실리콘 카바이드 세라믹, 과제에도 불구하고 산업에서 주목받아
December 18, 2025
급속한 기술 발전 시대에 재료 과학은 점점 더 중요해지고 있습니다. 산업 환경이 더욱 까다로워짐에 따라 기존 재료는 종종 고온 및 부식 조건의 극한 요구 사항을 충족하지 못합니다. 첨단 세라믹 재료 중 탄화규소(SiC)는 뛰어난 물리적 및 화학적 특성으로 두각을 나타내며 항공우주, 전자, 화학 공학 및 기타 산업 분야에서 상당한 주목을 받고 있습니다.
탄화규소는 강한 공유 결합을 통해 결합된 실리콘과 탄소 원자의 화합물입니다. 여러 결정 형태로 존재하며, 산업 응용 분야에서는 α-SiC(육방정계 구조)가 가장 흔하고, 전자 이동성이 더 높아 반도체 응용 분야에서는 β-SiC(입방정계 구조)가 유망합니다.
이 재료는 1893년 미국 발명가 에드워드 굿리치 애치슨이 다이아몬드를 합성하려다 우연히 발견했습니다. 이 우연한 발견은 SiC 연마재의 산업 생산으로 이어졌으며, 응용 분야는 내화 재료 및 전자 부품으로 점차 확대되었습니다.
융점이 2700°C인 SiC 세라믹은 강한 공유 결합으로 인해 극한의 열에서도 구조적 무결성을 유지합니다. 따라서 강철 생산 및 세라믹 소결 산업의 용광로 부품, 버너 노즐 및 가마 가구에 이상적입니다. 항공우주 응용 분야에서 SiC 기반 터빈 블레이드는 엔진 효율과 추력 대 중량비를 크게 향상시킬 수 있습니다.
비커스 경도 척도에서 2500-3000 HV를 기록하는 SiC 세라믹은 경도에서 알루미나(1500-2000 HV)와 같은 기존 세라믹을 능가합니다. 굴곡 강도(400-800 MPa) 또한 알루미나의 두 배로, 기계적 씰, 방탄 장갑, 석유 및 광산 장비의 내마모성 부품에 매우 중요합니다.
강력한 Si-C 결합은 산, 알칼리 및 산화제에 대한 뛰어난 저항성을 제공합니다. 화학 처리 및 환경 응용 분야에서 SiC 부품은 파이프라인에서 폐수 처리 시스템에 이르기까지 부식성 매체 취급 시 장비 수명을 획기적으로 연장합니다.
SiC는 질화알루미늄의 열전도율에는 미치지 못하지만, 120-270 W/m·K의 등급은 전력 전자 냉각 및 산업용 열교환기에 효과적입니다. 도핑을 통한 전기 전도성 조절은 다양한 반도체 응용 분야를 가능하게 합니다.
대부분의 세라믹과 마찬가지로 SiC는 낮은 파괴 인성을 겪습니다. 연구는 이러한 제한을 완화하기 위해 강화제(탄소 나노튜브, 그래핀), 입자 크기 제어 및 표면 개질을 통합하는 데 중점을 둡니다.
급격한 온도 변화는 균열을 유발할 수 있습니다. 해결책에는 열팽창 계수 수정, 열전도율 향상, 응력을 흡수하기 위한 제어된 미세 균열 네트워크 설계가 포함됩니다.
고가의 원자재, 복잡한 제조 및 정밀 가공 요구 사항은 현재 광범위한 채택을 제한합니다. 새로운 접근 방식에는 대체 원료 공급원, 단순화된 소결 공정 및 비용 절감을 위한 첨단 가공 기술이 포함됩니다.
주요 생산 기술은 다음과 같습니다.
- 소결: 비용 효율적인 분말 압축 및 고온 융합
- 반응 결합: 실리콘-탄소 혼합물로부터의 in-situ 형성
- 증착: 전자를 위한 고순도 박막 생산
- 대체 방법: 졸-겔 및 자기 전파 고온 합성을 포함
SiC 전력 장치는 보다 효율적인 인버터 및 컨버터를 가능하게 하며, 이미 Tesla 및 BYD와 같은 업계 선두 주자들이 배터리 범위를 확장하기 위해 채택했습니다.
차세대 터빈 부품 및 로켓 엔진 부품은 SiC의 고온 기능을 활용하여 추력 및 연료 효율을 향상시킵니다.
SiC 웨이퍼는 5G 인프라 및 에너지 시스템을 위한 전력 전자를 혁신하여 기존 실리콘보다 우수한 성능을 제공합니다.
추가 응용 분야는 원자력(연료 피복), 의료 임플란트(관절 대체) 및 정밀 가공용 첨단 연마재에 걸쳐 있습니다.
연구자들이 새로운 강화 전략과 확장 가능한 생산 방법을 통해 취성 및 비용 장벽을 해결함에 따라 탄화규소 세라믹은 여러 산업을 변화시킬 준비가 되어 있습니다. 지속적인 발전은 에너지, 운송 및 첨단 제조 분야에서 차세대 기술을 가능하게 하는 데 있어 그 역할을 공고히 할 것입니다.