태양광 발전은 세계에서 가장 유망한 신에너지 산업으로 자리 잡았습니다. 폴리실리콘 및 비정질 실리콘 태양 전지와 비교하여 단결정 실리콘은 태양광 발전 소재로서 높은 광전 변환 효율과 뛰어난 상업적 이점을 가지고 있어 태양광 발전의 주류로 자리 잡았습니다. 초크랄스키(CZ)는 단결정 실리콘을 제조하는 주요 방법 중 하나입니다. 초크랄스키 단결정로는 가열로 시스템, 진공 시스템, 가스 시스템, 열장 시스템, 전기 제어 시스템으로 구성됩니다. 열장 시스템은 단결정 실리콘 성장에 가장 중요한 조건 중 하나이며, 단결정 실리콘의 품질은 열장의 온도 구배 분포에 직접적인 영향을 받습니다.
열장 부품은 주로 탄소 재료(흑연 재료 및 탄소/탄소 복합 재료)로 구성되며, 그림 1과 같이 기능에 따라 지지부, 기능부, 발열체, 보호부, 단열재 등으로 구분됩니다. 단결정 실리콘의 크기가 지속적으로 증가함에 따라 열장 부품의 크기 요건 또한 증가하고 있습니다. 탄소/탄소 복합 재료는 치수 안정성과 우수한 기계적 특성으로 인해 단결정 실리콘용 열장 재료의 주요 선택 소재로 자리 잡고 있습니다.
초크랄시안 단결정 실리콘 공정에서 실리콘 재료의 용융은 실리콘 증기와 용융 실리콘 비산을 발생시켜 탄소/탄소 열장 재료의 규화 침식을 초래하고, 탄소/탄소 열장 재료의 기계적 특성과 수명에 심각한 영향을 미칩니다. 따라서 탄소/탄소 열장 재료의 규화 침식을 줄이고 수명을 개선하는 방법은 단결정 실리콘 제조업체와 탄소/탄소 열장 재료 제조업체의 공통적인 관심사 중 하나가 되었습니다.실리콘 카바이드 코팅뛰어난 열충격 저항성과 내마모성으로 인해 탄소/탄소 열장 재료의 표면 코팅 보호용으로 첫 번째 선택이 되었습니다.
본 논문에서는 단결정 실리콘 제조에 사용되는 탄소/탄소 열장 소재를 중심으로, 탄화규소 코팅의 주요 제조 방법, 장단점을 소개합니다. 이를 바탕으로 탄소/탄소 열장 소재에 대한 탄화규소 코팅의 적용 및 연구 진행 상황을 탄소/탄소 열장 소재의 특성에 따라 검토하고, 탄소/탄소 열장 소재의 표면 코팅 보호를 위한 제안 및 개발 방향을 제시합니다.
1 제조기술실리콘 카바이드 코팅
1.1 임베딩 방법
매립법은 C/C-sic 복합 재료 시스템에서 탄화규소 내부 코팅을 제조하는 데 자주 사용됩니다. 이 방법은 먼저 혼합 분말을 사용하여 탄소/탄소 복합 재료를 감싼 다음 특정 온도에서 열처리를 수행합니다. 혼합 분말과 샘플 표면 사이에서 일련의 복잡한 물리화학적 반응이 발생하여 코팅을 형성합니다. 이 방법의 장점은 공정이 간단하고 단일 공정만으로 치밀하고 균열 없는 매트릭스 복합 재료를 제조할 수 있다는 것입니다. 프리폼에서 최종 제품까지의 크기 변화가 적습니다. 모든 섬유 강화 구조에 적합합니다. 코팅과 기판 사이에 특정 조성 구배를 형성하여 기판과 잘 결합할 수 있습니다. 그러나 고온에서 화학 반응이 발생하여 섬유가 손상될 수 있고 탄소/탄소 매트릭스의 기계적 특성이 저하되는 것과 같은 단점도 있습니다. 중력과 같은 요인으로 인해 코팅의 균일성을 제어하기 어렵고 코팅이 고르지 않습니다.
1.2 슬러리 코팅 방법
슬러리 코팅법은 코팅제와 바인더를 혼합하여 매트릭스 표면에 고르게 도포한 후, 불활성 분위기에서 건조하고 고온에서 소결하여 원하는 코팅층을 얻는 방법입니다. 장점은 공정이 간단하고 조작이 쉬우며 코팅 두께 조절이 용이하다는 것입니다. 단점은 코팅과 기판 사이의 접착력이 약하고, 코팅의 내열충격성이 낮으며, 코팅의 균일도가 낮다는 것입니다.
1.3 화학증기반응법
화학 기상 반응(CVR)법은 고체 실리콘 물질을 일정 온도에서 실리콘 증기로 증발시킨 후, 이 실리콘 증기가 매트릭스 내부와 표면으로 확산되어 매트릭스 내의 탄소와 반응하여 탄화규소를 생성하는 공정입니다. 이 공정의 장점은 로 내 분위기가 균일하고, 반응 속도가 일정하며, 코팅 재료의 증착 두께가 모든 곳에서 일정하다는 것입니다. 공정이 간단하고 조작이 용이하며, 실리콘 증기압, 증착 시간 및 기타 매개변수를 변경하여 코팅 두께를 제어할 수 있습니다. 단점은 샘플이 로 내 위치에 큰 영향을 받으며, 로 내 실리콘 증기압이 이론적인 균일도에 도달하지 못해 코팅 두께가 불균일해진다는 것입니다.
1.4 화학기상증착법
화학 기상 증착(CVD)은 탄화수소를 가스원으로, 고순도 N₂/Ar을 캐리어 가스로 사용하여 혼합 가스를 화학 기상 반응기에 주입하고, 일정 온도와 압력 하에서 탄화수소를 분해, 합성, 확산, 흡착, 분해하여 탄소/탄소 복합 재료 표면에 고체 박막을 형성하는 공정입니다. 이 공정의 장점은 코팅의 밀도와 순도를 제어할 수 있다는 것입니다. 또한, 복잡한 형상의 가공물에 적합합니다. 증착 파라미터를 조정하여 제품의 결정 구조와 표면 형태를 제어할 수 있습니다. 단점은 증착 속도가 너무 느리고, 공정이 복잡하며, 생산 비용이 높고, 균열, 메시 결함, 표면 결함과 같은 코팅 결함이 발생할 수 있다는 것입니다.
요약하자면, 매립법은 기술적 특성상 실험실 및 소형 재료의 개발 및 생산에 적합하지만, 코팅법은 균일성이 낮아 대량 생산에는 적합하지 않습니다. CVR법은 대형 제품의 대량 생산을 충족할 수 있지만, 장비 및 기술 요구 사항이 더 높습니다. CVD법은 제조에 이상적인 방법입니다.SIC 코팅그러나 공정 제어가 어렵기 때문에 CVR 방식보다 비용이 더 많이 든다.
게시 시간: 2024년 2월 22일