규소 Si
Silicon
| 라틴어의 silicis (부싯돌, 딱딱한 것)에서 유래. 1810 년에 베르셀리우스가 명명. |
규소 (Silicon, 硅素)
주기율표에서 탄소 바로 아래에 위치하는 규소(Silicon, 硅素)는 "유기계(Organic system, 有機系)"의 왕이라 불리는 탄소(Carbon, 碳素)에 대응하여 "무기계(Inorganic system, 無機系)"의 왕이라 불렸다.
규소는 지각에서 두 번째로 풍부한 원소로, 암석의 근본을 이루는 원소이다.
자연계에서의 규소
자연에서 규소의 기본 형태는 이산화규소(Silicon dioxide, 二氧化硅, SiO₂)이며,
- 석영(Quartz, 石英) 형태로 존재한다.
- 석영의 투명한 결정체는 수정(Crystal, 水晶)이라 불린다.
그러나 규소는 주로 규산이온(Silicate ion, 硅酸根離子, SiO₄⁴⁻)의 형태를 취하며,
다양한 금속과 이온 결합(Ionic bond, 離子鍵合)하여 규산염(Silicate, 硅酸鹽) 암석을 형성한다.
대표적인 규산염 암석은 다음과 같다.
- 화강암(Granite, 花崗岩)
- 현무암(Basalt, 玄武岩)
- 편마암(Gneiss, 片麻岩)
이러한 암석들은 지각(Crust, 地殼)을 이루는 주된 구성 요소이다.
규소의 화학적 특성과 결합
규소는 산소와 강하게 결합하는 경향이 있으며,
이로 인해 규산염 화합물은 매우 안정한 구조를 가진다.
- 탄소가 C-C 결합을 통해 유기물(Organic compounds, 有機物)을 형성하는 것처럼,
- 규소는 Si-O-Si-O 결합을 통해 길고 강한 사슬 구조를 형성한다.
이러한 규소-산소 골격(Silicon-oxygen framework, 硅氧骨架)은
암석과 같은 무기물질의 구조적 뼈대 역할을 한다.
그러나 Si-Si 결합은 C-C 결합만큼 안정하지 않기 때문에,
SF소설에서 등장하는 규소 기반 생명체(Silicon-based lifeforms)는 현실적으로 가능성이 낮다.
반도체로서의 규소
오랫동안 순수한 금속 규소를 제조하는 것은 어려웠으나,
현재는 식스나인(Six-nine, 99.9999%) 또는 그 이상의 고순도 규소(Ultra-pure silicon)를 제조할 수 있다.
주기율표에서 규소는 반금속(Metalloid, 半金屬) 원소에 속한다.
- 전형적인 금속(Metal, 金屬) 원소는 주기율표의 왼쪽과 중앙에 위치하며,
- 전형적인 비금속(Non-metal, 非金屬) 원소는 주기율표의 오른쪽에 위치한다.
- 규소는 이 둘 사이에 위치하며, 금속과 비금속의 성질을 모두 지닌다.
반금속 원소의 대표적인 특징은
- 반도체(Semiconductor, 半導體) 특성을 갖는다.
- 단체(Elemental form, 單體)로 존재할 수 있다.
규소의 전자공학적 활용
규소는 전형적인 반도체(Semiconductor)이며,
특히 단결정(Single crystal, 單晶) 성장 기술의 발전으로 활용도가 크게 증가했다.
단결정 규소는 매우 높은 순도를 가지며,
여기에 불순물(Impurity, 雜質)을 첨가하면
다양한 전기적 성질을 조절할 수 있다.
이러한 기술 덕분에 규소는
- 다이오드(Diode, 二極體)
- 트랜지스터(Transistor, 電晶體)
- LSI(Large-Scale Integration, 大規模集積回路)
등의 전자 부품에서 필수적인 재료가 되었다.
이로 인해 규소는 현대 전자공학(Electronics, 電子工學)의 핵심 원소로 자리 잡았다.
주석: 과학자 정보
앤드류 그로브 (Andrew Grove, 1936~2016, 헝가리/미국)
- 업적: 반도체 산업의 선구자, 인텔(Intel) CEO로서 현대 실리콘 반도체 산업을 발전시킴
- 기타: 실리콘 트랜지스터 및 마이크로프로세서 개발을 주도
윌리엄 쇼클리 (William Shockley, 1910~1989, 미국)
- 업적: 트랜지스터(Transistor) 공동 개발
- 수상: 1956년 노벨 물리학상(Nobel Prize in Physics) 수상
- 기타: 반도체 물리학의 아버지로 불리며, 실리콘 반도체 연구에 기여
존 바딘 (John Bardeen, 1908~1991, 미국)
- 업적: 트랜지스터 공동 개발, 초전도체 연구
- 수상: 1956년 및 1972년 노벨 물리학상 수상 (유일한 2회 물리학상 수상자)
월터 브래튼 (Walter Brattain, 1902~1987, 미국)
- 업적: 트랜지스터 공동 개발
- 수상: 1956년 노벨 물리학상 수상
클로드 섀넌 (Claude Shannon, 1916~2001, 미국)
- 업적: 정보 이론(Information Theory) 창시, 디지털 회로 이론 확립
- 기타: 현대 컴퓨터 및 반도체 기술의 이론적 기반을 제공
주기율표의 탄소 바로 밑에 오는 원소인 규소는 "유기계()의 왕"인 탄소에 대해 "무기계의 왕"이라 불렸다. 클라크수가 2번째의 풍부한 원소이며 암석의 근본이다.
자연계에 있는 규소의 기본적인 형태는 이산화규소 sio2로서 석영(그것의 투명한 결정이 수정)처럼 본래의 형태로도 존재한다. 그러나 일반적으로는 규산이온 sio44 4-의 형태를 취하고 여러가지 다른 금속과 이온성 결합을 하여 규산염 암석이 된다. 지각()에 있는 대표적인 암석, 이를테면 화강암, 현무암, 편마암 등은 모두 이 무리이다.
규소는 산소와 매우 단단하게 결합가기 때문에 규산염은 매우 안정한 화합물로서, 마치 유기물에 있어서의 탄소의 사슬처럼, Si-O-Si-O로 산소를 매체로 하여 규소가 서로 결합하여 길고 튼튼한 사슬을 형성한다 이 사슬이 암석 등 무기물질의 골격을 형성하고 있다. 그러나 규소의 경우에는 규소 원자끼리의 결합은 탄소끼리 만큼은 안정하지 못하다. SF소설에 나오듯이 규소의 골격으로 이뤄진 생물은 사실 좀 생각하기 곤란하다.
순수한 금속 규소를 만드는일은 오랫동안 잘 이루어지지 않았다. 그러나 최근에는 식스나인(99.9999%)이라든가 그 이상의 순도를 가진 규소가 만들어지게 되었다.
주기율표에서 규소 근처의 원소는 목차에서 구별해 두었듯이 반금속이라 불린다. 전기와 열을 잘 통하는 전형적인 금속 원소는 주기율표의 왼쪽에서부터 중앙쯤을 차지한다. 한편 주기율표의 오른쪽 부부능ㄴ 전형적인 비금속 원소이다. 이 사이에 있는 규소 등 몇몇 원소가 반금속인데 금속과 비금속의 성질을 더불어 지니고 있다. 그 대부분은 반도체()와 단체()가 된다.
규소는 전형적인 반도체이며 또 그 단결정(한 방향의 축을 따라 규칙적으로 배열된 결정)을 잘 성장시키는 기술이 진보했기 때문에 활용도가 넓혀졌다. 잘 성장시킨 단결정(single crystal)은 매우 고순도가 되는데 이것에다 여러 가지 불순물(impurity)을 가해주면 다양한 전기적 성질을 지니게 할 수 있다. 이러한 기술에 의해 규소는 현재 다이오드(diode)나 트랜지스터(transistor), LSI(대규모 집적회로) 등으로 엘렉트로닉스에서 빼놓을수 없는 재료가 되었다.