실리콘[silicon]

실리콘[silicon]

실리콘(Silicon)

실리콘(규소)은 대규모 집적회로의 기반(基盤) 등에 쓰이는 대표적인 반도체재료이다. 지표에는 산소 다음으로 많이 존재하고 약 25%를 차지하는 것으로 일컬어지고 있다.

 

1824년에 베르셀리우스에 의해 발견되었다.

 

녹는점은 1412℃, 밀도는 2.328 g/cm3, 결정구조는 다이아몬드형으로 가수(價數) 4를 갖는다. 저항률은 103Ω․m이고, 금속과 절연물의 중간으로 음의 온도계수를 갖는다.

 

전기적특성은 10-6~10-7 at%의 미량인 불순물이나 격자결함 등 결정의 불완전성에 크게 영향을 미치고, 5가의 인(燐) 등을 첨가하면 n형반도체로 3가의 보론 등을 첨가하면 p형반도체가 된다. 정류기소자, 다이오드, 트랜지스터, 집적회로, 사이리스터, 태양전지 등 각종의 전자공업제품에 쓰이고 있다.

 

반도체에 쓰이는 규소는 고순도로 텐․나인(99.99999999%) 정도까지 정제된다. 원료는 규석으로 아크식전기로에서 코크스를 이용하여 환원하고 순도 97~98%의 금속규소를 얻는다. 이것을 염화하여 트리클로로실란(SiHCl3)으로 하고 증류정제한다. 이것을 수소와 혼합하여 전류로 적열한 순수한 규소의 심선(心線) 위에 환원․석출시켜서 지름 25～40mm인 규소의 다결정봉을 만든다.

다결정봉은 진공 또는 아르곤가스 속에 존멜트법에 의해 고순도로 정제된다. 이 방법은 봉의 일부를 용융시키고 그 폭이 좁은 용융대를 시료의 길이방향을 따라 반복 통과시킴으로써 고상과 용융상 사이 불순물의 분배비율이 다르다는 것을 이용하여 정제한다. 규소는 다시 실리카도가니 속에서 용융되고 초크랄스키법이라고 불리우는 회전인상법에 의해 지름 25cm 정도의 큰 단결정으로 만들어진다. 이것을 0.25～0.45mm의 얇은 판에 절단하고 표면을 연마하여 실리콘웨이퍼로 마감한다.

 

규소는 산소와 결부지어 이산화규소를 만든다. 이것은 대단히 단단하고 녹기 어려우며 화학적으로 안정하다. 자연계에 가장 많이 발견되는 것은 석영 및 규석, 규사이다. 벽옥(碧玉)이나 석영의 일종인 마노(瑪瑙)는 혼입물에 의해 아름다운 색이 들어 있고 특히 단단하므로 보석이나 유발(乳鉢), 경질기구 등에 쓰인다.

자연계에 존재하는 석영의 큰 투명의 결정은 수정이다. 이것은 장식품으로 쓰이는 것 외에 공업적으로도 다양하게 쓰이고 있다. 수정을 일정한 방향으로 하여 절단한 판을 구부리면 판의 표면에 전하가 나타난다.

 

이 현상을 압전현상이라고 하고 수정의 결정을 피에조전기결정이라고 불리운다. 압력센서 등에 이용되고 있다. 역으로 이 수정판의 양면에 전극을 넣어 교류의 전기를 가하면 판은 진동하고, 그 주파수가 판의 고유진동수와 일치하면 공진을 일으킨다. 이것을 이용하여 정밀한 시계를 만들거나 초음파를 발생시킬 수 있다. 석영은 온도의 영향을 거의 받지 않고 열팽창률은 대단히 작다.

 

규소를 함유하는 광물에서 운모는 결정을 얇은 판의 형태로 분리할 수 있으므로 전기적인 절연에 쓰이고 있다. 또 석면은 흰 섬유상의 광물로, 단열이나 전기적 절연에 우수하고 1000℃ 이상의 고온에도 견디므로 건축재료에 사용되어 왔으나 발암성이 있으므로 사용은 금지되고 있다.

 

유리는 주로 규사와 석회석(CaCO3), 탄산소다(Na2CO3)를 용해하여 만든다. 순수한 석영을 만든 석영유리는 급냉해도 균열되지 않는다. 광통신으로 사용되고 있는 광파이버는 사염화실리콘이나 트리클로로실란을 산소가스로 연소시켜서 실리카를 퇴적시키고, 이것을 용해하여 섬유상으로 끈다. 빛이 외부로 나오지 않도록 2중으로 되어 있고, 내측의 코어유리는 외측의 유리보다 굴절율을 조금 높게 하고 있다. 도자기는 점토와 장석, 규사의 혼합물을 소성(燒成)하여 만든다.

 

시멘트는 석회석과 규사점토를 원료로 하고 있다. 규석벽돌은 제철용의 코크스로나 가열로, 유리의 용융로에 쓰이고 있다.

 

탄화규소는 실리카와 코크스를 강열하여 만들어지고, 다이아몬드 다음으로 단단하여 연마용에 쓰이고 있다.

 

규소와 탄소의 결합은 강하고 유기규소화합물은 내열성의 규소수지로 사용되고 있다.