지구에는 철과 산소, 그리고 실리콘이 풍부합니다. 인간이 가용할 수 있는 지각에는 산소와 실리콘이 거의 80퍼센트를 차지하죠. 그리고 산소와 실리콘은 반응도 참 잘합니다. 둘은 이온 결합을 하고 있으며, 이론적으로는 산소 원자 두개와 실리콘 원자 한개가 전하 균형이 맞습니다. 실제로는 산소 원자들 네개의 가운데에 실리콘 원자 한개가 위치하는 사면체(tetrahedron) 혹은 삼각뿔(triangular pyramid) 구조가 안정적이죠. 이러한 삼각뿔 구조가 규산염(silicate) 계열의 기본적인 단위 블럭(building block, 벽돌)이 됩니다. 이는 기하학적 구조로는 안정적이지만, 전하 균형면에서는 {4 x (-2)} + (+4) = -4로 불안정하므로 다른 양이온들, 예를 들면 마그네슘, 나트륨이나 칼륨 이온들, 심지어 다른 삼각뿔 구조들과도 계속 결합을 시도하죠. 이러한 결합의 다양성으로 인하여 각종각색의 규산염들이 자연계에도 존재하고 있습니다.
앞서 언급하였듯이 규산염 광물들은 흙과 바위, 암석에서 가장 풍부한 물질입니다. 전하로는 -4가로 불균형을 이루고 있는데, 이는 실리콘 원자 한개가 네개의 산소 원자의 반쪽들과 연결이 되어 있으며, 남은 반쪽들은 다른 규산염 단위 블럭들과 연속적으로 이어지고 있습니다. 즉, 고립된 블럭도 존재하지만, 쌍을 이루고도 있으며, 혹은 체인 형태로 계속 이어지기도 하죠.
규산염 단위 블럭들의 이어짐은 단일 체인, 이중 체인 그리고 면의 형태로도 생성되며, 블럭들이 3차원적으로 연결되는 네트워크로 존재합니다. 이러한 규산염 광물(silicate mineral)들은 지각(earth's crust)의 약 90%를 차지하는 조암 광물이죠. 단위 블럭들이 연결되는 방식에 따라서 실로 다양한 암석과 광물들이 존재하며, 연결 구조로 분류하여 보면, 독립사면체 규산염 광물(orthosilicate minerals), 복사면체 규산염 광물(disilicate minerals), 환상 규산염 광물(ring silicate minerals), 쇄상 규산염 광물 (chain silicate minerals), 판상 규산염 광물(sheet silicate minerals), 망상 규산염 광물(framework silicate minerals) 등을 들 수 있습니다.
규산염에서 단위 블럭만으로 이루어진 망상형 단결정을 석영(quartz), 혹은 수정이라고 합니다. 비정질이면 유리이고, 석영을 잘라 투명하게 만들면 석영 유리이죠. 보석의 개념이 들어간, 즉 결함이 없는 큰 결정의 석영이 수정(rock crystal)이며, 다른 원소들이 함유되면 색을 띠기도 합니다. 유리는 규산염 단위 블럭들이 다소 불완전하게 규칙이 없이 불규칙적으로 연결되어 있는 비정질이죠. 비정질 이산화규소(amorphous silica)로도 표현합니다. 규산염(silicate)은 실리콘과 산소 원자 네개로 이루어진 -4가의 Si-O 삼각뿔(사면체)이고 이산화규소(silica)는 실리콘과 산소 원자 두개로 이루어진 중성 분자이죠. 이산화규소를 용융 상태에서 급히 냉각을 하여 결정을 이룰 시간적 여유를 주지 않으면 유리가 만들어집니다. 경우에 따라서는 나트륨이나 칼슘, 알루미늄, 붕소 등의 양이온을 함유하기도 하죠. 이들은 네트워크 형성제(network former)나 네트워크 조절제(Network modifier) 등으로 명명되는데, 유리의 가공을 용이하게 하기 위하여 인위적으로 첨가됩니다.
용융 상태에서 냉각과정을 통하여 응고시킬 때 속도를 빠르게 하면 비정질인 유리가 만들어집니다. 즉, 유리는 일반적으로 규사, 소다회, 탄산석회 등의 혼합물을 고온에서 녹인 후 급속 냉각하는 과정에서 고체화가 진행되면서 결정화가 일어나지 않은 채로 정지된 투명도가 높은 물질이죠. 이런 이유로 유리를 '과냉각된 액체'라고도 표현합니다. 유리는 녹는 점이 정확히 정의되지 못하며 온도에 따른 부피 변화에서 기울기가 변화하는 점을 유리 전이 온도(glass transition temperature)로 정의합니다. 반면에 냉각 속도를 느리게 하면 단결정인 석영이 만들어지는데, 이때는 부피의 변화가 급격히 감소하는 점이 명확히 정의가 되고 이를 녹는점으로 표현합니다.
유리는 규산염 사면체들로 이루어진 비정질 구조이고 이산화규소를 주 성분으로 하죠. 원자들의 단거리 질서는 있으나 장거리 질서는 없고, 따라서 방향성이 없어 모든 방향의 특성이 균일하고, 전기나 열을 거의 전달하지 않는 절연체이며, 열을 가하면 액체에 이르기 전에 변형이 비교적 자유로운 연화점(softening point, 자신의 중력으로도 변형이 생기는 온도)이 있어서 성형이 가능합니다. 유리에 첨가되는 양이온들은 원자간 연결을 이어주는 네트워크 형성제, 연결을 끊는 네트워크 조절제, 그리고 연결을 강화하거나 혹은 약화시키기도 하는 중간제(intermediates) 등으로 작용을 합니다. 네트워크 형성제의 경우, 실리콘 양이온을 대체하며 놓이게 되죠. 네트워크 조절제는 유리 전이 온도를 내려 점착력을 줄임으로써 가공을 용이하게 합니다.
유리는 이산화규소를 주성분으로하고 다양한 첨가물들을 넣으면서 녹는점을 높이고, 열팽창계수를 낮추고, 열 충격에 내성을 부여하기도 하죠. 화학적인 안정성을 더욱 개선하기도 하고, 혹은 반면에 유리 전이 온도를 낮추어 가공이 용이하게 합니다. 섬유화 과정을 쉽게 하기도 하고 굴절률 조절도 가능하죠. 이와 같이 다양한 특성들을 용도에 맞도록 부여하여 응용 분야가 매우 넓은 물질입니다.
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