정보 통신 혁명의 주역 - 규소(실리콘, Si)

[겨울의 꿈]

고대부터 사용되어온 주요 건축 재료인 흙과 사암의 주성분이 규소의 산화물이나 규산염이라는 점에서 규소의 이용은 인류의 역사와 함께 시작했다고 볼 수 있다. 이제 규소는 반도체와 각종 첨단 기술 장치에 꼭 필요한 원소가 되었다. 이를 반영하듯 미국 서해안의 실리콘 밸리를 비롯한 세계 여러 곳의 첨단 과학 기술 단지의 이름에 실리콘이라는 단어가 들어가는 경우가 많다. 또한 규소는 실리콘 고무, 실리콘 오일, 성형 수술에서 쓰이는 보형물인 실리콘(silicone)의 구성 원소이기도 하다. 규소의 영어명은 실리콘(silicon)이다. 영어 원소명 실리콘과 이의 고분자 화합물 실리콘(silicone)을 구분하기 위해, 이 글에서는 원소를 규소라고만 부르기로 한다. 규소에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.

원자번호 14번, 규소

규소(silicon)는 원자번호 14번의 원소로, 원소기호는 Si이다. 주기율표에서는 탄소족이라 불리는 14족(4A족)의 탄소 바로 아래에 있으며, 금속과 비금속의 특성을 모두 갖는 준금속이다. 실온 부근에서는 무정형 갈색 분말 형태와 푸른색을 띠는 진한 회색의 결정 형태의 두 가지 동소체가 있다. 온도가 높지 않으면 거의 화학 반응을 하지 않으나, 용융된 상태에서는 반응성이 아주 크다.

원자번호 14번, 규소.

규소의 원소 정보.

규소는 지각에서 산소 다음으로 풍부한 원소로, 지각 무게의 약 27.6%를 차지하는 것으로 추정된다. 규소는 또한 태양과 별에서도 검출된다. 자연 상태에서 규소는 원소 상태로는 존재하지 않으며, 주로 산소와 결합한 이산화규소(실리카, SiO₂)나 규산염(Si, O, 금속의 화합물) 형태로 존재하는데, 이들은 지각 암석과 암석이 부서져 생긴 것(흙, 점토, 모래 등)의 무게의 약 95%를 차지한다.

원소 상태의 규소는 주로 SiO₂를 탄소로 환원시켜 얻는다. 규소의 가장 중요한 용도는 여러 가지 전자 장치나 태양광 전지를 만드는 것이다. 그러나 양적으로는 철, 알루미늄, 구리 등과 합금을 만드는데 보다 많이 사용된다. 모든 유리의 제조에 SiO₂가 사용되며, 탄화규소(카보런덤, SiC)는 연마제와 내화물로 요긴하게 사용된다. 규소는 또한 윤활유, 합성 고분자 물질인 실리콘(silicone) 등의 구성 성분이다. 규소는 식물에게 필요한 원소이기도 하다.

규소의 발견과 명명

인류는 선사 시대부터 흙, 점토, 암석 등 규소가 포함된 천연물질을 사용하여 왔다. 그러나 규소가 원소라는 생각은 아무도 하지 못하였는데, 1787년에 라부아지에(A. Lavoisier, 1743~1794)가 고대에서부터 불을 붙이는데 사용한 부싯물(석영의 일종으로 성분은 SiO2)에서 규소를 처음으로 확인하였다. 용융염을 전기분해시켜 여러 알칼리 및 알칼리 토금속 원소들을 분리한 데이비(H. Davy, 1778~1829)가 같은 방법으로 규소 원소를 분리하고자 하였으나 성공하지 못하였다. 결국 원소 상태의 규소는 1824년에 베르셀리우스(J. Berzelius, 1779~1848)가 헥사플루오르화규소포타슘(K2SiF6)을 용융된 포타슘을 써서 환원시키는 방법으로 얻을 수 있었다. K2SiF6 + 4K → Si + 6KF 톰슨(Thomas Thomson, 1773~1852)은 부싯돌의 라틴어 silex(단수는 silicis)에다가 이 새로운 원소가 붕소(boron), 탄소(carbon)와 성질이 비슷하기 때문에 어미로 ‘on’을 붙여 ‘silicon’이라 명명하였다. 한자식 이름 규소(硅素)는 유리를 만드는 흙의 원소라는 뜻이다.

베르셀리우스는 1824년 원소 상태의 규소를 얻는 데 성공했다.

규소의 물리적 성질

규소 원자는 14개의 전자를 가지고 있다. 이는 네온(Ne)에 4개의 전자가 더해진 것으로, 바닥 상태 전자배치는 [Ne]3s²3p²가 된다. 화합물에서 규소의 주된 상태상태는 +4이나, 경우에 따라서는 -4~+3 사이의 다른 산화수를 갖기도 한다. 규소는 탄소보다 훨씬 휘발성이 크고(녹는점 1420^oC) 증발열도 작다. 이는 Si-Si 결합에너지가 C-C 결합에너지보다 작음을 반영한다. 끓는점은 약 3,280^oC로 아주 높은 편이다. 밀도는 2.336g/cm³로 탄소족 원소 중에서는 가장 작다. 전기 저항은 순도에 따라 크게 다르고 온도가 높을수록 작아지는데, 실온에서의 비저항은 저마늄(Ge)과 비슷한 약 1000Ω∙cm이다. 이는 다이아몬드의 1/10¹² 정도에 불과하나, 주석과 납에 비해서는 약 10⁸ 배가 큰 전형적인 반도체 성질을 보인다. 규소 단결정은 기계적 힘을 주면 전기 저항이 상당히 변하는데, 이는 압전효과에 의한 것이다.

규소는 실온에서 분말형과 결정형의 두 동소체가 존재하는데, 결정형에서는 다이아몬드처럼 각 규소 원자에 4개의 규소 원자들이 정사면체 형태로 결합되어 있다. 압력이 아주 높아지면 다른 결정 구조를 갖는 동소체로 전환된다.

자연상태에서 규소의 동위원소로는 ²⁸Si(92.23%), ²⁹Si(4.67%), ³⁰Si(3.10%)의 세가지가 있다. ²⁹Si는 핵 스핀이 1/2로 핵자기공명(nmr) 분광학에 사용된다. 이외에 20여 가지의 방사성 동위원소가 얻어졌는데, 가장 반감기가 긴 것이 ³²Si(반감기 170년)로 작은 에너지의 β선을 내며 붕괴한다. 반감기가 2.62시간인 ³¹Si은 ³⁰Si에 중성자를 쪼여 만들며, 큰 에너지의 β선을 내고 붕괴하기 때문에 중성자활성화(neutron activation)에 의한 규소 정량 분석에 유용하게 이용된다.

규소의 선스펙트럼.

규소의 화학 반응성

결정성 덩어리 형태의 규소는 온도가 높지 않으면 화학 반응성이 거의 없다. 산소, 물, 수증기 등이 거의 영향을 미치지 않는데, 이는 원자 몇 개 두께의 SiO₂ 보호 피막이 생기기 때문으로 여겨진다. 950^oC 이상에서는 공기 중에서 산화되어 유리질 SiO₂를 만들고, 1,400^oC 이상에서는 공기 중의 질소와도 반응하여 SiN과 Si₃N₄를 만든다. 유황(S)과는 약 600^oC에서, 인(P)과는 약 1,000^oC에서 반응한다.

규소는 산 수용액에도 거의 녹지 않으나, 진한 질산(HNO₃)과 HF의 혼합물과는 반응하여 SiF₄를 만든다. 뜨거운 알칼리 수용액에서는 다음 반응이 일어나면서 녹는다.

Si + 4OH^- → SiO₄^4- + 2H₂

할로겐 원소들과는 비교적 쉽게 반응하는데, F₂와는 실온에서도 격렬하게 반응하며, 온도가 높으면 다른 할로겐 원소들과도 반응한다. 구리(Cu) 촉매 존재 하에서는 높은 온도에서 할로겐화 알킬(RX)과도 반응하는데, 염화메틸(CH₃Cl)의 경우 반응식은 다음과 같다.

2CH₃Cl + Si → (CH₃)₂SiCl₂ (Cu 촉매, 약 300^oC)

고체 상태와는 달리, 용융된 규소는 아주 반응성이 크며 대부분의 금속과 합금이나 규소화물을 만든다. 또 금속 산화물을 금속으로 빠르게 환원시키고 자신은 SiO₂가 된다. 

규소의 생산과 이용

규소는 주로 실리카라 불리는 이산화규소(SiO₂)와 탄소(주로 코크스)를 1,900^oC 이상에서 반응시켜 얻는다. 이때 얻어지는 규소는 야금 등급으로 96~98%의 순도를 갖는다.

SiO₂ + 2C → Si + 2CO

반도체 등에 이용되는 규소는 아주 높은 순도를 필요로 하는데, 이처럼 높은 순도의 규소를 얻는 방법에는 여러 가지가 있다. 이중 띠정제(zone refining)는 야금 등급의 규소를 순수하게 만드는데 많이 사용되는 방법이다. 이외에 실리카 등의 규소 화합물을 용융 상태에서 전기분해시키거나, HSiCl₃나 실레인(규소-수소화물)을 열분해시키는 방법도 고순도 규소를 얻는데 사용된다. 지멘스(Simens) 법이라 부르는 HSiCl₃의 열분해에서는 불순물이 10^-9% 정도에 불과한 고순도의 규소가 얻어진다.

2HSiCl₃ → Si + 2HCl + SiCl₄  (1,150^oC)

초크랄스키 법을 통해 만들어진 단결정 실리콘. <출처: (CC)Stahlkocher at Wikipedia.org>

그런데 이들 방법으로 얻어지는 규소는 작은 결정체들로 이루어진 폴리실리콘(polysilicon)인 반면, 전자 장치나 태양광 전지 등에 사용되는 규소는 초고순도의 단결정이다. 주로 초크랄스키(Czochralski) 법이라는 단결정 성장 방법을 써서 폴리실리콘을 단결정으로 변환시킨다. 단결정 규소는 웨이퍼(wafer)로 가공되어 트랜지스터, 다이오드(교류를 직류로 변화시키는 장치), 태양광 전지(빛 에너지를 전기에너지로 전환시키는 장치) 등을 제작하는데 사용된다. 규소는 저마늄보다 더 높은 온도와 더 짧은 파장에서도 효과적으로 작동하고, 산화물 막을 용이하게 성장시킬 수 있으며, 반도체와 절연체의 접착이 좋기 때문에 반도체 산업에서 보다 많이 사용된다. 양적으로는 합금 제조에 가장 많이 사용된다. 중요한 규소 합금으로 철, 알루미늄, 아연, 마그네슘과의 합금이 있다. 철과의 합금인 페로규소(ferrosilicon, FeSi)는 야금 규소의 제조 과정에서 고철이나 다른 형태의 철을 로에 넣으면 만들어진다. 페로규소는 강철의 강도를 높이고 제철과정에서 생성되는 불순물을 제거하는 데 사용된다. 그리고 돌로마이트(dolomite, 백운석: CaCO3∙MgCO3)에서 마그네슘을 제련하는데도 이용된다. 규소 강판은 자기유도도가 높아 변압기의 철심으로 중요하게 사용된다. 구리 합금은 전선 및 전화선에 이용된다. 야금 규소의 약 절반은 알루미늄과의 합금을 만드는데 이용되는데, 이 합금은 금형과 자동차 부품을 만드는데, 그리고 용접에 사용된다. 또한 규소 합금은 내부식성이 아주 좋기 때문에, 대형 건축물, 다리, 선박과 기차 등의 교통기관의 제작에도 이용된다. 규소의 약 40%는 실리콘(silicone: 규소의 영어명과 우리말 표기는 같으나 영어 표기에는 끝에 ‘e’가 들어감)이라 불리는 규소-산소, 규소-탄소 결합을 갖는 유기 규소 화합물을 만드는 원료 물질로 사용된다. 실리콘 오일, 실리콘 수지, 실리콘 고무 등이 여기에 속하는데, 이들에 대해서는 아래에서 보다 자세히 기술하였다.

2010년 기준으로 년간 약 700만 톤의 규소 및 페로규소(약 80% 차지)가 생산되었는데, 이의 약 2/3가 중국에서 생산되었다. 최근에는 우리나라 여러 회사들도 실리콘의 생산 시설을 새롭게 만들거나 늘리고 있다.

페로규소. <출처: (CC)FocalPoint at Wikipedia.org>

석영. <출처: (CC)JJ Harrison at Wikipedia.org>

규소 화합물

수 많은 천연 및 인공 규소 화합물들이 요긴하게 사용되고 있다. 그 중에서 우리에게 가장 친숙한 것은 아마도 실리카로 불리는 이산화규소(SiO₂)일 것이다. 실리카는 여러 가지 결정형으로 존재하는데, 천연 물질로는 모래와 수정(quartz: 석영이라고도 함)이 있으며, 규조류의 세포벽에서도 발견된다. 인공적으로 가공하여 만든 실리카로는 용융 상태의 SiO₂를 빠르게 냉각시켜 얻은 석영 유리, 규산소듐(Na₂SiO₃)에 산을 가해 침전을 얻은 후 이를 탈수시켜 만든 다공성의 실리카 겔(silica gel) 등이 있다.

실리카는 녹는점이 매우 높고(1,600^oC 이상) 전기 부도체이며 화학 반응성이 거의 없기 때문에 규소 웨이퍼나 다른 고체의 표면에 이를 성장시켜 아주 유용하게 사용된다. 규소 위에 실리카 막을 성장시키는데는 고온에서 O₂나 H₂O와 반응시키거나 Si(OC₂H₅)₄를 열분해시키는 방법 등이 사용된다.

수정은 지각에서 두번 째로 풍부한 광물로, 중심에 있는 Si 원자가 각 꼭지점에 있는 4개의 산소 원자와 결합한 정사면체의 3차원적 구조를 하고 있다. 보석으로 사용되며(미량의 금속 불순물이 포함되면 그 금속 특유의 색을 띰), 기계적-전기적 변화를 상호 교환하는 압전(piezoelectric) 성질이 있어 수정시계와 초정밀 저울에 이용된다. 또한 자외선을 잘 통과하기 때문에, 자외선 분광기의 시료 용기를 만드는데 쓰인다. 실리카는 양적으로는 유리 제조에 가장 많이 쓰이는데, 판유리와 병유리는 대략 75%의 실리카와 25%의 산화소듐(Na2O)으로 구성되어 있다. 실리카는 또한 도자기와 연마제의 제조, 물 여과 장치, 단열제 등에도 사용된다. 그리고 식품, 화장품, 약품에 첨가되기도 하며, 종이와 고무의 충진제로도 사용된다. 실리카 겔은 수분을 흡수하는 건조제로 활용되는데, 특히 실험실용 건조기와 식품 포장에 넣는 건조제로 많이 쓰인다.

압전성질이란 기계적-전기적 변화를 상호 교환하는 성질을 말한다. <출처: (CC)Mael Guennou - Titzeff at Wikipedia.org>

다양한 구조의 여러 규산염(silicate)들이 광물로 얻어지거나 인공적으로 합성되는데 상업적으로 아주 중요한 것으로는 규산소듐(Na₂SiO₃)과 규산포타슘(K₂SiO₃)을 들 수 있다. 이들은 물에 녹으며, 모래와 Na₂CO₃(또는 K₂CO₃)를 용융시켜 만든다.

M₂CO₃ + SiO₂ → M₂SiO₃ + CO₂ (M은 Na 또는 K)

Na₂SiO₃의 진한 수용액을 물유리 또는 액체유리라 부르는데, 시멘트, 연소성 물질의 방염처리, 내화물, 내열성 접착제, 섬유 및 목제 처리 등에 사용된다. Na₂SiO₃는 중성 용액이나 알칼리 용액에서는 안정하나, 산성에서는 H⁺과 반응하여 규산(H₂SiO₃)을 만든다. 규산을 가열하여 탈수시키면 실리카 겔이 얻어진다.

Na₂SiO₃ + 2H⁺ → H₂SiO₃ + 2Na⁺
H₂SiO₃ → SiO₂(실리카 겔) + H₂O

규소는 붕소나 탄소처럼 여러 금속과 이성분 규소화물을 만든다. 1족 및 2족 원소와의 규소화물은 보통 반응성이 크다. 예로, Na₂Si는 물과 빠르게 반응하여 Na₂SiO₃와 H₂로 변환되며, Mg₂Si는 황산과 반응하여 MgSO₄와 SiH₄가 된다.

탄화규소(silicon carbide, SiC)는 카보런덤(carborundom)으로도 불리는데, 녹는점이 2,730^oC로 아주 높고, 모스 경도가 약 9.5로 매우 단단한 물질이다. 이 물질은 고품위 수정 모래와 코크스 혼합물에 직접 전기를 통해 1,600~2,500^oC로 가열하여 얻는다.

SiO₂ + 3C → SiC + 2CO

순수한 SiC는 폴리메틸실라인(polymethylsilyne)의 열분해로 만들 수 있다. SiC의 승화나 화학 증착법으로 고체 표면에 SiC를 성장시킬 수도 있다. SiC는 연마제로 많이 사용되며, 내화물과 저항발열체로도 쓰인다. 최근에는 다이아몬드 모조품으로도 사용되며, 전자회로 제작에도 쓰인다.

탄화규소로 만들어진 원형 연마재. <출처: (CC)Albert at wikipedia.org>

탄화규소는 다이아몬드 모조품으로도 사용된다.

Si와 SiC는 모두 할로겐(X₂)과 쉽게 반응하여 SiX₄를 생성한다. SiX₄를 고온에서 Si와 다시 반응시키면 일반식이 Si_nX_2n+2인 화합물들이 얻어진다.

규소의 수소화물을 실레인(silane)이라 하며, 이의 화학식은 Si_nH_2n+2으로 포화탄화수소인 알케인(alkane)에 대응하는 화합물로 볼 수 있다. 요소를 처음 합성한 뵐러(F, Wohler, 1800~1882)가 SiH₄를 1858년에 처음으로 합성하였는데, 본격적인 개발은 1910년대에야 시작되었다. 실레인은 대응하는 탄소화합물에 비해 반응성이 크며, 열분해시키면 Si이 얻어진다. 초고순도 규소의 상업적 제조는 주로 SiH₄를 열분해시키는 방법으로 이루어진다.

유기 규소 화합물과 실리콘(silicone)

수많은 유기규소화합물(Si-C 결합을 갖는 화합물)이 합성되었으며, 유기규소 고분자 물질도 다수 합성되었다. 이들 유기 규소 화합물들은 비교적 열과 화학약품에 안정하다. 규소를 포함하는 고분자는 3가지 유형이 알려져 있다. 하나는 폴리실렌(polysilylene)으로 고분자 주축이 Si로 이루어져 있다. 다른 하나는 폴리카르보실레인(polycarbosilane)으로 반복되는 –Si-Si-C-를 주축으로 하는 고분자로, 내열성 탄화규소 세라믹이나 섬유를 만드는 전구물질로 이용된다. 또 다른 한 가지는 폴리실록산(polysiloxane)으로 반복되는 –Si-O-를 주축으로 하는 고분자이다. 이들의 화학 구조는 다음과 같다 (R은 수소 원자 또는 알킬기).

폴리실록산(일반식 (R₂SiO)_n)을 보통 실리콘(silicone)이라 부르며, 오일, 수지, 고무 등 여러 가지 형태가 있다. R이 메틸기인 폴리디메틸실록산(PDMS)이 가장 대표적인 실리콘으로, 흐름 성질이 특이하며, 반응성과 독성이 거의 없고, 불에 잘 타지 않아 윤활유, 브레이크 오일 등으로 사용된다. 실리콘 고무와 수지는 선형 실리콘 고분자를 가교시켜 얻는다. 실리콘(silicone)은 오일 이외에도, 찰흙처럼 자유롭게 형태를 만들 수 있는 실리 퍼티(silly putty)와 탄성이 아주 좋은 공인 슈퍼볼(Superball)과 같은 장남감을 만드는데 쓰이기도 하고, 각종 내후성재료, 접착제, 기포제, 화장품 첨가제, 내열-내약품성 고무 및 의료 용구, 진동을 줄이는 재료, 콘택트 렌즈 재료 등으로 사용된다.  성형 수술에서 몸에 주입되는 보형물인 실리콘도 이 계통의 물질이다.

가슴 성형에 사용하는 실리콘이 채워진 보형물.

실리콘은 방수성 밀폐제로 사용된다. <출처: (CC)Achim Hering at Wikipedia.org>

규소의 생물학적 역할

규소는 식물에 필요한 원소로 인식되고 있는데, 여러 조직을 단단하게 하는데 규소가 사용되고 벼를 비롯한 일부 식물에서는 성장에 필요한 것으로 여겨진다. 그러나 흙의 주성분이 실리콘 화합물이고, 정수되지 않은 물에도 약간의 규소가 녹아있으므로 별도로 줄 필요는 없다. 규소가 동물에게 꼭 필요하지는 않은 것으로 보인다. 규소와 관련된 심각한 질병으로 규폐증(silicosis)이 있는데 광산 등에서 일하는 작업자가 모래나 암석 미세 분말이 들어있는 공기를 장기간 마실 때 나타나는 폐질환이다. 호흡 곤란과 기침, 두통, 부종의 증상을 보인다.

과학자들은 규소와 탄소가 같은 족에서 바로 이웃하기 때문에, 탄소 대신 규소를 사용하는 생명체가 존재하며, 이 생명체는 일반 생명체와는 다른 생명현상을 보일 수 있을 가정하고 이를 찾고자 시도하고 있다.

1. 수치로 보는 규소

   규소의 표준원자량은 28.0855g/mol이다. 원자의 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p² ([Ne]3s²3p²)이며, 주된 산화수는 +4이나, 화합물에 따라서는 -4~+3 사이의 값을 갖기도 한다. 지각에서의 존재비는 약 27.6%로 산소 다음으로 풍부하다. 1기압에서 녹는점은 1,420^oC이고, 끓는점은 약 3,280^oC이다. 실온에서의 밀도는 2.336g/cm³이다. SiO₂로의 연소열은 32.43J/g(7.75cal/g)이다. 녹음열과 증발열은 각각 50.6kJ/mol과 383kJ/mol이다. 전기 비저항은 약 1000Ω∙cm이고, 띠 간격 에너지는 106.7kJ/mol이다. 자연 상태에서는 안정한 동위원소 ²⁸Si(92.23%), ²⁹Si(4.67%), ³⁰Si(3.1%)로 있다. 첫 번째와 두 번째 이온화 에너지는 각각 786.3kJ/mol과 1576.5kJ/mol이다.

2. 탄소족 원소

   주기율표에서 14족(4A족)에 속하는 원소들로, 탄소(C), 규소(Si), 저마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb)이 여기에 속한다. 탄소는 비금속이고 주석과 납은 금속이며, 규소와 저마늄은 비금속과 금속의 특성을 모두 갖는 준금속으로 반도체이다. 4개(s와 p 전자 각각 2개)의 원자가 전자가 있어, 화합물에서는 주로 +4의 산화상태를 갖는다.

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

출처:네이버캐스트