최근 몇 년 동안 탄화규소 화합물 반도체는 업계에서 큰 주목을 받고 있습니다. 하지만 고성능 소재로서 전자 소자(다이오드, 전력 소자)는 그 응용 분야의 극히 일부에 불과합니다. 탄화규소는 연마재, 절삭재, 구조재, 광학 소재, 촉매 담체 등으로도 사용될 수 있습니다. 오늘은 안정적인 화학적 특성, 고온 내성, 내마모성, 내부식성, 높은 열전도도, 낮은 열팽창 계수, 낮은 밀도, 높은 기계적 강도 등의 장점을 가진 탄화규소 세라믹을 주로 소개합니다. 탄화규소는 화학 기계, 에너지 및 환경 보호, 반도체, 야금, 국방 및 군수 산업 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

1. 탄화규소의 구조 및 특성

탄화규소(SiC)는 규소와 탄소를 포함하는 전형적인 다형체 화합물입니다. SiC는 주로 α-SiC(고온 안정형)와 β-SiC(저온 안정형)의 두 가지 결정 형태로 구성됩니다. 200개가 넘는 다형체가 있으며, 그중 β-SiC의 3C-SiC와 α-SiC의 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC가 특히 대표적입니다.

1600°C 미만의 온도에서 SiC는 β-SiC로 존재하며, 이는 약 1450°C에서 실리콘과 탄소의 단순한 혼합물로부터 생성될 수 있습니다. 1600°C 이상에서 β-SiC는 다양한 α-SiC 폴리타입으로 천천히 변형됩니다. 4H-SiC는 약 2000°C에서 쉽게 형성되며, 6H 및 15R 폴리타입은 모두 2100°C 이상의 온도에서 쉽게 형성됩니다. 6H-SiC는 2200°C 이상의 온도에서도 매우 안정적이기 때문에 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 순수 탄화규소는 무색 투명한 결정입니다. 산업용 탄화규소는 무색, 옅은 노란색, 연녹색, 진녹색, 연청색, 진청색, 심지어 검은색까지 투명도가 감소하는 색상으로 제공됩니다. 연마재 산업에서는 탄화규소를 색상에 따라 검은색 탄화규소와 녹색 탄화규소로 분류합니다. 무색에서 짙은 녹색의 탄화규소는 녹색 탄화규소로, 연한 파란색에서 검은색의 탄화규소는 검은색 탄화규소로 분류됩니다. 검은색 탄화규소와 녹색 탄화규소는 모두 α-SiC 육방정계 결정입니다. 일반적으로 탄화규소 세라믹은 녹색 탄화규소 분말을 원료로 사용합니다.

2. 실리콘 카바이드 세라믹 제조 공정

탄화규소 세라믹은 탄화규소 원료를 파쇄, 분쇄, 분급하여 균일한 입도 분포를 갖는 SiC 입자를 얻는 공정입니다. SiC 입자는 소결 첨가제 및 임시 결합제와 혼합하여 성형체로 압축한 후 고온에서 소결합니다. 그러나 시-C 결합의 높은 공유 결합 특성(약 88%)과 낮은 확산 계수로 인해, 소결 과정에서 치밀화 달성의 어려움이 주요 과제 중 하나입니다. 고밀도 탄화규소 세라믹을 제조하는 방법에는 반응 소결, 무압소결, 무압소결, 열간 가압, 재결정 소결, 열간 등압 가압, 그리고 스파크 플라즈마 소결이 있습니다. 그러나 탄화규소 세라믹은 파괴인성이 낮아 취성이 더 큰 단점이 있습니다. 따라서 최근 들어 섬유(혹은 휘스커) 강화, 이종입자 분산 강화, 기능적 기울기 강화 등의 탄화규소 기반 복합 세라믹스가 등장하여 단일 재료의 인성과 강도를 향상시키고 있다.

3. 탄화규소 세라믹의 응용 및 개발 전망 

우수한 성능을 지닌 고온 구조용 세라믹 소재인 실리콘 카바이드 세라믹은 고온 가마, 철강 야금, 석유화학, 기계 전자, 항공우주, 에너지 및 환경 보호, 핵 에너지, 자동차 및 기타 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 우리는 위대한 일을 하기 위해 가능한 가장 좋은 방법을 사용한다고 생각합니다. 

미래에는 신에너지 자동차, 에너지, 산업, 통신 등 분야의 침투율이 높아지고, 다양한 분야에서 고정밀, 고내마모, 고신뢰성의 기계부품이나 전자부품에 대한 요구가 점점 더 엄격해짐에 따라, 탄화규소 세라믹 제품의 시장 규모는 지속적으로 확대될 것으로 예상되며, 그 중에서도 신에너지 자동차와 태양광 발전은 중요한 개발 분야입니다.