[반도체 이야기] 3. 원소주기율표(periodic table)

[봄돌아빠]

[반도체 이야기] 3. 원소주기율표(periodic table)

반도체로  쓰이는 물질의 대표적인 것으로 Si(silicon, 규소)와 Ge(germanium, 게르마늄-요즘은 '저마늄'이라고 부르는...)이 있습니다.

특히 실리콘은 반도체 소자로 가장 많이 사용되는데 지구상에 풍부하게 존재하는 물질입니다.

 

원소명 : 규소 , Silicon

어  원 : 부싯돌의 라틴어 Silex에서 유래됨

역  사 : 1824년 Jons J. Berzelius에 의해 확인됨

산  출 : 지각무게의 25.9%를 차지하는 풍부한 원소임

외  관 : 무정형 Si→갈색 분말

          결정형 Si→푸르스름한 빛을 내는 어두운 회색

          순수 Si→SiO2층으로 덮여 있음

그렇다면, 이러한 실리콘 반도체의 전기전도도를 어떻게 조절할 수 있는 걸까요?
바로, 반도체 물질에 불순물을 주입하는 것입니다. 이온주입법(ion implantation)은 가장 많이 사용되는 방법으로 주입하는 불순물의 양에 따라 반도체 물질의 전기전도도를 조절할 수 있는데요. 불순물과 반도체의 관계에 대해서는 다음에 자세히 알아보도록 하겠습니다.

원자구조와 주기율표

우리가 반도체 물질에 대해서 좀 더 잘 알기위해서 원소와 원자구조에 대한 기본적인 이해가 필요한데요. 이에 대해서 알아보도록 합시다.

물질을 계속해서 쪼개어 나가다 보면 물질의 성질을 가지는 가장 작은 입자 단위인 분자를 지나서 원자(atom)라는 아주 작은 입자가 됩니다. 이 원자는 양성자(proton), 중성자(neutron), 전자(electron)로 구성되어 있습니다.

이러한 원자구조는 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵을 중심으로 전자들이 일정한 궤도를 돌고 있는 모양을 하고 있는데 마치 지구나 화성이 태양 주위를 돌고 있는 태양계의 모습을 연상시킵니다.

여기서, 원자핵 주변을 돌고 있는 전자들 중 가장 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 전자를 '최외각 전자'라고 합니다. 최외각 전자들은 8개를 채우려 하는 성질이 있는데 최외각 전자가 8개가 되면 안정적인 상태의 물질이 되기때문입니다. 이것이 원자와 원자를 서로 결합시키는 원동력이 되어 분자(molecule)가 됩니다. 이러한 분자들이 모여서 물질이 되는 것입니다.
그리고 최외각 전자의 개수가 같은 원자들끼리는 유사한 성질을 가지고 있는데 이렇게 최외각 전자의 수에 따라 원자들을 분류해 놓은 표를 '원소주기율표'(periodic table)라고 합니다.

1869년 러시아의 화학자인 '드미트리 멘델레예프'(D. I. Mendeleev, 1834~1907)는 원소들을 연구하면서 한 가지 흥미로운 사실을 발견하였습니다. 당시까지 알려져 있던 원소들을 원자량의 순서에 따라 배열하였을 때, 화학적 성질이 비슷한 원소가 일정한 간격을 두고 주기적으로 나타난다는 것이었습니다. 이러한 사실을 토대로 하여 멘델레예프는 최초의 주기율표를 만들었습니다. 그러나 그 때까지 발견된 원소는 63종류에 불과했기 때문에 그가 제안한 주기율표에는 빈 칸이 많았습니다.

1914년 영국의 물리학자 '헨리 모즐리'(H. G. J. Moseley, 1887~1915)는 여러 원소로부터 얻은 X선의 파장을 조사하여 분석하는 실험을 하였습니다. 그는 이 실험을 통해 원소의 주기적 성질이 원자량보다는 원자 번호와 더 관계 있다는 사실을 발견하였습니다. 원자 번호에 따라 원소들을 배열해 보니 주기적 특성이 더 정확하게 나타난 것이었습니다. 이는 현대의 원소 주기율표와 유사하였습니다.

가장 많이 쓰이는 주기율표에는 단주기형과 장주기형이 있습니다. 단주기형 주기율표는 1주기와 3주기를 기준으로 하고, 4주기 아래로는 전형원소와 전이원소가 같은 칸에 있습니다. 이 단주기형 주기율표는 초기에 쓴 모델로 원자가 많이 알려지지 않았을 때 많이 사용하였습니다. 

현재는 국제순수응용화학연맹(IUPAC : International Union of Pure and Applied Chemistry)에서 고안한 장주기형 주기율표가 사용되는데 이는 총 118개의 원소를 18족으로 분류한 것입니다.

<클릭을 하면 큰 그림으로 볼 수 있습니다.>

주기율표의 각 원소 기호 위에는 원자 번호가 적혀 있고 아래쪽에는 원소들의 우리말 명칭이 적혀 있습니다. 각 원소의 원자 번호는 원자가 가지는 양성자 수를 나타내는데, 중성원자의 경우 양성자 수와 전자 수가 같기 때문에 전자 수를 나타낸다고도 할 수 있습니다. 표는 18개의 세로줄, 7개의 가로줄 그리고 2개의 특수줄로 구성되어 있습니다. 각 세로줄을 족(family)이라고 하는데, 같은 족의 원자들은 비슷한 전자 배치를 가지기 때문에 비슷한 성질을 가지게됩니다. 그리고 가로줄을 주기(period)라고 하는데, 같은 주기 원소들의 성질이 비슷하지는 않지만 원자 번호의 증가 순서에 따라 일정한 경향성을 나타냅니다.

주기율표에 있는 원소 대부분은 자연에 존재하지만 94번 이상의 원자번호가 큰 무거운 원소들은 인공 합성한 경우가 많습니다. 최근(2012년 10월)에는 러시아와 미국의 과학자들에 의해서 합성된 두 개의 새로운 화학원소 114번(Uuq, 우눈쿼듐)과 116번(Uuh, 우눈헥슘)이 플레로븀(Fl : flerovium), 리버모륨(Lv : livermorium)이라는 공식이름을 갖게 되었습니다. 이로써 2013년 1월 현재 118개의 원소 중에서 113번 우눈트륨(Uut), 115번 우눈펜튬(Uup), 117번 우눈셉튬(Uus), 118번 우누녹튬(Uuo) 원소만 임시 명칭으로 사용되고 있습니다.