원소로 보는 화학사 Vol.058, 원자번호 14번 ‘규소’를 소개합니다.

지난 시간에는 녹는점이 낮아 손으로 녹일 수 있는 금속. 온도계의 충전제, 수은의 대용으로 사용되며 반도체의 재료로도 쓰이는 ‘갈륨(Ga, 원자번호 31번)’에 대한 이야기를 들려 드렸습니다. 오늘은 산소 다음으로 지각에 두 번째로 많이 발견되며 방습제부터 반도체까지 활용도가 다양한 ‘규소(Si, 원자번호 14번)’에 대한 이야기를 준비했습니다.

원자번호 14번 ‘규소(Si)’를 소개합니다.

규소는 원자번호 14번의 원소로 원소기호는 Si로, 영어명으로는 실리콘(silicon)이라 부릅니다. 규소는 우리 일상에서 아주 흔하게 만날 수 있는 원소입니다. 비타민 등의 약통이나 김 제품 포장 안에 들어가는 ‘실리카 겔’이 바로 규소를 원료로 하는데요. ‘실리카’는 규소, ‘겔’은 공기와 섞인 상태를 말합니다.

규소는 회백색의 결정으로, 녹는점(1,414℃)이 높고, 단단하며, 반도체의 재료로 쓰입니다. 산소에 이어 지각에 두 번째로 많이 포함된 원소로도 알려져 있습니다. 자연 상태에서는 원소 상태로는 존재하지 않으며, 주로 이산화규소(SiO2)의 형태나 지각에서 가장 많이 존재하는 산소와 결합하여 만들어진 광물인 규산염에 들어 있습니다. 규산염에는 규산 이온이 포함되고 규산염 암석은 벽돌, 세라믹, 시멘트로 사용되고 있습니다.

‘규소’의 발견과 원소명의 유래

인류는 예전부터 규소의 화합물을 사용해 왔습니다. 규소의 비교적 간단한 화합물인 이산화규소로 이루어진 부싯돌을 활용해 고대인들은 불을 피웠고, 고대 이집트에서는 유리를 만드는 원료로 이산화규소를 사용하기도 했습니다. 주요 건축 재료인 흙의 주성분이 규소의 산화물이나 규산염이라는 점에서도 규소는 인류의 역사와 함께 시작했다고 볼 수 있습니다.

그러나 산소와 규소의 단단한 결합으로 인해 홑원소 분리는 늦어졌습니다. 규소 원소만을 분리해 낸 건, 1824년입니다. 옌스 야코브 베르셀리우스(J. Berzelius, 1779~1848)가 플루오린화규소를 금속칼륨으로 환원시켜 처음으로 홑원소를 얻었습니다. 그 후 화학자 토마스 톰슨(Thomas Thomson, 1773~1852)은 부싯돌을 뜻하는 라틴어 ‘silicis’에 어미 ‘on’을 붙여 ‘Silicon(실리콘)’이라는 이름을 제안하였습니다.

‘규소’는 어디에 사용될까요?

규소는 유리, 실리카 오일, 고분자, 고무 등 수많은 물품의 핵심 재료로 쓰입니다. 전자 정보화 시대의 주요소인 반도체, 트랜지스터, 다이오드, 태양 전지 등에도 널리 사용됩니다. 규소는 반도체의 핵심입니다. 규소는 전기가 잘 흐르는 도체와 전기가 흐르지 않는 부도체의 중간 성질을 가진 반도체의 성질을 가지기 때문입니다. 이를 반영하듯 샌프란시스코 지역의 반도체 기업 집약지를 ’실리콘 밸리(Silicon Valley)’라 부르기도 합니다.

또한 규소는 화석 연로에 비해 몸에 덜 해롭고 환경오염이 적으며 다루기 쉽다는 점에서 미래 에너지로 평가되고 있습니다. 태양 전지를 구성하는 가장 핵심적인 요소이기도 합니다. 규소 화합물을 태워 에너지를 만드는 연구도 진행되고 있으며, 디젤 연료와 비슷한 에너지 효율을 내고 있습니다.

규소는 우리 몸 속의 필수 영양소 중 하나이기도 합니다. 우리 몸의 조직과 조직을 연결하는 시멘트의 역할을 하는 게 콜라겐인데, 규소는 콜라겐을 묶어 결합 조직을 만듭니다. 만약 규소가 부족하면, 세포에 탄력을 주는 콜라겐 그물이 끊어져 세포가 뿔뿔이 흩어지게 되고 골밀도가 감소하고 동맥 경화의 위험성이 높아집니다.

규소는 다른 원소와 결합이 쉽고 다양한 구조를 가질 수 있는 비금속 원소로 생명의 근원이 될 수 있는 가능성을 가졌다는 평가를 받고 있습니다. 학계에서는 고온, 고압 환경을 갖춘 행성에는 규소 생명체가 존재할지도 모른다는 가정 아래 꾸준한 조사를 진행하고 있습니다.

오늘은 고대 인류부터 시작해 현재에 이르기까지 다양하게 활용되며 미래 산업의 핵심 원소로 손꼽히는 ‘규소(Si, 원자번호 14번)’대한 다양한 이야기를 소개해 드렸습니다. 다음 이 시간에는 촉매와 특수합금에 사용되는 등 산업적으로 중요한 원소인 ‘팔라듐(Pd, 원자번호 46번)’ 에 대한 정보로 돌아오겠습니다.

<내용 출처> 누구나 쉽게 배우는 원소 (그림으로 배우는 118종 원소 이야기) /원소가 뭐길래 (일상 속 흥미진진한 화학 이야기) / Big Questions 118 원소 (사진으로 공감하는 원소의 모든 것)