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단결정 실리콘의 놀라운 힘: 그것이 현대 전자공학의 구성 요소인 이유는 무엇인가?
단결정 실리콘은 종종 단결정 실리콘 또는 간단히 모노-Si라고도 하며, 현대 전자 장치와 태양광 기술에 필수적인 소재입니다. 실리콘 기반의 개별 부품과 집적 회로의 기반으로서, 컴퓨터에서부터 스마트폰에 이르기까지 거의 모든 최신 전자 기기에서 핵심적인 역할을 합니다. 또한 단결정 실리콘은 태양전지 생산에서 고효율 광흡수 소재로 사용되므로 재생에너지 분야에서 없어서는 안 될 소재입니다.
"단결정 실리콘의 결정 격자는 연속적이며 결정립계가 없습니다."
단결정 실리콘의 특성은 반도체 응용분야에서 특히 중요합니다. 이는 고유 반도체로서 매우 고순도 실리콘으로만 구성될 수도 있고, 붕소나 인과 같은 다른 원소를 첨가하여 도핑하여 p형 또는 n형 실리콘을 생성할 수도 있습니다. 이러한 반도체적 특성으로 인해 단결정 실리콘은 지난 수십 년 동안 가장 중요한 기술적 재료가 되었으며, "실리콘 시대"의 도래를 알렸습니다. 낮은 비용과 이용 가능성은 오늘날 전자제품과 정보기술 혁명의 발전을 위한 중요한 기반입니다.
단결정 실리콘은 박막 태양 전지에 사용되는 비정질 실리콘이나 작은 결정으로 구성된 다결정 실리콘 등의 다른 이소성 형태와 다릅니다. 이러한 차이점으로 인해 성능과 비용이 달라집니다.
생산 과정
단결정 실리콘은 일반적으로 고순도 반도체 등급 실리콘을 녹이고 종자 결정을 사용하여 연속적인 단결정 형성을 시작하는 방법을 통해 만들어집니다. 이 과정은 일반적으로 아르곤과 같은 불활성 분위기에서, 석영과 같은 불활성 도가니에서 수행되어 결정의 균질성에 영향을 줄 수 있는 불순물을 방지합니다.
"가장 일반적인 생산 기술은 초크랄스키 방식으로, 최대 2m 길이, 수백 kg 무게의 단일 웨이퍼 잉곳을 생산할 수 있습니다."
초크랄스키 방법에서는 정밀하게 배치된 막대 모양의 종자 결정을 용융 실리콘에 떨어뜨린 다음 천천히 끌어올려 회전시켜 끌어올린 재료가 단결정의 둥근 띠 모양으로 응고되도록 합니다. 이 과정에서 자기장을 적용하여 난류를 제어하고 억제하여 결정의 균일성을 더욱 향상시킬 수도 있습니다. 다른 생산 방법으로는 온도 구배 캡슐 내에서 가열을 사용하여 결정 성장을 촉진하는 구역 용융법과 브리지먼 기술이 있습니다.
응고된 원형 막대는 얇은 웨이퍼로 절단되고 추가 가공을 거쳐 제조에 적합합니다. 다중 웨이퍼 잉곳 주조와 비교해 단결정 실리콘의 생산 공정은 상대적으로 느리고 비용이 많이 듭니다. 그러나 뛰어난 전자적 특성으로 인해 단결정 실리콘에 대한 수요는 계속해서 증가하고 있습니다.
전자 분야의 응용
단결정 실리콘의 주요 응용 분야는 개별 부품과 집적 회로 생산입니다. 초크랄스키법을 사용하여 만든 둥근 막대를 약 0.75mm 두께의 웨이퍼로 자르고, 도핑, 이온 이식, 에칭, 박막 증착과 같은 다양한 미세 공정을 통해 마이크로전자소자가 구축됩니다.
"단일 연속 결정은 전자 제품에 필수적입니다. 왜냐하면 결정립계, 불순물 및 결정 결함이 재료의 국부적 전자적 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있기 때문입니다."
완벽한 결정구조가 없다면, 수십억 개의 트랜지스터 회로가 들어 있고 모든 회로가 안정적으로 작동해야 하는 초대형 집적회로(VLSI) 장치를 만드는 것은 사실상 불가능할 것입니다. 이러한 이유로 전자 산업계에서는 대형 단결정 실리콘을 생산하는 시설에 많은 투자를 했습니다.
태양전지에서의 응용
단결정 실리콘은 고성능 태양광 장치에도 사용됩니다. 구조적 결함에 대한 요구 사항이 마이크로 전자 응용 분야에 대한 요구 사항만큼 엄격하지 않기 때문에 품질이 약간 낮은 태양광 등급 실리콘(Sog-Si)이 태양 전지 제조에 종종 사용됩니다. 그러나 단결정 실리콘 태양광 산업의 발전은 전자 산업에서 단결정 실리콘 생산 방법의 급속한 발전으로 인해 이익을 얻었습니다.
시장 점유율 및 효율성
두 번째로 가장 흔한 태양광 기술인 단결정 실리콘은 자매 제품인 다결정 실리콘에 이어 두 번째로 흔한 기술입니다. 다결정 실리콘의 생산이 더 빠르고 비용이 계속 감소하고 있음에도 불구하고 단결정 실리콘의 시장 점유율은 2013년 이후 점차 감소하고 있습니다. 그 해 단결정 실리콘 태양 전지의 시장 점유율은 36%였으며 이는 12.6GW의 PV 용량에 해당합니다. 2016년까지 단결정 실리콘 태양 전지의 시장 점유율은 1.35GW로 상승했습니다. 2017년에는 시장 점유율이 25% 이하로 떨어졌습니다.
"단결정 실리콘 단결정 전지의 실험실 효율은 26.7%에 도달했으며, 이는 모든 상업용 태양광 기술 중에서 확인된 가장 높은 변환 효율입니다."
단결정 실리콘 태양광 모듈의 효율은 2016년에 24.4%에 도달했습니다. 특히 무게나 사용 가능한 면적에 제한이 있는 일부 응용 분야에서는 단결정 실리콘 태양 전지의 높은 효율이 특히 중요합니다.
제조 과제 및 비교
생산성이 비효율적일 뿐만 아니라 제조 과정에서 재료 낭비라는 문제도 있습니다. 원형 웨이퍼를 다이싱하는 공정 중 왼쪽에 있는 재료는 완전히 활용되지 않고 폐기되거나 재활용되어 다시 녹이는 경우가 많습니다. 하지만 기술의 발전으로 미래에는 웨이퍼의 두께가 140μm 이하로 얇아질 것으로 예상된다. 또한, 기존 다이싱 공정에서 낭비를 줄이는 새로운 방법으로 직접 웨이퍼 성장과 같은 다른 제조 방법도 연구되고 있습니다.
단결정 실리콘은 다결정 실리콘이나 비정질 실리콘과 같은 다른 형태의 실리콘과 상당히 다릅니다. 다결정 실리콘은 여러 개의 입자로 구성되어 생산 비용이 저렴하지만 효율성이 낮습니다. 비정질 실리콘은 주로 박막 태양 전지에 사용됩니다. 가볍고 유연하지만 매우 비효율적입니다. 다양한 실리콘 유형을 선택하는 것은 다양한 응용 분야의 기술적 요구 사항과 경제적 고려 사항에 지속적인 영향을 미칩니다.
기술이 발전함에 따라 비용과 효율성의 효과적인 균형을 어떻게 맞출 것인가는 태양광 및 전자 산업의 미래 발전에 있어서 고려해야 할 문제가 될 것입니다.
