고체 내의 결함 (5) - 계면 결함

지금까지 점결함과 선결함을 다뤘다. 이번에는 면 결함에 대해 알아보자.

계면 결함은 일반적으로 다른 결정 구조와 다른 결정 방향을 가진 재료의 두 부분을 분리하는

2차원 경계 이다. 계면 경계의 외부표면, 결정립계, 상 경계, 쌍정 경계의 4가지에 대해 알아보자. 

 

1. 외부 표면

 

가장 명확한 경계 중의 하나로써 결정구조가 끝나는 부분이다. 표면 원자들은 완전하게 결합하지 못한 상태로

있기 때문에 불안정 하므로 내부에 있는 원자보다 높은 에너지 상태에 있다. 이러한 표면 원자의 결합 상태로 인해 표면 에너지가 생기는데, 이것은 단위 면적당 에너지의 단위로 표현된다.

이러한 표면 에너지를 줄이기 위해 재료는 가능하다면 표면적을 최소화 하려고 한다. 예를들어 액체의 경우 구의 형태를 띄게 된다.

 

2. 결정립계

 

결정립계는 다결정 재료 속에서 2개의 작은 결정립 또는 서로 다른 결정방향을 갖는 결정들을 분리하는 계면을 의미한다. 결정립계는 그림으로 표현하면 아래의 그림과 같은 모양을 띈다.

폭이 몇개의 원자 거리 정도인 경계부분에서 한 결정립의 결정 방향에서 이웃하는 결정립의 경계방향으로 전이 될때 약간의 원자 불일치가 존재한다.

이러한 어긋나는 정도는 다양한데, 그 각이 작은 경우 소각 결정립계 클경우 고각 결정립계 라고 한다. 칼날 전위들이 정렬되어 있을때 단순한 소각 결정립계가 생기고 이러한 것을 경각 입계라고 한다.

반대로 비틀림 입계는 나선 전위로서 설명된다.

원자들은 결정립계를 따라 결합각도가 더 클수록 덜 규칙적으로 배열되어 있다. 따라서 이러한 결정립계 계면에는 결정립계 에너지가 존재한다. 따라서 이러한 에너지 때문에 결정립계는 반응성이 더 크다. 큰 결정립을 갖는 결정인 경우에는 결정립계가 적어져 에너지가 적어진다.

 

3. 상 계면

 

상 계면은 서로 다른 상이 경계면의 양쪽에 있는 다상재료에 존재한다. 각 상은 각각의 특성을 가지게 된다.

 

4. 쌍정 경계

 

쌍정 경계는 두 격자가 거울처럼 정확히 대칭을 이루고 있는 결정립계의 특별한 경우이다. 이들 입계 양쪽의 결정 부분을 쌍정 이라고 한다. 쌍정은 기계적인 전단력에 의해서 발생하는 원자이동으로 생기는 변형쌍정, 변형후 열풀림 열처리를 통해 생기는 열풀림쌍정이 있다. 쌍정은 특정한 면에서 특정한 방향으로 생긴다. 

그 방향과 면은 결정구조에 따라 다르다. 열풀림쌍정은 FCC구조에서 주로 생기고 변형 쌍정은 BCC,HCP 구조에서 주로 발견된다.

 

5. 기타 계면 결함

 

적층결함: FCC에서 abcabc적층중에 다른형태의 적층이 생기는 경우

강자성 자벽: 자화 반응이 서로 다른 영역을 분리하는 계면

 

기타 결함

 

원자 진동: 고체 재료내 모든 원자들은 격자 위치를 중심으로 매우 빠르게 진동하는데, 이러한 진동 또한 결함의 일환으로 생각할 수도 있다.