필수 전자 재료: 1부 - 실리콘
1 소개
현대 전자제품의 기본 소재인실리콘은 집적 회로에서 태양 전지에 이르기까지 다양한 응용 분야에 필수적입니다. 4가 준금속이자 반도체인 실리콘의 구조와 특성은 전자 기기에서 매우 중요한 역할을 합니다. 실리콘의 풍부함, 경제성, 고도로 조정 가능한 순도 덕분에 실리콘은 업계의 기초 소재로서 그 역할을 확고히 하고 있습니다. 이 글에서는 실리콘의 기본 특성, 추출 및 생산 공정, 응용 분야와 함께 실리콘의 장점과 한계에 대해 설명하며 실리콘이 전자 재료 과학의 초석이 되는 이유에 대해 간략하게 설명합니다.
2 실리콘의 기본 특성
실리콘은 화학 기호 Si, 원자 번호 14, 상대 원자 질량 28.0855를 가진 화학 원소입니다. 단단하고 부서지기 쉬운 결정성 고체이자 4가 준금속이며 반도체입니다. 단단하고 부서지기 쉬운 결정성 고체이자 4가 준금속이며 반도체입니다. 실리콘은 비정질 실리콘과 결정질 실리콘의 두 가지 이성질체를 가지고 있으며 원소 주기율표의 세 번째 주기인 금속 원소 IVA족에 속합니다. 결정질 실리콘은 회흑색, 밀도 2.32-2.34g/cm3, 녹는점 1410℃, 끓는점 2355℃이며 결정질 실리콘은 원자 결정에 속합니다. 물, 질산, 염산에 불용성이며 불산과 잿물에 용해됩니다. 단단하고 금속 광택이 있습니다.
실리콘은 또한 암석, 자갈, 먼지 등에 널리 존재하는 복합 규산염 또는 실리카의 형태로 자연에서 흔히 볼 수 있는 원소입니다. 실리콘은 우주에서 여덟 번째로 풍부한 원소입니다. 먼지, 모래 알갱이, 행성, 행성에 실리카(규산염) 또는 규산염 형태로 널리 분포되어 있습니다. 지구 지각의 90% 이상이 규산염 광물로 구성되어 있으며, 실리콘은 지각에서 산소 다음으로 가장 풍부한 원소(질량 기준 약 28%)입니다.
규소 원자는 주기율표의 주족 Ⅳ족에 속하며 원자 번호는 14번이고 핵 외부에 14개의 전자를 가지고 있습니다. 핵 외부의 전자는 낮은 실리콘 원자에서 높은 에너지 준위에 따라 내부에서 외부로 층을 이루고 있습니다. 실리콘 원자의 핵 외부의 첫 번째 전자 층은 2 개의 전자를 가지고 있고 두 번째 층은 8 개의 전자를 가지고있어 안정된 상태에 도달합니다. 가장 바깥쪽 층에는 4개의 원자가 전자가 있으며, 이는 실리콘 원자의 전도성에 주도적인 역할을 합니다.
실리콘 원자는 이러한 구조를 가지고 있기 때문에 실리콘 원자가 서로 공유 결합을 할 수 있도록 가장 바깥 쪽 4 개의 원자가 전자, 실리콘은 높은 융점과 밀도를 가지고 있으며 화학적 특성이 더 안정적이며 실온에서 다른 물질 (불화 수소 및 잿물 제외)과 반응하기 어렵고 자유 전자 농도의 실리콘 결정은 매우 낮고 전도성이 있지만 전도성은 금속만큼 좋지 않으며 온도가 증가하고 반도체 특성이 증가함에 따라 전도성이 향상됩니다.
그림 1 실리콘의 원자 구조
3 실리콘 추출 및 생산 공정
3.1 비정질 및 결정질 실리콘의 제조
비정질실리카는 마그네슘에 의해 실리카가 환원되어 생산될 수 있습니다. 실험실에서 마그네슘 분말을 사용하여 분말 실리카를 적열로 환원하고 생성 된 산화 마그네슘과 마그네슘 분말을 묽은 산으로 씻어 낸 다음 불산을 사용하여 작용하지 않은 실리카, 즉 단형 실리카를 씻어냅니다. 이 생산 방법은 갈색을 띤 검은색 분말의 경우 비정질 실리콘이 충분히 순수하지 않습니다.
결정질 실리콘 은 전기로에서 이산화규소를 탄소로 환원하여 생산할 수 있습니다. 실리콘은 전기 아크로에서 실리카(>99% SiO2)를 환원하여 산업적으로 생산됩니다. 환원제로는 석유 코크스와 숯 등이 사용됩니다. 직류 아크로를 사용할 때는 숯 대신 석유 코크스를 사용할 수 있습니다. 석유 코크스는 회분 함량이 낮고 (0.3 % ~ 0.8 %) 고품질 실리카 (99 % 이상의 SiO2)를 사용하면 실리콘 강판 제조를위한 고품질 실리콘을 직접 정제 할 수 있습니다.
그림 2 결정질 실리콘 제조 장비 - DC 아크 용광로
3.2 고순도 실리콘, 단결정 실리콘 및 다결정 실리콘의 제조
전자 산업에 사용되는고순도 실리콘 은 삼염화규소 또는 사염화규소를 수소로 환원하여 생산합니다. 이 공정은 1200°C의 뜨거운 실리콘 막대에서 고순도 삼염화규소 SiHCl3 또는 SiCl4를 수소로 환원하는 것입니다.
초순수 단결정 실리콘은 스트레이트 풀링 또는 존 용융법 등으로 제조할 수 있습니다. 구역 용융 단결정 실리콘은 플로트 구역 용융법을 활용하여 제조하므로 FZ 실리콘 단결정이라고도 합니다. 스트레이트 풀링 단결정 실리콘은 체르노빌 방법을 사용하여 제조되며 CZ 단결정 실리콘으로 알려져 있습니다. 이 두 가지 유형의 단결정 실리콘은 특성이 다르고 장치 응용 분야가 다릅니다. 구역 융합 단결정 실리콘은 주로 고전력 장치에 사용되며 단결정 실리콘 시장의 극히 일부만 국제 시장에서 약 10% 정도를 차지하며 직선 풀 단결정 실리콘은 주로 마이크로 전자 집적 회로 및 태양 전지에 사용되며 단결정 실리콘의 테마입니다. 스트레이트 풀 단결정 실리콘은 영역 융합 단결정 실리콘에 비해 제조 비용이 상대적으로 낮고 기계적 강도가 높으며 대구경 단결정의 제조가 용이하여 태양전지 분야에서는 영역 융합 단결정 실리콘보다는 스트레이트 풀 단결정 실리콘을 주로 응용하고 있습니다.
초크랄스키법은 1971년 폴란드의 J. 초크랄스키가 발명했기 때문에 체법이라고도 불립니다. 1950년 틸 등은 반도체 게르마늄 단결정의 성장에 사용된 후 이 스트레이트 풀 단결정 실리콘의 성장 방법을 사용하여, 대시는 "넥킹"기술의 스트레이트 풀 단결정 실리콘 성장을 제안하고, G. 지글러는 미세 목 기술의 빠른 넥킹 성장을 제안하여 대구경 전위가 없는 스트레이트 풀 단결정 실리콘 기본 방법의 현대적인 준비를 구성합니다. 스트레이트 풀 단결정 실리콘의 성장은 단결정 실리콘 제조의 주요 기술일 뿐만 아니라 태양 전지용 단결정 실리콘의 주요 제조 방법이기도 합니다.
그림 3 레이시온에서 조크랄스키법으로 성장 중인 실리콘 결정
스트레이트 풀 단결정 실리콘 제조 공정에는 일반적으로 폴리실리콘 로딩 및 용융, 시드 결정, 넥킹, 숄더 릴리즈, 아이소메트릭 및 마감 처리가 포함됩니다.
태양 전지 폴리 실리콘 원주형 결정, 결정 성장 방향은 수직으로 위쪽으로, 방향성 응고 (제어 응고, 제한 응고라고도 함) 공정, 즉 결정화 공정에서 온도 장 변화의 제어를 통해 실현됩니다, 단방향 열 흐름 (성장 방향 및 열 흐름의 반대 방향)의 형성 및 온도 구배에서 액체-고체 계면의 요구 사항은 0보다 크고 온도 구배가없는 요구 사항에 횡단하여 원주 형 결정의 방향성 성장 형성을 형성합니다. 네 가지 방법의 폴리 실리콘 방향성 응고 성장의 실현은 브릴만 방법, 열교환 방법, 전자기 잉곳 주조 방법 및 주조 방법입니다. 현재 기업에서 가장 많이 사용하는 방법은 열교환 방식으로 폴리실리콘을 생산하는 것입니다. 주조 폴리실리콘 생산을 위한 열교환 방식의 공정 흐름은 일반적으로 로딩 → 가열 → 화학 물질 → 결정 성장 → 어닐링 → 냉각의 순서로 진행됩니다.
4 전자 산업에서의 실리콘
4.1 집적 회로(IC)
집적 회로(IC) 제조에서 실리콘 웨이퍼는 칩의 기판 재료 역할을 하며 현대 전자 기기의 핵심 부품이 되었습니다. 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿 등 대부분의 기기는 컴퓨팅과 데이터 처리를 위해 내부적으로 이러한 실리콘 기반 IC에 의존합니다. 실리콘은 뛰어난 반도체 특성을 가지고 있어 트랜지스터 제작에 이상적인 소재입니다. 트랜지스터는 집적 회로의 핵심 구성 요소로, 전류의 흐름을 제어하여 스위칭 및 논리 연산을 수행할 수 있으며, 이는 최신 칩의 복잡한 컴퓨팅 기능의 기반이 됩니다.
또한 실리콘 소재가 풍부하고 정제 기술이 정교해지면서 생산 비용이 더욱 절감됩니다. 실리콘은 지구상에 풍부하게 존재하며, 집적 회로 제조에 필요한 엄격한 재료 요건을 충족하는 구역 용융법을 통해 매우 높은 순도로 쉽게 정제할 수 있습니다. 이러한 특성은 대규모 제조에 적합할 뿐만 아니라 칩 산업에 지속 가능한 저비용 재료 공급원을 제공하여 실리콘 기반 IC가 정보화 시대의 발전을 주도하는 초석이 되고 있습니다.
그림 4 집적 회로
4.2 태양 전지
단결정 및 다결정 실리콘과 실리콘으로 만든 박막은 태양 전지에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다.
단결정 실리콘 태양전지는 고순도 단결정 실리콘으로 만들어지며, 균일한 셀 구조와 낮은 격자 결함으로 인해 광전 변환 효율(일반적으로 20% 이상)이 가장 높습니다. 단결정 실리콘은 광 흡수 특성이 우수하고 태양광 변환 시 에너지 손실을 줄여줍니다. 단결정 실리콘 태양전지는 높은 효율과 안정성으로 인해 주택 옥상, 상업용 건물, 유틸리티 규모의 태양광 발전소 등 높은 에너지 밀도가 필요한 애플리케이션에 널리 사용됩니다. 이 전지는 장기 설치 및 높은 에너지 효율이 필요한 상황에 적합하며, 상대적으로 높은 비용에도 불구하고 토지 사용이 제한된 상황에서 발전량을 극대화할 수 있습니다.
다결정 실리콘 태양전지는 다결정 실리콘 블록으로 주조되며, 결정 구조에 결정립 경계가 많아 단결정 실리콘보다 광전 변환 효율이 약간 낮습니다(일반적으로 15%에서 18% 사이). 다결정 실리콘 소재는 생산에 에너지 집약도가 낮고 상대적으로 가격이 저렴합니다. 다결정 실리콘 전지는 비용 효율적이기 때문에 대형 태양광 어레이와 유틸리티 및 산업 시설에 전력을 공급하는 데 일반적으로 사용됩니다. 또한 농촌 전기화 및 교통 표지판 조명과 같은 시나리오에서 독립형 시스템에도 사용됩니다. 이 셀은 비용 효율적이면서도 높은 발전량을 제공할 수 있어 지상 설치형 태양광 발전소 및 독립형 태양광 발전소에 광범위하게 설치하기에 이상적입니다.
박막 실리콘 태양전지는 유리, 금속 또는 플라스틱 기판에 매우 얇은 실리콘 소재 층을 증착하여 제조됩니다. 실리콘 층이 얇기 때문에 광전 변환 효율은 일반적으로 낮지만(보통 약 10%~12%), 가볍고 유연합니다. 박막 실리콘 태양전지는 가볍고 유연하기 때문에 건물 외벽, 창문 및 기타 표면에 직접 장착하여 건물 구조에 발전 기능을 장착할 수 있는 건물 일체형(BIPV) 애플리케이션에 적합합니다. 또한 이러한 전지는 태양광 백팩, 텐트 및 기타 모바일 애플리케이션과 같은 휴대용 및 웨어러블 장치에 사용되어 소형 장치에 전력을 공급할 수 있습니다.
그림 5 태양 전지
4.3 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 및 센서
실리콘은 뛰어난 기계적 및 전기적 안정성 덕분에 미세전자기계 시스템(MEMS) 및 센서 분야에서 폭넓게 응용되고 있습니다. MEMS 장치는 실리콘의 특성을 활용하여 마이크로 스케일에서 기계 및 전기 신호를 변환하며 가속도계, 자이로스코프, 압력 센서 등과 같은 다양한 장치에 사용됩니다. 이러한 장치는 자동차 에어백 시스템, 스마트폰 모션 감지, 드론 균형 제어 등에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 장치는 자동차 에어백 시스템, 스마트폰의 모션 감지, 드론의 균형 제어 등에서 중요한 역할을 합니다. 또한 실리콘 기반 센서는 온도, 습도, 압력 등의 환경 파라미터를 정확하게 측정할 수 있어 자동차, 산업 자동화, 소비자 가전 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 또한 실리콘은 미세 채널 구조로 유체를 고정밀 제어할 수 있는 미세 유체 장치에 사용되며, 액체 샘플의 미세 물질을 감지하는 의료 분야의 '랩온어칩'에 사용되어 질병 진단 및 바이오 분석의 휴대용 개발을 촉진합니다. 이러한 실리콘 기반 MEMS 및 센서 기술은 스마트 전자, 자동화 및 생체 공학 분야의 발전을 주도하고 있습니다.
그림 6 MEMS
4.4 전력 전자
실리콘은 전력 전자 장치에서 중요한 역할을 하며 MOSFET 및 IGBT와 같은 전력 반도체 장치에 널리 사용됩니다. 우수한 전도성과 스위칭 속도로 인해 이러한 소자는 특히 전기 자동차, 전력 변환기 및 충전기와 같은 애플리케이션에서 고효율 에너지 변환에 적합합니다. 또한 실리콘 전력 디바이스는 전력 밀도와 효율성이 높아 데이터 센터, 통신 기지국, 전원 공급 장치와 같이 효율적인 전송이 필요한 애플리케이션에 널리 사용됩니다. 고온 및 고전압 환경에서의 실리콘의 성능은 상대적으로 제한적이지만, 저전력 및 중전력 애플리케이션에서의 안정성과 경제성은 뛰어나 중소형 전력 디바이스에 적합한 소재입니다. 동시에 실리콘 소자의 성능과 응용 분야를 확장하기 위해 고온 또는 극한 환경에서 성능을 향상시키기 위한 새로운 실리콘 기반 소재와 구조에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 이는 미래 전력 전자 기술의 발전을 촉진하고 있습니다.
4.5 실리콘 광전지 응용 분야
실리콘은 광전자 애플리케이션, 특히 실리콘 기반 광전자, 실리콘 기반 LED 및 실리콘 포토닉스에서도 중요한 역할을 합니다. 실리콘 포토다이오드는 광통신 시스템에서 고속 장거리 데이터 전송을 지원하기 위해 데이터 센터 및 광섬유 통신의 광 검출기 및 포토다이오드로 널리 사용됩니다. 실리콘은 이상적인 발광 재료는 아니지만 적외선 대역에서의 광 반응성 덕분에 특히 저비용과 내구성이 요구되는 상황에서 적외선 LED와 칩 패키징에도 사용되고 있습니다. 또한 실리콘 포토닉스는 실리콘 기반 광전자 집적회로를 통해 광신호의 전송, 처리 및 연산을 가능하게 하는 기술로 5G, AI 컴퓨팅 및 고속 데이터 전송이 필요한 기타 분야에서 중요한 역할을 할 수 있는 기술로 부상하고 있습니다. 이러한 실리콘 포토닉스 애플리케이션은 데이터 통신, 정보 처리 및 광학 컴퓨팅의 발전을 주도하여 실리콘이 전자 및 광학 융합 기술 발전의 핵심적인 지원 역할을 할 수 있도록 합니다.
5 실리콘의 장점과 한계
5.1 실리콘의 장점
1. 풍부함과 지속 가능성: 실리콘은 지각에서 두 번째로 풍부한 원소로서 지각 질량의 27% 이상을 차지하며 주로 모래와 석영에서 발견됩니다. 이는 실리콘이 매우 풍부하고 상대적으로 접근하기 쉬우며 지속 가능하다는 것을 의미합니다. 풍부한 매장량은 실리콘의 안정적인 공급망을 보장할 뿐만 아니라 실리콘을 대규모 산업 생산을 위한 신뢰할 수 있는 옵션으로 만들어 업계에 장기적인 성장을 보장합니다.
그림 7 지구 지각의 원소 함량
2. 제어 가능한 고순도: 전자 산업에서 반도체 재료의 순도는 매우 중요합니다. 실리콘은 영역 용융을 통해 매우 높은 순도(99.9999% 이상)로 정제할 수 있으며, 이는 집적 회로 및 트랜지스터와 같은 고정밀 장치의 요구 사항을 충족하는 순도 수준입니다. 영역 융합은 실리콘 막대의 특정 영역을 가열하고 융합 영역을 천천히 움직여 제어된 범위 내에서 매우 높은 수준의 순도를 달성함으로써 불순물을 제거하는 고효율 정제 기술입니다. 이 고도로 제어 가능한 순도 덕분에 실리콘은 특히 마이크로 일렉트로닉스 및 집적 회로와 같은 여러 복잡한 전자 애플리케이션에서 탁월한 성능을 발휘합니다.
3. 비용 절감: 실리콘은 갈륨 비소 및 탄화규소와 같은 다른 반도체 재료에 비해 추출 및 처리 비용이 저렴합니다. 한편으로 실리콘의 천연 매장량은 풍부하고 채굴하기 쉬우 며 필요한 정제 공정은 비교적 성숙하고 대규모 생산에 적합합니다. 반면에 실리콘의 안정성이 높기 때문에 제조 및 가공 과정에서 손실이 적어 생산 비용을 더욱 절감할 수 있습니다. 그 결과 실리콘은 마이크로프로세서, 메모리, 태양전지와 같은 분야에서 가장 경제적인 선택이 되었습니다.
5.2 실리콘의 한계
1. 열악한 고온 특성: 실리콘은 실온에서는 안정적으로 작동하지만, 고온에서의 전도성은 이상적이지 않습니다. 고온 환경에서는 실리콘의 저항이 감소하여 전류 흐름이 불안정해지고, 이는 디바이스 성능에 영향을 미칩니다. 따라서 실리콘은 고온에서 지속적인 작동이 필요하고 실리콘의 열 안정성이 이러한 애플리케이션을 지원하기에 충분하지 않은 항공우주, 군용 전자기기, 고전력 전력 컨버터와 같은 고전력 및 고온 환경에서 제한적으로 사용됩니다. 이러한 유형의 요구 사항에서는 실리콘을 대체하기 위해 실리콘 카바이드와 같이 고온 성능이 더 우수한 소재를 선택해야 하는 경우가 많습니다.
2. 밴드갭 제한: 실리콘은 낮은 밴드갭(1.1eV)을 가지고 있어 일부 애플리케이션에서는 고감도에 도움이 되지만 고속 및 고주파 장치에서는 바람직하지 않습니다. 낮은 밴드갭은 전자가 전환할 수 있는 속도를 제한하기 때문에 실리콘은 갈륨 비소처럼 밴드갭이 더 넓은 다른 소재보다 고주파에서 성능이 떨어지기 때문에 5G, 밀리미터파 장치, RF 전력 증폭기와 같은 고속 통신 애플리케이션에서 제한적입니다. 이러한 애플리케이션에서는 디바이스가 더 높은 주파수와 더 빠른 데이터 전송을 지원할 수 있도록 더 높은 밴드갭을 가진 소재가 필요합니다.
6 결론
실리콘은 풍부하고 비용 효율적이며 독특한 반도체 특성으로 인해 전자제품에서 차지하는 역할은 타의 추종을 불허합니다. 순도가 높고 제조가 용이하기 때문에 마이크로 일렉트로닉스, 태양 에너지, MEMS와 같은 분야에서 탁월한 성능을 발휘할 수 있습니다. 하지만 실리콘은 고온 환경과 고주파 애플리케이션에서는 한계가 있으며, 탄화규소나 갈륨 비소 같은 대체 소재가 더 선호되는 경우가 많습니다. 실리콘 기술의 지속적인 발전은 이러한 문제를 해결하여 전자제품의 진화에서 실리콘의 지속적인 관련성을 보장하는 것을 목표로 합니다. 실리콘은 혁신을 주도하고 디지털 및 재생 에너지 환경의 지속적인 변화를 지원하는 필수 불가결한 소재입니다.
Stanford Advanced Materials(SAM) 는 고품질 실리콘 소재의 핵심 공급업체로, 신뢰할 수 있는 소재 솔루션으로 이러한 중요한 애플리케이션을 지원합니다.
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