단결정 실리콘

섬네일|upright=0.4|규소 잉곳

단결정 실리콘()은 종종 단일 결정 실리콘() 또는 간단히 모노-Si()라고 불리며, 현대 전자공학과 태양광 발전에 널리 사용되는 중요한 재료이다. 규소 기반 개별 부품 및 집적 회로의 기반으로서, 컴퓨터에서 스마트폰에 이르는 거의 모든 현대 전자 장비에서 필수적인 역할을 한다. 또한, 모노-Si는 태양 전지 생산을 위한 고효율 광 흡수 재료로 사용되어 재생 에너지 분야에서 없어서는 안 될 존재이다.

이는 전체 고체의 결정 격자가 가장자리까지 연속적이고 끊어지지 않으며 어떠한 결정립계도 없는 단결정 규소로 구성된다. 모노-Si는 극히 순수한 규소로만 구성된 진성 반도체로 준비될 수 있거나, 붕소나 인과 같은 다른 원소를 첨가하여 도핑함으로써 P형 반도체 또는 N형 반도체 규소로 만들 수 있다. 그 반도체 특성 때문에 단결정 실리콘은 지난 수십 년간, 즉 "실리콘 시대"의 가장 중요한 기술 재료일 것이다. 저렴한 비용으로 구할 수 있다는 점은 고체 전자공학과 정보기술 혁명의 기반이 되는 전자 장치 개발에 필수적이었다.

단결정 실리콘은 박막 태양 전지에 사용되는 비결정성 비정질 실리콘 및 작은 결정으로 구성된 다결정 실리콘과 같은 다른 동소체 형태와는 다르다.

 생산 
단결정 실리콘은 일반적으로 고순도 반도체 등급 실리콘(불순물이 백만분의 몇에 불과함)을 녹인 다음, 씨앗 결정을 사용하여 연속적인 단결정 형성을 시작하는 여러 방법 중 하나로 만들어진다. 이 과정은 일반적으로 아르곤과 같은 불활성 분위기에서 석영과 같은 불활성 도가니에서 수행되며, 이는 결정 균일성에 영향을 미치는 불순물을 피하기 위함이다.

가장 일반적인 생산 기술은 초크랄스키법으로, 정밀하게 정렬된 막대형 씨앗 결정을 녹은 실리콘에 담그는 방식이다. 막대는 천천히 위로 당겨지며 동시에 회전하여, 당겨진 재료가 길이 2미터, 무게 수백 킬로그램에 달하는 단결정 원통형 잉곳으로 굳어지게 한다. 자기장도 적용하여 난류를 제어하고 억제하여 결정화의 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다. 다른 방법으로는 국소 용융 영역을 생성하는 고주파 가열 코일을 통해 다결정 실리콘 막대를 통과시켜 씨앗 결정 잉곳이 성장하게 하는 존 멜팅과, 씨앗을 포함하는 용기 끝에서 냉각되도록 온도 경사를 통해 도가니를 이동시키는 브리지만-스톡바거법이 있다. 굳어진 잉곳은 그 다음 웨이퍼라고 불리는 과정에서 얇은 웨이퍼로 잘린다. 웨이퍼링 후 공정을 거치면 웨이퍼는 제조에 사용될 준비가 된다.

다결정 잉곳 주조에 비해 단결정 실리콘 생산은 매우 느리고 비용이 많이 든다. 그러나 우수한 전자적 특성—결정립계가 없어 전하 캐리어 흐름이 더 좋고 전자 캐리어 생성 및 재결합을 방지하여—집적 회로 및 태양광 발전의 성능을 향상시키기 때문에 모노-Si에 대한 수요는 계속 증가하고 있다.

 전자공학 분야 

단결정 실리콘의 주요 응용 분야는 개별 부품 및 집적 회로 생산이다. 초크랄스키법으로 만든 잉곳은 약 0.75mm 두께의 웨이퍼로 잘리고 연마되어 정규적이고 평평한 기판을 얻는다. 이 기판 위에 도핑 또는 이온 주입, 에칭, 다양한 재료의 박막 증착, 포토리소그래피 패턴 형성 등 다양한 미세가공 공정을 통해 미세전자공학 장치가 제작된다.

단일 연속 결정은 전자공학에 매우 중요하며, 결정립계, 불순물, 결정 결함은 재료의 국부적 전자적 특성에 상당한 영향을 미쳐 반도체 소자의 적절한 작동을 방해함으로써 기능성, 성능 및 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 결정의 완벽함이 없으면 수십억 개의 트랜지스터 기반 회로가 모두 안정적으로 작동해야 하는 초고밀도 집적회로 (VLSI) 장치를 마이크로프로세서로 구성하는 것은 사실상 불가능할 것이다. 따라서 전자 산업은 대형 실리콘 단결정을 생산하기 위한 시설에 막대한 투자를 해왔다.

 태양 전지 분야 
섬네일|250px|1980년 이후 PV 기술별 연간 생산량 기준 전 세계 시장 점유율
단결정 실리콘은 고성능 태양광 발전 (PV) 장치에도 사용된다. 마이크로전자공학 응용 분야에 비해 구조적 결함에 대한 요구 사항이 덜 엄격하므로, 태양 전지에는 종종 저품질 태양광 등급 실리콘(Sog-Si)이 사용된다. 그럼에도 불구하고, 단결정 실리콘 태양광 산업은 전자 산업을 위한 더 빠른 모노-Si 생산 방법 개발의 혜택을 크게 받았다.

 시장 점유율 
두 번째로 흔한 PV 기술 형태인 단결정 실리콘은 자매 기술인 다결정 실리콘 다음으로 순위가 매겨진다. 다결정 실리콘의 생산 속도가 현저히 높고 비용이 꾸준히 감소함에 따라 모노-Si의 시장 점유율은 감소해왔다. 2013년 단결정 태양 전지는 36%의 시장 점유율을 차지했으며, 이는 12.6 GW의 태양광 발전 용량 생산으로 이어졌지만, 2016년에는 시장 점유율이 25% 미만으로 떨어졌다. 시장 점유율이 감소했음에도 불구하고, 2016년에 생산된 동등한 모노-Si PV 용량은 20.2 GW로, 태양광 기술 전체 생산량의 상당한 증가를 나타냈다.

 효율성 
단결정 실리콘은 단일 접합 전지 실험실 효율 26.7%를 기록하여, 상업용 PV 기술 중 가장 높은 변환 효율을 자랑한다. 이는 다결정 실리콘(22.3%) 및 기존 박막 태양 전지 기술, 예를 들어 CIGS 전지(21.7%), CdTe 전지(21.0%), a-Si 전지(10.2%)보다 앞선다. 모노-Si의 태양광 모듈 효율은 항상 해당 전지보다 낮지만, 2012년에 마침내 20%를 넘어섰고 2016년에는 24.4%를 기록했다. 높은 효율성은 단결정 내 재결합 지점이 없다는 점과 다결정 실리콘의 특징적인 푸른색에 비해 검은색으로 인해 광자 흡수가 더 좋다는 점에 크게 기인한다. 다결정 실리콘 전지보다 더 비싸기 때문에 모노-Si 전지는 무게나 사용 가능한 면적에 제약이 있는 응용 분야에 유용하다.

 제조 
낮은 생산 속도 외에도 제조 공정에서 재료 낭비에 대한 우려가 있다. 공간 효율적인 태양 전지판을 만들려면 초크랄스키 공정으로 형성된 원통형 잉곳의 산물인 원형 웨이퍼를 팔각형 셀로 절단하여 밀착시킬 수 있어야 한다. 남은 재료는 PV 셀을 만드는 데 사용되지 않고 버려지거나 녹여 잉곳 생산으로 재활용된다. 또한, 모노-Si 셀이 입사 표면 20 μm 이내의 대부분의 광자를 흡수할 수 있음에도 불구하고, 잉곳 절단 공정의 한계로 인해 상업용 웨이퍼 두께는 일반적으로 약 200 μm이다. 그러나 기술 발전으로 2026년까지 웨이퍼 두께가 140 μm로 줄어들 것으로 예상된다.

재사용 가능한 실리콘 기판 위에 기체 층을 성장시키는 직접 웨이퍼 에피택셜 성장과 같은 다른 제조 방법들이 연구되고 있다. 새로운 공정은 품질이나 효율성을 손상시키지 않으면서 더 얇은 웨이퍼로 가공될 수 있는 정사각형 결정을 성장시킬 수 있어, 전통적인 잉곳 절단 및 가공 방법에서 발생하는 낭비를 없앨 수 있다.

 다른 실리콘 형태와의 비교 
단결정 실리콘은 태양광 기술에 사용되는 다른 형태의 규소, 특히 다결정 실리콘 및 비정질 실리콘과 크게 다르다.

 다결정 실리콘: 많은 작은 결정(결정립)으로 구성된 다결정 실리콘은 생산 비용이 저렴하지만, 전자공학과 태양 전지 모두에서 단결정 실리콘보다 효율이 낮다. 그 도전율은 결정립계에 의해 저해되어 전반적인 성능을 감소시킨다.
 비정질 실리콘: 비결정성 고체이며 주로 박막 태양 전지에 사용되는 비정질 실리콘은 가볍고 유연하지만, 효율성은 단결정 실리콘에 비해 훨씬 낮다. 이는 효율성보다 공간 또는 유연성이 더 중요한 틈새 응용 분야에 자주 사용된다.

 외관 

 각주 

분류:결정