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여름철 인기 휴양지로 꼽히는 시원한 바다비록 파라솔 간격을 2미터 이상 두는 등 거리두기를 실천해야 하는 상황이긴 하지만 그럼에도 불구하고 바다는 여전히 우리 마음을 설레게 하는 매력적인 공간이다그런데 혹시 독자 여러분들은 해변에서도 디스플레이와 반도체의 재료가 되는 광물들을 찾아볼 수 있다는 사실을 아셨는가이번 편에서는 광물과 암석의 다른 점이 무엇이고해변의 모래가 어떻게 디스플레이와 반도체의 재료가 될 수 있는지 알아보자.

 

광물과 암석의 차이는 무엇일까?

▲순물질로 이루어진 광물 종류의 다이아몬드(왼쪽), 혼합물로 이루어진 암석 종류의 화강암(오른쪽)

SiO2라는 화학식으로 나타내는 이산화규소는 반도체의 소재가 되는 규소에 산소가 화합한 화합물이다이산화규소가 주요 성분인 석영(크리스탈수정)은 규산염 광물 중의 하나이다지구 지각 전체의 약 97%를 차지하고 있는 규산염 광물의 종류에는 석영 외에도 장석흑운모각섬석휘석감람석 등이 있다.

‘광물’과 ‘암석’은 모두 비슷한 돌로 보이지만 똑같은 돌은 아니다광물은 순물질이고 암석은 혼합물이다즉 홑원소물질이거나 화합물로 순수한 상태의 광물이 모여서 암석을 이루고 있는 것이다그래서 광물과 암석의 가장 큰 차이점은 ‘가격에서도 드러난다당연히 순물질이면서 더 귀한 광물이 비싸고혼합물이면서 흔한 암석은 싸다.

가장 비싸면서 단단한 광물은 C(탄소)만으로 이루어진 금강석즉 우리가 최고의 보석으로 알고 있는 다이아몬드이다반면 광물에 비하면 가격이 훨씬 싸고또 우리나라에서 제일 흔한 암석 중 하나가 화강암인데 주로 건물 외벽에 마감재로 붙이는 용도로 많이 사용한다.

 

해변의 모래 속에 포함된 반도체규소!

우리 주변에서 정말 흔하게 많이 관찰되는 화강암은 반도체를 만드는 재료인 규소가 포함된 규산염 광물인 석영장석흑운모가 혼합된 상태이다화강암을 보면 투명하고 반짝거리는 것이 박혀 있는데그것은 바로 ‘석영이다그리고 좀 불투명하면서 누렇거나 약간 분홍빛이 나는 것은 ‘장석까뭇까뭇하게 점점이 박혀 있는 것이 바로 ’흑운모이다.

▲석영의 표본을 자세히 살펴보면 삐쭉삐쭉한 기둥 하나하나가 모두 육각기둥이다.

▲왼쪽부터 장석흑운모의 표본흑운모의 경우 옆에서 보면 판이 쌓여져 있는 구조로 되어있는 것을 관찰할 수 있고 마치 김 조각처럼 납작하게 쪼개진다.

▲흑운모와 색깔만 다른 백운모의 표본옆으로 세워놓고 한 판을 직접 들어 올려보면 마치 얇은 플라스틱 판과 같은 상태이다이는 판상이라는 것을 확인할 수 있다.

(왼쪽해변의 모래가 묻은 피부를 확대해보면 석영과 장석흑운모 광물 알갱이를 관찰할 수 있다. (오른쪽바닷물에 모래를 씻어도 납작한 판상의 흑운모는 피부에 달라 붙어있다.

해변의 모래사장에서는 이 화강암이 파도에 의해 풍화되어 석영장석흑운모로 나누어진 상태를 관찰할 수 있다다들 한 번쯤 해변에서 모래찜질을 한 후 바닷물로 몸을 헹구면 여전히 피부에 남아있는 광물을 본 적이 있을 것이다이 광물이 바로 흑운모이다흑운모는 장석과 석영과는 다르게 김 조각처럼 판상으로 쪼개지고 납작하기 때문에 피부에 찰싹 달라붙어 잘 떨어지지 않는다.

▲빛의 반사와 굴절분산 작용에 의해 다양한 색상을 볼 수 있는 크리스탈(석영)

석영은 투명한 무색임에도 불구하고 빛의 반사와 굴절그리고 분산 작용에 의해 영롱하고 다양한 색상을 보여준다석영의 화학적 성분명은 SiO2(이산화규소규산)이다. 1~10까지 측정값이 있는 모스굳기계 수치상 7로 상당히 단단한 편이다.

 

왜 규소가 디스플레이, 반도체의 재료가 됐을까?

▲고분자 실리콘으로 만들어진 반도체 웨이퍼

컴퓨터의 핵심은 반도체인데 사실 반도체는 ‘어떤 특별한 조건하에서만 전기가 통하는 물질’로전기를 전하는 전도율이 도체와 부도체의 중간적 성질을 가진다컴퓨터는 반도체의 이러한 전기의 흐름이 조절되는 중간적 성질을 이용해서 작동하며디스플레이의 전기 기판이 되는 TFT(박막트랜지스터)에도 다이오드라는 반도체가 사용된다그야말로 반도체 없이는 그리고 그 재료가 되는 규소가 없이는 컴퓨터와 디스플레이의 작동을 상상하기 어렵다그럼 규소는 왜 재료로 쓰이게 된 걸까?

▲주기율표  비금속 원소들은 왼쪽 윗부분에 모여 있다나머지는 금속원소 반도체로 Si(규소) 14, Ge(저마늄게르마늄) 32번에 있는 것으로 위치를 확인할 수 있다.

주기율표를 보면 금속원소와 비금속 원소들을 구별할 수 있는데금속은 전류가 잘 통하는 도체비금속은 전류가 통하지 않는 부도체이다도체도부도체도 아닌 것이 바로 반도체이고반도체 중 대표적인 원소가 바로 규소(Si)라고 불리는 실리콘이다미국 캘리포니아 주에반도체 칩 제조회사들이 많이 모여 있는 곳을 실리콘 밸리로 부르는 이유도 여기에 있다.

▲대표적인 금속 원소와 비금속 원소그리고 반도체를 구별해서 적었다.

규소는 산소와 화합한 형태로 지구상에 많이 존재하고 있는데우리 생활 주변에서도 흔히 찾을 수 있다대표적으로 포장김이나 알약 통 속에서 제습제 역할을 하는 실리카겔도 주요 성분이 SiO2로 석영과 동일하다.

▲각종 식품 봉지에 들어가는 실리카겔(왼쪽), 광학현미경으로 들여다본 실리카겔 표면에 맺힌 수많은 기포들(오른쪽)

실리카겔은 그물 같은 조직을 가지고 있는데무수히 많은 구멍들이 있어 표면적이 매우 넓어 공기 중의 수증기와 접촉할 수 있는 면적이 대단히 넓기 때문에 흡습력이 뛰어나다.

김을 다 먹고 나면 포장지에서 모습을 드러내는 실리카겔을 현미경으로 관찰하면서 필자는 현미경 속에 마치 새로운 실리카겔 세상이 있는 것 같은 느낌이 들었다마치 무지개가 생길 때의 대기 중의 물방울처럼 실리카겔 알갱이가 빛을 분산시키는 역할을 하기 때문에 현미경 속에서 또렷하고 아름다운 무지개도 볼 수 있었다과학 실험을 하다가 보게 된 감동적인 순간 중 하나였다.

▲실리카겔 알갱이에 의한 빛의 분산 – 아름다운 무지개를 관찰할 수 있다.

오늘은 해변의 모래 성분이 디스플레이와 반도체 같은 첨단 산업 제품의 재료로 어떻게 쓰일 수 있는지 알아봤다여러분도 올해 바닷가에서는 광물과 암석도 구별을 해보고규소의 특성과 이를 활용하는 방법 등 과학적인 의미를 되새겨 보는 시간을 가졌으면 좋겠다.

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