미세조직의 의미 이해하기

미세조직의 의미 이해하기

미세조직의 의미 이해하기

보통 전자 제품이라던지 여러 가지 물건에 들어가는 재료들은 보시는 것처럼 cm 단위 혹은 mm 단위 크기의 재료가 들어가게 됩니다. 이 일부를 현미경을 사용해서 확대를 해보게 되면 내부에 이와 같은 미세조직을 보실 수 있게 됩니다. 여기에 하나하나 보이는 알갱이들은 저희는 grain(입자)라고 부르고, grain과 grain의 경계를 grain boundary(입계)라고 부릅니다. 이런 것을 우리는 미세 조직이라고 부르고, 그리고 이 미세 조직을 아주 국소적인 부분을 10-9 m 단위, 원자 단위까지 들어가게 되면 오른쪽 그림과 같은 원자들의 위치를 확인할 수 있는 미세조직도 볼 수 있게 됩니다. 이 세 가지 다른 크기 영역들이 서로 유기적으로 연결되어 있는 것이 재료공학이고 이들을 어떻게 재단하는지가 재료공학의 목표가 된다고 생각하시면 될 것입니다. 뒤쪽으로 가면 고체(solid)라는 것이 결정(crystal)이라는 것을 아시게 될 텐데, 고체의 미세조직을 좀 더 쉽게 접근해보는 방법으로 bubble raft(거품 뗏목)이라는 방법을 많이 사용합니다. 방법은 간단합니다. 여러분들 어렸을 때 비눗방울을 만들 듯이 비눗물을 만들어서 자그만 주사기로 ‘쭉’ 쏘아주게 되면 비눗방울들이 쭉 모여있는 bubble raft를 만들 수 있게 되는데, 이것을 뗏목이라고 부르는 이유가 거품들이 이어져 있는 모양이 뗏목처럼 보이기 때문에 뗏목이라고 부릅니다. 우리가 고체의 미세조직을 거품 뗏목으로 어떻게 볼 수 있는가를 다음 장에서 간단하게 볼 수 있습니다. 거품들이 일렬로 아주 질서 정연하게 모여있는 모양을 만들 수 있습니다. 고체에서 이렇게 원자들이 질서 정연하게 모여 있게 되면 저희가 단결정(single crystal)이라고 부르게 되는 것입니다. 반면에 오른쪽 그림처럼 거품들이 질서 정연하게 오다가 중간에 어긋나고 모양이 바뀌어 버렸습니다. 즉, 서로 다른 두 개의 질서가 모여있는 것처럼 보입니다. 실제로 거품 전체에서 보게 되면 이렇게 무질서한 부분들이 다수 존재하게 되는데, 이런 경우를 다결정(polycrystal)이라고 부르고 다결정의 경우는 질서의 방향이 노란 선에서 보시 듯이 불연속적인 선을 경계로 나뉘는 것을 볼 수 있습니다. 그리고 이런 불연속적인 선을 입계(grain boundary)라고 이야기를 합니다. 이런 것들이 왜 중요하냐 하면 우리가 재료의 특성을 결정할 때 grain boundary의 유무가 특성상에서 많은 차이를 나타나게 되고, 그런 것들이 미세조직에서 저희가 배워야 하는 것들입니다.

결정에 존재하는 다양한 결함

결정에서 존재하는 다양한 결함(defect)들을 보여주고 있습니다. 앞에서 말씀드린 것처럼, 질서가 무질서하게 깨지는 부분들을 우리는 입계라고 부릅니다. 그러면 하나의 입계가 둘러싸고 있는 부분들은 질서 정연한 단결정이고, 아주 작은 단결정들이 모여서 만들어진 것을 다결정이라고 부른다고 생각하시면 됩니다. 지금은 하나의 크기를 가진 거품들이 모여있지만 실제로는 다른 크기의 거품들이 들어갈 수도 있을 것입니다. 주변의 크기보다 작은 원자들이 들어가 있을 때 우리는 고용된 원자라고 부르게 되는 데, 이런 interstitial site(침입형 자리)로 들어 가 있는 원자들은 이렇게 주변을 찌그러트리는 형태로 나타나게 됩니다. 반면에 원래 있던 원자를 밀어 내고 들어가는 경우를 치환된 원자(substitutional atom)라고 부르고, 이 경우 역시 크기에 따라서 주변을 얼마나 찌그러트리는지가 달라지게 됩니다. 그리고 때때로는 빈자리(vacancy site)들도 나타나게 되는 데 있어야 할 자리에 거품이 없는 경우가 나타나는 것입니다. 실제로 여러분들이 재료공학을 더 열심히 배워보면 열역학이라는 학문을 배우게 될 텐데, 모든 고체는 빈자리를 절대온도가 0도가 아니면 무조건 가지고 있어야 합니다. 즉, 빈자리의 농도가 재료의 물성에 많은 영향을 주게 됩니다. 그래서 빈자리의 존재에 대해서도 기억을 하시는 것이 좋습니다. 그리고 특히 금속 재료에서 굉장히 중요한 역할을 하는 전위(dislocation)라는 것이 있습니다. 전위라는 것이 무엇이냐 하면 그림에서 보다시피 원자들이 질서 정연하게 오다가 입계와는 달리 원자 한 층에서만 질서가 깨지고 있죠. 마치 원자들이 질서 정연한 데다가 같은 질서를 가진 원자 한 층을 밀어 넣은 것과 같은 모양이 나타납니다. 이런 경우를 우리는 전위(dislocation)이라고 부릅니다. 언뜻 보기에는 오른쪽 그림이 아주 질서 정연하게 보일 수 있지만 왼쪽에서 설명했던 모든 결함들을 모두 표현해놓았습니다.

구조들이 왜 중요할까요?

당연한 얘기겠지만 여러분들도 사람을 바라볼 때 얼굴에 점이 비대칭 적으로 있다고 하면 그 사람의 인상이 남죠? 그 점이 그 사람의 매력 포인트이기 때문에 사람의 인상이 남게 되는데, 마찬가지로 재료에서도 전체가 아주 완벽한 질서를 가지고 있는 경우에 대해서 결함이 존재하게 되면 여러 가지 특성들이 바뀝니다. 특히 많이 바뀌는 것이 기계적 특성이라든지 전자 재료 쪽에서는 전기 전도도라든지 많은 것들이 결함의 영향을 받게 됩니다. 앞에서 말씀드렸던 전위의 경우는 뒤에서 같이 공부할 내용인데, 금속 재료의 기계적 성질을 이해하는데 아주 필수적인 요소가 되는 것입니다. 다시 한번 정리를 해드리면 완벽하게 정렬되어 있는 단결정 안에 원자 한 층이 끼어들어있는 것을 전위라고 부른다는 것을 기억해주시면 좋겠습니다. 그러면 우리가 bubble raft를 사용해서 ‘아 이런 것이 존재할 수 있구나’라는 것을 확인을 했지만 실제로도 그럴까요? 실제로도 그렇다는 것을 전자현미경이란 도구를 사용하면 보실 수 있습니다. 전체적으로 논문에서 가져오다 보니까 이해하기 힘든 그림들도 있을 텐데, 제가 강조하고 싶은 부분은 g번 그림을 보시면 원래 평평하게 있는 graphene이라는 물질인데 걔들이 이렇게 주름이 질 수 있습니다. 주름이 지면 나중에 금속재료에서도 배우겠지만 주름 지는 곳은 항상 주변과는 다르기 때문에 힘을 상쇄시켜줄 수 있는 무엇인가가 필요합니다. 그 역할을 하는 것이 dislocation이라는 것을 전자현미경으로 확인하는 것입니다. climb라던가 glide라는 것은 dislocation의 움직임을 얘기하는 것인데 실제로 dislocation의 움직임도 전자현미경을 통해서 확인을 할 수 있다는 얘기입니다. 전자현미경이 나오기 전에 결함과 dislocation들은 나왔던 개념들이지만 전자현미경으로 확인을 해봤더니 실제로 존재했다는 것입니다. 우리가 머릿속에서 상상하는 것들이 현실에서 이루어지는 것을 볼 때 연구하던 모든 사람들이 엄청 기뻤겠죠. 여러분들도 앞으로 같이 적립해 나가는 개념들이 현실에서는 어떻게 나타나는지 바라보면서 재료공학의 기쁨을 느낄 수 있을 것 같습니다.