준금속이 현대 전자 제품에서 반도체로 유용하다는 사실을 알고 계셨나요? 많은 원소들이 일반적으로 준금속으로 인정받고 있으며, 주기율표에서의 위치와 화학적·전기적 특성은 잘 문서화되어 있지만, 과학계 내에서 널리 수용된 정의는 아직 부족합니다. 준금속이 무엇이고 어떻게 전기를 전도하는지 알아보세요. 또한 준금속과 그 화합물이 반도체 산업 전반에 걸쳐 어떻게 사용되는지도 알게 될 것입니다.
준금속이란?
준금속은 주기율표에서 가장 특이한 원소 중 하나입니다. 이들은 금속 특성과 비금속에서 발견되는 다른 특성을 모두 나타냅니다. 이러한 이유로 어느 한쪽 범주로 분류하는 명확한 방법이 없으며, 때로는 반금속(semi-metals)이라고도 불립니다. 하지만 이들은 명확히 금속인 전이금속(transition metals)과는 다릅니다.
준금속을 반도체와 혼동해서도 안 됩니다. 모든 준금속이 뛰어난 전기 전도성을 보이는 것은 아니기 때문입니다. 그러나 많은 준금속은 반도체 재료인 반면, 다른 준금속은 반도체 특성을 가진 화합물을 형성할 수 있으며, 이는 우리가 매일 사용하는 많은 현대 기기에서 발견되는 전자 부품을 제조하는 데 사용됩니다.
주기율표의 준금속
주기율표 출처: www.acs.org
주기율표를 보면 준금속(회색)은 아래 그림과 같이 금속과 비금속을 분리하는 지그재그 패턴으로 위치해 있습니다. 이는 주기율표에서 한 줄이나 블록으로 그룹화된 비활성 기체(보라색)와 같은 다른 원소군과 매우 다릅니다.
준금속의 특성
준금속 원소가 금속 및 비금속과 비교하여 독특한 특성을 가지는 이유를 살펴보겠습니다.
물리적 외관
준금속은 비금속 원소의 특성인 탄성으로 인해 부서지기 쉬운 고체입니다. 반면에 금속성 광택이 나는 외관을 가지고 있습니다.
중간 이온화 에너지 및 화학적 거동
이들의 이온화 에너지와 전기음성도 값은 화학적 특성에 기여합니다. 준금속은 주로 비금속처럼 행동하며, 이들이 형성하는 산화물은 약산성입니다. 또 다른 특이한 점은 준금속이 다른 원소와 상호작용하는 방식입니다. 예를 들어, 붕소는 나트륨이 있을 때는 비금속처럼 행동하지만, 불소와 반응할 때는 금속처럼 작용합니다. 이들은 금속과 합금을 형성하여 금속을 더 강하게 만들고 금속 특성에 더 가깝게 만드는 데 사용될 수 있습니다.
준금속이 전기를 전도하는 방법
준금속의 전자 밴드 구조는 많은 준금속이 비교적 좋은 전기 전도성을 가지게 하는 요인입니다. 표준 상태의 일부 준금속은 원자가 전자가 여기되어 밴드 갭을 뛰어넘어 전하 운반자를 생성함으로써 효과적으로 전기 전도체가 됩니다. 이것이 실리콘과 게르마늄과 같은 많은 원소가 반도체 산업에서 컴퓨터 칩 제조에 사용되는 이유입니다.
안티몬과 비소처럼 표준 상태에서 반도체가 아닌 원소들도 다른 원소와 결합하여 반도체 부품에 사용될 수 있습니다. 밴드 이론은 일부 원소(절연체)가 왜 전도성이 낮은 반면, 다른 원소는 금속 전도체와 반도체가 되는 이유를 설명합니다.
가장 열역학적으로 안정한 형태에서 반도체 특성을 가진 준금속
실리콘은 지각에서 두 번째로 풍부한 원소이자 준금속으로, 반도체 부품 제조에 널리 사용됩니다. 반도체로도 작용하는 몇 가지 준금속을 살펴보겠습니다.
실리콘
실리콘(Si)은 앞서 언급한 바와 같이 많은 소비자 전자 기기, 태양 전지, 액정 디스플레이에서 발견되는 마이크로프로세서 제조에 사용되는 반도체 재료입니다. 그 전도성은 갈륨 및 붕소와 같은 원소와 결합하여 증가시킬 수 있습니다. 실리콘은 또한 알루미늄과 합금되어 자동차 응용 분야의 엔진 부품을 만드는 데 사용될 수 있습니다.
붕소
붕소(B)는 점화될 때 밝은 녹색 불꽃으로 연소되어 불꽃놀이와 폭죽에 유용하게 사용됩니다. 또한 열충격에 매우 강한 붕규산 유리를 생산하는 데 사용되며, 유리 베이크웨어의 인기 있는 재료입니다. 붕소는 원자로에 있는 제어봉에도 사용됩니다. 또한 세제와 같은 세정 제품과 해충 방제에도 사용됩니다.
게르마늄
게르마늄(Ge)은 트랜지스터 제조에 사용되는 또 다른 반도체입니다. 높은 굴절률로 인해 카메라 및 현미경 렌즈 제작에도 사용됩니다. 게르마늄은 광섬유 기술과 적외선 분광법에도 사용됩니다.
비소
비소(As)는 가장 독성이 강한 물질 중 하나이며, 역사를 통틀어 많은 암살에 사용된 악명 높은 원소입니다. 그러나 이러한 독성에도 용도가 있어 비소는 살충제로 널리 사용되었습니다. 또한 박테리아, 곤충, 곰팡이에 대한 목재 방부제로도 사용되었지만, 현재는 많은 분야에서 독성이 덜한 물질로 대체되고 있습니다.
비소는 갈륨과 합금될 때 유용하며, 적외선 발광 다이오드(LED) 제조에 사용될 수 있습니다.
안티몬
안티몬(Sb)은 항공기 및 자동차 산업에서 난연제 제조의 성분으로 매우 중요합니다. 다양한 합금은 케이블 피복과 총알 제작에 사용되며, 폴리머 제조의 촉매제로도 사용됩니다.
텔루르
텔루르(Te)는 스테인리스 강과 구리의 연성을 개선하는 데 사용됩니다. 반도체 특성은 태양 전지 제조에 활용될 수 있으며, 아연과 결합하면 감마선 검출기를 만드는 데 사용할 수 있고, 수은과 결합하면 적외선 검출기를 생산할 수 있습니다. 마지막으로 텔루르는 기폭관과 세라믹 생산에도 사용됩니다.
폴로늄
폴로늄(Po)은 유명한 과학자 마리 퀴리에 의해 발견되었으며, 그녀의 고향 폴란드의 이름을 따서 명명되었습니다. 회전하는 합성 섬유와 종이 롤링 기계에서 정전기를 방지하는 데 사용됩니다. 인공위성의 열전 소자는 폴로늄으로 만들어지며, 이 원소는 많은 월면 탐사차에서 내부 부품의 안정적인 작동 온도를 유지하는 데에도 사용되었습니다.
기타 원소
실리콘부터 비소까지 일반적으로 준금속으로 인정되는 주요 원소들을 다루었지만, 다른 원소들도 유사한 특성을 나타냅니다. 셀레늄(Se)이 그러한 예입니다. 반도체 특성을 가지고 있지만 화학적 특성은 비금속에 가깝습니다. 또한 일반적으로 비금속으로 분류되는 아스타틴(At)과 대부분의 사람들이 금속으로 간주하는 알루미늄(Al)도 있으며, 둘 다 명확하게 분류하기 어렵게 만드는 독특한 특성을 보입니다.
알루미늄은 전기 전도성 측면에서 명확히 금속처럼 행동하지만, 반도체 제조 산업에서 다양한 용도로 많이 사용됩니다. 알루미늄 인화물(AlP) 또는 AlP 반도체 재료는 발광 다이오드, 다이오드 레이저, 태양 전지, 심지어 고주파 군사 레이더 응용 분야 제작에 지속적으로 사용됩니다.
준금속은 반도체로 유용합니다
보시다시피, 실리콘과 게르마늄과 같은 일부 준금속은 반도체이고, 비소와 같은 다른 준금속은 그 제조에 유용하게 사용됩니다. 우리가 매일 의존하는 많은 현대 소비자 전자 제품, 산업 응용 분야, 심지어 우주 여행도 준금속과 반도체 제조에서의 유용성 덕분에 가능해졌습니다.
FAQ
준금속이란 무엇인가요?
준금속은 금속과 비금속의 물리적, 화학적, 전기적 특성이 혼합된 원소입니다.
주기율표의 준금속은 무엇인가요?
실리콘, 게르마늄, 붕소, 비소, 안티몬, 텔루르, 폴로늄이 가장 일반적으로 인정되는 준금속입니다.