채굴 및 정제: 순수 실리콘과 이를 달성하는 데 필요한 엄청난 노력

얇은 물과 탄소 기반 생명체가 덮고 있지 않았다면 우리의 고향 행성은 아마도 "실리콘 세계"로 가장 잘 알려져 있었을 것입니다. 지각 질량의 4분의 1 이상이 규소이며, 규산염 광물은 산소와 함께 지구 맨틀 위에 떠 있는 얇은 암석 껍질의 약 90%를 형성합니다. 실리콘은 우리 세계의 기반이며 문자 그대로 흙만큼 흔합니다.

그러나 우리가 그것을 많이 가지고 있다고 해서 순수한 형태로 많은 것을 가지고 있다는 것을 의미하지는 않습니다. 그리고 실리콘이 우리 세계를 정보화 시대로 이끄는 물질이 되는 것은 가장 순수한 형태에서만 가능합니다. 하지만 원소 실리콘은 매우 드물기 때문에 유용할 만큼 순수한 상당한 양의 준금속을 얻으려면 상당한 에너지와 자원 집약적인 채굴 및 정제 작업이 필요합니다. 이러한 작업은 매우 흥미로운 화학과 몇 가지 깔끔한 트릭을 사용하며, 산업 수준으로 확장되면 처리하기 위해 꽤 영리한 엔지니어링이 필요한 독특한 과제를 제기합니다.

대부분의 실리콘 생산에 사용되는 원료는 광물 규암입니다. 규암은 퇴적물 퇴적물을 형성한 고대 석영 모래 퇴적물에서 유래합니다. 시간이 지남에 따라 열과 압력에 의해 이러한 석영 사암은 변성암 규암으로 변형되었으며, 이는 부피의 최소 80%가 석영입니다.

규암은 믿을 수 없을 만큼 단단한 암석으로, 표면 위로 튀어나와 풍화 작용에 강하게 저항하는 능선을 형성합니다. 상당한 규모의 규암 지층이 전 세계에 흩어져 있지만 규소 생산을 위해 암석을 채석하는 것이 재정적으로 합리적인 곳은 상대적으로 적습니다. 그 이유는 지층에 쉽게 접근할 수 있어야 하고 필요한 다른 원자재 및 에너지 공급원과 상대적으로 가까워야 하기 때문입니다. .

생규암은 대부분 이산화규소(SiO2)로 이루어져 있으며, 산소를 제거하기 위한 환원반응으로 정제과정이 시작됩니다. 분쇄된 규암은 코크스(산소 없이 가열된 석탄) 형태로 탄소와 혼합됩니다. 우드칩도 요금에 추가됩니다. 이는 용광로에서 가스와 열이 더 잘 순환할 수 있도록 하는 탄소원이자 물리적 증량제 역할을 합니다.

실리콘 제련용 아크로는 거대한 탄소 전극을 갖춘 대규모 시설입니다. 전극은 제련 중에 소모되므로 프로세스가 중단되지 않도록 새 전극을 현재 전극 상단에 나사로 고정합니다. 아크로에는 필요한 온도 2,000°C를 유지하기 위해 막대한 양의 전력이 필요하므로 실리콘 제련소는 전력이 저렴하고 풍부한 곳에 위치하는 경우가 많습니다.

용융 구역 내부의 환원 반응은 실제로 꽤 복잡하지만 두 가지 주요 반응으로 요약할 수 있습니다.

두 반응 모두에서 이산화규소의 산소는 탄소와 결합하여 주요 폐기물인 일산화탄소를 형성합니다. 용광로 내부 용융 영역의 일부에서 발생하는 부반응으로 인해 원치 않는 부산물인 탄화규소(SiC)가 생성됩니다(적어도 목표가 규소를 정제하는 것이라면 탄화규소 자체는 유용한 산업용 연마재입니다). 용광로에서 이산화규소가 훨씬 과잉되도록 함으로써 SiC가 이산화규소 환원을 위한 탄소원으로 작용하는 두 번째 반응이 선호되고 최대 99% 순도의 규소가 용광로 바닥에서 탭핑될 수 있습니다. 노.

이 공정으로 생산된 실리콘을 야금 실리콘이라고 합니다. 거의 모든 산업 용도에 이 고도로 정제된 실리콘이면 충분합니다. 야금 실리콘의 약 70%는 냉각 시 수축이 최소화되어 알루미늄 엔진 블록 및 유사한 품목을 주조하는 데 사용되는 합금인 페로실리콘 및 알루미늄-실리콘과 같은 금속 합금 제조에 사용됩니다.

금속 실리콘만큼 유용하지만 99% 순도에서도 반도체 및 광전지 응용 분야에 필요한 순도에 근접하지도 않습니다. 정제의 다음 단계에서는 실리콘을 반도체 제조에 필요한 순도 수준으로 끌어올립니다. 정제는 분말형 야금 실리콘과 뜨거운 기체 염산을 혼합하는 것으로 시작됩니다. 이 반응에서는 중심 실리콘 원자가 4개의 부착물(이 경우 염소 원자 3개와 수소 1개)로 둘러싸인 화합물인 실란이 생성됩니다. 이 트리클로로실란은 반응 챔버 내부 온도의 가스이므로 분별 증류를 통해 취급 및 정제가 더 쉽습니다.