탄탈륨 카바이드 세라믹 – 반도체 및 항공우주 분야의 핵심 소재입니다.

탄탈륨 카바이드(TaC)초고온 세라믹 소재입니다. 초고온 세라믹(UHTC)은 일반적으로 녹는점이 3000℃를 초과하고 2000℃ 이상의 고온 및 부식성 환경(산소 원자 환경 등)에서 사용되는 ZrC, HfC, TaC, HfB2, ZrB2, HfN 등의 세라믹 재료를 말합니다.

탄탈륨 탄화물은 융점 3880℃, 높은 경도(모스 경도 9~10), 상대적으로 높은 열전도율(22W·m⁻1·K⁻1), 높은 굽힘 강도(340~400MPa), 상대적으로 낮은 열팽창계수(6.6 × 10⁻⁶ K⁻1)를 갖고 있습니다. 또한 우수한 열화학적 안정성과 우수한 물리적 특성을 나타내며 흑연 및 C/C 복합재와 화학적, 기계적 친화성이 우수합니다. 따라서 TaC 코팅은 항공우주 열 보호, 단결정 성장, 에너지 전자 장치 및 의료 기기에 널리 사용됩니다.

반도체 장비의 응용

현재 실리콘카바이드(SiC)로 대표되는 와이드 밴드갭 반도체는 주요 경제 전장을 지원하고 주요 국가 수요를 해결하는 전략 산업입니다. 그러나 SiC 반도체는 공정이 복잡하고 장비 요구사항이 극도로 높은 산업이기도 합니다. 이러한 공정 중에서 SiC 단결정 준비는 전체 산업 체인에서 가장 기본적이고 중요한 연결입니다.

현재 SiC 결정 성장에 가장 일반적으로 사용되는 방법은 PVT(Physical Vapor Transport) 방법입니다. PVT에서 탄화규소 분말은 유도 가열을 통해 2300°C 이상의 온도와 진공에 가까운 압력으로 밀봉된 성장 챔버에서 가열됩니다. 이로 인해 분말이 승화되어 Si, Si2C, SiC2와 같은 다양한 가스 성분을 포함하는 반응성 가스가 생성됩니다. 이 기체-고체 반응은 SiC 단결정 반응 소스를 생성합니다. SiC 종자 결정은 성장 챔버 상단에 배치됩니다. 기체 성분의 과포화에 의해 종자 결정으로 이동된 기체 성분은 종자 결정 표면에 원자적으로 증착되어 SiC 단결정으로 성장합니다.

이 공정은 성장 주기가 길고 제어가 어렵고 마이크로튜브 및 함유물과 같은 결함이 발생하기 쉽습니다. 결함을 제어하는 ​​것이 중요합니다. 용광로 열장의 사소한 조정이나 드리프트도 결정 성장을 변경하거나 결함을 증가시킬 수 있습니다. 이후 단계에서는 더 빠르고, 더 두껍고, 더 큰 결정을 달성해야 하는 과제가 제시되며, 이는 이론 및 공학적 발전뿐만 아니라 더 정교한 열장 재료도 필요합니다.

열장의 도가니 재료에는 주로 흑연과 다공성 흑연이 포함됩니다. 그러나 흑연은 고온에서 쉽게 산화되고 용융된 금속에 의해 부식됩니다. TaC는 우수한 열화학적 안정성과 우수한 물리적 특성을 갖고 있어 흑연과 화학적, 기계적 친화성이 우수합니다. 흑연 표면에 TaC 코팅을 준비하면 내산화성, 내식성, 내마모성 및 기계적 특성이 효과적으로 향상됩니다. 특히 MOCVD 장비에서 GaN이나 AlN 단결정 성장, PVT 장비에서 SiC 단결정 성장에 적합해 성장된 단결정의 품질을 크게 향상시킨다.

또한, 탄화규소 단결정 제조 과정에서 고체-가스 반응을 통해 탄화규소 단결정 반응원이 생성된 후 Si/C 화학양론비는 열장 분포에 따라 달라집니다. 기체상 성분이 설계된 열장 및 온도 구배에 따라 분포되고 운송되도록 하는 것이 필요합니다. 다공성 흑연은 투과성이 부족하여 투과성을 높이려면 추가 기공이 필요합니다. 그러나 투자율이 높은 다공성 흑연은 가공, 분말 쉐딩, 에칭 등의 문제에 직면해 있습니다. 다공성 탄탈륨 카바이드 세라믹은 기상 성분 여과를 더 잘 달성하고, 국부적인 온도 구배를 조정하고, 재료 흐름 방향을 안내하고, 누출을 제어할 수 있습니다.

왜냐하면TaC 코팅탄화규소 반도체 산업 체인에서 H2, HCl 및 NH3에 대해 우수한 산 및 알칼리 저항성을 나타내는 TaC는 MOCVD와 같은 에피택셜 공정 중에 흑연 매트릭스 재료를 완벽하게 보호하고 성장 환경을 정화할 수도 있습니다.

항공우주 분야의 응용

항공우주 차량, 로켓, 미사일과 같은 현대 항공기가 고속, 고추력, 고고도로 발전함에 따라 극한 조건에서 표면 재료의 고온 저항성 및 내산화성에 대한 요구 사항이 점점 더 엄격해지고 있습니다. 항공기가 대기권에 진입하면 높은 열유속밀도, 높은 정체압력, 높은 기류세굴속도 등 극한 환경에 직면하는 동시에 산소, 수증기, 이산화탄소와의 반응으로 인한 화학적 제거에 직면하게 된다. 항공기가 대기권에서 출입하는 동안 노즈콘과 날개 주변의 공기는 강렬한 압축을 받아 항공기 표면과 상당한 마찰을 일으키고 공기 흐름에 의해 가열됩니다. 비행 중 공기역학적 가열 외에도 항공기 표면은 태양 복사 및 환경 복사의 영향을 받아 표면 온도가 지속적으로 상승합니다. 이러한 변경은 항공기의 서비스 수명에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.

TaC는 초고온 저항성 세라믹 제품군에 속합니다. 높은 융점과 탁월한 열역학적 안정성으로 인해 TaC는 로켓 엔진 노즐의 표면 코팅 보호 등 항공기의 고온 부품에 널리 사용됩니다.

기타 애플리케이션

TaC는 절삭공구, 연마재, 전자재료, 촉매 분야에서도 폭넓은 활용 가능성을 갖고 있다. 예를 들어, 초경합금에 TaC를 첨가하면 입자 성장을 억제하고 경도를 높이며 수명을 향상시킬 수 있습니다. TaC는 우수한 전기 전도성을 갖고 있으며 구성에 따라 전도성이 달라지는 비화학양론적 화합물을 형성할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 TaC는 전자 재료 응용 분야에 유망한 후보가 되었습니다. TaC의 촉매 탈수소화와 관련하여 TiC와 TaC의 촉매 성능에 대한 연구에 따르면 TaC는 저온에서는 촉매 활성이 거의 나타나지 않지만 1000℃ 이상에서는 촉매 활성이 크게 증가하는 것으로 나타났습니다. CO의 촉매 성능에 대한 연구에 따르면 300℃에서 TaC의 촉매 생성물에는 메탄, 물 및 소량의 올레핀이 포함되는 것으로 나타났습니다.

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