규소

규소

준위별 전자 수 - 2, 8, 4

규소(硅素, Silicon)는 실리콘이라고도 하는 화학 원소로 원자번호는 14이다. 결정구조는 다이아몬드와 같은 면심입방결정이고 공간군은 Fd3m. 지구 지각의 구성원소 중 산소(46%) 다음으로 높은 약 28%의 질량분율을 차지하며 우주에서는 8번째로 많은 원소 이기도 하다. 녹는점은 141°C, 끓는 점은 3265°C로 비교적 높은 편이다. 4가 준금속으로 탄소보다는 반응성이 떨어지고 저마늄보다는 반응성이 크다.

지구에서는 점토나 모래, 석영, 장석, 화강암 등의 형태로 산출되며, 주로 이산화규소나 규산염 상태를 하고 있다. 대부분 반도체의 주성분이며, 이산화규소나 규산염의 형태로 유리, 세라믹, 시멘트 등의 주성분을 이루고 있다. 실리콘 수지의 주성분이기도 하다. 현대에 와서는 반도체 제조에 핵심적으로 쓰이나, 대부분은 철 제련, 알루미늄 주조, 실리카겔 제조 등에 사용된다.

대부분의 생명체 내에서는 미량 존재하지만 필수적인 역할을 수행하며, 특히 해면 등 일부 해양 생물의 경우 규소 화합물로 이루어진 골격을 가지고 있다.

개요

청회색 광택의 단단하지만 잘 부서지는 규소는 주기율표에서 14족에 속하고 준금속으로 분류되며 +4까지의 산화수(oxidation number)를 가질 수 있다. 반응성은 비교적 없지만, 산소와 화합물을 형성하기 쉬워서 순수한 형태로 이 원소는 발견하기 어려워 1823년이 되어서야 베르셀리우스(J. J. Berzelius)가 최초로 순수한 형태로 분리하여 확인할 수 있었다. 비금속과 준금속 중에서는 녹는점과 끓는점이 붕소 다음으로 높은 원소이다. 우주에서 질량비로 여덟 번째 풍부한 원소이지만 순수하게 존재하지 않고, 모래에 이산화 규소(실리카)나 규산염(silicate) 형태로 분포되어 있으며, 지각에서 질량비로 28%를 차지하며, 산소 다음으로 풍부한 원소이다.

특별한 가공 없이 천연에서의 규소 광석은 도자기나 석영 유리 제작에 쓰이고, 점토, 모래, 자갈과 함께 포틀랜드 시멘트나 콘크리트 등으로도 사용된다. 규소화 탄소는 연마제나 고강도 세라믹 (ceramic) 재료로 쓰이며, 실리콘(silicone) 합성 고분자에도 규소가 포함되어 있다. 20세기 후반부터 반도체의 기본 재료로써 규소가 웨이퍼로 생산되어 그 어느 때보다 널리 활용되고 있다.

역사

1787년 프랑스의 과학자 앙투안 라부아지에가 처음으로 규소에 대한 연구를 시작하였다. 그는 더 이상 분해할 수 없는 물질을 ‘원소’로 정의하고 당시 기술로는 분해가 되지 않던 규소 산화물인 실리카를 원소로 보았다. 1808년에는 험프리 데이비가 순수한 규소를 얻으려는 시도를 하고 '실리시움(silicium)'이라는 이름을 붙였다. 1823년에는 베르셀리우스가 플루오린, 칼륨, 규소의 화합물에서 순수한 형태의 규소를 얻어냈고, 최초로 이 원소를 발견한 공로를 차지했다.

실리콘

자연계에는 유리상태로 산출되지 않고, 산화물·규산염 등으로 존재하며, 암석권의 주요 구성성분이다. 클라크수(지각 내의 존재량)는 산소에 이어 제2위로 많아 27.6%를 차지한다. 또 벼·대나무·속새풀 등을 비롯하여 규조류(硅藻類), 동물의 깃털·발톱, 해면 등에도 함유되어 있다.

규소는 두 개의 동소체가 존재하는데, 비결정질은 갈색 분말이고, 결정질은 어두운 청흑색의 침상(針狀) 또는 판상(板狀)으로 비뚤어진 8면체이다. 상온에서는 안정하고 반응성이 없으나 온도가 높거나 용융된 상태에서는 반응성이 커져서 산소·질소 등 다른원소와도 반응한다. 용융된 상태에서는 합금도 쉽게 형성한다. 탄소와는 고온에서 반응하여 탄화규소를 생성한다. 금속나트륨과 할로겐화알킬을 작용시키면 유기규소화합물이 생긴다. 순수한 실리콘은 이산화규소층으로 덮혀 있다.

규소는 뛰어난 반도체이기 때문에 초단파용 광석검파기(트랜지스터·다이오드 등)로 쓰이며, 게르마늄을 사용하는 것보다도 더 짧은 파장에까지 유효하게 작용한다. 또 각종 규소수지의 원료이며, 환원제·탈산제·합금 첨가원소로서 금속재료 부문에서 대량으로 사용된다. 철강재료에는 보통 70% 정도의 규화철을 함유하며, 고규소주철(규소 15% 정도)은 내산(耐酸) 합금으로 알려져 있다. 규소 0.5~4.2%를 함유하는 규소강판은 자기유도도(磁氣誘導度)가 높아 변압기 등의 철심(鐵心)으로서 중요하다. 구리합금에는 약 4.5% 첨가되어 전신·전화선 등에, 알루미늄합금에는 약 13% 첨가되어 실루민(silumin)합금으로 사용된다.

실리콘 음극재

실리콘은 흑연에 비해 에너지 밀도가 10배 이상 높아 차세대 음극 소재로 주목받고 있지만, 전기전도도가 낮고 충·방전이 반복될수록 부피가 팽창하는 등 문제 때문에 상용화가 쉽지 않다. 2019년 기준 전체 음극재 시장 수요 비중에서 약 3%를 차지하는 실리콘 음극재는 오는 2025년 11%를 차지할 전망이다. 실리콘 음극재는 실리콘을 음극활물질로 사용하는 것을 뜻한다. 시장에서 비중이 낮은 이유는 기술적인 문제 때문이다. 실리콘이라는 소재는 부피팽창이 발생하며 조직이 빠르게 파괴되는 특징이 있다. 이는 이차전지의 빠른 충 ·방전 수명 감소를 유발한다. 업계는 이 문제를 해결하기 위해 실리콘을 나노 단위로 쪼개 산화물 또는 합금, 탄소 등으로 감싸 실리콘 팽창을 물리적으로 막는 연구를 진행한다. 현재 실리콘 음극활물질을 양산하는 대표적인 업체는 일본 신에츠', 한국 대주전자재료 등이다.

동위원소

규소는 자연에 3개지의 안정한 동위원소 ²⁸Si (92.23%), ²⁹Si (4.67%), 과 ³⁰Si (3.1%)이 존재하며 방사성 동위원소로 ³²Si 등이 알려져 있다. 이들 중 ²⁸Si이 92%로 가장 많이 존재하는 동위 원소이며, 고순도의 ²⁸Si는 킬로그램의 정의를 새로 정의하는 데 사용된다. ²⁹Si는 주로 핵자기 공명 분광 분석기나 전자 스핀 공명 장치 등에 사용된다. 이들 외에 원자량 22에서 44 사이에 20가지의 방사성 동위 원소가 발견되었으며, 이들 중 가장 안정한 것은 ³²Si와 ³¹Si로 반감기가 각각 170년과 157.3분이다. 나머지 방사성 동위 원소들은 모두 반감기가 7초 미만이다. 핵 이성질체는 아직까지 발견된 바 없다.

특성

물리적 특성

규소는 실온에서 고체 상태로 존재하며, 녹는점은 1414℃, 끓는점은 3265℃로 비교적 높은 편이다. 고체 상태일 때보다 액체 상태일 때 밀도가 더 높으며, 물처럼 응고하면 부피가 더 커지는 성질이 있다. 열전도율은 149W·m−1·K−1로 비교적 높은 편이므로 단열 목적으로는 사용되지 않는다.

순수한 규소는 금강석과 같은 등축정계 구조를 가지고 있는데 이때 회색의 금속성 광택을 가진다. 상당히 단단하지만 부서지기 쉬운데, 이는 저마늄과 비슷하다. 다른 14족 원소들처럼 원자가전자가 4개이며, 3p 오비탈에 6개의 전자 중 2개를 채우고 있다.

또한, 규소는 반도체의 성질을 나타내는데 전기 저항과 온도가 반비례하는 성질을 보인다. 이는 저항에 비례하여 자유 전자들이 더 많이 생겨나기 때문이다. 압전 효과로 인해 규소 단결정에 압력을 가하면 그 저항 값이 크게 달라지기도 한다.

화학적 특성

규소는 다른 원자와 공유할 수 있는 원자가전자가 4개인 준금속 원소로, 다양한 화학 결합을 할 수 있다. 탄소와 비슷하게 주로 4개의 결합을 가지므로 적절한 조건 하에서 다양한 화합물을 만들 수 있다. 그러나 탄소와는 달리 전자를 추가로 더 공유하여 5개나 6개의 결합을 이루기도 한다. 4가 규소 화합물은 비교적 반응성이 낮아 질산과 불산을 제외한 대부분의 산과 반응하지 않으나, 묽은 염기나 할로젠 원소에는 반응한다.

인체에 미치는 영향

규소 화합물의 미세한 분말은 폐에 축적되어 진폐증을 유발할 수 있으며, 눈, 피부, 호흡기 등에 자극을 줄 수 있다. 또, 규소 화합물의 일종인 실레인(SiH₄)은 전신에 치명적인 독성을 나타낼 수도 있다.

용도

화합물

실용적인 용도로 사용되는 규소의 대부분은 순수한 형태로 정제하는 과정을 거치지 않고 자연에서 발견되는 화합물을 약간 처리하여 사용한다. 지각의 90%는 주로 규소와 산소의 화합물로 이루어진 규산염으로 되어 있다. 이들은 종종 금속 이온들을 포함하고 있는데, 실용적인 목적으로 사용할 때는 이들을 거의 그대로 사용하여 건축 자재, 도자기, 세라믹, 유리 등의 제조에 사용된다.

또, 결합하고 있는 원자가 산소가 아닌 수소나 탄소 등으로 대체되는 경우가 있는데 이들은 다른 규소 원자들과 결합을 형성하고 중합체를 이루어 다양한 종류의 실리콘(silicon)이나 유리, 유기 화합물 등을 만드는데 사용된다. 이들은 방수성, 탄력성, 화학 반응에 대한 저항성 등을 가지고 있는 경우가 많으므로 대개 방수 처리, 조형물 제조, 윤활유, 광택제 등에 사용되며, 최근에는 가슴 성형의 보형물, 콘택트 렌즈, 폭발물 등에도 사용되는 경우가 있다.

전자 제재

자연에서는 규소가 순수한 형태로 발견되는 일이 드물기 때문에 전체 규소 생산량의 약 15% 정도만이 순수한 형태로 분리되어 반도체 등 각종 전자제품의 부품으로 이용되며, 규소 단결정으로 성장시켜 정밀한 회로에 이용하는 것은 5% 가량이다. 그러나 이들이 경제에서 차지하는 비중은 그 생산량에 비해 매우 크다.

순수한 규소 단결정은 반도체 산업에 주로 사용되는 규소 웨이퍼를 생산하는데 이용되며, 이들은 정밀한 전자 제품의 회로에 사용된다. 그러나 순수한 규소는 전기 전도도가 낮고 저항이 매우 큰 반도체이기 때문에 바로 사용하지 않고 붕소나 인 같은 다른 원소들을 소량 첨가한다. 이들은 정공을 추가하거나 남는 전자를 만들어 세기를 제어할 수 있기 때문에 규소 반도체의 전기 전도도를 높여주는 역할을 한다. 따라서 이들은 트랜지스터, 태양전지, 각종 반도체 제품 등에 중요하게 사용된다.

참고자료

• 〈규소〉, 《위키백과》
• 〈규소〉, 《나무위키》
• 〈규소〉, 《네이버 지식백과》
• 〈규소〉, 《네이버 지식백과》
• 김동진 기자, 〈실리콘 음극재 수요 급증…2025년까지 연평균 70% 성장〉, 《IT조선》, 2020-02-19

같이 보기

• 실리콘
• 준금속

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