전위의 두 가지 형태

전위의 두 가지 형태

전위의 두가지 형태

보통 두 가지 형태의 dislocation이 존재합니다. 하나는 edge dislocation(인상 전위)이라 불리고 다른 하나는 screw dislocation(나사 전위)이라 불립니다. 이 이름은 dislocation이 만들어질 때의 모양이 어떻게 되냐에 따라서 하나는 edge dislocation이라고 부르고 하나는 screw dislocation이라고 얘기를 해줍니다. 처음에 edge dislocation이라고 얘기하는 것은 전단력(shear stress)이 이렇게 주어졌을 때 Crystal이 양쪽으로 이렇게 벌어져서 마지막에 계단처럼 나타나는 형태를 edge dislocation이라 부릅니다. screw dislocation은 전단력이 (edge dislocation에서의 경우와 같이) 똑같은 방향으로 작용하더라도 (edge dislocation 과는 다르게) 비틀어지는 형태로 나타나서 마지막에 역시 계단 형태로 나타나는 것을 screw dislocation이라 부릅니다. 모든 금속 재료는 edge dislocation 뿐만 아니라 screw dislocation 두 가지를 다 가지고 있습니다. 다만 그것이 작용하는 방식이 조금 다른 것인데 결론은 다 똑같이 나옵니다. 결론은 마지막에는 dislocation이 이동을 해서 재료의 변형이 일어난다는 것이죠. 그럼 여기를 보시면 dislocation이 생기면 어떤 일이 벌어질까요? 우리가 dislocation을 가장 쉽게 이해하는 게 뭐라고 얘기했었죠? dislocation이라는 것은 아주 일정하게 배열되어있는 원자들이 이렇게 쭉 일렬로 배열되어있는데 원자의 반 정도 크기 원자 한 면이 들어와 있는 형태라고 했죠. 그게 추가로 삽입되어있는 경우를 dislocation이 생겼다고 말을 합니다. 여기 기호에서 보면 빨간색으로 한글에 ㅗ 모양은 edge dislocation이 있다는 것을 얘기합니다.

dislocation에서 중요한 것

대표적으로 dislocation에서 중요한 것이 무엇인지를 알아보겠습니다. 아무래도 원래 이렇게 여러분들이 일렬로 쫙 서있는데 일련의 사람들이 한 줄로 쭉 파고들어 온다고 생각해보면 다들 이렇게 쭉 비켜 주게 됩니다. 그런 것처럼 원래 있어야 되는 열 들이 있는데 하나가 새로 추가가 되다 보니까 그 주변에는 굉장히 큰 stress가 걸리게 됩니다. dislocation 있는 위쪽 면은 compressive stress, 압축력이 걸리게 됩니다. 그 이유는 Dislocation이 들어가려고 하면 원래 있던 원자들은 ‘밀치지 마’ 이러면서 제자리로 돌아가려고 하겠죠. 이렇게 원래의 상태로 돌아가려는 힘이 있기 때문에 compressive stress가 걸린다고 우리는 얘기합니다. 반면에 dislocation 아래쪽 부분에는 당연히 위쪽에 원래 상태로 돌아가려는 애들이 있으니까 아래 부분은 상대적으로 늘어나려고 할 것입니다. Dislocation이 들어오면서 미는 힘과 위쪽에 있는 애들이 들어오려고 하는 힘 두 개가 합쳐져 늘어나려고 합니다. 그래서 아래쪽에는 항상 tensile stress(장력)가 걸리게 되어있습니다. 재료에서 가장 중요한 stress는 tension입니다. 재료는 항상 tension에 약하기 때문에 tension을 잘 이해하는 것이 굉장히 중요합니다. Edge dislocation이 하나 생기는 순간 항상 dislocation이 있는 쪽은 compressive stress, 아래쪽은 tensile stress가 걸리게 됩니다. 그러면 재료는 어떨까요? 재료뿐만 아니라 자연의 모든 현상이 다 마찬가지입니다. 열역학이 얘기하는 자연은 항상 equilibrium을 찾아가는 process라고 얘기합니다. 이 말은 무엇이냐 하면 평형상태를 가장 좋아한다는 것입니다. 이렇게 stress가 어느 한쪽에 불 균일하게 걸리는 상태를 자연은 좋아하지 않습니다. 따라서 이 stress를 항상 없애려고 합니다. 어떤 식으로 이 stress를 없앨 수 있을까요? 위쪽에 compressive stress, 아래쪽에 tensile stress가 걸려있을 때 반대되는 dislocation이 다가왔다고 생각해보겠습니다. 그럼 이 dislocation에는 여기(아래쪽)가 compressive stress고 여기(위쪽)가 tensile stress가 걸리게 됩니다. 그리고 tensile stress가 compressive stress를 만나게 되면 서로 없어지게 됩니다. 그런 경우를 우리는 dislocation attraction이라고 얘기합니다. 그러니까 위쪽 방향으로 dislocation이 들어와 있는 것과 아래쪽으로 들어와 있는 dislocation이 서로 만나면 서로 사라져 버리는 것입니다(annihilation). 즉, 서로 반대 부호를 갖는 dislocation은 항상 서로 당겨주는 역할을 한다는 것입니다. 재료는 stress가 불 균일한 상태를 좋아하지 않기 때문에 생기는 현상입니다. 반면에 같은 방향으로 부호가 들어가 있는 즉, 둘 다 위쪽에 dislocation이 있으면 얘들은 (위쪽은) compressive stress를 더 증폭시키고 아래쪽에선 tensile stress를 더 증폭시키겠죠. 그래서 이런 애들은 서로 밀치는 힘이 생기게 됩니다. 그러니까 dislocation을 우리가 편의상 위쪽을 +라 그러고 아래쪽을 -라고 그런다면 서로 다른 부호는 항상 서로 당겨주는 역할을 하고 서로 같은 부호가 있으면 + + 던 지 - - 던 지 같은 부호가 있으면 서로 밀어내는 역할을 합니다. 이게 바로 dislocation과 금속의 기계적 성질을 이해하는 가장 기초가 되는 개념이 되겠습니다.

전위의 이동

전위가 어떻게 이동을 하는가, dislocation이 어떻게 이동을 해서 변형이 일어나는지에 대해 아주 간단하게 schematics를 그려놨습니다. 이쪽에 보시면 알겠지만 처음에 이런 dislocation이 있습니다. 그런데 이쪽으로 shear stress를 걸어주게 되면 여기에서 이 원자 간의 결합을 끊고 이것이 이쪽으로 가고 그러면 이쪽으로 결합이 이동하는 것이 되죠. 결합은 이쪽으로 이동하고 여기에 다시 dislocation이 생기는 것입니다. 그러면 상대적으로 dislocation이 이동했다는 느낌을 받게 되겠죠. 그리고 이 과정이 반복되면 이렇게 밖으로 빠져나옵니다. 왜 이런 과정을 그림으로 그려 놓았냐 하면, 실제로 금속 자체가 가지고 있는 원자들 간의 결합력은 이론적으로 굉장히 큽니다. 하지만 실제 bonding(결합)을 끊을 만큼 힘을 안 줘도 금속재료는 변형이 일어나게 되는데, 그 일어나는 원인이 바로 dislocation입니다. 우리가 쉽게 생각하면 이렇게 생각할 수 있겠죠. 책장에 책이 이렇게 여러 권 쫙 꽂혀 있는데 그걸 한 번에 쫙 이동시키려면 굉장히 힘듭니다. 그런데 한 권씩 한 권씩 이동해가면 쉽게 이동할 수 있죠. 똑같은 개념입니다. 금속 자체가 가지고 있는 그 bonding을 끊어가지고 변형을 시키기는 굉장히 힘들지만 원자 한층 한 층이 차례차례 순차적으로 끊으면서 이동하면 쉽다는 얘기죠. 그래서 나온 것이 dislocation model이고 이론입니다. ‘왜 이론적인 강도보다 금속은 항상 작은 힘에서 변형이 일어날까? dislocation이란 것을 가정하면 될 것이다.’라고 생각한 것입니다. 그런데 놀라운 것은 이것이 실험적으로 electron microscope(전자 현미경)이라는 것이 발명되면서 실험적으로 검증이 됐다는 것이 아주 의미가 있는 얘기가 되겠습니다. dislocation이 아주 정렬이 잘 되어있는 원자들 사이로 쭉 이동을 할 텐데, 그렇다면 원자들의 규칙이 깨진 곳으로 dislocation이 가게 되면 어떻게 될까요? 원자들이 규칙이 깨진 곳으로 가게 되면 dislocation은 움직이지 못하게 됩니다. 그렇게 해서 보통 stop 된다고 하는데 그냥 멈춰버린다는 뜻입니다. 이렇게 dislocation이 움직이는 것을 방해하는 것이 grain boundary(입계)입니다. 아주 원자가 일사불란하게 잘 정렬되어있는 구조를 단결정 (single crystal)이라고 했습니다. 이 single crystal과 방향이 다른 single crystal이 만나서 만드는 경계를 입계라고 얘기했습니다. 방금 얘기했던 것처럼 dislocation은 잘 정렬된 곳을 따라 움직이는데 (입계를 만나) 갑자기 방향이 바뀌어 버렸습니다. 그럼 dislocation은 못 가고 멈춰버리겠죠. 그래서 grain boundary는 dislocation의 움직임을 막아주는 대표적인 장애물이 됩니다. Grain boundary가 여기 있으니까 dislocation이 stop 되게 되고, 그럼 다른 dislocation은 같은 부호다 보니 오다가 계속해서 repulsion(척력)이 작용해서 더 이상 못 다가오겠죠. 이런 경우를 우리는 dislocation pile-up이라고 얘기합니다. 즉, dislocation이 Grain boundary로 이동을 하면서 계속 쌓이는 현상이 벌어집니다. 이런 일이 어떻게 또 벌어질 수 있냐 하면 우리가 particle이나 석출물이라던지 불순물이 단결정 내에 존재하게 되면 그 불순물은 주변의 원자 질서를 깨는 애죠? 그러다 보니 dislocation이 쭉 이렇게 이동하다가도 불순물을 만나게 되면 만약 그 dislocation이 이동하고자 하는 힘이 너무 강하면 뚫고 지나갈 수도 있습니다. 그런데 보통은 여기(불순물)에 걸려서 루프를 형성합니다. 이 루프가 나중에 dislocation의 source가 됩니다. 앞에서 얘기했던 frank-read source라고 했던 것이 여기서 나오는 것입니다.