Fig. 1. Schematics of the silicon carbide whisker reactor :
(a) batch type developed by Tokai Carbon Co., (b) seperation type developed by Carborundum Co.
19 세기 중반에 발견된 탄화규소(silicon carbide, SiC)는 공유결합을 하기 때문에 밀도와 열팽창 계수가 작고, 녹는점, 강도, 경도가 높다. 따라서 기계적, 화학적 특성이 우수하고, 높은 온도에서도 안정하다. 탄화규소는 1892 년 아헨슨(Acheson)이 높은 경도를 갖기 때문에 절삭재와 연마재로 쓰기에 적당하다는 사실에 주목한 다음부터, 구조 세라믹스에서 가장 중요한 재료중 하나로 쓰이기 시작했다. 실리카(silica, SiO2)에 탄소(carbon, C)를 섞어 반응시키는 열탄소 환원반응(carbothermal reduction reaction) 법으로 탄화규소를 합성할 때 처음 발견된 탄화규소 휘스커(whisker)는 장경비(aspect ratio)가 큰 바늘모양을 하고 있는 단결정이다. 따라서 이론강도에 가까운 높은 강도를 가지며, 고분자-, 금속-, 세라믹스-기지(matrix) 복합체를 만들어 강도나 인성(toughness), 내마모성, 열전도도 같은 여러 가지 특성을 향상시킬 때 강화재(reinforcement)로 많이 쓰인다. 탄화규소 휘스커는 실리카의 열탄소 환원반응, 유기 규소 화합물(organic silicon compounds)의 열분해, 할로겐화 규소(silicon halide)와 사염화탄소(carbontetrachloride)의 반응같은 방법으로 합성할 수 있다. 그러나 대량생산할 때 이용되는 방법은 경제성이 있는 실리카의 열탄소 환원반응법 뿐이다 [1-2]. 한편 탄화규소 휘스커는 석면이나 다른 휘스커들과 마찬가지로 암을 일으킬 수 있는 유해물질로 분류되기 때문에 제조하거나 다룰때 매우 조심해야 한다.
탄화규소가 열탄소 환원반응계에서 한 방향으로 성장하여 휘스커 모양을 갖기 위해선 탄소 성분(element)과 실리콘 성분이 반드시 기체 상태로 휘스커 성장이 일어나는 끝(growing tip)에 공급되어야 한다. 이것은 성장한 탄화규소 휘스커를 통해 탄소나 실리콘이 확산하여 휘스커 끝에 공급되기에는, 확산속도가 너무 늦기 때문이다. 따라서 열탄소 환원반응계에서 먼저 탄소와 실리콘 성분을 포함한 반응기체(reactants in a vapour form)가 발생시킨 다음, 이 기체를 반응시켜 휘스커를 합성한다. 반응로는 여러 가지를 사용할 수 있다. Fig. 1에서 대표적인 반응로 두 가지를 볼 수 있는데, (a)에 나타난 토카이 카본 사의 반응로는 대량생산을 위한 배치(batch)방식이고, (b)에 나타난 반응로는 기판에 기상-액상-고상방식으로 탄화규소 휘스커를 합성하는 반응로이다. 합성반응에서 SiO(v) 발생 원료는 왕겨(rice hulls), 쌀겨(cereal chaff), 실리카 겔 (silica gel), 질화규소, 실리카 같은 것들이 쓰인다. 탄소 원료로는 카본블랙(carbon black)이 가장 많이 쓰인다. 그리고 반응기체 발생을 돕기 위해 불화물을 넣기도 한다.
Fig. 1. Schematics of the silicon carbide whisker reactor :
(a) batch type developed by Tokai Carbon Co., (b) seperation type developed by Carborundum Co.
탄화규소 휘스커 합성반응기구는 그동안 여러 가지가 제안되었으나, 가장 많이 제안된 반응기구는 다음과 같다 [3-4]. 실리카와 탄소를 고온에서 먼저 다음과 같은 2 단계 반응에 의해 SiO(v)와 CO(v)가 발생한다.
1 단계 :
SiO2(v) + CO(v) = SiO(v) + CO2(v) ( 1 )
C(s) + CO2(v) = 2CO(v) ( 2 )
SiO(v) + 2C(s) = SiC(s) + CO(v) ( 3 )
---------------------------------------
SiO2(s) + 3C(s) = SiC(s) + 2CO(v) ( 4 )
2 단계 :
2SiO2(s) + SiC(s) = 3SiO(v) + CO(v) ( 5 )
따라서 전체 반응은 다음과 같다.
SiO2(s) + C(s) = SiO(v) + CO(v) ( 6 )
발생된 SiO(v)와 CO(v)는 다음과 같은 반응을 거치면서 탄화규소 휘스커로 합성된다.
SiO(v) + 3CO(v) = SiC(s)w + 2CO2(v) ( 7 )
그리고 이 반응에서 발생된 CO2(v)는 다음과 같은 반응으로 분해된다.
2CO2(v) + 2C(s) = 4CO(v) ( 8 )
결국 반응 ( 6 ), ( 7 ), ( 8 )을 고좡