고체의 확산 (2) - 확산기구 (원자 빈자리, 격자간 원자)

 

 

 

 확산이 일어나는 것을 원자적인 관점에서 볼때, 고체 재료 내에서 매우 빨리 위치를 바꾸면서 끊임없이 운동을 해야한다. 그러기 위해서는 두가지 조건이 충족되어야 하는데, 첫번째가 인접한 자리가 비어야하고, 두번째는 원자가 주위 원자와의 결합을 끊을 수 있고 이동시 격자 변형을 일으킬 정도의 충분한 에너지를 가지고 있어야 한다. 이러한 에너지는 보통 진동에너지이고 진동에너지는 온도가 상승하면 같이 상승하게 된다.

이러한 원자의 이동은 고체의 관점에서는 주로 2가지의 경우로 나뉘게 된다.

첫번째는 원자 빈자리 확산이고 두번째는 격자간 원자 확산이다.

 

 원자 빈자리 확산은 말 그대로 본래의 격자 위치에서 인접한 격자점 위치나 원자 빈자리로 원자가 상호 교환 되는 것이다. 이것은 존재하는 원자 빈자리의 개수에 영향을 미친다. 고온에서는 이러한 빈자리의 개수가 더 많아질 수 있다. 결함이 많아지기 때문이다. 확산 원자와 원자 빈자리가 서로 위치를 교환하므로, 한쪽 방향으로의 원자 확산이 일어나면 그 반대 방향으로 원자 빈자리가 이동한다. 상호 확산의 경우에는 불순물 원자가 모 원자를 치환해야 한다.

이를 그림으로 살펴보면,

이러한 식으로 원자가 이동하며 본래의 자리에 빈자리가 생기게 되는 형식이다.

 

두번째로 격자간 원자의 경우 불순물 원자가 모 원자보다 작아야 성립된다. 격자 침입과 비슷한 느낌으로 모 원자격자 사이 빈 공간으로 침투하는 것을 뜻한다. 이 경우 수소,탄소,질소,산소와 같이 격자간 위치에 들어갈 정도로 충분히 작은 불순물 원자에서 발견된다. 이것을 그림으로 살펴보면,

이러한 형태로 격자속에서 작은 원자가 이동하는 것이다.

대부분 금속에서 격자간 원자가 더 작고 움직이기 쉽기 때문에 원자 빈자리보다 격자간 위치의 경우가 더 많다. 따라서 격자간 원자가 이동할 확률이 원자빈자리 확산보다 크게 된다.