디자인과 재료 HW-1 (2023. 09. 25.) 1. 제출기한: 2023. 10. 04. (수) 12:00 2. 과제물 내용 1. 교재 연습문제 5.28 풀이 앞에 첨부 2. 교재 연습문제 5.31 풀이 앞에 첨부 3. ① 고체에서의 결함의 종류를 조사하고, 각 특징들을 재료별(metal, polymer, ceramic)로 정리하시오. 고체에서의 결함의 종류 고체 내의 결함은 주로 재료의 내부 구조에서의 규칙성의 이탈로 정의된다. 고체 내의 결함은 여러 종류가 있으며, 대부분의 경우 이러한 결함은 재료의 물리적, 화학적 특성에 영향을 미친다. 일반적으로, 결함은 크기와 차원에 따라 분류된다. 1. 정결함(Point defect) 정결함에는 내부 요인에 의한 정결함(Intrinsic point defect)과 외부 요인에 의한 정결함(Extrinsic point defect)으로 나눌 수 있다. 내부 요인에 의한 정결함에는 원자나 이온의 정규적인 위치에서 빠진 공공 결함(Vacancy defect), 결정 내에서 정상적인 원자들 위치 사이에 침입형 위치를 차지하고 있는 자기 침입형 결함(Self-interstitial defect)이 있다. 외부 요인에 의한 정결함에는 외부의 원자가 정상적인 원자들 위치로 침입하는 외부 원자 침입형(Substitutional Foreign atom)과 내부의 다른 원자가 정상적인 원자들 위치로 침입하는 내부 원자 침입형(Interstitial Foreign atom)이 있다. 추가로 이온 결정이 양이온 음이온 두가지 모두의 vacancy를 가지는 쇼트키 결함(Schottky defect)와 양이온이 이동을 하여 침입형과 양이온이 이동하여 그 자리에 공공이 생하는 프랭클 결함(Frenkle defect)도 정결함의 일종이다. 2. 선결함(Line defect) 선결함은 전위(Dislocation)이라고도 불리며, 전위란 일부 원자들의 정렬이 어긋난 선 결함과 그 외에도 1차원적 결함을 포함한 결함을 말한다. 전위에는 크게 칼날 전위(Edge dislocation), 나선 전위(Screw dislocation) 그리고 혼합 전위(Mixed dislocation)이 있다. 칼날 전위란 결정 내에서 원자의 잉여 반 평형면 끝 주위에서 생성되는 격자의 비틀림과 관련된 선형 결함을 말한다. 빨강 원부분에서 전위선 윗부분에 위치한 원자들의 경우 압축력이 작용하고, 검정 원부분에서 전위선 아랫부분에 위치한 원자들의 경우 인장력이 작용하게 된다. 이렇게 전위선 위, 아래 부분에 다른 힘이 작용하게 되고 전위 발생 부근에 원자면이 휘어지게 되어 뒤틀림이 발생하게 된다. 버거스 벡터란 전위를 동반하는 격자 뒤틀림의 크기와 방향을 말하는데, 칼날 전위의 경우 전위선과 버거스 벡터가 서로 수직 관계를 가진다. 나선 전위란 뒤틀림에 의한 전단 응력에 의해 발생된 전위로 주위의 결정면이 나선형으로 되어있어 붙여진 이름이다. 아래의 그림을 확인하면, 나선 전위의 경우 전위선과 버거스 벡터가 서로 평행 관계를 가진다. 마지막은 혼합 전위로, 칼날 전위와 나선 전위가 혼합되어 있는 형태로, 실제로 재료들의 경우 각각 한 종류의 전위만 존재하는 것이 아닌 혼재된 상태로 존재하게 된다. 3. 면결함(Plane defect) 면결함은 다른 결정 구조나 결정 방향을 가진 재료의 두 영역을 분리해주는 경계면인 계면에서 발생하는 결함을 말한다. 면결함에는 다음과 같은 종류가 있다. 외부 표면(External surface)는 결정 구조의 연속성이 종료되는 부분으로 표면에서 원자들이 다른 원자들과 결합한 형태를 말한다. 결정립계(Grain boundary)는 방향이 다른 다른 결정립이 서로 마주치는 경계면을 말한다. 금속에서 응고 중 다른 핵들로부터 형성된 결정들이 동시에 성장하여 서로 만날 때 생성되며, 원자의 배열과 규칙성과 반복성이 무너지게 되므로 결정립계를 경계로 에너지가 높은 불안정한 상태가 형성된다. 상계면(Phase boundary)는 서로 물리적, 화학적 특성이 다른 상이 동시에 존재할 때 상 사이의 경계면을 말한다. 쌍정립계(Twin boundary)는 두 격자가 정확한 대칭을 이루고 있는 결정립 사이의 계면을 말하며, 전단응력, 어닐링 등에 의해 발생하게 된다. 4. 체적 결함(Bulk defect) 체적 결함이란 3차원 모두에서 재료의 전체 구조에 영향을 미치는 결함으로 균열(Crack), 기공(Poros), 외부 이물질(Foreign inclusion) 등이 있다. 균열이란 재료 내부에 나타나는 빈틈이나 파열이다. 균열로 인해 재료의 기계적 강도가 감소하게 되며, 외부 스트레스나 내부의 특정 조건에 의해 형성될 수 있다. 기공이란 재료 내부에 형성된 미세한 구멍으로 제조 과정 중 불완전한 압축이나 가스 포함 등의 원인으로 발생할 수 있다. 기공의 크기, 분포, 모양에 따라 재료의 기계적, 전기적, 열적 특성에 영향을 줄 수 있다. 외부 이물질은 재료 내부에 혼입된 다른 재료나 물질을 말한다. 제조 과정에서 불순물의 혼입하거나, 반응 중 발생하는 부산물 등의 원인들에 의해 발생되며, 이물질은 재료의 일관성, 강도 및 기타 물리적 특성에 영향을 주기도 한다. 5. 재료 별 결함의 특징 (1) 금속(metal) 금속에서 볼 수 있는 결함에는 공극(Vacancy), 전위(Disloaction), 외부 불순물 (Substitutional impurity)과 간극 불순물 (Interstitial impurities), 결정립계(Grain boundary) 등이 있다. 공극은 원자의 정규적인 위치에서 빠진 금속 내 확산과 관련되어 있으며 공진의 존재로 인해 금속의 전기 전도성 및 열전도성이 좋다. 전위는 원자 배열의 연속성이 끊어진 것을 말하며 전위의 밀도와 분포로 인해 금속의 강도와 가소성에 영향을 미친다. 여러 불순물은 합금을 형성할 때, 다른 원소가 기존 원소의 위치에 들어가거나 중간에 존재하게 되면서 영향을 미치게 되는데, 불순물의 종류와 함량에 따라 강도, 전기 저항성 및 내구성 등의 특성에 영향을 미친다. 결정립계는 다른 결정 방향성을 가진 두 결정 간의 경계로 경계 부분에서 전위 움직임이 억제되어 금속의 강도가 증가하는 영향을 미친다. (2) 중합체(polymer) 중합체에서 볼 수 있는 결함에는 결합 결함(Chain defect), 기공(void), 기포(bubble)과 이물 포함물(Foreign inclusion) 등이 있다. 결합 결함이란 중합체 사슬의 브랜칭, 교차 결합 또는 네트워크 구조의 결함을 말하며 사슬의 구조와 연결 방식에 따라 중합체의 물리적 성질과 가공성에 영향을 미친다. 기공과 기포는 중합체 내부에 미세한 공간 또는 가스 포함물을 말하며 기공 및 기포는 중합체의 기계적 성질, 투과성 및 광학적 성질에 영향을 줄 수 있다. 이물 포함물은 제조 과정에서 중합체 내부에 혼입된 다른 물질로 이물질의 형태, 크기, 분포에 따라 중합체의 물리적 성질 및 기계적 특성에 영향을 미친다. (3) 세라믹(ceramic) 세라믹에서 볼 수 있는 결함에는 공공(Vacancy), 전위(Disloaction), 이물 포함물(Foreign inclusions), 결정립계(Grain boundary)등이 있다. 공공이란 세라믹 내에서 원자 또는 이온이 존재하지 않는 공간으로 이온 전도도 및 기계적인 영향을 준다. 전위는 세라믹의 결정 구조 내에서 원자의 연속성이 끊어진 라인으로 세라믹의 파손되는 정도와 연관이 있으며 기계적인 성질에 영향을 미친다. 이물 포함물은 세라믹 내부에 다른 물질 또는 불순물이 혼입된 것으로 종류와 분포에 따라 세라믹의 기계적 성질 및 내구성에 영향을 미친다. 결정립계는 다른 결정 방향성을 가진 두 결정 간의 경계로 세라믹의 기계적 및 전기적 성질에 영향을 미친다. ② 조사한 결함 중 하나를 골라, 해당 결함과 관련된 논문 1편을 조사해 요약하시오. Whangbo, M. H., and M. A. Subramanian. “Structural Model of Planar Defects in CaCu 3Ti 4O 12 Exhibiting a Giant Dielectric Constant.” Chemistry of Materials, vol. 18, no. 14, 2006, pp. 3257–60, https://doi.org/10.1021/cm060323f. 이 논문은 CaCu3Ti4O12(CCTO)의 특별한 전기적 특성, 특히 높은 유전율의 원인을 평면결함에서 찾는다. CCTO의 대량은 높은 전도도를 보이지만, 평면 결함 영역에서는 그렇지 않았고 평면결함이 CCTO의 유전률을 증가시키는 요인으로 판단하였다. 평면결함은 주로 (100), (010), (001) 평면에 평행한 쌍둥이화로 인해 발생하고, 평면결함에서 전자는 주로 TiO5 사각 피라미드와 CuO4 사각 평면에서 이동한다. 이러한 구조로 인해 평면결함이 대량보다 더 전도성 있게 만드는 특징을 갖게 된다. 높은 온도에서 평면 결함의 Ti3+ 위치에 갇힌 전자들이 대량의 전도 대역으로 승격되어, CCTO의 전도도가 증가할 수 있는 성질이 있다. CaCu3Ge4O12는 CCTO와 구조적으로 유사하지만, CaCu3Ge4O12에서는 CCTO와 같은 평면 결함이 발생하지 않아 유전율이 낮게 측정된다.