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  • 아시나요? 당신의 스마트폰은 놀라운 화학 공장

    • 매일경제 로고

    • 2014-09-22

    • 조회 : 556

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    우리들이 매일 사용하는 스마트폰은 단순히 보면 금속케이스와 유리스크린(액정), 그리고 부품조각으로 이뤄진 기기다. 하지만 화학자의 입장에서 보면 다르다. 휴대용 화학연구소(chemistry labs)라고 할 수 있다. 사실 유리와 금속케이스로 둘러싸인 스마트폰 내부에서는 믿을 수 없을 만큼 복잡한 화학적 작용이 일어나고 있다.

     

    스마트폰 사용자는 리튬이온 배터리가 스마트폰 안에서 충전과 방전같은 화학적 반응을 일으킨다는 사실을 잘 알고 있다. 하지만 사용자가 손가락으로 수시로, 무심하게 접촉하는 스크린 조차도 끊임없는 화학적 반응을 하고 있다.

     

    사실 놀라운 일도 아니다. 이런 화학반응은 특허를 받은 락과 키 아래에서 조용히 진행되고 있기 때문이다.

     

    화학에 빠진 사람들을 위한 블로그사이트인 컴파운드 인터레스트는 아이폰을 예로 들어 스마트폰이 왜 화학공장인지를 설명하고 있다. 이를 소개한다.

     

     

       
    ▲ 우리가 매일 사용하는 스마트폰은 화학연구실이나 다름없다. 수많은 원소들이 그 안에서 끊임없이 화학적 반응을 하고 있다. (사진=컴파운드인터레스트)

     

     

    ■스크린

     

    화학자들에게 터치스크린 생산시 사용된 원소와 복합물의 세부 사항을 추적해 내기는 어렵지 않다. 터치스크린은 주로 알루미노실리케이트 유리(aluminosilicate glass)로 만들어진다. 산화알루미늄과 산화실리콘의 화합물이다.

     

    이 화합물은 소금이 녹아있는 뜨거운 통 속에 놓여진다. 이렇게 해서 좀더 작은 나트륨(Na)이온을 유리에서 빼내고 이보다 큰 칼륨(K)이온이 그 자리를 대체하도록 한다.

     

    칼륨은 나트륨보다 더많은 공간을 차지하며, 유리가 냉각될 때 압착되면서 압축스트레스층을 유리에 만들어 낸다. 그 결과 기계적 손상에 대한 강도와 저항력이 높아진다. (*포타슘으로도 불리는 칼륨은 은백색 고체 금속이다. 공기 중에서 쉽게 산화되고, 물과 격렬히 반응해 많은 열과 수소 기체를 내면서 격렬히 반응하고 폭발하기도 한다. 따라서 금속 포타슘은 아르곤과 같은 비활성 기체 하에서 무수 광물성 기름이나 석유에 담가 보관한다.)

     

    얇고 투명한 도전성을 가진 스마트폰 유리의 인듐주석산화물 층은 터치스크린 기능을 할 수 있도록 해 준다.

     

    여러 종류의 희토류 원소들도 아주 미량이나마 사용된다. 이들은 스크린에 나타나는 색을 표현해 내는 데 한몫 한다.

     

     

    ■배터리

     

    오늘날 스마트폰의 대부분은 리튬이온 배터리를 사용하고 있다. 이 배터리들은 양전극(양극) 재료로 리튬코발트산화물을 사용한다. 물론 때때로 코발트대신 다른 금속이 사용되기도 한다. 음전극 재료로는 탄소로 이뤄진 흑연이 사용되고 있다.

     

    전해액으로는 유기용제가 사용된다.

     

    양극에 사용되는 리튬은 배터리 충전시 이온화돼 흑연 전극층으로 이동한다. 방전되는 동안 이온은 다시 양극으로 되돌아간다. (*흑연은 탄소의 동소체로서 육각형이 이어진 거대한 망상의 층이 결합해 층상 구조를 형성하고 있다. 금속 광택을 내며 불투명한 흑회색이다. 내열성, 내식성이 높고 전기·열전도성이 양호하다.)

     

    하지만 이런 과정을 거치는 동안에도 배터리 자체는 항상 스마트폰 알루미늄(또는 플라스틱) 케이스에 싸여있다. 사용자들은 이같은 반응을 전혀 느끼지 못한다.

     

     

       
    ▲ 아이폰6, 6플러스(왼쪽)와 갤럭시노트4

     

     

    ■케이스

     

    스마트폰 케이스에 나타나는 원소는 이것이 금속인지, 플라스틱인지, 또는 이 둘을 함께 사용했는지에 따라 달라진다.

     

    메탈로 된 스마트폰 케이스는 흔히 마그네슘합금을 사용한다.

     

    반면 플라스틱으로 된 케이스는 탄소로 이뤄져 있다. 이 케이스는 흔히 방염화합물을 포함한다. 브롬을 섞은 내연재(brominated flame retardants)가 여전히 사용된다. 하지만 이들의 사용을 최소화하려는 노력이 진행되고 있다. 브롬을 포함하지 않는 또다른 유기화합물을 사용하는 노력이 점점더 가속되고 있다.

     

     

    ■칩

     

    광범위한 원소와 화합물이 휴대폰기기에 사용된다. 휴대폰의 칩은 순수한 실리콘(규소)으로 만들어진다. 그 표면에 전류가 흐르지 못하도록 산화실리콘 막을 만들게 되는데 이를 위해 공기중에 노출시키고 가열하게 된다. 그런 다음 산화실리콘 층의 일부는 제거된다. 이곳으로 전류가 흐르게 된다.

     

    모래속의 석영에 들어있는 실리콘은 반만 전도성을 가지고 있기에 다른 원소와 섞이는 이른 바 도핑(doping)과정을 거쳐야만 전류를 흐르게 할 수 있다. 이 공정은 실리콘이 수많은 다른 원소들의 폭격을 받는 것과도 같다. 도핑재료로는 인, 안티몬, 비소, 붕소, 인듐 또는 갈륨이 있다.

     

    도핑에 사용되는 원소에 따라 다른 형태의 반도체(P형 또는 N형)가 만들어진다. P형 반도체의 도핑재료로 가장 흔히 사용되는 원소가 붕소다. (붕소는 비금속(卑金屬) 원소의 하나로서 흑회색의 딱딱한 고체다.)

     

    엔지니어들은 칩에 들어가는 트랜지스터를 더 작게 만들기 위해 끊임없는 노력을 하고 있다. 이에 따라 이들에게 요구되는 실리콘은 점점더 얇아지게 된다. 하지만 이것도 원자 알갱이 5개 정도의 크기(0.5나노미터)까지만이다. 일단 이 크기에 도달하게 되면 전류가 새기 시작한다.

     

    반도체 엔지니어들은 이에 대응해 고집적반도체 칩용 게이트 절연체를 만들기 위해 하프늄(hafnium,Hf)을 사용하기 시작했다. 이는 질화티타늄과 질화티타늄알루미늄이라는 또다른 재료를 사용하게 만들었다. (*하프늄은 희귀한 은백색 금속으로서 중성자를 잘 흡수하므로 주로 원자로 제어봉에 사용된다. 이외에도, 초내열성 특수 합금, 플라스마 절단 장비 전극,내열재, 화학 촉매 등으로 사용된다.)

     

    반도체칩 내부의 트랜지스터들을 구리층으로 연결해 주기 위해서는 백열전구 필라멘트 소재인 텅스텐이 사용된다. 텅스텐은 반도체내부 재료는 물론 스마트폰에 들어있는 진동모터부품의 추(weights) 재료로도 사용된다.

     

    반도체디바이스 성능을 향상시키기 위한 노력은 여전히 현재 진행형이다. 갈륨비소(GaAs),인화인듐(인화인듐(InP), 인듐비소(InAs) 같은 3-5족 원소 화합물을 적용해 전자의 움직임을 더욱더 향상시켜 반도체집적도를 더 높이려는 노력이 진행되고 있다. (*반도체 화합물 가운데 갈륨비소는 포토트랜지스터센서, 인듐비소는 자기저항효과 자기센서용으로 응용된다.)

     

     

       
    ▲ 아이폰6플러스 케이스를 열어 본 모습 (사진=아이픽스잇)

     

     

    ■부품 및 배선

     

    스마트폰 내부에 사용되는 전자기기 부품들의 배선에 가장 흔히 사용되는 재료는 구리, 금, 은이다.

     

    탄탈은 마이크로 컨덴서의 주재료로 사용된다. (*탄탈은 강회색의 단단한 금속으로서 전성(展性)과 연성(延性)이 뛰어나며, 철과의 섞이면 인장 강도가 커지고 내산성이 높아진다.)

     

    백금과 팔라듐 같은 귀금속들도 사용된다. (*팔라듐은 자동차용 촉매 변환기와 여러 화학 공정에서 촉매로 사용되며, 치아 보철 재료, 외과 수술용 기구, 귀금속 장신구용 등으로도 사용된다.)

     

    땜납은 이같은 스마트폰 내부의 전자부품들을 한데 묶어주기 위해 사용된다. 주재료는 납과 아연이다. 하지만 최근에는 중금속인 납이 없는 땜납 대체물을 사용하는 노력이 이뤄지고 있다. 그래서 나온 것이 주석, 은, 구리 화합물로 만든 땜납이다.

     

    스마트폰에 사용되는 마이크로폰과 스피커는 모두 자석을 사용하고 있다.

     

    이들의 정체는 대개 니오드뮴-철-붕소의 합금이다. 이 합금에는 때로 디스프로슘(dysprosium)이나 프라세오디뮴(praseodymium)같은 희토류원소가 사용되기도 한다. (*디스프로슘은 희토류 원소의 하나로서 대부분 화강암 광상 속에 들어 있다. 프라세오디뮴은 디디뮴을 분리하는 과정에서 발견된 은백색의 금속으로 공기 중에 방치하면 황백색이 되며 뜨거운 물과 반응하여 수소를 발생시킨다.)

     

    이들 두 희토류 금속은 휴대폰 진동기기 속에서도 찾아 볼 수 있다.

     

    이재구 국제분야 전문기자  |  jklee@ittoday.co.kr

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