실란 (7803-62-5) 물리적 및 화학적 성질
실란
무색의 가연성 실리콘 하이드라이드 가스로, 산업적으로 실리콘 증착 및 특수 소재 합성을 위한 반응성 전구체로 사용됩니다.
| CAS 번호 | 7803-62-5 |
| 계열 | 실란(실리콘 하이드라이드) |
| 형태 | 무색 가스 (압축 상태) |
| 일반 등급 | EP |
실란은 가장 단순한 실리콘 하이드라이드(화학식 H4Si 또는 SiH4)로, 단원자 무기 하이드라이드이며 실란 계열의 모체 화합물입니다. 구조적으로 하나의 실리콘 원자가 네 개의 수소 원자에 결합된 사면체 분자이며, 기하학적 구조 및 결합은 메탄과 형식적으로 유사하지만 더 크고 극성화 가능한 Si–H 결합을 가집니다. 전자 구조는 주로 실리콘 sp3 오비탈과 수소 1s 오비탈 간의 시그마 결합에 의해 특징지어지며, 분자는 중심대칭이며 전체적으로 비극성으로 영구 쌍극자 모멘트가 무시할 정도이고 계산된 위상 극성 표면적은 0입니다.
주변 조건에서 실란은 가볍고 저분자량 가스로 매우 높은 휘발성과 낮은 분자간 응집력을 나타냅니다. 수소 결합 공여체나 수용체 기능이 없고 회전 가능한 결합이 없으며 분자량은 32.117입니다(아래 분자 매개변수 참조). 화학적으로 강한 환원제로 산화되거나 분해되기 쉬우며, 공기 중에서 자발적으로 발화할 수 있고(발화성 행동), 산화제, 할로겐 및 일부 공유 염화물과 반응합니다. 실란은 물과 천천히 가수분해되어 수소와 수화 실리콘 산화물을 생성하고, 고온에서 열분해 시 수소를 방출하며 고순도 실리콘을 침전시킵니다.
산업적 중요성은 주로 기체 상태 실리콘 공급원으로서의 역할에 기인하며, 반도체 및 태양광 제조에 사용되는 실리콘 및 실리콘 함유 박막(비정질 및 다결정 실리콘 포함)의 화학 기상 증착(CVD)과 외자성장(epitaxial growth)의 주요 전구체입니다. 휘발성과 깨끗한 실리콘 분해 산물 생성의 조합으로 전자 및 태양광 공정에서 표준 원료로 사용됩니다.
본 물질에 대해 보고된 일반 상업 등급은 EP입니다.
기본 물리적 성질
밀도
- 액체 밀도: \(-185\,^\circ\mathrm{C}\)에서 0.68 (액체 상태).
- 기체/상대 밀도 보고: 1.11 (기체 상대 밀도) 및 상대 증기 밀도(공기 = 1) 1.3.
- 기체 비중: 1.44 \(\mathrm{g}\,\mathrm{L}^{-1}\) (기체 비중으로 보고됨).
설명: 실란은 표준 상태에서 매우 가벼운 기체이며, 보고된 상대 증기 밀도가 1보다 조금 높은 것은 증기가 조건과 측정 방식에 따라 공기와 비슷하거나 약간 무거울 수 있음을 의미합니다. 액체 밀도는 실란이 응축되는 극저온에서 보고됩니다.
융점
- 보고된 융점: \(-185\,^\circ\mathrm{C}\) (또한 \(-301\,^\circ\mathrm{F}\)로 보고됨).
액화된 실란 취급 시, 이 극저온 상전이는 고체화/액화 온도 영역을 나타냅니다.
끓는점
- 보고된 끓는점: \(-112\,^\circ\mathrm{C}\) (또한 \(-169\,^\circ\mathrm{F}\)로 보고됨); 한 보고에서는 \(760\,\mathrm{mmHg}\)에서 \(-169\,^\circ\mathrm{F}\)라 명시.
실란의 매우 낮은 끓는점은 상온에서 기체 상태임을 설명하며, 압축 가스 용기 또는 극저온 용기에 액화 상태로 저장해야 함을 의미합니다.
증기압
- 보고된 증기압: \(>1\,\mathrm{atm}\).
정성적 설명: 본 증기압 값은 실온에서 실란이 기체 상태임을 반영하며 상당한 증기압을 갖고 있음; 용기 저장이 표준 방법입니다.
인화점
- 보고: 해당 없음 (기체).
실란은 극도로 인화성/발화성(발화성) 가스로 분류되며, 압축 또는 대기 상태 기체에 대해 인화점은 적용되지 않습니다.
화학적 성질
용해도 및 상 거동
- 용해도: 물에서 분해함; "물에서 천천히 분해"; "물에 대한 용해도: 느린 반응".
- 상태(주변 조건): 기체 또는 증기; 특유의 (역겨운) 냄새가 나는 무색 가스.
해석: 실란은 일반 유기 용매에서 안정적인 분자 용질로 용해되지 않으며(보고에 따르면 알코올, 에테르, 벤젠, 클로로포름 등에 사실상 불용성), 수성 매체에서 화학적으로 반응하여 천천히 실리콘산류 및 수소로 가수분해됩니다. 공정 상황에서는 주로 기상 수송 및 빠른 확산이 지배적이며, 액화된 실란은 압축 또는 극저온 조건에서만 존재합니다.
반응성 및 안정성
- 보고된 안정성: 상온에서는 안정하지만 고온에서 분해됨(약 \(400\,^\circ\mathrm{C}\) 부근에서 완전 분해); 분해 시 수소 방출 및 실리콘 침전. \(500\,^\circ\mathrm{C}\)에서 급속 분해, \(400\,^\circ\mathrm{C}\) 근처에서 완전 분해 보고가 있음.
- 자발 발화/발화성: 발화성 가스로 기술되며, 공기 중에서 자발 발화 가능하며 점화 에너지가 낮음.
- 반응 경고/상호 불용성: 강한 환원제; 수분 반응성(특히 염기 존재 시), 할로겐(브롬, 염소) 및 일부 공유 염화물과 접촉 시 격렬히 반응하거나 연소; 산화제와도 반응; 질소 산화물 및 아산화질소와 혼합 시 폭발 가능성이 있음.
- 분해 거동: 가열 또는 연소 시 실리콘과 수소로 분해; 밀폐 조건에서는 폭발성 분해 가능.
운영 주의: 실란 취급 시스템은 산화제 및 할로겐과의 접촉 방지, 점화원 제거, 누적 및 우발적 누출 방지를 위한 설계 보호 조치가 필요합니다. 혼합물 내 미량 불순물 또는 다른 실란 존재가 점화 거동을 변화시킬 수 있습니다.
열역학 데이터
표준 엔탈피 및 열용량
현 데이터 상, 본 특성에 대한 실험적으로 확립된 값은 없습니다.
참고: 집계 목록과 데이터베이스에 소수의 수소화물 열역학 표가 포함될 수 있으나, 본 문서에서는 실란에 대한 구체적 표준 형성 엔탈피 또는 열용량 값이 제공되지 않습니다.
분자 매개변수
분자량 및 화학식
- 분자식: H4Si (또는 SiH4로 보고됨).
- 분자량: 32.117 (\(\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}\) 단위 사용).
계산된 지표: - 정확 질량/단일동위원소 질량: 32.008226662. - 무거운 원자 수: 1. - 형식 전하: 0. - 공유결합 단위 수: 1. - 화합물 정규화 상태: 예.
LogP 및 극성
- 위상 극성 표면적(TPSA): 0.
- 수소 결합 공여체 수: 0.
- 수소 결합 수용체 수: 0.
- 회전 가능한 결합 수: 0.
- 복잡도: 0.
해석: 실란은 본질적으로 비극성이며 극성 작용기(group)를 포함하지 않습니다. 기체 상태의 무기 수화물인 실란에 대해 고전적인 분배계수(logP)와 같은 지표는 큰 의미가 없습니다. 극성 표면적과 수소 결합 능력의 부재는 분자 차원의 낮은 분자 간 극성에 해당하지만, Si–H 결합의 높은 분극성 및 기상 반응성이 많은 물리적·화학적 특성을 지배합니다.
구조적 특성
실란은 사면체 구조의 SiH4 종으로 (실리콘은 명목상 sp3 혼성 궤도함) 구성됩니다. Si–H 결합은 C–H 결합보다 더 극성이 강하고 더 길며, 실리콘의 더 큰 원자 반경과 탄소에 비해 낮은 전기음성도로 인해 결합이 더 쉽게 분극되고 산화 또는 라디칼 공격에 더 취약합니다. 분자의 대칭성(Td)은 영구 쌍극자를 만들어내지 않지만, Si–H 결합의 환원 특성과 적절한 에너지 또는 촉매 조건 하에서 용이한 Si–H 결합의 균열(동종 결합/이종 결합 절단)이 반응성을 지배합니다. 기상 및 표면 반응(예: 고온 기판 위의 열분해)은 실란이 실리콘 공급원으로 사용되는 핵심 과정입니다.
식별자 및 동의어
등록 번호 및 코드
- CAS 등록 번호: 7803-62-5
- EC 번호: 232-263-4
- UN 번호 / 운송: 2203
- UN/NA 운송 명칭: UN 2203; Silane
- UN ID (DOT): UN2203
- UN 위험 등급: 2.1 (인화성 가스)
- UNII: 5J076063R1
- RTECS 번호: VV1400000
- ChEBI: CHEBI:29389
- DSSTox 물질 ID: DTXSID6052534
- ICSC 번호: 0564
- 공급자 목록에 보고된 Nikkaji 및 기타 등록 코드
- InChI: InChI=1S/H4Si/h1H4
- InChIKey: BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N
- SMILES: [SiH4]
(위 식별자는 보고된 등록 및 구조 식별자 목록에서 취한 것입니다.)
동의어 및 구조 명칭
보고된 동의어(선택, 제공된 대로): - monosilane - silicane - silicon tetrahydride - SILANE - Silicane - Monosilane - Silicon hydride - SiH4 - tetrahydridosilicon - H4Si - Silicon hydride (SiH4) - [SiH4] - Silicon tetrahydride
이러한 대체 명칭과 코드는 공급자, 규제 및 학술 커뮤니케이션에서 교차 사용되며, 위 CAS 번호는 기본 숫자 등록 번호입니다.
산업 및 상업적 응용
대표적인 용도 및 산업 분야
- 주요 용도: 반도체 및 태양광 제조에서 실리콘 증착을 위한 기체 전구체; CVD 및 에피택시 층 성장용 초고순도 실리콘 공급원.
- 기타 공정 용도: 고체 상태 소자 제조 시 도핑제; 제어된 첨가 또는 열분해를 통해 비정질 실리콘 및 특정 유기실리콘 유도체 생산용 원료.
- 산업 분야: 반도체 제조, 전자 재료, 태양광 셀 생산, 특수가스 공급.
실란의 휘발성과 원소 실리콘 및 수소로의 청정 분해 특성은 고순도 실리콘 층이 필요한 공정 가스로서의 선택 근거입니다.
합성 또는 제형 내 역할
- 실란은 첨가 반응이나 제어된 탄화수소 작용기화 반응을 통해 고차 실란 및 유기실란 합성의 기본 빌딩 블록입니다. 산업 현장에서는 주로 기상 공정(CVD, 저압 CVD)과 특정 합성 단계에서 환원제로 사용됩니다.
- 가열된 기판 위에서의 실란 열분해는 실리콘 박막을 증착합니다; 선택적 열분해는 박막의 형태 및 순도를 제어하는 데 사용됩니다.
액체 취급 또는 저장이 필요한 경우 혼합물 및 고차 실란 제형이 사용되며, 상업용 가스에서 보고된 불순물로는 극미량의 포스핀(phosphine) 또는 아르신(arsine)과 같은 휘발성 수소화물이 포함될 수 있어 반도체 용도에 대해 엄격히 관리되어야 합니다.
안전 및 취급 개요
급성 및 직업적 독성
- 급성 흡입 독성 데이터(보고됨): LC50 (쥐) 값은 9,600 \(\mathrm{ppm}\) / 4 h 및 연구별로 4,000 \(\mathrm{ppm}\) / 4 h로 보고되었습니다. 고농도(예: 10,000 \(\mathrm{ppm}\) 4시간)에서는 마우스 사망도 보고되었습니다. LD50 (토끼, 피하): 3,540 \(\mathrm{mg}\,\mathrm{kg}^{-1}\)로 보고됨.
- 표적 장기/영향: 눈, 피부, 호흡계 및 중추신경계. 노출 징후 및 증상으로는 기침, 두통, 메스꺼움, 인후통이 있으며, 액체 접촉 시 동상 발생 가능, 피부 및 눈 자극.
- 직업적 노출 한계(보고됨): TWA \(5\,\mathrm{ppm}\) (동등치 \(7\,\mathrm{mg}\,\mathrm{m}^{-3}\) 보고됨); 예외 기준 및 국가별 한도는 다를 수 있음.
- AEGL (임시) 값(보고됨, 단위 ppm):
- 10분: \(100,\ 170,\ 300\) (AEGL‑1, AEGL‑2, AEGL‑3)
- 30분: \(100,\ 170,\ 300\)
- 60분: \(100,\ 130,\ 270\)
- 4시간: NR, \(80,\ 170\)
- 8시간: NR, \(42,\ 80\)
(NR = 데이터 부족으로 권장하지 않음.)
위험 요약: 실란은 매우 인화성이 강하고 공기 중에서 자발적으로 발화할 수 있는 발화성 가스이며, 주요 급성 위험은 화재, 폭발, 밀폐 공간 내 화학적 질식 및 호흡기 자극입니다. 공정 환경에서는 노출 감시와 공학적 제어가 필수적입니다.
저장 및 취급 시 고려사항
- 저장: 실린더 및 공정 가스 시스템은 산화제, 할로겐, 염기와 분리된 서늘하고 건조하며 통풍이 잘 되는 곳에 보관하십시오. 난연성 및 통풍이 되는 저장소를 사용하고 충격에 대비해 안전하게 고정하며, 정전기 방지를 위해 가스 공급 시스템을 접지하십시오.
- 취급: 취급 구역에서 점화원 제거; 내폭 전기 장비 및 본질 안전형 계측기 사용. 실란 사용 시 폐쇄형 시스템과 국소 배기 환기를 적용하세요. 공정 안전을 위해 가스 검지 및 자동 차단 잠금장치 사용. 가스 라인의 역류 및 교차 오염 방지.
- 개인 보호 장비(PPE): 누출 가능성 또는 소방 시: 양압식 독립형 호흡기(SCBA) 및 전신 보호복 착용. 일상 작업 시 적절한 가스 취급 PPE, 보안경 및 극저온 또는 액화 실란 취급 시 보온 장갑 사용.
- 소방 및 누출 대응: 흐르는 실란 가스 화재는 공급원 누출을 차단할 수 없는 한 소화 시도하지 마십시오; 가능하면 공급을 차단하고 연소를 통해 방출 물질을 소모시키십시오. 소규모 화재는 건조 화학제 또는 CO2 사용; 대규모 화재 시 용기 냉각과 노출 방지를 위해 물 분무 또는 안개를 사용하되 안전거리를 유지하십시오. 점 누출 지점에 물을 직접 분사하지 마십시오; 물 분사는 증기 농도를 낮출 수 있으나 동결을 유발할 수 있습니다. 대규모 누출 시 바람 방향 하류 지역을 격리 및 대피.
- 폐기 및 비상계획: 통제되지 않은 누출 시 지역 대피 및 격리; 증기가 축적될 수 있는 밀폐 공간 진입 금지. 제품별 안전 자료 및 현지 규정을 참조하여 허용되는 폐기 및 오염 제거 방식을 준수하십시오.
상세 위험, 운송 및 규제 정보는 제품별 안전보건자료(SDS) 및 관련 지역 법규를 반드시 참조하시기 바랍니다.
