석영

보석으로서의 석영에 대한 내용은 수정(보석) 문서

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모스 굳기계
<rowcolor=#373a3c,#dddddd> 1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
활석	석고	방해석	형석	인회석	정장석	석영	황옥	강옥	금강석

조암광물
규산염 광물										비규산염 광물
사장석	석영	정장석	휘석	감람석	각섬석	흑운모	백운모	점토광물	기타광물	비규산염 광물

석영의 성질
화학식	SiO₂ [1]
결정계	육방정계(Hexagonal), 삼방정계(Trigonal)
굳기	7[2]
비중	2.65
벽개	발달하지 않음. 패각상단구, 무작위적 깨짐이 특징.
규산염구조	망상구조(Framework Silicates)
결정형	육각기둥 모양[3]
주요 색상	무색[4]

1. 개요2. 결정 구조와 동질이상3. 지질학적 배경4. 보석으로의 이용5. 공업적 사용6. 여담

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1. 개요

파일:external/e3ccc387bbfe2f64960d4c18225303b5673844b8b4d5d94b10cc2feffce73299.jpg

일반적인 석영의 모습.

石英 / Quartz

광물의 일종이다. 수정(水晶)이라고도 한다.

2. 결정 구조와 동질이상

파일:external/som.web.cmu.edu/S097-alpha-quartz_web.jpg

석영 결정의 모습. C축 방향에서 잘 들여다보면 이런 규칙적인 배열이 눈에 들어오게 된다.

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.[5]

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.[6] 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,[7] 베타상이 만들어진 뒤에 식으면서 알파상으로 변하게 된다.

3. 지질학적 배경

보웬의 반응계열
불연속 반응 계열	연속 반응 계열
감람석	<colbgcolor=#d6f0ff,#002033> Ca 사장석
휘석	↓
각섬석
흑운모	Na 사장석
<colbgcolor=#f8ffff,#003233> 정장석
백운모
석영

단순하기 짝이 없는 화학식, 비교적 높은 경도[8], 구조적 특성상 존재하지 않는 벽개[9]로 인해 물리적 풍화와 화학적 풍화 양쪽 모두에 대단히 강하다. 게다가 그 양도 많기 때문에 쇄설성 퇴적물의 주성분을 이루고 있으며[10], 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.

4. 보석으로의 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.[11]

5. 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.[12] 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 이방성[13]을 가진 비선형 결정으로써의 성질을 이용한 광학 기기로써, 레이져의 주파수를 제어하는 데에도 사용된다. 현대에는 이 분야에는 SiO₂ 결정보다 더 뛰어난 광학적 성질을 가진 물건들[14]이 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. #

6. 여담

스마트폰이나 태블릿PC 등 각종 전자기기 스크린의 디스플레이에 흠집이 생기는 주 요소 중 하나이다. 현대의 스마트 디바이스들은 대부분 강화유리로 제조되어 있어 긁힘에 매우 강하지만 문제는 먼지들 중에는 석영이 일부 함유되어 있다는 것. 모스 굳기계에서 잘 알려진 사실인데, 석영의 경도는 7단계로 스마트폰의 강화유리의 경도인 5~6보다 높다. 따라서 생기는 상당수의 흠집은 이 석영먼지가 원인이다. 석영보다 높은 경도를 가진 먼지입자들도 있지만[15] 매우 단단한 먼지 입자로는 석영이 가장 흔하기 때문에 보통 가장 흔한 원인으로 꼽힌다.

차돌과 수정 모두 석영을 지칭한다. 불순물이 많아 불투명한 석영을 차돌= 규암, 순수하여 투명한 석영을 수정이라 부른다.

금의 4분의 3가량은 석영이 길게 뻗어 있는 석영맥에서 채굴된다. 석영맥에서 금이 많이 나오는지에 대한 정확한 이유는 밝혀지지 않았지만 크리스토퍼 보이시 호주 모내시대학 연구팀에서 지진파가 석영에 전기장을 형성해 금 입자를 끌어들여 금을 농축시킨다는 연구 결과를 발표하였다.

[1] 조암광물 중에 화학식이 쉽기로 유명하다. [2] 모스굳기 7의 정의 자체가 석영의 굳기이다. [3] 단 보통 석영은 암석을 이루는 물질중에서 제일 마지막에 자라기때문에 부족한 공간을 땜빵하는식으로 커서 작정하고 제대로 석장한 석영이 아닌 이상 육각기둥은 커녕 제대로 각진 모양도 보기 힘들다. [4] 색깔이 들어가는 건 특수한 원소가 들어가는등 어느정도 조건이 달성될 때로 색을 어느정도 제대로 주입, 가공하느냐에 따라서 가격도 상당히 올라간다. [5] 첨언하자면, 손목시계의 유리로 흔히 쓰이는 사파이어 글라스는 석영이 아니라 이름 그대로 사파이어로 되어있다. 물론 천연 사파이어가 아니라 인조 사파이어. 사파이어는 산화알루미늄을 주성분으로 하기 때문에 규소계 광물인 석영과는 전혀 다른 물질이다. [6] 베타크리스토발라이트가 더 고온 [7] 깁스에너지면이 항상 다른상보다 떠있다. [8] 물론 연마재로 쓰이는 재료 중에는 경도가 가장 낮지만, 그래도 자연에 흔하게 존재하는 일반적인 재료 중에는 가장 경도가 높은 재료에 들어간다. [9] 벽개(劈開)는 광물학·결정학적으로 어떤 광물의 결정이 일정한 구조와 결을 따라서만 쪼개지는 특징을 일컫는다. 벽개는 원자와 이온 배열 때문에 일어나며 쪼개지면 육안으로도, 현미경으로도 관찰할 수 있는 매끄러운 표면을 만든다. [10] 특히 화강암이 많은 한국의 바닷가나 강가 모래는 대부분이 석영이다. 사장석과 운모 등 화강암의 다른 구성 광물들은 진작에 다 풍화되어 없어지고 석영만이 마지막까지 남은 것. 다만 산호가 많은 열대지방의 모래는 탄산칼슘의 비율이 높다고 하고 화산 지대의 바닷가( 제주도, 하와이 등)는 현무암 같은 검은 돌이 많다고 한다. 때문에 열대 바닷가( 괌 등)의 모래는 더 흰 편이고 화산 지대 바닷가의 모래는 검은 편이라고 한다. [11] 은근 보라빛의 투명한 원석이 흔치 않다. 보라빛의 팬시 사파이어는 워낙 고가다. [12] X-mas처럼 크리스털을 X-tal로 줄여 부르는 데서 유래한 것으로 보인다. [13] 축 방향에 따라 결정의 성질이 달라짐 [14] LiNbO₃, LiIO₃, Ba₂NaNb₅O₁₅ 등, 화학식만 봐도 눈이 돌아가는 물질들이 광학기기에 사용되고 있다. [15] 심지어 모스 경도 10에 달하는 극미세 다이아몬드 입자들도 먼지 속에 있다. 재수 없게 여기에 걸리면 사파이어 글라스고 뭐고 바로 흠집이 쫙 생긴다.

석영