금속의 결정결함 인 전위의 발생 원인
1. 단결정（單結晶）의 경우
누구나 어렸을 적에 나무토막을 높게쌓으면서 논 경험이 있을 것 입니다. 나무토막위에 다른나무토막을 똑바로 없어 놓고가능한 한높게 쌓으려고 하였으나, 나무토막들이 조금씩 삐뚤어져서 마침내 무너져버리고 말기도 합니다.
액체 금속이 웅고하여 고체 금속이 될 때에도 나무토막을 쌓아 올라갈때처럼 수많은 원자들이 쌓여서 결정으로 성장하게 됩니다. 그러나 일직선으로 똑바로 쌓아지지 않고 극히 작은 각도(1도 이내)로 삐뚤어지면서 성장하게 됩니다. 하나의 핵（核）에서 성장한 결정， 즉 단결정（單結晶）에서도 이런 현상이 일어나게 됩니다.
결정이 성장할 때 두 결정이 극히 작은 각도로 어긋나면서 만나면 잉여 반면이 생기고 그 끝에 칼날 전위가 생깁니다. 이하나하나의조각을 블록(block)이라고 합니다.
하나의 단결정 속에는 이와 같은 블록이 대단히 많으며, 이 수많은 블록들이 모여 있습니다. 이런 조직을 모자이크(mosaic) 조직이라고 합니다. 이와 같은 모자이크 조직 속의 블록과 블록 사이에는 전위가 생기므로, 하나의 단결정 속에는 무수히 많은 전위가 존재합니다.
2. 다결정（多結晶）의 경우
전위가 단결정의 블록과 블록이 만나는 경계면에 생긴 것처럼，다결정（多結晶）에서도 결정립과 결정립이 만나는 경계면에서 전위가 생기게 됩니다. 단결정의 경우에는 블록과 블록의 방향이 약간 차이가날뿐이었지만(각도가 1도 이하), 다결정의 경우에는 결정립과 결정립의 방향에 큰 차이가 있는 점이 다릅니다.
액체 상태의 금속(즉 용융 금속)에서 서로 다른 방향으로 응고하던 결정 중에서, 두 결정립들이 만나는 경우를 생각해 보겠습니다. 결정들이 더욱 성장하여 서로 만나면 결정의 방향이 크게 다르기 때문에 경계면에서 결정들이 완전히 일치하지 않고 불완전하게 합쳐지게 됩니다. 결정립 사이에 잉여 반면이 존재하면서 그 끝에 칼날 전위들이 생기게 됩니다. 이와 같이 다결정인 금속 속에도 매우 많은 전위가 존재한다는 사실을 알 수 있을 것 입니다.
대부분의 금속은 수많은 결정립들이 모여서 이루어진 다결정체 입니다. 지금까지 설명한 것처럼 하나의 결정립 속에도 무수히 많은 전위들이 존재할뿐만 아니라결정립과 결정립 사이에도 수없이 많은 전위가 존재하였습니다. 금속 속에는 전위가 없는 곳이 없을정도입니다. 그러므로 1 c㎡의 금속 속에는 적어도 수천만 개의 전위가 존재하며, 그 속에 있는 전위선의 길이를 모두 더하면 서울에서 대구까지의 거리라고 할 정도입니다.
금속 속에는 이렇게 많은 전위와 긴 전위선이 존재하기 때문에, 이 전위와 전위선의 영향이 매우 큽니다. 그러므로 완전 결정체로서의 금속을 생각하지 말고, 결함 투성이의 금속을 생각해야 하며, 결함의 영향을 모르고는 금속을 이야기할 수 없겠습니다.
3. 전위의 모양
금속을 전자 현미경으로 보면 전위는 실제로 어떻게 생겼을까?
1. 전위선이 결정의 표면까지 연결되어 전위선의 끝부분이 표면에 나타나는 경우.
이 경우는 결정 내부의 잉여반면 즉 전위선이 결정의 표면까지 연결되어 전위선이 표면에 나타나는 경우입니다.
2. 전위선이 결정 속에서 둥근 고리(loop) 모양으로 존재하여 전위선이 끊어지지 않는 경우
잉여 반면이 둥그렇게 생겨서 그주위에 있는 전위선이 둥근 고리처럼 생긴 경우입니다. 그리고 이와 반대로 잉여 반면이 둥근 고리의 주위에 생긴 경우로서, 마치 잉여 반면 속에 원자들이 둥그렇게 제거된 것같이 보이는 경우입니다. 이 경우에도 전위선이 둥근 고리처럼 됩니다.
이와 같이 둥근 모양의 전위선을 전위환（轉位環，dislocation loop)이라고 합니다.
4. 전위의 주위에 생긴 웅력（應力， stress）
사람들이 생활하는 도중에 받는 스트레스, 그리고 계속 몸에 쌓이는 스트레스가 우리 몸에 매우 큰 영향을 미친다는 것은 누구나 다 아는 사실 입니다. 스트레스는 주로 사람에게만 있고 무생물인 금속에는 없을 것으로 생각하기쉽습니다. 설령 금속에 있다고 하여도 사람의 경우만큼 나쁘지는 않을 것으로생각하기 쉽습니다.
하지만 금속에도 스트레스가 사람에게만큼이나 안 좋은 영향을 끼친다고 한다면 믿어지십니까? 금속도 스트레스를 받으면 변하면서 뒤틀어지고, 심하면 금(균열)이생기면서 스트레스(stress)가 너무 많이 쌓이면 제품의 모양이 깨지기도 합니다.
금속에서 스트레스는 어떤 형태로 어디에 있을까요?
스트레스(응력)는 전위(dislocation) 주위에 있습니다.
금속에서 스트레스는 잉여 반면 때문에 생긴 것으로서, 잉여 반면이 있는 부분과 없는 부분을 나누어 설명해 보도록 하겠습니다.
잉여 반면이 있는 부분은 없는 부분보다 원자의 줄이 과잉으로 하나 더 있습니다. 그러므로 잉여 반면이 있는 부분의 원자들은 자리가 좁아서같이 원자들이 꼭 끼어 있으므로 원자들이 압축（壓縮）되게 됩니다. 즉 원자들이 압축되는 스트레스(웅력)를 받게되는 것입니다.
반대로 잉여 반면이 없는 부분은 원자의 줄이 하나 더 부족하므로, 원자의줄을 맞추려면 같이 원자들이 넓게 벌린 상태, 다시 말하면 원자들을 잡아당긴 상태로 있어야 합니다. 즉 원자들이 인장（引張）되는 스트레스（웅력)를 받게 됩니다.
이와 같이 전위가 생긴 곳은 잉여 반면 때문에 압축웅력(스트레스)과 인장 웅력(스트레스)이 동시에 존재하게 됩니다. 이것이 금속에 존재하는 스트레스(웅력)입니다. 그러므로 전위가 있는 곳은 스트레스가 있고, 전위가 많을수록 스트레스가스트레스가 많아집니다. 반대로 스트레스를 제거하려면 전위를 제거하여야 합니다.