1. 격자결함의 개요
결정격자결함에는 기하학적 형상으로부터 점결함, 선결함, 계면결함, 체적결함이 있습니다.
점결함은 결정의 국부적인 결함으로 결정격자 중에는 점상의 결함이 존재합니다. 종류에는 원자공공(공격자점), 복공공, 격자간원자, 치환형 불순물 원자, 침입형 불순물원자 등이 있습니다. 선결함은 선에 따라서 결정 내에 존재하는 결함으로 이 선은 직선만을 나타내지 않고 곡선을 이룰 수도 있습니다. 또 그 자체가 접속되어 고리를 형성할 수도 있고 선결함에는 전위가 있고 이것은 금속결정의 소성변형과 강도에 밀접한 관계가 있습니다. 계면결함은 어떤 결정의 한 규칙 영역과 다른 규칙 영역 사이의 경계역할을 하는 2차원적인 결함으로 결정입계와 적층결함 등이 있습니다. 마지막으로 체적결함은 고체의 형태 또는 구조의 불균일성을 나타내는 거시적인 결함으로 기공(기포) 및 수축공(수축관) 등이 있습니다.
비정질 고체는 구조 내에 결함을 가지고 있는데 장범위 규칙이 존재하지 않으므로 점결함, 면결함, 체적결함만이 존재하게 됩니다. 선결함은 결정구조를 갖는 구조 내에서만 존재합니다.
(1) 점결함(point defect)
점결함은 결정격자를 구성하고 있는 최소 단위 즉, 원자의 크기 정도의 결함입니다. 점결함은 격자결함 중에서 가장 작은 결함으로 다른 격자결함과 상호관계 및 작용에 있어서 중요한 역할을 합니다. 점결함을 좀더 자세히 나누어 살펴보겠습니다.
- 원자공공(공격자점, vacancy, schottky defect)
결정의 격자점에 원자가 들어 있지 않는 것을 원자공공이라 합니다. 한 개의 원자가 비어 있는 것으로서 대단히 작은 결함을 나타내며 원자의 확산, 열처리, 변형, 석출, 변태 등 금속의 여러 현상에 깊은 관계가 있는 중요한 결합입니다. 두 개의 공공이 쌍으로 이루어진 결함을 쇼트키 결함(Schottky defect)이라 한다.
- 격자간원자(interstial atom, interstialcy)
원자공공의 반대로 결정격자의 격자점 사이에 여분의 원자가 끼어 들어간 상태의 결함을 격자간원자라 합니다. 금속원자보다 대단히 작은 O, N, C, B, H 등에 제한됩니다. 격자간 원자로 인하여 격자는 변형을 일으키게 됩니다.
- 프렌켈결함
결정격자 중 한 개의 원자가 격자 사이로 이동하면 그 격자 내에는 격자간 원자와 원자공공이 한 쌍으로 된 결함이 생기는데 이와 같은 결함을 프렌겔결함이라 합니다.
- 불순물 원자
치환형 불순물 원자는 이종(異種)의 원자 크기가 모체의 결정격자 원자의 크기와 비슷할 때를 말합니다. 이종(異種)의 원자 크기가 모체의 결정격자 원자의 크기보다 작을 경우에는 침입형으로 들어가게 되고 금속 중에 이종원자가 불순물로 들어가는 경우가 많습니다.
- 크라우디온(crowdion)
2개 또는 2개 이상의 원자공공이 집합된 것이나 원자공공과 불순물원자와 조합을 이루는 복합된 점결함의 존재가 알칼리 금속에서 볼 수 있습니다. 알칼리 금속에서 가장 조밀한 방향에 한 개 여분의 원자가 들어 있는 것을 말합니다.
(2) 점결함에 의한 격자변형
원자공공, 격자간 원자, 불순물 원자가 존재하게 되면 결정격자가 일그러지게 되는것을 볼 수 있습니다. 원자공공이 생기면 격자점으로부터 척력이 없기 때문에 주위의 원자는 공공이 있는 방향으로 일그러지게 됩니다. 격자간 원자가 존재한 경우에는 반대 방향으로 일그러지게되고 불순물 원자의 경우는 치환된 이종원자의 크기에 따라서 방향이 다르게 격자가 일그러지게 됩니다.
원자간 결합력과 척력이 대단히 다를 때는 주위의 모결정격자를 일그러지게 합니다. 모결정과 비슷한 크기의 이종원자에서 격자변형은 거의 생기지 않는다고 볼 수 있습니다. 결정격자에 변형이 생기면 전도전자가 산란되어서 그 이동이 저해되거나 원자면에 따른 슬립이 일어나기 어렵게 되기도 하는데 이 때문에 전기저항이 증가하거나 강도가 증가합니다.