주요 열 분야 재료: C/C 복합 재료

탄소-탄소 복합재탄소섬유 복합재료의 일종으로, 탄소섬유를 보강재로, 증착된 탄소를 기지재로 사용합니다.C/C 복합재는 탄소로 이루어져 있습니다.거의 전적으로 탄소 원소로 구성되어 있기 때문에 고온 저항성이 뛰어나고 탄소 섬유의 강력한 기계적 특성을 계승합니다. 국방 분야에서 이미 일찍부터 산업화되었습니다.

적용 분야:

C/C 복합재료이 제품들은 산업 사슬의 중간에 위치하며, 상류에는 탄소 섬유 및 프리폼 제조가 포함되고 하류 응용 분야는 비교적 넓습니다.C/C 복합재료주로 내열재료, 마찰재료, 고성능 기계적재료로 사용됩니다. 항공우주(로켓 노즐 목 라이닝, 열 보호 재료 및 엔진 열 구조 부품), 제동 재료(고속철도, 항공기 브레이크 디스크), 태양광 발전 분야(절연 배럴, 도가니, 가이드 튜브 및 기타 부품), 생체 재료(인공 뼈) 등 다양한 분야에 사용됩니다. 현재 국내에서는C/C 복합재료이 회사들은 주로 복합 재료의 단일 공정에 집중하고 있으며, 상류의 프리폼 방향으로 사업을 확장하고 있습니다.

C/C 복합재료는 낮은 밀도, 높은 비강도, 높은 비탄성률, 높은 열전도율, 낮은 열팽창 계수, 우수한 파괴 인성, 내마모성, 내삭마성 등 탁월한 종합 성능을 지니고 있습니다. 특히, 다른 재료와 달리 C/C 복합재료는 온도가 상승해도 강도가 감소하지 않고 오히려 증가할 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 C/C 복합재료는 내열성이 매우 뛰어나 로켓 추진체 내벽에 최초로 적용되어 산업화되었습니다.

C/C 복합 소재는 탄소 섬유의 우수한 기계적 특성과 가공성을 계승하면서 흑연의 내열성 및 내식성을 갖추고 있어 흑연 제품의 강력한 경쟁자로 부상했습니다. 특히 고강도가 요구되는 태양광 열전 분야에서는 실리콘 웨이퍼 대량 생산으로 인해 C/C 복합 소재의 비용 효율성과 안전성이 더욱 부각되고 있으며, 이는 필수적인 요구 사항이 되었습니다. 반면, 흑연은 공급 측면의 생산 능력 제한으로 인해 C/C 복합 소재를 보완하는 역할을 하고 있습니다.

태양광 열 응용 분야:

열처리 공정은 단결정 실리콘의 성장 또는 다결정 실리콘 잉곳 생산을 특정 온도로 유지하는 전체 시스템을 말합니다. 이는 단결정 실리콘 및 다결정 실리콘의 순도, 균일성 등의 품질에 핵심적인 역할을 하며, 결정질 실리콘 제조 산업의 전단부에 속합니다. 열처리 공정은 제품 유형에 따라 단결정 실리콘 단결정 인발로 열처리 시스템과 다결정 잉곳로 열처리 시스템으로 나눌 수 있습니다. 단결정 실리콘 전지는 다결정 실리콘 전지보다 변환 효율이 높기 때문에 단결정 실리콘 웨이퍼의 시장 점유율은 지속적으로 증가하고 있는 반면, 우리나라의 다결정 실리콘 웨이퍼 시장 점유율은 2019년 32.5%에서 2020년 9.3%로 매년 감소하고 있습니다. 따라서 열처리 시스템 제조업체들은 주로 단결정 인발로 열처리 기술을 활용하고 있습니다.

그림 2: 결정질 실리콘 제조 산업 사슬의 열 분포

열장은 십여 개 이상의 부품으로 구성되며, 핵심 부품은 도가니, 유도관, 절연 실린더, 히터의 네 가지입니다. 각 부품은 서로 다른 재료 특성에 대한 요구 사항을 가지고 있습니다. 아래 그림은 단결정 실리콘 열장의 개략도입니다. 도가니, 유도관, 절연 실린더는 열장 시스템의 구조 부품입니다. 이들의 핵심 기능은 전체 고온 열장을 지지하는 것이며, 밀도, 강도, 열전도율에 대한 높은 요구 조건을 충족해야 합니다. 히터는 열장 내의 직접 가열 요소로, 열에너지를 공급하는 역할을 합니다. 일반적으로 저항형 히터이므로 재료의 저항률에 대한 높은 요구 조건을 충족해야 합니다.