탄화 규소

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1. 개요

탄화 규소(SiC)는 규소와 탄소의 화합물로, 다양한 결정 구조를 가지며 여러 분야에서 활용되는 물질이다. 1849년 초기 연구를 시작으로, 1891년 에드워드 구드리치 에이치슨에 의해 대량 생산이 이루어졌다. 자연 상태에서는 모이사나이트라는 형태로 소량 발견되며, 대부분은 합성된다. 탄화 규소는 연마재, 구조 재료, 자동차 부품, 전자 시스템, 천문학, 세선 열측정법, 발열체, 열 차폐, 원자력 응용, 보석, 제강, 촉매 담체, 카보런덤 판화, 그래핀 생산, 양자 물리학, 낚싯대 가이드, 도자기 유약 등 광범위한 분야에서 사용된다.

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탄화 규소 - [화학 물질]에 관한 문서
기본 정보
실험실에서 성장시킨 합성 SiC 단결정 시료
화학식	SiC
몰 질량	40.096 g/mol
외형	노란색에서 녹색, 청흑색의 무지개색 결정
밀도	3.16 g/cm^-3 (육방정계)
용해도	물에 불용성, 용융 알칼리 및 용융 철에 용해
녹는점	2830 °C (분해)
전자 이동도	~900 cm²/(V⋅s) (모든 다형체)
굴절률	2.55 (적외선; 모든 다형체)
자기 감수율	−12.8 × 10⁻⁶ cm³/mol
IUPAC 명칭	메탄다이일리딘실란일륨
다른 이름	카보런덤 모이사나이트
CAS 등록번호	409-21-2
UNII	WXQ6E537EW
PubChem	9863
ChemSpider ID	9479
EINECS	206-991-8
MeSH 이름	탄화규소
ChEBI	29390
RTECS	VW0450000
SMILES	[C-]#[Si+]
표준 InChI	1S/CSi/c1-2
표준 InChIKey	HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N
Gmelin	13642
위험성
GHS 신호어	위험
NFPA-H	1
NFPA-F	0
NFPA-R	0
PEL	TWA 15 mg/m³ (총 분진), TWA 5 mg/m³ (호흡성 분진)
IDLH	해당 없음
REL	TWA 10 mg/m³ (총 분진), TWA 5 mg/m³ (호흡성 분진)
추가 정보



로마자 표기법 (영어)	silicon carbide
로마자 표기법 (모이사나이트)	Moissanite

2. 역사

탄화 규소(SiC) 합성에 대한 초기 연구는 체계적이지 않았다. 1849년 세자르-망수에 데프레가 모래에 묻힌 탄소 막대에 전류를 통과시키는 실험을 한 것을 포함하여 여러 연구가 진행되었다.^[9]

연도	연구자	방법
1849년	세자르-망수에 데프레	모래에 묻힌 탄소 막대에 전류를 통과시킴.
1881년	로버트 시드니 마스든	흑연 도가니에서 용융된 은에 실리카를 용해시킴.
1881년	폴 슈첸베르거	흑연 도가니에서 실리콘과 실리카의 혼합물을 가열함.
1882년	알베르 콜슨	에틸렌 기류 하에서 실리콘을 가열함.^[9]

에드워드 구드리치 에이치슨은 1891년에 인조 다이아몬드를 만들려다가 탄화 규소 대량 생산 방법을 발견했다.^[10] 그는 철 그릇에 점토(알루미늄 규산염)와 분말 코크(탄소) 혼합물을 가열했고, 그 결과 생성된 청색 결정을 강옥과 유사한 탄소와 알루미늄의 새로운 화합물이라고 생각하여 ''카보런덤''이라고 명명했다. 에이치슨은 1893년 2월 28일 탄화규소 분말 제조 방법에 대한 특허를 받았다.^[11] 그는 또한 오늘날까지도 SiC를 제조하는 데 사용되는 전기 배치 용광로를 개발했고, 처음에는 연마제로 사용하기 위해 대량의 SiC를 생산하는 카보런덤 회사를 설립했다.^[12]

탄화규소의 최초 용도는 연마제였고, 이후 전자 응용 분야가 뒤따랐다. 20세기 초, 탄화규소는 최초의 라디오에서 검출기로 사용되었다.^[14] 1907년 헨리 조셉 라운드는 탄화규소 결정에 전압을 가하여 음극에서 황색, 녹색, 주황색 발광을 관찰함으로써 최초의 LED를 제작했다.

일본에서는 가고시마현의 야쿠시마에서 야쿠시마전공이 탄화규소 생산을 하고 있다.

2. 1. 초기 연구

탄화 규소 합성에 대한 초기 연구는 체계적이지 않고, 덜 알려져 있었으며, 종종 검증되지 않은 방법들이 사용되었다. 이러한 초기 연구 방법에는 다음이 포함된다.

연도	연구자	방법
1849년	세자르-망수에 데프레	모래에 묻힌 탄소 막대에 전류를 통과시킴.
1881년	로버트 시드니 마스든	흑연 도가니에서 용융된 은에 실리카를 용해시킴.
1881년	폴 슈첸베르거	흑연 도가니에서 실리콘과 실리카의 혼합물을 가열함.
1882년	알베르 콜슨	에틸렌 기류 하에서 실리콘을 가열함.^[9]

2. 2. 대량 생산

에드워드 구드리치 에이치슨은 인조 다이아몬드를 제조하려는 과정에서 1891년에 탄화 규소 대량 생산 방법을 발견했다.^[10] 그는 철 그릇에 점토(알루미늄 규산염)와 분말 코크(탄소) 혼합물을 가열했고, 그 결과 생성된 청색 결정을 강옥과 유사한 탄소와 알루미늄의 새로운 화합물이라고 생각하여 ''카보런덤''이라고 명명했다.

에이치슨은 1893년 2월 28일 탄화규소 분말 제조 방법에 대한 특허를 받았다.^[11] 그는 또한 오늘날까지도 SiC를 제조하는 데 사용되는 전기 배치 용광로를 개발했고, 처음에는 연마제로 사용하기 위해 대량의 SiC를 생산하는 카보런덤 회사를 설립했다.^[12]

제조로는 10m 이상의 길이를 가지는 대형 용광로가 사용된다. 로의 좌우 양 끝에는 흑연 전극이 배치되고, 전극 사이에는 흑연 분말이 배치되며, 흑연 분말의 위와 아래에는 규석, 코크스 등의 원료가 배치된다. 전극에 전압을 인가하면 흑연 분말이 발열하여 주변의 원료를 가열한다. 1500°C를 넘으면 미세한 3C가 생성되기 시작하고, 온도가 상승함에 따라 3C는 사라지고 4H, 6H, 15R 등이 발달하지만, 2200°C 이상에서 이들은 분해되어 흑연 분말을 남긴다. 반응은 SiO₂+3C→SiC+2CO로 요약된다.

전압 인가 후 로의 가로 단면을 보면, 동심원 중앙부의 흑연 분말은 SiC가 분해된 만큼 두꺼워지고, 그 외측에는 어묵 모양의 SiC 덩어리가 생성된다. 그 외측은 온도가 1500°C 정도밖에 상승하지 않은 3C의 얇은 층이며, 그 바깥쪽은 반응하지 않은 원료로 채워진다. 미반응물은 다음 조업의 원료에 섞는다. SiC 덩어리는 중심에서 외측으로 방사상으로 발달한 결정립의 집합체로, 통기성이 풍부하다.

SiC 제조 공정은 다음과 같다. 먼저, 로에 원료와 흑연 분말을 넣고, 전기를 통하게 하여 가열한다. 이후, 로를 멈추고 식힌 후 SiC 덩어리를 꺼낸다. 각 공정은 수일씩 소요된다. 탄화규소 제조에는 다량의 전력이 필요하므로, 저렴한 전력을 얻을 수 있는 곳에서 생산이 이루어지는 경우가 많다. 제품 덩어리에서 불순물을 제거하고, 분쇄하여 다시 불순물을 제거하고, 입도별로 체질하여 제품화한다.

탄화규소의 최초 용도는 연마제였고, 이후 전자 응용 분야가 뒤따랐다. 20세기 초, 탄화규소는 최초의 라디오에서 검출기로 사용되었다.^[14] 1907년 헨리 조셉 라운드는 탄화규소 결정에 전압을 가하여 음극에서 황색, 녹색, 주황색 발광을 관찰함으로써 최초의 LED를 제작했다.

일본에서는 가고시마현의 야쿠시마에서 야쿠시마전공이 탄화규소 생산을 하고 있다. 야쿠시마전공은 야쿠시마의 풍부한 수량을 활용하여 자체적으로 수력발전을 하고 있으며, 대량의 전력을 자체적으로 충당할 수 있다.

3. 자연 발생

천연 모이사나이트는 특정 유형의 운석, 강옥 광상 및 킴벌라이트에서 아주 소량만 발견된다. 전 세계적으로 판매되는 탄화규소(모이사나이트 보석을 포함)는 거의 모두 합성된 것이다.

천연 모이사나이트는 1893년에 아리조나의 캐니언 디아블로 운석에서 소량으로 처음 발견되었으며, 1905년에 이 물질을 발견한 페르디낭 앙리 무아상의 이름을 따 명명되었다.^[6] 무아상의 천연 SiC 발견은 당시 이미 시장에 나와 있던 탄화규소 톱날에 의해 시료가 오염되었을 가능성 때문에 처음에는 논란이 되었다.^[7]

지구에서는 희귀하지만, 탄화규소는 우주에서는 매우 흔하다. 별먼지의 일반적인 형태이며, 탄소가 풍부한 별 주위에서 발견된다. 이러한 별먼지의 예는 원시 (변형되지 않은) 운석에서 원래 상태로 발견되었다. 우주와 운석에서 발견되는 탄화규소는 거의 전적으로 베타 다형체이다. 머치슨 운석(탄소질 콘드라이트 운석)에서 발견된 SiC 입자 분석 결과, 탄소와 규소의 동위원소 비율에 이상이 있는 것으로 나타났으며, 이는 이러한 입자가 태양계 외부에서 기원했음을 시사한다.^[8]

4. 생산 방법

탄화 규소는 자연 상태에서는 매우 드물기 때문에 대부분 인공적으로 합성된다. 탄화 규소는 연마재, 반도체, 보석용 다이아몬드 모조품 등으로 사용된다. 탄화 규소는 아체슨법 외에도 렐리 공정 등 다양한 방법으로 생산된다.

4. 1. 에이치슨 공법

에드워드 구드리치 에이치슨은 인조 다이아몬드를 제조하려던 중, 철 그릇에 점토(알루미늄 규산염)와 분말 코크(탄소) 혼합물을 가열했다. 그는 생성된 청색 결정을 강옥과 유사한 탄소와 알루미늄의 새로운 화합물로 생각하여 ''카보런덤''이라고 명명했다.^[10] 에이치슨은 1893년 2월 28일 탄화규소 분말 제조 방법에 대한 특허를 받았다.^[11]

에이치슨은 오늘날까지도 SiC 제조에 사용되는 전기 배치 용광로를 개발하고, 카보런덤 회사를 설립하여 처음에는 연마제로 사용하기 위한 SiC를 대량 생산했다.^[12]

그림의 왼쪽은 로의 세로 단면으로, 길이는 10m 이상이다. 좌우 양 끝의 검은 부분은 흑연 전극이며, 이들을 연결하는 검은 얼룩은 흑연 분말이고, 그 상하에는 규석, 코크스 등의 원료가 있다. 전극에 전압을 가하면 흑연 분말이 발열하여 주변 원료를 가열한다. 1500°C를 넘으면 미세한 3C가 생성되기 시작하고, 온도가 상승함에 따라 3C는 사라지고 4H, 6H, 15R 등이 발달하지만, 2200°C 이상에서는 이들이 분해되어 흑연 분말을 남긴다. 반응은 SiO₂+3C→SiC+2CO로 요약할 수 있다.

전압 차단 후의 가로 단면은 그림의 오른쪽과 같다. 동심원 중앙부의 흑연 분말은 SiC가 분해된 만큼 두꺼워지고, 그 외측에는 빗금 친 SiC 덩어리가 어묵 모양으로 생성된다. 그 외측은 1500°C 정도밖에 상승하지 않은 3C의 얇은 층이며, 그 바깥쪽은 반응하지 않은 원료이다. 미반응물은 다음 조업의 원료에 섞는다. SiC 덩어리는 중심에서 외측으로 방사상으로 발달한 결정립의 집합체로, 통기성이 풍부하다.

로에 원료와 흑연 분말을 넣고, 통전한 후, 멈추고 식혀서 SiC 덩어리를 꺼낸다. 각 공정에는 수일이 소요된다. 탄화규소 제조에는 다량의 전력이 필요하므로, 저렴한 전력을 얻을 수 있는 곳에서 이루어지는 경우가 많다.

제품 덩어리에서 불순물을 제거하고 분쇄한 후, 다시 불순물을 제거하고 입도별로 체질하여 제품화한다.

일본에서는 가고시마현 야쿠시마에서 야쿠시마전공(屋久島電工)이 유일하게 탄화규소를 생산한다. 야쿠시마전공은 야쿠시마의 풍부한 수량을 활용하여 자체 수력발전을 통해 대량의 전력을 자체적으로 충당한다.

4. 2. 기타 방법

천연 육방정계 탄화규소(moissanite)는 매우 희귀하여 대부분 합성된다. 탄화규소 제조의 가장 간단한 방법은 실리카 모래와 탄소를 아체슨 흑연 전기 저항로에서 1600°C~2500°C의 고온으로 결합하는 것이다. 식물성 재료(예: 쌀겨)의 미세한 SiO₂ 입자는 유기물의 과잉 탄소에서 가열하여 SiC로 전환될 수 있다.^[16] 실리콘 금속과 페로실리콘 합금 생산의 부산물인 실리카 흄도 1500°C에서 흑연과 가열하여 SiC로 전환할 수 있다.^[17]

아체슨로에서 생성된 물질의 순도는 흑연 저항체 발열체로부터의 거리에 따라 다르다. 무색, 연황색 및 녹색 결정은 순도가 가장 높으며 저항체에 가장 가깝게 발견된다. 저항체로부터의 거리가 멀어질수록 색깔이 파란색과 검은색으로 변하며 이러한 어두운 색의 결정은 순도가 낮다. 질소와 알루미늄은 일반적인 불순물이며, 이들은 SiC의 전기 전도도에 영향을 미친다.^[21]

고순도 탄화규소는 렐리 공정^[18]을 통해 제조할 수 있다. 이 공정에서는 SiC 분말이 2500°C의 아르곤 가스 환경에서 실리콘, 탄소, 이탄화규소(SiC₂), 이규소탄화물(Si₂C)의 고온 종으로 승화되어 약간 더 차가운 기판에 최대 2 × 2cm 크기의 플레이크 모양 단결정으로 재증착된다.^[19] 이 공정은 주로 6H-SiC 상(높은 성장 온도 때문에)의 고품질 단결정을 생성한다.

흑연 도가니에서 유도 가열을 포함하는 개량된 렐리 공정은 직경 4인치(10cm)의 더 큰 단결정을 생성하며, 이는 기존 렐리 공정에 비해 81배 더 큰 단면적을 갖는다.^[20]

입방정계 SiC는 일반적으로 실란, 수소 및 질소의 화학 기상 증착(CVD)이라는 더 비싼 공정으로 성장한다.^[21]^[22] 동질 및 이종 에피택셜 SiC 층은 기체 및 액체 상 접근 방식을 모두 사용하여 성장시킬 수 있다.^[23]

복잡한 모양의 SiC를 형성하기 위해, 세라믹 제품을 1000°C~1100°C 범위의 온도에서 열분해를 통해 형성하는 전세라믹 고분자가 전구체로 사용될 수 있다.^[24] 이러한 방식으로 탄화규소를 얻기 위한 전구체 재료에는 폴리카보실란, 폴리(메틸실린) 및 폴리실라잔이 포함된다.^[25] 전세라믹 고분자의 열분해를 통해 얻어진 탄화규소 재료는 고분자 유래 세라믹(PDC)으로 알려져 있다. 전세라믹 고분자의 열분해는 대부분 비활성 분위기에서 비교적 낮은 온도에서 수행된다. CVD 공정과 비교하여 열분해 방법은 고분자를 세라믹으로 열처리하기 전에 다양한 모양으로 성형할 수 있다는 장점이 있다.^[26]^[27]^[28]^[29]

SiC는 또한 다이아몬드 와이어 톱이나 레이저를 사용하여 단결정을 절단하여 웨이퍼로 만들 수 있다. SiC는 전력 전자 장치에 사용되는 유용한 반도체이다.^[30]

5. 결정 구조 및 다형체

탄화규소는 약 250가지의 결정 형태로 존재한다.^[31] 세라믹 전구체 고분자로부터 유리질 비정질 형태의 탄화규소도 생성된다.^[32] SiC의 다형성은 다형체라고 불리는 유사한 결정 구조의 큰 군으로 특징지어진다. 이들은 2차원에서는 동일하고 3차원에서만 다른 동일한 화합물의 변형이다. 따라서 이들은 특정 순서로 쌓인 층으로 볼 수 있다.^[33]

알파 탄화규소(α-SiC)는 가장 흔하게 발견되는 다형체이며, 1,700 °C 이상의 온도에서 형성되고 육방정계 결정 구조( 섬아연석과 유사)를 갖는다. 베타 변형(β-SiC)은 섬아연석 결정 구조( 다이아몬드와 유사)를 가지며 1,700 °C 미만의 온도에서 형성된다.^[39]

주요 SiC 다형체의 특성^[34]^[26]
다형체	3C (β)	4H	6H (α)
결정 구조	섬아연석 (입방)	육방정계	육방정계
공간군	T²_d-F3m	C⁴_6v-P6₃mc	C⁴_6v-P6₃mc
피어슨 기호	cF8	hP8	hP12
격자 상수 (Å)	4.3596	3.0730; 10.053	3.0810; 15.12
밀도 (g/cm³)	3.21	3.21	3.21
밴드갭 (eV)	2.36	3.23	3.05
체적 탄성률 (GPa)	250	220	220
열전도율 (W⋅m⁻¹⋅K⁻¹) @300 K (온도 의존성에 대해서는 ^[35]^[36] 참조)	320	348	325
열팽창계수 (10⁻⁶ K⁻¹) @300 K (온도 의존성에 대해서는 ^[38] 참조)	--	2.28 (⊥ c); 2.49 (∥ c)	2.25

Si와 C는 주기율표에서 같은 14족에 속하기 때문에 기본적으로 공유결합성이지만, 전기음성도의 차이에 따라 이온성을 띠므로, 1:1의 정비 화합물로서 안정적으로 존재한다. 결정 구조는 아래의 그림 1과 같다.

그림 왼쪽의 정삼각형에 홈을 내어 접어 올리고, 맞닿는 모서리를 붙이면 정삼각형 네 개를 면으로 하는 정사면체를 만들 수 있다. 그 네 꼭짓점에 Si 원자 또는 C 원자, 그리고 무게중심 위치에 C 원자 또는 Si 원자를 배치한 정사면체로부터 탄화규소의 결정을 조립할 수 있다. 탄화규소의 다이아몬드와 실리콘의 중간적인 성질은 이 구조 때문이다.

그 정사면체들을 밀집하여 평면 위에 배열하면 그림 오른쪽의 그물 모양이 되고, 정삼각형의 중앙에서 120° 간격의 세 다리를 가진 검은 원이 정사면체의 꼭짓점 원자들이며, 그 외의 검은 원이 정사면체의 밑면 원자들이다. 정사면체로 채워진 층 하나가 만들어졌다. 그 1층 위에 놓이는 2층의 정사면체는 1층의 꼭짓점들, 즉 세 다리 달린 검은 원을 발판으로 배열하게 된다. 그 경우, 그림 오른쪽 끝에 사선을 친 (<)과 (>)의 두 가지 배열 방법이 있으며, 이 (<) 또는 (>)가 탄화규소에 많은 결정 다형(polytype)을 만드는 원인이 된다. '''1층은 (<) 방향으로 그려져 있다.'''

사선이 있는 정삼각형의 (<) 또는 (>) 중 어느 하나로 2층을 배열해 간다. 2층의 꼭짓점은 사선이 있는 정삼각형의 중앙, 즉 그림에서 "<" 기호 또는 ">" 기호로 둘러싸인 흰 원이 되고, 그곳이 3층을 쌓는 발판이 된다. 이하 마찬가지이다.

1층의 밑면 → 1층의 꼭짓점(겸 2층의 밑면) → 2층의 꼭짓점(겸 3층의 밑면)으로 원자를 따라가면, (<)로 쌓는 경우는 일정하게 오른쪽 위로, (>)로 쌓는 경우는 오른쪽 위였다가 왼쪽 위로 꺾인다. 그리고 그림의 ">" 기호로 둘러싸인 흰 원 바로 아래에는 1층 밑면의 원자가 있다. 즉, (<) 방향의 1층에 (>) 방향의 2층을 겹치고, 그 위에 다시 (<) 방향의 3층을 쌓는 식으로 (<)(>)(<)(>)(<)(>)로 쌓으면, 원자는 지그재그를 그리며 올라가고, 2층이 한 주기가 된다. 이 결정은 육방정계(hexagonal) 대칭을 가지므로 2H로 표기하고, 또 (<)가 하나, (>)가 하나이므로, 지그재그를 11로 쓴다. 다음에, (<)(<)(<)(<)로 쌓으면 3층이 한 주기가 되고, 입방정계(cubic) 대칭을 가지므로 3C로 표기한다.

수십 종류 있는 탄화규소 다형 중 반복 주기가 작은 것들의 일부를 아래의 표 1에 나타낸다.

표 탄화규소 결정 다형의 예
기호	결정계	지그재그	유사체
2H	육방정계	11	우르츠석형 질화붕소
3C	입방정계		다이아몬드, 입방정계 질화붕소
4H	육방정계	22
6H	육방정계	33
8H	육방정계	44
10H	육방정계	55
15R	능면체정계	(32)3

3C가 입방정계인 것은 그림 1의 그물 모양을 입방정계의 (111)면으로 보면 이해할 수 있다. (0,0,0)과 (1/4,1/4,1/4)를 원점으로 하여 겹치는 두 개의 면심입방격자로 생각해도 좋다. Si의 면심입방과 C의 면심입방의 조합이다. 15R의 지그재그 (32)3은 (<)(<)(<)(>)(>)를 세 번 반복하여 한 주기로 읽는다. R은 여섯 개의 마름모꼴로 둘러싸인 능면체정계(rhombohedral) 대칭을 가지고 있다는 의미이다. 마찬가지로 그림 1을 (111)면으로 보면 된다. 정육면체를 잡아 당기면 마름모꼴이 된다. 이 대칭을 가지는 것은 주기의 수가 15, 21, 27 등 홀수의 3의 배수인 경우이다.

다형의 종류는 많지만, 같은 결정층을 쌓을 때 (<) 또는 (>)의 방향 차이에 의해서만 결정되며, 따라서 인접한 Si-C 원자 간 거리는 다형에 관계없이, 밀도도 모든 다형에서 같다. 또한 다음 항의 공업적 제조법으로 생산되는 탄화규소 중 다형은 4H, 6H, 15R이 압도적으로 많다. 그리고 결정입자의 강도 정도가 그 세 종류 사이에서 다르다는 증거는 없다.

6. 물리적, 화학적 특성

탄화규소는 약 250가지의 결정 형태로 존재한다.^[31] 비활성 대기 열분해를 통해 세라믹 전구체 고분자로부터 유리질 비정질 형태의 탄화규소도 생성된다.^[32] SiC의 다형성은 다형체라고 불리는 유사한 결정 구조의 큰 군으로 특징지어진다. 이들은 2차원에서는 동일하고 3차원에서만 다른 동일한 화합물의 변형이다. 따라서 이들은 특정 순서로 쌓인 층으로 볼 수 있다.^[33]

알파 탄화규소(α-SiC)는 가장 흔하게 발견되는 다형체이며, 1,700 °C 이상의 온도에서 형성되고 육방정계 결정 구조(섬아연석과 유사)를 갖는다. 베타 변형(β-SiC)은 섬아연석 결정 구조(다이아몬드와 유사)를 가지며 1,700 °C 미만의 온도에서 형성된다.^[39] 최근까지 베타 형태는 상대적으로 상업적 용도가 적었지만, 알파 형태에 비해 표면적이 더 크기 때문에 불균일 촉매의 지지체로서의 사용에 대한 관심이 증가하고 있다.

주요 SiC 다형체의 특성^[34]^[26]
다형체	3C (β)	4H	6H (α)
결정 구조	섬아연석 (입방)	육방정계	육방정계
공간군	T²_d-F3m	C⁴_6v-P6₃mc	C⁴_6v-P6₃mc
피어슨 기호	cF8	hP8	hP12
격자 상수 (Å)	4.3596	3.0730; 10.053	3.0810; 15.12
밀도 (g/cm³)	3.21	3.21	3.21
밴드갭 (eV)	2.36	3.23	3.05
체적 탄성률 (GPa)	250	220	220
열전도율 (W⋅m⁻¹⋅K⁻¹) @300 K (온도 의존성에 대해서는 ^[35]^[36] 참조)	320W⋅m-1⋅K-1	348W⋅m-1⋅K-1	325W⋅m-1⋅K-1
열팽창계수 (10⁻⁶ K⁻¹) @300 K (온도 의존성에 대해서는 ^[38] 참조)		2.28 (⊥ c); 2.49 (∥ c)	2.25

순수 SiC는 무색이다. 산업용 제품의 갈색에서 검은색은 철 불순물 때문이다.^[37] 결정의 무지개 같은 광택은 표면에 형성되는 실리콘 이산화물의 수동화 층의 박막 간섭 때문이다.

SiC의 높은 승화 온도(약 2,700 °C)는 베어링 및 용광로 부품에 유용하게 만든다. 탄화규소는 녹지 않지만 흑연과 마찬가지로 약 2,700 °C 부근에서 승화하기 시작하며 그 온도 부근에서 상당한 증기압을 갖는다. 또한 SiO₂의 얇은 수동화 층 형성으로 인해 화학적으로 매우 불활성이다. 현재 전자공학 분야에서 반도체 재료로서의 사용에 대한 관심이 높은데, 높은 열전도율, 높은 전기장 항복 강도 및 높은 최대 전류 밀도는 고출력 장치에 있어 실리콘보다 더 유망하게 만든다.^[58] SiC는 약 300K 근처에서 약 2.3 × 10⁻⁶ K⁻¹의 매우 낮은 열팽창 계수를 가지며 (4H 및 6H SiC의 경우), 5K에서 340K의 온도 범위에서 열팽창 계수의 불연속을 유발하는 상전이가 발생하지 않는다.^[21]^[38]

탄화규소는 반도체이며, 질소 또는 인으로 n형 도핑을, 베릴륨, 붕소, 알루미늄 또는 갈륨으로 p형 도핑을 할 수 있다.^[34] 붕소, 알루미늄 또는 질소를 다량 도핑하여 금속성 전도도를 달성하였다.

초전도성은 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B 및 6H-SiC:B에서 유사한 온도 ~1.5 K에서 감지되었다.^[39]^[40] 그러나 알루미늄 도핑과 붕소 도핑 사이의 자기장 거동에는 중요한 차이가 관찰된다. 3C-SiC:Al은 제2종 초전도체이다. 반대로 3C-SiC:B는 제1종 초전도체이며, 6H-SiC:B도 마찬가지이다. 따라서 초전도 특성은 다형체(3C- 대 6H-)보다 도펀트(B 대 Al)에 더 의존하는 것으로 보인다. 이러한 의존성을 설명하기 위한 시도에서, B는 SiC에서 C 자리에 치환되지만 Al은 Si 자리에 치환된다는 점에 주목하였다. 따라서 Al과 B는 두 다형체 모두에서 서로 다른 환경을 "본다".^[41]

Si와 C는 모두 주기율표에서 같은 14족에 속하기 때문에 기본적으로 공유결합성이지만, 전기음성도의 차이에 따라 이온성을 띠므로, 1:1의 정비 화합물로서 안정적으로 존재한다.

정사면체 구조에서 탄화규소의 결정을 조립할 수 있다. 다이아몬드는 꼭짓점과 무게중심 위치 모두 C이고, 실리콘은 모두 Si이며, 고압 질화붕소는 B와 N이다. 탄화규소의 다이아몬드와 실리콘의 중간적인 성질은 이 구조 때문이다.

탄화규소의 다형 중 반복 주기가 작은 것들의 일부는 다음과 같다.

탄화규소 결정 다형의 예
기호	결정계	지그재그	유사체
2H	육방정계	11	우르츠석형 질화붕소
3C	입방정계		다이아몬드, 입방정계 질화붕소
4H	육방정계	22
6H	육방정계	33
8H	육방정계	44
10H	육방정계	55
15R	능면체정계	(32)3

다형의 종류는 많지만, 같은 결정층을 쌓을 때 (<) 또는 (>)의 방향 차이에 의해서만 결정되며, 따라서 인접한 Si-C 원자 간 거리는 다형에 관계없이, 밀도도 모든 다형에서 같다. 또한 4H, 6H, 15R 다형이 가장 많이 생산된다.

C, SiC, Si 특성 비교
특성	단위	다이아몬드	탄화규소	실리콘
원자간 거리	nm	0.154	0.188	0.235
밀도	g/cm³	3.513	3.217	2.330
열전도율	W/[m･K]	600~2000	100~350	168
누프 경도	kgf/mm²	7000~8000	2500~3200

탄소 원자보다 실리콘 원자의 크기가 크기 때문에 C < SiC < Si 순으로 원자간 거리가 길어지고, 열전도율은 작아지며, 경도는 낮아진다. 탄화규소의 가장 큰 특징은 경도이다. 활석을 1, 다이아몬드를 15로 하는 수정 모스 경도에서 탄화규소는 13이다.

순수한 탄화규소는 무색 투명하지만, 산업적으로 생산된 탄화규소는 녹색에서 검은색을 띤다. 제조 환경이 깨끗할수록 색이 옅어지는 경향이 있다. 녹색 또는 검은색을 띠는 것은 질소, 알루미늄과 같은 III족, V족 원소의 원자가 결정 격자에 들어가 불순물 준위를 형성하기 때문이다. 따라서 결정의 전기 저항은 색이 옅을수록 훨씬 높아진다.

탄화규소는 800℃ 이상의 대기 중에서 산화되지만, 표면에 생성되는 SiO₂가 산화를 늦추는 보호 피막이 된다. 액체 상태로 존재하지 않으며, 2545℃에서 승화한다.

불화수소, 황산, 질산의 혼합액에는 약간 녹는다. 특정 용융염과 용융철에는 녹는다.

7. 응용 분야

탄화 규소는 높은 경도, 내열성, 내마모성 등의 특성으로 인해 다양한 산업 분야에서 널리 사용된다. 주요 응용 분야는 다음과 같다.

연마재: 탄화 규소는 경도가 높고 날카로워 연마 가공에 널리 사용된다. 사포, 스케이트보드 그립 테이프, 금석 세공용 연마재 등에 사용된다.^[42]
내화물: 높은 내열성을 가진 탄화 규소는 내화 벽돌의 원료로 사용된다.
주철 첨가제: 주철 제조 시 탄화 규소를 첨가하여 품질을 향상시킨다.
낚싯대 가이드: 고급 낚싯대(릴 낚싯대)의 가이드(낚싯줄을 통과시키는 고리)에 사용되어 마찰을 줄이고 내구성을 높인다.^[98]
산악 철도 브레이크 슈: 산악 철도 차량의 비상 브레이크용 슈에 사용된다.
기타: 숏 블라스트 투사재, 실린더 블록 내면 도금 재료 등으로도 활용된다.

7. 1. 연마재 및 절삭 공구

제조업에서 탄화 규소(SiC)는 연마, 호닝, 워터젯 절단, 샌드블라스팅과 같은 연마 가공 공정에 사용된다. SiC는 산화알루미늄에 비해 샌드블라스팅에 훨씬 더 날카롭고 단단한 대안을 제공한다. 탄화 규소 입자는 종이에 적층되어 사포를 만들고, 스케이트보드의 그립 테이프에도 사용된다.^[42]

예술 분야에서는 탄화 규소가 내구성과 저렴한 비용 때문에 현대 금석 세공에서 인기 있는 연마재이다.

1982년에 산화알루미늄과 탄화 규소 섬유상 결정의 매우 강한 복합재가 발견되었다. 이 실험실에서 생산된 복합재의 상용 제품으로의 개발에는 3년밖에 걸리지 않았다. 1985년에 이 알루미나와 탄화 규소 섬유상 결정 강화 복합재로 만든 최초의 상용 절삭 공구가 시장에 출시되었다.^[43]

연마재, 내화벽돌의 원료, 주철에 대한 탄화 규소제, 고급 낚싯대(릴 낚싯대)의 가이드(낚싯줄을 통과시키는 고리), 산악 철도 차량의 비상 브레이크용 슈 등에 대량으로 사용된다. 주철용은 저순도품이다.

7. 2. 구조 재료

1980년대와 1990년대에 탄화규소는 유럽, 일본, 미국의 여러 연구 프로그램에서 고온 가스터빈 연구 대상이었다. 이 부품들은 니켈 초합금 터빈 블레이드 또는 노즐 베인을 대체하기 위한 것이었다.^[44] 그러나 이러한 프로젝트 중 어느 것도 양산으로 이어지지 않았는데, 주된 이유는 낮은 충격 저항과 낮은 파괴 인성 때문이었다.^[45]

다른 경질 세라믹(특히 알루미나와 붕소 탄화물)과 마찬가지로 탄화규소는 복합 방탄 장비(예: 초브험 장갑)와 방탄복의 세라믹 판에 사용된다. 피나클 아머(Pinnacle Armor)에서 생산한 드래곤 스킨은 탄화규소 디스크를 사용했다.^[46] SiC 방탄 장비의 향상된 파괴 인성은 비정상적인 결정 성장(AGG) 현상을 통해 가능해질 수 있다. 비정상적으로 긴 탄화규소 결정의 성장은 섬유 보강과 유사하게 균열-후면 브리징을 통해 강화 효과를 부여할 수 있다. 유사한 AGG 강화 효과는 질화규소(Si₃N₄)에서 보고되었다.^[47]

탄화규소는 세라믹 소성, 유리 용융 또는 유리 주조와 같이 고온로에서 지지대 및 선반 재료로 사용된다. SiC 로 선반은 기존의 알루미나 선반보다 훨씬 가볍고 내구성이 뛰어나다.^[48]

2015년 12월, 용융 마그네슘에 탄화규소 나노 입자를 주입하는 것이 항공, 우주항공, 자동차 및 마이크로 전자 분야에 사용하기에 적합한 새로운 강하고 가소성이 있는 합금을 생산하는 방법으로 언급되었다.^[49]

탄화규소는 연마재, 내화벽돌의 원료, 주철에 대한 탄화 규소제, 고급 낚싯대(릴 낚싯대)의 가이드(낚싯줄을 통과시키는 고리), 산악 철도 차량의 비상 브레이크용 슈 등에 대량으로 사용된다. 주철용은 저순도품이다. 파인 세라믹스, 엔지니어링 세라믹스로서의 용도 또한 확대되고 있다. 금형 프레스 성형, 정수압 성형, 사출 성형, 슬립 캐스팅 성형, 압출 성형 등의 성형법, 반응 소결, 상압 소결, 가압 소결, 재소결 등의 소결법이 행해지고 있다.

숏 블라스트(숏 피닝·샌드 블라스트)에서는 투사재로 이용된다.

알루미늄 합금에 의한 실린더 블록 일체 주조에서 소형·경량화를 위해 실린더 라이너를 생략하는 경우, 실린더 내면(피스톤 슬라이딩면)에 니켈 기재에 탄화규소(실리콘 카바이드)를 분산시킨 도금을 함으로써 내마모성과 열전도율이 향상된다.^[107]

7. 3. 자동차 부품

고성능 "세라믹" 브레이크 디스크에는 극한의 온도를 견딜 수 있도록 실리콘이 침투된 탄소-탄소 복합재가 사용된다. 실리콘은 탄소-탄소 복합재의 흑연과 반응하여 탄소섬유 강화 탄화규소(C/SiC)가 된다. 이러한 브레이크 디스크는 포르쉐 카레라 GT, 부가티 베이론, 쉐보레 콜벳 ZR1, 맥라렌 P1,^[50] 벤틀리, 페라리, 람보르기니 및 일부 고성능 아우디 차량을 포함한 일부 양산 스포츠카, 슈퍼카 및 기타 고성능 차량에 사용된다. 탄화규소는 소결된 형태로 디젤 미립자 필터에도 사용된다.^[51] 또한 마찰, 배출가스 및 고조파를 줄이기 위한 오일 첨가제로도 사용된다.^[52]^[53]

7. 4. 주조

탄화 규소(SiC)는 소규모 및 대규모 주조 작업에서 용융 금속을 담는 도가니에 사용된다.^[54]^[55] 또한, 주철용 탄화 규소제로도 대량으로 사용되며, 주철용은 저순도 제품이 사용된다.

7. 5. 전자 시스템 및 소자

탄화규소는 반도체이며, 질소나 인으로 n형 도핑을, 베릴륨, 붕소, 알루미늄, 갈륨으로 p형 도핑을 할 수 있다.^[34] 붕소, 알루미늄, 질소를 다량 도핑하여 금속성 전도도를 달성하기도 한다.

탄화규소는 초기에 전력 시스템의 피뢰기에서 서지 보호 장치로 사용되었다. 이 장치는 일정 전압까지 높은 저항을 유지하다가, 임계값을 넘으면 저항이 낮아져 전류를 접지로 흘려보내는 역할을 했다.^[56] 초기에는 탄화규소 펠릿 기둥을 송전선과 접지 사이에 연결하고, 스파크 갭을 직렬로 설치하여 낙뢰 전류를 접지로 유도했다. 그러나 스파크 갭의 신뢰성 문제로 인해, 탄화규소 기둥 자체가 스파크 갭을 대체하는 역할을 하게 되었다. 이후 갭이 있는 탄화규소 피뢰기는 산화아연 펠릿을 사용한 갭 없는 바리스터로 대부분 대체되었다.^[57]

1906년 헨리 해리슨 체이스 던우디가 수정 라디오 "카보런덤"(합성 탄화규소) 검파기 다이오드 특허를 획득하면서, 탄화규소는 상업적으로 중요한 반도체 물질로 떠올랐다. 이는 초기 선박 수신기 등에 널리 사용되었다.

1993년부터 탄화규소는 고속, 고온, 고전압 소자에 적합한 반도체로 주목받았다. 최초로 상용화된 것은 쇼트키 다이오드였으며, 이후 고전력 스위칭을 위한 접합 게이트 FET, MOSFET 등이 개발되었다. 바이폴라 트랜지스터와 싸이리스터도 개발되었다.^[58]

탄화규소 상용화의 주요 과제는 결정 내 결함 제거였다.^[59] 초기에는 불량한 역 차단 성능을 보였으나, 연구를 통해 개선이 이루어지고 있다.^[60] 또한 이산화규소와 탄화규소 계면 문제는 질화 처리를 통해 크게 개선되었다.^[61]

2008년 최초의 1,200V급 상용 JFET이 출시되었고,^[62] 2011년에는 최초의 1,200V급 상용 MOSFET이 출시되었다. 현재 JFET는 650V~1,700V 등급으로, 저항이 매우 낮은 제품도 출시되고 있다. SiC 스위치 및 SiC 쇼트키 다이오드(SBD) 외에도, 베어 칩을 전력 전자 모듈에 통합하는 추세이다. SiC SBD는 PFC 회로 및 IGBT 전력 모듈에 사용되며 점유율을 높여가고 있다.^[63]

SiC 전력 소자의 주요 과제는 다음과 같다.

게이트 구동: 실리콘 소자와 다른 게이트 구동 전압 레벨이 필요하다.^[64]
패키징: 실리콘보다 높은 전력 밀도와 고온을 견딜 수 있어, 새로운 다이 부착 기술이 요구된다.^[65]

테슬라 모델 3의 인버터에는 24쌍의 탄화규소 MOSFET 칩이 사용되어 크기와 무게 면에서 이점을 제공한다. 여러 자동차 제조사들이 전력 전자 장치에 탄화규소 통합을 계획하고 있으며, 2022년 울프스피드의 대규모 공장 가동으로 생산량이 크게 증가할 것으로 예상된다.^[66]^[67]

1907년 탄화규소를 이용한 전기발광 현상이 발견된 후, 초기 상용 LED에 활용되었다. 1970년대 소련에서 3C-SiC 황색 LED가 생산되었고,^[69] 1980년대에는 청색 LED(6H-SiC)가 생산되었다.^[70] 그러나 질화갈륨 LED의 등장으로 탄화규소 LED 생산은 중단되었다. 현재 탄화규소는 GaN 소자 성장용 기판 및 고출력 LED 방열판으로 사용된다.^[70]

탄화규소는 발열체, 애리스타, 바리스터 등 전기 소자 재료로 오랫동안 사용되었다. 밴드갭이 커 고온, 고선량 환경에 적합한 반도체 재료로 주목받아, 1980년대 이후 결정 성장 기술 발전과 함께 고속 쇼트키 배리어 다이오드, MOSFET 등에 활용되기 시작했다. 열전도율이 높아 다른 반도체의 기판 원료인 웨이퍼로도 사용된다.

기존 실리콘(규소) 반도체보다 비저항이 낮고, 200℃ 이상 고온 작동, 빠른 스위칭이 가능하다.^[101] 전기 자동차, 송배전 설비, 철도 등 인프라 시설과 가전제품의 인버터, 스위칭 전원 장치 효율 개선에 기여한다. 울프스피드(인피니언 테크놀로지스 자회사), 미쓰비시전기, 로옴 등이 전력 소자(전력용 반도체 소자)를 제조한다. 2017년 기준, 실리콘 소자보다 비싸지만 시판되고 있다.^[102]^[103] 일본에서는 2013년 에치젠 철도 MC7000계 전차를 시작으로 신차 및 기기 갱신 차량에 채용되고 있으며, 환경 대응 자동차용 인버터^[104] 및 동해 신칸센 차량(신칸센 N700S계 전차)용 SiC 하이브리드 모듈^[105] 등으로 활용이 확대되고 있다.

2022년 10월, 덴소는 전동차용 초소형, 고효율 SiC(sic-VVVF) 인버터 개발을 완료했으며, 전력 반도체 양산 효과로 원가 절감을 기대하고 있다.^[106]

7. 6. 천문학

낮은 열팽창 계수,^[38] 높은 경도, 강성 및 열전도율 덕분에 탄화규소는 천문학용 망원경 거울 재료로 적합하다. 화학 기상 증착법 기술이 발전하여 최대 3.5m 직경의 다결정 탄화규소 디스크를 생산할 수 있게 되었으며, 허셜 우주망원경과 같은 여러 망원경이 이미 SiC 광학계를 갖추고 있다.^[71]^[72] 또한 가이아 우주 관측소 우주선의 여러 부품은 열에 의해 팽창하거나 수축되지 않는 안정적인 구조를 제공하는 단단한 탄화규소 프레임에 장착되어 있다.

7. 7. 세선 열측정법

탄화 규소 섬유는 세선 열측정법이라고 하는 광학적 기법으로 기체 온도를 측정하는 데 사용된다. 이 기법은 뜨거운 기체 흐름에 가느다란 필라멘트를 배치하는 것을 포함한다. 필라멘트에서 방출되는 복사는 필라멘트 온도와 상관관계가 있다. 필라멘트는 직경이 15 마이크로미터인 탄화 규소 섬유로, 사람 머리카락의 약 5분의 1 정도이다. 섬유가 매우 가늘기 때문에 화염을 거의 방해하지 않으며 온도는 국부 기체 온도에 가깝게 유지된다. 약 800~2,500K의 온도를 측정할 수 있다.^[73]^[74]

7. 8. 발열체

탄화규소 발열체는 20세기 초 미국의 애치슨 카보런덤(Acheson's Carborundum)사와 베를린 EKL에서 생산되면서부터 알려지기 시작했다. 탄화규소는 금속 발열체보다 더 높은 작동 온도를 제공한다. 오늘날 탄화규소 발열체는 유리 및 비철금속 용융, 금속 열처리, 플로트 유리 생산, 세라믹 및 전자 부품 생산, 가스 히터의 점화장치 등에 사용된다.^[75]

7. 9. 열 차폐

미국 NASA(LOFTID, Low-Earth Orbit Flight Test of an Inflatable Decelerator) 팽창식 열 차폐막의 외부 열 보호층은 섬유 직경이 매우 작아 방적하여 실로 만들 수 있는 탄화 규소로 만들어진 직조 세라믹으로 구성되어 있다.^[76]

7. 10. 원자력 응용

SiC는 뛰어난 중성자 흡수 능력 때문에 원자로의 연료 피복재와 핵폐기물 방폐물 용기 재료로 사용된다.^[77] 또한, 원자력 시설의 방사선량 모니터링, 환경 모니터링 및 의료 영상을 위한 방사선 검출기 제작에도 사용된다.^[78] 향후 화성 원자력 발전과 신흥 지상형 소형 원자력 발전소를 위해 원자로 응용 분야를 위한 SiC 센서와 전자 장치가 개발 중이다.^[79]

탄화규소는 TRISO 코팅 연료 입자에서 중요한 재료이며, 고온 가스 냉각로와 같은 원자력 연료, 예를 들어 돌 침대형 원자로에서 발견되는 유형이다. 탄화규소 층은 코팅된 연료 입자에 구조적 지지대를 제공하며 핵분열 생성물 방출에 대한 주요 확산 장벽 역할을 한다.^[80]

탄화규소 복합재료는 경수로에서 지르칼로이 피복재를 대체할 재료로 연구되어 왔다. 지르칼로이는 물과의 부식 반응으로 인해 수소 취성을 경험하기 때문이다. 이는 방사상 수소화물의 체적 분율이 증가함에 따라 파괴 인성이 감소하는 결과를 초래한다. 이 현상은 온도가 높아짐에 따라 재료에 악영향을 미치면서 급격히 증가한다.^[81] 탄화규소 피복재는 이와 같은 기계적 열화를 경험하지 않고, 대신 온도가 높아짐에 따라 강도 특성을 유지한다. 이 복합재는 탄화규소 내층을 감싼 탄화규소 섬유로 구성되며 탄화규소 외층으로 둘러싸여 있다.^[82] 탄화규소 복합재 조각을 접합하는 능력에 대한 문제점이 보고되었다.^[83]

높은 내열성, 내구성, 열전도성으로 원자력 분야에서도 사용되고 있다. 미쓰비시중공업이 연구 중인 고온가스로의 연료 피복에 사용되며, 도시바가 연료 집합체 커버를 개발하였다.^[109] 동일본 대지진 이전부터 해외에서도 주목받았으며, 최근에는 국내에서 무로란공업대학^[110] 등에서 높은 융점과 경도를 응용하는 연구를 진행하고 있다.

융점이 매우 높고, 물과의 반응성이 낮아 수소를 생성하기 어려운 등 안전성 확보에 유용한 장점이 있지만, 안정적인 세라믹의 대량 생산이 어려워 제품화되지 못했다. 연구 개발을 통해 기술적 장벽을 돌파하고 미쓰비시중공업, 도시바 등에서 제품화의 전망이 보인다. 고온가스로 이외의 차세대 원자로에서도 내열성 및 내식성이 뛰어나 주요 재료로 채택하는 것을 검토하고 있다. 2020년대 전반부터 경수로에서 탄화규소 연료 피복 교체를 진행할 예정이다.^[111]

7. 11. 보석

보석으로 사용되는 탄화 규소는 광물 이름을 따서 "합성 모이사나이트" 또는 간단히 "모이사나이트"라고 불린다. 모이사나이트는 다이아몬드와 여러 면에서 유사하다. 투명하고 단단하며(모스 경도 9~9.5, 다이아몬드는 10), 굴절률은 2.65~2.69(다이아몬드는 2.42)로, 일반적인 입방정계 지르코니아보다 다소 더 단단하다. 다이아몬드와 달리 모이사나이트는 강한 복굴절을 나타낼 수 있어, 모이사나이트 보석은 복굴절 효과를 최소화하기 위해 결정의 광축을 따라 절단된다. 다이아몬드보다 가볍고(밀도 3.21 g/cm³ 대 3.53 g/cm³), 열에 훨씬 더 강해, 더 높은 광택, 더 날카로운 면, 우수한 탄성을 지닌다. 다이아몬드처럼 느슨한 모이사나이트 원석은 잃어버린 왁스 주조를 위해 왁스 링 금형에 직접 넣을 수 있다.^[84] 모이사나이트는 1800°C의 온도에서도 손상되지 않는다.

모이사나이트는 다이아몬드 대체물로 인기를 얻었으며, 열전도율이 다른 어떤 대체물보다 다이아몬드에 가깝기 때문에 다이아몬드로 오인될 수 있다. 많은 열 다이아몬드 검사 장치는 모이사나이트와 다이아몬드를 구별할 수 없지만, 이 보석은 복굴절과 자외선 아래에서 아주 약간의 녹색 또는 노란색 형광을 띠는 점에서 다릅니다. 일부 모이사나이트 원석에는 곡선형의 실과 같은 내포물이 있지만, 다이아몬드에는 결코 없다.^[85]

큰 알갱이의 것은 장식용 보석으로 사용되며, 심지어 “무아사이트 다이아몬드”라고 칭하며 다이아몬드의 일종인 것처럼 속여 고가에 판매하는 악질적인 사례도 있다. 보석급 합성 무아사이트 제작에는 고도의 기술이 필요하며, 의외로 가격이 높다. 얼마 전까지 미국 회사가 특허로 제작 기술을 독점하고 있었고, 중국 등이 그 뒤를 따랐다.

더 저렴한 가짜 다이아몬드인 지르코니아를 무아사이트로 팔아넘기는 사기가 국내외를 막론하고 흔히 있는 악질적인 사기 사례이다.

7. 12. 제강

제강에 사용되는 전로에 용해된 탄화 규소는 연료 역할을 한다. 추가적으로 발생하는 에너지는 동일한 용융금속의 충전량으로 더 많은 고철을 처리할 수 있게 한다. 또한 출탕 온도를 높이고 탄소와 규소 함량을 조절하는 데에도 사용될 수 있다. 탄화 규소는 페로실리콘과 탄소의 조합보다 저렴하며, 미량 원소의 함량이 낮아 더 깨끗한 강철을 생산하고 배출량을 줄이며, 가스 함량이 낮고 강철의 온도를 낮추지 않는다.^[86]

7. 13. 촉매 담체

탄화 규소는 산화에 대한 저항성이 뛰어나고, 표면적이 넓은 입방정계 β-SiC 형태를 합성하는 새로운 방법이 발견되면서 불균일 촉매 담체로 사용하는 데 많은 관심을 받고 있다. 이 형태는 이미 n-부탄과 같은 탄화수소를 말레산 무수물로 산화시키는 촉매 담체로 사용되어 왔다.^[87]^[88]

7. 14. 카보런덤 판화

탄화 규소는 콜라그라프 판화 기법의 하나인 카보런덤 판화에 사용된다. 탄화 규소 입자를 페이스트 형태로 알루미늄 판 표면에 바른다. 페이스트가 마르면 잉크를 바르고 입자 표면에 잉크를 가두었다가 판의 빈 부분은 닦아낸다. 그런 다음 잉크가 묻은 판을 조각판화에 사용되는 롤러식 프레스로 종이에 인쇄한다. 그 결과 종이에 엠보싱된 그림이 인쇄된다.

탄화 규소 입자는 석판 인쇄에도 사용된다. 균일한 입자 크기 덕분에 이전 이미지를 제거하기 위해 돌을 "거칠게" 하는 데 사용할 수 있다.^[89] 사포질과 유사한 과정에서, 더 거친 탄화 규소 입자를 돌에 바르고, 일반적으로 수직 축에 편심된 원형 판인 연마기로 작업한 다음 점차 더 미세한 입자를 적용하여 돌을 깨끗하게 한다. 이렇게 하면 기름에 민감한 표면이 만들어진다.^[89]

7. 15. 그래핀 생산

탄화 규소는 그 화학적 특성으로 인해 SiC 나노구조 표면에서 그래핀 생성을 촉진하기 때문에 그래핀 생산에 사용될 수 있다.

그래핀 생산에 있어 규소는 주로 그래핀을 성장시키기 위한 기판으로 사용된다. 하지만 실제로는 탄화규소 위에 그래핀을 성장시키는 데 사용할 수 있는 여러 가지 방법이 있다. 제한 제어 승화(CCS) 성장 방법은 흑연과 함께 진공 상태에서 가열되는 SiC 칩으로 구성된다. 그런 다음 진공을 매우 서서히 해제하여 그래핀의 성장을 제어한다. 이 방법은 가장 높은 품질의 그래핀 층을 생성한다. 하지만 다른 방법들도 동일한 결과물을 생성하는 것으로 보고되었다.

그래핀을 성장시키는 또 다른 방법은 진공 상태에서 고온으로 SiC를 열분해하는 것이다.^[90] 하지만 이 방법은 층 내에 더 작은 결정을 포함하는 그래핀 층을 생성하는 것으로 나타났다.^[91] 따라서 그래핀의 품질과 수율을 향상시키기 위한 노력이 있었다. 그러한 방법 중 하나는 아르곤으로 구성된 대기에서 규소 종단 SiC의 ''in situ'' 흑연화를 수행하는 것이다. 이 방법은 다른 방법으로 얻을 수 있는 층보다 더 큰 영역 크기를 가진 그래핀 층을 생성하는 것으로 입증되었다. 이 새로운 방법은 다양한 기술적 응용을 위한 더 높은 품질의 그래핀을 생산하는 데 매우 유용할 수 있다.

그래핀 생산 방법의 사용 방법이나 시기를 이해하는 데 있어, 대부분의 방법은 주로 성장을 가능하게 하는 환경 내에서 SiC 위에 그래핀을 생산하거나 성장시킨다. SiC의 열적 특성 때문에 대부분 상당히 높은 온도(예: 1300°C)에서 사용된다.^[92] 그러나 그래핀 제조에 더 낮은 온도를 사용하는 방법을 얻을 수 있는 잠재력이 있는 특정 절차가 수행되고 연구되었다. 더 구체적으로, 이러한 그래핀 성장에 대한 다른 접근 방식은 약 750°C의 온도 환경에서 그래핀을 생성하는 것으로 관찰되었다. 이 방법은 화학 기상 증착(CVD)과 표면 분리와 같은 특정 방법의 조합을 포함한다. 기판에 관해서는, 이 절차는 전이 금속의 박막으로 SiC 기판을 코팅하는 것으로 구성된다. 이 물질을 빠르게 열처리한 후, 탄소 원자는 전이 금속 필름의 표면 계면에서 더 풍부해지며 그래핀을 생성한다. 이 과정은 기판 표면 전체에 걸쳐 더 연속적인 그래핀 층을 생성하는 것으로 밝혀졌다.^[93]

7. 16. 양자 물리학

탄화 규소는 결정 격자 내에 점결함을 가질 수 있으며, 이는 색중심으로 알려져 있다. 이러한 결함은 주문형 단일 광자를 생성할 수 있으므로 단일 광자원 플랫폼 역할을 한다.^[94] 이러한 장치는 양자 정보 과학의 여러 신흥 응용 분야에 필수적인 자원이다. 외부 광원이나 전류를 통해 색중심을 여기시키면 색중심이 여기 상태가 된 후 한 개의 광자를 방출하며 이완된다.^[95]^[96]

탄화 규소에서 잘 알려진 점결함 중 하나는 다공석(divacancy)인데, 이는 다이아몬드의 질소-공석 중심과 유사한 전자 구조를 가지고 있다. 4H-SiC에서 다공석은 네 가지 다른 배열을 가지며, 이는 네 개의 제로 포논 라인(ZPL)에 해당한다. 이러한 ZPL 값은 V_Si-V_C 표기법과 단위 eV를 사용하여 표기된다: hh(1.095), kk(1.096), kh(1.119), hk(1.150).^[97]

7. 17. 낚싯대 가이드

탄화 규소는 내구성과 내마모성이 뛰어나 낚싯대 가이드 제조에 사용된다.^[98] 탄화 규소 링은 스테인리스강이나 티타늄으로 만들어진 가이드 프레임에 장착되어 낚싯줄이 낚싯대 블랭크에 닿는 것을 방지한다. 이 링은 마찰이 적은 표면을 제공하여 캐스팅 거리를 늘리는 동시에 꼬임 낚싯줄의 마모를 방지하는 충분한 경도를 제공한다.^[99]

7. 18. 도자기 유약

탄화 규소는 도자기에 사용되는 일부 유약의 원료로 사용된다. 고온에서 금속 산화물을 환원시켜 실리카와 이산화탄소를 생성할 수 있다. 이는 발생하는 이산화탄소 가스로 인해 유약에 거품이 생기고 분화구가 생기게 하거나, 또는 색소 산화물을 환원시켜 전기 가마에서 연료를 사용하는 환원 소성에서만 가능한 구리 적색과 같은 색상을 얻는 데 사용될 수 있다.^[100]

7. 19. 항공, 우주, 발전

탄화 규소는 연마재, 내화 벽돌의 원료, 주철용 탄화 규소제, 고급 낚싯대의 가이드(낚싯줄을 통과시키는 고리), 산악 철도 차량의 비상 브레이크용 슈 등에 대량으로 사용된다. 주철용은 저순도품이다.

탄화 규소 섬유(탄화규소 섬유)는 SiC 섬유(SiC 섬유)라고도 불리며, 일본카본(日本カーボン)의 니카론(ニカロン) 섬유와 UBE의 티라노(チラノ) 섬유가 유명하다.^[108] 군제(グンゼ)와 에네틱 종합연구소(エネティック総研)는 탄화 규소 섬유와 복합재를 판매 및 수출하고 있다.

교토대학 에너지공학연구소는 고온에서 내산화 성능을 갖는 탄화 규소 복합재료를 개발했다.^[112] 이 재료는 보잉(Boeing)사의 차세대 여객기 엔진에 사용될 예정이다. 탄화 규소 섬유의 내열성이 향상되면^[113] 로켓 엔진이나 가스터빈 발전의 성능 향상이 기대된다.

므로란 공업대학에서는 지중에 탄화 규소로 만든 열교환기를 설치하여 일반적인 화력발전과 유사한 발전 방식인 지열발전 “가압수형 동축 열교환 방식”을 연구하고 있다.^[114] 기존의 지열발전은 지하수를 끌어올리기 때문에 온천 고갈이나 수분에 포함된 성분이 금속을 부식시키거나 터빈에 부착되어 고장 및 출력 저하의 원인이 되는 문제가 있었다. 또한, 수분에 포함된 황화 수소와 같은 유독 가스 발생 위험도 있었다. 그러나 화력발전과 같은 밀폐형의 경우 온천 고갈은 거의 없고 순환하는 것은 거의 순수한 물이기 때문에 부식도 감소하며, 냉각탑이나 유해가스 제거 설비가 필요 없어 비용 절감이 가능하다는 장점이 있다. 최종 목표는 마그마에 직접 접촉시켜 발전하는 것이다.

7. 20. 환경 대책

탄화 규소는 디젤 자동차가 배출하는 매연을 포집하는 필터인 DPF의 재료로 사용된다.

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