최근 몇 년 동안 탄화규소 화합물 반도체가 업계에서 큰 주목을 받고 있습니다. 하지만 고성능 소재인 탄화규소는 전자 소자(다이오드, 전력 소자)의 극히 일부에 불과합니다. 연마재, 절삭재, 구조재, 광학 소재, 촉매 담지체 등으로도 활용될 수 있습니다. 오늘 저희는 화학적 안정성, 고온 내성, 내마모성, 내부식성, 높은 열전도도, 낮은 열팽창 계수, 낮은 밀도, 높은 기계적 강도 등의 장점을 가진 탄화규소 세라믹을 주로 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 함유하고 있으며, 대표적인 다중 구조 화합물로, 주로 α-SiC(고온 안정형)와 β-SiC(저온 안정형)의 두 가지 결정 형태를 포함합니다. 총 200개 이상의 다중 구조가 있으며, 그중 β-SiC의 3C SiC와 α-SiC의 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC, 15R SiC가 대표적입니다.
그림 SiC 다물체 구조
1600℃ 미만의 온도에서는 SiC가 β-SiC 형태로 존재하며, 1450℃ 부근에서 실리콘과 탄소의 단순한 혼합물로부터 제조될 수 있습니다. 1600℃를 초과하는 온도에서는 β-SiC가 서서히 다양한 α-SiC 다형체로 변합니다. 4H SiC는 2000℃ 부근에서 쉽게 생성되며, 6H 및 15R 다형체는 모두 2100℃ 이상의 고온에서 쉽게 형성됩니다. 6H SiC는 2200℃를 초과하는 온도에서도 매우 안정적이기 때문에 산업 분야에서 널리 사용됩니다.
순수 탄화규소는 무색 투명한 결정인 반면, 산업용 탄화규소는 무색, 옅은 노란색, 연녹색, 짙은 녹색, 연청색, 남색, 심지어 검은색까지 다양하며, 투명도는 점차 감소합니다. 연마재 업계에서는 탄화규소를 색상에 따라 검은색 탄화규소와 녹색 탄화규소의 두 가지 유형으로 분류합니다. 무색에서 짙은 녹색 탄화규소는 녹색 탄화규소로, 옅은 파란색에서 검은색 탄화규소는 검은색 탄화규소로 분류합니다. 검은색 탄화규소와 녹색 탄화규소는 모두 알파 SiC 육방정계 결정이며, 녹색 탄화규소 미세 분말은 일반적으로 탄화규소 세라믹의 원료로 사용됩니다.
다양한 공정으로 제조된 실리콘 카바이드 세라믹의 성능
그러나 탄화규소 세라믹은 파괴인성이 낮고 취성이 높다는 단점이 있습니다. 따라서 최근 섬유(또는 휘스커) 강화, 불균일 입자 분산 강화, 그리고 경사 기능 재료와 같은 탄화규소 세라믹 기반 복합 세라믹이 잇따라 등장하여 개별 재료의 인성과 강도를 향상시키고 있습니다.
고성능 구조용 세라믹 고온 재료인 탄화규소 세라믹은 고온 가마, 철강 야금, 석유화학, 기계 전자, 항공우주, 에너지 및 환경 보호, 핵 에너지, 자동차 및 기타 분야에 점점 더 많이 적용되어 왔습니다.
2022년 중국 탄화규소 구조 세라믹 시장 규모는 182억 위안에 이를 것으로 예상됩니다. 응용 분야 확대 및 다운스트림 성장 수요 증가로 2025년에는 탄화규소 구조 세라믹 시장 규모가 296억 위안에 이를 것으로 추산됩니다.
미래에는 신에너지 자동차, 에너지, 산업, 통신 등 분야의 침투율이 높아지고, 다양한 분야에서 고정밀, 고내마모성, 고신뢰성 기계부품 또는 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.
탄화규소 세라믹은 우수한 고온 기계적 특성, 내화성, 내열충격성으로 인해 세라믹 가마에 사용됩니다. 그중 롤러 가마는 주로 리튬 이온 배터리 양극재, 음극재, 전해질의 건조, 소결, 열처리에 사용됩니다. 리튬 배터리 양극재와 음극재는 신에너지 자동차에 필수적인 요소입니다. 탄화규소 세라믹 가마 설비는 가마의 핵심 구성 요소로, 가마 생산 능력을 향상시키고 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다.
탄화규소 세라믹 제품은 다양한 자동차 부품에도 널리 사용됩니다. 또한, SiC 소자는 신에너지 자동차의 차량 탑재형 DC/DC 컨버터(PCU) 및 OBC(충전 장치)에 주로 사용됩니다. SiC 소자는 PCU 장비의 무게와 부피를 줄이고, 스위치 손실을 줄이며, 장치의 작동 온도와 시스템 효율을 향상시킬 수 있습니다. 또한 OBC 충전 시 장치 전력 레벨을 높이고, 회로 구조를 단순화하며, 전력 밀도를 향상시키고, 충전 속도를 높일 수 있습니다. 현재 전 세계 여러 자동차 회사에서 다양한 모델에 탄화규소를 사용하고 있으며, 탄화규소의 대량 도입이 추세입니다.
탄화규소 세라믹을 태양광 전지 생산 공정의 핵심 지지체로 사용하면, 보트 지지대, 보트 박스, 파이프 피팅과 같은 제품들이 우수한 열 안정성을 갖추고 고온에서 사용 시 변형되지 않으며 유해 오염 물질을 생성하지 않습니다. 일반적으로 사용되는 석영 보트 지지대, 보트 박스, 파이프 피팅을 대체할 수 있으며, 비용 측면에서도 상당한 이점을 제공합니다.
또한, 태양광용 실리콘 카바이드 전력 소자의 시장 전망은 밝습니다. SiC 소재는 낮은 온 저항, 게이트 전하, 그리고 역회복 전하 특성을 가지고 있습니다. SiC MOSFET 또는 SiC MOSFET을 SiC SBD 태양광 인버터와 함께 사용하면 변환 효율을 96%에서 99% 이상으로 높이고, 에너지 손실을 50% 이상 줄이며, 장비 사이클 수명을 50배까지 연장할 수 있습니다.
탄화규소 세라믹의 합성은 1890년대로 거슬러 올라가는데, 당시 탄화규소는 주로 기계 연삭재와 내화재에 사용되었습니다. 생산 기술의 발전으로 첨단 SiC 제품이 널리 개발되었고, 세계 각국은 첨단 세라믹의 산업화에 더욱 집중하고 있습니다. 더 이상 전통적인 탄화규소 세라믹 제조에 만족하지 않습니다. 첨단 세라믹을 생산하는 기업들은, 특히 이러한 현상이 더욱 두드러지는 선진국을 중심으로 더욱 빠르게 발전하고 있습니다. 주요 해외 제조업체로는 Saint Gobain, 3M, CeramTec, IBIDEN, Schunk, Narita Group, Toto Corporation, CoorsTek, Kyocera, Aszac, Japan Jingke Ceramics Co., Ltd., Japan Special Ceramics Co., Ltd., IPS Ceramics 등이 있습니다.
중국의 탄화규소 개발은 유럽이나 미국 등 선진국에 비해 상대적으로 늦었습니다. 1951년 6월, 제1연삭차공장에 SiC 제조용 산업용로가 최초로 건설되면서 중국은 탄화규소 생산을 시작했습니다. 국내 탄화규소 세라믹 제조업체는 주로 산둥성 웨이팡시에 집중되어 있습니다. 전문가들은 지역 석탄 채굴 기업들이 파산 위기에 처해 있으며 구조조정을 모색하고 있기 때문이라고 분석합니다. 일부 기업들은 독일에서 관련 장비를 도입하여 탄화규소 연구 및 생산을 시작했습니다.ZPC는 반응소결 실리콘 카바이드 분야 최대 제조업체 중 하나입니다.
게시 시간: 2024년 11월 9일