규소(Silicon, Si)의 성질과 이용

• 원자번호：14
• 족：14족(3주기)
• 원자량：28.08
• 밀도：2.33 g·cm-3
• 각 전자궤도의 전자 수：2, 8, 4
• mp：1,414℃ / bp：3,265℃

규소 원소는 지각 속에 산소 다음으로 다량(약 27.7%) 포함된 원소이다. 자연계에서 산소와 화학적으로 결합하여 흙, 모래, 바위의 주성분을 이루고 있다. 규소는 1824년 스웨덴의 화학자 베르셀리우스(John Jakob Berzelius 1779-1848)가 처음 순수하게 분리했다. 규소의 영어인 silicon은 부싯돌(flint)을 뜻하는 라틴어(silicis)에서 유래했다.

규소의 성질

‘실리카’(silica)라는 것은 규소의 대표적 화합물인 산화규소(SiO2)를 말한다. 산화규소는 자연계에 두 가지 형태 즉, 모래에서 볼 수 있는 결정체 모양의 석영(수정 crystal)과 플린트(flint)라 부르는 비결정상으로 존재한다. 자수정(amethyst), 단백석(opal), 마노(agate), 벽옥(jasper) 등은 석영 보석류인데, 포함된 불순물에 따라 독특한 색을 가진다.

가장 단단한 것을 표현할 때 ‘차돌 같다’라는 표현을 한다. 석기시대의 선조들은 차돌(flint)로 돌칼, 돌도끼, 창과 화살촉 등을 만들었다. 성냥이 없던 시절의 선조들은 차돌(부싯돌)을 서로 쳤을 때, 작은 입자가 부서지면서 튀는 불꽃에 불쏘시개를 대어 불을 일으켰다. 이때 불쏘시개(부싯깃)로는 말린 쑥 잎을 주로 사용했다. 이런 쑥을 애융(艾絨)이라 한다. 돌 도구와 부싯돌로 쓰인 차돌은 바로 석영과 마찬가지로 산화규소가 주성분이다.

실리콘 밸리

규소는 유리, 시멘트, 도자기 제품의 주원료이며, 오늘날에는 중요한 반도체 원료이기도 합니다. 미국 샌프란시스코 근처의 반도체 연구 단지는 ‘실리콘 밸리’라는 명칭을 가지고 있다. 오늘날의 컴퓨터와 전자장치들이 소형화될 수 있게 된 것은 바로 규소를 원료로 만드는 반도체 덕분이라 하겠다.

규소의 수많은 용도

피에조 효과: 석영(수정)은 압력을 가하면 전류가 생겨나는 ‘피에조 전기 효과’(piezoelectric effect, 압전효과)라 불리는 매우 흥미로운 성질을 나타낸다. 그래서 처음에는 축음기라든가 마이크로폰에서 소리를 재생하는 수단으로 석영을 사용했다. 작은 가스라이터, 불이 켜지는 신발 등에 이용되기도 한다. (피에조 효과, 압전효과 별도 참조)

전자시계의 진동자: 수정은 이와 반대 성질도 보여준다. 수정 결정에 교류 전류를 흘려주면 원자가 매우 일정하게 진동한다. 이 성질을 이용하여 스프링을 감아 동작시키던 기계식 시계를 대신하여 오늘날에는 거의 모든 시계(수정시계)에 수정을 쓰게 되었다.

수정은 크기에 따라 진동수가 다른데, 시계용 수정은 1초에 32,768Hz로 진동하는 것을 사용한다. 가장 정밀하게 만든 수정시계는 진동수의 오차가 10억분의 1초에 불과하다고 한다. 초정밀 수정시계는 라디오와 텔레비전 송신장치에 이용되고 있다.

석면의 원료: 공해 위험물질의 하나로 알려진 석면(石綿 돌유리)은 규소가 주성분인 광물이다. 석면은 매우 단단하면서 열에 잘 견디기 때문에 건축에서 한동안 절연재(絶緣材: 전기나 열이 통하지 않게 차단하는 재료)로 대량 사용했다. 그러나 석면 가루가 폐 질환을 일으킨다는 사실이 알려지면서 건축 재료로 사용하지 않게 되었다.

온갖 유리의 원료: 인류에게 너무나 귀중한 물질인 창유리는 규소와 탄산나트륨, 석회석(탄산칼슘)을 혼합하여 높은 온도로 녹여 만든 것이다. 유리의 종류는 혼합하는 성분과 가공법에 따라 1,000가지도 넘지만 기본 원료는 규소이다. 투명한 창유리, 유리병, 안경, 렌즈, 유리 장식물 등 수많은 물건을 만드는 유리는 단단하면서 화학적으로 대단히 안정한 물질이다.

높은 열에도 잘 깨어지지 않기로 이름난 ‘파이렉스 유리’는 유리 원료에 붕소산화물을 혼합하여 팽창률이 낮도록 만든 것이다. 규소에 칼륨, 나트륨, 석회 등의 성분을 넣은 유리는 좀처럼 긁히지 않으므로 안경이나 렌즈 제조에 이용된다.

(팽창율 : 모든 물질은 온도가 높아지면 부피가 늘어난다. 온도에 따라 부피가 팽창하는 정도를 팽창율이라 한다. 팽창율이 높은 유리로 만든 유리냄비에 물을 끓인다면, 수온이 오름에 따라 유리가 팽창하여 금이 가게 된다. 그러나 팽창율이 낮은 유리는 부피의 변화가 적어 깨어지지 않는다.)

도자기 원료인 찰흙: 인류는 고대로부터 음식과 물을 담는 도자기 그릇을 만들어 왔다. 도자기 제조 원료인 찰흙(점토)은 규소가 주성분이며, 그 입자는 직경 0.004mm 이하로 미세하다. 그러므로 입자 사이에 틈새가 많아 다량의 수분을 흡수할 수 있다. 이런 점토로 그릇을 만들어 고열(대개 1,200℃ 이상)로 구우면 수분을 잃고 대단히 단단하게 변한다.

반도체의 총아: 주기율표에서 탄소 바로 아래에 놓인 규소는 다이아몬드의 결정 구조를 닮았다. 다이아몬드는 부도체이지만 규소는 전류가 조금 흐른다. 순수하게 정제한 규소에 비소(As)나 붕소(B), 또는 갈륨(Ga)을 극미량 섞으면(도핑 doping이라 함) 반도체가 된다.

1947년에 미국 벨연구소에서 반도체를 발명하게 되면서 이를 이용하여 전류의 흐름을 조절하는 트랜지스터를 만들게 되었다. 작은 트랜지스터가 커다란 진공관을 대신하게 되면서 컴퓨터와 텔레비전이 오늘날처럼 발전하는 계기가 되었다. 트랜지스터는 더 크기가 작은 반도체가 대신하게 되었다. 태양전지는 얇은 실리콘 판(웨이퍼)에 비소와 붕소를 도핑하여 만든다.

건축물 틈새를 막는 실리콘: 건축자재의 하나로 쓰는 ‘실리콘’(영어 silicon에 e를 더 붙여 silicone)이라는 산업제품은 창문이나 벽의 틈새를 매우는 충전재(充塡材) 외에 윤활제(潤滑劑), 인체 성형(成形) 재료, 절연재, 고무 대용 등으로 사용한다. 이 실리콘은 규소를 탄소, 질소, 산소와 인공적으로 결합시켜 만든 것이다.

물유리: ‘물유리’라 부르는 것은 규산나트륨(Na2SiO3)이다. 규산나트륨은 흰색 고체이지만 물에 잘 녹아 액상(液狀)이 된다.

약병이나 특수 제품의 포장 속에 제습제로 사용하는 실리카겔(silica gel)은 규산나트륨을 가공하여 만든 것이다. 실리카겔은 입자 사이에 틈새가 많은데다 물 분자와 친화력이 강하여 강력한 흡수작용을 한요. 수분을 가득 머금은 실리카겔을 가열하면 탈수되므로 다시 건조제로 사용할 수 있다.