석영

3. 결정 구조 및 형태

석영은 온도와 압력에 따라 다양한 결정 구조를 가진다. 상온에서는 삼방정계에 속하며, 573°C 이상에서는 육방정계에 속한다. 이상적인 결정 형태는 양 끝에 육각형 피라미드 모양의 능면체가 있는 육각형 각기둥이다. 자연에서 석영 결정은 종종 쌍정(우수성 석영과 좌수성 석영 결정이 쌍정을 이룸)되거나, 변형되거나, 인접한 석영 결정 또는 다른 광물과 밀접하게 성장하여 이러한 형태의 일부만을 보이거나, 명확한 결정면이 전혀 없이 덩어리 모양으로 나타난다.^[22][23]

α-석영은 키랄성에 따라 삼방정계, 공간군 ''P''3₁21 또는 ''P''3₂21(각각 공간군 152 또는 154)로 결정화된다. 573°C 이상에서 ''P''3₁21의 α-석영은 더욱 대칭적인 육방정계 ''P''6₄22(공간군 181)이 되고, ''P''3₂21의 α-석영은 공간군 ''P''6₂22(180번)이 된다.^[24] α-석영과 β-석영 사이의 변환은 서로에 대한 사면체의 비교적 작은 회전만을 포함하며, 연결 방식은 변하지 않는다.^[25]

트리디마이트와 크리스토발라이트는 SiO₂의 고온 다형이며, 고실리카 화산암에서 발견된다. 코사이트는 SiO₂의 더 조밀한 다형으로, 일부 운석 충돌 지점과 지구 지각의 전형적인 압력보다 높은 압력에서 형성된 변성암에서 발견된다. 스티쇼바이트는 운석 충돌 지점에서 발견되는 더욱 조밀하고 고압의 SiO₂ 다형이다.^[57]

1기압에서 573°C에서 삼방정계의 '''저온형 석영'''(α-석영, 알파 쿼츠)에서 육방정계의 '''고온형 석영'''(β-석영, 베타 쿼츠)으로 전이한다. 더욱 고온에서는 트리디마이트와 크리스토발라이트로, 초고압 하에서는 코사이트와 스티쇼바이트로 상전이한다.

4. 종류

석영은 지각에서 가장 흔한 광물 중 하나로, 개별 결정의 특성에 따라 다양한 이름으로 불린다. 가장 중요한 구분은 결정질인가 비정질인가 하는 것이다. 옥수(칼세도니)는 비정질 석영에 대한 통칭이다. 일반적으로 결정질 석영은 투명한 반면 미정질 석영 종류는 대부분 불투명하다.

석영의 색으로부터 다양한 이름이 붙여져 왔지만 현대에 들어서는 결정의 미세구조에 의해 새롭게 석영의 종류가 분류되었다. 결정질 석영들은 아직도 색이 중요한 분류기준이지만, 미정질 석영의 색은 분류의 부수적 기준이 된다.

일부에서는 미정질 석영에 대한 다른 분류 기준을 제시하기도 하는데, 미정질 석영의 형태가 알갱이 모양일 경우에는 처트라는 이름을 붙이고, 섬유상일 경우에는 옥수(칼세도니)로 부르자는 것이다. 처트는 일반적으로는 미립질 석영으로 된 화학적 퇴적암을 의미한다.^[29]

• 마노: 줄무늬가 있는 옥수이다.
• 벽옥: 불투명한 옥수(또는 처트)이다.
• 사금석: 운모가 박혀있어서 희미하게 반짝이는 것이 보이는 반투명한 칼세도니이다.
• 오닉스: 마노 중에서 줄무늬가 곧고 평행하며 크기가 균질한 것들이다.
• 옥수: 엄밀하게는 모든 미정질 석영을 뜻하나 일반적으로는 흰색이나 색이 옅은 것만을 칭하고 다른 경우에는 따로 이름이 붙여진 경우가 많다.
• 카르넬리안: 다홍색 옥수이다.
• 플린트: 검은색 또는 회색의 미정질 석영으로 주로 처트이다.
• 호안석: 섬유상의 석영이다.

• 자수정: 보라색 수정이다. 보라색 발색은 규소를 치환한 미량의 철 이온이 방사선을 받아 전자가 날아가 산소 원자와 철 이온 사이에서 전하 이동이 일어나는 것이 원인으로 여겨진다.^[98] 자외선에 노출되면 탈색된다. 영어명 amethyst는 그리스어의 amethustos(취하게 하지 않는)에서 유래했다.
• 황수정: 노란색 수정이다.^[99] 노란색 발색은 함수산화철에 기초한다.^[99] 천연 황수정의 산출은 적고, 시장에 유통되는 황수정의 대부분은 자수정을 열처리하여 노란색으로 만든 것이다.^[99] 토파즈와 비슷하기 때문에 시트린 토파즈라고도 하며, 저렴한 토파즈의 대용품으로 사용된다.
• 홍수정: 연한 분홍색 수정이다. 분홍색은 빛에 민감하여 탈색되기 쉽다. 이 색은 불순물로 혼입된 미량의 티탄, 철, 망간에 기인한다고 여겨진다. 최근의 X선원소분석에서는, 이 색은 광학현미경으로 관찰 가능한 수준의 듀몰티어라이트의 섬유 때문이라는 결과도 나왔다.^[96]
• 연수정: 갈색이나 검은색 연기가 낀 것 같은 회색 수정이다. 발색 원인은 명확하게 밝혀지지 않았지만, 규소를 치환한 미량의 알루미늄 이온이 특히 다량의 방사선을 받으면 넓은 범위의 파장의 빛을 흡수하기 때문에 회색으로 보인다고 여겨진다.^[98][103]
• 흑수정: 불투명할 정도로 진한 갈색에서 검은색 수정이다. 색이 진한 연수정과의 구별은 결정 구조가 파괴된 것, 표면에 투명감이 없는 것 등이라고도 하지만, 흑수정과 색이 진해진 연수정을 구별하는 명확한 정의는 존재하지 않는다.
• 우유석영: 결정 형성 중에 기체, 액체 또는 그 양쪽의 미세한 유체 포유물이, 또는 바늘 모양 결정의 루틸이 수정 중에 갇혀 백탁해 보이는 수정이다.

4. 1. 미세구조에 따른 분류

• 거정질 석영: 육안으로 결정을 확인할 수 있는 크기의 석영이다. 예시로는 수정, 연수정, 자수정 등이 있다.
• 미정질 석영: 현미경으로만 결정을 확인할 수 있는 매우 작은 크기의 석영이다. 옥수(칼세도니), 마노, 벽옥 등이 이에 속한다.

미정질 석영을 형태에 따라 알갱이 모양이면 처트, 섬유상일 경우 옥수(칼세도니)로 부르는 경우도 있다.^[29]

4. 2. 색상에 따른 분류

이 외에도, 마노, 벽옥, 오닉스, 옥수 등 다양한 종류의 석영이 있다.

5. 산출지

석영은 화강암과 기타 장석질 화성암의 주요 구성 광물이며, 사암과 셰일과 같은 퇴적암에서도 흔하게 발견된다. 천매암, 편마암, 규암 및 기타 변성암의 일반적인 구성 광물이기도 하다. 대부분의 석영은 용융된 마그마로부터 결정화되지만, 고온의 열수 맥에서 화학적으로 침전되어 맥석을 형성하기도 하며, 때로는 금, 은, 구리와 같은 광석 광물과 함께 발견되기도 한다.^[53]

석영은 지각을 구성하는 매우 흔한 조암광물로, 장석 다음으로 가장 흔하게 발견되며, 화성암, 변성암, 퇴적암 어디에도 흔히 포함된다. 수정으로서는 화강암질 페그마타이트, 열수 광맥 등에서 산출된다. 모래는 암석이 풍화됨으로써 생성되지만, 석영은 풍화에 강하기 때문에 모래의 주성분인 경우가 많다.

일본에서도 각지에서 산출되지만, 그 중에서도 야마나시현 고후시, 기후현 나카츠가와시, 아이치현 카스가이시 등에서 산출된 것이 유명하다. 특히 야마나시현은 고슈수정귀석세공(甲州水晶貴石細工)으로 유명하며, 1976년 6월 경제산업대신 지정 전통적 공예품으로도 지정되었다.^[112]

수정을 채굴 목적으로 하는 주요 광산은 다음과 같다.

• 미국 아칸소주 (현재 활발하게 채굴·수출되고 있다)
• 브라질 미나스제라이스주 (현재 활발하게 채굴·수출되고 있다)
• 일본 야마나시현 오토메 광산 (메이지 - 쇼와 시대에 활발하게 채굴되어 수출되었다. 쇼와 56년(1981년)에 광산 회사가 도산하여 폐광되었다.^[97])

6. 한반도에서의 석영

석영은 한반도에서도 여러 용도로 활용되었다. 야요이 시대 중기에는 교토부 단고시의 나구오카 유적에서 구슬로 가공된 것이 확인되었으며, 고분 시대부터는 마가타마의 재료로 사용되었다.^[110] 또한 불교에서는 칠보 중 하나로 여겨졌으며, 헤이안 시대 말기 이후 일본 불상의 옥안 재료로 사용되기도 했다.

6. 1. 역사 속의 석영

• 야요이 시대 중기에는 교토부 단고시의 나구오카 유적에서 구슬로 가공되었다는 것이 확인되었다. 고분 시대부터는 마가타마의 재료로 사용되었다.^[110]
• 불교에서는 칠보 중 하나이며, 헤이안 시대 말기 이후 일본 불상에서 옥안으로 사용되었다.
• 수정구는 점술 도구로, 수정 해골은 공예품으로 사용되었다.
• 고대 이집트에서는 왕조 시대 이전인 기원전 4500년경에 파이앙스(faience)라 불리는 석영 가루를 주재료로 한 구운 제품으로 목걸이 구슬 등이 만들어졌다.
• 마야 문명 및 그 지역 원주민 부족에서는 투명한 수정을 "자스툰(Zastun)"이라 부르며 부적으로 소중히 여겼다. 대영박물관에는 수정을 가공하여 만든 인간 두개골을 본뜬 공예품이 전시되어 있는데, 그 전설은 "크리스탈 스컬"로 알려져 있다.
• 오스트레일리아 원주민 신화에서는 수정을 신의 뜻을 나타내는 물질인 "마반(Maban)"으로 분류한다.
• 고대 로마의 박물학자 플리니우스(Gaius Plinius Secundus)는 수정이 영원히 얼어붙은 얼음이라고 믿었다. 중세 이후, 잘 연마된 수정구는 미래를 투시하기 위한 도구로도 사용되었다.^[111]

6. 2. 주요 산지 및 특징

• 금홍석(루틸) 내포 수정: 수정 결정 내부에 금홍석(루틸)의 바늘 모양 결정이 내포물로 존재하는 것이다. 매우 가는 금색 바늘이 들어간 것처럼 보인다.
• 억새 내포 수정: 수정 결정 내부에 전기석 등의 기둥 모양 광물이 내포물로 존재하는 것이다. 가는 전기석이 들어가면 희미하게 녹색으로 보이며, 마치 억새처럼 보인다.
• 풀 내포 수정: 수정 결정 내부에 녹렴석 등의 비정형(혹은 풀처럼 보이는) 광물이 내포물로 존재하는 것이다. 내포물의 형태에 따라 이끼처럼 보이거나 말처럼 보이기도 한다. 내포물이 녹렴석처럼 녹색인 것은, 마치 풀이 들어있는 것처럼 보인다. 가든 쿼츠라고도 불린다.
• 물 내포 수정: 수정 결정 내부에 공동이 있으며, 그것이 액체로 채워져 있는 것이다. 갇힌 액체는 수정의 성장 당시 환경을 보존하고 있다고 생각된다. 공동 내부에 액체와 함께 기포가 들어있는 경우가 있으며, 결정을 기울이면 공동 내부 벽을 따라 기포가 이동하는 것을 관찰할 수 있는 경우가 있다.
• 관입 수정: 수정이 다른 수정을 포함하면서 성장한 것이다. 수정 내부에서 그보다 작은 수정을 확인할 수 있다.^[110]

6. 3. 문화적, 경제적 중요성

• 금홍석(루틸) 내포 수정: 수정 결정 내부에 금홍석(루틸)의 바늘 모양 결정이 들어있다.
• 억새 내포 수정: 수정 결정 내부에 전기석 등 기둥 모양 광물이 들어있다.
• 풀 내포 수정: 수정 결정 내부에 녹렴석 등 비정형 광물이 들어있다. 가든 쿼츠라고도 불린다.
• 물 내포 수정: 수정 결정 내부에 액체가 채워진 공동이 있다.
• 관입 수정: 수정이 다른 수정을 포함하면서 성장한 것이다.^[110]

7. 용도

석영은 그 특성에 따라 다양한 용도로 사용된다.

석영 결정은 압전 특성을 가지고 있어, 기계적 스트레스가 가해지면 전기적 전위가 발생한다. 이러한 특성은 1880년 자크와 피에르 퀴리에 의해 발견되었다.^[49][50][51] 이 특성을 이용하여 축음기 픽업에 사용되었으며, 오늘날에는 석영 발진기로 가장 많이 활용된다. 석영 시계는 석영 발진기를 이용한 대표적인 장치이다. 워렌 매리슨은 1927년 케이디와 피어스의 연구를 기반으로 최초의 석영 발진기 시계를 만들었다.^[86] 석영 결정 발진기의 공진 주파수는 기계적으로 부하를 가함으로써 변경되며, 이 원리는 석영 결정 마이크로저울과 박막 두께 측정기에서 매우 작은 질량 변화를 매우 정확하게 측정하는 데 사용된다.^[87]

전자공학 분야에서는 오토클레이브를 이용한 수열합성법으로 만들어진 인공 수정이 주로 사용된다. 1930년대까지 전자 산업은 석영 결정에 의존했다. 적합한 결정의 유일한 공급원은 브라질이었지만, 제2차 세계 대전으로 브라질에서의 공급이 중단되어 여러 국가에서 상업적 규모로 석영을 합성하려고 시도했다. 독일 광물학자 리차드 나켄(Richard Nacken, 1884~1971)은 1930년대와 1940년대에 어느 정도 성공을 거두었다.^[76] 1950년대에는 수열 합성 기술이 산업 규모로 합성 석영 결정을 생산하기 시작했으며, 오늘날 현대 전자 산업에서 사용되는 석영 결정은 거의 모두 합성 석영이다.^[67]

석영유리는 석영을 재료로 한 유리로, 내열성·투명도가 뛰어나 화학 기구·광학 기기에 사용된다. 광섬유에도 사용된다.

저역통과필터(LPF)는 디지털카메라 등의 광학필터에 사용되며, 위상차판은 빛의 편광 상태를 바꾸는 데 사용된다.

옥이 고대부터 동아시아와 전 콜럼버스 시대 아메리카에서 조각용으로 가장 귀중한 준보석이었던 반면, 유럽과 중동에서는 다양한 종류의 석영이 보석과 경석 조각, 세공 보석과 카메오 보석, 수정병 및 화려한 그릇 등 다양한 종류의 제작에 가장 흔하게 사용되었다.

석영은 장신구(보석), 단추로 사용되거나, 수정구로 스크라이닝(수정점) 도구로도 이용된다. 쥬얼리나 염주에 사용되는 것도 일반적이다.

중국 의학에서는 흰색의 석영을 '''백석영''', 자수정을 '''자석영'''이라고 부르며, 진정 작용이 있는 약제로 사용된다.

8. 안전성

석영은 이산화규소의 한 형태이므로 다양한 작업장에서 주의해야 한다. 천연 및 제조된 석재 제품을 절단, 연마, 쪼개기, 연삭, 드릴링 및 연마하는 과정에서 작업자가 호흡하는 공기 중으로 매우 작은 결정질 실리카 먼지 입자가 위험 수준으로 방출될 수 있다.^[59] 호흡 가능한 크기의 결정질 실리카는 인체 발암물질로 인정되며, 규폐증 및 폐섬유증과 같은 다른 폐 질환을 유발할 수 있다.^[60][61]

광산이나 채석장 등에서의 분진 흡입으로 규폐증이나 폐암에 걸릴 위험이 있다. 석영 분진은 IARC에 의해 "인체에 대한 발암성이 인정되는" 그룹 1로 분류되어 있다.

9. 인공 석영

산업용으로는 천연 수정이 종종 쌍정이기 때문에 합성 수정이 생산된다.^[66][67] 크고 결함이 없는 단결정은 수열합성 공정을 통해 오토클레이브에서 합성된다.^[66][67]

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