태양광 발전은 세계에서 가장 유망한 신에너지 산업으로 자리 잡았습니다. 폴리실리콘 및 비정질 실리콘 태양전지와 비교했을 때, 단결정 실리콘은 태양광 발전 소재로서 높은 광전 변환 효율과 뛰어난 상업적 이점을 지니고 있어 태양광 발전의 주류로 자리매김했습니다. 초크랄스키(Czochralski, CZ)법은 단결정 실리콘을 제조하는 주요 방법 중 하나입니다. 초크랄스키 단결정 성장로는 노 시스템, 진공 시스템, 가스 시스템, 열장 시스템 및 전기 제어 시스템으로 구성됩니다. 열장 시스템은 단결정 실리콘 성장에 있어 가장 중요한 조건 중 하나이며, 단결정 실리콘의 품질은 열장의 온도 구배 분포에 직접적인 영향을 받습니다.
열장 구성 요소는 주로 탄소 재료(흑연 재료 및 탄소/탄소 복합 재료)로 구성되며, 그림 1에서와 같이 기능에 따라 지지부, 기능부, 발열체, 보호부, 단열재 등으로 구분됩니다. 단결정 실리콘의 크기가 지속적으로 커짐에 따라 열장 구성 요소의 크기 요구 사항도 증가하고 있습니다. 탄소/탄소 복합 재료는 치수 안정성과 우수한 기계적 특성으로 인해 단결정 실리콘용 열장 재료로 가장 선호되는 재료가 되었습니다.
단결정 실리콘의 용융 과정에서 실리콘 소재가 녹으면서 실리콘 증기와 용융 실리콘 비산물이 발생하여 탄소/탄소 열전도체 소재의 규화 침식을 초래하고, 이로 인해 소재의 기계적 특성과 수명이 심각하게 저하됩니다. 따라서 탄소/탄소 열전도체 소재의 규화 침식을 줄이고 수명을 연장하는 것은 단결정 실리콘 제조업체와 탄소/탄소 열전도체 소재 제조업체들의 공통적인 관심사입니다.탄화규소 코팅이 소재는 우수한 열충격 저항성과 내마모성으로 인해 탄소/탄소 열장 재료의 표면 코팅 보호에 가장 적합한 선택지가 되었습니다.
본 논문에서는 단결정 실리콘 생산에 사용되는 탄소/탄소 열전대 소재를 시작으로, 탄화규소 코팅의 주요 제조 방법, 장점 및 단점을 소개합니다. 이를 바탕으로, 탄소/탄소 열전대 소재의 특성에 따라 탄화규소 코팅의 적용 및 연구 진행 상황을 검토하고, 탄소/탄소 열전대 소재의 표면 코팅 보호에 대한 제안 및 개발 방향을 제시합니다.
1. 준비 기술탄화규소 코팅
1.1 임베딩 방법
매립법은 C/C-탄소 복합재료 시스템에서 탄화규소 내부 코팅을 제조하는 데 흔히 사용되는 방법입니다. 이 방법은 먼저 혼합 분말을 탄소/탄소 복합재료에 감싸고 특정 온도에서 열처리합니다. 혼합 분말과 시료 표면 사이에서 일련의 복잡한 물리화학적 반응이 일어나 코팅이 형성됩니다. 이 방법의 장점은 공정이 간단하고, 단일 공정으로 치밀하고 균열 없는 기지 복합재료를 제조할 수 있으며, 예비 성형품에서 최종 제품까지의 크기 변화가 작고, 모든 섬유 강화 구조에 적합하며, 코팅과 기판 사이에 특정 조성 구배를 형성하여 기판과 잘 결합될 수 있다는 점입니다. 그러나 고온에서의 화학 반응으로 인해 섬유가 손상될 수 있고, 탄소/탄소 기지의 기계적 특성이 저하될 수 있다는 단점도 있습니다. 또한 중력 등의 요인으로 인해 코팅의 균일성을 제어하기 어렵고 코팅이 고르지 않게 될 수 있습니다.
1.2 슬러리 코팅 방법
슬러리 코팅 방법은 코팅 재료와 바인더를 혼합하여 기판 표면에 고르게 도포한 후, 불활성 분위기에서 건조시키고 고온에서 소결하여 원하는 코팅을 얻는 방법입니다. 이 방법의 장점은 공정이 간단하고 조작이 용이하며 코팅 두께를 쉽게 제어할 수 있다는 것입니다. 단점으로는 코팅과 기판 사이의 접착력이 약하고 코팅의 열충격 저항성이 떨어지며 코팅 균일성이 낮다는 점입니다.
1.3 화학 기상 반응법
화학 기상 반응(CVR)법은 고체 실리콘 재료를 특정 온도에서 실리콘 증기로 증발시킨 후, 이 실리콘 증기가 기판의 내부 및 표면으로 확산되어 기판 내의 탄소와 현장에서 반응하여 탄화규소를 생성하는 공정입니다. 이 방법의 장점으로는 용광로 내부의 분위기가 균일하고, 반응 속도와 코팅 두께가 모든 영역에서 일정하다는 점, 공정이 간단하고 조작이 용이하며, 실리콘 증기압, 증착 시간 등의 변수를 조절하여 코팅 두께를 제어할 수 있다는 점 등이 있습니다. 단점으로는 용광로 내 위치에 따라 시료의 품질이 크게 영향을 받고, 용광로 내부의 실리콘 증기압이 이론적인 균일성을 달성하지 못하여 코팅 두께가 불균일해질 수 있다는 점입니다.
1.4 화학 기상 증착법
화학 기상 증착(CVD)은 탄화수소를 가스원으로, 고순도 N2/Ar 혼합 가스를 운반 가스로 사용하여 화학 기상 반응기에 혼합 가스를 주입하는 공정입니다. 특정 온도와 압력 조건에서 탄화수소가 분해, 합성, 확산, 흡착 및 용해되어 탄소/탄소 복합 재료 표면에 고체 박막을 형성합니다. CVD의 장점은 코팅의 밀도와 순도를 제어할 수 있고, 복잡한 형상의 가공물에 적합하며, 증착 매개변수를 조절하여 제품의 결정 구조와 표면 형태를 제어할 수 있다는 점입니다. 단점으로는 증착 속도가 느리고, 공정이 복잡하며, 생산 비용이 높고, 균열, 망상 결함, 표면 결함 등의 코팅 결함이 발생할 수 있다는 점입니다.
요약하자면, 임베딩 방식은 기술적 특성상 실험실 규모나 소형 재료의 개발 및 생산에 적합하다는 한계가 있습니다. 코팅 방식은 일관성이 떨어져 대량 생산에 적합하지 않습니다. CVR 방식은 대형 제품의 대량 생산이 가능하지만, 장비 및 기술에 대한 요구 조건이 높습니다. CVD 방식은 이러한 조건을 충족하는 이상적인 제조 방식입니다.SIC 코팅하지만 공정 제어가 어렵기 때문에 CVR 방식보다 비용이 더 높습니다.
게시 시간: 2024년 2월 22일