계면 결함, 체적 결함, 원자 진동

계면 결함은 2차원이며 일반적으로 다른 결정 구조 또는 다른 결정 방향을 가진 재료의 두 영역을 분리하는 경계면이다. 이러한 계면 결함에는 외부 표면, 결정립계, 상계면, 쌍정립계, 적층 결함 등이 있다. 가장 확실하게 볼 수 있는 계면은 결정 구조의 연속성이 종료되는 외부 표면이다. 표면 원자들은 인접 원자와 가능한 최대수로 결합하여 있지 않기 때문에 내부에 존재하는 원자보다 높은 에너지 상태로 존재한다. 이러한 표면 원자의 불완전한 결합 상태는 표면 에너지를 유발하는데, 이것은 단위면적 당 에너지로 표현된다. 재료는 이러한 표면 에너지를 최소화하기 위해, 가능하다면 표면적을 최소화하려고 한다. 예를 들면, 액체는 최소 면적을 갖는 모형을 한다. 즉, 물방울은 구형이 된다. 물론 고체 상태일 때는 기계적으로 단단하므로 불가능하다.

또 다른 계면 결함인 결정립계는 다결정 재료 내에서 2개의 작은 결정립 사이에 존재하는 경계면을 의미한다. 결정립계는 수 개의 원자 거리 폭을 가지며, 한 결정립의 결정 방향에서 이웃하는 결정립의 결정 방향으로 넘어갈 때 상당한 원자 불일치가 존재한다. 인접한 결정립 사이에 존재하는 결정 방향의 불일치 각도는 다양하다. 이러한 방향의 불일치가 작을 때 이러한 결정립계를 소각 결정립계라고 한다. 이러한 결정 입계의 구조는 전위의 배열에 의해 설명될 수 있다. 칼날 전위들이 정렬되어 있을 때 일종의 소각 결정립계가 형성된다. 이것을 경각 입계라고 한다. 방위 불일치의 각도가 입계와 평행할 때 비틀림 결정립계가 생기는데 이는 나선 전위들의 배열로 생각할 수 있다. 결정립계에 위치한 원자들은 불규칙적으로 배열된다. 따라서 앞에서 언급한 표면 에너지와 유사한 계면 혹은 결정립계 에너지가 있다. 이 에너지의 크기는 방위 불일치 각의 함수이며, 고각 입계의 경우에는 에너지가 크다. 이러한 계면 에너지 때문에 결정립계는 화학적으로 결정 그 자체보다 반응성이 크다. 이런 높은 에너지 상태 때문에 불순물 원자가 주로 이런 입계를 따라 편석된다. 조대한 결정립을 갖는 재료는 미세한 결정립을 갖는 재료보다 총 입계 면적이 작으므로 총 계면 에너지가 작다. 높은 온도에서는 이러한 총 계면 에너지를 낮추기 위해 결정립이 성장한다.

결정립계를 따라서 원자의 결합은 불완전하고, 원자의 배열이 불규칙함에도 불구하고 다결정 재료의 강도는 떨어지지 않는다. 이는 입계 내부와 입계 사이에 강한 결합력이 아직도 존재하기 때문이다. 다결정 시편의 밀도는 동일 재료의 단결정 재료의 밀도와 실질적으로 같은 값을 보인다.

상계면은 다상의 재료에서 존재한다. 상계면은 다른 두 상이 접하는 경계면으로, 두 상은 서로 다른 물리적, 화학적 특성을 갖는다. 상계면은 다상을 갖는 금속 합금의 기계성 성질을 결정하는 중요한 역할을 한다.

쌍정립계는 두 격자가 정확한 대칭을 이루고 있는 결정립 사이의 계면으로 결정립계의 특별한 유형이다. 입계 한쪽 면의 원자는 반대편 원자와 거울면과 같은 대칭적인 위치에 존재한다. 이들 입계 사이의 재료 영역을 쌍정이라 한다. 쌍정은 기계적인 전단 응력에 의해 발생하는 원자 이동에 의해 만들어지며, 또한 소성변형 후의 어닐링 열처리에 의해서도 만들어진다. 쌍정은 특정한 결정학적 면과 방향에서 발생하며, 이러한 면과 방향은 결정 구조에 따라 다르다. 어닐링 쌍정은 특히 FCC 결정구조를 갖는 재료에서 흔히 발견되는 반면에, 기계적 쌍정은 BCC와 HCP 금속에서 관찰된다. 소성변형에서의 기계적 쌍정의 역할은 추후에 설명하겠다. 쌍정은 그들이 존재하는 결정립 영역에 비해 직선적이고 평행한 영역으로 관찰되며, 다른 시각적 명암을 가지고 있다.

이외의 계면 결함에는 적층 결함, 강자성 도메인 벽 등이 있다. 적층 결함은 FCC 금속에서 조밀면의 ABCABCABC... 와 같은 연속적인 적층의 순서에 어떠한 결함이 있을 때 발견된다. 강자성과 페리 자성의 경우에, 자화 방향의 서로 다른 영역을 분리하는 계면을 도메인 벽이라고 한다. 다양한 계면 결함의 계면 에너지의 크기는 계면의 종류에 따라 다르고, 재료에 따라서도 다르다. 일반적으로, 계면 에너지는 외부 표면의 경우가 가장 크고, 도메인 벽의 경우가 가장 작다.

지금까지 기술한 결함보다 훨씬 큰 또 다른 종류의 결함이 모든 고체 재료에 존재한다. 이러한 결함에는 기포, 균열, 외부 함유물과 다른 상 등이 있다. 일반적으로 이러한 결함은 제조나 가공 과정 중에 형성된다. 이들 결함과 그 결함이 재료에 미치는 영향 등에 대해 더 이야기해보자.

고체 재료 내 모든 원자들은 결정 내의 격자 위치 주변에서 매우 빠르게 진동한다. 어떤 점에서는 원자 진동도 불완전 또는 결함으로 생각할 수 있다. 어느 순간에 모든 원자가 동일한 주파수와 진폭으로, 혹은 동일한 에너지를 가지고 진동하는 것은 아니다. 주어진 온도에서 구성 원자들의 에너지는 평균 에너지를 중심으로 분포를 갖게 되며, 시간에 따라서도 각 원자의 진동 에너지는 평균 에너지를 중심으로 분포를 갖게 되며, 시간에 따라서도 각 원자의 진동 에너지는 불규칙하게 변할 것이다. 온도가 증가함에 따라, 원자 진동의 평균 에너지는 증가하며, 실질적으로 고체의 온도는 원자와 분자의 진동도를 나타내는 수치이다. 고체의 많은 성질과 거동은 이러한 원자 진동의 결과다. 예를 들면, 용융은 진동이 활발하여 원자 결합을 깰 때 일어난다.

때때로 우리는 재료의 성질에 영향을 주는 결정 구조와 결함을 관찰할 필요가 있다. 어떤 구조 요소는 거시적이어서, 육안으로 관찰할 수 있을 정도로 충분히 큰 경우가 있다. 예를 들면, 다결정 시편의 결정립 형태와 평균 크기 또는 지름 등은 중요한 구조 요소이다. 거시적인 결정립은 주로 알루미늄으로 만든 조명 기둥이나 고속도로 가드레일 등에서 명확히 육안으로 관찰할 수 있다.