플루오린(불소) 탐구 : 전기음성도, 충치 예방, 반도체 적용

원자번호 9번 플루오린

 

 불소라고도 불리는 플루오린은 우리의 일상부터 첨단 산업에 이르기까지 다양한 분야에서 적용되고 있습니다. 오늘은 플루오린의 특성을 보여주는 전기음성도와, 충치 예방, 그리고 반도체 산업의 적용에 대해 알아보겠습니다.

 

플루오린의 전기음성도

 주기율표의 오른쪽 위에 위치한 플루오린은 가장 전기적으로 음의 원소라는 칭호가 있습니다. 플루오린의 최외곽 껍질에는 7개의 전자가 있는데, 안정적인 비활성기체가 되기 위해선 전자 하나만 더 있으면 됩니다. 플루오린 원자의 크기는 작고 유효 핵전하는 크기 때문에 전자를 강하게 끌어당길 수 있습니다. 그렇기 때문에 플루오린의 전기음성도는 다른 원소와 비교하면 탁월히 높다는 것을 알 수 있습니다. 앞선 글에서도 전기음성도라는 용어가 종종 등장하긴 했지만, 여기서 다시 한번 짚고 넘어가겠습니다. 간단히 얘기하면 전기음성도는 원자가 전자를 잡아당기는 능력이라고 보면 됩니다. 아까 언급한 작은 크기와 상대적으로 많은 원자핵의 개수로 인해 플루오린의 전기음성도 값은 폴링 척도에서 가장 높은 3.98를 나타냅니다. 이는 전자를 끌어당기고 붙잡는 능력이 탁월하다는 것을 나타냅니다. 전기음성도로 화학적 결합과 반응성도 유추할 수 있습니다. 플루오린은 높은 전기음성도를 바탕으로, 전기음성도가 낮은 다른 원소와 반응할 때 전자를 붙잡아 이온 결합을 형성하는 경향이 있습니다. 결합의 성질은 플루오린과 결합 상대의 전기음성도 차이에 따라 결정되는데, 차이가 클수록 이온 결합이나 극성 결합력이 증가합니다. 친숙한 플루오린화합물에서 복잡한 유기분자에 이르기까지, 화학결합 관점에서는 모두 전기음성도에 기반을 두고 있습니다.

 

플루오린과 충치 예방

 플루오린은 충치를 예방하는 데 큰 역할을 합니다. 플루오린이 충치를 예방하는 방법을 알아보기 전에 먼저 우리의 치아를 살펴보겠습니다. 우리 치아의 바깥층은 주로 수산화아파타이트로 이루어져 있는, 결정질 구조인 에나멜로 이루어져 있습니다. 충치는 단순히 외부의 힘에 의한 것이 아니라, 우리 입 안에 있는 세균으로부터 발생하는 경우가 많은데, 특히 박테리아는 설탕을 흡수하고 산을 형성하여 치아의 에나멜을 탈염시킬 수 있습니다. 여기서 만약 에나멜과 플루오린이 만날 경우에는 플루오린 이온이 수산화아파타이트와 상호 작용하면서 플루오라파타이트가 생성됩니다. 플루오르아파타이트는 수산화아파타이트보다 더 강하고 저항력이 강한 화합물이므로 충치균으로부터 탈염을 덜 당하게 만들어 줍니다. 이렇게 에나멜 구조를 강화하면서 충치에 대한 첫 번째 방어선을 만들어 줍니다. 또한 침 속에 남아 있는 플루오린 이온은 충치균에게 적대적인 환경을 형성합니다. 세균들이 에나멜을 탈염시키려 할 때, 플루오린이 개입하여 재광화 과정을 촉진됩니다. 이는 에나멜이 칼슘과 인산염 같은 무기질을 잃는 대신 이를 다시 되찾아주어 강도를 강화한다는 것을 의미합니다. 불소의 항균 효과와 재광화 효과는 종합적으로 충치에 대한 강력한 방어 수단으로 작용하여 치아 뿌리에 충치가 생기는 것을 막습니다. 충치 예방을 위해서 개개인이 플루오린이 함유된 치약을 사용할 수도 있지만, 사회적으로도 관리하고 있습니다. 수돗물 불소화 사업을 통해 지역 사회로 공급하는 물에 플루오린 농도를 최적 수준(약 0.7~1.2ppm)으로 맞추어, 지역 사회 전체에 충치 예방 혜택을 제공합니다. 지속적으로 사람들에게 저용량의 불소를 노출시킴으로써 치아의 에나멜을 강화할 수 있고, 이 결과 어린이의 충치 발생률이 크게 감소했습니다.

 

플루오린의 반도체 적용

 반도체는 스마트폰에서 슈퍼컴퓨터에 이르기까지 현대 전자기기의 기본이 됩니다. 반도체 제조에서 가장 중요한 과제 중 하나는 소자의 전기적 특성을 높여 성능을 향상시키는 것인데, 여기서도 플루오린이 핵심적인 역할을 수행합니다. 반도체의 기본 재료는 실리콘입니다. 반도체를 생산하는 과정에서는 일반적으로 기체 상태의 플루오린 또는 플루오린 함유 화합물을 실리콘에 적용하는 것으로 공정을 시작합니다. 실리콘계 재료에 불소를 주입할 때에는 플라즈마를 이용하거나, 화학기상증착법, 이온주입법 등을 활용하는데 반도체 재료 내에서 불소의 농도와 분포를 최적화하는 것을 목표로 합니다. 주입하는 과정에서 반도체 격자 내에서 실리콘 원자와 플루오르 원자는 전기음성도 차이에 의한 결합을 형성하게 됩니다. 플루오린이 주입되면 전자 밴드 구조가 변하게 되고 그 결과 미세하게 조정된 밴드갭을 갖는 반도체가 되어 전하 캐리어의 이동도가 향상됩니다. 이렇게 전체적인 전도도가 향상되면 더 빠르고 에너지 효율이 높은 전자 소자를 만들 수 있습니다. 이렇게 반도체에 불소를 사용함으로써 첨단 트랜지스터나 메모리 소자, 광전자, 고주파 소자, 양자 컴퓨터와 같은 분야에서 새로운 혁신의 길을 열 수 있습니다. 미래의 소자 기술을 발전시키는 데 있어서 플루오린이 중요하다고 말할 수 있겠습니다.