실리콘

실리콘은 단단하고 부서지기 쉬우며 푸른 회색을 띠는 고체로, 금속 광택이 있고 냄새가 없으며, 높은 융점(1414 °C)과 끓는점(3265 °C)을 가진다. 실리콘은 준금속 원소로, 지각에서 산소 다음으로 가장 풍부한 두 번째 원소이며, 일반적으로 결정형 또는 비정질 형태로 분리된다. 실리콘은 실리콘계 화합물(실리콘, 실란, 규산염) 및 반도체 등급 웨이퍼 제조에 필수적인 기초 원료이다. 주요 산업적 용도는 전자공학 분야(집적회로, 태양전지), 건설 분야(실리콘 실란트, 접착제, 방수제), 특수 고분자 분야(예: 실리콘 고무, 수지, 유체) 등이다. 또한 알루미늄 합금 제조 시 합금 원소로 사용되며, 제련 공정에서 환원제로도 활용된다.

Elemental silicon has some of the most important applications in this electronic age. One of the major applications is in computer chips. The single crystals of crystalline silicon are used for solid-state or semiconductor devices. Silicon of hyperpurity, doped with trace elements, such as boron, phosphorus, arsenic, and gallium is one of the best semiconductors. They are used in transistors, power rectifiers, diodes and solar cells. Silicon rectifiers are most efficient in converting a-c to d-c electricity. Hydrogenated amorphous silicon converts solar energy into electricity.
일부 식물은 미량 및 다량 영양소 외에도 실리콘(Si)을 필요로 한다. 실리콘은 식물에 의해 흡수되는 가장 풍부한 원소 중 하나이다. 실리콘은 주기율표의 14족(구 IVB족)에 속한다. 이는 고등 동물의 정상적인 성장에 필수적인 미량 원소로서, 뼈와 연골 형성에 관여한다. 가용성 규산이 부재한 상태에서 재배된 작물은 가용성 규산을 공급받은 작물보다 곰팡이병(특히 누룩병)에 더 취약하다. 벼, 오이, 피클용 오이(게릭킨), 보리 등은 실리콘을 필요로 한다. 실리콘은 사탕수수의 생장을 개선한다. 실리콘은 망간(Mn), 철(Fe), 활성 알루미늄(Al) 과잉으로 인해 발생하는 토양 독성을 완화시킨다. 벼 뿌리의 산화력과 높은 철 및 망간 농도에 대한 내성은 실리콘 영양에 기인한다. 한 밭 시험에서 벼 작물의 일부가 규산 대 질소 비율을 11:2로 유지했을 때, 추가로 10톤/ha의 벼 수확량이 증가하였다. 실리콘은 (a) 벼 잎의 직립성을 유지하고, (b) 해충 저항력을 증가시키며, (c) 광합성을 향상시키고, (d) 줄기 수를 증가시키며, (e) 벼 식물의 신선중량 및 건조중량을 향상시킨다. 생식기 동안 규산 공급을 중단할 경우, 이삭당 화서수 및 익은 곡립 비율이 감소한다. 실리콘은 세포벽 구조 형성에 기여하여 (a) 세포벽을 병원체에 대해 더욱 면역적으로 만들고, (b) 줄기 강도를 향상시키며, (c) 도복 저항성을 증가시킨다. 벼와 사탕수수는 실리콘 비료에 유리하게 반응한다. 사탕수수 내에서 형성되는 효소-실리콘 복합체는 광합성 및 효소 활성을 보호하거나 조절하는 역할을 한다. 사탕수수에서 인버타제 활성을 억제함으로써 실리콘은 당 생산량을 증가시킨다. 실리콘과 산소는 지각의 75%를 차지하며, 그 중 실리콘만으로도 27.7%를 차지한다. 규사(silica)는 불용성 석영 규사 형태로 60~80% 존재하며, 가용성 형태는 단규산[Si(OH)₄]이다. 단규산의 가용성은 토양 pH 및 온도 상승에 따라 증가한다. 일반적으로 벼 수확량 극대화를 위한 건조토양 내 유효 실리콘의 임계 농도는 약 130 ppm(SiO₂ 기준)이며, SiO₂ 형태로 실리콘을 추가하면 이 임계치는 상승한다. 식물 종에 따라 실리콘 흡수량은 다르다. 벼과(Gramineae)는 콩과 및 쌍자엽식물보다 일반적으로 10~20배 더 많은 실리콘을 함유한다. 벼는 짚에 4.6~7.0%의 실리콘을 함유한다. 산화철 및 산화알루미늄, 석회질 비료 시용, 침수, 양분 공급 등은 실리콘 흡수에 영향을 미친다. 특히 토양 수분 함량이 높아지면 벼, 보리, 귀리, 수수, 사탕수수 등에서 실리콘 흡수가 증가한다. 토양에 추가할 규사 비료의 양은 ‘유효 규사 대 유기물’ 비율에 따라 결정되는데, 이 비율이 100 미만이면 비료 사용이 권장되며, 100 초과 시에는 유기물 추가가 필요하다. 비율이 50 미만이면 토양이 실리콘 결핍 상태임을 나타낸다. 실리콘 결핍 지역에는 헥타르당 2~5톤의 규사 비료를 추가하는 것이 권장된다. 프레클링(freckling)은 자외선(UV) 조사에 직접 노출된 사탕수수 식물에서 나타나는 괴사성 잎 반점 증상으로, 실리콘 함량이 낮을 때 발생한다. 충분한 실리콘은 사탕수수 식물 내에서 유해한 UV 복사를 차단한다. 주요 규사 비료로는 칼슘 규산염 슬래그, 칼슘 규산염, 나트륨 메타규산염 등이 있다. 실리콘 함량이 낮은 토양에서 벼 재배를 위해 일반적으로 헥타르당 1.5~2.0톤의 규산염 슬래그를 시용하면 충분한 실리콘을 공급할 수 있다. 규산염 비료는 실리콘 공급원일 뿐 아니라 산성 토양에서 석회질 개량제 역할도 한다. 제강산업 부산물인 슬래그, 분쇄된 염기성 슬래그(Al, Ca, Fe, Mn, Mg, Si 등 다양한 성분 포함), 울라스토나이트(wollastonite; Ca-Mg 규산염) 등 모두 규산염 비료에 해당한다. 인산 결핍 토양에서는 나트륨 규산염이 작물 수량을 증가시키는데, 이는 규산염이 식물 내 인산의 동화 작용을 촉진하기 때문이라는 견해가 있다. 그러나 일부 연구자들은 규산염이 오히려 토양 내 유효 인산량을 증가시킨다고 주장한다. 질소 비료를 과다 시용하면 벼 식물 내 짚의 실리콘 농도가 감소하여 곰팡이병에 더 취약해진다.

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