석영

Quartz

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

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

1 개요

광물의 일종.

일반적인 석영의 모습. 별 다른 특징이 없는 게 특징이다.

2 결정 구조와 동질이상

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

Si와 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.

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. 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, 베타상이 만들어진 뒤에 식으면서 알파상으로 변하게 된다.

3 지질학적 배경

보웬의 반응계열
불연속 반응 계열	연속 반응 계열
감람석	Ca 사장석
휘석	↓
각섬석
흑운모	Na 사장석
정장석
백운모
석영

석영은 풍화에 무척 강하기 때문에 쇄설성 퇴적물의 주성분을 이루고 있으며, 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 쳐트(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 공업적 사용

석영을 이용해서 진동자를 만들 수 있다. 결정의 특정한 면으로 절단하여 만든 작은 석영 조각 양 끝에 전극을 달아 여기에 전압을 걸면 진동이 일어나는데, 이 진동은 일정한 주기를 가지는데다 여러 가지 외부 변화에도 진동 주기에 큰 변화가 없기 때문에 많이 사용된다. 이걸 이용한 대표적인 기계가 바로 쿼츠 시계. 이 성질은 산업적으로도 종종 이용되는데, 시간을 정밀하게 측정하기 위해서 사용 할 수 있는 간단하며 싼 진동자이기 때문. GPS를 적절하게 사용하기 위해서는 거의 필수적으로 사용되며, CPU 등 각종 디지털 회로의 클럭에 이 물건이 쓰인다.

다른 하나의 사용처로는 이방성을 가진 비선형 결정으로써의 성질을 이용한 광학 기기로써, 레이져의 주파수를 제어하는 데에도 사용된다. 현대에는 이 분야에는 SiO₂ 결정보다 더 뛰어난 광학적 성질을 가진 물건들이 많이 연구되어서 석영을 사용하는 경우는 줄고있다. 하지만, 경제적인 이유로 여전히 여기저기서 사용되는 중.

SiO₂ 단결정을 만들기는 어렵긴 하지만 불가능한 것은 아닌데, 그래서인지 많은 제품에서 사용되는석영은 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.

5 보석으로서의 가치

석영은 잘 자라주기만 하면 값비싼 보석이 된다. 이를 수정이라고 하는데, 해당 항목을 참고할 것.