재료물성개론 [2] Multiple Length Scales로 이해하는 Materials

 

 

1. Length Scale

기본적인 length scale에 대해 알아보자. length scale은 m 단위부터 nm 단위 넘어까지 매우 다양하다.

 

 

원자나 이온의 크기는 보통 0. 1 nm 정도를 하며, 결합을 하면 0.1nm보다 커지게 된다. 이때의 결합은 Ionic / Covalent / Metallic / Van derWaals Bonding(= London Disersion Force) 등이 존재한다.

 

 

 '전기 음성도'에 따라 전자를 끌어당기는 정도가 결정되며, 이로인해 극성이 결정되기도 한다. 

 

1-1. 결합 방향성과 결합 에너지에 따른 분류

 

 결합 에너지에 따라/ 결합의 방향성에 따라서도 이해할 수 있다.

 

먼저, 결합 방향성에 따라 생각해보다.

 

 Ionic Bonding의 경우, (+)와 (-) 이온끼리의 방향성을 가지지 않는다(이온이 이동을 해도 방향에 가리지 않고 결합을 한다).   Metallic Bonding의 경우, 원자들 사이의 자유 전자가 이동하는 상황을 가정하자. 원자의 전자가 이탈을 하더라도 자유전자는 그에 맞는 위치를 설정한다. 따라서 방향성을 가지지 않는다. 따라서, 단위 부피안에 빽빽하게(효율적으로) 결합을 하게 된다. 따라서, 충진율이 높아진다.

 Covalent Bonding의 경우, 방향성을 가진다. O에 H가 붙는다는 가정을 하면, H는 O와 특정 각도를 기준으로 특정 자리에 결합한다. 만일 각도에 맞지 않는 자리에서는 결합이 일어나지 않는다. 따라서, Metallic Bonding의 경우 충진율이 비교적 낮다.

 Van der Waals의 경우 (+)와 (-) 사이의 결합은 일어나지 않기 때문에, 방향성을 가진다.

 

 충진율만을 가지고 비교해본다면 대략 Metallic > Ionic > Covalent > Van der Waals 순이 된다. 뒤로 갈수록 실온에서 주로 액체나 기체 상태로 존재한다.

 

 

 결합 에너지에 대해 생각해보려면 녹는점을 고려해야한다. 녹는 점이라는 것은 '고체에서 액체'로 변하는 것으로 결합이 깨지는 것을 의미한다. 즉, 녹는 점이 높은 것은 결합이 잘 끊어지지 않는 것으로 결합에너지가 크다는 것이다.

 

 Ionic /Metallic /Covalent의 결합 에너지가 크고, Van der waals는 비교적 낮다.

 

 

1-2. Atomic Ordering (원자 배열의 규칙성)

결정구조를  비교하는 방법 중 배열의 규칙성이 있다.

 

원자 배열의 규칙성이 넓은 범위에서 있으면 결정질, 없으면 비정질이라고 한다.  이전에 말한 충진이 규칙적이냐에 따라 결정되는 것이다.

 

또한 다른 방법들도 존재하는데 이에 대한 내용은 추가 링크를 첨부하겠다.

 

결정구조 및 분석 [6] Bravais Lattice와 원칙

 

2. Atomic Arrangement

 흑연과 다이아몬드는 모두 탄소로 이뤄져있다. 이들의 배열 규칙성은 모두 존재(=결정질)하나, 둘이 같은 재료는 아니다. A와 B의 재료가 같기 위해서는 구성 원소 뿐 아니라 원자 배열 역시 중요하다. 단순히 결정질이냐만 고려하는 것이 아닌, '결정 구조'에 대해서도 생각해보아야 한다.

 

추가로 원자 배열이 불규칙적이냐/ 규칙적이냐에 따라 화학 결합을 유추할 수 있을까? 그렇지 않다. 

 

 

2-1. 세라믹의 미세구조 - vacancy와 투과도

 

 빈공간(Vacancy)에 빛을 쏘면 산란되어 상이 왜곡된다. 따라서, Al2O3 99%(vacancy 1%)에서는 거의 투명하다. 그리고 %가 낮아질수록 점차 빛이 산란되어 투과도가 산란되는 것을 볼 수 있다. 즉, 같은 물질이어도 투과도가 달라질 수 있으며 microstructure까지 관리해야 투과도를 조절할 수 있다.