고체 내의 결함 (3) - 금속,세라믹,폴리머 내에서의 불순물

오직 한 종류의 원자만으로 구성된 순수한 금속이 존재하는 것은 가능하지 않다. 

금속 내에는 불순물 또는 외부 원자들이 항상 포함되어 있다.

재료에 특정한 성질을 부여하기 위해 불순물을 일부러 넣기도 하며 이를 합금이라고 한다.

예를들어 은에 구리를 첨가하면 기계적인 강도를 크게 향상시킬 수 있다.

금속에 불순물 원자를 첨가할때

금속을 용매, 불순물을 용질이라고 하자. 

물에 소금을 넣으면 소금이 용해되다가 어느 순간부터는 용해되지 않는다. 

금속에서 용질원자를 모 재료에 첨가할때 기존 결정 구조를 유지하면 고용체가 형성된다.

용질원자를 고용한다고 표현하는 것이다.

전체적으로 고용체는 무질서하지만 균일하게 분포되어 있다.

불순물 점 결함은 고용체 내에서 발견되며 이것은 치환형과 침입형 두가지로 나뉜다. 이를

그림으로 살펴보자.

치환형 고용체의 경우 불순물이 모 원자를 대체하여 들어간다. 용질 원자가 용매 원자에 고용되는 정도는 

Hume-Rothery 법칙을 따른다.

 

Hume-Rothery 법칙

1. 원자의 크기 

두원자의 반지름 차이가 대략 15%미만일 경우 상당한 양의 용질 원자가 치환형 고용체로 수용

그 이상일 경우 격자변형을 일으켜 새로운 상을 형성할 것이다.

2. 결정 구조

높은 고용도를 갖기 위해서는 각 원자로 이루어진 두 금속이 같은 결정구조를 지니고 있어야 한다.

3. 전기 음성도 인자

두 원소간의 전기 음성도 차가 크면 치환형 고용체보다는 화합물을 형성하기 쉬울 것이다.

4. 원자가 전자

원자가가 높은 금속이 더 많이 용해되는 경향이 있다.(실험적)

 

침입형 고용체의 경우 불순물 원자는 모 원자들 사이 빈공간에 채워지는데 FCC와 BCC구조에서는 사면체자리와 팔면체 자리가 존재한다. 이둘의 차이는 배위수가 다른 것이다. 팔면체는 배위수 6 사면체는 배위수 4 이다. Fcc에서 점좌표계로 0,1/2,1과 1/2,1/2,1/2 자리가 팔면체 자리,

1/4,3/4,1/4 자리에 사면체 자리가 해당된다. Bcc에서는 1/2,1,0이 팔면체자리, 1,1/2,1/4 자리가 사면체 자리에 해당된다.

 

 

세라믹에서의 불순물

 

금속과 마찬가지로 세라믹에서도 불순물 원자가 고용체를 형성할 수 있는데 치환형 고용체와 침입형 고용체 모두 가능하다. 침입형의 경우 불순물의 이온 반지름이 음이온과 비교했을때 작아야하고 전기적으로 가장 비슷한 이온을 치환할 것이다.

예를들어 Ca(2+)이온 하나가 빠지고 Na(1+)이온 두개가 치환되는 등의 형태로 말이다. 

침입형과 치환형 불순물이 들어왔을 경우에도 전기적 중성도를 만족시켜야하므로 공공이나 자체격자간 이온의 형태로 맞춰 준다. NaCl에 Ca(2+)이온이 Na(1+)이온과 치환되어 들어올 경우 Na(1+) 하나의 이온빈자리나 자체격자간 이온의 형태로 중성을 맞춰줄 수 있다.

 

폴리머에서의 불순물

 

폴리머의 경우 사슬형 거대분자및 결정 상태의 모습으로 점결함의 모습이 세라믹과 금속과는 다르다. 고분자의 결정질 부분에서 금속의 점결함과 유사한 형태의 결함이 발견되는데 이것은 공공과 침입형 원자이다. 이로 인해 사슬이 끊어질 수도 있고 불순물이 사슬의 역할을 대신할 수도 있고 비정질체 밖으로 튀어 나올 수도 있다.