실리콘

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배경

산소 다음으로 규소는 지각에서 가장 풍부한 원소입니다. 그것은 암석, 모래, 점토 및 토양에서 발견되며, 이산화규소와 같은 산소 또는 규산염과 같은 산소 및 기타 요소와 결합됩니다. 규소 화합물은 물, 대기, 많은 식물, 심지어 특정 동물에서도 발견됩니다.

규소는 주기율표의 14번째 원소로 탄소 게르마늄, 주석 및 납과 함께 IVA족 원소입니다. 순수한 실리콘은 다이아몬드와 같은 결정 구조를 가진 짙은 회색 고체입니다. 화학적 및 물리적 특성은 이 재료와 유사합니다. 실리콘의 융점은 1410°C(2570°F), 끓는점은 2355°C(4271°F), 밀도는 2.33g/cm3입니다.

실리콘이 가열되면 할로겐(불소, 염소, 브롬 및 요오드)과 반응하여 할로겐화물을 형성합니다. 특정 금속과 반응하여 규화물을 형성하고 탄소가 있는 전기로에서 가열하면 탄화규소라는 내마모성 세라믹이 생성됩니다. 불산은 실리콘에 영향을 미치는 유일한 산입니다. 더 높은 온도에서 실리콘은 수증기나 산소의 공격을 받아 이산화규소의 표면층을 형성합니다.

실리콘을 정제하고 붕소, 인, 비소 등의 원소를 도핑하면 다양한 응용 분야에서 반도체로 사용됩니다. 최대 순도를 위해 사염화규소 또는 삼염화실란을 규소로 환원시키는 화학 공정이 사용됩니다. 단결정은 용융 실리콘에서 종자 결정을 천천히 끌어내어 성장합니다.

순도가 낮은 실리콘은 야금에서 환원제로 사용되며 철강, 황동, 알루미늄 및 청동의 합금 원소로 사용됩니다. 알루미늄에 소량의 규소를 첨가하면 주조가 용이해지고 강도, 경도 등의 물성이 향상됩니다. 산화물 또는 규산염 형태의 규소는 콘크리트, 벽돌, 유리, 도자기 및 비누를 만드는 데 사용됩니다. 금속 규소는 또한 합성 오일, 코크 및 실러, 소포제와 같은 제품에 사용되는 실리콘을 만들기 위한 기본 재료입니다.

1999년에 세계 생산량은 약 640,000미터톤(중국 제외)이었고 브라질, 프랑스, ​​노르웨이 및 미국의 주요 생산국이었습니다. 이는 지난 몇 년(1998년 653,000톤, 1997년 664,000톤)에 비해 지속적인 감소입니다. 데이터를 사용할 수는 없지만 중국이 가장 큰 생산국이며 미국이 그 뒤를 잇는 것으로 여겨집니다. 한 추정에 따르면 중국의 생산 능력은 연간 400,000톤에 달하며 400개 이상의 생산자가 있습니다. 이 나라의 수출은 최근 몇 년 동안 증가했습니다.

미국의 금속 규소 소비량은 대략 262,000미터톤이었고 비용은 파운드당 57센트였습니다. 1980-1995년 동안의 연간 성장률은 알루미늄 산업의 실리콘 수요에 대해 약 3.5%, 화학 산업의 경우 약 8%였습니다. 화학 산업(주로 실리콘)의 수요는 1990년대 후반 아시아 경제 위기의 영향을 받았습니다.

연혁

규소는 1824년 스웨덴 화학자 Jons Jacob Berzelius에 의해 처음으로 분리되어 원소로 기술되었습니다. 1811년에 불순한 형태가 얻어졌습니다. 결정질 규소는 1854년에 전기분해를 사용하여 처음으로 생산되었습니다.

전기로 내에서 실리카와 탄소 사이의 반응은 실리콘을 생성합니다.

현재 실리콘을 만드는 데 사용되는 용광로 유형인 전기 아크로는 1899년 프랑스 발명가 Paul Louis Toussaint Heroult가 강철을 만들기 위해 처음 발명했습니다. 1905년 미국 최초의 전기로가 뉴욕 시러큐스에 설치되었습니다. 최근에는 발열체에 사용되는 전극을 비롯한 전기로 기술이 향상되었습니다.

원자재

금속 규소는 실리카(이산화규소, SiO2)와 코크스, 석탄, 우드칩과 같은 탄소 재료의 반응으로 만들어집니다. 실리카는 일반적으로 야금 등급 자갈 형태로 제공됩니다. 이 자갈은 99.5% 실리카이며 크기가 3 x 1 또는 6 x 1인치(8 x 3cm 또는 15 x 3cm)입니다. 석탄은 일반적으로 회분 함량이 낮고(칼슘, 알루미늄 및 철 불순물을 최소화하기 위해 1-3%), 약 60%의 탄소를 포함하며 자갈과 일치하는 크기입니다. 우드 칩은 일반적으로 1/2 x 1/8인치 크기(1 x 3cm 크기)의 견목입니다. 모든 재료는 제조업체가 지정한 대로 수령됩니다.

제조 공정

기본 공정은 수중 전기로에서 실리카와 코크스를 고온으로 가열합니다. 산소가 제거되고 실리콘이 남는 반응을 일으키려면 고온이 필요합니다. 이것을 감소 ​​과정이라고 합니다. 이 과정에서 금속 탄화물은 일반적으로 더 낮은 온도에서 먼저 형성됩니다. 실리콘이 형성되면서 탄소를 대체합니다. 정제 공정은 순도를 향상시키는 데 사용됩니다.

감소 과정

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1 원료의 무게를 측정한 다음 흄 후드, 버킷 또는 자동차를 사용하여 상단을 통해 로에 넣습니다. 일반적인 배치에는 자갈과 칩 각각 1000파운드(453kg)와 석탄 550파운드(250kg)가 포함됩니다. 전극이 있는 퍼니스의 뚜껑이 제자리에 놓입니다. 전극을 통해 전류가 흐르면 아크가 형성됩니다. 이 아크에 의해 생성된 열(4000°F 또는 2350°C의 온도)은 재료를 녹이고 모래와 탄소가 반응하여 실리콘과 일산화탄소를 형성합니다. 이 과정은 6~8시간 정도 걸립니다. 퍼니스는 원료 배치로 지속적으로 충전됩니다.

2 금속이 용융된 상태에서 산소와 공기로 처리하여 칼슘과 알루미늄 불순물의 양을 줄인다. 등급에 따라 금속 규소는 98.5-99.99%의 규소와 미량의 철, 칼슘 및 알루미늄을 포함합니다.

냉각/파쇄

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3 슬래그라고 하는 산화된 물질을 냄비에 붓고 냉각합니다. 실리콘 금속은 약 8피트(2.4m) 너비와 8인치(20cm) 깊이의 대형 주철 트레이에서 냉각됩니다. 냉각 후 금속은 금형에서 트럭으로 버려지고 무게가 측정되어 저장 더미에 버려집니다. 금형에서 트럭으로 금속을 버리면 보관하기에 충분합니다. 선적하기 전에 금속은 고객 사양에 따라 크기가 지정되며 조 또는 콘 크러셔를 사용한 파쇄 공정이 필요할 수 있습니다.

포장

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4 금속 규소는 일반적으로 최대 1,361kg(3,000lb) 무게의 큰 자루나 나무 상자에 포장됩니다. 분말 형태의 실리콘은 50파운드(23kg) 플라스틱 통 또는 종이 봉지, 500파운드(227kg) 강철 드럼 또는 3,000파운드(1,361kg) 대형 자루 또는 상자에 포장됩니다.

품질 관리

품질을 보장하기 위해 통계적 프로세스 제어가 사용됩니다. 컴퓨터 제어 시스템은 전체 프로세스를 관리하고 통계 데이터를 평가하는 데 사용됩니다. 제어해야 하는 두 가지 주요 공정 매개변수는 사용된 원료의 양과 노 온도입니다. 실험실 테스트는 최종 제품의 화학 성분을 모니터링하고 제조 공정을 조정하여 성분을 개선하는 방법을 연구하는 데 사용됩니다. 공급업체에 대한 품질 감사 및 정기적인 평가를 통해 원료 추출부터 최종 제품 배송까지 품질이 유지되는지 확인합니다.

부산물/폐기물

통계적 프로세스 제어를 통해 낭비를 최소화합니다. 공정의 부산물인 실리카흄은 제품의 강도를 향상시키기 위해 내화물 및 시멘트 산업에 판매됩니다. 실리카흄은 단열재, 고무 충전제, 폴리머, 그라우트 및 기타 용도로도 사용됩니다. 냉각된 슬래그는 더 작은 조각으로 분해되고 추가 처리를 위해 다른 회사에 판매됩니다. 일부 회사는 샌드 블라스팅 재료로 분쇄합니다. 전기로에서는 입자상 물질이 방출되기 때문에 제조업체는 환경 보호국(EPA) 규정도 준수해야 합니다.

미래

업계 분석가들은 서방 국가의 화학 등급 실리콘에 대한 수요가 2003년까지 연평균 약 7% 증가할 것이라고 예측했지만 최근 아시아와 일본의 경제 침체로 인해 이러한 성장이 더 느려질 수 있습니다. 공급이 수요를 계속 초과하면 가격이 계속 하락할 수 있습니다. 더 많은 자동차 제조업체가 다양한 부품에 알루미늄-실리콘 합금으로 전환함에 따라 자동차 시장에 대한 전망은 긍정적입니다.

벌크 비정질 실리콘을 형성하기 위한 과냉각 액체 및 광학 응용을 위한 다공성 실리콘 분말을 만들기 위한 열수 방법을 포함하여 실리콘을 만드는 다른 방법이 조사되고 있습니다.