결정체의 결함

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결정체의 결함결정학 용어로, 결정내 원자배열이 부분적으로 흐트러진 영역으로 결정의 물성을 크게 변화시킨다.

점 결함[편집]

고체의 결함 중, 0차원 결함에 해당하는 '점결함'의 종류를 그린 것.

그림에서 원들은 결정을 형성하는 격자점들을 나타낸 것이며 격자점들이 모인 격자구조에서 점 결함의 종류를 보여주고 있다. 점 결함은 0차원 결함이며 원자단위의 결함으로 종류에는 공공, 침입형 불순물원자, 치환형 불순물원자 등이 있다.

공공[편집]

그림에서 점선으로 그려진 원 바로 '공공'이다.

  • 개념

영어로는 'Vacancy'라고 하며, 공공이란 점 결함 중 가장 단순한 것으로 즉, 빈 격자점이다. 일반적으로 원자의 분실에 의해 형성된다. 모든 결정 고체는 공공을 포함하는데, 사실 이들 결함이 없는 재료를 만드는 것은 불가능하다. 공공은 재료의 온도가 올라갈수록 증가하며 열역학적 평형 상태에서 존재한다. 공공은 특정 조건에서 일정량이 결정내에 존재하여 그 계의 자유에너지[1]를 최소값으로 한다.

  • 역할

원자의 확산속도를 높이며 전위와 반응하여 재료의 기계적 성질에 영향을 미친다.

  • 격자 내의 공공의 수를 구하는 식

N(V)=Nexp(-Ef/KT)

여기서 N(V): 평형상태에서 주어진 온도에서의 공공의 수, N: 단위체적당의 격자점의 수, Ef: 하나의 공공을 생성시키는 에너지, K: Boltzman 상수, T: 절대온도를 뜻한다. 이러한 식을 이용하여 공공분율을 구할 때에는 'N(V)/N'으로 구하곤 한다.

침입형 불순물원자[편집]

1. 자기 침입형원자

위 그림에서 격자점 사이에 있는 파란색 원자가 바로 '자기 침입형원자'이다.

  • 개념

영어로는 'self interstitial atom'이라고 하며 격자구조에 있는 결정원자가 침입형 자리로 이동하는 것을 의미한다. 금속에서 일반적으로 원자의 크기가 침입형 자리의 공간보다 크기 때문에 자기 침입형은 주위의 격자에 비교적 큰 비틀림을 일으킨다. 따라서 이러한 결함 형성의 가능성은 매우 낮다.

2. 침입형 불순물원자

위 그림에서 격자점 사이에 있는 노란색 원자가 바로 '침입형 불순물원자'이다.

  • 개념

영어로는 'interstitial impurity atom'이라고 하며 불순물 원자가 모원자들 사이의 빈 곳 또는 침입형 공간에 채워진다.

  • 조건

비교적 높은 충진율을 가진 금속 재료의 경우에는 이들 침입형 공간의 크기가 비교적 작으며, 따라서 침입형 불순물 원자 지름이 모원자의 지름보다 상당히 작아야 한다. 침입형 불순물원자는 물성에 큰 영향을 줄 수 있다.

치환형 불순물원자[편집]

위 그림에서 기지 격자점에 놓여있는 빨간색 원자가 바로 '치환형 불순물 원자'이다.

  • 개념

영어로는 'substitutional impurity atom'이라고 하며 용질 또는 불순물 원자가 모원자를 대체한다.

  • 조건

치환형 고용체를 이루기 위해서는 규칙에 들어 맞아야 하는데 그 규칙은 다음과 같다.

Hume – Rothery 규칙

  1. 두 원소간 반경 차이: Dr < 15%
  2. 주기율표 안에서 근접: 전기음성도가 비슷할 것.
  3. 동일한 결정구조일 것.
  4. 원자가전자: 높은 원자가 금속에 고용이 더 잘 된다.

이러한 조건이 만족되었을때 치환형 고용체가 형성된다.

선 결함[편집]

일반적으로 선 결함의 종류에는 '전위'가 대표적이며 전위는 일부 원자들의 정렬이 어긋난 선 결함 또는 1차원 결함이다. 전위의 이동으로 결정면 사이의 슬립이 일어나며 영구적인 소성변형을 일으킨다. 전위의 종류에는 칼날전위와 나사전위가 있다.

  • 전위를 이해하기 전 알아야 할 용어

1. 버거스벡터

버거스 벡터(burgers vector): 전위 주위에서 원자들을 연결하여 닫힌 경로를 만들때 경로가 어긋나서 닫히지 않은 벡터. 즉, 전위에 의해 생기는 결정의 미끄럼량의 크기와 방향을 나타내는 벡터.

2. 전위선

전위선(dislocation line): 원자 잉여 반평면의 끝을 따라 존재하는 국부적으로 격자가 뒤틀린 선.

칼날전위[편집]

고체의 결함 중 칼날전위를 그린 것.
  • 개념

영어로는 'edge dislocation'이라고 하며 칼날전위는 완벽한 격자 사이에 여분의 삽입된 절반의 면이 존재하는 형태로 격자내부의 국부적인 변형과 응력장을 형성시켜 소성변형을 용이하게 한다. 그림을 보면 격자 사이에 여분의 삽입된 절반의 면이 있으며 이러한 결함으로 인해 칼날전위가 생성된다. 여기서 삽입된 절반의 면을 '잉여반평면(Extra Half Plane)'라고 한다. 그림에서 나타난 검정색 기호는 칼날전위를 나타내는 기호이며 칼날전위 중 '양칼날전위'를 나타낸다. 기호가 뒤집어진 모양이면 '음칼날전위'이다. 칼날전위의 버거스벡터는 전위선에 수직한다.

나선전위[편집]

고체의 결함 중 나선전위를 그린 것.
  • 개념

영어로는 'screw dislocation'이라고 하며 나사전위는 전위선을 중심으로한 나선형상의 격자면이 존재하는 형태로 존재하며 칼날전위와 같이 소성변형을 용이하게 한다. 나선전위에는 잉여반평면이 존재하지 않으며 나선전위의 버거스벡터는 전위선에 평행하다. 나선전위는 '오른나선전위(RHS)'와 '왼나선전위(LHS)'가 있으며 RHS는 버거스벡터와 전위선벡터가 평행하면서 같은방향을 향하고 있는 전위이고 LHS는 버거스벡터와 전위선벡터가 평행하면서 반대방향을 향하고 있는 전위를 말한다.

면 결함[편집]

면결함은 2차원이며 일반적으로 다른 결정 구조 또는 다른 결정 방향을 가진 재료의 두 영역을 분리하는 경계면을 말한다. 면결함은 결정립계, 쌍정립계, 적층결함 등이 있다.

결정립계[편집]

고체의 결함중 결정립계를 그린 것
  • 개념

그림에서 검정색 선이 결정립계를 나타낸 것이다. 영어로는 'grain boundary'라고 하며 결정립계는 서로 다른 결정 방향을 갖는 결정 사이에 존재하는 경계면을 의미한다. 결정립계는 수 개의 원자 거리폭을 가지며, 한 결정립의 결정 방향에서 이웃하는 결정립의 결정 방향으로 넘어갈 때 상당한 원자 불일치가 존재한다.

쌍정립계[편집]

고체의 결함중 쌍정립계를 그린 것
  • 개념

그림에서 검정색 선이 쌍정립계를 나타낸 것이다. 영어로는 'twin boundary'라고 하며 쌍정립계는 두 격자가 정확한 대칭을 이루고 있는 결정립 사이의 계면으로 결정립계의 특별한 유형이다. 입계 한쪽 면의 원자는 반대편 원자와 거울면과 같은 대칭적인 위치에 존재한다.

적층결함[편집]

  • 개념

영어로는 'stacking fault'라고 하며 격자 내에서 규치적인 적층구조가 어긋난 영역을 말한다.

참고문헌 William D. Callister, JR. David G. Rethwisch(2015), "재료과학과 공학", 시그마프레스.

각주[편집]

  1. [1], 물질의 열역학적 성질을 규정하는 함수로, 어떤 화학반응이 계속 진행될 때 유효한 일을 하는 에너지이다. 헬름홀츠의 자유에너지와 기브스의 자유에너지의 두 종류가 있다. 열을 흡수하면 이 값이 증가하고, 방출하면 감소한다. 물질이 열평형 상태를 이룰때는 이 값이 극소일 때이다..