금속이 찌그러지는 이유

금속이 찌그러지는 이유

금속이 찌그러지는 이유

Dislocation을 정확하게 이해함으로써 연성 전성과 같은 특성을 좀 더 잘 이해할 수 있습니다. Ductile 해서 실로 뽑을 수도 있고, 망치로 두드려서 펼 수도 있는 특성인 Malleability(전성)이 나타나는 반면에 도자기나 혹은 그릇 그리고 접시와 같은 세라믹스들은 바닥에 떨어트리면 깨지는 특성인 취성(brittleness)이라고 불리는 특성을 가집니다. 그러면 그 차이가 어디에 있는지 dislocation을 통해서 조금 더 이해해보도록 하겠습니다. 그리고 이 지식을 기반으로 해가지고 우리는 어떻게 하면 금속을 조금 더 강하게 견고하게 만들 수 있는지를 생각해 볼 수 있는 시간이 될 것 같습니다. 일단 우리가 금속에 있어서의 ductile 하다는 연성이라든지 malleability라 얘기하는 전성이라는 특성과 그에 비해서 주로 세라믹 재료들이 가지고 있는 취성(brittleness)이라고 하는 특성, 이 두 개의 차이가 어디서 오는지 알아보겠습니다.

원자적인 관점

우리는 어떤 음료수 알루미늄 캔에 들어 있는 음료수를 마시고 조금의 힘으로 콱 찌그려서 보통 버립니다. 금속은 이렇게 변형이 잘되는데 오른쪽에 있는 세라믹스의 경우는 알고 계신 것처럼 떨어트리면 그냥 팍 하고 깨집니다. 조각조각 나 구석에 들어가는 경우가 많아서 청소하는 것도 만만치 않습니다. 이것을 원자적인 관점에서 보겠습니다. 비교를 쉽게 하기 위해서 금속은 Sodium(나트륨) 금속을 가정하고 그린 상태고 세라믹스는 Sodium Chloride(소금)를 가정하고 그려 놓았습니다. 이것을 보시면 Sodium(나트륨) 금속의 경우는 shear stress(전단 응력)을 주게 되면은 앞에서 봤던 것처럼 원자배열은 그대로 있는 상태에서 변형이 일어납니다. 그 이유가 dislocation이라고 했는데 이것에 대해선 뒷장에서 좀 더 자세히 알아보겠습니다. 세라믹스의 경우에는 구조가 완전히 다릅니다. 금속의 경우는 방향성이 없었기 때문에 최밀 충전(close packing) 된 형태로 가는 경향이 있는 반면에 세라믹스의 경우에는 + - + -가 교대로 있기 때문에 항상 짝을 지어서 방향성을 가지고 있습니다. 따라서 전단응력을 주어 세라믹스를 변형시키려고 하면 어떻게 되나요? 원자 한 층이 이동하게 되어 + +가 만나고 - -가 만나는 상황이 만들어지게 됩니다. 그러면 대부분의 세라믹스는 반발력(Repulsion)이 생겨서 툭 하고 갈라지게 됩니다. 이것이 바로 세라믹스가 가지는 취성입니다. 세라믹스의 dislocation은 약간 복잡하기 때문에 자세히는 안 다루겠지만 세라믹스의 dislocation 자체도 +와 - 를 가지고 있습니다. 즉, 전하를 띠고 있다는 얘기입니다. 이 말은 세라믹스의 dislocation도 이동할 때는 + - 를 맞추면서 이동을 해야 한다는 것입니다. 따라서 이동을 할 수 있는 방법이 굉장히 제한되어 있고 주로 변형이 일어나기보다는 깨지는 일이 많게 됩니다.

dislocation 구분

그럼 두 가지 다른 특성을 더 자세히 이해하기 위해서 우리가 금속에서 볼 수 있는 dislocation과 세라믹스에서의 dislocation에 대해 조금 더 얘기를 하도록 하겠습니다. 보통 재료가 변형이 일어날 때는 당연한 얘기겠지만 이런 말이 있습니다. ‘재료는 그 재료가 가지고 있는 가장 약한 부분만큼 강하다’. 이 말은 항상 깨지거나 잘못되는 것은 제일 약한 부분에서 시작된다는 말입니다. 따라서 재료에서 변형이 일어나려면 가장 변형이 일어나기 쉬운 방향으로 변형이 일어날 것입니다. 그 쉬운 방향을 우리는 slip plane(미끄럼면), slip direction(미끄럼 방향) 이렇게 얘기합니다. Slip plane, slip direction을 따라서 변형이 일어난다고 얘기하는데 금속의 경우는 앞서 얘기한 것처럼 최밀 충전이라고 했습니다. (원자가) 빽빽이 채워져 있다 보니까 가장 최밀하게 보이는 부분이 {111} 면입니다. {111} 면이라는 것은 Cube를 생각했을 때 최대 각선 면을 {111} 면이라고 말하는데 그 {111} 면이 slip plane이 됩니다. 최밀 충전이라서 이동할 때 면이 미끌리면서 이동할 때 가장 적은 거리를 움직여도 되는 그쪽 면이 slip plane이 되는 것입니다. 그리고 움직이는 방향은 당연히 가장 잘 붙어있는 방향, 그 방향으로 가야 할 텐데 그게 <110> 방향입니다. <110> 방향이라는 것은 큐브에서 아래 사각형의 대각선 방향입니다. 대부분의 금속은 {111} 면을 slip plane으로 가지고 <110> 방향으로 이동을 하면서 변형이 일어나게 됩니다. 세라믹스의 경우는 변형이 잘 안 일어나지만 여기 한 예를 들어봤습니다. rock salt 구조, 즉 소금과 똑같은 구조를 갖는 그런 재료들은 고온에서 제한적이지만 이렇게 slip이 일어나기도 합니다. 그런데 일어나는 방향은 금속과는 조금 다르게 일어납니다. 금속처럼 최밀 충전 면인 {111} 면이 <110> 방향으로 이렇게 이동하는 경우도 있고, 그 대표적인 그림이 왼쪽 그림입니다. 이런 경우도 있지만 금속과는 달리 세라믹스는 + - + - 가 교대로 존재하기 때문에 {111} 면뿐만 아니라 {110} 면도 아주 최밀 충전에 가까운 면이 됩니다. 그 면이 여기 {001}이라고 되어 있는데 (001) (100) 이것은 cubic에서는 똑같습니다. 그런데 결정학적으로 정확하게 쓰기 위해서 이렇게 써놓았는데 {001} 면이 <110> 방향으로 이렇게 이동해가는 이런 형태가 나타날 수 있습니다. 앞에서 제가 말을 조금 실수했는데 {110} 면이 <111> 방향으로 이동해가는 두 가지 경우가 나타날 수 있습니다. 그런데 이런 경우도 아주 고온에서만 일어나고, 상온에서는 일어나지 않습니다. 소금 같은 경우는 톡 치면 깨져버립니다. 이렇게 금속과 세라믹 어떤 것이든 관계없이 결정이라고 한다면 slip plane이라는 것이 존재하게 되고, 그 slip plane이 slip direction을 따라서 변형이 일어나게 됩니다. 실제로 재료에서 변형이 일어난 그림을 우리가 현미경(microscope)을 통해서 확인할 수가 있습니다. AFM(Atomic Force Microscopy) Image라고 되어 있는데, AFM은 원자 단위의 굴곡을 볼 수 있는 microscope입니다. 여기서도 보면 slip이 일어난 결정(crystal)을 확인할 수가 있죠. 즉, slipping이라는 용어 자체가 재료에서의 변형을 얘기해주는 아주 중요한 keyword가 됩니다. 자, 이제 세라믹스의 취성은 어디에서 나오는지 보겠습니다. 앞에서도 얘기했다시피 여기 그림에 확인해보시면 알겠지만 dislocation 자체도 + - 를 가지고 있습니다. 그 말은 dislocation이 이동을 할 때 + + 가 만나면 서로 밀치겠죠. 즉, 변형이 잘 안 일어나는 재료가 되고, + - 를 맞출 수 있는 방향으로 움직일 때만 세라믹스도 변형이 일어날 수 있습니다. 그런데 그 방향이 너무 제한적이고, 아주 고온이 아니면 그 방향으로는 가는 것이 쉽지가 않기 때문에 세라믹스는 주로 취성이 있다고 얘기합니다. 즉, 깨지기 쉬운 재료가 되는 것입니다.

dislocation 원인

dislocation의 source는 뭔지, dislocation은 왜 생기는지 알아보겠습니다. 가장 잘 알려져 있는 dislocation의 발생원인을 frank-read dislocation source라고 합니다. 이게 무엇이냐 하면 외부에서 변형이 주어지게 됐을 때 dislocation을 만드는 nucleus가 있는데, 거기서부터 band형태로 이렇게 dislocation이 자라나 간다라는 실험적 결과를 바탕으로 한 해석입니다. dislocation의 깊이 있는 부분은 여러분들이 dislocation의 한 학기 분량의 수업이 있는데 그 수업을 들으실 기회가 있다면 여러분들이 더 자세히 알 수 있지 않을까 싶습니다. 다만 dislocation은 외부에서 재료에 힘(stress)의 형태로 에너지를 부여했을 때 그 힘을 분산시키기 위해서 발생하는 것인데 재료 내에 어떤 특정한 위치에서 불순물이 있는 지점에서 잘 생길 수 있다는 정도만 기억하면 됩니다.