실리콘 카바이드 (SIC)는 탁월한 경도, 열 안정성 및 화학 저항으로 유명한 합성 세라믹 재료입니다. 생산에는 야금, 군사, 석유 시추 및 건설과 같은 부문의 산업 요구를 충족시키기 위해 조정 된 고급 합성 방법이 포함됩니다. 아래에서는 생산을 형성하는 주요 프로세스, 혁신 및 응용 프로그램을 살펴 봅니다. 실리콘 카바이드.
전통적인 생산 방법
Acheson 프로세스
1893 년에 개발 된 Acheson 방법은 상업용 실리콘 카바이드 제조의 중추로 남아 있습니다. 이 공정은 2,500 ° C로 가열 된 흑연 저항 용광로에서 석유 코크스와 같은 고순도 실리카 모래와 탄소 공급원을 결합합니다. 강렬한 열은 실리카가 실리콘 증기로 감소하는 반응을 일으켜 탄소와 결합하여 Sic 결정을 형성합니다.
생성 된 물질은 퍼니스의 흑연 코어에 근접성에 따라 순도가 다릅니다. 코어 근처의 무색 또는 창백한 결정은 가장 높은 순도를 나타내며, 어두운 결정은 질소 또는 알루미늄과 같은 불순물을 더 많이 포함합니다. 에너지 강도에도 불구하고, Acheson 공정은 실리콘 카바이드 생산에서 확장 성과 비용 효율성으로 인해 지배적입니다.
반응 결합 실리콘 카바이드 (RBSC)
RBSC는 실리콘 카바이드 분말을 탄소와 혼합하여 혼합물을 프리 폼으로 형성합니다. 액체 실리콘은 고온에서 프리폼에 침투하여 탄소와 반응하여 추가 SIC를 형성합니다. 이 방법은 최소 가공 요구 사항을 가진 복잡한 고강도 구성 요소를 생성하므로 산업 공구 및 항공 우주 부품에 이상적입니다.
고급 합성 기술
Lely and Modified Lely 방법
Lely 프로세스는 고순도의 SIC 단결정 성장에 중점을 둡니다. 2,700 ℃에서 SIC 분말의 승화는 증기를 냉각기 흑연 막대에 침착시켜 큰 결정을 형성한다. 현대 적응은 유도 가열 및 정확한 온도 그라디언트를 사용하여 4 인치 직경의 결정을 성장시켜 반도체 적용에 중요합니다.
화학 기상 증착 (CVD)
CVD는 기판에서 실란, 수소 및 질소 가스를 반응시킴으로써 초고 SIC 층을 생성한다. 이 방법은 결정 구조 및 도핑을 정확하게 제어하여 고전압 전자 제품 및 방사선 내성 센서를위한 재료를 생산합니다.
지속 가능한 생산 혁신
Susteon의 메탄 기반 공정과 같은 새로운 방법은 재활용 실리콘 폐기물을 75% 낮은 COS 배출에서 β-SIC로 변환합니다. 바이오 가스와 도망자 메탄을 활용 하여이 접근법은 비용을 $ 10- $ 20/kg으로 줄여 실리콘 탄화물 생산을위한 더 친환경 통로를 제공합니다.
실리콘 카바이드의 결정 구조 및 다형성
실리콘 카바이드는 폴리 타입으로 알려진 200 개 이상의 결정질 형태로 존재하며, 각각의 독특한 스태킹 실리콘 및 탄소 원자를 갖는다. 가장 일반적인 폴리 유형은 3c-sic (Cubic), 4H-sic 및 6H-sic (육각형)입니다. 이러한 변화는 재료의 전기, 열 및 기계적 특성에 영향을 미치므로 다양한 응용 분야에서 SIC가 매우 다양합니다. 예를 들어, 4H-SIC는 넓은 밴드 갭 및 고 전자 이동성으로 인해 고출력 전자 제품에서 선호됩니다.
원료 준비 및 가공
1. 소싱 및 정제
고순도 실리카 모래 및 탄소 질 물질은 화학적 또는 열 정제를 거쳐 산화철과 같은 오염 물질을 제거합니다.
2. 혼합 및 반응
원료는 정확한 비율로 혼합되고 전기 아크로로 가열됩니다. 탄수화물 반응은 원유 SIC를 생성하며, 이는 냉각되고 분말로 분쇄된다.
3. 소결과 모양
SIC 분말은 소결 보조 장치 (예 : 붕소 또는 알루미늄)와 혼합되어 프레스, 압출 또는 주조를 통해 형성됩니다. 2,000 ~ 2,600 ° C에서 소결하면 밀도가 높고 네트 모양의 구성 요소가 생성됩니다.
실리콘 카바이드의 산업 응용
- 연마제 및 절단 도구 : SIC의 경도 (29 GPA)는 바퀴를 연삭하는 데 이상적입니다.
- 반도체 : SIC 웨이퍼는 EV 및 재생 가능 에너지 시스템을위한 효율적인 전력 전자 장치를 가능하게합니다.
- 고온 성분 : Sic Concibles 및 Kiln 가구는 용융 금속과 세라믹 소결을 견딜 수 있습니다.
- 방어 : 갑옷 판과 미사일 코 원뿔은 SIC의 가벼운 및 탄도 저항을 활용합니다.
신흥 기술의 실리콘 카바이드
전통적인 용도 외에도 실리콘 카바이드는 최첨단 필드에서 주목을 받고 있습니다. 양자 컴퓨팅에서, 실온에서 안정적인 양자 비트 (Qubits)를 호스팅하는 SIC의 능력은 확장 가능한 양자 장치에 유망한 길을 제공합니다. 또한, 견고성과 열 안정성은 극도의 방사선 및 온도 변동에 노출 된 우주 탐사 구성 요소에 이상적입니다.
생산 도전과 혁신
발전에도 불구하고 고품질의 실리콘 탄화물을 생산하는 것은 여전히 어려운 일입니다. 결함이 반도체 성능에 영향을 줄 수 있으므로 결정 성장 동안 결함을 제어하는 것이 중요합니다. 연구자들은 시드 성장 및 고급 도핑 방법과 같은 새로운 기술을 개발하여 결정 품질을 향상시키고 있습니다. 또한 순도를 유지하고 비용을 줄이면 생산을 확장하는 것이 지속적인 초점입니다.
환경 영향 및 완화
Acheson 프로세스와 같은 전통적인 방법은 높은 에너지 소비로 인해 상당한 COS 배출을 생성합니다. 제조업체는 용광로, 폐기물 실리콘 재활용 및 반응 효율을 최적화하는 재생 에너지를 채택하고 있습니다. 메탄 기반 합성은 화석 연료에 대한 의존도를 감소시켜 실리콘 탄화물의 생산을 원형 경제 원칙과 정렬합니다.
환경 규제 및 지속 가능성 노력
실리콘 탄화물 산업은 엄격한 환경 규제를 준수해야한다는 압력이 증가하고 있습니다. 기업들은 청정 생산 기술, 폐기물 재활용 및 에너지 효율적인 용광로에 투자하고 있습니다. 라이프 사이클 평가는 환경 발자국을 최소화하기위한 표준 관행이되고 있으며, 실리콘 탄화물 생산이 글로벌 지속 가능성 목표와 일치하도록합니다.
시장 역학 및 확장 성
SIC에 대한 글로벌 수요는 전기 자동차, 5G 인프라 및 재생 에너지 프로젝트에 의해 주도됩니다. 확장 생산은 결정 순도 유지 및 비용 절감과 같은 문제를 해결해야합니다. 자동화 된 프로세스 제어 및 AI 중심 품질 모니터링이 구현되어 수율 및 일관성을 향상시킵니다.
미래의 트렌드
연구는 반도체 및 CVD와 3D 프린팅을 결합한 하이브리드 방법에 대한 더 큰 SIC 결정 (최대 8 인치)에 중점을 둡니다. 재활용 이니셔티브는 산업용 실리콘 폐기물을 고급 SIC로 용도 변경하여 실리콘 탄화물의 생산을 더욱 최적화하는 것을 목표로합니다.
실리콘 카바이드 생산에 대한 최종 생각
실리콘 카바이드에 대한 수요가 다양한 첨단 기술 산업에서 계속 성장함에 따라 생산 공정은 이러한 요구를 지속 가능하고 효율적으로 충족시키기 위해 발전하고 있습니다. 결정 성장, 환경 관리 및 응용 프로그램 개발의 혁신은 실리콘 카바이드가 미래의 기술 발전을위한 중요한 재료로 남아 있는지 확인합니다.
결론
실리콘 카바이드의 생산은 에너지 집약적 인 Acheson 프로세스에서 발전된 지속 가능한 방법으로 발전했습니다. 산업이 더 높은 성능과 환경 영향을 줄이면 재활용 및 결정 성장의 혁신은 차세대 기술에서 SIC의 채택을 주도 할 것입니다.
FAQ
1. 실리콘 탄화물 생산에 필수적인 원료는 무엇입니까?
석유 코크스와 같은 고순도 실리카 모래 및 탄소 공급원은 전통적인 SIC 합성의 기초를 형성합니다.
2. Acheson 프로세스는 Lely 방법과 어떻게 다릅니 까?
Acheson 공정은 산업용 사용을 위해 다결정 SIC를 생성하는 반면, Lely 방법은 전자 제품의 단결정을 키 웁니다.
3. 생산 중에 실리콘 카바이드를 재활용 할 수 있습니까?
그렇습니다. 신흥 방법은 실리콘 폐기물과 메탄을 용도를 변경하여 실리콘 카바이드 생산의 비용과 배출량을 줄입니다.
4. 반응 결합 SIC에서 가장 큰 혜택을받는 산업은 무엇입니까?
RBSC의 복잡한 모양과 고강도 슈트 항공 우주, 자동차 및 정밀 엔지니어링 응용 프로그램.
