3. 결함과 현미경, 조성

대부분의 결정질 재료는 다결정이다.

그리고 다결정에는 무조건 결함이 있을 수 밖에 없다.

 

결정은 핵을 통해 자라기 시작하고, 인접 결정과 만나 결정립을 형성할 때까지 성장한다.

이렇게 생기는 결정립계가 결함으로 작용한다.

 

결정립계는 따라서 유동성이 존재하며,

기체나 chemical이 침투할 수 있고,

여기서 화학 반응이 잘 일어난다.

 

이러한 불완전성 덕분에 물질에 물성이 생긴다.

 

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0차원 점 결함

기본적으로 vacancy와 self-interstitial에 의해 plane에 distortion이 생긴다.

이러한 점 결함은 온도에 따라 변한다.

 

단위 부피(잠재적 공공) 당 결함수는 다음과 같이 표현할 수 있다.

$\frac{N_{V}}{N} = e^{\frac{-Q_{V}}{kT}}$, $N = \sigma × \frac{N_{A}}{몰질량}$
즉, 온도가 증가함에 따라 공공도 증가한다.

 

부재가 아닌 존재에 의한 결함은 치환형과 침투형이 있다.

이러한 존재가 늘어나면, 일부 지역에는 몰려서 그들만의 새로운 결정을 만들기도 한다.

 

치환이냐, 침투냐는 W. Hume - Rothery rule로 구분할 수 있다.

1. 원자 반경 차가 15% 미만이면 치환형

2. 전기 음성도 차가 클수록 치환형보다 금속간 화합물 형성 가능

3. 두 원자 종의 금속이 같은 결정 구조를 가져야 좋다.

4. 금속은 높은 원자가를 갖는 금속에 더 많이 용해된다.

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1차원 선 결함

선결함은 칼날 전위(edge dislocation)와 나선 전위(screw disloaction)으로 나뉜다.

 

칼날 전위는 결정 구조 중간부터 뜬금없이 잉여의 원자면 또는 반평면이 존재하는 것이다.

이 면을 전위선이라 부르며, $\perp$로 나타낸다.

 

나선 전위는 전단 응력에 의한 뒤틀림에 의해 발생한다.

즉, 어느 순간부터 층이 밀린 것이다.

 

이렇게 전위를 동반하는 격자 뒤틀림의 크기와 방향은 버거스 벡터(b)로 나타낸다.

칼날 전위는 전위면과 수직이고, 나선 전위는 응력 방향과 평행하다.

전위에 따라 방향과 성질이 변해도, 버거스 벡터는 전위선을 따라 모든 점에서 동일하다.

(금속 재료의 경우 버거스 벡터의 방향은 원자가 조밀하게 배열된 방향이고, 크기는 원자 간 간격과 같다.)

 

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2차원 계면 결함

계면 결함에는 외부 표면, 결정립계, 상계면, 쌍정립계, 적층 결함 등이 있다.

쌍정립계란, 결정립계를 기준으로 두 격자가 정확한 대칭을 이루고 있는 유형이다.

적층 결함은 FCC같은 구조에서 ABCABABC 구조가 돼서 몇몇 층이 빠진 유형이다.

 

이렇게 다양한 면 결함은 재료의 표면적을 넓히게 되고,

덕분에 효소 작용이 늘어나 화학 반응에 도움을 준다.

 

표면 에너지는 충진율에 비례한다.

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이러한 결함들은 주로 현미경을 통해 관측한다.

 

Optical Microscopy

해상력 : 100 nm

Cutting → Mounting → Grinding → Polishing → Etching → Microscopic exam

Polishing 직후에도 결함만 구별 가능하고 결정립은 안보인다.

 

광학현미경에서 빛에 반사되어 결정립계만 검게 보인다.

 

결정립의 크기를 결정하는 방법

1) ASTM Comparative Method

100배율에서 in²당 평균 결정립 수를 결정립 크기 번호로 간단히 구할 수 있다.

$n = 2^{G-1}$

100배율 이외에서는 $n_{M}\Big(\frac{M}{100}\Big)^{2} = 2^{G-1}$을 사용해야 한다.

G가 클수록 결정의 크기가 작아지고 수가 증가한다.

 

2) Mean Line Intercept Method

특정 길이의 선을 그었을 때 단위 길이당 결정립의 수이다.

$\bar{\ell} = \frac{L_{T}}{PM}$

$G = -6.6457\log{\bar{\ell}}-3.298$ (mm단위)

 

*광학현미경은 주로 편광을 이용해 이방성 특성을 관찰하는 데에 쓰인다*

편광은 대비를 늘리며, 중합체 같은 투명한 샘플을 위해서도 쓰인다.

 

Scanning Electron Microscopy (SEM)

주사 전자 현미경으로, 표면의 3차원 구조를 보여준다.

시료는 전기적으로 전도성이 있어야 하기에, 표면을 매우 얇은 금속 박막으로 코팅한다.

배율은 10~50,000배까지 가능하다.

 

Transmission Electron Microscope (TEM)

투과 전자 현미경으로, 내부 구조까지 통과하여 보여준다.

고체 재료의 경우, 전자를 매우 잘 흡수하므로 시료를 매우 얇은 박막으로 만들어야 한다.

배율은 1,000,000배까지 가능하다.

 

Scanning Probe Microscope (SPM)

주사 탐침 현미경으로, 탐침이 느끼는 대로 표현한다.

해상도가 월등하며, 3차원 이미지가 가능하고, 다양한 환경에서 관찰할 수 있다는 장점이 있다.

 

Scanning Tunneling Microscope(STM)의 경우

흐르는 전류를 일정하게 하기 위해 침이 위아래로 움직이는 방법과

침이 고정되어 있고, 이에 따른 전류 변화를 탐지하는 방법으로 나뉜다.

 

Atomic Force Microscopy (AFM)

팁이 시료에 물리적으로 접촉하고, 팁에 빛을 쐐서 높낮이를 측정한다.

팁이 시료와 가깝기에 원자간 힘(인력, 반발력)이 작용한다.

때문에 팁이 소모품이라는 단점이 있다.

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합금의 조성은 구성 원소에 대해 무게비와 원자비로 나타낸다.

 

무게비 (질량)

$C_{1} (wt\%) = \frac{m_{1}}{m_{1}+m_{2}}×100$

 

원자비 (몰수)

$C_{1}' (at\%) = \frac{n_{m1}}{n_{m1}+n_{m2}}×100$

 

wt(%) to at(%)	at(%) to wt(%)	wt(%) to density kg/m3)	평균 밀도
$C_{1}' = \frac{C_{1}A_{2}}{C_{1}A_{2}+C_{2}A_{1}}×100$	$C_{1}=\frac{C_{1}'A_{1}}{C_{1}'A_{1}+C_{2}'A_{2}}×100$	$C_{1}''=\frac{C_{1}}{\frac{C_{1}}{\rho_{1}}+\frac{C_{2}}{\rho_{2}}}×10^{3}$	$\rho_{ave} = \frac{100}{\frac{C_{1}}{\rho_{1}}+\frac{C_{2}}{\rho_{2}}}$