포스테키안

2020 가을호 / 지식더하기 ②

2020-10-20 40

결정 결함 

Crystal Defect 

 

우리는 구매한 제품에 결함이 있으면 그 결함을 고치거나 새 제품을 받아오곤 합니다. 제품상의 결함은 기본적으로 ‘있어서는 안 될 것’, ‘고쳐야 할 것’으로 생각되기 때문이죠. 그런데 이 ‘결함’이라는 것이 언제나 이렇게 부정적인 의미를 갖는 것은 아니라는 사실, 알고 있었나요? 고체를 이루는 결정에 존재하는 결함은 재료의 특성을 좌우하기에, 원하는 특성을 얻고자 결정에 결함을 의도적으로 생성하기도 한답니다! 그렇다면 이러한 결정 결함에 대해 조금 더 자세히 알아볼까요? 

일반적으로 모든 결정은 단위세포라고 하는 작은 반복 단위들로 구성되며 잘 정렬되어 있습니다. 그런데 실제 결정이 눈으로 보기에는 대칭성을 나타낼지 몰라도 실제로는 완벽하지 않습니다. 완벽한 결정이란 절대온도 0K에서만 가능한 이론적인 개념으로, 실제 결정은 불순물이 포함되어 있거나 완벽한 주기적 정렬을 하지 않을 가능성이 큽니다. 이렇게 결정성 질서를 무너뜨리는 결정상의 결함을 통틀어 ‘결정 결함’이라고 부릅니다. 만약 결함이 너무 많이 존재해서 결정성 질서가 무너진다면 그 물질은 비결정성 고체가 됩니다. 

결정 결함은 0차원, 1차원, 2차원, 3차원 결정 결함으로 나뉘며 각각의 종류에는 여러 가지가 있습니다. 먼저 0차원 결정 결함인 점 결함 Point Defect 중 금속 결정에서 나타나는 것으로는 공공 Vacancy과 자기 침입형 Self-interstitial이 있습니다. 

공공은 격자 자리에 원자가 없는 것으로, 결정이 성장하는 동안 국부적인 교란 또는 원자 이동으로 인해 기존 결정의 원자가 재배열되면서 형성됩니다. 틈새라고도 불리는 자기 침입형 점 결함은 원자가 정상적인 위치가 아닌 다른 자리에 삽입된 결함을 지칭합니다. 이온 결정의 경우에는 전기적 중성이 유지되어야 한다는 점을 바탕으로 Schottky 결함 Schottky Defect과 Frenkel 결함 Frenkel Defect이 나타납니다. 

Schottky 결함은 이온 결정이 양이온과 음이온을 짝으로 잃어버려서 2개의 공공이 형성되는 것입니다. 이때 잃어버린 양이온과 음이온의 수는 항상 같아, 전기적 중성 상태가 유지됩니다. 이온이 원래 격자 자리에서 벗어나 격자점 사이의 위치로 이동하여, 격자 빈자리와 틈새형 이온이 생기는 결함을 Frenkel 결함이라고 합니다. 이뿐 아니라 치환형 Substitutional과 침입형 Interstitial 불순물 원자들도 점 결함에 포함되며, 금속 또는 공유 결합의 결정에 나타날 수 있답니다. 

1차원 결함은 선 결함 Line Defect 혹은 전위 Dislocation라고 부르며, 격자 뒤틀림이 어떤 선 주변에 집중되게 하는 결함을 의미합니다. 종류로는 칼날형 Edge Type, 나선형 Screw Type, 이 둘이 조합된 혼합 전위 Mixed Location가 있습니다. 2차원 결함인 면 결함 Planar Defect으로는 외부 표면, 결정립계, 쌍정, 저각(소각)경계, 고각경계, 비틀림, 적층 결함 등이 있답니다. 3차원 공간에서도 체적 결함 Volume Defect이라는 결정 결함이 존재한답니다. 결정 결함의 종류가 정말 다양하죠? 

이러한 결함들은 결정의 형태를 바꾸어, 결국 기계적 강도, 부식성, 전기 전도도, 합금에서의 원자의 이동도 등 재료의 특성에까지 영향을 미칩니다. 반대로 생각하여 재료의 물성을 개선해 목표하는 역할을 하도록 하고 싶다면, 재료의 결정에 결함을 조작하면 된다는 것이죠. 한 예로, 포스텍 신소재공학과에서는 전기화학 스위칭 소자에서의 수소 이동 속도를 증가시키기 위해 기판과 스위칭 소재에 면 결함을 인위적으로 형성했습니다. 이렇듯 일상생활에서는 부정적인 의미가 강한 ‘결함’이라는 것이 재료 연구에서는 유용하게 쓰일 수 있다는 점, 정말 신기하지 않나요? 

자료출처 https://blog.naver.com/youngdisplay/221247752823 

 

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