이산화 규소

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1. 개요

이산화 규소(SiO₂)는 가장 흔한 규소 화합물로, 자연계에서 석영의 형태로 널리 발견되며, 지구 지각의 약 10% 이상을 차지한다. 다양한 결정 구조를 가지며, 온도와 압력에 따라 석영, 트리디마이트, 크리스토발라이트 등 여러 다형체를 형성한다. 이산화 규소는 건설, 유리 제조, 반도체, 화장품, 식품 첨가물 등 다양한 산업 분야에서 활용되며, 특히 반도체 제조 공정에서 중요한 역할을 한다. 그러나 분진 형태의 결정질 이산화 규소 흡입은 규폐증, 폐암 등의 위험을 초래할 수 있어, 작업 환경에서의 노출 규제가 이루어지고 있다.

이산화 규소 - [화학 물질]에 관한 문서

기본 정보

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이산화 규소 샘플

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모래 속의 이산화 규소

IUPAC 이름	이산화 규소
다른 이름	석영 실리카 규산 산화물 사산화 규소 결정질 실리카 순수 실리카 실리세아 규사
화학식	SiO₂
몰 질량	60.08 g/mol
외관	투명 또는 흰색
밀도	2.648 (α-석영), 2.196 (무정형) g·cm⁻³
녹는점	1713 °C (무정형)
끓는점	2950 °C
굴절률	1.544 (o), 1.553 (e)
열전도율	12 (c축), 6.8 (⊥ c축), 1.4 (무정형) W/(m·K)
자기 감수율	-29.6·10⁻⁶ cm³/mol
CAS 등록번호	7631-86-9
PubChem CID	24261
ChemSpider ID	22683
UNII	ETJ7Z6XBU4
EINECS 번호	231-545-4
KEGG	C16459
MeSH 이름	Silicon+dioxide
ChEBI	30563
RTECS 번호	VV7565000
Gmelin 번호	200274
표준 InChI	1S/O2Si/c1-3-2
표준 InChIKey	VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N

위험성

NFPA 704	건강: 0 화재: 0 반응성: 0
즉시 생명 및 건강에 위험한 농도 (IDLH)	3000 mg/m³ (무정형); Ca [25 mg/m³ (크리스토발라이트, 트리디마이트); 50 mg/m³ (석영)]
권장 노출 한계 (REL)	TWA 6 mg/m³ (무정형); Ca TWA 0.05 mg/m³
허용 노출 한계 (PEL)	TWA 20 mppcf (80 mg/m³/%SiO₂) (무정형)

다른 이산화물	이산화 탄소 이산화 저마늄 이산화 주석 이산화 납
다른 화합물	일산화 규소 이황화 규소

표준 생성 엔탈피 (ΔHf)	−911 kJ·mol⁻¹
엔트로피	42 J·mol⁻¹·K⁻¹

일본어 IUPAC 이름	이산화 규소
일본어 다른 이름	석영 시리카 무수 규산
일본어 CAS 등록번호	7631-86-9 (시리카) 14808-60-7 (석영) 14464-46-1 (크리스토발라이트) 15468-32-3 (린규석) 112926-00-8 (실리카겔, 침강 실리카) 60676-86-0 (석영 유리)
일본어 일화사전 번호	J43.598H
일본어 KEGG	C19572 (비정질) C16459 (석영) D06521 (무수)
일본어 밀도	2.196 g/cm³ (석영 유리)
일본어 녹는점	1650 ± 75 °C
일본어 끓는점	2230 °C
일본어 용해도	0.012 g/100 mL (°C)
일본어 외부 SDS	결정질 시리카 (석영) 결정질 시리카 (크리스토발라이트) 결정질 시리카 (트리디마이트) 비정질 시리카 (실리카겔, 침강 실리카) 비정질 시리카 (석영 유리)
일본어 눈 위험성	경우에 따라 위험성이 있음.
일본어 NFPA 704	건강: 0 화재: 0 반응성: 0

한국어 다른 이름	규산 실리카
한국어 외관	투명한 고체 (무정형) 백색/백색을 띄는 황색 (가루/모래)

2. 성질

이산화 규소는 플루오린화 수소 기체 또는 플루오린화 수소산 액체와 반응하여 각각 사플루오린화 규소나 플루오린화 규소산을 생성한다. 고체 상태의 수산화 나트륨과 가열하면 규산 나트륨이 생성된다.

대부분의 이산화 규소에서 규소 원자는 사면체 배위를 나타내며, 중앙 Si 원자를 둘러싸고 있는 4개의 산소 원자가 있다. SiO₂는 각 규소 원자가 4개의 산소 원자에 사면체 방식으로 공유 결합되어 있는 3차원 네트워크 고체를 형성한다. 이는 이중 결합 규칙에 따라 선형 분자인 CO₂와는 대조적인 구조이다.

α-석영에서 발견되지만 거의 모든 형태의 이산화규소에서 발견되는 구조 모티프

이산화 규소는 크게 결정질과 비결정질(무정형)의 두 가지로 나뉜다. 결정질 이산화 규소는 석영, 트리디마이트, 크리스토발라이트 등 다양한 형태로 존재하며, 온도와 압력에 따라 구조가 변한다. α-석영에서 Si–O 결합 길이는 161 pm인 반면, α-트리디마이트에서는 154–171 pm 범위이다. Si–O–Si 각도는 α-트리디마이트에서 140°의 낮은 값부터 β-트리디마이트에서 180°까지 다양하다. α-석영에서 Si–O–Si 각도는 144°이다.

2.1. 결정 다형

이산화 규소(SiO₂)는 온도와 압력 조건에 따라 다양한 결정 다형체를 가진다. 이러한 다형체들은 서로 다른 결정 구조를 가지며, 각각 독특한 물리적, 화학적 특성을 나타낸다.

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SiO₂의 주요 결정 다형체
형태	결정 대칭 피어슨 기호, 군 번호	밀도 (g/cm³)	특징
α-석영	삼방정계 hP9, P3₁21 No.152	2.648	나선형 사슬 구조, 상온에서 가장 안정적, 573℃에서 β-석영으로 전환
β-석영	육방정계 hP18, P6₂22, No. 180	2.533	α-석영과 유사, 870℃에서 β-트리디마이트로 전환 (고순도에서는 β-크리스토발라이트로 직접 전환)
α-트리디마이트	사방정계 oS24, C222₁, No.20	2.265	정상 압력에서 준안정 상태
β-트리디마이트	육방정계 hP12, P6₃/mmc, No. 194	-	1470℃에서 β-크리스토발라이트로 전환
α-크리스토발라이트	정방정계 tP12, P4₁2₁2, No. 92	2.334	정상 압력에서 준안정 상태
β-크리스토발라이트	입방정계 cF104, Fd3m, No.227	-	1705℃에서 용융
코에사이트	단사정계 mS48, C2/c, No.15	2.911	고압 조건 (2~3 GPa, 500~800℃)에서 생성, 운석 충돌 크레이터나 초고압 변성암에서 발견
스티쇼바이트	정방정계 tP6, P4₂/mnm, No.136	4.287	초고압 조건 (10 GPa 이상, 1200℃)에서 생성, 운석 충돌 크레이터에서 발견, 지구 맨틀 전이층~하부 맨틀 환경에서 안정
자이페르트석	사방정계 oP, Pbcn	4.294	극초고압 조건 (40 GPa 이상)에서 생성, 월석, 화성 운석에서 발견

이산화 규소는 온도 변화에 따라 다음과 같은 상전이를 겪는다.

* 가열 시: α-석영 → β-석영 → β-트리디마이트 → β-크리스토발라이트 → 용융
* 냉각 시: β-트리디마이트 → α-트리디마이트, β-크리스토발라이트 → α-크리스토발라이트

압력에 의한 상변화는 다음과 같다.

* 고압 조건: 석영 → 코에사이트 → 스티쇼바이트 → 자이페르트석

2.2. 자연계에서의 존재

이산화 규소는 지구 지각 질량의 10% 이상을 차지하는 석영으로 자연에서 가장 흔하게 발견된다. 석영은 지구 표면에서 안정적인 실리카의 유일한 다형체이다. 코에사이트와 스티쇼바이트는 충돌 구조 주변과 초고압 변성작용 동안 형성된 에클로자이트와 관련하여 준안정적으로 발견되었다. 트리디마이트와 크리스토발라이트의 고온 형태는 실리카가 풍부한 화산암에서 알려져 있다. 세계 여러 지역에서 실리카는 모래의 주요 구성 성분이다.

자연계에서 규소는 대부분 이산화 규소(silica) 형태로 존재하며, 가장 흔한 형태는 석영이다. 모래의 주성분이며, 유리의 원료가 되는 규사나 규석도 이산화 규소로 구성되어 있다. 지각에는 다량의 이산화 규소가 포함되어 있으며, 지구 표면의 약 6할이 이산화 규소를 포함하는 광물로 구성되어 있다.

천연수나 수돗물에도 이산화 규소가 포함되어 있으며, 함유량은 용천수나 지하수가 많고, 빗물이 섞이는 댐 물이나 하천수는 적은 경향이 있다. 또한, 물맛에도 영향을 미치며, 함유량이 많을수록 맛이 없다고 느끼는 경향이 있다.

2.3. 생물학적 측면

규조류, 방산충, 피낭성 아메바는 껍질 또는 규산질 껍질을 가진다. 많은 식물은 세포 내에 실리카 식물규산체를 가지고 있는데, 속새과, 많은 풀, 그리고 다양한 쌍자엽식물 등이 이에 해당한다. 해면동물의 골격을 형성하는 골편도 실리카로 이루어져 있다.

이처럼 생물 중에는 이산화규소 형태로 유리질 골격이나 껍질을 형성하는 경우가 있다. 일부 양치식물, 벼과 식물, 선태식물 등은 규산체를 가지고 있으며, 규조류, 방산충 등은 골격을, 고초균은 포자 형성에 이산화규소를 이용한다. 또한, 식물은 일반적으로 이산화규소를 통해 성장 촉진, 환경 스트레스 감소, 병해충 저항성 향상 등의 효과를 얻는다. (식물에 대한 자세한 내용은 영양소_(식물)#규소 참고.)

실리카는 용해도가 낮음에도 불구하고, 벼와 같은 많은 식물에서 발견된다. 실리카 식물규산체 함량이 높은 식물은 씹는 곤충부터 유제류까지 초식 동물에게 중요하며, 치아 마모를 가속화한다. 초식동물이 자주 먹는 식물에 높은 수준의 실리카가 존재하는 것은 포식에 대한 방어 기전으로 진화했을 가능성이 있다.

벼짚재의 주요 구성 요소도 실리카이다. 세포 내 및 세포에 의한 규화 작용은 박테리아, 원생생물, 식물 및 동물(무척추동물과 척추동물) 등 생물계에서 흔하게 나타난다.

2.4. 인체 내에서의 작용

인체에서는 실리카(silica)가 거의 흡수되지 않으며, 간이나 신장에 축적되는 경우도 거의 없다. 물이 첨가된 오르토규산(orthosilicic acid)이 혈중에 약 1ml당 1μg 비율로 흡수되지만, 단백질과는 반응하지 않고 대부분 소변으로 배설된다. 식품을 통해 섭취하기 어렵기 때문에 체내 실리카 농도는 나이가 들면서 감소한다. 30대가 되면 태어났을 때에 비해 절반 이하로 감소하기 때문에, 실리카가 노화와 관련이 있다고 생각되고 있다.

3. 구조

대부분의 이산화 규소에서 규소 원자는 사면체 배위를 나타내며, 4개의 산소 원자가 중앙의 Si 원자를 둘러싸고 있다. SiO₂는 각 규소 원자가 4개의 산소 원자와 사면체 방식으로 공유 결합을 하는 3차원 네트워크 고체를 형성한다.

결정 구조의 차이에 따라 이산화 규소는 결정질과 비결정질(비정질)로 나눌 수 있다. 결정질 형태는 석영, 트리디마이트(고온 형태), 크리스토발라이트(고온 형태), 스티쇼바이트(고압 형태), 코에사이트(고압 형태) 등으로 발견된다.

이러한 결정 형태들은 Si와 O 주변의 국부 구조는 동일하다. α-석영에서 Si–O 결합 길이는 161 pm인 반면, α-트리디마이트에서는 154–171 pm 범위이다. Si–O–Si 각도는 α-트리디마이트에서 140°의 낮은 값부터 β-트리디마이트에서 180°까지 다양하며, α-석영에서는 144°이다.

이산화 규소는 석영 등의 광물에 대표되는 결정성 이산화 규소와 실리카겔·미소성의 규조토 등에 존재하는 비결정성 이산화 규소의 두 가지로 크게 나뉜다. 결정성 이산화 규소는 공유결합결정이며, 규소 원자를 중심으로 하는 정사면체 구조가 산소 원자를 매개로 무수히 연결된 구조이며, 압력이나 온도 등의 생성 조건에 따라 다양한 형태(결정다형)를 취한다.

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SiO₂의 결정 구조
상	결정 대칭성 피어슨 기호, 공간군 번호	밀도, ρ (g/cm³)	주석	구조
α-석영 α-quartz	삼방정계 hP9, P3₁21 No.152	2.648	거울상 이성질체가 있으며, 573℃에서 β-석영으로 변태
β-석영 β-quartz	육방정계 hP18, P6₂22, No. 180	2.533	거울상 이성질체가 존재
α-트리디마이트 α-tridymite	사방정계·단사정계 oS24, C222₁, No.20	2.265	상압 하에서 준안정 상태
β-트리디마이트 β-tridymite	육방정계 hP12, P6₃/mmc, No. 194		α-트리디마이트와 상호 변환, 2010K에서 β-크리스토발라이트로 변태
α-크리스토발라이트 α-cristobalite	정방정계 tP12, P4₁2₁2, No. 92	2.334	상압 하에서 준안정 상태
β-크리스토발라이트 β-cristobalite	입방정계 cF104, Fd3m, No.227		α-크리스토발라이트와 상호 변환, 1978 K에서 용융
키아타이트(Keatite)	정방정계 tP36, P4₁2₁2, No. 92	3.011	Si₅O₁₀, Si₄O₁₄, Si₈O₁₆ 고리
모간석(Moganite)	단사정계 mS46, C2/c, No.15		Si₄O₈ 및 Si₆O₁₂ 고리
코에사이트(Coesite)	단사정계 mS48, C2/c, No.15	2.911	Si₄O₈ 및 Si₈O₁₆ 고리
스티쇼바이트(Stishovite)	정방정계 tP6, P4₂/mnm, No.136	4.287	루틸형 구조
자이퍼타이트(Seifertite)	사방정계 oP, Pbcn	4.294	40 GPa에서 얻어짐
멜라노프로가이트(Melanophlogite)	입방정계 (cP*, P4₂32, No.208) 또는 정방정계 (P4₂/nbc)	2.04	Si₅O₁₀, Si₆O₁₂ 고리, 포접화합물	--
섬유상 W-실리카	사방정계 oI12, Ibam, No.72	1.97	황화규소와 같은 사슬 모양
2차원 실리카(2D silica)	육방정계		시트 모양의 2차원 구조

4. 반응

플루오린화 수소 기체 또는 플루오린화 수소산과 반응하면 각각 사플루오린화 규소(silicon tetrafluoride) 또는 플루오린화 규소산(hexafluorosilicic acid)이 생성된다. 고체 상태의 수산화 나트륨과 함께 가열하면 규산 나트륨(sodium silicate)이 생성된다.

고온에서 탄소와 환원 반응을 통해 실리콘으로 변환된다.

플루오르는 이산화규소와 반응하여 SiF₄와 O₂를 생성하지만, 다른 할로겐 기체(Cl₂, Br₂, I₂)는 반응하지 않는다.

대부분의 이산화규소 형태는 불화수소산(HF)에 의해 부식되어 헥사플루오로규산을 생성한다.
:

스티쇼바이트는 HF와 거의 반응하지 않는다. 반도체 산업에서는 HF를 사용하여 이산화규소를 제거하거나 패턴을 형성한다.

이산화규소는 특정 조건에서 염기와 반응할 수 있는 룩스-플루드 산으로 작용한다. 수소를 포함하지 않기 때문에, 무수 이산화규소는 직접 브뢴스테드-로우리 산으로 작용할 수 없다. 이산화규소는 저농도 또는 중성 pH의 물에는 용해도가 낮다(일반적으로 석영의 경우 2 × 10⁻⁴ M, 암석질 칼세도니의 경우 최대 10⁻³ M). 그러나 강염기는 유리와 반응하여 쉽게 용해시킨다. 따라서 강염기를 보관할 때는 플라스틱 병을 사용하여 병뚜껑이 막히는 것을 방지하고, 용기의 무결성을 유지하며, 규산 음이온에 의한 불필요한 오염을 방지해야 한다.

이산화규소는 고온의 진한 알칼리 또는 융융 수산화물에 용해된다.
:SiO2 + 2 NaOH -> Na2SiO3 + H2O

이산화규소는 염기성 금속 산화물(예: 산화나트륨, 산화칼륨, 산화납(II), 산화아연 또는 산화물 혼합물)을 중화시켜 실리카의 Si-O-Si 결합이 순차적으로 끊어지면서 규산염과 유리를 형성한다. 예를 들어, 산화나트륨과 SiO₂의 반응은 반응물의 비율에 따라 오르토규산나트륨, 규산나트륨 및 유리를 생성할 수 있다.
:2 Na2O + SiO2 -> Na4SiO4;

:Na2O + SiO2 -> Na2SiO3;

: $(0.25-0.8)$ Na2O + SiO2 -> glass.

이러한 유리의 예로는 소다석회 유리, 붕규산 유리, 납유리와 같이 상업적으로 중요한 것들이 있다. 이러한 유리에서 실리카는 네트워크 형성제 또는 격자 형성제로 불린다. 이 반응은 또한 용광로에서 산화칼슘과의 중화 반응을 통해 규산칼슘 슬래그를 형성하여 광석의 모래 불순물을 제거하는 데 사용된다.

이산화규소는 고온에서 질소 기체 하에서 환류 가열된 에틸렌글리콜 및 알칼리 금속 염기와 반응하여 반응성이 높은 5배위 규산염을 생성하며, 이는 다양한 새로운 실리콘 화합물을 얻는 데 이용된다. 규산염은 극성 용매에서는 메탄올을 제외하고는 거의 불용성이다.

이산화규소는 고온에서 원소 실리콘과 반응하여 SiO를 생성한다.
:SiO2 + Si -> 2 SiO

이산화규소는 플루오르화수소(HF) 기체 또는 플루오르화수소산(HF(aq))과 반응하여 각각 사플루오르화규소(SiF₄), 헥사플루오로규산(H₂SiF₆)을 생성한다.
: SiO2 + 4HF(gas) -> SiF4 + 2H2O
: SiO2 + 6HF(aq) -> H2SiF6 + 2H2O

또한, 고체 수산화나트륨(NaOH)과 가열하면 규산나트륨이 생성된다. 규산나트륨에 물을 가하여 가열하면 물유리가 된다.
: SiO2 + 2NaOH -> Na2SiO3 + H2O

5. 용도

이산화 규소는 반도체의 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 게이트 채널 절연을 위한 얇은 층으로 사용된다. 치약의 연마제 성분으로 사용되는 무수규산(덴탈타입실리카) 제조에도 쓰인다.

5.1. 산업 분야

이산화 규소(모래)는 건설업에서 약 95%가 사용되며, 포틀랜드 시멘트 콘크리트 생산에 쓰인다. 벼짚재의 주요 구성 요소로, 시멘트와 콘크리트 제조에서 보조 시멘트 재료(SCM)로 사용된다. 금속 제품의 사형 주조에도 적합한 특정 실리카 모래가 사용되며, 높은 녹는점 덕분에 주철 주조에도 활용된다. 셰일가스와 타이트 오일을 함유한 지층의 수압 파쇄에도 결정질 실리카가 사용된다.

유리 생산의 주요 성분이며, 다른 광물과 함께 녹여 혼합물의 녹는점을 낮추고 유동성을 높인다. 순수 SiO₂의 유리 전이 온도는 약 1475 K이다. 대부분의 세라믹 유약에도 실리카가 주성분으로 사용된다.

통신용 광섬유의 대부분과 도자기, 석기, 자기와 같은 세라믹의 주요 원료로도 쓰인다.

원소 실리콘 생산에도 사용되며, 전기 아크로에서 탄소열 환원 반응을 통해 제조된다.
:SiO2 + 2 C -> Si + 2 CO

실리카 흄은 SiCl₄를 산소가 풍부한 수소 화염에서 연소시켜 만들거나, 3000 °C의 전기 아크에서 석영 모래를 기화시켜 생산한다. 이렇게 만들어진 실리카 흄은 틱소트로픽 증점제 또는 항결합제 역할을 하며, 친수성 또는 소수성으로 처리하여 물 또는 유기 용액에 사용 가능하다.

실리카 흄은 실리콘과 페로실리콘 합금 생산의 부산물로, 고성능 콘크리트의 포졸란 재료로 쓰인다. 실리카 흄 나노입자는 아스팔트 바인더의 노화 방지제로도 활용된다.

MOS 기술에서 초기 게이트 절연막으로 사용되며, 현재는 이산화규소보다 유전율이 더 높은 하프늄 산화물과 같은 다른 유전체 재료로 대체되는 추세이다. 금속(배선) 층 사이의 유전체 층이나 반도체 소자와 금속화 층을 보호하는 이차 패시베이션 층으로도 사용된다.

갈륨 비소나 인듐 인화물과 같은 다른 반도체에 비해 실리콘의 자연 산화물인 이산화규소가 더 널리 사용된다. 실리콘 반도체 표면에 성장시켜 확산 공정 중 실리콘 표면을 보호하고 확산 마스킹에 사용할 수 있다. 열산화(이산화규소)에 의한 실리콘 표면 패시베이션 공정은 반도체 산업에서 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)와 실리콘 집적 회로 칩( 평면 공정 사용) 제조에 매우 중요하다.

소포제 성분으로 소수성 실리카가 사용되며, 고온 열보호 직물을 위한 섬유 형태로도 활용된다.

실리카 에어로겔은 스타더스트 우주선에서 외계 입자를 수집하는 데 사용되었다.

규산을 겔화한 실리카겔(SiO₂ 순도 99.5% 이상)은 건조제, 탈취제, 농업 비료, 건축용 조습제 등으로 사용된다. 전자재료 기판이나 실리콘 웨이퍼 등의 연마재로 사용되는 콜로이달실리카, 내열 기구, 실험기구 및 광섬유의 원료로 사용되는 규사, 규석 등을 용융한 후 냉각하여 유리화한 석영유리, 수지의 보강재, 연마재, 의약품 첨가제, 증점제, 농약 등의 침전 방지제 등에 사용되는 흄드 실리카, 단열재로 사용되는 실리카 에어로겔 외에도 다양한 분야에서 이용된다.

도자기 등의 제조에는 석영이 원료로 사용되며, 타이어 원료로는 침강 실리카가 고무에 보강 충전제로 배합된다. 전구에 사용되는 경우에는 전구 내부에 눈부심을 방지하고 빛을 확산시키는 목적으로 도료로 도포된다.

페로실리콘과 같은 고온 공정의 부산물로 얻어지는 실리카 흄은 시멘트에 섞는 포졸란으로 이용된다. 또한 특수한 용도로 전차 등의 복합장갑에 세라믹 형태로 금속 사이에 끼워 사용되기도 한다.

금속 실리콘 제조의 원료로도 사용된다. (탄소 환원법: {SiO2} + 2C -> {Si} + 2CO)

5.2. 화장품 및 의약품

미립 이산화 규소는 일반적인 분말에 비해 흡수성이 낮다. 이를 이용하여 아이섀도나 파운데이션과 같은 화장품에서 습기로 인한 굳음을 방지하는 역할로 사용되며, 크림이나 유액의 안정화에도 사용된다. 또한 경도가 높아 치약의 연마제로 사용되기도 한다. 의약품에서는 정제용 분말의 유동성을 높이거나, 정제의 강도를 높이기 위한 코팅제, 연고·유액의 안정화를 위해 사용된다.

5.3. 식품 첨가물

콜로이드성 실리카는 와인, 맥주, 주스의 청징제로 사용되며, E551이라는 E 번호를 가지고 있다. 주로 향신료나 무유 크리머와 같이 분말 형태의 식품 또는 의약품 정제로 성형될 분말의 유동성 향상제 또는 방결제로 사용된다. 또한 흡착을 통해 수분을 흡수하는 흡습성 응용 분야에도 사용된다.

식품첨가물은 그 흡착성을 이용하여 맥주, 청주, 미린과 같은 발효식품이나 식용유, 간장, 소스 등의 여과 공정에 사용될 뿐만 아니라, 설탕, 통조림 등의 제조 공정에도 사용된다. 미세한 이산화규소는 흡습·건조제로도 사용된다. 특히, 볶음김 등 분말 형태의 식품에는 습기로 인한 덩어리짐을 방지하기 위해 첨가되는 경우가 있다. 다만, 식품의약품안전처 고시에는 "모유 대체 식품 및 이유식에는 사용해서는 안 된다"는 사용 기준이 제시되어 있다.

식품첨가물로 사용되는 비결정성 이산화규소는 체내에서 소화 흡수되지 않고 대부분이 대변으로 배출되므로 신체에 영향은 없지만, 고농도를 장기간 섭취한 경우 유해성이 시사되고 있다.

이산화규소(SiO₂)의 다공질 및 흡착 능력 등을 이용하여 여과용 식품첨가물로 사용된다. 맥주를 비롯한 주류의 탁도 제거 및 조미액 등의 침전물 제거, 맥주 거품 유지 개선에 사용된다. 이러한 여과 보조제로서의 이산화규소는 불용성이므로 여과 과정에서 제거된다.

5.4. 기능성 원료

최근 설치류를 이용한 실리카의 임상 시험 및 비임상 시험에서 당뇨병 개선, 장내 환경 개선, 콜레스테롤 감소, 항산화 작용 등이 보고되고 있다.

6. 생산

이산화 규소는 대부분 모래 채취 및 석영 정제를 포함한 광산 채굴을 통해 얻는다. 석영은 여러 용도에 적합하지만, 더 순수하거나 다른 방식으로 더 적합한(예: 더 반응성이 좋거나 미세한 입자) 제품을 만들려면 화학적 처리가 필요하다.

침강 실리카 또는 비정질 실리카는 규산나트륨 용액을 산성화하여 생산한다. 젤라틴상 침전물 또는 실리카겔은 먼저 세척한 다음 탈수하여 무색의 미세 기공 실리카를 생산한다. 삼규산염과 황산을 포함하는 이상적인 방정식은 다음과 같다.
:Na2Si3O7 + H2SO4 -> 3 SiO2 + Na2SO4 + H2O

이 방법으로 1999년 기준 연간 약 1의 실리카가 생산되었으며, 주로 고분자 복합재료(타이어 및 신발 밑창)에 사용되었다.

실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 상에는 열산화(thermal oxidation)를 통해 실리카(silica) 박막이 자발적으로 성장하여, 이른바 자연 산화막(native oxide)이라고 불리는 약 1nm(10Å)의 매우 얇은 층을 생성한다.

실리콘 위에 두께가 잘 조절된 이산화 규소 층을 성장시키기 위해서는 더 높은 온도와 다른 환경을 사용하는데, 예를 들어 600°C~1200°C의 온도에서 산소(O₂)를 사용하는 건식 산화(dry oxidation) 방법:

:Si + O2 -> SiO2

또는 물(H₂O)을 사용하는 습식 산화(wet oxidation) 방법을 사용한다.

:Si + 2 H2O -> SiO2 + 2 H2

자연 산화막은 높은 화학적 안정성을 가진 전기 절연체(electric insulator) 역할을 하므로 마이크로일렉트로닉스(microelectronics) 분야에서 유익하다. 자연 산화막은 실리콘을 보호하고, 전하를 저장하며, 전류를 차단하고, 심지어 전류 흐름을 제한하는 제어 경로 역할을 할 수 있다.

7. 매장량

이산화 규소(실리카)는 석영, 규사, 규석 등의 형태로 산출된다. 천연 석영의 자원량은 한계가 있지만, 공업적으로는 인공 석영이 대신 사용된다. 규사와 규석의 자원량은 매우 풍부하며, 공업용 고순도 규사와 규석도 전 세계에 널리 분포한다.

성숙한 사막의 모래에도 이산화 규소가 많이 포함되어 있다. 일본 국내에서는 연간 2 이상, 세계적으로는 연간 100 이상이 배출되고 있지만, 지금까지 미이용 자원으로서 산업폐기물로 처리되어 온 실정이다. 최근에는 SDGs 관점과 그린 케미스트리의 흐름에 따라, 식물 중에서 실리카를 가장 많이 함유하는 벼 껍질에서 실리카를 효율적으로 추출하여 바이오 연료, LED, 건강기능식품 원료, 스킨케어 원료, 헤어케어 원료 등으로 활용하는 연구도 진행되고 있다.

8. 안전성

경구 섭취된 실리카는 기본적으로 무독성이며, LD₅₀은 5000 mg/kg(5 g/kg)이다. 2008년 연구에 따르면 물 속 실리카 수치가 높을수록 치매 위험이 감소하며, 식수 중 실리카 섭취량이 하루 10mg 증가할 때마다 치매 위험이 11% 감소한다.

하지만 미세하게 분쇄된 결정성 실리카 먼지를 흡입하면 규폐증, 기관지염, 폐암을 유발할 수 있다. 이는 폐에 먼지가 쌓여 조직을 자극하고 폐활량을 감소시키기 때문이다. 또한 전신 자가면역 질환인 루푸스 및 류마티스 관절염의 위험도 증가한다. 비정질 이산화규소를 고용량으로 흡입하면 일시적인 염증이 발생하지만, 모든 영향은 회복된다.

국제 발암성 연구소(IARC)는 이산화 규소를 CAS 번호에 따라 두 그룹으로 분류한다.

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CAS NO	그룹	설명
7631-86-9	3	인체 발암성 물질로 분류되지 않음 (모든 약에 사용하는 이산화규소)
14808-60-7	1	인체 발암성 물질 (광산 등에서 분진 형태로 변환되어 호흡기로 흡입했을 경우)

실리카는 체내에 유해한 영향을 미쳐 만성 신장 질환(CKD) 등을 유발할 수 있다는 연구 결과가 있다. 100mg/L 이상을 장기간 섭취할 경우, 실리카의 산화 스트레스로 인한 지속적인 DNA 손상이 세포 사멸을 유발하지만, 80mg/L 이하에서는 체내 세포 독소 제거 기능에 의해 제거되어 독성이 예방된다. 또한, 고농도의 장기 섭취로 실리카 결석이 발생할 수 있다는 보고가 있다.

하지만 저농도에서는 인체에 유해한 영향이 없다고 여겨지며, 2004년 유럽식품안전청(EFSA)은 규소 환산으로 하루 1인(60kg 체중)당 20~50mg 섭취는 인체에 유해한 영향을 나타내지 않는다고 결론지었다. 한국에서는 식품 첨가물로 이산화규소를 첨가하는 경우 식품에 대해 2% 이하로 규정되며, 모유 대용품 및 이유식에는 사용이 금지되어 있다.

비정질 실리카는 발암성에 관한 증거가 불충분하여 발암성을 분류할 수 없는 "그룹 3"으로 분류된다.

8.1. 직업적 위험

샌드블라스팅이나 석재 조리대 절단 및 설치 작업 시 결정질 규소 분진이 발생하여 직업적 위험을 초래할 수 있다. 특히, 수압 파쇄 작업에 사용되는 결정질 규소는 작업자에게 건강상의 위험을 야기한다. 이러한 분말 형태의 결정질 실리카를 다량 흡입하면 진폐증의 일종인 규폐증을 유발할 수 있으며, 1930년대 호크스 네스트 터널 참사는 광석 채굴 현장에서 발생한 노동 재해의 대표적인 사례이다.

국제암연구기관(IARC)은 석영과 다른 결정 다형인 크리스토발라이트 분진에 대해 발암성이 있다고 지적했으며, 1997년과 2012년부터 인체에 대한 발암성이 인정되는 그룹 1로 분류하고 있다. 단, 미세 분말 노출이 문제이므로, 결정·입자 크기가 크면 위험성은 낮아진다.

어린이, 천식 환자, 알레르기 환자, 노인 등 폐활량이 감소된 사람들은 더 짧은 시간 안에 영향을 받을 수 있어 주의가 필요하다.

8.2. 규제

결정질 규소는 돌 조리대를 다루는 사람들에게 직업병 위험 요소인데, 조리대를 절단하고 설치하는 과정에서 다량의 공기 중 규소가 발생하기 때문이다. 수압 파쇄에 사용되는 결정질 규소는 작업자에게 건강상의 위험을 초래한다. 규정은 결정질이며 먼지를 생성하는 실리카에만 해당하는 규소폐증 위험과 관련하여 실리카 노출을 제한한다.

2013년 미국 직업안전보건청(Occupational Safety and Health Administration, OSHA)은 노출 한계를 공기 1m³당 50μg으로 낮추었다. 2013년 이전에는 100μg/m³를 허용했고, 건설 노동자의 경우에는 250μg/m³까지 허용했다. 2013년 OSHA는 또한 수압파쇄공의 "친환경적 완료(green completion)"를 요구하여 결정질 실리카 노출을 줄이고 노출 한계를 제한했다.

광물에서 유래하는 대표적인 결정질 실리카는 분말 형태의 것을 다량 흡입하면 진폐증의 일종인 규폐증의 원인이 된다. 광석 채굴 현장에서의 노동 재해 사례로는 1930년대의 호크스 네스트 터널 참사가 있다. 석영과는 다른 결정 다형인 크리스토발라이트의 분진에 관해서는 국제암연구기관(IARC)으로부터 발암성이 있다는 지적이 있었지만, 1997년과 2012년부터 인체에 대한 발암성이 인정되는 그룹 1로 분류되어 있다. 미세 분말의 노출이 문제이기 때문에, 결정·입자 크기가 크면 위험성은 낮아진다.

9. 대한민국

대한민국은 반도체 산업 강국으로, 이산화 규소는 반도체 제조 공정에 필수적인 소재이다. MOS 기술에서 초기 게이트 절연막으로 사용되기도 한다. 실리콘 산화물 층은 확산 공정 중에 실리콘 표면을 보호하고 확산 마스킹에 사용될 수 있다.

이산화 규소는 식품, 화장품, 의약품 등 다양한 산업 분야에서도 활용되고 있다.

벼 껍질 등 식물 유래 실리카를 활용하여 바이오 연료, LED, 건강기능식품, 화장품 원료 등으로 활용하는 연구도 활발히 진행되고 있다.

대한민국 정부는 산업 현장에서의 결정질 실리카 분진 노출을 규제하고 있으며, 관련 법규(산업안전보건법)를 통해 노동자의 건강을 보호하고 있다.

10. 기타 명칭

* CAS 112945-52-5
* 아시트셀(Acitcel)
* 에어로실(Aerosil)
* 비정질 실리카 분진(Amorphous silica dust)
* 아쿠아필(Aquafil)
* CAB-O-GRIP II
* CAB-O-SIL
* CAB-O-SPERSE
* 카탈로그(Catalogue)
* 콜로이드성 실리카
* 콜로이드성 이산화규소(Colloidal silicon dioxide)
* 다이칼라이트(Dicalite)
* DRI-DIE 살충제 67(DRI-DIE Insecticide 67)
* FLO-GARD
* 화석분(Fossil flour)
* 실리카 흄
* 흄드 실리콘 다이옥사이드(Fumed silicon dioxide)
* HI-SEL
* LO-VEL
* 루독스(Ludox)
* 널코애그(Nalcoag)
* 니야콜(Nyacol)
* 산토셀(Santocel)
* 실리카(Silica)
* 실리카 에어로젤
* 비정질 실리카(Silica, amorphous)
* 규산 무수물(Silicic anhydride)
* 실리킬(Silikill)
* 합성 비정질 실리카(Synthetic amorphous silica)
* 벌카실(Vulkasil)