| [math(\Huge\ce{{\large 14}Si})] 규소/실리콘 | |||
| 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) |
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1. 개요
탄소족 원소에 속하는 준금속 원소로, 기호 Si. 영어 표기는 silicon.[1] 결정 구조는 다이아몬드와 같은 면심입방결정[2]이고 공간군은 Fd3m. 지구 지각의 구성 원소 중 산소(46%) 다음으로 높은 약 28%의 질량분율을 차지하며 우주에서는 여덟 번째로 많은 원소이기도 하다. 녹는 점은 1414 °C, 끓는 점은 3265 °C로 비교적 높은 편에 속한다.지구상에서 규소는 보통 4+ 이온에 4배위수를 갖는 규소 사면체 혹은 규산염 사면체 구조로 존재하며, 규산염 광물은 지표 대부분의 암석을 구성하고 있다. 구조에 대한 보다 자세한 내용은 규산염 광물을 참고. 규소를 특별하게 처리해야 하는 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 어두운색의 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 전자 기기 발달에 없어서는 안 될 필수 원소이다.
2. 언어별 명칭
| <colbgcolor=#f5f5f5,#2d2f34>언어별 명칭 | |
| 한국어 | 규소 |
| 한자 | 硅素(규소) |
| 독일어 | Kieselstoff(키젤슈토프) |
| 스페인어 | silicio(실리시오) |
| 영어 | silicon(실리콘) |
| 일본어 | [ruby(硅素, ruby=けいそ)], [ruby(珪素, ruby=けいそ)], ケイ[ruby(素, ruby=そ)](keiso, 케이소) |
| 중국어 | 硅(guī, 꾸이) |
| 프랑스어 | silicium(실리시엄) |
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(규토)'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, 중국에서는 1953년 중국 과학원에서 矽을 硅로 바꾸자는 건의에 따라 1957년 전국적으로 硅로 통일하게 된다.
2.1. silicon? silicone?
영어 발음상으로 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 휴대 전화 케이스 등의 제품에 들어가는 실리콘은 후자의 것을 말하는 것. 한글로는 둘 다 '실리콘'이라고 표기하지만, 전자가 원소인 규소 자체를 의미하는 반면, 후자는 규소에 탄소 사슬과 산소가 결합한 것으로, 실리콘 수지 등에 이용되는 것을 가리킨다. 자세한 내용에 대해선 실리콘 항목 참조. 참고 문서
3. 특징
- 실온에서는 고체 상태로 존재한다.
- 열전도율이 149 W·m-1·K-1로 상당히 높은 편. 그래서 단열 목적으로 사용하기에는 적합하지 않다.
- 전기 저항과 온도가 반비례하는 성질을 가지고 있어서 반도체의 성질을 보인다.
- 물과 기름에 섞이지 않는다.
- 최후의 항성 핵융합 반응인 규소 연소 과정의 연료다. 주계열 영년 시의 질량이 태양 질량의 12배를 넘긴 매우 무거운 항성은 규소를 핵융합할 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 들뜬상태가 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 구성 물질들을 다시 우주로 날려보낸다. 초신성 폭발에 휘말리지 않은 니켈-56은 코발트-56을 거쳐 안정한 철-56으로 붕괴한다.
4. 역사
1787년 앙투안 라부아지에가 규소에 대한 연구를 한 것이 최초다. 그러나 당시 기술로는 완벽하게 원소를 추출하지 못했기 때문에 규소 산화물인 실리카를 원소로 규정했다.그 후 1808년 6월에 험프리 데이비가 물의 전기 분해가 발표되고 난 후 이를 이용해 순수한 규소를 얻으려는 시도를 했으나 실패로 돌아갔는데 이때 데이비는 발견되지 않은 규소 원자를 실리슘(silicium)이라고 불렀다.
1811년, 테나르가 플루오르화 규소(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 생트클레르 드비유(프랑스)가 전기 분해법으로 만들어냈다.
5. 용도
5.1. 반도체
규소는 컴퓨터나 태양 전지 등에도 사용되는 반도체의 대표적인 소재이다. 반도체란 전기를 통하는 전도체나 전기를 통하지 않는 절연체의 중간적인 물질로, 공업적으로 전류가 흐르는 정도를 조절할 수 있는 가능성을 가지고 있는 재료를 말한다. 산업적으로는 그 성질을 이용해서 정밀 기기의 전자 소재에 많이 쓰인다. 참고로 샌프란시스코의 반도체나 하이테크 기업이 밀집한 지대를 '실리콘밸리'라 부른다.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.[7]
- 초고순도의 단결정 제작이 가능하다.
- 단일 원소로 이루어진 소재이기에 조성의 제어가 필요하지 않다.
- 다양한 도핑 원소를 이용하여 n 타입[8] 혹은 p 타입[9]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.
태양 전지용 실리콘 웨이퍼는 원가 절감을 위해 다결정 실리콘을 사용한다. 단결정 실리콘의 은빛 광택이 아니라 여러 색깔(파란색이 강하게 나타난다)이 나타나는 깨진 유리 조각 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. 전기 기기
전동기, 발전기, 변압기 등 전자기 유도 현상을 이용하는 각종 전기 기기에서는 탄소 대신 규소를 첨가한 규소 강판을 사용해 히스테리시스 손실을 줄인다.5.3. 야금
알루미늄 합금에 규소를 추가하면 냉간 단조 및 열처리, 주조 시 뛰어난 미세 부분 표현[10] 등의 장점을 갖는다. 다만, 과도한 규소 성분의 추가는 재료 내부의 강성을 약화시킨다.5.4. 고분자
탄소와 같은 14족 원소이자, 탄소 바로 밑에 있는 원소여서 무기 고분자 중에서는 두 가지 다른 결합 방식을 갖는 유일한 원소이다. 물론, 탄소를 주축으로 한 유기 고분자만큼 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.
5.5. 세라믹
유리, 이산화 규소, 탄화 규소 문서 참조.5.6. 생필품
대한민국 법적으로 2%까지 식품 등에 이산화 규소를 첨가할 수 있다. 그래서 치약, 아이스티, 커피, 콘택트렌즈, 김의 방부제 등에 사용된다. 또한 실리카 젤도 이산화 규소이다.5.7. 에너지 분야
희토류 없이도 고속 충방전과 높은 사이클 특성을 보이는 규소 이차 전지 기술이 개발되었다.참조 링크5.8. 생물에서
규소 기반 생명체는 아직까지 상상의 영역이지만 현실의 탄소 기반의 생명체도 규소를 이용한 화합물을 신체에서 만들기도 한다. 한 가지 예로 동물과 가장 가까운 진핵생물로 유명한 깃편모충 중 일부 종은 규소 화합물로 구성된 구조체를 형성하는데 이는 다른 생물로부터 수평 전파 받아 획득한 형질로 알려져 있다.#규소를 세포벽으로 두르고 있는 생물군은 규조강이라 한다.
규소를 필수 영양소로 필요로 하는 식물이 있다. 볏과 식물과, 특히 속새가 규산염을 많이 필요로 한다. 속새는 규산염이 얼마나 많은지 예전에는 놋그릇을 닦는 데 쓸 정도였다. 쐐기풀도 바늘을 규산염으로 만든다.
화석 중 규화목이라는 게 있는데 이는 규소로 이루어져있다. 이는 본래부터 규소였던 것은 아니고 나무가 묻힌 후 오랜 시간이 지나면서 나무의 구성 원소 중 탄소로 되어있는 부분이 사라지고 그 빈 공간을 규소가 메꾸어 단단해진 것이다.[11]
6. 규소 기반 생명체
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7. 여담
- 규소에 의한 진폐증의 일종인 규성 진폐증 의 영단어 인 pneumonoultramicroscopicsilicovolcanoconiosis는 현재까지 인류가 만든 공식적인 [12]세계에서 가장 긴 단어다.
[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 가타카나로 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 전문 용어로 성장(growth)이라고 한다.[8] 인(P), 비소(As) 등 15족(원자가 전자가 5개인) 원소를 도핑해 준 경우를 말한다. 전하 캐리어(carrier) 중 자유 전자(free electron, '자유'라는 말 떼고 편하게 전자라고 부르기도 한다.)의 움직임이 우세하다.[9] 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.[10] 규소 성분이 추가되면 주조 과정에서 정밀한 부분까지 구현 가능하다. 예시로 BMW와 Audi는 자사의 엔진 블럭 제조 공정에서 Si 성분이 추가된 알루미늄-규소 합금을 사용한다.[11] 대부분의 화석은 이처럼 생체 조직은 진작에 사라지고 그 안을 (대개 규소로 된) 광물이 채워 형성된 것이다. 생물 조직 중 가장 오래 남는 뼈조차도 지구과학적 시간으로는 찰나에 가까운 1000년 만에 삭아 사라진다. 그나마도 건조할 때 그렇고 습하면 수십 년 만에 사라진다고 한다.[12] 비공식 까지 포함하면 티틴이 189,281글자(...)으로 더 길다.아무도 실제로 말한 사례는 없다