실리콘 기판 슬러지로부터 고순도 탄화규소 분말 합성

권한중,김민희,윤지환 한국자원리싸이클링학회 2022 資源 리싸이클링 Vol.31 No.6

This study presents the carburization process for recycling sludge, which was formed during silicon wafer machining. The sludge used in the carburization process is a mixture of silicon and silicon carbide (SiC) with iron as an impurity, which originates from the machine. Additionally, the sludge contains cutting oil, a fluid with high viscosity. Therefore, the sludge was dried before carburization to remove organic matter. The dried sludge was washed by acid cleaning to remove the iron impurity and subsequently carburized by heat treatment under vacuum to form the SiC powder. The ratio of silicon to SiC in the sludge was varied depending on the sources and thus carbon content was adjusted by the ratio. With increasing SiC content, the carbon content required for SiC formation increased. It was demonstrated that substoichiometric SiCx (x<1) was easily formed when the carbon content was insufficient. Therefore, excess carbon is required to obtain a pure SiC phase. Moreover, size reduction by high-energy milling had a beneficial effect on the suppression of SiCx, forming the pure SiC phase. 본 논문에서는 반도체용 실리콘 기판 가공 과정에서 발생한 슬러지 재활용을 위해 탄화 반응에 의한 탄화규소(SiC) 분말 합성 공정을적용한 결과를 제시하고자 한다. 입수한 슬러지는 실리콘 기판을 탄화규소 연마재를 사용하여 가공하는 과정에서 발생하므로 실리콘과탄화규소가 혼합된 형태였으며 가공 설비로부터 발생한 철 불순물이 포함되어 있었다. 슬러지는 절삭유가 포함되어 있어 점성이 있는 유체 형태였으며 대기 건조를 통해 분말 형태로 변화된 후 산 세정을 통한 철 성분 제거 및 탄화에 의한 탄화규소 분말 합성 과정을 거치게된다. 슬러지에 포함된 실리콘과 탄화규소의 비율에 따라 탄화 반응에 필요한 탄소량이 달랐으며 탄화규소의 함량이 커질수록 탄소 부족현상으로 인해 비화학량론적 탄화물(SiCx, x<1) 형성이 촉진되어 순수한 탄화규소 합성이 이루어지지 않는 것을 확인하였다. 이러한 비화학량론적 탄화물은 잉여 탄소 추가와 고에너지 밀링에 의한 탄화 반응성 증가를 통해 제거할 수 있었으며 결과적으로 산 세정과 밀링과정에 의해 슬러지로부터 순수한 탄화규소 분말 합성이 가능함을 확인할 수 있었다.

폴리카보실란 전구체로부터 고온 산화성분위기서 기계적물성이 우수한 파이롯-규모의 탄화규소섬유 제조공정 개발

윤병일 ( B. I. Yoon ),최우철 ( W. C. Choi ),김정일 ( J. I. Kim ),김재성 ( J. S. Kim ),강홍구 ( H. G. Kang ),김명주 ( M. J. Kim ) 한국복합재료학회 2017 Composites research Vol.30 No.2

본 연구의 목적은 고온 산화성 분위기하에서 기계적물성이 우수한 탄화규소섬유(SiC Fiber)를 파일롯-규모로의 생산 제조공정을 개발하는 것이다. 프리세라믹 전구체로서 폴리카보실란(PCS)을 사용하여 탄화규소섬유를 제조하였다. 연속성의 PCS 섬유는 300~350℃에서 PCS를 용융한 후에 용융방사로부터 얻었다. 열처리 전에 섬유의 불융화를 위하여 공기 분위기하에서 경화를 하였다. 경화 전, 후에 측정한 FT-IR 스펙트라 피크로부터 경화도를 계산하였다. 탄화규소섬유의 물성은 경화도에 따라 크게 영향을 받았다. 본 개발에서 열처리 중 섬유의 장력 조절로 우수한 물성을 갖는 탄화규소섬유를 얻었다. 탄화규소섬유의 화학조성과 기계적물성은 안정화섬유의 열처리시의 이송속도에 영향을 받았다. 탄화규소섬유를 공기분위기하 1000℃에서 1분부터 50시간까지 노출한 후에 인장시험을 수행하였다. 그 결과 인장강도는 약 60%까지 감소함을 보여주었다. 장시간 노출시험시 낮은 인장 강도값을 나타내는 섬유는 화학성분 분석시 섬유의 표면에 많은 탄소량을 함유하고 있었다. The purpose of this study is to develop silicon carbide fiber showing an excellent mechanical properties under highly oxidative conditions at high temperature. Polycarbosilane(PCS) as a preceramic precursor was used for making the SiC fiber. PCS fiber was taken by melt spinning method followed by melting the PCS at 300~350℃ in N2 gas. The Curing of PCS fiber was carried out in air oxygen chamber, prior to high temperature pyrolysis. Degree of cure was calculated by characteristic peak`s ratio of Si-H to Si-CH₃ in FT-IR spectra before and after curing of PCS fiber. The properties of SiC fiber was affected greatly by the degree of cure. The SiC fiber produced by controlling fiber tension during heat treatment showed good properties. The SiC fiber exposed to 1000℃ at air from 1 min. up to maximum 50 hrs showed around 60% reduction in tensile strength. We found that large amount of carbon content on the fiber surface after long-term exposure has resulted in lower tensile strength.

탄화규소로 코팅된 탄소-탄소 복합재료의 단열 특성

서형일,임병주,신인철,배수빈,이형익,최균,이기성 한국복합재료학회 2020 Composites research Vol.33 No.3

This study investigates the characterization on the thermal insulation properties of silicon carbide coating on the Cf-C composites. The silicon carbide coatings by chemical vapor deposition on the C/C composites are prepared to evaluate thermal resistance. Firstly, we perform the basic insulation test by thermal shock at 1350oC in air on the C/C composite and SiC-coated C/C composite. We also performed the burner tests on the surface of the composites at high temperatures such as 1700 and 2000oC, and the weight change after burner tests are measured. The damages on the surface of C/C composite and SiC-coated composite are observed. As a result, the SiC coating is beneficial to protect the C/C composite from high temperature even though damages such as defoliation, crack and voids are observed during burner test at 2000oC. 본 논문에서는 탄화규소로 코팅된 탄소-탄소복합재료의 단열 특성을 고찰하였다. 탄소-탄소 복합재료 상에 탄화규소를 화학증착법(CVD)법으로 코팅하였다. 먼저 탄화규소로 코팅한 복합재와 코팅되지 않은 복합재에대해, 공기 중에서 1350oC의 온도를 급작스럽게 부가하였을 때의 단열특성을 서로 비교하는 연구를 수행하였다. 또한 본 연구에서는 최대 1700oC 및 2000oC의 온도에 복합재의 표면을 노출시키는 고온 버너실험을 수행하였다. 버너실험 전, 후의 무게를 측정하여 무게변화를 고찰하였다. 고온 버너실험 후 탄소-탄소 복합재 및 탄화규소로코팅된 복합재의 손상여부를 비교, 고찰하였다. 그 결과 2000oC의 온도에 노출 시 탄화규소 코팅재에서 박리, 균열, 공동 등의 결함손상들이 발견되었으나, 고온으로부터 탄소-탄소 복합재를 보호하는데 효과적이었다.

성형공정(成形工程)과 원료입도(原料粒度)가 다공성(多孔性) 탄화규소(炭火硅素) 세라믹 캔들 필터 특성(特性)에 미치는 영향(影響)

한인섭,서두원,홍기석,우상국,Han, In-Sub,Seo, Doo-Won,Hong, Ki-Seog,Woo, Sang-Kuk 한국자원리싸이클링학회 2010 資源 리싸이클링 Vol.19 No.5

석탄가스화 복합발전 시스템의 집진설비용 다공성 탄화수소 캔들 필터 제조를 위해 래밍성형과 진공 압출성형 공정에 외해 캔들필터 성형체를 제조하였다. 다양한 입도를 갖는 탄화규소 분말을 출발원료로 하였으며, 비점토계 무기 소결조제로 뮬라이트와 칼슘 카보네이트 분말을 사용하였다. 래밍성형과 진공 압출성형에 의한 캔들 필터 성형체들은 대기 분위기 $1400^{\circ}C$에서 2시간 소성하여 제조하였다. 캔들 필터 성형공정과 출발원료 입도가 소결된 다공성 캔들 필터 지지층의 기공율, 밀도, 강도 (굽힘강도, 압축강도)와 미세구조에 미치는 영향을 조사하였다. 래밍성형 공정에 외한 제조원 다공성 탄화규소 캔들 필터 소결체가 압출성형된 필터에 비해 높은 밀도 및 강도를 나타내고 있었으며, 그 최고 값은 각각 $2.0\;g/cm^3$과 45 MPa이었다. 한편 캔들 필터 지지층의 장기 내식성 평가 예측을 위하여 소결된 시편에 대해 석탄가스화 복합발전 $600^{\circ}C$의 모사 합성가스 분위기에서 2400시간 부식실험을 수행하였다. To fabricate porous SiC candle filter for filtration facility of the IGCC system, the candle type filter preforms were fabricated by ramming and vacuum extrusion process. A commercially available ${\alpha}$-SiC powders with various particle size were used as starting raw materials, and $44\;{\mu}m$ mullite, $CaCO_3$ powder were used as non-clay based inorganic sintering additive. The candle typed preforms by ramming process and vacuum extrusion were sintered at $1400^{\circ}C$ for 2h in air atmosphere. The effect of forming method and particle size of filter matrix on porosity, density, strength (flexural and compressive strength) and microstructure of the sintered porous SiC candle tilters were investigated. The sintered porous SiC filters which were fabricated by ramming process have more higher density and strength than extruded filter in same particle size of the matrix, and its maximum density and 3-point bending strength were $2.00\;g/cm^3$ and 45 MPa, respectively. Also, corrosion test of the sintered candle filter specimens by different forming method was performed at $600^{\circ}C$ for 2400h using IGCC syngas atmosphere for estimation of long-term reliability of the candle filter matrix.

열 화학기상증착법을 이용한 탄화규소 나노선의 합성 및 특성연구

정민욱,김민국,송우석,정대성,최원철,박종윤,Jung, M.W.,Kim, M.K.,Song, W.,Jung, D.S.,Choi, W.C.,Park, C.J. 한국진공학회 2010 Applied Science and Convergence Technology Vol.19 No.4

One-dimensional cubic phase silicon carbide nanowires (${\beta}$-SiC NWs) were efficiently synthesized by thermal chemical vapor deposition (TCVD) with mixtures containing Si powders and nickel chloride hexahydrate $(NiCl_2{\cdot}6H_2O)$ in an alumina boat with a carbon source of methane $(CH_4)$ gas. SEM images are shown that the growth temperature (T) of $1,300^{\circ}C$ is not enough to synthesize the SiC NWs owing to insufficient thermal energy for melting down a Si powder and decomposing the methane gas. However, the SiC NWs could be synthesized at T>$1,300^{\circ}C$ and the most efficient temperature for growth of SiC NWs is T=$1,400^{\circ}C$. The synthesized SiC NWs have the diameter with an average range between 50~150 nm. Raman spectra clearly revealed that the synthesized SiC NWs are forming of a cubic phase (${\beta}$-SiC). Two distinct peaks at 795 and $970 cm^{-1}$ in Raman spectra of the synthesized SiC NWs at T=$1,400^{\circ}C$ represent the TO and LO mode of the bulk ${\beta}$-SiC, respectively. XRD spectra are also supported to the Raman spectra resulting in the strongest (111) peaks at $2{\Theta}=35.7^{\circ}$, which is the (111) plane peak position of 3C-SiC. Moreover, the gas flow rate of 300 sccm for methane is the optimal condition for synthesis of a large amount of ${\beta}$-SiC NW without producing the amorphous carbon structure shown at a high methane flow rate of 800 sccm. TEM images are shown two kinds of the synthesized ${\beta}$-SiC NWs structures. One is shown the defect-free ${\beta}$-SiC NWs with a (111) interplane distance of 0.25 nm, and the other is the stacking-faulted ${\beta}$-SiC NWs. Also, TEM images exhibited that two distinct SiC NWs are uniformly covered with $SiO_2$ layer with a thickness of less 2 nm. 본 연구에서는 열 화학기상증착법(thermal chemical vapor deposition)을 이용하여 분말 형태의 규소(Si)와 염화니켈 수화물 $(NiCl_2{\cdot}6H_2O)$을 혼합한 후 탄소공급원인 $CH_4$ 가스를 주입하여 탄화규소 나노선(SiC nanowire)을 합성하였다. 합성 온도와 $CH_4$ 가스 유량 변화에 따른 탄화규소 나노선의 구조적 특성을 분석한 결과, 합성온도가 $1,400^{\circ}C$, $CH_4$ 가스의 유량이 300 sccm인 경우가 탄화규소 나노선의 합성에 최적화된 조건임을 라만 분광법(Raman spectroscopy)과 X-선 회절(X-ray diffraction), 주사전자현미경(scanning electron microscopy), 그리고 투과전자현미경(transmission electron microscopy) 분석을 통해 확인하였다. 합성된 탄화규소 나노선의 직경은 약 50~150 nm이며, 곧은 방향성과 높은 결정성을 가지는 입방구조(cubic structure)를 지니고 있었다.

탄화규소 (3C-SiC) 나노선 트랜지스터의 제작 및 2D ATLAS 시뮬레이션 비교 연구

김동주,이승용,형정환,이상권 한국물리학회 2008 새물리 Vol.57 No.5

We report on the electrical characteristics of 3C-SiC nanowire (NW) field-effect transistors (FETs), which were prepared by using conventional electron-beam lithography (EBL). The SiC NWs used in the FETs were normally in the range of 40 $\sim$ 100 nm. In addition, the current-voltage (I-V) characteristics of the SiC NW FETs were compared with the simulated results. From the 2D ATLAS simulation, the carrier mobility and the on/off ratio were estimated to be $\sim$3.06 $\times$ 10$^3$ cm$^2$/V$\cdot$s and $\sim$ 6.16, respectively. We also noticed that detailed studies, such as direct doping and modulation of the doping in SiC NWs, are required for further fabrication of high-performance SiC NW-based devices. 본 연구에서는 탄화규소 나노선 트랜지스터를 제작하여 실제 소자의 전기적인 특성을 분석하였으며 실험에서 나타난 결과를 2D ATLAS 시뮬레이션을 이용하여 비교하였다. 실험에서 제작된 탄화규소 나노선은 hot-wall 방식의 화학기상증착 방법을 이용하여 합성하였으며, 지름은 40 $\sim$ 100 nm 이다. 합성된 탄화규소 나노선을 후면 게이트 전계효과 트랜지스터 (back-gated field-effect transistors) 로 제작하였으며, 이를 2D ATLAS 시뮬레이션을 통해 탄화규소 나노선 트랜지스터 소자 동작특성을 비교 분석하였다. 2D ATLAS 시뮬레이션에서의 탄화규소 나노선의 길이와 채널의 길이, 지름은 제작된 소자와 같은 4 $\mu$m, 3 $\mu$m, 45 nm 이고, 일정한 전하 농도를 갖는다고 가정하였으며, 지름이 작아짐에 따라 나타나는 양자효과는 본 연구에서는 배제하였다. 실험결과와 시뮬레이션의 결과를 비교한 후 전하 농도가 1.5 $\times$ 10$^{17}$ cm$^{-3}$ 일 때 전류 on/off ratio ($I_{on}/I_{off}$) 와 이동도 ($\mu$) 는 각각 6.16 과 3.06 $\times$ 10$^3$ cm$^2$/V$\cdot$s 를 갖는 소자 제작이 가능함을 알 수 있었다.

폐 반도체 슬러리 및 폐 망간전지 흑연봉으로부터 탄화규소 합성

손용운,정인화,손정수,김병규,Sohn Yong-Un,Chung In-Wha,Sohn Jeong-Soo,Kim Byoung-Gyu 한국자원리싸이클링학회 2003 資源 리싸이클링 Vol.12 No.3

본 연구의 목적은 실리콘웨이퍼의 절단공정에서 발생한 폐슬러리와 폐망간전지에서 발생하는 흑연봉을 각각 규소 및 탄소의 출발물질로 사용하여 가스터빈 부품, 열교환기 등에 사용되는 탄화규소(SiC)를 합성하는 연구를 수행하였다. 실리콘웨이퍼의 절단공정에서 발생하는 폐슬러리로부터 비중차이에 의한 선별과 자력선별 등에 의해 정제된 규소와 탄화규소를 얻을 수 있었으며, 폐망간전지를 해체하여 얻은 탄소봉으로부터 수세와 분쇄를 통하여 탄소분말을 얻을 수 있었다. 탄화규소의 합성은 규소와 당량비의 탄소분발을 혼합하여 1$600^{\circ}C$이상의 온도에서 아르곤 분위기와 진공분위기 하에서 2시간 유지시켰을 때 이루어졌으며, 이때 합성된 탄화규소의 순도는 99% 이상이었다. The synthesis of SiC used for the parts of the gas turbine and the heat exchanger, was carried out. In this study, wire cutting slurry of silicon wafer and the graphite rod of spent zinc-carbon battery were applied to the starting materials for the synthesis. The powders of Si or Si+SiC were obtained from the waste material by filtration, gravity separation and magnetic separation. Graphite powder was produced by dismantling, grinding and gravity separation from spent zinc-carbon battery. The synthesis of SiC could be completed from the mixture powders of Si and C or Si+SiC and C at the condition of equivalent ratio of Si and C, atmosphere of Ar or vacuum, temperature of above 1$600^{\circ}C$ and 2 hours reactions. The purity of synthesized Si-C was above 99%.

석탄가스화 정제시스템용 세라믹 캔들 필터 제조 및 특성

한인섭(Han, In-Sub),서두원(Seo, Doo-Won),홍기석(Hong, Ki-Seog),김세영(Kim, Se-Young),유지행(Yu, Ji-Hang),우상국(Woo, Sang-Kuk) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06

진공압출성형 공정을 이용하여 한쪽 끝단이 막힌 다공질 탄화규소 캔들 필터를 단일공정으로 제조하는 기술을 확립하였다. 캔들 필터 지지층의 특성 최적화를 위해 탄화규소 출발입자와 무기바인더의 첨가량 변화를 통해 기계적 특성과 기공크기 등의 분석을 수행하여 상용 캔들 필터의 수준에 대응할 수 있는 조합을 도출하였다. Mullite와 clay를 소결조제로 사용하고, 30{mu}m 입도의 탄화규소 입자로 지지층을 제조한 경우, 30% 이상의 기공율을 보유하면서 50 MPa 이상의 상온 3점 굽힘강도를 나타낼 수 있는 조건이 확립됨에 따라 125{mu}m 입도의 탄화규소와 bi-modal로 사용할 경우, 상용제품의 특성을 상회하는 탄화규소 캔들 필터가 제조될 수 있음을 확인하였다.

고속비행체 구조재물로 탄소섬유와 탄화규소섬유를 강화재로 한 SiC세라믹 복합재의 특성 연구

윤병일(Byungil Yoon),김재성(JaeSung Kim),김명주(Myeongju Kim),김정일(Jungil KIm),박홍식(Hongsik Park) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.5

본 연구의 목적은 마하 5이상으로 비행하는 극초음속비행체의 열방호구조재에서 섬유 종류에 따른 특성을 비교하기 위함이다. 극초음속 비행 시에 공력가열과 충격파로 인하여 구조물의 온도가 크게 상승한다. 이 같은 환경에 적응할 수 있는 소재는 세라믹복합재(CMC)가 오늘날 가장 적절한 소재의 하나이다. 본 연구에서는 CMC의 섬유강화재로서 탄소섬유, 탄화규소섬유를 사용하였으며, 직물 일부는 탄소섬유와 탄화규소섬유를 혼합하여 제직하였다. 탄화규소섬유는 ㈜데크카본이 생산한 Goldsic-200을 사용하였다. CMC는 CVI+PIP 혼합 공정으로. Cf/SiC, Cf/SiCf/SiC, SiCf/SiC 3종류의 시편을 제작하였다. 기계적물성, 열적물성과 Oxy-Acetylene Torch에 의한 삭마 특성을 비교 분석하였다. The object of this study is to evaluate various characteristics of thermal protection ceramic composites reinforced by carbon fiber and sic fiber for hypersonic vehicle applications flying over mach 5. The temperature in vehicle structure increase significantly due to aerodynamic heating and shock wave. Today, CMC is one of the most promising candidate materials able to meet such extremely environmental conditions. In this study, Toray carbon fiber and silicon fiber(SiC) produced in DACC Carbon and co-weaved plain fabric types were used as fiber reinforcement in making CMC. 3 different kind of CMC plates were prepared by using hybrid processing, CVI and PIP. Mechanical property, thermal property and erosion rate by oxy-acetylene torch for the CMC specimens were evaluated respectively and compared.

초고온복합소재용 프리세라믹폴리머 합성 및 응용기술

이윤주 ( Yoonjoo Lee ),김영희 ( Younghee Kim ),배성군 ( Seong Gun Bae ),이현명 ( Hyeon Myoung Lee ),조광연 ( Kwang Youn Cho ),권우택 ( Woo Teck Kwon ),김수룡 ( Soo Ryong Kim ),류도형 ( Doh Hyung Riu ),신동근 ( Dong Geun Shin ) 한국복합재료학회 2017 Composites research Vol.30 No.2

프리세라믹폴리머는 기존의 세라믹 공정으로는 얻을 수 없는 다양하고 복잡한 구조의 세라믹 소재를 구현할 수 있다. 대표적인 프리세라믹폴리머인 폴리카보실란은 분자구조 제어를 통해 실리콘과 탄소의 함량비 조절이나 분자구조의 선형성을 향상시키고 분자량 및 분자량분포 제어를 통해 탄화규소섬유를 포함한 다앙한 형상/미세구조의 탄화규소 세라믹을 제조할 수 있다. 본 논문에서는 폴리카보실란의 합성 및 분자구조제어기술과 이를 용융방사 및 안정화, 열처리를 거쳐 제조되는 탄화규소섬유섬유, 그리고 PIP 공정으로 만들어지는 세라믹섬유복 합소재 기술에 대하여 논하였다. 더불어 나노다공구조를 갖는 탄화규소 중공사와 같이 폴리카보실란을 이용해 구현할 수 있는 복잡구조의 탄화규소 소재 개발 예를 소개하였다. The preceramic polymer can realize a variety of complex ceramic structures that can not be obtained by conventional ceramic processes. Polycarbosilane, which is a typical preceramic polymer, can control the molecular structure, molecular weight and molecular weight distribution for preparing complex morphology and microstructure of SiC ceramics, including SiC fiber. In this paper, synthesis and molecular structure control technique of polycarbosilane is explained. The silicon carbide fiber prepared by melt spinning, stabilization and heat treatment, and ceramic fiber composites technology made by PIP process are also discussed. In addition, we introduce an example of the development of a complex silicon carbide material such as a silicon carbide hollow fiber having a nanoporous structure.