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연구노트
모두 351개의 글스마트폰부터 자동차, 데이터센터까지 우리가 사용하는 전자기기 대부분에는 반도체가 들어간다. 그리고 그 반도체의 출발점에는 여전히 실리콘(Si)이 있다.실리콘보다 높은 전압을 잘 견디는 소재도 있고, 더 높은 주파수에서 유리한 소재도 있다. 그런데도 반도체 산업이 실리콘을 중심으로 움직이는 이유는 무엇일까?실리콘이 모든 면에서 가장 뛰어난 물질이기 때문은 아니다. 전기적 성질을 조절하기 쉽고, 안정적인 산화막을 만들 수 있으며, 원료가 풍부하고 대량생산 기술까지 축적되어 있기 때문이다. 다시 말해 실리콘은 성능과 비용, 생산성의 균형을 가장 먼저 완성한 반도체 재료다. 실리콘이 선택된 네 가지 조건반도체 재료는 전기만 적당히 흐른다고 끝이 아니다. 원하는 모양으로 가공할 수 있어야 하고, 반복 생산했을 ..
알루미늄은 음료 캔과 포일, 창틀처럼 흔한 금속이다. 비행기와 자동차, 송전선, 스마트폰 몸체에도 쓰이니 현대 생활에서 가장 익숙한 구조 재료 중 하나다.하지만 19세기 중반까지만 해도 알루미늄은 금보다 귀하게 취급됐다. 지각에 풍부한 원소가 뒤늦게 대량생산된 이유, 그리고 철보다 약한 금속이 여러 분야에서 철을 대신한 이유는 제련 기술과 합금 설계에 있다. 풍부하지만 금속으로 꺼내기 어려웠다알루미늄(Al)은 원자번호 13번이며 지각에서 산소와 규소 다음으로 풍부한 원소다. 반응성이 커서 자연에서는 순수한 금속보다 산화물과 규산염으로 존재한다. 산소와 매우 단단히 결합해 숯으로 쉽게 환원되지 않는다는 점이 오랫동안 생산을 어렵게 했다.오늘날에는 보크사이트를 가성소다로 처리하는 바이엘 공정으로 산화알루미..
마그네슘은 불꽃놀이에서 눈부신 흰빛을 내고, 자동차와 노트북의 무게를 줄이는 금속이다. 동시에 우리 몸에서는 수백 가지 효소 반응을 돕고 식물의 잎에서는 빛을 받아들이는 역할을 한다.금속 재료와 영양소라는 두 모습은 서로 떨어져 있지 않다. 마그네슘 원자가 전자 두 개를 내놓고 Mg²⁺ 이온이 되기 쉬운 성질에서 가벼운 합금, 염류, 생명 반응이 모두 시작된다. 마그네슘은 얼마나 가벼울까?마그네슘(Mg)은 원자번호 12번인 알칼리 토금속이다. 밀도는 약 1.74g/cm³로 알루미늄보다도 가볍고 철의 4분의 1이 채 되지 않는다. 구조용 금속 가운데 가장 가벼운 축에 속한다.순수 마그네슘은 무르고 부식되기 쉬워 구조재로 그대로 쓰기 어렵다. 알루미늄·아연·망간 등을 섞어 합금을 만들면 강도와 주조성, 가..
소금은 너무 익숙해서 특별한 물질처럼 느껴지지 않는다. 하지만 소금 속 나트륨은 신경이 신호를 보내고 근육이 움직이며 체액의 균형을 유지하는 데 꼭 필요한 원소다.반대로 순수한 나트륨 금속은 물과 격렬하게 반응한다. 같은 원소가 식탁에서는 생명 유지에 필요하고 공장에서는 유리·종이·화학제품의 출발점이 되는 이유는 어떤 형태로 존재하느냐에 있다. 나트륨은 혼자보다 이온으로 존재한다나트륨(Na)은 원자번호 11번인 알칼리 금속이다. 가장 바깥쪽 전자가 하나뿐이라 이 전자를 내놓고 Na⁺ 이온이 되기 쉽다. 그래서 자연에서는 반짝이는 금속 덩어리보다 염화나트륨(NaCl)이나 탄산나트륨(Na₂CO₃) 같은 화합물로 발견된다.순수한 나트륨 금속을 물에 넣으면 수산화나트륨과 수소가 빠르게 만들어지고 열이 발생한다..
도시의 밤을 밝히는 선명한 붉은빛을 우리는 흔히 네온사인이라고 부른다. 유리관 안의 네온 기체에 높은 전압을 걸면 전자가 에너지를 받고, 다시 안정한 상태로 돌아오면서 특정한 색의 빛을 낸다.네온(Ne)은 헬륨처럼 가장 바깥 전자껍질이 채워진 비활성기체다. 평소에는 다른 원소와 거의 반응하지 않지만 전기 에너지를 받으면 고유한 주황빛과 붉은빛을 내놓는다.다만 길거리에서 네온사인이라고 부르는 모든 조명이 실제 네온을 사용하는 것은 아니다. 다른 기체와 형광물질, LED로 비슷한 색을 만들기도 한다. 진짜 네온의 빛은 원자의 에너지 준위가 만든 고유한 서명에 가깝다. 네온은 왜 다른 원소와 반응하지 않을까?네온의 원자번호는 10번이며 전자도 열 개다. 첫 번째 전자껍질에 두 개, 두 번째 전자껍질에 여덟 ..
치약에는 충치를 막기 위한 플루오린 화합물이 들어가고, 반도체 공장에서는 플루오린을 포함한 가스로 미세한 회로를 깎는다. 프라이팬의 코팅과 냉매, 우라늄 농축에도 같은 원소가 등장한다.플루오린(F)은 모든 원소 가운데 전자를 가장 강하게 끌어당기는 원소다. 순수한 플루오린 기체(F₂)는 매우 반응성이 크지만, 다른 원소와 단단히 결합하면 오히려 안정하고 독특한 성질의 물질을 만든다.치약과 반도체가 연결되는 이유는 플루오린이 약해서가 아니라 강한 결합을 만들고 다른 물질을 선택적으로 반응시키는 능력에 있다. 플루오린은 왜 가장 반응성이 클까?플루오린 원자는 가장 바깥쪽에 전자 일곱 개를 가지고 있다. 전자 하나만 더 얻으면 안정한 전자껍질을 완성할 수 있고 원자 크기도 작아 다른 원자의 전자를 매우 강하..
우리는 산소를 마시며 살아가고, 산소가 있으면 불이 타며, 철은 산소를 만나 녹슨다. 호흡·연소·부식은 전혀 다른 현상처럼 보이지만 모두 산소가 다른 물질에서 전자를 끌어오는 산화반응으로 연결된다.산소(O)는 대기의 약 21%를 차지하고 지각에서는 다른 원소와 결합한 형태로 매우 풍부하다. 물과 암석, 생명체 대부분에 들어 있지만 자유로운 산소분자(O₂)가 대기에 오래 존재하려면 지속적인 공급원이 필요하다.지구의 산소는 생명을 가능하게 했지만 동시에 강한 반응성과 독성을 가진 원소다. 생명체는 산소의 에너지를 이용하면서도 산소가 만드는 손상을 제어하는 방향으로 진화했다. 산소는 왜 다른 물질과 잘 반응할까?산소 원자는 가장 바깥쪽에 전자 여섯 개를 가진다. 안정한 전자 구조를 만들려면 전자 두 개가 더..
우리가 마시는 공기의 약 78%는 질소다. 산소보다 훨씬 많지만 숨을 쉴 때 질소를 사용한다는 느낌은 거의 없다. 대기 중 질소 대부분은 반응성이 낮은 질소분자(N₂)로 존재하기 때문이다.그런데 질소는 생명에 없어서는 안 된다. DNA와 단백질, 엽록소를 만드는 데 필요하고 농작물의 성장도 좌우한다. 공기에는 넘치지만 생명체가 바로 사용하기는 어려운 풍부하면서도 부족한 원소다.질소의 이야기는 안정한 N₂를 어떻게 깨뜨려 생명이 쓸 수 있는 형태로 바꾸는가에 집중된다. 자연에서는 미생물과 번개가, 산업에서는 거대한 화학공장이 이 일을 맡는다. 질소분자는 왜 반응하기 어려울까?질소 원자는 가장 바깥쪽 전자 다섯 개를 가지고 있다. 질소 원자 두 개가 만나면 전자 세 쌍을 공유하는 삼중결합을 만들 수 있다..
연필심과 다이아몬드는 겉모습도 가격도 전혀 다르다. 하지만 두 물질은 모두 탄소 원자로 이루어져 있다. 같은 원소가 검고 부드러운 흑연도 되고 투명하고 단단한 다이아몬드도 되는 것이다.탄소(C)는 생명체의 단백질·지방·DNA를 만들고, 석유와 석탄의 에너지를 저장하며, 그래핀과 탄소섬유 같은 첨단소재의 뼈대가 된다. 이 넓은 역할의 출발점은 네 방향으로 결합할 수 있는 능력이다.탄소는 유용한 만큼 논쟁적인 원소이기도 하다. 생명과 산업을 가능하게 했지만, 이산화탄소(CO₂)가 대기에 축적되면 기후변화를 일으킨다. 탄소 자체보다 어떤 구조로 결합하고 어디에 존재하는지가 중요하다. 탄소는 왜 복잡한 분자를 만들 수 있을까?탄소는 가장 바깥쪽에 전자 네 개를 가지고 있다. 안정한 전자 구조를 만들려면 네 개..
붕소는 철이나 구리처럼 눈에 잘 띄는 금속도 아니고, 산소처럼 이름만 들어도 역할이 떠오르는 원소도 아니다. 하지만 주방의 내열유리부터 반도체 칩, 원자로와 식물의 성장까지 의외로 넓은 영역에서 사용된다.붕소(B)의 가장 흥미로운 특징은 아주 적은 양으로 주변 물질의 성질을 크게 바꾼다는 점이다. 유리에 들어가면 열에 강해지고, 실리콘에 들어가면 전기가 흐르는 방식이 달라진다. 소량으로 구조를 조절하는 원소라고 볼 수 있다.순수한 붕소는 자연에서 거의 발견되지 않는다. 대부분 붕산염 광물이나 붕사 같은 화합물로 존재하며, 산업에서는 이 화합물을 정제해 필요한 재료로 사용한다. 붕소는 금속일까 비금속일까?붕소는 주기율표에서 금속과 비금속의 경계 부근에 있다. 전기가 잘 통하는 금속처럼 보이는 성질과 비..
스마트폰과 노트북, 전기차에는 모두 리튬이온 배터리가 들어간다. 배터리 소재는 계속 달라지고 있지만 이름에서 빠지지 않는 원소가 바로 리튬(Li)이다.리튬은 가장 가벼운 금속이며 전자를 쉽게 내놓는다. 작은 질량으로 많은 전하를 옮길 수 있어 무게와 부피가 중요한 충전식 배터리에 유리하다. 우리가 전기를 들고 이동할 수 있게 된 배경에는 리튬의 가벼움이 있다.그렇다고 리튬만 넣으면 좋은 배터리가 되는 것은 아니다. 양극·음극·전해질·분리막이 함께 작동해야 하며, 성능과 안전성은 리튬이 어떤 물질 안에서 이동하는지에 따라 달라진다. 가장 가벼운 금속이 전자를 옮긴다리튬의 원자번호는 3번이다. 전자 세 개 가운데 가장 바깥쪽 전자 하나를 비교적 쉽게 내놓으며 Li⁺ 이온이 된다. 이 작은 이온이 배터리 ..
헬륨이라고 하면 가장 먼저 풍선과 높은 목소리를 떠올리기 쉽다. 하지만 헬륨은 MRI 장비를 냉각하고, 우주선 연료 탱크를 관리하며, 반도체와 광섬유를 만드는 데 쓰이는 중요한 산업 자원이다.헬륨(He)의 특징은 다른 물질과 좀처럼 반응하지 않는다는 데 있다. 불에도 타지 않고, 일반적인 조건에서는 화합물도 거의 만들지 않는다. 이 독특한 안정성은 헬륨의 완성된 전자 구조에서 시작된다.문제는 헬륨을 사용한 뒤 다시 모으기가 어렵다는 점이다. 지구에서 빠져나간 헬륨은 우주로 사라질 수 있기 때문에, 풍선에 넣는 가벼운 기체 이상의 관점으로 볼 필요가 있다. 전자 두 개만으로 안정한 원자원자는 가장 바깥쪽 전자껍질이 채워져 있을 때 안정한 경향이 있다. 첫 번째 전자껍질에는 전자 두 개가 들어갈 수 있는데..