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신기술 동향
제목 전기전도성 탄화규소 세라믹스 개발
학회명 한국세라믹학회 등록일 2012-08-23
이메일 ceramic@kcers.or.kr 조회수 5095

전기전도성 탄화규소 세라믹스 개발

김영욱 교수(서울시립대학교)

 

탄화규소(SiC)는 고강도, 내부식성 고열전도성을 갖고 있으며, 불순물 도핑을 통하여 넓은 범위의 전기전도성 변화를 나타낼 수 있는 반도체 성질도 가지고 있는 소재로서 고온구조재료뿐만 아니라 전력소자 및 반도체 소자의 기반 물질로서 다양한 분야에서 응용이 기대되는 물질이다. 서울시립대학교 김영욱 교수팀은 건국대학교 김광주 교수 및 인하대학교 조남희 교수와 공동연구를 통해서 고강도, 고열전도성을 갖는 반도체성 탄화규소 소재의 전기전도성을 획기적으로 높이는데 성공하였다. 탄화규소에서의 전기전도성 증대는 그동안 전 세계적으로 많은 연구들에 의해 진행되고 있음에도 불구하고 최근까지 괄목할 만한 연구 성과가 보고되지 않고 있는 실정이다. 본 연구에서는 탄화규소에 높은 농도의 질소(N) 도핑을 통하여 전기전도성을 획기적으로 향상시키는 방법을 개발하였는데, 이와 같은 탄화규소에 대한 질소 도핑은 그 동안 많은 시도가 있었으나 그리 성공적이지 못하였다. 본 연구에서는 이트륨나이트레이트(Y(NO3)3·4H2O)을 이용하면 탄화규소에 질소도핑이 효과적으로 이루어짐을 발견하였으며, 이트륨나이트레이트 중 도핑에 이용된 질소를 제외한 나머지 원소들은 Y2O3 상태로 탄화규소 결정립(grain)들 사이에 형성되는 기공들을 채워주게 된다. 이를 통하여 탄화규소의 전기전도도를 3×104 Ω-1m-1 수준으로 높이는데 성공하였으며, 이 값은 현재까지 보고된 값들 중 가장 높은 값이다. 또한, 개발된 탄화규소 소재는 130K 이하의 온도에서는 온도가 낮아짐에 따라 비저항이 낮아지는 전기적 도체와 같은 특성이 관찰되었고, 탄화규소 소재에서 이러한 반도체-도체 전이 현상은 처음 발견된 것이다. 이와 같은 성질은 주로 규소(Si)를 소재로 하여 제작되는 기존의 반도체 소자, 집적회로 등에서는 극복될 수 없는 저온 영역에서의 회로 동작 한계온도(~ -50oC)를 극저온(> -260oC)까지 이르게 할 수 있는 차세대 반도체 소자 개발을 위한 소재로서 탄화규소가 이용될 수 있음을 보여준다. 특히 극저온 상태의 우주공간에 노출되어도 무리 없이 동작할 수 있는 반도체 소자의 기반 물질이 될 수 있다. 또한, 이제 까지 탄화규소는 작은 전기전도성으로 인하여 방전가공(electrodischarge machining)이 불가능하여 다양한 형태로의 가공이 이루어질 수 없었으나 본 연구를 통하여 합성된 전기전도성 탄화규소 소재는 그림 2에서 볼 수 있듯이 다양한 형태로의 방전가공이 가능하여졌으며 이에 따르는 다양한 3차원 복잡형상의 고온구조재료용 부품 및 반도체공정 부품으로서 응용도 기대된다.

(Y.-W. Kim et al, “Electrodischarge-Machinable Silicon Carbide Ceramics Sintered with Yttrium Nitrate,” Journal of the American Ceramic Society, DOI: 10.1111/j.1551-2916.2011.04419.x (in press))

 

 *연락처: 서울시립대학교 신소재공학과 김영욱 

ywkim@uos.ac.kr

 

 

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