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석영(石英, Quartz)은 대륙지각에 풍부한 광물이다. 수정이라고도 부르며, 육방정계의 결정형을 가지고 망상형 이산화규소(SiO₂)로 이루어져 있다. 모스 경도 7이며 비중은 2.65이다. 결정의 가장 일반적인 형태는 육각기둥 모양인데, 그 끝은 육각뿔 모양이다. 하지만 쌍정이나 변형된 모습으로도 흔히 나타나며 결정의 일부만 관찰되는 경우도 많다. 자수정과 같이 주변물질로부터 자라난 것처럼 성장하여 한쪽 끝으로만 뿔 모양이 보이는 경우가 흔하다. 줄여서 Qz로 쓴다. 조흔색은 흰색이다(이론상 조흔색은 조흔판의 굳기 이상이면 확인할 수가 없다. 조흔판의 굳기는 6.5도이다. 이럴 경우, 망치로 광물을 부숴서 가루로 만들었을 때의 색이 굳기 7 이상의 광물의 조흔색이다).
목차
개요
석영은 기본적으로 산소와 규소 원자로 구성된 광물로써, 그 결정 구조는 단위 구조인 [SiO4] 사면체가 산소 원자 한 개를 주변의 다른 단위 구조와 공유하며 연속적으로 연결된 골격구조로 이루어져 있다. 따라서 석영의 화학식은 [SiO2]로 쓸 수도 있으며, 지각에 두 번째로 많이 포함된 광물이다.
석영은 카이랄(chiral) 특성을 보인 두 가지 구조로 존재하는데, 상온에서는 α-석영 형태로 존재하는 반면 고온에서는 β-석영 형태로 존재한다. α-석영은 573°C에서 β-석영으로 변화하는데, 이때 부피 변화가 크게 일어나 도자기나 암석의 경우 이로 인해 균열이 발생하기도 한다. 또한 석영 중 일부는 준보석으로 여겨져 고대부터 보석으로 사용되거나 조각품을 만드는 데 활용되기도 하였다.
역사
'Quartz'라는 단어는 슬라브의 유래인 독일어 'Quarz'로부터 왔다. 17세기 스테노(Nicolas Steno)의 석영 결정에 대한 연구가 현대 결정학의 길을 열었다. 그는 결정의 크기나 모양과 관계없이 석영의 긴 프리즘 면은 항상 완벽한 60°로 연결된다는 것을 발견했다.
석영의 압전(piezoelectric) 특성은 1880년 퀴리 형제(Jacques Curie, Pierre Curie)에 의해 발견되었다. 석영 결정에 기계적 스트레스가 가해지면 전위가 발생하는 것을 말하는 이 특성은 주로 수정 발진기(crystal oscillator)에 이용되는데, 이는 시계, 마이크로 저울, 박막 두께 측정 등에 활용된다. 1921년 캐디(Walter Guyton Cady)에 의해 수정 발전기가 처음 개발되었으며, 1923년에는 피어스(George Washington Pierce)가 수정 결정 발진기(quartz crystal oscillator)를 설계하고 특허를 냈다. 1927년 매리슨(Warren Marrison)은 캐디와 퀴리 형제의 연구를 바탕으로 최초의 수정 발진기 시계를 만들기도 하였다.
독일의 지질학자 샤프호틀(Karl Emil von Schafhäutl)는 최초로 석영을 합성한 인물로 1845년 작은 석영 결정체를 합성하는 데 성공하였으나 결정의 순도는 낮고 크기는 매우 작았다. 이러한 석영의 합성은 과학자들이 자연에서 형성된 광물 형성 조건을 모방해서 광물을 만들고자 시도하면서 19세기 중반에 시작되었다.
1930년대 전자 산업에서 석영 결정이 중요하게 사용되었는데 이러한 산업에 적합한 결정은 유일하게 브라질에서만 구할 수 있었다. 하지만 제2차 세계 대전으로 인해 각 국가가 석영을 구하기 어려워져 이를 합성하려고 시도하기 시작했다. 독일 광물학자인 낙켄(Richard Nacken)은 1930~1940년대 석영 합성에 있어 소기의 성공을 거두었고, 전쟁이 끝난 후 많은 연구실에서 석영 결정 합성을 시도하였다. 특히 미 육군 통신대는 벨 연구소(Bell Laboratories)와 오하이오주 클리블랜드의 브러시 개발사(Brush Development Company)와 계약을 체결하여 석영 결정을 합성하는 데 성공하였다. 그 결과 1948년까지 그 회사는 직경 3.8cm에 이르는 가장 큰 결정을 성장시켰다. 1950년대를 거치며 수열 합성 기술을 사용하여 공업용 규모로 합성 석영 결정을 생산하게 되었으며 현대 전자업계에서 사용되는 거의 모든 결정은 합성물이다.
결정구조와 동질이상
규소(Si)와 산소(O)두 가지의 원소가 모두 공유결합을 통해 자라난다. 그림에서야 아주 규칙적으로 보이지만, 그 구조가 얽혀 있어서 다른 방향에서 보면 영락없이 망상구조이다.
화학식에서도 알 수 있지만, 유리와 성분이 같다. 이산화규소가 결정질로 자라면 수정(=석영), 비결정질로 굳으면 유리라고 한다. 결정질인 경우가 더 안정한 형태이지만, 급랭할 경우 평형점을 찾기 위한 충분한 시간이 없어 유리질로 굳어버리게 된다. 사실 이 성질을 이용한 것이 유리 가공이다. 역으로 말하면 석영 만들기가 유리 만들기보다 어렵다는 뜻. 유리보다 내구성이 훨씬 뛰어나기 때문에 실험실에서 쓰는 비싼 슬라이드 글라스는 내구성이나 광학적 성질 문제 때문에 그냥 유리가 아니라 석영을 절단 가공해서 만든다. 이런 용도로 쓰이는 경우 석영유리라 부른다.
석영은 성분은 고정되어 있는 대신에 결정의 구조가 바뀌면서 동질이상들을 많이 확보하고 있다. 우리가 흔히 아는 석영은 알파석영(α-quartz)으로, 저압저온 조건에 해당하는 석영이다. 석영의 동질이상들은 트리디마이트(tridymite), 크리스토발라이트(cristobalite), 코에사이트(coesite), 그리고 스티쇼바이트(stishovite)가 있다. 그리고 그 중에서 석영, 트리디마이트, 그리고 크리스토발라이트는 각각 알파 상태와 베타 상태가 따로 있다. 베타 상태는 알파일 때보다 대칭성이 더 높다. 결국 다음과 같은 동질이상이 알려져 있다.
- 알파석영 (Rhombohedral hexagonal) / 베타석영 (Hexagonal)
- 알파트리디마이트 (Orthorhombic) / 베타트리디마이트 (Hexagonal)
- 알파크리스토발라이트 (Tetragonal) / 베타크리스토발라이트 (Isometric)
- 코에사이트 (Monoclinic)
- 스티쇼바이트 (Tetragonal)
각각 안정한 온도 압력 조건이 다른데, 알파석영은 저온저압에서 안정하다. 베타석영은 알파석영보다 더 고온 조건에서 나타난다. 베타석영과 온도는 비슷하지만 압력이 더 낮게 되면 베타트리디마이트와 베타크리스토발라이트가 나온다. 코에사이트는 알파, 베타석영보다 더 고압 조건에서 안정하며, 스티쇼바이트는 코에사이트보다 더 고압이어야한다. 참고로 스티쇼바이트 같은 석영은 극도로 고압환경에서 나오는 석영으로 소행성 충돌에 의해 만들어진다. 트리디마이트와 크리스토발라이트의 알파상은 안정 온도 압력 영역은 따로 없고, 베타상이 만들어진 뒤에 식으면서 알파상으로 변하게 된다.
지질학적 배경
단순하기 짝이 없는 화학식, 비교적 높은 경도[8], 구조적 특성상 존재하지 않는 벽개로 인해 물리적 풍화와 화학적 풍화 양쪽 모두에 대단히 강하다. 게다가 그 양도 많기 때문에 쇄설성 퇴적물의 주성분을 이루고 있으며, 많은 퇴적암에서 석영이 발견된다.
화성암에서 석영이 나온다는 것은 곧 규산염이 과포화 상태(silicate oversaturation)라는 의미다. 다른 양이온이 다 광물을 만드는 데 쓰이고 난 뒤에도 석영이 남아돈다는 뜻이며, 이런 조건의 화성암에서 석영은 잘 자라게 된다. 화강암은 대표적인 경우이다. 이 때문에 현무암에서 시작해서 유문암에 이르기까지 준알칼리 계열과 일부 알칼리 계열의 화성암에서 조건만 맞으면 발견된다. 또한 화성암이 지하에서 굳고 남은 규산염과 열수가 흐르면서 석영맥(quartz vein)을 많이 만들어내며 이런 곳에서는 상업적 가치를 갖는 광물(광석)이 농집되기 용이하다.
변성암의 경우에도 화성암과 마찬가지로 규산염이 남아돌면 언제든지 환영인 광물. 특히 부분용융이 일어나는 상황에서 석영은 중요한 단서를 제공해주게 된다. 또한 퇴적암 기원의 변성암인 경우에는 애초에 석영이 많은 시스템이었기 때문에 나중에 변성암에서도 석영이 많이 존재하게 된다.
참고로 해양에서 퇴적되는 규산염 퇴적물은 석영이 아니다. 이들은 수화된 상태로, 결정질이 아니기 때문에 광물이 아니다. 이런 상태를 단백석 혹은 오팔이라고 부르는데, 규조류(diatoms)의 주요 골격이 된다. 해양성 퇴적물의 주요 성분 중 하나이며 단단하게 굳으면 처트(chert)라는 암석이 된다. 물론 이들이 변성을 받게 되면 석영으로 재결정화된다.
석영은 성분이 단순하지만 여러 미량원소가 들어가는 과정이 지질학적 연구에 중요한 단서를 제공해주기 때문에 많은 사람들의 연구 대상이 되고 있다. 석영의 경우에는 박편이나 SEM 등으로는 보이지 않지만, CL 사진으로는 잘 나타나는 누대구조를 보존하며, 티타늄의 함량을 통해 온도 조건을 알아낼 수도 있다.
물리적 성질
화학식은 규소와 산소의 규소 사면체인 SiO2이며, 다른 광물들과 달리 화학적으로 매우 순수하다. Si-O 사면체가 모든 정점을 공유하여 삼차원망상구조를 이룬다. 석영의 동질이상인 크리스토발라이트 (cristobalite), 트리디마이트 (tridimite) 등도 같은 구조를 갖는 육방정계의 광물이다. 주로 육각기둥 모양의 결정을 만들고, 쪼개짐 (cleavage)은 없다. 순수한 석영의 비중은 2.65이고 굴절률은 1.54-1.55, 모스 경도는 7이다. 모스경도가 7인 이유는 석영을 기준으로 굳기를 비교했기 때문이다. 자연상에서는 함유하는 불순물의 원소에 따라 무색, 백색, 회색, 황색, 갈색, 흑색, 자색, 적색, 녹색, 청색 그 밖의 여러 가지 색조를 나타낸다. 보통은 투명하거나 반투명한데, 때때로 거의 불투명한 것도 있다. 유리상 광택이 강하며, 플루오린화수소산을 제외한 산 및 알칼리에 대해 안정한 편이다. 석영은 두 가지 형태를 갖는다. 573 ℃ 이하의 온도에서 저온형 (α) 석영(삼방정계), 573℃ 이상에서 고온형 (β) 석영(육방정계)이 존재한다. 주위의 환경, 그 중에서도 온도에 따라 화학조성과 형태는 유지되나 결정구조가 변하는 것이다.
분포
석영의 구성원소인 규소와 산소는 지각의 8대 구성원소 중 가장 많은 양을 차지하는 원소이기 때문에 이 두 원소의 화합체인 석영은 지각에서 가장 많이 분포하는 물질이다. 따라서 석영은 전세계에 널리 분포하여 쉽게 얻을수 있기 때문에 옛날부터 이용되어 왔다. 화강암, 석영안산암, 유문암 등의 산성암 및 편마암, 편암 등 변성암의 중요한 구성광물이며, 사암, 규암, 역암 등은 거의 모두가 석영으로 이루어져 있다. 스위스, 오스트리아, 프랑스, 미국 미시간주(州) 등에서 아름다운 수정이 산출된다.
활용
보석으로서의 이용
투명하고, 경도도 높고, 컬러도 다양하기 때문에 보석으로 오랜 시간 이용되어 온 광물이다. 다만 구조가 손쉬운 만큼 합성석도 많고, 모조석도 많다.
보라빛의 자수정과 황금빛의 황수정이 가장 유명하다. 보석을 좋아하는 사람들에게는 옅은 핑크빛의 장미수정(로즈쿼츠), 옅은 녹색빛을 띄는 그린 아메시스트(이름이 괴상하나 동서양을 통틀어 흔한 유통명이다.) 등이 있다. 수정 자체가 그리 희귀한 광물은 아닌 만큼 대부분 준보석으로 취급되며, 그 중 자수정은 아무래도 색감이 독보적이라서 다른 귀보석들과 함께 취급되기도 한다.
공업적 사용
석영을 이용해서 진동자를 만들 수 있다. 결정의 특정한 면으로 절단하여 만든 작은 석영 조각 양 끝에 전극을 달아 여기에 전압을 걸면 진동이 일어난다. 이 과정은 반대로도 일어나는데, 석영의 결정에 전기를 가하면 석영이 미세하게 기계적으로 길이가 신축하고 반대로 석영을 기계적으로 신축하면 역으로 전기가 발생한다. 또한 결정의 고유진동수와 같은 주파수의 교류를 가하면 고유진동수의 주파수와 일치하는 성분만 공명현상으로 남고 일치하지 않는 주파수는 상쇄되어 약해진다.
석영의 진동은 일정한 주기를 가지는데다 여러 가지 외부 변화에도 진동 주기에 큰 변화가 없이 매우 안정적이며 일정한 진동을 내야 하는 전자기기에 많이 사용된다. 여기까지 들어보면 알 수 있겠지만 이걸 이용한 대표적인 기계가 바로 쿼츠 시계다. 석영이 영어로 바로 쿼츠(Quartz)다. 온도를 일정하게 유지시킨 최고급의 수정진동자 표준시계는 3천년에 1초 오차 정도로 안정시킬 수 있지만 보통 손목시계 등은 1일에 5초 정도 아주 고급시계는 1달에 5초 정도 오차가 난다. 이보다 더 안정적인 시간/주파수 소스로는 루비듐이나 세슘을 이용하는 원자시계가 있다.
이 성질은 시계 이외에도 산업적으로도 종종 이용되는데, 특정 주기를 정밀하게 측정하기 위해서 사용 할 수 있는 간단하며 싼 진동자이기 때문. 이 용도로 쓸 때는 주로 크리스털이나 수정진동자라고 부른다. 회로도상에서는 X로 표기되는 경우가 많다. GPS를 적절하게 사용하기 위해서는 거의 필수적으로 사용되며, CPU 등 각종 디지털 회로의 클럭, 무전기 등의 고주파 발생 회로 등에 석영이 쓰인다. 과거 아날로그 TV 등에서는 NTSC 신호의 색상 부반송파 주파수인 3.58 MHz (3579545 Hz) 수정진동자가 많이 쓰였고 시계용으로는 215 인 32.8 kHz (32768 Hz) 의 진동자가 많이 쓰인다. 크리스털 진동자는 고유의 진동수가 부품의 규격으로 정해져 있다. 그래서 옛날 구형 무전기들은 통신 주파수를 바꾸려면 그 주파수에 맞는 석영으로 교체해야 했다. 초창기에는 큰 지우개만 크기였지만 손톱 크기 정도를 거쳐 현재는 해바라기 씨앗이나 쌀알 크기로 줄어들었다. 특히 주파수 안정성이 중요한 용도에는 히터를 내장해 온도를 안정화 시킨 TCXO라는 부품을 쓴다.
또한 매우 예리한 주파수 밴드패스 필터로도 쓸 수 있다. 일정한 주파수 대역만 통과시키고 그외의 주파수 성분은 칼같이 예리하게 차단하는 크리스털 필터도 있는데 SSB 기능을 지원하는 고급 무전기의 10.7MHz(FM 중간주파수) 필터 혹은 단파수신기의 55.845MHz(AM 중간주파수) 필터 등으로 쓰인다. 현재는 비슷한 원리의 리튬탄탈화합물 등으로 만든 세라믹 SAW(surface aucostic wave) 필터가 FM 라디오 등에 많이 쓰인다.
다른 하나의 사용처로는 이방성을 가진 비선형 결정으로써의 성질을 이용한 광학 기기로써, 레이져의 주파수를 제어하는 데에도 사용된다. 현대에는 이 분야에는 SiO2 결정보다 더 뛰어난 광학적 성질을 가진 물건들이 많이 연구되어서 석영을 사용하는 경우는 줄고있다. 하지만, 경제적인 이유로 여전히 여기저기서 사용되는 중.
SiO2 단결정을 만들기는 어렵긴 하지만 불가능한 것은 아닌데, 그래서인지 많은 제품에서 사용되는 석영은 자연산이 아니다. 다만, 보석으로 활용되기 위해서는 단결정인 것뿐만 아니라 내부의 기포나 불순물의 양이나 종류가 세밀하게 통제되어야 하는데, 그정도까지 싸게 컨트롤할 수는 없기 때문에 보석으로서의 양산은 없는 것 같다.
한편 조선시대에는 안경의 재료로 사용되었다고 한다.
더불어 부싯돌 용도로도 많이 쓰였다. 따로 석영 등의 규산염 광물로 이루어진 광석을 flint라고 구분할 정도.
예술적인 정찰기인 SR-71과 YF-12의 조종석 창은 석영유리로 제작되었다. 일반 유리를 썼더니 고온을 버티지 못하고 구겨져 버렸다고.
지금도 항공 산업에서 사용되고 있는데, 항공기 엔진의 터빈 블레이드의 주조용 형틀로 사용된다. 고온을 버텨야 할 블레이드를 구성하는 재료의 녹는점이 높은 탓에 고온에서 주조 정밀도를 확보할수 있는 형틀 재료가 드문듯.
반도체의 핵심 재료인 규소 잉곳을 만들기 위해 필요한 도가니를 만드는 주재료도 석영인데, 일반적인 석영과 달리 초고순도의 석영을 필요로 한다. 이 초고순도의 석영을 생산하는 곳은 딱 하나 있는데. 미국에 위치한 '스프루스파인 광산'이다.
주요 변종들
- 마노: 줄무니가 있는 옥수이다. 반투명하다.
- 벽옥: 불투명한 옥수(또는 처트)이다. 불순물이 많이 섞여있다.
- 사금석: 운모가 박혀있어서 희미하게 반짝이는 것이 보이는 반투명한 칼세도니이다.
- 연수정: 갈색, 투명한 석영이다. 알루미늄 때문으로 추정된다.
- 오닉스: 마노중에서 줄무니가 곧고 평행하며 크기가 균질한 것들이다.
- 옥수: 엄밀하게는 모든 미정질 석영을 뜻하나 일반적으로는 흰색이나 색이 옅은 것만을 칭하고 다른 경우에는 따로 이름이 붙여진 경우가 많다.
- 우유석영: 흰색, 반투명 또는 불투명. 이중별효과가 나타나기도 한다.
- 자수정: 투명한 보라색 또는 자주빛의 결정질 석영이다.
- 장미석영: 분홍색, 반투명. 이중별효과(diasterism)가 나타나기도 한다.
- 카르넬리안: 다홍색 옥수, 반투명하다.
- 플린트: 검은색 또는 회색의 미정질 석영. 주로 처트이다.
- 호안석: 섬유상의 석영이다. 보는 방향에 따라 광택이 변한다.
- 황수정: 노란색, 다홍색, 연두색을 나타내는 결정질 석영이다. 철 성분 때문이다.
- 흑수정: 어두운 갈색, 불투명한 석영이다.
석영의 종류들이 모두 자연상태에서 생성되는 것은 아니다. 감람색의 파라시올라이트는 열처리를 통하여 형성된다. 시트린은 자연적으로 생성되기도 하지만 대부분은 자수정을 열처리하여 얻어진다. 카넬리안은 색을 더 진하게 하기 위하여 열처리를 한다.
대부분의 석영들은 쌍정으로 나타나는 경우가 많기 때문에 인간생활에 사용되는 석영은 대부분 인공적으로 만들어진다. 크고 결점이 없고 또한 쌍정이 아닌 결정들은 오토클레이브(수용액을 고압하에서 끓는 점 이상으로 가열할 수 있는 기계)에서 열수과정을 통하여 생성된다. 에메랄드도 이와 같은 과정을 통해 합성된다.
석영은 열수암맥과 페그마타이트암맥에서 발견된다. 잘 자란 결정은 길이 수 미터에 무게는 수 백 킬로그램에 이르기도 한다. 석영은 화강암, 사암, 석회암의 주된 구성 광물이며 다른 화성암, 퇴적암, 변성암에서도 흔히 발견된다. 몇몇 석영 결정구조는 압전특성이 있어 수정 시계나 라디오 같은 전자 기구의 진동자로 사용되기도 한다.
비정질 (유리질) 석영은 레카텔리어라이트(lechatelierite)라고 불리는데, 이것은 모래가 벼락에 맞아서 생기는데, 보통 유리와는 달리 순수하다.
참고자료
같이 보기
