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[케뉴-원소 이야기] 반도체 주원료, 규소(Si)...실리콘?
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[케뉴-원소 이야기] 반도체 주원료, 규소(Si)...실리콘?
  • 이민준 기자
  • 승인 2021.02.04 18:35
  • 댓글 0
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규소(Silicon), 암회색 금속성 물질의 원자번호 14번의 화학원소
실리콘(Silicone), 규소를 원료로 해 합성한 규소수지

화학의 가장 기본적인 원소와 우리 생활과의 연관된 이야기들로 독자 여러분들을 찾아가려고 합니다. 원소의 개수가 118개라고 하니 앞으로 다양한 이야기들을 기대해주세요. [편집자주]

규소는 영어로 'Silicon(실리콘)'이다. 우리가 흔히 알고 있는 그 실리콘일까?

말랑말랑한 고무 같은 재질의 일상 생활용품에서 많이 볼 수 있는 실리콘(Silicone)과 같은 단어라고 생각할 수 있는데 규소는 알파벳 e가 없다. 영문 글자도 비슷해 보이지만 동일한 단어는 아니며 연관되어 있다.

규소(Silicon)는 암회색 금속성 물질의 원자번호 14번의 화학원소이며, 규소를 원료로 해 합성한 규소수지가 실리콘(Silicone)이다.

실리콘은 유기성과 무기성을 겸비한 독특한 화학재료로 다양하게 응용된다. 대부분의 산업분야에서 필수 고기능 재료로 사용된다. 실리콘은 규소와 산소 등이 실록산 결합으로 연결된 모양으로 된 폴리머(수지)를 의미한다. 접착제 실런트, 절연체로 널리 사용된다.

주기율표에서 규소(Sillocon, Si) /미 국립보건원 PubChem 갈무리

규소(Silicon)는 기호가 Si인 화학원소로 금속으로 분류되는 규소는 실온에서 고체다. 국제순수응용화학연합(IUPAC)에 따르면 규소의 이름은 부싯돌(flint)이라는 의미의 라틴어 Silix와 Silicis에서 유래했다.

무정형 규소는 1824년 스웨덴의 화학자 욘스 야콥 베르젤리우스에 의해 발견되었다. 그는 규소 용기에 담긴 칼륨 칩을 가열한 다음 잔류 부산물을 씻어내어 무정형 규소를 발견했다고 한다. 결정 규소는 1854년 프랑스의 화학자 앙리 생트-클레르 데빌에 의해 처음 제조되었다.

정제된 규소 조각(왼쪽)과 규소 원소를 발견한 욘스 야콥 베르젤리우스(오른쪽)

규소는 우주에서 일곱 번째로 가장 풍부한 원소이며, 지각에서 두 번째로 풍부한 원소다. 오는 날 규소는 탄소와 함께 모래(SiO2)를 2200℃의 높은 온도로 가열해 생산된다. 결정질 규소는 금속광택과 회색빛을 띠며, 상대적으로 불활성인 원소지만 할로겐과 희석 알칼리의 공격을 받는다. 불소를 제외한 대부분의 산은 규소에 영향을 주지 않는다. 

규소 결정은 붕소, 갈륨, 게르마늄, 인, 비소와 같은 원소로 도핑할 때 트랜지스터, 태양전지, 정류기 및 마이크로 칩과 같은 고체 전자 장치의 제조에 사용된다. 규소 카바이드(SiC)는 다이아몬드처럼 단단해서 연마제로 사용되며, 물유리로도 알려진 규산나트륨(Na2SiO3)은 비누, 접착제, 계란 방부제로 사용된다. 사염화규소(SiCl4)는 연막을 만드는 데 사용되고 규소는 윤활제, 연마제, 전기 절연체, 의료용 임플란트에 사용되는 재료의 일조 실리콘의 중요한 성분이기도 하다.

수소화 무정형 규소는 태양에너지를 전기로 전환하기 위한 경제적인 전지를 생산할 수 있는 가능성을 보여주었다.

규소의 사용 /사진=픽사베이

유리와 반도체의 주원료

규소는 인간의 가장 유용한 요소 중에 하나로 모래와 진흙의 형태로 콘크리트와 벽돌을 만드는 데 사용되며, 고온 작업에 유용한 내화재다. 규산염의 형태로 에나멜, 도자기 등을 만드는 데도 사용된다. 유리의 주성분으로 기계적, 광학적, 열, 전기적 특성이 뛰어난 재료 중에 가장 저렴한 재료이기도 하다. 유리는 다양한 모양으로 만들어질 수 있고, 용기, 유리창, 절연체 등 수천 가지의 다른 용도로 사용된다. 

규소는 동식물의 생명에도 중요하다. 담수와 바닷물에 있는 규조류는 물에서 실리카를 추출해 세포벽을 만든다. 실리카는 식물의 재와 인간의 뼈에 존재한다. 실리콘은 규소의 중요한 산물이며, 염화규소 디메틸과 같은 염화규소 유기염화규소를 가수분해해 제조할 수 있다. 다양한 대체 클로로실렌의 가수 분해와 응축은 액체에서 고체까지 매우 많은 양의 고분자 제품, 실리콘을 생산하는 데 사용된다.

'삼성반도체이야기'에 따르면 반도체 집적회로의 핵심 재료인 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소로 만들어지며 규소를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고, 실리콘 기둥인 잉곳(ingot)을 만들어 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 자르면 웨이퍼가 된다.

규소는 반도체 탄생에 필수 물질로 미국 캘리포니아주 첨단기술 연구단지 이름이 '실리콘 밸리'인 것도 규소에서 유래됐다. 반도체 주원료인 실리콘(Silicon)과 연구 단지가 위치한 산타클라라 인근 계곡 '밸리(valley)를 합쳐 만들어진 이름이다.

케미컬뉴스 이민준 기자


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