탄화규소의 정의, 특성 및 용도에서 가공 방법까지 해설

탄화규소(SiC)는 높은 경도와 내열성과 더불어 반도체로서의 성질도 함께 가지는 고성능 세라믹입니다. 제조업의 설계·개발 담당자에게 있어서, 가혹한 환경하에서의 신뢰성 향상이나, 에너지 절약화에 빠뜨릴 수 없는 재료입니다.

다만, 그 뛰어난 성능을 최대한으로 끌어내기 위해서는, 특유의 취성이나, 다이아몬드 공구를 필요로 하는 가공의 어려움 등, 재료에 대한 깊은 이해가 요구됩니다.

이번 내용에서는 탄화규소의 기본 특성부터 장점·단점, 대표적인 용도, 나아가 가공 시 포인트까지 해설합니다. 고성능 부품의 재료 선정에 관련된 설계·개발 담당자 분은, 꼭 끝까지 봐 주세요.

탄화규소의 정의

탄화규소(SiC)는, 규소(Si)와 탄소(C)가 결합한 화합물로, 「실리콘 카바이드」라고도 불리는 파인 세라믹입니다. 탄화규소가 주목받는 이유는 다이아몬드와 유사한 견고한 결정 구조에 의해 매우 높은 경도, 우수한 내열성, 화학적 안정성을 실현하고 있는 점에 있습니다.

게다가 많은 세라믹이 절연체인데 반해, 탄화규소는 반도체로서의 성질도 함께 가진다는 독특한 특징을 가지고 있습니다.

천연에서는 드물지만, 19세기 말에 확립된 합성법에 의해 대량 생산이 가능해져, 당초는 「카보란 댐」이라는 이름으로 연마재로서 보급되었습니다. 현재는 흑색이나 녹색 분말에서 고순도의 반도체 웨이퍼까지 다양한 형태로 공급되어 구조 부재에서 최첨단 전자 디바이스까지를 지탱하는 중요한 엔지니어링 재료가 되고 있습니다.

탄화규소의 특성

탄화규소가 주목받는 이유는 다른 재료에는 없는 뛰어난 특성에 있습니다. 여기서는 기계적, 열적, 화학적, 전기적인 특성으로 나누어 살펴보도록 하겠습니다.

기계적 특성

탄화규소의 주요 기계적 특성은 다음과 같습니다.

탄화규소의 가장 큰 기계적 특징은 다이아몬드에 버금가는 매우 높은 경도와 고온에서도 쉽게 저하되지 않는 강도입니다. 규소와 탄소 원자가 다이아몬드와 유사한 견고한 공유 결합으로 연결되어 있기 때문에 뛰어난 내마모성과 기계적 강도를 실현하고 있습니다. 비커스 경도는 22GPa에 달하며 금속 재료를 압도합니다.

따라서 펌프의 메카니컬 씰이나 축받이 등 심한 마모 환경에서 사용되는 접동 부품에 매우 적합합니다. 단, 세라믹 특유의 취약성도 함께 갖기 때문에 갑작스러운 충격 하중에는 약하고 설계상의 배려가 요구됩니다.

물리 및 화학적 특성

탄화규소의 주요 열적 특성은 다음과 같습니다.

탄화규소는 1,400℃의 고온 환경에서도 강도 저하를 일으키지 않는 뛰어난 내열성과 금속에 필적하는 높은 열전도성을 겸비합니다. 표면에 형성되는 치밀한 산화막(SiO₂)이 내부를 보호하기 때문에 높은 내산화성도 나타냅니다.

또한 열팽창 계수가 작기 때문에 온도 변화에 따른 치수 변화가 적고 열적 안정성이 뛰어난 재료입니다. 열전도율은 알루미나의 몇 배에 달하며, 열을 빠르게 확산시키기 때문에 파워 반도체 방열 기판에도 이용됩니다.

화학적으로도 안정되어 있고, 대부분의 산이나 알칼리에 침범되지 않기 때문에 화학 플랜트의 내식 부품으로도 활약합니다. 고온, 열, 부식 등 복합적인 가혹 환경에서 안정적으로 성능을 발휘할 수 있다는 점이 탄화규소의 큰 강점입니다

전기적 특성

탄화규소는 다른 많은 세라믹과 달리 뛰어난 반도체로서의 전기적 특성을 가집니다. 이것은, 실리콘(Si)의 약 3배라고 하는 넓은 밴드 갭을 가지기 때문입니다. 실리콘 반도체에서는 동작할 수 없는 고온 환경에서도 안정적으로 기능하고, 또한 높은 전압에도 견딜 수 있습니다.

또, 절연 파괴 전계 강도는 실리콘의 약 10배로 높아지고 있습니다. 이 특성을 활용한 SiC 파워 디바이스는 실리콘 제품에 비해 전력 손실을 극적으로 줄일 수 있습니다. 전기 자동차(EV)의 인버터나 태양광 발전의 파워 컨디셔너에 채용이 진행되고 있어 시스템의 소형화와 고효율화를 실현하고 있습니다.

탄화규소의 장점

여기에서는, 탄화규소가 가지는 3개의 장점에 대해 해설합니다.

고경도・고내마모성

탄화규소의 가장 큰 장점은 뛰어난 경도와 내마모성입니다. 다이아몬드에 버금가는 경도를 자랑하기 때문에 마모가 심한 환경에서도 부품의 수명 연장을 실현합니다.

예를 들어 펌프의 메카니컬 씰에 탄화규소를 사용하면 슬러리(고형 입자를 포함한 액체)에 의한 손상이 현격히 줄어들고 유지보수 주기를 연장할 수 있습니다. 또한 표면이 쉽게 손상되지 않고 평활성을 장기간 유지할 수 있기 때문에 접동 부품의 성능을 안정시킬 수 있습니다.

이와 같이 탄화규소는 가혹한 마모 조건 하에서 다른 재료로는 달성할 수 없는 높은 신뢰성과 내구성을 제공합니다.

고온 환경에서의 안정성

탄화규소는 1,400℃가 넘는 고온 환경에서도 안정적으로 사용할 수 있다는 점이 큰 장점입니다. 많은 금속 재료가 고온에서 강도를 잃고 산화되는 반면 탄화규소는 자체 생성하는 SiO₂피막이 보호해 줍니다.

따라서 가스터빈이나 항공기 엔진과 같은 높은 온도에 노출되는 부품에 적용하면 시스템 경량화와 에너지 효율 향상에 기여합니다. 또한 전자 부품으로서도 고온에서 안정 동작하기 때문에 냉각 기구의 간소화도 가능합니다.

가볍고 높은 강성

탄화규소는 철의 절반 이하의 가벼움과 동시에 강철의 2배 이상이라는 높은 강성(영률)을 가진 점도 장점입니다. 단위 중량당 강성(비강성)이 매우 높아 부품의 경량화와 고강성을 동시에 실현할 수 있습니다.

예를 들면, 로봇 팔이나 고속 회전 기기의 부품에 이용하면, 관성 중량을 저감해, 장치의 응답 속도 향상이나 에너지 절약화로 연결됩니다. 또한 열에 의한 변형도 적기 때문에 우주 망원경의 거울과 같은 높은 치수 안정성이 요구되는 정밀 부품에도 매우 적합합니다.

탄화규소의 단점

많은 이점을 가진 탄화규소에도 다음과 같은 단점이 존재합니다.

가공이 어렵다

탄화규소의 가장 큰 단점은 가공의 어려움입니다. 다이아몬드 다음으로 높은 경도를 가지기 때문에 소결 후의 소재를 통상의 절삭 공구로 가공하는 것은 거의 불가능합니다. 따라서 다이아몬드 숫돌을 이용한 연삭 가공이 주요 수단이지만, 이에는 시간이 많이 걸리고 공구 소모도 심해집니다.

특히 복잡한 형상이나 정밀한 공차가 요구되는 경우, 가공 비용이 증가하는 한 요인이 됩니다. 탄화규소 부품의 제조에는 고도의 기술과 전용 설비가 불가결하고, 설계의 자유도를 제약하는 요인이 되기도 합니다.

성형 비용이 높음

탄화규소는 부품을 형성하는 소결 프로세스에 기인하는 높은 비용도 단점입니다. 원료가 되는 SiC 분말을 성형하여 2,000℃를 넘는 고온의 용광로에서 장시간 구워 굳힐 필요가 있기 때문에 공정에는 많은 에너지와 시간이 필요합니다.

특히 대형 부품이나 복잡한 형상의 부품을 제조하는 경우, 설비적인 제약으로부터 비용은 더욱 증대합니다. 전술한 가공의 어려움도 맞물려, 같은 형상의 금속 부품과 비교하면, 월등하게 고가가 되는 일도 드물지 않습니다.

취약하고 깨지기 쉬운

탄화규소는 단단하지만 부서지기 쉽고 충격에 약하다는 단점도 가지고 있습니다. 금속처럼 힘이 가해졌을 때 변형되어 에너지를 흡수하지 못하고, 허용 범위를 넘으면 순식간에 깨져버리는 「취성 파괴」를 일으킵니다. 따라서 부품의 낙하나 충돌은 물론 조립 시 과도한 조임 등으로도 파손될 위험이 있습니다.

설계 단계에서도 응력이 집중되는 예리한 모서리를 피하고 모서리에 둥근 모서리(R)를 갖게 하는 등의 배려가 필수적입니다. 이 취성을 이해하고 신중한 취급과 설계를 실시하는 것이 탄화규소를 효과적으로 활용하는데 있어서의 열쇠가 됩니다.

탄화규소의 용도

탄화규소는 고전적인 공산품에서 최첨단 분야까지 다양한 용도로 활용되고 있습니다. 여기서는 대표적인 4가지 분야에서의 용도에 대해 알아보겠습니다.

반도체(SiC 파워 디바이스)

탄화규소의 용도로서 주목받고 있는 것이 전력 제어에 사용되는 SiC 파워 디바이스입니다. 탄화규소가 갖는 반도체로서의 성질이 기존의 실리콘 소자를 능가하는 성능을 발휘하기 때문입니다.

구체적으로는, 전력 변환시의 에너지 손실을 저감해, 고온에서도 안정되게 동작합니다. 이 특성을 살려, 전기 자동차(EV)의 인버터나 태양광 발전의 파워 컨디셔너, 데이터 센터의 서버 전원 등에 채용이 진행되고 있습니다.

자동차(브레이크·센서 부품 등)

자동차 분야에서는, 고온·고마모라고 하는 가혹한 환경에서 성능을 발휘하는 부품에 이용되고 있는 재료입니다. 탄화규소가 가진 뛰어난 내열성과 내마모성이 자동차의 안전성과 환경 성능을 높이기 때문입니다.

대표적인 예시로 고급 스포츠카에 채용되는 카본 세라믹 브레이크 디스크입니다. 고온에서도 안정적인 제동력을 발휘하며 철제 디스크보다 가볍습니다. 또 디젤차의 배기가스를 정화하는 미세 먼지 제거 필터(DPF)에도 고온의 배기를 견디는 탄화규소가 사용됩니다.

산업기계(베어링・씰재 등)

산업기계 분야에서는 장치의 수명 연장과 유지보수성 향상을 위해 내구부품으로 탄화규소가 채택되고 있습니다. 탄화규소의 뛰어난 내마모성과 내부식성이 기계 부품의 소모를 억제하기 때문입니다.

화학 플랜트에서 부식성 액체를 보내는 펌프의 축봉 부품이나 반도체 제조 장치에서 사용되는 정밀 스테이지의 부품을 들 수 있습니다. 이러한 부품은 가혹한 환경에서도 장기간에 걸쳐 안정적인 성능을 유지할 수 있습니다.

항공우주·에너지 분야

항공 우주나 에너지라고 하는 최첨단 분야에서는, 극한 환경하에서의 신뢰성을 확보하는 키머티리얼로서 탄화규소가 기대되고 있습니다. 경량이면서 높은 강성을 가지며 높은 내열성과 내방사선성을 갖추고 있어 기존 재료로는 달성하기 어려운 요구사양을 충족시킬 수 있기 때문입니다.

구체적으로는, 우주 망원경의 거울이나, 차세대 제트 엔진의 터빈 블레이드, 안전성을 높인 원자력 발전소의 연료 피복관등에서 개발·채용이 진행되고 있습니다.

탄화규소의 가공종류와 포인트

탄화규소 부품을 제조하려면 경도와 취성을 고려한 특수 가공 기술이 필요합니다. 여기에서는, 주된 가공법인 「연삭」 「소결·성형」 「코팅·접합」의 포인트를 해설합니다.

연삭 가공

소결 후 탄화규소의 마무리 가공은 다이아몬드 숫돌에 의한 연삭이 기본입니다. 탄화규소가 매우 단단하기 때문에 보다 단단한 다이아몬드가 아니면 정밀한 형상과 치수를 낼 수 없기 때문입니다.

평면 연삭이나 원통 연삭에 의해 마이크로미터 단위의 높은 치수 정밀도와 매끄러운 표면을 실현합니다. 그러나 가공에 시간이 걸리고 공구의 소모도 심하기 때문에 비용이 높아지는 경향이 있습니다.

그 때문에, 설계 단계로부터 연삭에 의한 마감대를 가능한 한 적게 하는, 최종 형상에 가까운 형태로의 소결이 코스트 삭감의 열쇠입니다.

소결·성형 가공

탄화규소 부품의 제조는, 원료 분말을 성형해 고온에서 구워 굳히는 「소결」이 프로세스의 중심이 됩니다. 탄화규소는 녹는점이 매우 높기 때문에 금속처럼 녹여 주조할 수 없습니다. 분말 야금 기법으로 치밀한 세라믹체를 만들 필요가 있습니다.

구체적으로는 SiC 분말을 금형으로 프레스 성형한 후 2,100℃ 정도의 고온로에서 소결시킵니다. 이때 제품은 크게 수축하기 때문에 수축율을 정밀하게 예측한 금형 설계가 필요합니다. 얼마나 목적대로의 형상으로 소결할 수 있는지가 중요한 포인트입니다.

코팅·접합 기술

탄화규소는 다른 재료에 코팅하거나 부품끼리 접합하는 기술도 중요합니다. 탄화규소 단체로는 만들 수 없는 복잡한 형상이나 이종 재료와의 복합 부품을 실현할 수 있어 뛰어난 특성을 보다 폭넓은 용도로 활용할 수 있기 때문입니다.

예를 들면, 흑연제의 부품 표면에 CVD법으로 SiC막을 형성하여 내산화성을 부여하는 기술이 있습니다. 또, 분할해 소결한 부품끼리 납땜으로 접합해, 내부에 유로를 가지는 복잡한 구조를 만드는 것도 가능합니다. 이러한 기술은 탄화규소의 낮은 가공성을 보완하고 응용 범위를 넓히는 열쇠가 됩니다.

탄화규소와 다른 소재의 비교

탄화규소의 채용을 검토할 때는, 다른 재료와의 특성의 차이를 이해해 둡시다. 여기에서는 대표적인 세라믹이나 금속 재료와 비교합니다.

알루미나나 질화규소와의 차이

실리콘 카바이드는 다른 세라믹에 비해 특히 열적 특성과 경도가 우수합니다. 저렴하고 범용적인 알루미나보다 열전도율이나 내열성이 높고, 고인성으로 알려진 질화규소보다 고온에서의 안정성이 우수합니다.

높은 방열성이 요구되는 반도체 관련 부품에서는 알루미나보다 탄화규소가 적합하고, 충격이 걸리는 베어링구에서는 인성이 높은 질화규소가 선택된다는 구분이 됩니다.

따라서 용도에 따라 내열·경도의 탄화규소, 인성의 질화규소, 비용의 알루미나 등 각각의 장점을 살린 재료 선정이 중요합니다.

금속 재료(SUS·티타늄 등)와의 비교

실리콘 카바이드와 금속 재료의 가장 큰 차이점은 경도와 내열성과 가공성과 인성이 트레이드 오프 관계에 있다는 것입니다. 탄화규소는 스테인레스 등을 압도하는 경도·내열성·내마모성을 가지는 한편, 금속은 훨씬 가공하기 쉽고, 충격으로 깨지지 않고 변형하는 인성이 뛰어납니다.

마모가 심한 펌프의 씰 부품에는 탄화 규소가 최적입니다만, 복잡한 형상으로 충격이 걸리는 구조 부품에는 금속이 선택됩니다. 이와 같이 내마모성이나 내열성이 최우선되는 경우는 탄화규소, 가공의 용이성이나 충격에 대한 신뢰성, 비용을 중시하는 경우는 금속 등 요구 특성에 따른 명확한 구분이 필요합니다.

정리

탄화규소(SiC)는 매우 높은 경도와 내열성을 가진 고성능의 세라믹 재료입니다. 최대의 특징은, 기계 부품의 장수명화를 실현하는 뛰어난 기계적 특성에 가세해 차세대 파워 디바이스로서 사회의 에너지 절약화에 공헌하는 반도체로서의 성질도 함께 가지는 점입니다. 또, 경량·고강성, 화학적 안정성으로부터 항공 우주 분야 등 극한 환경에서도 활용되는 한편, 성능을 최대한으로 끌어내기 위해서는, 특유의 취성이나 가공의 어려움을 이해해, 적절한 설계를 실시하는 지식이 요구됩니다. 이번 내용에서 정리한 탄화규소의 특징을 이해하고, 재료 선정이나 설계, 조달 업무에 활용해 주세요.