전자 자료의 필수 목록

1 소개

전자 재료는 빠르게 진화하는 현대 전자 산업에서 매우 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 전자 재료는 유비쿼터스 스마트폰과 노트북부터 고도로 정교한 항공우주 및 의료 장비에 이르기까지 다양한 전자 기기의 기능과 성능을 뒷받침하는 기본 구성 요소입니다. 이러한 소재는 기기의 전기적, 열적, 기계적, 광학적 특성을 결정하여 기기의 성능과 한계를 좌우합니다.

전자 재료의 개발과 혁신은 전자 산업의 지속적인 발전의 원동력이 되어 왔습니다. 더 작고, 더 빠르고, 에너지 효율이 높고, 신뢰성이 높은 전자 제품에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 첨단 전자 소재의 탐색과 활용이 그 어느 때보다 절실해졌습니다. 다음 섹션에서는 실리콘, 실리콘 카바이드, 게르마늄, 갈륨 화합물, 탄소 기반 재료, 전도성 및 절연 재료, 자성 재료 등 몇 가지 주요 전자 재료에 대한 심층적인 탐구에 착수할 것입니다. 고유한 특성, 제조 공정 및 다양한 응용 분야를 이해함으로써 전자 제품의 미래를 형성하는 데 있어 이러한 재료의 중요성과 잠재력에 대한 포괄적인 관점을 얻을 수 있습니다.

2 실리콘 및 관련 재료

원자 번호 14번인실리콘(Si)은 단단하고 부서지기 쉬운 결정질, 준금속, 반도체 재료로 비정질과 결정질 형태를 모두 가지고 있으며 지각에 풍부하게 존재합니다. 실리콘은 원자의 가장 바깥층에 4개의 원자가 전자를 가지고 있으며 화학적으로 비교적 안정적이어서 상온에서 다른 물질과 반응하기 어렵습니다. 반도체 소재인 실리콘은 온도가 높아질수록 전기 전도도가 증가하여 다양한 전자 기기에 널리 사용됩니다.

실리콘의 추출 및 생산에서 비정질 실리콘은 일반적으로 이산화규소를 마그네슘으로 환원하여 얻습니다. 이와 달리 결정질 실리콘은 전기로에서 이산화규소를 탄소로 환원하여 생산합니다. 고순도 반도체 실리콘은 염화규소의 수소 환원을 통해 제조할 수 있습니다. 단결정 실리콘은 일반적으로 조크랄스키법 또는 구역 융합법(FZ법)으로 만들어지며, 다결정 실리콘은 방향성 응고로 성장합니다.

실리콘은 전자 산업, 특히 집적 회로의 칩 기판으로서 트랜지스터 제조에 이상적인 재료로 폭넓게 응용되고 있습니다. 또한 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 및 얇은 실리콘 필름은 태양 전지에 널리 사용됩니다. 미세전자기계 시스템(MEMS) 및 센서 분야에서는 가속도계, 자이로스코프, 압력 센서 제조에 실리콘이 사용됩니다. 실리콘은 전력 전자 분야에서도 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터) 및 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)와 같은 전력 반도체 소자를 만드는 데 사용됩니다. 광전자 분야에서 실리콘 포토다이오드는 광통신 시스템에서 널리 사용됩니다.

실리콘의 장점은 풍부한 매장량, 지속 가능한 활용도, 제어 가능한 순도, 저렴한 비용이지만, 열악한 고온 성능과 좁은 밴드갭으로 인해 고속 및 고주파 애플리케이션에서 사용이 제한되는 단점이 있습니다.

자세히 알아보기: 필수 전자 재료: 1부 - 실리콘

그림 1 실리콘 제품

3 실리콘 카바이드(SiC)

실리콘 카바이드(SiC )는 높은 경도, 우수한 열전도율, 고온 및 내식성을 갖춘 광대역 반도체 소재입니다. 화학식은 SiC이며, 다양한 결정 구조가 있으며 가장 일반적인 것은 α-SiC와 β-SiC입니다. 산업적으로 생산되는 실리콘 카바이드는 불순물에 따라 다양한 색상을 보입니다. 도핑 기술을 통해 에너지 준위 구조를 변경하여 전자 및 기타 물리적 특성을 조정할 수 있습니다.

실리콘 카바이드의 주요 제조 공정에는 용융 및 화학 기상 증착 (CVD)이 있습니다. 용융법은 실리콘과 흑연을 고온에서 혼합하고 녹인 다음 냉각하여 실리콘 카바이드를 형성합니다. 화학 기상 증착은 기체상 화학 반응을 통해 기판 표면에 SiC를 증착하는 방식으로 고품질 박막 소재를 생산하는 데 주로 사용됩니다.

실리콘 카바이드는 다양한 응용 분야에 사용됩니다. 전력 전자 분야에서 SiC는 전기 자동차 및 재생 에너지 시스템의 효율성을 개선하기 위해 전력 변환 장치에 사용됩니다. 고온, 고주파 장치에서 SiC는 극한 조건에서도 안정적인 작동을 유지할 수 있기 때문에 5G 기지국 및 군용 전자 장치에 적합합니다. 또한 SiC는 LED 및 광전자 애플리케이션에서 중요한 역할을 하며, 처음에는 청색 LED에 사용되었으나 현재는 특정 파장에서 빛을 감지하는 데 사용됩니다. 센서 분야에서 SiC는 극한 환경에서의 신뢰성 때문에 고온, 고압 및 방사선 환경에서의 감지에 일반적으로 사용됩니다. SiC의 높은 신뢰성 덕분에 항공우주 및 방위 분야에서도 인기가 높습니다.

실리콘 카바이드의 장점은 고온, 고압, 고주파 고전력 성능이 우수하여 에너지 변환 효율이 높다는 것입니다. 하지만 비용이 높고 제조 공정이 복잡하며 디바이스의 신뢰성을 더욱 개선해야 하는 등 몇 가지 단점도 있습니다.

자세히 읽어보세요: 필수 전자 재료: 2부 - 실리콘 카바이드

그림 2 실리콘 카바이드 칩

4 게르마늄 및 관련 재료

게르마늄(Ge) 은 원자 번호가 32이고 다이아몬드와 유사한 결정 구조를 가진 반도체 원소입니다. 게르마늄의 밀도는 5.323g/cm³, 녹는점은 937.4°C, 끓는점은 2833°C입니다. 반도체 소재로서 게르마늄은 0.66eV의 밴드갭을 가지고 있으며, 저온에서 우수한 전기 전도성을 나타내며 특히 적외선 광전자 특성이 뛰어납니다. 그러나 게르마늄은 열전도율이 낮고 취성이 높아 특정 응용 분야에서 성능을 제한하는 특성이 있습니다.

게르마늄 제조 공정은 일반적으로 직선 드로잉법(Czochralski법)과 수직 구배 응고법(VGF법)으로 단결정 게르마늄을 제조하는 데 사용됩니다. 직선 드로잉법에서는 용융 게르마늄 액체를 결정화하여 단결정을 얻고, 수직 구배 응고법에서는 온도 구배를 제어하여 결정의 성장을 유도하여 품질과 순도를 보장합니다.

게르마늄은 여러 분야에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다. 고속 전자기기에서 게르마늄은 고속 신호 처리를 지원하는 높은 전자 이동도를 가지고 있기 때문에 고주파 트랜지스터와 무선 통신 장치에 사용됩니다. 또한 게르마늄은 중요한 적외선 광학 재료이며 적외선 감지기 및 이미징 시스템에 널리 사용됩니다. 우수한 광전자 특성으로 인해 게르마늄은 광섬유에 도핑되어 광섬유의 성능을 향상시키고 광통신, 태양광 변환 장치 및 태양 전지에 사용되기도 합니다. 집적 회로에서 게르마늄은 실리콘과 결합하여 성능을 더욱 향상시키는 합금을 형성합니다. 게르마늄은 반도체 레이저, 전하 결합 소자(CCD), LIDAR의 제조에도 사용되며 양자 컴퓨팅 및 양자 기술에도 잠재적인 응용 분야가 있습니다.

게르마늄의 주요 장점은 높은 전자 이동도, 낮은 밴드갭, 높은 적외선 투과율, 실리콘과의 우수한 호환성 등으로 고효율 태양 전지 및 양자 컴퓨팅과 같은 분야에 사용하기에 적합합니다. 하지만 낮은 열전도율, 높은 가격, 결정 성장의 어려움, 제한된 산업 생산 규모 등의 단점도 있어 게르마늄의 광범위한 사용을 가로막는 걸림돌로 작용합니다.

자세히 읽어보세요: 필수 전자 재료: 3부 - 게르마늄

그림 3 칩 제조용 게르마늄

5가지 갈륨 화합물

산화갈륨(Ga2O3): β-Ga2O3, α-Ga2O3 등 다양한 결정 구조를 가진 광대역 반도체. 화학적으로 안정적이며 다양한 물질과 반응할 수 있습니다. 직접 환원법, 화학 기상 증착법, 산법으로 제조할 수 있습니다. 전력 전자, 광전자 장치(자외선 감지기, 심자외선 LED 등), 센서 및 기타 분야에서 널리 사용되며 시장 규모가 빠르게 성장하고 있으며 산업 체인이 점차 개선되고 있습니다.

갈륨비소(GaAs): 검은 회색 고체, 융점 1238°C, 입방정 결정 구조, 우수한 전자 특성, 저소음 및 높은 항복 전압을 가진 중요한 Ⅲ-V 화합물 반도체입니다. 주로 수직 구배 응고(VGF), 액체 캡슐화 직접 그리기(LEC), 수평 브리지맨(HB), 화학 기상 증착(CVD) 및 기타 방법으로 제조됩니다. 마이크로파, 광전자, 통신, 태양 전지, 마이크로 일렉트로닉스 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.

질화 갈륨(GaN): 결정 구조는 넓은 직접 밴드 갭, 높은 경도, 높은 열전도율, 우수한 화학적 안정성 및 기타 특성을 가진 갈륨과 질소 원자의 격자로 구성됩니다. MOCVD 및 기타 방법과 같은 화학 기상 증착 반응에 의해 성장됩니다. 새로운 전자 장치(예: 고전력 고주파 장치), 광전자 장치(예: 단파장 발광 장치), 센서 및 기타 분야에서 널리 사용되며 관련 기술 발전을 촉진합니다.

자세히 읽어보세요: 필수 전자 재료: 4부 - 갈륨 화합물

그림 4 산화 갈륨 반도체 재료

6 탄소 기반 재료

그래핀: 탄소 원자가 sp²와 혼성화되어 육각형 벌집 격자를 형성하는 단층 구조로 광학, 전기, 기계적 특성이 뛰어납니다. 전자 이동도가 높아 집적 회로, 전계 효과 트랜지스터, 유기 발광 다이오드, 화학 센서 및 광전자 장치에 응용될 가능성이 높습니다.

탄소 나노튜브(CNT): 탄소 원자를 동축 원형 튜브 구조로 배열한 것으로, 독특한 전기적 특성을 지니며 금속성 탄소 나노튜브와 반도체성 탄소 나노튜브로 나뉩니다. 고성능 전계 효과 트랜지스터, 전자 센서, 태양 전지 등을 제조하여 관련 장치의 성능을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다.

풀러렌(풀러렌): C60 등과 같이 탄소 원자로 구성된 속이 빈 분자로, 특별한 광학, 전기, 화학적 특성을 가지고 있습니다. 커패시터, 전도성 접착제, 광전자 응용 분야 등에서 중요한 응용 분야를 가지고 있으며 전극 전도도 및 에너지 저장 밀도 등을 향상시킬 수 있습니다.

자세히 알아보기: 필수 전자 재료: 5부 - 탄소 기반 재료

그림 5 그래핀

7 전도성 및 절연 재료

전도성 재료: 금속 원자의 외부 전자가 자유 전자를 형성하기 쉽고 전기 전도성이 높고 열 전도성이 우수하며 기계적 강도가 높은 구리, 은, 알루미늄 및 그 합금으로 전선 및 케이블, 전자 장비 및 기타 분야에서 널리 사용되는 금속 및 합금; 터치 스크린용 인듐 주석 산화물(ITO) 과 같이 이온 이동 또는 전자 수송, 고온 및 내식성을 통해 전기를 전도하는 전도성 세라믹.태양전지, 디스플레이 스크린 등에 사용되는 투명한 전도성을 가진 유리 기판과 표면 전도성 필름 구성에 의한 전도성 유리, 특정 온도에서 저항이 없고 완전히 자성을 띠는 초전도 재료. 전도성 유리는 유리 기판과 표면 전도성 필름으로 구성되며 태양 전지, 디스플레이 등에 사용되는 투명 전도성; 특정 온도 저항이 0이고 완전히 반자성을 갖는 초전도 재료는 저온 초전도, 고온 초전도 및 송전, 의료, 운송, 정보 기술 및 기타 분야의 다른 유형의 초전도로 나뉘며 널리 사용됩니다.

절연 재료: 고전압 절연체용 유리, 변압기 절연에 사용되는 세라믹 등 전기 절연에 사용되는 높은 저항성, 우수한 내열성, 기계적 강도 및 화학적 안정성을 갖춘 유리, 세라믹, 운모 등의 무기 절연 재료; 절연 특성 및 특성이 다른 PVC, 폴리이미드(PI), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등과 같은 폴리머 단열재 등 다양한 절연 재료. 다양한 전자 장비와 환경에 적합합니다.

자세히 알아보기: 필수 전자 재료: 6부 - 전도성 및 절연 재료

그림 6 전자 세라믹 재료

8 자성 재료

경자성 재료(영구 자석): 알니코 합금, 티타늄-코발트 합금, 희토류 코발트 영구 자석 등 자화 후 오랫동안 자성을 유지할 수 있고 높은 보자력, 고자성 및 고자기 에너지 생성물을 가지며 전기 모터, 전자 진공 장치 및 마이크로파 장치에 사용됩니다.

연자성 재료: 실리콘강 연자성 자석, 연자성 페라이트 등, 낮은 보자력, 높은 투자율, 자화 및 자화가 용이하며 변압기, 모터, 인덕터, 전자기 차폐 및 기타 전자 장비에 널리 사용되며 에너지 손실을 줄이고 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

자성 합금: 철 및 기타 금속 원소로 구성되며 연자성 합금과 경자성 합금으로 나뉘며, 전기 모터 등에 사용되는 네오디뮴-철-붕소(NdFeB), 고온 특수 환경에서 사용되는 알루미늄-니켈-코발트 합금 등 전자, 통신, 에너지 등의 분야에서 널리 사용됩니다. 투자율, 포화 자속 밀도, 보자력 등과 같은 자성 재료의 특성은 전자 장치의 성능에 매우 중요하며 전원 공급 장치, 변압기, 데이터 저장 장치, 모터, 센서, 무선 통신 및 기타 장비에서 핵심적인 역할을 합니다.

자세히 알아보기: 필수 전자 재료: 파트 7 - 자성 재료

그림 7 NdFeB 자석

9 결론

결론적으로 전자 재료는 현대 전자제품의 기반입니다. 실리콘이 두각을 나타내고 있지만 탄화규소 및 갈륨 화합물과 같은 소재가 부상하고 있습니다. 탄소 기반 소재는 새로운 기회를 가져다줍니다. 전도성, 절연성, 자성 소재도 필수적입니다. 개발 트렌드는 더 나은 성능과 신뢰성을 지향합니다. 실리콘 카바이드와 질화 갈륨과 같은 소재를 개선하기 위한 노력이 이루어지고 있습니다. 탄소 기반 소재에 대한 연구는 합성과 통합에 중점을 두고 있습니다. 지속적인 연구와 혁신이 중요합니다. 기존 수요를 충족하고 새로운 기술을 가능하게 하기 때문입니다. 소재를 탐색하고 최적화하는 것은 전자 산업의 발전을 위해 필수적입니다.

스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈(Stanford Advanced Materials, SAM) 는 고품질 전자 소재의 핵심 공급업체로, 신뢰할 수 있는 소재 솔루션으로 이러한 중요한 애플리케이션을 지원합니다.