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단결정 실리콘이 전자업계의 모든 경쟁사보다 어떻게 이길 수 있을까?
단결정 실리콘, 또는 줄여서 모노-Si는 오늘날 전자 및 태양광 산업의 핵심 소재입니다. 단결정 실리콘은 실리콘 기반 개별 부품과 집적 회로의 기반으로서 컴퓨터에서 스마트폰에 이르기까지 모든 최신 전자 기기에서 중요한 역할을 합니다. 또한 단결정 실리콘은 고효율 광흡수 소재로 태양 전지 생산에 특히 중요하므로 재생 에너지 산업에 없어서는 안 될 소재입니다.
단결정 실리콘의 격자 구조는 결정립계가 없고 연속적이고 완전하며, 이것이 뛰어난 전자적 특성의 기반이 됩니다.
단결정 실리콘은 순수한 실리콘만으로 구성된 고유 반도체로 제조되거나, 붕소나 인과 같은 다른 원소를 첨가하여 도핑하여 p형 또는 n형 실리콘을 형성할 수 있습니다. 단결정 실리콘은 반도체적 특성 덕분에 지난 수십 년, 즉 '실리콘 시대'의 가장 중요한 기술적 소재였을 것입니다. 저렴한 가격으로 구입할 수 있어 현대 전자 장치의 개발을 뒷받침하는 데 중요한 역할을 했습니다.
생산 과정
단결정 실리콘은 일반적으로 고순도 반도체 등급 실리콘을 녹이고 종자 결정을 사용하여 연속적인 단결정 형성을 시작하는 여러 가지 방법을 통해 만들어집니다. 이 과정은 일반적으로 아르곤과 같은 불활성 가스 환경에서 수행되며, 결정의 균일성에 영향을 미치는 불순물을 피하기 위해 석영과 같은 불활성 도가니를 사용합니다.
가장 흔한 생산 기술은 초크랄스키 공정으로, 길이가 최대 2m, 무게가 수백 킬로그램에 달하는 단결정 원형 주괴를 생산할 수 있습니다.
초크랄스키 방법은 정밀하게 배치된 종자 결정 막대를 용융 실리콘에 담근 다음 회전하면서 천천히 위로 당겨서 당긴 재료가 단일 결정 막대로 응고되도록 하는 방식입니다. 단결정 실리콘의 생산 공정은 다중 웨이퍼 잉곳 주조에 비해 상대적으로 느리고 비용이 많이 들지만, 뛰어난 전자적 특성으로 인해 수요는 계속해서 증가하고 있습니다.
전자제품에서의 응용
단결정 실리콘의 주요 응용 분야는 개별 부품과 집적 회로의 제조입니다. 초크랄스키법으로 생산된 둥근 막대를 약 0.75mm 두께의 얇은 조각으로 자르고 연마하여 규칙적이고 매끄러운 기판을 얻은 후, 다양한 미세가공 공정을 통해 마이크로전자소자를 구성합니다.
연속적인 결정은 전자 장치에 필수적입니다. 왜냐하면 결정립계, 불순물, 결정 결함이 재료의 국부적 전자적 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.
예를 들어, 수정의 완벽성이 없다면 수십억 개의 트랜지스터가 들어 있는 회로를 안정적으로 작동시켜야 하는 대규모 집적(VLSI) 장치를 만드는 것은 불가능합니다.
태양전지에서의 응용
단결정 실리콘은 고성능 태양광(PV) 장치에도 사용됩니다. 마이크로 전자공학 분야보다 구조적 결함에 대한 요구 사항이 덜 엄격하더라도 단결정 실리콘 태양광 산업은 여전히 전자 산업의 빠른 생산 기술로부터 혜택을 얻고 있습니다.
시장 점유율 및 효율성
두 번째로 가장 흔한 태양광 기술인 단결정 실리콘은 다결정 실리콘에 이어 두 번째로 흔합니다. 단결정 실리콘의 시장 점유율은 2013년 36%에서 2016년 25%로 감소했지만, 태양광 생산 능력은 여전히 크게 증가했습니다.
단결정 실리콘으로 만든 단일 구조 셀의 실험실 효율은 26.7%에 달하는데, 이는 모든 상업용 태양광 기술 중에서 확인된 가장 높은 변환 효율입니다.
이러한 높은 효율은 단결정 내 재결합 사이트가 부족하고 검은색 외관이 광자의 흡수에 더 적합하기 때문에 주로 설명됩니다.
도전 만들기
생산율이 낮다는 점 외에도 제조 과정에서의 재료 낭비도 문제가 되었습니다. 공간 효율적인 태양광 패널을 생산하려면 둥근 웨이퍼를 단단히 묶을 수 있는 팔각형 셀로 절단해야 하는데, 이 과정에서 재료 낭비가 발생하는 경우가 많습니다.
미래에는 기술이 발전하여 웨이퍼 두께가 140마이크론까지 얇아지고 효율성이 더욱 향상될 것으로 예상됩니다.
기존 공정에서의 폐기물 문제를 해결할 수 있는 직접 웨이퍼 에피택시얼 성장과 같은 다른 제조 방법이 연구되고 있습니다.
다른 형태의 실리콘과의 비교
단결정 실리콘은 태양광 기술에 사용되는 다른 형태의 실리콘, 특히 다결정 실리콘과 비정질 실리콘과 다릅니다. 이러한 재료는 생산 비용과 효율성 면에서 매우 다릅니다. <저>
다결정 실리콘: 많은 작은 결정으로 이루어져 있어 생산 비용은 낮지만 단결정 실리콘만큼 효율적이지 않습니다.
비정질 실리콘: 주로 박막 태양 전지에 사용되며 가볍고 유연하지만, 효율은 단결정 실리콘에 비해 현저히 낮습니다.
치열한 경쟁이 벌어지는 전자 시장에서 단결정 실리콘은 대체 불가능함을 입증했으며, 전자 부품이든 태양광 기술이든 미래의 주요 소재입니다. 사람들은 새로운 기술이 개발됨에 따라 단결정 실리콘이 계속해서 시장 선도적 지위를 유지할 수 있을지 궁금해하지 않을 수 없습니다.
