잉곳

금괴(금 잉곳)

철강용 130톤 초대형 잉곳. 주로 석유화학 반응로 제작에 사용된다.

잉곳. 앞쪽의 뾰족한 부분쪽이 실리콘 봉이다.

잉곳(Ingot)은 반도체 부품을 만드는 소자가 되는 웨이퍼(박판)를 잘라내기 전의 덩어리 모양의 것, 철강업에서는 제강공장에서 만들어지는 강괴를 말한다.

철강업에서 잉곳은 금속 또는 합금을 한번 녹인 다음 주형(鑄型)에 흘려 넣어 굳힌 것이다. 잉곳케이스라고 하는 비교적 간단한 모양의 주형을 쓰며 주괴(鑄塊)라고도 한다. 철강의 생산공정에서 전로(轉爐)·평로(平爐)·전기로 등에서 얻어진 용강(鎔鋼)을 주형에 부어 냉각하면 강괴(鋼塊)가 된다. 이것을 조괴공정(造塊工程)이라고 한다.

조괴공정 중에 가스가 발생하지 않도록 제조한 것이 킬드강, 가스가 발생하여 기포를 포함한 것이 림드강이다. 강괴는 그대로 압연(壓延) 또는 분괴(分塊)한 다음, 압연해서 철강제품으로 한다. 또 이 조괴·분괴공정을 생략하고 직접 용강을 주조하는 연속주조의 방법도 있다. 비철금속의 경우에는 각기 알루미늄잉곳·구리잉곳 등으로 부른다.

개요

상대적으로 순수한 금속 덩어리 잉곳(ingot)을 주괴라고도 하는데, 이러한 형태의 재료는 향후 목적에 맞게 적당한 모양으로 주조한다. 예를 들어, 제철 과정에서는 초기 단계에서 먼저 재료를 잉곳 형태로 얻는다. 그다음 단계에서 이를 성형하는데, 온도를 조절하거나, 자르거나, 얇게 펴는 등 일련의 과정을 거치면서 최종적으로 생산한다. 반도체 회로의 핵심 재료인 규소 웨이퍼(silicon wafer)는 규소를 단결정(single crystal) 잉곳으로 잘 성장시킨 후, 적당한 지름으로 얇게 썰어 놓은 원형 판이다. 금(gold, Au)과 같은 귀금속 잉곳은 작은 크기의 경우 화폐로 사용하고 큰 크기로는 영화에서 자주 보는 금괴로 보관한다.

잉곳의 유형

잉곳은 주로 순수한 금속이나 합금(alloy)으로부터 만들어진다. 해당 물질을 녹는점 이상으로 가열하여 목적에 맞는 모형으로 형태를 완성한다.

단결정

쵸크랄스키 공정으로 성장시킨 규소 잉곳과 이를 절단해서 생산한 규소 웨이퍼

단결정 잉곳은 초크랄스키 공정(Czochralski process) 혹은 브릿지만 기술(Bridgeman technique)을 이용해서 성장시킨다. 주로 전자 소재나 태양 전지용 반도체 물질(Si)을 웨이퍼 형태로 만들기 위한 중간 단계로 단결정 잉곳이 사용되고, 산업용이나 관상용 보석으로 생산되는 무기 화합물(합성 루비나 사파이어)도 잉곳 형태가 사용된다.

모래에서 추출한 실리콘을 고온으로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고, 이것을 실리콘 결정 성장기술인 초크랄스키법(Czochralski) 또는 플로팅 존법(Floating Zone) 등을 이용하여 실리콘 기둥 즉 잉곳을 만든다. 특히, 초크랄스키법을 이용하여 만드는데 초크랄스키법이란 실리콘 덩어리를 크리스탈도가니에 도핑물질과 함께 넣고 고온으로 가열하여 실리콘 덩어리를 녹인 후, 단결정 실리콘(Seed)물질이 발라진 촉 모양의 봉으로 녹여진 폴리 실리콘(다결정 실리콘) 위를 살짝 찍어서 천천히 회전시키며 당기게 된다. 그러면 단결정 실리콘(Seed)이 끌어 올려지면서 고상과 액상 사이의 계면에서 냉각이 일어나고 큰 단 결정체가 성장되어 잉곳이 만들어지는 방법이다.

합금

구리 합금 잉곳중 하나인 황동 잉곳

구리 합금의 잉곳으로 황동(brass)과 청동(bronze)이 많이 사용된다. 황동 잉곳을 가공하여 우리 생활에 필요한 여러 가지 제품들을 생산하게 되는데, 수도꼭지, 샤워기, 세면기, 주방 기구, 수도 계량기, 음용수용 부품, 밸브류, 건축 자재용 기초 소재 등이 활용되고 있다.

철강업에서 잉곳의 제조와 종류

강의 응고 중 용강에 FeO(산화철)의 형태로 존재하는 산소는 탄소와 반응으로 CO(일산화탄소)를 만들어낸다. 이 상태로 주형에 주입하여 응고시키게 되면 가스가 잉곳 중에 잔류하여 기공을 형성시킨다. 이와 같이 용강에 존재하는 산소의 양은 Al이나 Ferrosilicon(규소철)과 같은 탈산제를 첨가하면 조절할 수 있는데, 이 때 탈산 정도에 따라 킬드강, 림드강 및 세미킬드강으로 분류된다.

킬드강

용강 중에 존재하는 산소를 규소철이나 Al으로 탈산 시켜서 잉곳중에 기공이 생기지 않도록 진정시킨 강을 킬드강이라고 한다. 킬드강의 잉곳은 재질이 거의 균일하므로 0.3%C 이상의 탄소강 및 특수강과 같은 고급강에 사용된다.

• Fe-Si AI등의 강탈산제로 충분히 탈산시킨 강괴
• 강질이 균질하여 기계적 성질이 양호
• 기포나 편석은 없으나 표면에 헤어크랙 발생 가능성
• 중상상부에 큰 수축관이 생겨 불순물이 집적
• 균질을 요하는 합금강, 특수강에 사용하는 강괴
• 상대적으로 고가임

림드강

탈산 및 기타 가스처리가 불충분한 용강을 그대로 주형에 주입하여 응고시킨 잉곳으로서, 주입 후에도 계속해서 다량의 가스가 발생함으로서 비등작용을 일어나게 된다. 재질이 균일하지 못하므로 보통 0.15%C 이하의 저탄소 구조용강에 사용된다.

• 평로, 전기로, 전로 등에서 생성된 용강을 Fe-Mn으로 가볍게 탈산시킨 강괴
• 용강이 비등작용이 일어난다.
• 응고후 많은 기포가 발생하며 주상정이 테두리에 생긴다.
• 가격이 저렴하여 일반 구조용 강에 많이 사용된다.

세미킬드강

탈산의 정도를 적당히 하여 킬드강보다는 수축공의 깊이를 작게 한것이다. 주로 0.15~0.3%C 범위의 구조용강에 적용된다.

• 킬드강보다 탈산도가 적고 저탄소강, 중탄소강에 AI으로 탈산을 가볍게 한 강이다.
• 킬드강과 림드강의 중간의 성질 강이며 소형의 수축공과 수소의 기포만 존재한다.
• 구조용강 강판, 원강의 재료에 사용한다.

참고자료

• 〈잉곳〉, 《화학백과》
• 〈잉곳〉, 《두산백과》
• 머어하지, 〈웨이퍼란 무엇인가? (잉곳 생성)〉, 《티스토리》, 2017-05-15
• 〈잉곳의 종류와 특징〉, 《프리즘 주식회사》, 2021-09-07
• 워크허브, 〈용어 총정리 chapter1 "잉곳(Ingot)"〉, 《네이버 블로그》, 2019-11-27

같이 보기

• 웨이퍼
• 철강업
• 금괴
• 합금
• 반도체

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