결 보조제가 사용됩니다. 이는 높은 순도의 SiC 생성이 가능하며, 기계적 강도가 뛰어나 다양한 고성능 제조 응용분야에 활용됩니다.[출처: 'Reaction bonded silicon carbide - Wikipedia', DocId: go-wikipedia-Q7300258-31802451]

  • 3-4. 질화물 보세 실리콘 카바이드(NBSiC)

  • 질화물 결합 실리콘 카바이드(NBSiC)는 질화화 과정에서 실리콘 카바이드 분말과 질화물 세라믹 상을 혼합하여 제조됩니다. 이 과정에서 질소가 SiC 입자 내의 실리콘과 반응해 실리콘 질화물 상을 형성, SiC 입자를 결합시킵니다. NBSiC는 우수한 내열성, 내마모성, 그리고 급격한 온도 변화 저항성을 지니고 있어 열 충격이 발생하는 환경에서도 기계적 강도를 유지할 수 있습니다.[출처: '질화물 보세 실리콘 카바이드 란??', DocId: go-public-web-eng-303905034069644554-0-0]

4. SiC의 산업적 응용

  • 4-1. 전력 반도체

  • Silicon Carbide(SiC)는 전력 반도체 산업에서 중요하게 사용되고 있습니다. SiC는 뛰어난 고온 강도와 내마모성, 내식성을 가지고 있어 고온 환경에서도 안정적으로 작동합니다. 이로 인해 SiC 전력 반도체는 높은 효율성과 안정성을 제공합니다. 특히, onsemi와 같은 기업이 SiC 반도체 제조를 위해 첨단 시설을 설립하면서 시장에서의 중요성이 더욱더 강조되고 있습니다.

  • 4-2. LED

  • SiC는 LED 제조에서도 중요한 역할을 합니다. SiC의 높은 열 전도성과 낮은 열팽창 계수는 LED의 효율성을 높이고 수명을 연장하는 데 기여합니다. 이외에도 SiC는 높은 굴절률을 가지고 있어 LED 빛의 출력과 품질을 향상시킵니다.

  • 4-3. 연마재 및 코팅

  • SiC는 연마재로서 주요하게 사용됩니다. 높은 경도(모스 경도 9)와 내마모성 덕분에 SiC는 다양한 연마 및 절단 작업에서 필수적으로 사용됩니다. 이 과정에서 사용되는 SiC 제품은 다양한 입자 크기로 제공되며, 다양한 산업에서의 요구를 충족합니다. 또한, SiC는 고온 스프레이 노즐 및 기타 고온 장비에 사용되는 코팅 재료로 활용됩니다.

  • 4-4. 고온 세라믹 부품

  • SiC는 고온 세라믹 부품 제조에 사용됩니다. 이는 SiC의 높은 열 저항성과 안정성 때문입니다. SiC는 고온 환경에서도 변형이 적으며, 이는 여러 종류의 열 저항 부품 제조에 이상적입니다. 예를 들어, 항공 우주 산업에서 고온 스프레이 노즐, 히터, 씰링 밸브 등의 부품에 사용됩니다.

5. SiC의 최근 동향 및 사례 연구

  • 5-1. 전기차 및 재생 가능 에너지 시스템

  • 현재 실리콘 카바이드(SiC)는 전기차 및 재생 가능 에너지 시스템에서 널리 사용되고 있습니다. SiC는 고온 강도, 내마모성, 내식성 등 여러 물성을 통해 전력 반도체로 사용되며, 전기차의 에너지 효율성을 증가시키고 있습니다. 이는 재생 가능 에너지 시스템에서도 마찬가지로 적용되어 전력 변환과 관리 효율성을 최적화하는데 기여하고 있습니다.

  • 5-2. onsemi의 체코 공화국 공장 설립

  • onsemi는 첨단 전력 반도체 제조를 위한 수직 통합 실리콘 카바이드(SiC) 제조 시설을 체코 공화국에 설립할 계획을 발표했습니다. 이 투자는 전기차, 재생 가능 에너지 및 AI 데이터 센터 등의 응용 분야에서 에너지 효율성을 향상시키기 위해 중요한 역할을 합니다. 체코 정부와의 긴밀한 협력을 통해, 이 시설은 20억 달러(약 440억 CZK)의 투자로 유럽 연합의 탄소 배출 감소 및 환경 영향 최소화 목표를 달성하는 데 기여할 것입니다. 또한, 이 시설은 체코의 GDP에 연간 2억 7천만 달러(약 60억 CZK) 이상을 기여할 것으로 예상됩니다. 이는 중앙 유럽의 반도체 가치 사슬 내에서 체코의 전략적 위치를 강화하는데 중요한 역할을 할 것입니다.

  • 5-3. Kimoto 교수의 SiC 연구

  • Tsunenobu Kimoto 교수는 SiC를 이용한 고순도 반도체를 성장시키는 화학 기상 증착(CVD) 기술을 발전시켰습니다. 이 기술은 반응 챔버에 가스를 도입하여 기판 위에 SiC를 층으로 성장시키는 방법을 사용합니다. 비록 SiC가 청색 LED 개발 경쟁에서 우위를 점하지는 못했지만, SiC는 전력 장치 분야에서 많은 저명하지 않은 발전을 이루었습니다.

6. 결론

  • 본 리포트는 Silicon Carbide(SiC)의 물성과 제조 방법, 그리고 다양한 산업적 응용 및 최근 동향을 종합적으로 분석했습니다. 이 리포트에서 밝혀진 주요 발견은 SiC의 뛰어난 물성이 다양한 산업 응용에서 큰 가치를 지닌다는 점입니다. 전력 반도체, LED, 연마재, 고온 세라믹 부품 등에서의 SiC 활용은 각 산업의 효율성과 안정성을 크게 향상시키는 데 기여합니다. 또한, onsemi가 체코 공화국에 설립 중인 첨단 제조 시설은 SiC의 산업적 중요성을 더욱 부각시키고 있습니다. 한편, SiC의 제조 기술은 매우 전문적이며, Tsunenobu Kimoto 교수의 연구는 이에 중요한 기여를 하고 있습니다. 이러한 연구와 투자가 계속될 경우, SiC는 전반적인 기술 발전과 환경 보호에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 그러나 SiC 제조의 높은 비용과 복잡성은 여전히 큰 도전 과제로 남아 있으며, 이를 해결하기 위한 지속적인 연구와 혁신이 필요합니다. 미래에는 전기차, 재생 가능 에너지 시스템, 그리고 고성능 전자 기기 분야에서 SiC의 응용이 더욱 확대될 것으로 전망됩니다.

7. 용어집

  • 7-1. Silicon Carbide (SiC) [물질]

  • 연마재, 전력 반도체, 고온 세라믹 등 다양한 산업적 응용 범위를 가진 중요한 세라믹 물질이며, 높은 내마모성, 내식성, 열전도성을 가집니다.

  • 7-2. onsemi [회사]

  • 전력 반도체 분야에서 중요한 역할을 하는 기업으로, 체코 공화국에 SiC 제조 시설을 설립하여 전기차, 재생 가능 에너지 및 AI 데이터 센터의 에너지 효율성을 높이고 있습니다.

  • 7-3. 하산 엘쿠리 (Hassane El-Khoury) [인물]

  • onsemi의 CEO로, SiC 제조 시설 설립을 통해 전력 반도체 시장의 성장을 이끌고 있으며, 지속 가능한 미래를 위한 회사의 전략을 주도하고 있습니다.

  • 7-4. Tsunenobu Kimoto [인물]

  • SiC 연구의 선구자로, 고순도 SiC 제조 방법인 화학기상증착법(CVD)을 통해 SiC의 발전에 기여했습니다.

8. 출처 문서