실리콘 카바이드(Silicon Carbide, SiC) 주요 특징과 응용 분야

퀄컴(Qualcomm)은 모바일 프로세서와 무선 기술로 유명한 반도체 회사로, 최근 실리콘 카바이드(SiC) 기술 공급망 강화를 통해 주가 상승을 경험했습니다. 오늘은 실리콘 카바이드에 대해 알아보도록 하겠습니다.

1. 실리콘 카바이드( (Silicon Carbide, SiC)란

실리콘 카바이드(Silicon Carbide, SiC)는 실리콘(Si)과 탄소(C)로 이루어진 화합물로, 매우 단단하고 내열성이 뛰어난 특성을 가진 세라믹 재료입니다

가. 특징

 1) 높은 경도

• 모스 경도 9 이상으로, 다이아몬드에 가까운 매우 높은 경도를 가짐.
• 내마모성이 뛰어나고 충격에도 강함.

 2) 우수한 내열성

• 2,700°C 이상의 매우 높은 융점.
• 고온에서도 물리적, 화학적 안정성이 우수하여 산화나 열변형이 적음.

 3) 열 및 전기적 특성

• 높은 열전도율과 낮은 열팽창 계수로 열 충격에 강함.
• 반도체 성질을 가져 고전압 및 고온 환경에서 전자 소자로 사용 가능.

 4) 화학적 안정성

• 산, 알칼리, 부식성 가스에 강하며, 부식성이 높은 환경에서도 성능 유지.

나. 제조방법

실리콘 카바이드는 일반적으로 Acheson 공정을 통해 제조됩니다.

• 실리카(SiO₂)와 탄소(C)를 고온(2,000°C 이상)에서 반응시켜 생성.
• SiO2+3C→SiC+2CO

2. 실리콘 카바이드( (Silicon Carbide, SiC) 응용분야

가. 전자 및 반도체

실리콘 카바이드(SiC)**는 전자 및 반도체 분야에서 고효율 전력 소자와 고온/고압 환경에 적합한 장치를 만드는 데 중요한 역할을 합니다. 이 분야에서의 SiC의 응용은 크게 전력 전자, 통신 기술, 및 RF 전자로 나눌 수 있습니다.

 1) 전력 전자 분야

SiC는 고전압 및 고주파 환경에서 뛰어난 성능을 발휘하는 특성 덕분에 전력 변환 장치에 널리 사용됩니다.

 (1) SiC 전력 반도체 (MOSFETs와 다이오드)

• MOSFET: 고주파 스위칭에서 에너지 손실을 줄이고 효율을 극대화함.
  • Si 기반 MOSFET 대비 전도 손실이 낮고 스위칭 속도가 더 빠름.
  • 고효율 DC/DC 컨버터, AC/DC 컨버터, 인버터에 사용.
• SiC 쇼트키 배리어 다이오드(SBD): 낮은 역전류 손실과 빠른 복구 속도로 효율적 전력 변환 가능.

 (2) 고전력 및 고온 환경에서의 장점

• SiC는 1,200~3,300V 이상의 고전압에서도 작동 가능하며, 고온(최대 200°C 이상)에서 안정적으로 동작.
• 전기차, 산업용 인버터, 철도 차량의 전력 모듈에 사용.

 (3) 응용 사례

• 전기차: 배터리에서 모터로 전력을 변환하는 인버터와 충전기.
• 태양광 인버터 및 풍력 발전 시스템: 높은 에너지 변환 효율 제공.
• 서버와 데이터센터: 전력 손실을 줄이는 SiC 기반 전원 공급장치(PSU).

 2) 5G 통신 및 RF 전자

SiC는 고주파 대역에서 효율적으로 작동하며, 특히 5G 네트워크 및 레이더 시스템에 적합합니다.

 (1) 5G 및 고주파 기지국

• SiC는 고주파 및 고전력을 필요로 하는 기지국 장비에서 사용됨.
• 열 방출이 적고 고출력 상태에서도 안정적 성능 유지.

 (2) RF 전자 소자

• SiC 기반 RF 소자는 고주파 신호 처리와 증폭기로 사용되어 통신 시스템의 안정성을 높임.
• 군용 레이더, 위성 통신 등에서도 활용.

 3) 반도체 웨이퍼 기술

SiC 웨이퍼는 고품질 반도체 제조의 핵심 소재로 자리 잡았습니다.

 (1) 200mm 웨이퍼 개발

• 기존 150mm SiC 웨이퍼에서 200mm(8인치) 웨이퍼로의 전환이 진행 중.
• 더 큰 웨이퍼는 생산성을 높이고 제조 비용을 절감하여 SiC 반도체의 보급을 가속화할 것으로 기대.

 (2) 제조 기술의 도전 과제

• SiC 웨이퍼는 결함 밀도가 높아 제조 공정에서 어려움이 존재하며, 이를 개선하기 위한 기술 개발이 진행 중.

나. 내열 부품 및 코팅

• 항공우주 및 터빈 엔진의 부품 소재로 사용.
• 고온 환경에 노출되는 기계 부품, 히터, 연료 노즐 등.

다. 광학 및 LED

• 고경도와 높은 광투과율 덕분에 광학 렌즈와 미러 코팅 재료로 사용.
• LED 제조용 기판.

라. 연마 및 절단재

• 연마제, 절단 공구, 사포 등에서 뛰어난 성능 발휘.

마. 자동차 및 방위 산업

• 브레이크 디스크, 방탄 소재, 차량용 엔진 부품.