#63 반도체의 원료와 구조

문제 1 · OX 문제

반도체 소자를 만드는 데 사용되는 주된 원료는 지구의 지각에서 산소 다음으로 풍부하게 존재하는 규소(Si)이다. ( )

정답: O

우리가 밟고 있는 땅(지각)을 구성하는 성분 중에서 산소 대장 다음으로 2등을 차지하는 아주 흔하고 친근한 녀석이 바로 규소예요! 주변의 흔한 모래나 돌멩이 속에 가득 들어있는 이 규소가 최첨단 반도체를 만드는 훌륭한 주인공이 된답니다.

문제 2 · OX 문제

인류가 반도체 소자를 처음 개발했던 초기부터 현재까지, 재료로는 오직 규소(Si) 단 한 가지만을 사용해오고 있다. ( )

정답: X

옛날 옛적 호랑이 담배 피우던 초기 시절에는 '저마늄'이라는 친구를 반도체 재료로 먼저 썼어요. 하지만 저마늄은 구하기도 꽤 까다롭고 열에도 약해서, 나중에는 땅 파면 나오는 아주 흔하고 튼튼한 '규소'로 메인 선수를 교체하게 되었답니다.

문제 3 · OX 문제

원자 번호 14번인 규소 원자는 전자를 총 14개 가지고 있으며, 가장 바깥쪽 껍질에 위치하여 화학 결합에 참여하는 '원자가 전자'는 4개이다. ( )

정답: O

규소네 집에는 총 14명의 전자 아이들이 살고 있어요. 원자핵이라는 엄마 곁(안쪽 껍질)부터 차곡차곡 방을 채우고 나면, 제일 바깥쪽 방에는 4명의 아이가 남게 되죠. 이 4명의 아이들이 바로 이웃 원자들과 손을 잡고 반도체의 마법을 부리는 '원자가 전자'랍니다!

문제 4 · OX 문제

규소는 지각에서 매우 희귀한 원소이기 때문에, 반도체 소자를 만들기 위해 자연계에서 구하기가 매우 까다롭고 어렵다. ( )

정답: X

규소는 우리 주변의 모래사장이나 굴러다니는 돌멩이(규산염 광물)의 메인 재료예요. 너무너무 흔해서 구하기가 엄청 쉽기 때문에, 전 세계의 수많은 스마트폰과 컴퓨터를 뚝딱뚝딱 만들어낼 수 있는 가성비 최고의 재료랍니다.

문제 5 · 빈칸 채우기

대부분의 현대 전자 제품에 들어있는 반도체 소자의 주원료로, 모래나 암석에 많이 들어있으며 지각에서 두 번째로 풍부한 원소는 ( )이다. (2글자)

정답: 규소

영어로는 '실리콘(Silicon)'이라고 부르는 이 녀석은 현대 IT 산업의 쌀이라고도 불려요. 모래알 속에 꼭꼭 숨어있다가 정제 과정을 거치면 반짝거리는 은회색의 첨단 반도체 칩 재료로 변신한답니다.

문제 6 · 빈칸 채우기

반도체 소자를 만들 때 초기에는 주로 이 원소를 이용했으나, 현재는 구하기 훨씬 쉬운 규소로 대체되었다. 이 초기 반도체 재료의 이름은 ( )이다. (3글자)

정답: 저마늄

반도체 가문의 첫째 아들 같은 녀석이에요. 예전에는 라디오나 초기 전자 부품에 많이 쓰였지만, 동생인 '규소'가 워낙 구하기도 쉽고 성능도 좋아서 지금은 메인 자리에서 살짝 물러난 비운의(?) 원소랍니다.

문제 7 · 빈칸 채우기

규소 원자의 중심에는 +전하를 띠는 원자핵이 있고, 그 주위를 총 14개의 전자가 돌고 있다. 이 중 가장 바깥쪽 전자 껍질에 존재하는 원자가 전자는 ( )개이다. (1글자 또는 숫자)

정답: 4

전자는 양파 껍질 같은 궤도를 돌아요. 안쪽부터 차례로 2개, 8개를 꽉꽉 채우고 나면 총 14개 중 4개가 남죠! 이 제일 바깥에 있는 4개의 전자들이 바로 다른 원자들과 활발하게 교류하는 인싸(인사이더) 전자들이랍니다.

문제 8 · 빈칸 채우기

규소는 지각의 대부분을 차지하고 있는 ( ) 광물에서 아주 쉽게 얻을 수 있어, 대량의 반도체를 생산하는 데 훌륭한 재료가 된다. (3글자)

정답: 규산염

지구의 껍질인 지각을 이루는 거대한 돌멩이 가문의 이름이에요. 이 가문의 이름에 이미 '규소(규)'가 들어갈 정도로 규소와 산소가 찰떡같이 뭉쳐서 만들어진 아주 흔한 광물이랍니다.

문제 9 · 단답형

규소는 지각에서 두 번째로 풍부한 원소이다. 그렇다면 지각에서 규소보다 더 많이 존재하여 풍부함 1위를 차지하고 있는 원소는 무엇인가? (2글자)

정답: 산소

우리가 숨 쉴 때 꼭 필요한 이 공기 성분은 하늘에만 있는 게 아니라, 땅속 돌멩이(광물)들 사이사이에 규소와 단단하게 결합해서 엄청나게 많이 숨어있어요. 지각 구성 물질 부동의 1위랍니다.

문제 10 · 단답형

규소 원자가 가진 14개의 전자는 원자핵과 가장 가까운 곳부터 차례대로 껍질에 채워진다. 이때 화학 결합에 결정적인 역할을 하는 '가장 바깥쪽 전자 껍질에 채워진 전자'를 무엇이라고 부르는가? (5글자)

정답: 원자가전자

원자라는 성곽에서 제일 바깥쪽 성벽을 지키는 문지기들이에요. 다른 성(원자)의 문지기들과 손을 잡고 교류(화학 결합)를 할 수 있는 아주 활동적이고 중요한 전자들이랍니다.

문제 11 · 보기 선택

반도체 소자의 재료에 대한 설명으로 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 초창기 반도체 소자는 주로 저마늄(Ge)을 이용하여 만들었다.
• ㄴ. 현재 반도체 소자의 주재료는 지각에서 가장 찾기 힘든 희귀 금속이다.
• ㄷ. 오늘날 대부분의 전자 제품에 들어가는 반도체 소자의 주원료는 규소(Si)이다.
• ㄹ. 규소는 자연계에서 모래나 암석(규산염 광물)의 형태로 아주 흔하게 존재한다.

정답: ㄱ, ㄷ, ㄹ

옛날 첫사랑(초기 재료)은 저마늄이었지만(ㄱ), 지금은 구하기 쉽고 성능 좋은 규소와 평생을 함께하고 있어요(ㄷ). 규소는 모래사장만 가도 널려있을 정도로 흔하니까(ㄹ), 희귀하다는 ㄴ의 말은 완전히 거짓말이죠!

문제 12 · 보기 선택

규소(Si) 원자의 구조와 전자 배치 특징으로 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 규소의 원자 번호는 14번이다.
• ㄴ. 규소 원자가 가진 모든 전자의 개수를 합치면 딱 4개이다.
• ㄷ. 규소의 전자는 원자핵에서 가장 먼 바깥쪽 껍질부터 거꾸로 채워진다.
• ㄹ. 가장 바깥 껍질에 존재하여 화학 결합에 참여하는 원자가 전자는 4개이다.

정답: ㄱ, ㄹ

규소는 14번이라 총 14개의 전자를 가져요(ㄱ). 이 전자들은 엄마(원자핵) 품과 가장 가까운 따뜻한 안쪽 방부터 차례대로 쏙쏙 들어가고(ㄷ은 틀림), 제일 바깥쪽 추운 방에 4명이 남게 되죠(ㄹ). 그러니까 총 전자가 4개라는 ㄴ의 말은 엉터리랍니다!

문제 13 · 보기 선택

규소가 저마늄을 밀어내고 현대 반도체 산업에서 메인 주원료로 선택받은 이유로 적절한 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 지각에서 산소 다음으로 풍부하여 구하기 쉽기 때문이다.
• ㄴ. 지각의 대부분을 차지하는 규산염 광물에서 쉽게 얻을 수 있기 때문이다.
• ㄷ. 자연계에 존재하는 모든 원소 중 전기가 가장 잘 통하는 최고 성능의 도체이기 때문이다.
• ㄹ. 초기 재료였던 저마늄보다 매장량이 훨씬 많아 대량 생산에 유리하고 경제적이기 때문이다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄹ

기업 입장에서는 재료가 흔하고 구하기 쉬워야(ㄱ, ㄴ) 물건을 팍팍 만들어 돈을 벌 수 있겠죠? 규소는 저마늄보다 훨씬 흔해서 가성비가 최고랍니다(ㄹ). 하지만 규소는 전기를 내 맘대로 조절하는 '반도체'이지, 무조건 전기가 콸콸 통하는 '최고의 도체'가 아니에요(ㄷ은 도체에 대한 설명)!

문제 14 · 보기 선택

'원자가 전자'에 대한 설명 중 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 원자핵에 가장 가까운 첫 번째 껍질에 존재하는 전자를 말한다.
• ㄴ. 원자 번호 14번인 규소 원자의 경우 원자가 전자는 총 14개이다.
• ㄷ. 원자의 가장 바깥쪽 전자 껍질에 채워져 있는 전자이다.
• ㄹ. 원자의 화학적 성질을 결정하고 화학 결합에 직접 참여하는 중요한 전자이다.

정답: ㄷ, ㄹ

원자가 전자는 원자라는 성곽에서 제일 바깥쪽 담장을 지키는 병사들(ㄷ)이에요. 담장 밖에 있으니까 이웃 성곽(다른 원자)과 무역을 하거나 손을 잡는 등(화학 결합) 외부 활동(화학적 성질)을 몽땅 도맡아 하죠(ㄹ). 안쪽 깊숙이 숨어있는 병사(ㄱ)나 성 안의 전체 병사 수(ㄴ)를 의미하는 게 아니랍니다!

문제 15 · 객관식

반도체 소자의 주재료인 규소(Si)에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?

• ① 지각에서 산소 다음으로 두 번째로 풍부하게 존재하는 원소이다.
• ② 지각의 대부분을 차지하는 돌멩이인 규산염 광물에서 쉽게 추출할 수 있다.
• ③ 초창기 첫 반도체 소자를 만들 때부터 현재까지 단 한 번도 바뀌지 않은 유일무이한 재료이다.
• ④ 바닷가 모래의 주성분으로 자연계에서 매우 흔하고 쉽게 구할 수 있다.
• ⑤ 원자 번호 14번으로, 중성 상태일 때 총 14개의 전자를 가지고 있다.

정답: ③

반도체 재료의 왕좌는 한 번 바뀌었어요! 초창기 1대 왕은 '저마늄'이었는데, 구하기 쉽고 성격 좋은 '규소'가 나타나면서 2대 왕으로 즉위하여 지금까지 반도체 세상을 다스리고 있답니다. 처음부터 규소만 썼다는 ③번은 역사 왜곡(?)이에요!

문제 16 · 객관식

규소(Si) 원자의 구조와 전자 배치에 대한 설명으로 가장 옳은 것은?

• ① 규소 원자는 총 4개의 전자가 원자핵 주위를 외롭게 돌고 있다.
• ② 전자는 엄마 품인 원자핵에서 가장 먼 바깥쪽 껍질부터 먼저 채워진 다음 안쪽으로 들어온다.
• ③ 원자 번호가 14번이므로 양성자는 4개이고 전자는 14개인 불균형 상태이다.
• ④ 가장 바깥쪽 껍질에 존재하며 화학 결합에 참여하는 원자가 전자의 수는 딱 4개이다.
• ⑤ 14개의 모든 전자가 원자핵과 완전히 동일한 거리에 있는 단 하나의 껍질에 옹기종기 뭉쳐 있다.

정답: ④

규소는 총 14개의 전자를 가지는데, 이 전자들은 아파트 층수처럼 정해진 껍질에 안쪽부터 2개, 8개씩 입주해요. 그러고 나면 제일 꼭대기 층(가장 바깥 껍질)에는 4명의 전자만 입주하게 되죠. 이 꼭대기 층의 4명(원자가 전자)이 반도체의 성질을 결정짓는 핵심이랍니다! ④번이 완벽한 정답이에요.

문제 17 · 객관식

다음 중 반도체의 역사와 반도체를 만드는 소자 재료의 변화 과정을 가장 바르게 설명한 것은?

• ① 처음에는 규소를 썼으나 규소가 지각에서 너무 희귀하여 저마늄으로 재료가 바뀌었다.
• ② 초기에는 저마늄을 주로 이용했으나, 현재는 자연에서 훨씬 구하기 쉬운 규소를 주로 이용한다.
• ③ 규소는 지각에서 가장 많은 원소 1위(부동의 탑)이므로 인류 역사상 처음부터 메인 주재료로 쓰였다.
• ④ 반도체는 저마늄과 규소를 정확히 반반씩 섞어야만 전기가 통하는 완성품이 된다.
• ⑤ 전기를 막는 플라스틱과 고무를 특수 결합하여 현재의 인공 규소 반도체를 발명해냈다.

정답: ②

반도체의 역사를 보면 재료의 '세대교체'가 있었어요. 초반에 활약하던 선배 '저마늄'이 은퇴하고, 지구상에 모래알처럼 널려있어 가성비가 끝내주는 후배 '규소'가 그 자리를 완벽하게 물려받았답니다. 이 역사적 흐름을 가장 잘 묘사한 ②번이 정답이에요!

문제 18 · 객관식

지각의 구성 원소와 반도체 재료의 관계를 설명한 것으로 가장 적절한 것은?

• ① 지각에는 산소가 가장 많으므로, 당연히 1등인 산소를 뭉쳐서 반도체 칩의 메인 재료로 쓴다.
• ② 지각에서 두 번째로 많은 원소인 규소가 매장량이 풍부하여 현대 반도체 소자의 핵심 재료로 쓰인다.
• ③ 지각의 대부분을 이루는 규산염 광물은 전기를 완전히 차단하는 철탑 애자의 재료로만 쓰인다.
• ④ 첨단 반도체를 만들려면 우주에서 떨어지는 희귀한 운석 광물을 반드시 채굴해야만 한다.
• ⑤ 모래 속에는 규소가 단 1%도 없기 때문에 규소를 얻으려면 특수 화학 공장에서만 합성해 내야 한다.

정답: ②

맛있는 요리를 대량으로 만들려면 구하기 쉬운 식재료가 최고죠! 반도체라는 첨단 요리를 팍팍 만들어낼 수 있는 비결은, 땅파면 나오는 지각 함유량 2위의 넉넉한 식재료 '규소' 덕분이에요. 규소의 풍부함과 반도체 재료로서의 가치를 제대로 연결한 ②번이 정답입니다.