| 14Si 규소/실리콘 硅素 | Silicon | |||
| 분류 | 준금속 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 28.085 | 밀도 | 2.33 g/cm3 |
| 녹는점 | 1414 °C | 끓는점 | 3265 °C |
| 용융열 | 50.21 kJ/mol | 증발열 | 383 kJ/mol |
| 원자가 | 4 | 이온화에너지 | 786.5, 1577.1, 3231.6 kJ/mol |
| 전기음성도 | 1.9 | 전자친화도 | 133.6 kJ/mol |
| 발견 | J. J. Berzelius (1824) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-21-3 | ||
| 이전 원소 | 알루미늄(Al) | 다음 원소 | 인(P) |
1. 개요
탄소족 원소에 속하는 준금속 원소로, 기호 Si. 영어 표기는 Silicon.[1] 결정구조는 다이아몬드와 같은 면심입방결정[2]이고 공간군은 Fd3m. 지구 지각의 구성원소 중 산소(46%) 다음으로 높은 약 28%의 질량분율을 차지하며 우주에서는 여덟번째로 많은 원소이기도 하다. 녹는점은 1414°C, 끓는 점은 3265°C로 비교적 높은 편에 속한다.지구상에서 규소는 보통 4+ 이온에 4배위수를 갖는 규소사면체 혹은 규산염사면체 구조로 존재하며, 규산염 광물은 지표 대부분의 암석을 구성하고 있다. 구조에 대한 보다 자세한 내용은 규산염 광물을 참고. 규소를 특별하게 처리해야하는 연구실이나 관련 업종[3]에 종사하지 않는다면, 보통 이 규산염 구조가 아닌 상태의 규소, 특히 순수한 규소를 만날 일이 없다. 순수한 규소는 금속성 광택이 나는 어두운 색의 고체이며, 단결정 규소는 결정면을 따라서 툭툭 잘 끊어져서 웨이퍼의 형태로 가공되어 많이 쓰인다.
규소는 다양한 방면에서 널리 사용되는데, 가까이는 유리나 반도체, 마모제[4], 실리콘(silicone) 등에 사용되며, 오늘의 전자기기 발달에 없어서는 안 될 필수 원소이다.
2. 특징
- 실온에서는 고체상태로 존재한다.
- 열전도율이 149 W·m-1·K-1로 상당히 높은 편. 그래서 단열목적으로 사용하기에는 적합하지 않다.
- 전기저항과 온도가 반비례하는 성질을 가지고 있어서 반도체의 성질을 보인다.
- 물과 기름에 섞이지 않는다.
- 최후의 항성 핵융합 반응인 규소 연소 과정의 연료다. 주계열 영년시의 질량이 태양 질량의 12배를 넘긴 매우 무거운 항성은 규소를 핵융합 할 수 있는데 규소 원자에 헬륨 원자(알파 입자)가 충돌하여 황, 아르곤, 칼슘, 티타늄, 크롬, 철, 니켈까지 생성한다. 이렇게 생성된 니켈-56으로 핵융합은 이론상 가능하긴 하지만 발열 반응이 미약하여 무지막지한 항성 자체의 질량이 가하는 중력에 저항할 에너지를 충분히 생산하지 못한다. 여기에 규소 핵융합이 일어나는 항성의 핵은 28~35억 켈빈에 달하는 극고온 상태라 원자가 고에너지 감마선을 흡수해 들뜬 상태가 되면서 양성자나 중성자를 배출하는 광붕괴 현상이 일어나 니켈-56의 핵융합을 방해한다. 결국 자신의 중력 붕괴에 버틸 수 없는 항성은 2형 초신성이 되어 밀도가 극히 높은 중심핵 부근만 중성자별로 남기고 구성물질들을 다시 우주로 날려보낸다. 초신성 폭발에 휘말리지 않은 니켈-56은 코발트-56을 거쳐 안정한 철-56으로 붕괴한다.
3. 역사
1787년 앙투안 라부아지에가 규소에 대한 연구를 한 것이 최초다. 그러나 당시 기술로는 완벽하게 원소를 추출하지 못했기 때문에 규소 산화물인 실리카를 원소로 규정했다.그후 1808년 6월에 험프리 데이비가 물의 전기분해가 발표되고 난 후 이를 이용해 순수한 규소를 얻으려는 시도를 했으나 실패로 돌아갔는데 이때 데이비는 발견되지 않은 규소원자를 실리슘(silicium)이라고 불렀다.
1811년, 테나르가 플루오르화규소(SiF4)를 금속 칼륨으로 환원해서 분리를 시도했지만 불순물이 많아서 실패로 끝났으며, 1823년에 베르셀리우스가 같은 방법으로 순수한 규소의 분리에 성공했지만 어모퍼스(무정형)인 것이었다. 결정성의 규소는 그 후 1854년 앙리 상트 클레르 드비유(프랑스)가 전기분해법으로 만들어냈다.
4. 어원
험프리 데이비가 붙인 silicium은 부싯돌을 뜻하는 라틴어 silex, silicis에, 이를 금속 원소라고 믿었기 때문에 금속을 뜻하는 접미사 -ium을 붙인 것이다. 나중에 토마스 톰슨이 규소가 붕소(boron)나 탄소(carbon)처럼 비금속이라 여겨 접미사 -on을 붙여 silicon이라 명명하였다.한자어인 규소(硅素)는 1837년 일본의 난학자(蘭學者)[5]인 우다가와 요안(宇田川榕庵)이 규소의 네덜란드어 'keiaarde'를 '珪土'라 번역한 것이 최초다. '珪'는 네덜란드어 'kei'(자갈)의 음역이고, '土'는 'aarde'(흙)를 의역한 것이다. 나중에 원소라는 뜻으로 '珪素'로 바뀌었고, 19세기 후반에는 硅素라는 표기가 등장함에 따라 현재는 珪素와 硅素가 혼용되고 있다.[6]
한편 중국의 경우 근대 화학자인 서수(徐壽)가 번역한 silicon의 음역어인 矽(중국어 발음 xī)가 일본의 번역어인 硅와 함께 쓰이다가 중화민국의 경우 1933년 교육부 공포로 矽를 표준으로 정하였고, 중화인민공화국에서는 1953년 중국과학원에서 矽을 硅로 바꾸자는 건의에 따라 1957년 전국적으로 硅로 통일하게 된다.
5. 사용처
5.1. 반도체
| 규소 단결정.[7] 이것을 저민 햄처럼 아주 얇은 두께로 잘게 썰어 반도체의 기반 재료가 되는 웨이퍼[8]를 만든다.[9] |
모래 등 흔한 규산염 광물(SiO2)에서 추출할 수 있어 고갈될 염려 없이 매우 낮은 단가로 제작이 가능하다는 장점이 있고, 공학적 관점에서 규소가 반도체의 소재로서 가지는 이점은 아래와 같다.
- 첨부된 이미지와 같이 단결정으로 크게 길러질 수 있다.[10]
- 초고순도의 단결정 제작이 가능하다.
- 단일 원소로 이루어진 소재이기에 조성의 제어가 필요하지 않다.
- 다양한 도핑원소를 이용하여 n타입[11] 혹은 p타입[12]의 반도체로 만들 수 있다.
- 규소 표면에 형성되는 규소 산화물을 트랜지스터의 게이트로서 사용할 수 있다.
- 전자 이동도 (electron mobility)가 좋아 빠른 속도의 트랜지스터 제작에 적합하다.
태양전지용 실리콘 웨이퍼는 원가절감을 위해 다결정 실리콘을 사용한다. 단결정 실리콘의 은빛 광택이 아니라 여러 색깔(파란색이 강하게 나타난다)이 나타나는 깨진 유리조각 같은 형상으로 제조된다. 다결정 실리콘은 규소를 가스 용광로에서 대충 녹여서 만들 수 있어서 단결정 실리콘(불활성 가스로 채운 인덕션 용광로에서 제조)보다 제조 단가가 훨씬 싸다.
규소를 반도체 부품으로 가공하는 시설은 팹이라고 한다.
5.2. 전기기기
전동기, 발전기, 변압기 등 전자기 유도 현상을 이용하는 각종 전기기기에서는 탄소 대신 규소를 첨가한 규소강판을 사용해 히스테리시스 손실을 줄인다.5.3. 야금
알루미늄 합금에 규소를 추가하면 냉간 단조 및 열처리, 주조시 뛰어난 미세부분 표현[13] 등의 장점을 갖는다. 다만, 과도한 규소성분의 추가는 재료 내부의 강성을 약화시킨다.5.4. 고분자
탄소와 같은 14족 원소이자, 탄소 바로 밑에 있는 원소여서 무기고분자 중에서는 두 가지 다른 결합 방식을 갖는 유일한 원소이다. 물론, 탄소를 주축으로 한 유기고분자만큼 다양하지는 않다.크게 ...-Si-O-Si-O-... 구조의 실리콘(폴리실록세인)과 ...Si-Si-Si-Si-...구조의 폴리실란으로 나뉜다. 실리콘은 일반적으로 절연체이나, 폴리실란은 도체~반도체의 성질을 가지며, 리소그래피 공정의 포토레지스트(PR)로 이용된다.
5.4.1. Silicon? Silicone?
영어 발음 상으로 약간의 차이가 있다. 전자는 '실리컨'에 가깝고, 후자는 '실리콘'에 가깝다. '콘' 부분을 좀 더 강조한다.'Silicon'은 규소 그 자체를 의미하고, 'Silicone'은 규소 수지를 뜻한다. 보통 일상에서 말하는 보형물이나 휴대전화 케이스 등의 제품에 들어가는 실리콘은 후자의 것을 말하는 것. 한글로는 둘 다 '실리콘'이라고 표기하지만, 전자가 원소인 규소 자체를 의미하는 반면, 후자는 규소에 탄소사슬과 산소가 결합한 것으로, 실리콘 수지 등에 이용되는 것을 가리킨다. 자세한 내용에 대해선 실리콘 항목 참조. 참고문서
5.5. 세라믹
유리, 이산화 규소, 탄화 규소 항목 참조5.6. 생필품
대한민국 법적으로 2%까지 식품등에 이산화규소를 첨가할수 있다. 그래서 치약, 아이스티, 커피, 콘택트렌즈, 김의 방부제등에 사용된다. 또한 실리카 겔도 이산화규소이다.5.7. 에너지 분야
희토류 없이도 고속 충방전과 높은 사이클 특성을 보이는 규소 이차 전지 기술이 개발되었다.참조링크6. 규소 기반 생명체
| 저 너머의 생명 II : 외계 생명의 전시관 (21:50 부터)[영상] |
Silicon biochemistry, Silicon-based life
규소는 지구상에서 생명체를 이루는 탄소와 화학적 성질이 가장 비슷한 원소이다. 같은 14족 원소인데다가, 그 중에서도 탄소 바로 아래에 위치하여 탄소처럼 복잡하고 긴 결합을 이루는 거의 유일한 원소이기도 하다. 따라서 탄소 대신 규소를 기반으로하는 생물체에 대한 아이디어 자체는 꽤 옛날부터 제기됐다.
다만 규소는 탄소처럼 수많은 화합물을 만들 수 있지만 지구상에서는 규소가 생명을 이루지 못했다. 탄소간 결합은 단일이나 이중, 삼중결합 모두 안정한 화합물로서 만들어 낼 수 있지만 규소간 결합은 이중, 삼중 결합이 매우 불안정하기 때문.[15] 이 때문에 안정한 화합물 이루기가 힘들다는 것이 가장 크다. 또한 이산화규소는 이산화 탄소와는 달리 웬만한 온도까지는 고체기 때문에 호흡에 상당한 애로점이 있고, 액화되는 온도에서는 물이나 기타 규소화합물들이 전부 기체상태라 조직구조를 이루기 힘들다는 문제가 있다. 물론 산소가 아니라 다른 물질과 산화-환원할 수도 있겠으나 원자번호가 올라갈수록 어렵고 그나마 산소가 가장 쉬운 녀석이라.. 따라서 아예 지구 생명체와 본질부터 다른 형태의 생명체가 아닌 이상[16] 외계 생명체도 기본적으로 탄소를 기반으로 할 것으로 추측하고 있다.
다만 역으로 말하자면 지구와는 화학적, 물리적 조건이 다른 환경이라면 규소를 기반으로한 생명체의 발생 또한 논리적으로 가능하다는 결론을 내릴 수 있다. 때문에 아직까지 과학적 근거가 빈약한 추론과 가설의 영역임에도 규소 기반 생물이라는 아이디어는 지속적으로 연구되고 있다. SF작품에서도 가상의 생물체, 특히 외계생명체로 "규소 생명체"라는 단어가 종종 등장하기도 한다.
이산화규소 고체설을 채용한 THE X-FILES에서는 규소생명체가 화산 속에서 살고 있다고 가정했다. 아주 고온이라면 이산화규소도 액체나 기체로 존재하므로 몸 밖으로 배출하기도 쉽기 때문. 문제는 이렇게 되면 물이 체내에 액체 상태로 순환할 리가 없기 때문에 규소 생명체는 물 없이도 살 수 있을거라는 주장이 나오기도 했다.
실제로 NASA에서 2010년 11월에 실험을 통해서 인 대신 비소를 갖고 살 수 있는 생명체의 가능성이 밝혀졌다는 것을 발표했으나 분석 실수일 가능성이 더 크다. 비소 항목 참조.
이와 별개로 탄소 기반의 생명체도 규소를 이용한 화합물을 신체에서 만들기도 한다. 한가지 예로 동물과 가장 가까운 진핵생물로 유명한 깃편모충 중 일부 종은 규소 화합물로 구성된 구조체를 형성하는데 이는 다른 생물로부터 수평전파 받아 획득한 형질로 알려져있다.#
6.1. 대중매체의 규소 생명체
- 가메라 2: 레기온 습래 - 레기온(가메라 시리즈)
- 가이스터즈 - 실리코노이드
- 그러나 죄인은 용과 춤춘다 - 에노르무
- 창궁의 파프너 - 페스툼
- 니어:오토마타 - 아담
- 디오그라마톤 시리즈(쯔바이 웰터, 룬 로오드) - 디졸브
- 라스트오리진 - 철충
- 마블 시네마틱 유니버스 - 마티넥스
- 마브러브 시리즈 - BETA를 만든 외계인
- 벤10 에일리언 포스 - 에코에코
- 붕괴3rd - 붕괴수
- 블레임! - 규소생물
- 죠죠의 기묘한 모험 - 바위 생물, 바위 인간
- 데스티니 시리즈 - 벡스
- 퍼시픽 림 - 카이주
- 소녀전선 - E.L.I.D.
- 스텔라리스 - 석질류
7. 여담
화석 중 규화목이라는게 있는데, 이것은 나무가 묻힌 후, 오랜 시간이 지나면서 나무의 구성원소 중 탄소가 규소로 치환되어 단단해진 것이다.규소를 세포벽으로 두르고 있는 생물군이 있다. 규조강 참조.
규소를 필수영양소로 필요로 하는 식물이 있다. 벼과 식물과, 특히 속새가 규산염을 많이 필요로 한다. 속새는 규산염이 얼마나 많은지 예전에는 놋그릇을 닦는 데 쓸 정도였다. 쐐기풀도 바늘을 규산염으로 만든다
새로운 킬로그램 원기에 대해 논의를 할 때 순규소로 만든 공이 등장한 적이 있다. 현존하는 구형 물체 중 가장 이상적인 구에 가깝다고.
[1] Silicone이 아니다.[2] 크기는 5.43 옹스트롬[3] 특히 반도체 계열의 연구실[4] 즉, 모래[5] 네덜란드(화란) 학문을 연구하는 자.[6] 정작 현재 일본에서는 珪자와 硅자 둘 다 상용한자에 포함되지 않는 한자라 앞 글자 독음을 카타카나로 쓴 'ケイ素'라는 표기가 일반적이라고 한다. 한자로 쓸 때는 후자보다 전자가 일반적이긴 하다. 반대로 한국은 전자는 사람 이름으로나 쓰이고 규소란 뜻으로는 후자를 쓴다.[7] 이를 잉곳(ingot)이라고 부른다. 우리말로는 주괴(상대적으로 순도가 높은 물질 덩어리)라고도 한다. 모래 등에서 추출한 실리콘 원석을 한데 모아 투입하고 열을 가해 녹인 다음 굳혀서 만든다.[8] 와플이라는 단어와 그 모양을 떠올리는 경우가 많은데 놀랍게도 그거와 어원이 같다. 웨하스도 참조.[9] 물론 여기서 끝나면 안된다. 웨이퍼 표면에 원하는 패턴을 잘 새기려면 표면을 균일하게 다듬는 연마와 세정 작업을 거쳐야 한다. 그리고 웨이퍼 표면에 SiO2 산화막을 덮은 다음 감광액을 바르고 회로패턴을 그려놓은 일종의 형틀인 마스크(mask)에 EUV또는 DUV를 쬐서 렌즈에 투과시킨 후 여기에서 배율을 축소하여 패턴을 감광액이 발라진 판때기 위에 각인한다.[10] 이를 전문용어로 성장(growth)이라고 한다.[11] 인(P), 비소(As) 등 15족(원자가 전자가 5개인) 원소를 도핑해 준 경우를 말한다. 전하 캐리어(carrier) 중 자유전자(free electron, '자유'라는 말 떼고 편하게 전자라고 부르기도 한다.)의 움직임이 우세하다.[12] 붕소(B), 갈륨(Ga) 등 13족(원자가 전자가 3개인) 원소를 도핑해 준 경우를 말한다. 전하 캐리어 중 정공((positive) hole)의 움직임이 우세하다. 참고로 정공이 움직이는 것은 원자핵에 구속되어 있는 전자의 위치 배열 변경과 등가로 해석할 수 있다. 물론 정공은 양전하를 띠고 전자는 음전하를 띠므로 방향은 서로 반대이다.[13] 규소성분이 추가되면 주조과정에서 정밀한 부분까지 구현 가능하다. 예시로 BMW와 Audi는 자사의 엔진블럭 제조공정에서 Si성분이 추가된 알루미늄-규소합금을 사용한다.[영상] 대략 21분 50초부터 규소 기반 생명체에 관한 내용이 나온다. melodysheep의 영상으로, 한글자막이 포함되어 있다.[15] 규소의 최외각 전자껍질 반지름이 탄소에 비해 커서, π(파이)결합에 필요한 p오비탈 사이의 거리가 멀다. p오비탈의 중첩이 적게 일어나기 때문에 π결합이 약하고, 그로 인해 이중/삼중 결합이 단일 결합에 비해 많이 불안정해지는 것이다.[16] 즉 세포 등 기본적인 생체단위를 가지고 산화-환원을 통해 에너지를 얻는.