탄화 규소는 규소와 탄소의 1:1 비율로 만들어진 원소 입니다. 반도체 분야에서 많이 보게 되는 소재 중의 하나 입니다. 어떠한 성질을 가지고 있는지 알게 된다면 더욱더 공부를 하거나 일을 하는데 도움이 될 것 같습니다. 아래 글을 참고해서 많은 도움이 되면 좋겠습니다.
탄화규소란?
탄화 규소(Silicon Carbide)는 규소와 탄소로 이루어진 4족 화합물로서 원소기호는 SiC입니다. 첨단 반도체 제조공정에서 많은 분야에 사용되는 소재이며 이 때문에 뉴 세라믹 (New Ceramic) 으로도 불립니다. 자연에서는 발견되는 경우도 있는데 이는 모이사나이트로 불리우며 굉장히 미량입니다. 탄화 규소의 특징은 다이아몬드와 붕소 탄화물에 이어 두 번째로 경도가 높은 것입니다. 이러한 특징을 이용하여 고내마모성, 고내열성, 내부식성이 필요한 분야에 많이 사용됩니다.
탄화규소는 밀도가 높은 소결체로서 거울처리가 가능하며 1400°C 이상의 고온 저항성과 우수한 화학적 특징을 가지고 있습니다. 현재 다양한 산업에서 사용되고 있는 공업용 탄화규소는 1891년 미국의 화학자였던 에드워드 굿리치 애치슨(Edward Goodrich Acheson)이 다이아몬드를 인공적으로 만들기 위해 시도한 것을 시작으로 점점 발전되게 되었습니다. 당시 에드워드는 코크스와 점토의 혼합물을 탄소 아크로 가열했을 때 반짝이는 물질을 발견하였고, 산화 알루미늄이라는 뜻의 카보런덤(Carborundum)이라는 회사를 설립하게 됩니다. 이는 탄소(Carbon)와 코런덤(Corundum)의 합성어로서 최초의 인공적인 탄화규소를 생산한 회사 입니다.
탄화규소의 특징
탄화 규소는 규소와 탄소가 1:1로 결합되어 화학적으로 매우 안정되어 있으며, 앞서 말한 것과 같이 물리적으로도 매우 딱딱한 재료입니다. 탄화 규소(Silicon Carbide, SiC)는 반도체, 전자기기, 자동차 산업 등 다양한 분야에서 사용되는 고성능 재료로, 뛰어난 물리적, 화학적 성질을 지니고 있습니다. 탄화 규소의 장점과 단점이 무엇이 있는지 이 글을 통해 알아보도록 하겠습니다.
탄화규소는 높은 열전도성을 갖고 있습니다. 매우 높은 열전도성을 가지고 있어, 고온 환경에서도 장비의 안정성을 유지할 수 있습니다. 또한 강한 기계적 강도를 갖고 있어서 고온 및 고압 환경에서도 높은 내구성을 밝휘합니다. 화학적으로 안정적인 특징 덕분에 산과 알칼리 등 다양한 화학 물질에 대한 우수한 저항성을 가지고 있어, 화학적으로 까다로운 환경에서도 사용 가능합니다.
위의 상황들은 대부분 낮은 열팽창 계수를 갖고 있기 때문에 가능한 것입니다. 이러한 특징 덕분에 다양한 온도 변화가 반복되는 극한의 챔버 환경에서 형태 변화가 적어서습니다. 이는 정밀 부품 제작에 매우 유리합니다. 이러한 특징 때문에 탄화규소는 반도체 소재로서 우수한 전기적 특성을 가지고 있으며, 고전압 및 고온에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다. 또한 방사선에 대한 높은 저항성을 가지고 있어, 우주항공 및 핵 관련 산업에서도 활용됩니다. 높은 마모 저항과 높은 경도를 가지고 있어 마모에 강하며, 이로 인해 연마재로도 널리 사용됩니다.
하지만 이러한 우수한 재료적 특성 때문에 높은 제조 비용이 듭니다. 탄화규소의 제조 과정은 복잡하고 에너지를 많이 소모하기 때문에, 비용이 높습니다. 이는 높은 경도와 강도로 인해 가공이 어렵고, 특수한 도구와 기술이 필요하기 때문입니다.하지만 비록높은 강도를 가지고 있지만, 탄화규소는 취성 재료로서 충격에 의해 파괴될 수 있다는 단점이 있습니다.
또한 고품질 탄화규소의 원료는 지구상에 그 재료가 제한적이기 때문에 재료를 구하는데 드는 어려움이 있습니다. 이는 2차 생산품에 대한 생산량과 공급에 영향을 줄 수 있습니다. 또한 빠른 온도 변화에는 취약함을 보여 탄화규소의 열충격을 일으킬 수 있으며, 이로 인해 균열이 발생할 수 있습니다.
탄화규소 반도체란?
그렇다면 탄화규소(SiC)가 앞으로 더욱더 발전해 나아가야 하는 방향에 대해 알아보도록 하겠습니다. SiC 반도체의 시장규모는 매년 늘어나고 있습니다. 작년 2023년도에도 미국 반도체 기업의 국내 투자 유치가 결정된 첨단산업 중 하나가 SiC(실리콘카바이드)반도체입니다.
SiC반도체는 차세대 전력반도체로 꼽히는 반도체로서 기존의 실리콘 반도체와 비교해 서 고온과 고압, 전력 효율이 뛰어납니다. 차세대 기술로 성장시켜야할 장점이 분명히 있습니다.
실리콘 반도체가 고온에서 반도체 성질을 잃어버리는 단점이 비해, SiC 반도체는 온도에 상관없이 반도체의 성질을 유지할 수 있습니다. 절연파괴전계도 기존의 실리콘 반도체보다 10배나 높아 높은 전압에서도 동작이 가능합니다. 열전도도 3배나 높아 냉각에 필요한 에너지도 줄일 수 있어 효율적인 반도체로 손꼽히고 있습니다.
특히 다양한 환경에서 동작하는 전기차 구동을 위해 전기차에 꼭 필요한 반도체로 손꼽히고 있습니다. 전력 관리 등을 담당하는 PCU(전력제어장치)의 핵심으로 분류된다. SiC반도체의 특징을 살려 어떠한 악조건에서도 전기차의 구동을 유지할 수 있으며 기존의 실리콘 반도체 보다 효율이 좋아 연비를 줄일 수 있어 효율적인 에너지 사용이 가능합니다.
또한 신재생에너지 부문 중 태양광발전에서 SiC반도체가 잘 활용될 것으로 나타납니다. 고온·고압에 잘 견디는 내구성이 태양광발전을 통해 만든 직류를 교류로 변환할 때 유용하기 때문입니다.