사파이어 크리스털은 순도 99.995% 이상의 고순도 알루미나 분말에서 제조되므로 고순도 알루미나에 대한 가장 큰 수요 분야입니다. 사파이어 크리스털은 고강도, 고경도, 그리고 안정적인 화학적 특성을 지니고 있어 고온, 부식, 충격과 같은 혹독한 환경에서도 작동할 수 있습니다. 국방, 민간 기술, 마이크로전자 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.
고순도 알루미나 분말부터 사파이어 크리스털까지
1. 사파이어의 주요 응용 분야
방위 산업에서 사파이어 크리스털은 주로 미사일 적외선 창에 사용됩니다. 현대전은 미사일의 고정밀성을 요구하며, 적외선 광학 창은 이러한 요건을 충족하는 데 필수적인 요소입니다. 미사일은 고속 비행 시 강한 공기역학적 열과 충격, 그리고 혹독한 전투 환경에 노출되므로, 레이돔은 높은 강도, 내충격성, 그리고 모래, 비, 기타 악천후로 인한 침식을 견뎌낼 수 있는 능력을 갖춰야 합니다. 뛰어난 광투과율, 우수한 기계적 특성, 그리고 안정적인 화학적 특성을 가진 사파이어 크리스털은 미사일 적외선 창에 이상적인 소재로 자리 잡았습니다.
LED 기판은 사파이어의 가장 큰 응용 분야입니다. LED 조명은 형광등과 에너지 절약형 램프에 이어 세 번째 혁명으로 여겨집니다. LED의 원리는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하는 것입니다. 전류가 반도체를 통과하면 정공과 전자가 결합하여 여분의 에너지를 빛의 형태로 방출하고, 궁극적으로 조명을 생성합니다. LED 칩 기술은 기체 물질을 기판 위에 층층이 증착하는 에피택셜 웨이퍼를 기반으로 합니다. 주요 기판 소재로는 실리콘 기판, 실리콘 카바이드 기판, 사파이어 기판이 있습니다. 이 중 사파이어 기판은 소자 안정성, 성숙한 제조 기술, 가시광선 비흡수, 우수한 광투과율, 그리고 적절한 비용 등 다른 두 가지 기판에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 데이터에 따르면 전 세계 LED 기업의 80%가 사파이어를 기판 소재로 사용하고 있습니다.
앞서 언급한 용도 외에도 사파이어 크리스털은 휴대전화 화면, 의료 기기, 보석 장식, 렌즈와 프리즘 등 다양한 과학적 검출 장비의 창 소재로도 사용됩니다.
2. 시장 규모 및 전망
정책 지원과 LED 칩의 적용 분야 확대에 힘입어 사파이어 기판 수요와 시장 규모는 두 자릿수 성장을 달성할 것으로 예상됩니다. 2025년까지 사파이어 기판 출하량은 4인치 기판 기준 1억 300만 개에 달할 것으로 전망되며, 이는 2021년 대비 63% 증가한 수치이며, 2021년부터 2025년까지 연평균 성장률(CAGR)은 13%에 달할 것입니다. 2025년까지 사파이어 기판 시장 규모는 80억 엔에 달할 것으로 예상되며, 이는 2021년 대비 108% 증가한 수치이며, 2021년부터 2025년까지 연평균 성장률은 20%에 달할 것입니다. 기판의 "선구자"로서 사파이어 크리스털의 시장 규모와 성장 추세는 뚜렷합니다.
3. 사파이어 크리스털의 준비
1891년 프랑스 화학자 베르뇌유 A.가 인공 보석 결정을 생산하기 위해 화염 용융법을 최초로 발명한 이후, 인공 사파이어 결정 성장 연구는 한 세기가 넘도록 이어져 왔습니다. 이 기간 동안 과학 기술의 발전은 더 높은 결정 품질, 활용률 향상, 그리고 생산 비용 절감에 대한 산업적 요구를 충족하기 위해 사파이어 성장 기술에 대한 광범위한 연구를 촉진했습니다. 초크랄스키법, 키로풀로스법, 엣지 정의 필름 공급 성장법(EFG), 열 교환법(HEM) 등 사파이어 결정을 성장시키기 위한 다양한 새로운 방법과 기술이 등장했습니다.
3.1 사파이어 결정 성장을 위한 초크랄스키 방법
1918년 Czochralski J.가 개척한 Czochralski 방법은 Czochralski 기술(Cz 방법으로 약칭)로도 알려져 있습니다. 1964년, Poladino AE와 Rotter BD가 이 방법을 처음으로 사파이어 결정을 성장시키는 데 적용했습니다. 현재까지 이 방법을 통해 수많은 고품질 사파이어 결정이 생산되었습니다. 원리는 원료를 녹여 용융물을 형성한 다음 단결정 시드를 용융물 표면에 담그는 것입니다. 고체-액체 계면의 온도 차이로 인해 과냉각이 발생하여 용융물이 시드 표면에서 응고되고 시드와 동일한 결정 구조를 가진 단결정이 성장하기 시작합니다. 시드는 일정 속도로 회전하면서 천천히 위로 당겨집니다. 시드를 당기면 용융물이 계면에서 점차 응고되어 단결정을 형성합니다. 용융물에서 결정을 끌어당기는 이 방법은 고품질 단결정을 제조하는 일반적인 기술 중 하나입니다.
초크랄스키법의 장점은 다음과 같습니다. (1) 빠른 성장 속도로 단시간에 고품질 단결정을 생산할 수 있습니다. (2) 도가니 벽과 접촉하지 않고 용융 표면에서 결정이 성장하여 내부 응력을 효과적으로 줄이고 결정 품질을 향상시킵니다. 그러나 이 방법의 주요 단점은 대구경 결정 성장이 어려워 대형 결정 생산에 적합하지 않다는 것입니다.
3.2 사파이어 결정 성장을 위한 Kyropoulos 방법
1926년 키로풀로스(Kyropoulos)가 발명한 키로풀로스법(약칭 KY법)은 초크랄스키법과 유사합니다. 이 방법은 종자 결정을 용융 표면에 담그고 천천히 위로 당겨 목(neck)을 형성하는 방식입니다. 용융물-종자 계면에서 응고 속도가 안정되면 종자를 더 이상 당기거나 회전시키지 않습니다. 대신 냉각 속도를 조절하여 단결정이 위에서 아래로 점진적으로 응고되도록 하여 최종적으로 단결정을 형성합니다.
키로풀로스 공정은 높은 품질, 낮은 결함 밀도, 크고 비용 효율성이 좋은 결정을 생산합니다.
3.3 사파이어 크리스털 성장을 위한 EFG(Edge-Defined Film-Fed Growth) 방법
EFG법은 형상 결정 성장 기술입니다. 원리는 높은 용융점을 가진 용융물을 금형에 넣는 것입니다. 용융물은 모세관 현상을 통해 금형 상단으로 끌어올려져 종자 결정과 접촉합니다. 종자가 당겨지고 용융물이 응고되면서 단결정이 형성됩니다. 금형 가장자리의 크기와 모양은 결정 크기를 제한합니다. 따라서 이 방법은 몇 가지 한계가 있으며, 주로 튜브나 U자형 프로파일과 같은 형상 사파이어 결정에 적합합니다.
3.4 사파이어 결정 성장을 위한 열교환법(HEM)
대형 사파이어 결정을 제조하기 위한 열교환법은 1967년 프레드 슈미트와 데니스에 의해 발명되었습니다. HEM 시스템은 뛰어난 단열성, 용융물과 결정의 온도 구배의 독립적인 제어, 그리고 우수한 제어성을 특징으로 합니다. 이 시스템은 전위가 낮고 크기가 큰 사파이어 결정을 비교적 쉽게 생산할 수 있습니다.
HEM법의 장점은 성장 중 도가니, 결정, 그리고 히터의 움직임이 없어 키로풀로스법이나 초크랄스키법에서 발생하는 인장 작용이 없다는 것입니다. 이는 인위적인 간섭을 줄이고 기계적 운동으로 인한 결정 결함을 방지합니다. 또한, 냉각 속도를 조절하여 열 응력과 그에 따른 결정 균열 및 전위 결함을 최소화할 수 있습니다. 이 방법은 대형 결정 성장을 가능하게 하고, 비교적 조작이 용이하며, 유망한 개발 전망을 가지고 있습니다.
XKH는 사파이어 결정 성장 및 정밀 가공 분야의 심층적인 전문 지식을 활용하여 방위, LED 및 광전자 분야에 특화된 맞춤형 사파이어 웨이퍼 솔루션을 제공합니다. 사파이어 외에도 실리콘 카바이드(SiC) 웨이퍼, 실리콘 웨이퍼, SiC 세라믹 부품, 석영 제품 등 다양한 고성능 반도체 소재를 공급합니다. 모든 소재에 걸쳐 탁월한 품질, 신뢰성 및 기술 지원을 보장하여 고객이 첨단 산업 및 연구 분야에서 획기적인 성과를 달성할 수 있도록 지원합니다.
게시 시간: 2025년 8월 29일