질화규소는 현대 산업에서 특별한 특성과 응용 분야를 가진 탁월한 세라믹 소재입니다. 그중에서도 자동차 산업, 항공우주 공학, 베어링 제조, 전자, 생체 의학, 치과 임플란트 등에서 가장 큰 영향력을 발휘합니다.
Si3N4는 많은 장비와 기계를 이전보다 더 효율적이고 오래가게 만들었습니다.
이 글에서는 현대 산업에서 질화규소가 어떻게 활용되는지 알아보겠습니다. 자세히 살펴보겠습니다.
질화규소란 무엇인가?
질화규소(Si3N4)는 화학적으로 불활성이고 열역학적으로 안정하며, 고체이며 흰색을 띠는 비금속 세라믹 재료입니다. 약 1400°C의 질소 분위기에서 분말 형태의 실리콘을 화학 반응시켜 생성됩니다. 질화규소에서 일어나는 화학 반응은 다음과 같습니다.
3Si+ 2N2= Si3N4
다양한 종류의 질화규소 기반 소재가 각기 다른 용도로 사용됩니다. 각 소재는 서로 다른 특성과 성능을 가지고 있습니다. 다음은 주로 사용되는 Si3N4 소재의 몇 가지 형태입니다.
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RBSN(반응결합 실리콘 질화물)
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HPSN(열간압착 질화규소)
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SRBSN(소결 반응 결합 질화규소)
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SSN(소결 질화규소)
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PSSN(분압소결 질화규소)
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그리고 HIPSN(열간등압성형 질화규소).
주요 질화규소(Si3N4) 특성: Si3N4 세라믹 소자는 다양한 고성능 엔지니어링 및 산업 응용 분야에 적합한 뛰어난 특성을 가지고 있습니다. 질화규소의 주요 특성은 다음과 같습니다.
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약 3.21g/cm3의 낮은 밀도
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높은 기계적 강도
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약 7 MPam1/2의 높은 파괴인성
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569K 근처에서 높은 열충격 저항성
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우수한 열 안정성 및 내마모성
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낮은 열팽창 계수
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뛰어난 열충격 저항성
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좋은 산화 저항성
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그리고 파괴인성이 뛰어납니다.
현대 산업에서의 실리콘 질화물의 주요 용도:
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엔진 제조: 질화규소는 다양한 왕복 엔진, 스파크 점화 엔진, 자동차 엔진, 디젤 엔진 제조에 널리 사용됩니다.
또한 디젤 엔진 글로우 플러그, 예연소실(또는 소용돌이실), 터보차저, 스파크 점화 엔진 로커 암 패드, 배기가스 제어 밸브 등 다양한 엔진 부품도 이를 통해 만들어집니다.
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베어링 산업: 완전히 고밀도화된 질화규소 소재는 내마모성이 뛰어나고 매끄럽고 매우 단단하며 고온에서도 안정적입니다.
따라서 HPSN(열간압착 질화규소)은 베어링 생산에 일반적으로 사용됩니다. 이러한 고밀도 Si3N4는 무급유 볼 베어링과 롤러 베어링의 작동 성능을 향상시킵니다.
Si3N4 세라믹 베어링은 전기장, 자기장 또는 부식의 영향을 받지 않습니다. 이 베어링은 수명이 길고, 내부식성이 뛰어나며, 강철 베어링처럼 빠릅니다.
대부분의 Si3N4 베어링은 스틸 레이스와 세라믹 볼을 사용한 하이브리드 볼 베어링입니다. 이러한 하이브리드 베어링은 진공 펌프, 치과용 드릴, 공작기계 스핀들에 사용됩니다.
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항공우주 산업: 복합재나 금속과 같은 기존 소재는 오랫동안 항공기 제작에 사용되어 왔습니다. 이러한 소재는 극초음속 비행체의 극한 온도, 압력, 부식 환경에서 내구성이 떨어집니다.
이러한 이유로 첨단 항공우주 산업에서는 세라믹 실리콘 질화물과 같이 더욱 견고하고, 가볍고, 강도가 높고, 내식성과 내열성이 뛰어난 소재가 필요합니다.
항공기의 엔진, 추진기, 미사일 구성품, 연료 시스템, RF 창, 볼 베어링, 레이돔 제조에 필수적입니다.
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전자제품 제조: 질화규소 소재는 전자 및 마이크로전자 산업에서 폭넓게 활용됩니다. 주로 다양한 전자제품의 화학적 차단막 및 절연체로 사용됩니다.
Si3N4는 집적 회로(IC)와 고감도 전자 장치의 보호 패키징에 필수적인 요소입니다.
질화규소는 마이크로전자 소자에서 수동층 및 확산 장벽 역할을 합니다. 아날로그 칩의 커패시터에서는 전기 절연체로 사용됩니다.
질화규소는 광대역 특성을 가지고 있습니다. 따라서 광신호 처리, 생화학 및 생물의학 광학, 생체광학, 데이터 통신, 그리고 통신 분야에 응용될 수 있습니다.
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용접 산업: 질화규소는 전기 저항 용접 산업에서 용접 롤러 제작에 다양하게 사용되어 기존 강철을 대체합니다. 뛰어난 경도, 강도, 그리고 열충격 저항성 덕분에 이 산업에 필수적인 소재로 자리 잡았습니다.
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생물의학 산업: 질화규소는 생체적합성, 항균 특성, 화학적 살균성, 방사선 투과성, 경량성, 내마모성 및 내부식성, 기계적 강도 등의 특징으로 인해 생물의학적 용도에 이상적인 재료입니다.
질화규소는 생체적합성 덕분에 인체에 삽입 시 부작용이 없습니다. 바이오필름 형성 및 세균 증식에 대한 저항성이 뛰어나 임플란트 주변 감염을 예방합니다.
질화규소는 골전도성을 가지고 있어 뼈를 형성합니다. 따라서 치과, 정형외과 임플란트, 상처 치료 및 골절 고정 장치에 사용됩니다.
질화규소는 척추와 관절의 대체재로 사용됩니다. 뛰어난 기계적 강도 덕분에 높은 응력과 무거운 하중을 견딜 수 있습니다.
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바이오센서: 질화규소는 뛰어난 기계적, 전기적 특성으로 인해 바이오센서 산업에 적합한 소재로 자리 잡았습니다.
바이오센서 기술에 적용함으로써 광학 바이오센서의 감도, 안정성, 그리고 크기와 관련된 많은 문제를 해결했습니다. 또한, 생체 내 및 체외 진단의 효능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
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치과용: 미국 세라믹 협회는 질화규소를 항균 특성으로 인해 "살인적인 세라믹 재료"라고 칭했습니다. 이 물질은 구강 내에서 생성되는 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis) 박테리아를 억제합니다. 이 박테리아는 잇몸 질환의 원인입니다.
질화규소 치과용 부품은 화학적 안정성이 뛰어나 타액, 산 및 기타 화학물질에 의한 구강 환경의 분해를 방지합니다. 다른 물질과 반응하거나 부식되지 않아 수명이 오래갑니다.
Si3N4는 박테리아의 생물학적 구조를 파괴하고 세포의 분자, DNA, 단백질을 파괴합니다.
보철 크라운, 치과 임플란트, 그리고 근관 강화용 부품 제작에 사용됩니다. 질화규소로 제작된 치과용 크라운, 브릿지, 그리고 베니어는 실제 치아처럼 보입니다. 이러한 질화규소(Si3N4) 임플란트는 다른 치아와의 반복적인 마찰과 기계적 응력을 견딜 수 있습니다.
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향후 활용 가능성: 세라믹 실리콘은 다양한 산업 분야에서 다양한 가능성을 가지고 있습니다. 가장 유망한 분야는 첨단 항공우주 응용 분야, 원자력 에너지, 의료, 바이오 의학, 고전력 전자, 전기 자동차, 재생 에너지, 3D 프린팅입니다.
질화규소 소재에 대한 보다 광범위한 연구와 개발을 통해 그러한 활용이 머지않아 가능해질 것입니다.
자주 묻는 질문
Q1: CMOS 제조에서 질화규소의 용도는 무엇입니까?
실리콘 질화물은 CMOS(보완 금속 산화물 반도체) 제조에서 유전체층, 산화 방지층, 패시베이션층, 에칭 정지층, 응력 공학, 스페이서 및 하드 마스크로 사용됩니다.
Q2: 질화규소의 일함수는 무엇입니까?
물질의 일함수는 물질 표면에서 전자를 이동시키는 데 필요한 최소 에너지입니다. 질화규소의 일함수는 고정되어 있지 않으며 4.2eV에서 5.2eV 사이로 변합니다. 이는 제조 환경과 물질의 특성에 따라 달라집니다.
Q3: 질화물의 용도는 무엇입니까?
질화물 재료는 내화학성, 높은 경도, 열 안정성으로 인해 널리 사용됩니다.
이러한 질화물은 전자, 반도체, 연마재, 절삭 공구, 보호 코팅, 발광 소자, 항공우주 및 자동차 산업에 사용됩니다.
Q4: 질화규소의 밀도는 얼마입니까?
질화규소의 밀도는 3.17g/cm³(세제곱센티미터당 그램)입니다. 생산 공정에 따라 2.37~3.25g/cm³까지 달라질 수 있습니다. Si3N4의 밀도는 핵물리학을 포함한 여러 응용 분야에서 중요한 매개변수입니다.
결론: 자, 여러분, 이제 정리할 시간입니다! 다양한 분야에서 실리콘 질화물의 중요한 용도에 대해 논의했습니다. 이 글을 즐겁게 읽으시고 여러분의 직업 경력에 도움이 될 지식을 얻으셨기를 바랍니다.
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