이산화 규소

3. 구조

대부분의 이산화 규소에서 규소 원자는 사면체 배위를 나타내며, 4개의 산소 원자가 중앙의 Si 원자를 둘러싸고 있다.^[7][8] SiO₂는 각 규소 원자가 4개의 산소 원자와 사면체 방식으로 공유 결합을 하는 3차원 네트워크 고체를 형성한다.^[7][8]

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.^[10]

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.^[67]

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.

SiO₂의 결정 구조^[128]

상	결정 대칭성 피어슨 기호, 공간군 번호	밀도, ρ (g/cm3)	주석	구조
α-석영 α-quartz	삼방정계 hP9, P3121 No.152[129]	2.648	거울상 이성질체가 있으며, 573℃에서 β-석영으로 변태
β-석영 β-quartz	육방정계 hP18, P6222, No. 180[130]	2.533	거울상 이성질체가 존재
α-트리디마이트 α-tridymite	사방정계·단사정계[110] oS24, C2221, No.20[131]	2.265	상압 하에서 준안정 상태
β-트리디마이트 β-tridymite	육방정계 hP12, P63/mmc, No. 194[131]		α-트리디마이트와 상호 변환, 2010K에서 β-크리스토발라이트로 변태
α-크리스토발라이트 α-cristobalite	정방정계 tP12, P41212, No. 92[132]	2.334	상압 하에서 준안정 상태
β-크리스토발라이트 β-cristobalite	입방정계 cF104, Fd3m, No.227[133]		α-크리스토발라이트와 상호 변환, 1978 K에서 용융
키아타이트(Keatite)	정방정계 tP36, P41212, No. 92[134]	3.011	Si5O10, Si4O14, Si8O16 고리
모간석(Moganite)	단사정계 mS46, C2/c, No.15[135]		Si4O8 및 Si6O12 고리
코에사이트(Coesite)	단사정계 mS48, C2/c, No.15[136]	2.911	Si4O8 및 Si8O16 고리
스티쇼바이트(Stishovite)	정방정계 tP6, P42/mnm, No.136[137]	4.287	루틸형 구조
자이퍼타이트(Seifertite)	사방정계 oP, Pbcn[138]	4.294	40 GPa에서 얻어짐[139]
멜라노프로가이트(Melanophlogite)	입방정계 (cP*, P4232, No.208)[140] 또는 정방정계 (P42/nbc)[141]	2.04	Si5O10, Si6O12 고리, 포접화합물[142]	--
섬유상 W-실리카[143]	사방정계 oI12, Ibam, No.72[144]	1.97	황화규소와 같은 사슬 모양
2차원 실리카(2D silica)[145]	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.^[18] 고체 상태의 수산화 나트륨과 함께 가열하면 규산 나트륨(sodium silicate)이 생성된다.^[18]

고온에서 탄소와 환원 반응을 통해 실리콘으로 변환된다.

플루오르는 이산화규소와 반응하여 SiF₄와 O₂를 생성하지만, 다른 할로겐 기체(Cl₂, Br₂, I₂)는 반응하지 않는다.^[37]

대부분의 이산화규소 형태는 불화수소산(HF)에 의해 부식되어 헥사플루오로규산을 생성한다.^[67]

:

스티쇼바이트는 HF와 거의 반응하지 않는다.^[63] 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.^[64]

이산화규소는 고온의 진한 알칼리 또는 융융 수산화물에 용해된다.^[37]

: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.^[67] 예를 들어, 산화나트륨과 SiO₂의 반응은 반응물의 비율에 따라 오르토규산나트륨, 규산나트륨 및 유리를 생성할 수 있다.^[5]

: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.^[67] 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.^[65] 규산염은 극성 용매에서는 메탄올을 제외하고는 거의 불용성이다.

이산화규소는 고온에서 원소 실리콘과 반응하여 SiO를 생성한다.^[67]

: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.^[47] 치약의 연마제 성분으로 사용되는 무수규산(덴탈타입실리카) 제조에도 쓰인다.^[42][43]

5. 1. 산업 분야

5. 2. 화장품 및 의약품

5. 3. 식품 첨가물

5. 4. 기능성 원료

6. 생산

이산화 규소는 대부분 모래 채취 및 석영 정제를 포함한 광산 채굴을 통해 얻는다.^[53][54] 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.^[37] 삼규산염과 황산을 포함하는 이상적인 방정식은 다음과 같다.

:Na2Si3O7 + H2SO4 -> 3 SiO2 + Na2SO4 + H2O

이 방법으로 1999년 기준 연간 약 10억kg의 실리카가 생산되었으며, 주로 고분자 복합재료(타이어 및 신발 밑창)에 사용되었다.^[19]

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.^[55]

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:^[56][57]

: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.^[58]

7. 매장량

이산화 규소(실리카)는 석영, 규사, 규석 등의 형태로 산출된다. 천연 석영의 자원량은 한계가 있지만, 공업적으로는 인공 석영이 대신 사용된다.^[156] 규사와 규석의 자원량은 매우 풍부하며, 공업용 고순도 규사와 규석도 전 세계에 널리 분포한다.^[157]

성숙한 사막의 모래에도 이산화 규소가 많이 포함되어 있다. 일본 국내에서는 연간 200만ton 이상, 세계적으로는 연간 1억ton 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.^[19] 2008년 연구에 따르면 물 속 실리카 수치가 높을수록 치매 위험이 감소하며, 식수 중 실리카 섭취량이 하루 10mg 증가할 때마다 치매 위험이 11% 감소한다.^[69]

하지만 미세하게 분쇄된 결정성 실리카 먼지를 흡입하면 규폐증, 기관지염, 폐암을 유발할 수 있다.^[70] 이는 폐에 먼지가 쌓여 조직을 자극하고 폐활량을 감소시키기 때문이다. 또한 전신 자가면역 질환인 루푸스^[71] 및 류마티스 관절염의 위험도 증가한다.^[72] 비정질 이산화규소를 고용량으로 흡입하면 일시적인 염증이 발생하지만, 모든 영향은 회복된다.^[100]

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

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.^[162] 또한, 고농도의 장기 섭취로 실리카 결석이 발생할 수 있다는 보고가 있다.^[163]

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.^[163][164] 한국에서는 식품 첨가물로 이산화규소를 첨가하는 경우 식품에 대해 2% 이하로 규정되며, 모유 대용품 및 이유식에는 사용이 금지되어 있다.^[165]

비정질 실리카는 발암성에 관한 증거가 불충분하여 발암성을 분류할 수 없는 "그룹 3"으로 분류된다.^[166][167]

8. 1. 직업적 위험

8. 2. 규제

9. 대한민국

대한민국은 반도체 산업 강국으로, 이산화 규소는 반도체 제조 공정에 필수적인 소재이다. MOS 기술에서 초기 게이트 절연막으로 사용되기도 한다.^[44] 실리콘 산화물 층은 확산 공정 중에 실리콘 표면을 보호하고 확산 마스킹에 사용될 수 있다.^[45][46]

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^[102]
• 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)^[101]

참조

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