[논문]저압 화학기상증착법을 이용한 β-SiC의 증착 및 결정 성장 방위에 따른 기계적 특성 변화

김대종; 이종민; 김원주; 윤순길; 박지연

doi:10.4191/kcers.2013.50.1.43

저압 화학기상증착법을 이용한 β-SiC의 증착 및 결정 성장 방위에 따른 기계적 특성 변화
Deposition of β-SiC by a LPCVD Method and the Effect of the Crystallographic Orientation on Mechanical Properties 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.50 no.1, 2013년, pp.43 - 49

김대종 (한국원자력연구원 원자력재료개발부) , 이종민 (한국원자력연구원 원자력재료개발부) , 김원주 (한국원자력연구원 원자력재료개발부) , 윤순길 (충남대학교 재료공학과) , 박지연 (한국원자력연구원 원자력재료개발부)

Abstract ▼ AI-Helper

${\beta}$-SiC was deposited onto a graphite substrate by a LPCVD method and the effect of the crystallographic orientation on mechanical properties of the deposited SiC was investigated. The deposition was performed at $1300^{\circ}C$ in a cylindrical hot-wall LPCVD system by varying the deposition pressure and total flow rate. The texture and crystallographic orientation of the SiC were evaluated by XRD. The deposition rate increased linearly with the gas flow rate from 800 sccm to 1600 sccm. It also increased with the pressure but became saturated above a total pressure of 3.3 kPa. In the range of 3.3 - 10 kPa, the preferred orientation changed from the (220) and (311) planes to the (111) plane. The hardness and elastic modulus showed maximum values when the SiC had the (111) preferred orientation, though it gradually decreased upon a change to the (220) and (311) preferred orientations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 세라믹 복합체 핵연료 피복관의 SiC 가스기밀층 및 내환경층의 제조를 위한 연구의 일환으로 CVD 방법에 의한 고순도 SiC 증착에 관한 연구를 수행하였으며, 증착기체의 유속 및 증착압력에 따른 SiC 증착층의 특성 변화와 결정방위에 따른 경도 및 탄성계수의 변화를 평가하였다.

가설 설정

일반적으로 1000℃ 이하의 온도에서는 기체 유량이 적을 경우 물질전달(mass transfer)에 의해 증착율이 결정 되며, 유량이 증가할수록 화학반응(chemicalreaction)이 율속 반응이 된다.¹¹⁾ 화학반응이 율속 반응이되는 영역에 있을 경우 기체 확산층을 통한 반응 기체의 확산이 원활하기 때문에 기체의 유량은 증착율에 큰 영향을 미치지 않는다. 그러나 온도가 높아짐에 따라 반응속도가 빨라지며 기체 확산층이 넓어지게 되고, 이에 따라 물질전달/화학반응 기구의 전이를 위한 임계 기체 유량은 높은 값으로 이동하게 된다.

제안 방법

증착된 SiC 층을 1 µm까지 연마를 한 후, 약 20회 이상 측정하였다. Fused silica (SiO₂) 표준 샘플을 이용하여 나노인덴테이션 장비를 교정한 후, Berkovich 나노인덴터 팁을 이용하여 최대 하중을 80 mN로 설정하여 경도 (hardness) 및 탄성계수 (elastic modulus)을 측정하였으며, SiC의 포아송 비는 0.21로 취하였다.
MTS를 이용한 LPCVD 법을 통해 β-SiC를 증착 하였으며, 증착조건에 따른 결정 이방성 및 이에 따른 기계적 특성 평가를 수행하였다.
액체상인 MTS는 냉각장치(chiller)에서 0℃로 유지되었으며, 운반 기체인 H2가 MTS로 통과함으로써 일정량의 MTS가 반응기로 공급되었고, 원료 기체에 대한 희석기체의 비(α = PH2/PMTS)가 5가 되도록 조절 하였다.
우선 배향성이 각각 다른 3.3 - 10 kPa 압력 조건에서 증착된 SiC를 이용하여, 나노인덴테이션 분석을 수행하였다. Fig.
우선배향성을 정량화하기 위해 X선 회절피크의 상대강도를 이용하여 TC(texture coefficient)를 구하였다.²⁰⁾ 식 (2)은 Harris법에 의한 TC를 산출하기 위한 식을 나타내고 있다.
3-10 kPa로 변화시켰다. 증착된 SiC 층의 결정구조 및 우선성장방위는 XRD를 이용하여 분석하였으며, 증착층의 결정방위에 따른 기계적 특성 변화를 평가하기 위해 나노인덴테이션 분석을 수행하였다. 나노인덴테이션 측정을 위한 SiC 샘플은 1300℃, 1200 sccm 기체 유량에서 5시간 동안 증착되었으며, 증착 압력이 3.

대상 데이터

SiC 증착용 기판으로 등방성 고순도 흑연인 IG-110 (열팽창계수 = 4.5 × 10−6/K)을 사용하였으며, 증착용 흑연 기판은 직경 10 mm, 두께 1 mm의 쿠폰 형태로 7o 경사를 가지는 경사판 위에 올려 두고 증착 시험을 수행하였다.
증착된 SiC 층의 결정구조 및 우선성장방위는 XRD를 이용하여 분석하였으며, 증착층의 결정방위에 따른 기계적 특성 변화를 평가하기 위해 나노인덴테이션 분석을 수행하였다. 나노인덴테이션 측정을 위한 SiC 샘플은 1300℃, 1200 sccm 기체 유량에서 5시간 동안 증착되었으며, 증착 압력이 3.3-10 kPa 인 조건에서 증착된 결정의 우선 배향성이 다른 SiC를 이용하였다. 증착된 SiC 층을 1 µm까지 연마를 한 후, 약 20회 이상 측정하였다.
5 × 10⁻⁶/K)을 사용하였으며, 증착용 흑연 기판은 직경 10 mm, 두께 1 mm의 쿠폰 형태로 7^o 경사를 가지는 경사판 위에 올려 두고 증착 시험을 수행하였다. 증착 원료물질은 CH₃SiCl₃ (methyltrichlorosilane, MTS), 운반 및 희석 기체로는 고순도 H₂(99.999%)를 이용하였다. 액체상인 MTS는 냉각장치(chiller)에서 0℃로 유지되었으며, 운반 기체인 H₂가 MTS로 통과함으로써 일정량의 MTS가 반응기로 공급되었고, 원료 기체에 대한 희석기체의 비(α = P_H2/P_MTS)가 5가 되도록 조절 하였다.

이론/모형

실린더 형태의 hot-wall CVD 수평로를 이용하여 저압화학기상증착(low pressure chemical vapor deposition, LPCVD)법에 의해 SiC를 증착하였다. Fig.

성능/효과

경도 및 탄성계수는 재료의 밀도, 표면 상태, 집합조직 이방성, 결정립의 크기, 화학양론비 등 다양한 조건에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있다.²¹⁾ 본 연구에서 증착된 SiC의 경우 증착 온도 및 원료 기체비, 시편연마 상태 등이 동일하기 때문에 밀도, 화학양론비, 표면상태 등은 큰 영향을 미치지 않을 것으로 보이며,이방성 및 결정립의 크기가 주된 영향이 될 수 있다고 보여 진다. 그러나, Fig.
3 kPa 이상의 증착 압력에서는 증착율의 변화가 관찰 되지 않았다. 3.3 kPa 이상의 증착 압력에서 SiC의 우선 배향성은 (220)과 (311)에서 (111)로 변했으며, (111) 우선 배향성이 증가함에 따라 경도 및 탄성계수가 증가하였다. 반면, (220) 및 (311) 우선 배향성을 가지는 SiC의 경우 결정립의 크기가 작음에도 불구하고 경도 및 탄성계수가 감소하는 경향을 보였으며, 이는 결정의 성장 방위의 변화에 기인한 것으로 판단이 된다.
증착 압력에 따른 SiC 증착층의 (111), (220) 및 (311) 면에 대한 TC 결과를 Table 1에 나타내었다. 3.3 kPa에서 증착된 SiC는 이상적인 등방성의 SiC 보다 (220)과 (311) 우선 배향성이 매우 크게 나타나며, 10 kPa에서 증착된 SiC는 완전히 (111) 우선 배향성을 띄고 있음을 알 수 있다.
8은 (111)면에 대한 TC 값 변화와 이에 따른 경도 및 탄성계수 변화를 보여 주고 있다. 경도 및 탄성계수는 (111) 배향성이 커질수록 높아지는 것을 확인 할 수 있으며, (220) 및 (311) 우선 배향성을 가지는 3.3 kPa에서 증착된 SiC에 비해, 경도는 약 15.7%, 탄성계수는 약 8.5% 증가했다. 경도 및 탄성계수는 재료의 밀도, 표면 상태, 집합조직 이방성, 결정립의 크기, 화학양론비 등 다양한 조건에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있다.
3은 기체의 총유량의 변화에 따른 SiC의 표면 및 파단면의 미세구조를 보여 주고 있다. 모든 증착 조건에서 SiC는 거친 표면을 가지며 pebble 형태의 미세구조를 가지는 것으로 관찰되었고, SiC 층의 두께에 관계없이 치밀한 구조를 띄고 있다.

후속연구

현재 가동중인 가압형 경수로의 핵연료 피복관은 Zircoloy-4, Zirlo 등의 지르코늄 합금이 사용되어 왔으나, LOCA (loss-of-coolant accident)와 같은 중대사고(severe accident)시 냉각재의 유실로 인하여 핵연료 피복관의 온도가 상승되고, 이로 인하여 고온에서 지르코늄 합금과 냉각재의 산화반응에 의해 대량의 수소가 발생하기 때문에 수소폭발의 위험성이 매우 크다.⁴⁾ 따라서, 원자로의 비정상 운전시 냉각재와의 반응에 의한 수소발생량이 매우 낮고, 고온 기계적 특성이 우수한 SiC_f/SiC 복합체가 지르코늄 합금 핵연료 피복관의 대체 재료로 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.⁵⁾

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄화규소는 무엇으로 사용되기에 적합한가?	09 barns), 조사에 의한 기계적 강도의 저하가 거의 없으며, 높은 조사량에도 부피변화가 거의 없기 때문에 원자력 분야에서 다양한 활용이 이루어질 것으로 보인다.1) 이러한 우수한 고온 및 중성자 특성으로 인하여, SiC는 원자로의 노심재료(reactor corematerials)로 사용되기에 적합하며, 4세대 원전 중 하나인 초고온가스로의 TRISO (tristructural-isotropic) 피복입자 핵연료의 SiC 피복층, 제어봉 외피 소재로 SiCf/SiC 복합체가 고려 되고 있다.2,3) 특히, 미국의 TMI (three mileisland) 및 일본 후쿠시마 원전 사고 이후, 가압형 경수로의 핵연료 피복관으로 사용되는 금속 피복관의 고온 산화에 의한 수소발생 문제가 제기되며, 대체 재료를 개발하기 위한 연구가 활발히 이루어 지고 있다.
	화학기상증착법에 의해 제조된 탄화규소의 특징은 무엇인가?	화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)에 의해 제조된 탄화규소(SiC)는 우수한 고온기계적 특성 및, 산화저항성을 가질 뿐만 아니라, 중성자 흡수단면적이 매우 작고(열중성자 흡수계수 = 0.09 barns), 조사에 의한 기계적 강도의 저하가 거의 없으며, 높은 조사량에도 부피변화가 거의 없기 때문에 원자력 분야에서 다양한 활용이 이루어질 것으로 보인다.1) 이러한 우수한 고온 및 중성자 특성으로 인하여, SiC는 원자로의 노심재료(reactor corematerials)로 사용되기에 적합하며, 4세대 원전 중 하나인 초고온가스로의 TRISO (tristructural-isotropic) 피복입자 핵연료의 SiC 피복층, 제어봉 외피 소재로 SiCf/SiC 복합체가 고려 되고 있다.
	삼중층 형태의 세라믹 복합체 핵연료 피복관은 어떻게 구성되어있는가?	삼중층 형태의 세라믹 복합체 핵연료 피복관은 3개 층으로 구성되어 있으며, 핵연료의 핵분열로부터 발생하는 핵분열생성물이 냉각재로 확산하는 것을 방지하는 기능을 하는 SiC 가스기밀층, 핵연료 피복관의 인성을 부여하는 SiCf/SiC 복합체 중간층, 그리고 냉각재에 의한 SiCf/SiC 복합체의 부식을 막기 위한 SiC 내환경층으로 구성되어 있다. 이 중 SiC 가스기밀층 및 내환경층은 중성자 조사에 의한 열적, 기계적 특성 저하를 줄이기 위해 고순도의 우수한 화학정량을 가져야 하며, 높은 밀도, 균일한 증착층의 두께, 균질한 표면상태 등이 요구되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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