최근 몇 년 동안 탄화규소 화합물 반도체가 산업계에서 널리 주목받고 있습니다. 하지만 고성능 소재인 탄화규소는 전자 기기(다이오드, 전력 소자)의 일부로만 사용되는 것이 아닙니다. 연마재, 절삭 재료, 구조 재료, 광학 재료, 촉매 담체 등 다양한 분야에 활용됩니다. 오늘 본 글에서는 화학적 안정성, 고온 저항성, 내마모성, 내식성, 높은 열전도율, 낮은 열팽창 계수, 낮은 밀도, 높은 기계적 강도 등의 장점을 지닌 탄화규소 세라믹에 대해 중점적으로 소개합니다. 탄화규소 세라믹은 화학 기계, 에너지 및 환경 보호, 반도체, 야금, 국방 및 군수 산업 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
탄화규소(SiC)실리콘과 탄소를 포함하는 대표적인 다형 구조 화합물로, 주로 α-SiC(고온 안정형)와 β-SiC(저온 안정형)의 두 가지 결정 형태를 가진다. 총 200가지 이상의 다형 구조가 있으며, 그중 β-SiC의 3C SiC와 α-SiC의 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC, 15R SiC 등이 대표적이다.
그림 SiC 다물체 구조
온도가 1600℃ 미만일 때, SiC는 β-SiC 형태로 존재하며, 약 1450℃에서 실리콘과 탄소의 간단한 혼합물로부터 제조할 수 있습니다. 온도가 1600℃를 초과하면 β-SiC는 서서히 다양한 α-SiC 동질체로 변환됩니다. 4H-SiC는 약 2000℃에서 쉽게 생성되며, 6H-SiC와 15R 동질체는 모두 2100℃ 이상의 고온에서 생성될 수 있습니다. 특히 6H-SiC는 2200℃ 이상의 고온에서도 매우 안정적이어서 산업 분야에서 널리 사용됩니다.
순수 탄화규소는 무색 투명한 결정이지만, 산업용 탄화규소는 투명도가 낮아짐에 따라 무색, 옅은 노란색, 연녹색, 진녹색, 연한 파란색, 진청색, 심지어 검은색까지 다양한 색을 띨 수 있습니다. 연마재 산업에서는 탄화규소를 색상에 따라 흑색 탄화규소와 녹색 탄화규소 두 종류로 분류합니다. 무색에서 진녹색까지의 탄화규소는 녹색 탄화규소로, 연한 파란색에서 검은색까지의 탄화규소는 흑색 탄화규소로 분류됩니다. 흑색 탄화규소와 녹색 탄화규소는 모두 알파 SiC 육방정계 결정이며, 녹색 탄화규소 미세 분말은 일반적으로 탄화규소 세라믹의 원료로 사용됩니다.
다양한 제조 공정을 통해 만들어진 탄화규소 세라믹의 성능
그러나 탄화규소 세라믹은 파괴 인성이 낮고 취성이 높다는 단점이 있습니다. 따라서 최근에는 섬유(또는 위스커) 강화, 이종 입자 분산 강화, 경사 기능성 소재 등 탄화규소 세라믹을 기반으로 하는 복합 세라믹이 잇따라 등장하여 개별 소재의 인성과 강도를 향상시키고 있습니다.
고성능 구조용 고온 소재인 탄화규소 세라믹은 고온 가마, 철강 야금, 석유화학, 기계 전자, 항공우주, 에너지 및 환경 보호, 원자력, 자동차 등 다양한 분야에서 점점 더 많이 활용되고 있습니다.
2022년 중국의 탄화규소 구조 세라믹 시장 규모는 182억 위안에 달할 것으로 예상됩니다. 응용 분야의 확대와 하위 부문의 성장 수요를 고려하면, 2025년에는 탄화규소 구조 세라믹 시장 규모가 296억 위안에 이를 것으로 추산됩니다.
향후 신에너지 자동차, 에너지, 산업, 통신 등 다양한 분야의 보급률이 증가하고, 각 분야에서 고정밀, 고내마모성, 고신뢰성 기계 부품 또는 전자 부품에 대한 요구 사항이 더욱 엄격해짐에 따라 탄화규소 세라믹 제품 시장 규모는 지속적으로 확대될 것으로 예상되며, 그중에서도 신에너지 자동차와 태양광 발전 분야가 중요한 성장 동력이 될 것입니다.
탄화규소 세라믹은 우수한 고온 기계적 특성, 내화성 및 내열충격성으로 인해 세라믹 가마에 사용됩니다. 특히 롤러 가마는 리튬 이온 배터리의 양극재, 음극재 및 전해질의 건조, 소결 및 열처리에 주로 사용됩니다. 리튬 배터리의 양극재와 음극재는 신에너지 자동차에 필수적인 소재입니다. 탄화규소 세라믹 가마 내피는 가마의 핵심 구성 요소로서, 가마의 생산 능력을 향상시키고 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다.
탄화규소 세라믹 제품은 다양한 자동차 부품에 널리 사용됩니다. 특히, SiC 소자는 신에너지 자동차의 PCU(온보드 DC/DC 컨버터와 같은 전력 제어 장치) 및 OBC(충전 장치)에 주로 사용됩니다. SiC 소자는 PCU 장비의 무게와 부피를 줄이고, 스위칭 손실을 감소시키며, 장치의 작동 온도와 시스템 효율을 향상시킬 수 있습니다. 또한, OBC 충전 시 장치 출력 수준을 높이고, 회로 구조를 단순화하며, 전력 밀도를 개선하고, 충전 속도를 향상시킬 수 있습니다. 현재 전 세계 많은 자동차 회사들이 다양한 모델에 탄화규소를 사용하고 있으며, 탄화규소의 대규모 도입은 하나의 추세가 되고 있습니다.
태양광 전지 생산 공정에서 탄화규소 세라믹을 핵심 담체 소재로 사용하면, 보트 지지대, 보트 박스, 배관 부속품 등의 생산품은 열 안정성이 우수하고 고온에서도 변형되지 않으며 유해 오염 물질을 발생시키지 않습니다. 따라서 일반적으로 사용되는 석영 보트 지지대, 보트 박스, 배관 부속품을 대체할 수 있으며, 비용 효율성 또한 매우 뛰어납니다.
또한, 실리콘 카바이드(SiC) 기반 태양광 발전 소자의 시장 전망은 밝습니다. SiC 소재는 온 저항, 게이트 전하, 역회복 전하 특성이 낮습니다. SiC MOSFET 또는 SiC MOSFET과 SiC SBD를 결합한 태양광 인버터를 사용하면 변환 효율을 96%에서 99% 이상으로 높이고, 에너지 손실을 50% 이상 줄이며, 장비 수명을 50배까지 연장할 수 있습니다.
탄화규소 세라믹의 합성은 1890년대로 거슬러 올라가는데, 당시 탄화규소는 주로 기계 연삭 재료와 내화 재료로 사용되었습니다. 생산 기술의 발전과 함께 첨단 탄화규소 제품이 널리 개발되었고, 전 세계 국가들은 첨단 세라믹의 산업화에 더욱 주목하고 있습니다. 더 이상 전통적인 탄화규소 세라믹 제조에만 만족하지 않고, 첨단 세라믹 생산 기업들이 특히 선진국에서 빠르게 성장하고 있습니다. 해외 주요 제조업체로는 Saint Gobain, 3M, CeramTec, IBIDEN, Schunk, Narita Group, Toto Corporation, CoorsTek, Kyocera, Aszac, 일본의 Jingke Ceramics Co., Ltd., Special Ceramics Co., Ltd., IPS Ceramics 등이 있습니다.
중국의 탄화규소 개발은 유럽이나 미국과 같은 선진국에 비해 상대적으로 늦었습니다. 1951년 6월 제1연삭공장에 최초의 산업용 탄화규소 제조용 용광로가 건설되면서 중국은 탄화규소 생산을 시작했습니다. 국내 탄화규소 세라믹 제조업체들은 주로 산둥성 웨이팡시에 집중되어 있습니다. 전문가들에 따르면 이는 지역 석탄 채굴 기업들이 파산 위기에 직면하여 구조조정을 모색하고 있기 때문입니다. 일부 기업들은 독일에서 관련 장비를 도입하여 탄화규소 연구 및 생산을 시작했습니다.ZPC는 반응 소결 탄화규소의 최대 제조업체 중 하나입니다.
게시 시간: 2024년 11월 9일