Chapter 1 재료과학과 재료공학 소개
Chapter 1 재료과학과 재료공학 소개
• 재료과학과 재료공학 ∙ 재료과학(Materials Science)
재료의 구조와 물성 사이의 상관관계를 연구, 따라서 기능적으로 재료과학의 역할은 새로운 재료를 합성/개발 ∙ 재료공학(Materials Engineering)
재료의 구조와 물성의 상관관계를 토대로 원하는 물성 조합을 이룰 수 있도록 재료 구조를 설계하고 조작, 기능적으로 재료공학은 기존 재료를 활용하여 새로운 제품이나 System을 만들거나 재료 처리 기술을 개발
• 구조(Structure)
∙ 미시적(Microscopic) 구조 vs. 거시적(Macroscopic) 구조
원자 수준의 구조 (줄여서 ‘원자 구조, Atomic Structure’)와 육안으로 감지되는 규모의 구조
• 물성(Properties)
∙ 협의로는 강도(Strength), 탄성(Elasticity), 경도(Hardness) 등의 기계적 성질(Mechanical Properties)을 지칭하는 ‘물리적 성질(Physical Properties)’을 의미
넓은 의미로 재료가 가지는 기계적, 전기적(Electrical), 열적(Thermal), 자기적(Magnetic), 광학적(Optical), 열화적(Deteriorative, Aging) 성질 등 6가지 특성을 모두 지칭 cf. 화학적 성질(Chemical Properties)
재료의 열화(퇴화, Deterioration)를 의미하는 열화적 성질은 재료의 화학적 반응성과 밀접한 관련이 있으므로, 일반적으로 화학적 성질 또한 넓은 의미의 물성에 포함된다
• 공정(Processing)과 성능(Performance, 혹은 기능, Function) ∙ 공정이란 재료를 가공하는 공학적인 방법
∙ 같은 재료라 하더라도 공정 방법에 따라 재료의 구조가 달라진다, 또한 재료의 성능은 물성과 밀접한 관련이 있다 예) 공정, 구조, 물성, 성능 간의 관계 예시 (☞ 그림 1.2)
∙ 공정은 장비와 따로 떼어 생각할 수 없으며 늘 동시에 묶어서 생각해야 한다
∙ 따라서, 새로운 공정을 개발할 때에는 반드시 장비의 공정 능력을 같이 검토해야 함을 절대 잊지 말자!
다시 말해서 새로운 공정을 개발한다는 것은 공정 개발에 필요한 비용뿐 아니라 새로운 장비를 개발하는데 드는 비용까지 감수해야만 한다는 것을 뜻함
• 재료공학을 공부하는 이유 ☞Read p5 of TB
Chapter 1 재료과학과 재료공학 소개 (con’d)
• 재료의 분류
고체(Solid) 재료는 크게 금속(Metals), 요업 재료(Ceramic Materials), 고분자(Polymer)로 분류 1) 금속
∙ 원자 배열(원자 구조)이 다른 재료에 비해 상대적으로 매우 규칙적이며 조밀 (High Density) ∙ 높은 강도(Strength)와 강성(Rigidity, Plasticity vs. Elasticity)을 가지므로 구조용 소재로 적합
∙ 미시적으로는 많은 수의 자유 전자(Free Electrons in Conduction Band)를 가지므로 금속 재료의 여러가지 성질은 자유 전자의 존재에 기인한다
∙ 전기적, 열적으로 좋은 전도체, 후막의 경우 광학적으로 불투명 (cf. 박막의 경우 회절 특성을 나타냄), 표면 광택, 우수한 자기적 성질을 가진 금속 재료가 존재
2) 요업 재료
∙ 금속과 비금속 원소로 된 화합물, 대부분 산화물(Oxide), 질화물(Nitride), 탄화물(Carbonized) 형태로 존재
∙ 높은 강성과 강도, 경도 (☞그림 1.4, 5), 금속이나 고분자 재료에 비해 안정된 고온 특성, 내열성(耐火材, Refractory Materials) ∙ 충격에 매우 취약(Brittleness)하여 쉽게 파괴된다 (☞그림 1.6)
∙ 열, 전기의 부도체 (☞그림 1.7 ), 광학적으로는 투명/반투명/불투명, 자기 특성을 가지는 재료도 존재 (Fe3O4)
3) 고분자
. 탄소, 수소와 비금속 원소(O, N, Si, etc.)를 기본으로 하는 유기 화합물(Organic Compound), 대단히 큰 분자 규모 (사슬 형태, Chain 구조)
∙ 저밀도 (☞그림1.3), 금속이나 요업 재료에 비해 상대적으로 낮은 강도와 강성, 그러나 단위 질량 당 강성과 강도는 우수 (그대로 펼쳐 놓으면 밀도가 낮아서 강성과 강도를 따지는 것 이 의미가 없지만, 가공성이 비교적 용이하므로 이를 이용하여 뭉쳐 놓으면 기계적 성질이 향상됨을 뜻함)
∙ 화학적으로 안정하며, 불활성(不活性, Inert)이나 저온에서도 연화(Softening), 분해 (재료의 결합이 파괴됨을 의미, Breakage of Bonds) ∙ 낮은 전기 전도도(☞그림 1.7), 자성을 가지지 않는다
. 고무(Gum), Plastic, Nylon, PC(Polycarbonate), PE(Polyethylene), PS(Polystylene), PVC(Polyvinylchloride), etc. ☞ Appendix D in p923-926
Chapter 1 재료과학과 재료공학 소개 (con’d)
* 복합 재료(Composite)
∙ 금속, 요업 재료, 고분자 중 둘 이상의 재료들로 이루어진 재료
∙ 한가지 재료만으로 원하는 여러가지 물성을 얻어낼 수 없는 경우, 각 재료의 장점을 취해 원하는 성질이 조합된 재료를 설계 예) Fiberglass, CFRP (☞Read ‘복합재료’, p11)
* 첨단 재료 (Advanced Materials)
∙ 첨단 재료의 의미는 워낙 광범위하며, 또한 ‘첨단’이라는 용어 자체가 시간 개념을 포함하고 있어 어느 시점을 기준으로 할지 다소 애매한 면이 있음 ∙ 일반적으로 복잡하고도 정교한 원리로 기능, 작동하는 소자나 제품의 소재로 쓰이는 재료 (☞Read 1.5, p11-16)
∙ 반도체, 생체 재료, 지능 재료(Smart Materials), Nano-Materials Reading Assignment: p12
• 참고: 국제 단위계(SI)가 규정한 큰 수와 작은 수를 나타내는 접두어
(Prefixes Indicating Big & Small Numbers in Science & Engineering by SI)
∙ 과학/공학적으로 큰 숫자와 적은 숫자를 나타내는 접두어를 우측 표와 같이 3개 지수(103, 10-3) 단위로 접두어를 붙이기로 약속
∙ 미시적으로는 초고집적 회로의 선폭(Line Width)과 같이 점점 그 크기가 작아지는 양을 나타내기 위해 Table 1.5.1와 같이 영문 소문자, 혹은 Greece 문자 접두어를 붙이기로 정하였으며, 거시적으로는 단위 소자에 저장할 수 있는 정보 용량과 같이 점점 대형화하는 숫자들을 나타내기 위해서 Table 1.5.2와 같이 영문 접두어를 붙이기로 약정
∙ 오늘날 (2000년대에 들어 서면서) 관심의 대상이 되는 작은 숫자는 nano(n)이며, 큰 숫자는 giga(G)
☞ 국제 단위계(SI) in p887 & 표 A.3 in p888
Connotation Scale k(kilo) 103 M(mega) 106 G(giga) 109 T(tera) 1012 P(peta) 1015 E(exa) 1018 Z(zetta) 1021 Y(yotta) 1024 Connotation Scale
m(milli) 10-3 m(micro) 10-6 n(nano) 10-9 f(femto) 10-12 p(pico) 10-15 a(atto) 10-18 z(zepto) 10-21 y(yocto) 10-24
Table 1.5.1 Tiny Numbers Table 1.5.2 Huge Numbers
Chapter 2 원자 구조와 원자 간 결합 (Atomic Structures & Interatomic Bonds)
Chapter 2 원자 구조와 원자 간 결합 2.2 기본 개념
• 원자 구성 요소, 질량과 전하량
Table 2.2.1 원자 구성 요소와 질량 및 전하량
∙ 원자의 질량은 아래 식으로 표현된다 (아래 식에서 A, Z, e 등의 양은 “[단위 질량] X [개수]”의 개념으로 이미 원자 내에 존재하는 각 입자의 개수 개념을 가진 것으로 본다)
A ≈ Z + N (엄밀히 표현하면, A = Z + N + e)
전자의 질량이 양성자나 중성자 질량보다 상대적으로 매우 작으므로 위와 같이 근사식으로 써도 좋으며, 일반적으로 전자의 질량은 무시
∙ 동위원소(Isotope): 주어진 원소에서 모든 원자에 대해 양성자 수는 일정, 중성자의 수는 다를 수 있으므로 어떤 원소는 두 가지 이상의 원자량을 가질 수 있다 동위원소를 가진 원소의 원자량(Atomic Weight)은 자연에 존재하는 동위원소들의 원자량의 가중 평균치
∙ 예) 탄소(C) 원자번호는 6, 양성자 수 6개, 전자의 수도 6개임을 의미, 그러나 중성자의 수가 다른 동위원소의 존재로 인해 자연계에 존재하는 탄소 질량의 가중 평균치는 12.011 ∙ 원자량 계산에 쓰이는 원자 질량 단위 amu(Atomic Mass Unit): 1 amu = 원자 질량 12(Correct the Error in p19)인 12C (A=12) 탄소의 동위원소 평균 질량의 1/12로 정의
• 원자량과 화합물의 분자량
∙ 단위 원자(혹은, 분자) 당 amu, 또는 재료 1 mol 당 질량으로 규정
∙ Avogadro의 법칙: 어떤 물질 1 mole에는 6.022 X 1023 (Avogadro’s Number) 개의 원자나 분자가 존재
1 amu/atom (or molecule) = 1g/mol
∙ 예를 들어 철의 원자량은 55.85 amu/atom, 혹은 55.85 g/mol
원자 구성 요소 기호 질량 (kg) 전하량(C, Coulomb)
(Nucleus) 핵
양성자(Proton) Z
1.67 X 10-27 1.60 X 10-19 (양전하, Positively Charged)
중성자(Neutron) N 중성 (Electrically Neutral)
전자(Electron) e 9.11 X 10-31 (~1/1833 of Proton or Neutron) 1.60 X 10-19 (음전하, Negatively Charged) A [(총)원자 질량 A(Atomic Weight )] = [양성자 총질량]+ [중성자 총질량] [(총)전하량] = [양성자 보유 총전하] + [전자 보유 총전하]
Chapter 2 원자 구조와 원자 간 결합 (con’d) 2.3 원자 내 전자
원자 Model
∙ 고전 역학(Classical Mechanics, Newton 역학)으로만 고체 내 전자 움직임을 설명할 수 없는 한계를 극복하기 위해 원자와 그림 2.1 Bohr Model 내부 System을 지배하는 양자역학(Quantum Mechanics), 혹은 파동역학(Wave Mechanics)의 원리와 법칙이 등장(19C 초)
∙ 원자나 결정질 고체 내 전자 거동을 이해하기 위해 양자역학에 대한 이해 필요 ∙ Bohr의 가설(Bohr’s Atomic Model, 이하 BM으로 약함)
- 전자가 정해진 궤도(Orbital)에서 원자 주위를 회전 (그림 2.1) - 전자 Energy (이하 E 으로 약함)는 양자화(Quantization, Quantized)
전자들이 연속적인 E 값을 가지는 것이 아니라 불연속적으로 특정하게 허용되는 특정 값을 가진다
이러한 값들을 State(상태), 혹은 Level (준위)이라고 칭하며, 각 상태는 작은 E의 간격으로 구분(격리)되어 있음 - 전자 E가 변하기 위해서는 한 E 상태에서 다른 E 상태로 도약(Quantum Jump)이나 E의 방출이 필요 (그림2.1)
- 전자의 위치(궤도)와 양자화된 E 준위를 설명하기 위한 최초의 파동역학적 시도이나 완벽한 전자 거동을 설명하는데 한계 ∙ Einstein Equation;
DE = E2 - E1 = hn = hc/l
h: Planck’s Constant(Planck 상수, 6.6325 X 10-34Jsec = 4.13 X 10-15eVsec), n: 방출되는 Energy (DE)를 보유한 Photon의 주파수, c: 빛의 속도, l: Photon의 파장 Photon*에 의해 방출(Emission), 혹은 흡수(Absorption) 되는 Energy와 Photon의 주파수 (Frequency, 혹은 파장 Wavelength, 이하 WL로 약함)와의 관계
*Photon: Energy를 가진 입자 (혹은, 파동으로도 해석)
∙ 위 식은 원자 내의 전자의 Energy 흡수나 방출뿐 아니라 자연계의 Photon과 관련된 모든 Energy의 변화에 대해 일반적으로 성립하는 식임에 유의!
DE = hn DE = hn Shell K L M
n=1 n=2 n=3
그림 2.1 Bohr의 원자 구조
Energy
Radiation WL (n) 기울기 = h E1
E2
E3
Figure 2.3.1 Physical Meaning of Planck’s Constant
Chapter 2 원자 구조와 원자 간 결합 (con’d) 2.3 원자 내 전자 (con’d)
• 원자 구조와 전자 Energy 상태에 관한 Bohr의 원자 Model (☞그림 2.1) ∙ BM에서 유도된 전자의 Energy
E = -2p2me4/n2h2 = -13.6/n2 (eV)
m: 전자의 질량, e: 전자의 전하, n: 주양자수 ( = 1, 2, 3, …)
• 파동역학(Wave-Mechanical Model)과 양자수(Quantum Numbers)
∙ BM의 한계를 극복하기 위해 전자가 파동성(Wave)과 입자성(Photon)을 동시에 보유하고 있다는 설명에 이르게 됨 ∙ 전자는 특정 궤도에서 움직이는 입자로 고려되지 않고, 전자 위치가 핵 주위에서 존재할 확률(Probability)로 규정 . 원자 내 모든 전자는 양자수(Quantum Number)라는 4개 변수(n, l, ml, ms)에 의해 특성화
1) n, 주양자수(Principal Quantum Number, 이하 PQN으로 약함),
BM에서 보는 것처럼 전자의 운동 궤도를 핵 주위에 핵에 가까운 순서로 K, L, M, N, O각(主殼, Shell), …로 부르며 각각 해당되는 주양자수는 정수로서 n = 1, 2, 3, 4, 5, … 가 된다
각 각에는 2n2개만큼 전자가 들어갈 자리(Electron Home)가 존재한다 (☞표2.1)
2) l (= n-1), 부양자수(Subshell Quantum Number, Orbital Angular Momentum Quantum Number)
s(harp), p(rincipal), d(iffuse), f(undamental), g 등으로 표시되는 부각, 주각이 차지할 수 있는 부각의 수는 주양자수 n 값에 달려있다 (☞표2.1) 3) ml (= +l, …, +1, 0, -1, …, -l), Magnetic Quantum Number
s, p, d, f , g 각 부각의 상태 수는 1, 3, 5, 7, 9 4) ms (+1/2 & -1/2), Electron Spin Quantum Number
Electron Spin Moment의 방향을 표시하는 양자수로서 각 Energy State마다 Up(+1/2,↑)과 Down(-1/2, ↓)의 2개의 State 존재
∙ Pauli의 금칙(Exclusion Principle, 이하 PEP로 약함): 하나의 Energy State에는 2개까지만 전자를 수용할 수 있으며, 그 두 개는 반드시 Electron Spin의 방향이 반대이어야 한다 Series
(계열) n (주양자수)
Energy State (eV) Lyman 1 -13.60 Balmer 2 -3.40 Paschen 3 -1.51
Brackett 4 -0.85
Table 2.3.1 Energy of Series Defined by Bohr’s Atomic Model
그림 2.2 (a) Bohr 수소 원자에 대한 처음 세 전자의 E 상태, (b) 파동역학적 수소 원자의 처음 세 각에 대한 E 상태
Principal Quantum Number, n 1 2 3 4 (a) (b)
Relaxation (Emission of Energy, DE) Quantum Jump (Absorption of Energy , DE)
Chapter 2 원자 구조와 원자 간 결합 (con’d)
☞ 그림 2.4 in p23 & Read the Paragraph Below 그림 2.4;
• 전자 배치 (Read p23-24, Correct the Error in p23, as saying “2개 이상” -> “3개 이상” of PEP) ∙ 전자 배치(Electron Configuration) 표 2.2 , 가전자(Valence Electron, 價電子)
(원자)가전자 다른 원자와의 결합에 참여함으로써 원자로부터 분리되거나 다른 전자를 받아 들여 원자가 전기적인 (양 또는 음) 값을 가지게 하는 전자, 이렇게 되면 원자는 더 이상 전기적으로 중성적인 원자로 거동하지 않으며 Ion 상태가 된다)
2.4 주기율표 (Periodic Table)
☞ 그림 2.6 & 7 in p26, 27 & Read the Section 2.4;
• 결합의 종류/양상과 밀접한 관계
• 천이(전이 금속), 전기적 친화력(전기 음성도, Electron Affinity)
2.5 결합력과 결합 Energy
• 인력(Attraction)/척력(Repulsion) = f(Interatomic Distance)
∙ 인력, FA: 주로 원자 간의 결합(Bond)의 종류와 원자 간 거리에 의존 (Represented by Coulombic Force) 척력, FR: 원자 간 거리에 의존, 두 힘의 합을 FN이라 하면 아래와 같이 표현된다
FN = FA + FR
원자 간에 힘이 존재하지 않는 거리 (r0)가 존재, 이를 평형(Equilibrium, 열역학적으로 Energy가 최소) 상태라 함 이는 FA, FR 이 모두 0 인 상태가 아니라 그 합이 0인 상태임에 유의
FA + FR = 0 (FA = FR 이 아니며 FA = -FR 인 것은 FA, FR 의 부호가 서로 반대라는 의미, 즉 그림에서 보는 것처럼 FA 는 양의 값, FR은 음의 값을 가진다)
그림 2.8 (a)고립된 두 원자 간의 거리 변화에 따른 척력, 인력과 총 힘의 변화, (b) 거리 변화에 따른 Energy의 변화
인력이 지배적인 영역 척력이
지배적인 영역
☞ Refer to the Note 3 at Bottom of p30 FA = -k0(Z1e)(Z2e)/r2
where k0 = 1/4pe0 (9 X 109 V∙m/sec)
FR = -bn/rn+1
where b, n are empirical and n varies with the Bond of Atoms
Chapter 2 원자 구조와 원자 간 결합 (con’d) 2.5 결합력과 결합 Energy (con’d)
• 결합의 근원은 모든 원자가 더 안정된 전자 상태(Electronic Configuration)를 가지려 하는 경향에서 비롯된다 (계의 Energy의 최소화) . 자연의 모든 계(系, System)는 Energy가 최소인 상태(열역학적으로 안정 상태)를 유지하려는 경향이 있다
. 우측 Figure 2.5.1 (a) 직육면체로 이루어진 한 장의 벽돌이 평평한 바닥에 놓여져 있는 경우를 생각 맨 왼쪽 상태 같이 짧은 모서리를 바닥에 대고 세울 수 있는데, 이를 손가락으로 밀어 넘어뜨린다고 하면 중간 그림과 같은 상태를 거쳐 궁극적으로는 오른편 그림과 같이 넘어져서 긴 모서리가 바닥에 놓인 상태가 되고 더 이상은 밀더라도 넘어지지 않을 것, 이 때 무게 중심의 위치(높이)의 변화를 주목 아래 그림 (b)에는 무게 중심의 위치(높이)의 변화를 한 축에 나타내었다
. 무게 중심의 변화에 따른 벽돌의 위치 E의 변화를 살펴 보면, 가장 우측의 상태가 위치 E가 최소인 상태 (역학적으로 가장 안정), 따라서 벽돌은 더 이상 넘어지지 않는다
좌측의 상태는 중간 상태보다는 상대적으로 안정된 상태이지만, 더 안정된 상태가 존재하므로 벽돌은 이렇게 더 안정된 상태를 취하려는 경향이 있으며, 외력이 가해지면 위치 E가 최소인 상태로 가게 된다 ∙ 이 과정에서 반드시 Energy Barrier를 넘어서야 하며, 이를 극복하기 위해서는 외부의 자극(외력)이 필요 외부에서 이러한 자극(외력)이 작용하는 경우, 외력에 의해 나타나는 Energy를 활성화 Enegy(Activation Energy)라 부른다
∙ 자연의 모든 계는 이렇듯 한 Energy 상태에서 더 낮은 E 상태를 취하려는 경향을 가지며, 궁극적으로는 가장 E가 낮은(가장 안정된) 상태로 가려는 경향을 가지고 있다
∙ 이렇게 계가 취하는 Energy 상태(크기)에 따라 계의 안정성을 판단하는 것을 열역학(Thermodynamics) 이라고 부른다
. 열역학적 해석으로는 다만 계의 안정성을 판단할 수 있을 뿐 얼마나 빨리 그 상태가 변화하는지는 알 수 없기 때문에 Energy의 변화(반응) 속도를 알기 위한 여러가지 이론과 해석이 필요하게 되는데, 이러한 접근 방법은 (반응) 속도론(속도학, Kinetics)이라고 부른다
Center of Mass (무게 중심)
Figure 2.5.1 벽돌의 위치 변화에 따른 위치 Energy 변화와 안정성
Chapter 2 원자 구조와 원자 간 결합 (con’d) 2.5 결합력과 결합 Energy (con’d)
∙ [Energy] = [Force(힘)] X [Displacement(변위)]이며, 일을 하는 동안 작용한 힘이 일정치 않고 그림 2.8 같이 시간, 위치에 따라 변한다면 수학적으로는 적분식으로 아래와 같이 표현
E = ∫ F dr
이 원자계(System)에서 총 Energy, EN은 아래와 같으며, EA, ER은 각각 인력과 척력에 의해 생성되는 Energy의 표현
EN = ∫
∞
rFN dr = ∫
∞
rFA dr + ∫
∞
rFR dr = EA + ER
∙ 결합 Energy(Bonding Energy)
1) 최소 위치 Energy 는 평형 원자간 거리(Equilibrium Distance, r0)에서 나타나는데, 무한대만큼 떨어져 있는 하나의 원자를 또 다른 원자에 근접시킬 때 나타나는 Energy의 최소값 (평형, Equlibrium: 열역학적으로 최소 Energy 상태, 가정 안정된 상태, 이하 Eqm.으로 약함)
2) 1)의 반대과정을 생각하면 만큼 떨어져 있는 원자를 떼어 내어 무한대의 거리로 격리시킬 때 필요한 Energy
3) 결합 E의 크기, 원자 간 거리에 따른 결합 E의 변화 양상, 평형 거리(r0)는 재료의 고유 특성 (즉, 재료마다 다르다는 뜻), 또한 재료의 여러가지 물성이 E 변화의 양상과 결합 E에 의존 (☞ 그림 17.3 in p788)
• 결합의 종류
∙ 1차 결합 (Primary Bond, 주결합): 화학적 결합(Chemical Bond → “Chemisorption” = Chemical + Aborption)
주결합의 근원은 구성 원소들의 전자 구조에 의존, 이 결합은 불활성 기체(Inert Gas)에서와 같이 최외각 전자가 완전히 채워진 안정된 전자 구조를 얻으려는 경향의 결과 3 종류의 결합: 1) Ion 결합(Ionic Bonding), 2) 공유 결합(Covalent Bonding), 3) 금속 결합(Metallic Bonding)
. 2차 결합 (Secondary Bond, 부결합,): 물리적 결합(Physical Bond →”Physorption” = Physical + Absorption, e.g. Natural Oxide, Carbon on Free Surface of Materials),
다수의 재료에서 발견되는 (원자 간, 또는 분자 간) 2차적 결합, “van der Waals” 결합과 수소 결합(Hydrogen Bond) 등의 물리적 결합
Chapter 2 원자 구조와 원자 간 결합 (con’d) 2.6 1차 원자 간 결합
• Ion 결합(Ionic Bonding, Heteropolar Bonding)
∙ 양전하(주로 주기율표 좌측의 금속 원소)와 음전하(주기율표 우측의 전기음성도가 큰 비금속 원소)를 가진 이종 원소 간 정전기(Electrostatic Force or Coulombic Force)에 의한 결합 ∙ 요업 재료에서 많이 볼 수 있는 결합 형태
∙ 대표적인 예) Sodium Chloride(NaCl = Na+-Cl-), Magnesium Oxide(MgO = Mg+-O-)
원자가 전자(Valence Electron)가 한 원소(금속)로 부터 다른 원소(비금속) 로 이동하면 금속 원소(Na+, Mg+)는 전기적으로 양전하를 띠게 되고 비금속 원소(Cl, O)는 음전하를 띠게 되며, 이 양/음 전하 상이에 형성되는 Coulomb 힘(인력으로서 아래 Coulomb’s Law에 의해 정의)에 의해 결합이 이루어 짐
F = -k0∙(Z1e)∙(Z2e)/r2 = -(1/4pe0 )Z1e ∙Z2e/r2 = (1/4pe0 )Z1Z2e2/r2 (☞그림2.8의 설명)
물리적 의미)
1) Coulombic Force는 두 원자가 가진 전하의 양에 (1차적으로) 비례
2) CF는 두 원자 간 거리가 가까와질수록 커진다(식의 수학적 표현으로는 음의 값을 가지므로 작아지지만 절대값은 커진다)
∙ 멀리(∞) 떨어져 있는 두 원자를 평형 거리(Eqm. Distance, r0)까지 움직이는데 필요한 Energy(결합 E)는 상기 식을 [∞, r0] 구간에서 아래와 같이 적분하면 얻는다
∫
∞ r0
Fdr = ∫
∞ r0
-(1/4pe0 )(Z1Z2e2)/r2 = -(1/4pe0 )Z1Z2e2/r0
∙ 2-, 3- 차원 구조 우측 Fig. 2.6.1과 그림 2.9, 두 원자간에 작용하는 전기적 힘에도 불구하고 우리가 접하는 Macroscopic Scale의 NaCl이나 MgO의 고체(결정)는 전기적, 열적으로 중성(열역학적으로 안정된 상태)을 유지, 이는 Na+, Cl- Ion들이 공간 내에서 규칙적으로 배열 (결정 구조, Crystalline Structure)되어 거시적으로 대칭성을 유지하기 때문
∙ 매우 큰 Energy(600~1,500kJ/mol, 3~8 eV/atom)가 발생하는 결합이므로 이러한 재료들은 매우 높은 융점(Melting Temp.), 단단하고(Hard)하며 취약한(Brittle) 성질
Figure 2.6.1 NaCl의 결정 구조에서 나타나는 Na+, Cl- Ion의 배열 (각 원자가 다른 종류의 원자 6개에 의해 둘러싸여 있는 대칭적 구조)
Chapter 2 원자 구조와 원자 간 결합 (con’d) 2.6 1차 원자 간 결합 (con’d)
• 공유 결합(Covalent Bonding)
∙ 동종(同種), 혹은 이종(異種)의 두 인접 원자 사이에서 전자를 공유함으로써 안정적인 전자 배치를 가지는 결합
∙ 두 원자에서 적어도 하나 이상의 전자가 결합에 참여, 원자 간에 서로 공유하는 전자는 두 원자 모두에 속하는 것으로 간주 예를 들어, 수소 분자의 경우에 각 수소 원자에 있는 1개의 외각 전자를 두 원자가 공유하여 마치 외각에 2개의 전자를 가진 것처럼 두 원자가 결합하여 하나의 분자를 형성, Helium 원자와 같은 안정된 전자 배치를 가진다 (☞ Figure 2.6.2)
H
˙
+ H˙
→ H : H∙ 대표적인 예 동종 원소) H2, Cl2, F2
동종 원소의 단원자 고체) Diamond(C), Silicon(Si), Germanium(Ge)
이종 원소) ☞ Figure 2.6.3 HF(Hydrogen Fluoride), H2O(Water), NH3(Ammonia), CH4(Methane), HNO3, GaAs, InSb, SiC ∙ Ion 결합과 달리 공유 결합은 방향성을 가진다(Ion 결합과 달리 동종 전하의 결합으로 해석 가능)
. 공유 결합 E에 따라 물리적으로 많은 차이를 나타낸다(예; Diamond의 융점 3,350ºC vs. Bismuth의 융점 270ºC) ∙ 대부분 원자의 결합은 부분적으로 Ion 결합과 공유 결합의 복합으로 이루어지며, 순수하게 한 가지 종류의 결합의 특성을 가진 재료는 매우 드물다 (☞ Figure 2.6.4)
∙ Ion 결합률(%), XA, XB: 각각 원소 A와 B의 전기 음성도
[Portion of Ionic Character, %] = {1-exp[-(0.25)(XA – XB)2]} X 100
물리적 의미)
주기율표 상의 두 원소가 좌측 하단에서 우측 상단 (대각선 방향)으로 폭이 커질수록(전기 음성도의 차이↑) Ion 결합성 증대 XA(원소 A의 전기 음성도)↑→(XA – XB)2↑→ exp[---]↓→{---}↑→ Ionic Character↑
Figure 2.6.3 이종 원자 간 공유 결합의 예 Hydrogen Water Ammonia Methane Fluoride
Ionic Bonding
Metallic Bonding
Covalent
Bonding van der Waals Bonding
Figure 2.6.4 Tetrahedron of Bond Types -Most of Materials in Nature Have Mixed Characteristics of Various Bonds Figure 2.6.2 The Electron Charge Distribution (a) for 2 Separate Hydrogen Atoms, (b) For a Hydrogen Molecule
Chapter 2 원자 구조와 원자 간 결합 (con’d) 2.6 1차 원자 간 결합 (con’d)
• 금속 결합(Metallic Bonding)
∙ 단원자 금속, 합금 등에 존재하는 결합, Ion Core + Electron Cloud (자유전자에 의해 형성됨, Free Electrons)
∙ 1~3개의 가전자가 특정 원자에 속하지 않고 원자 간에 자유롭게 유동(Drift), 공유 결합이나 Ion 결합에 관여하는 전자보다 상대적으로 그 운동이 자유롭다 (자유 전자, Free Electron) 자유 전자가 전자의 바다(Sea of Electrons)나 전자운(Electron Cloud)을 형성한 것으로 해석, 이 경우 결합의 양상은 공유 결합의 경우와 유사 (☞ Figure. 2.6.2), 이때 남아 있는 비(非)원자가 전자(Nonvalence Electrons)와 핵을 총칭하여 Ion Core라 부름
∙ Ion Core의 전하량은 가전자의 전하량에 해당되는 만큼 양(Positive)의 값이 될 것, 결합 이후 전체적으로는 전기적 중성 유지, 금속 결합은 방향성이 없다 (결정 구조, ☞ 그림 2.11) ∙ Ion 결합이나 공유 결합과 다른 점은 자유 전자의 존재로 인해 양질의 열적, 전기적 전도체, 또한 상온에서 대부분 금속과 합금은 연성*(延性, Ductility)을 가짐
* 연성: 변형(다양한 형태로 가공)이 가능, 그러나 많은 Energy가 필요 ↔ (반대어) 취성(脆性), 취약, Brittle(ness) = Ion 결합이나 공유 결합을 가진 재료의 특성, 가공성이 낮음
2.7 2차 결합 (van der Waals Bonding, 이하 VDWB로 약함)
• 2차 결합
∙ Physisorption 상태로 아주 작은 결합 Energy (~10kJ/mol, 0.1eV)를 가짐 (원자 간, 혹은 분자 간 결합 중 가장 약한 결합), 1차 결합이 존재할 때는 그 힘(Energy)는 무시할 만큼 작다 . 분자 간 VDWB의 원천은 유도/영구 쌍극자(Dipole)의 존재(☞ 그림 2.12, 14)로 기인, 모든 안정된 원자와 분자 간에 존재
(Ubiquitous), 혹은 전기적으로 극성이 없는 액체나 고체 상태에서 존재
쌍극자에 의한 VDWB에는 1) 유도 쌍극자 간, 2) 유도 쌍극자 – 극성 분자(Polar Molecule, 영구 쌍극자, Permanent Dipole) 간, 3) 극성 분자 간 결합 등이 있으며, 그 결합력은 1), 2), 3)의 순서로 증가
∙ 전기적 대칭인 원자나 분자의 대칭성의 순간적/단기적 왜곡(Distortion), ☞그림 2.13 (a) -> (b), 생성된 쌍극자끼리 Ionic Force(Coulombic Force)에 의해 2차 결합 , ☞ 그림 2.12 따라서 이 결합은 일시적이며 시간에 따라 변화한다 따라서, 우리가 알 수 있는 (측정 가능한) VDWB의 결합력이나 E는 매우 작을 수 밖에 없다 (☞ 표 2.3)
∙ 결합력은 약하나 물성에 영향을 미치며, 전기적 중성 분자의 액화, 응고 등의 상변화(Phase Change or Transformation) 등이 그 예
Time, t Bonding Force,FEnergy,E
(c) (a) (b)
Figure 2.7.1 Conceptual Time-Dependent Variation of Bonding Force or Energy
(a) Primary Bond
(b) Secondary Bond - Actual
(c) Secondary Bond- Average by Time
Chapter 2 원자 구조와 원자 간 결합 (con’d) 2.7 2차 결합 (con’d)
• 수소 결합(Hydrogen Bonding) ∙ VDWB의 특수한 형태로 볼 수 있다
∙ 물(H2O)이 전형적인 예, 그 외 단백질(Protein) 등을 포함한 고분자(Polymer)의 결합에서 중요한 역할
∙ 영구 쌍극자를 형성하는 H-F, H-O, H-N, H-Cl 등 공유 결합을 하는 분자 간의 결합에서 일단 공유 결합에 참여한 수소 원자는 양전하를 띠게 되고, 이 양전하가 다른 쌍극자(분자)와 수소 원자가 위치한 반대 측의 음전하와 서로 인력(Coulombic Force)을 나타내며 결합력(결과적으로 두 음전하 사이에서 연결 고리 역할, Proton Bridge)을 가지게 되는 것이 수소 결합의 원천(☞ 그림 2.14, 15)
. 1차적으로 공유 결합에 의해 수소와 이종 원자 간 영구 쌍극자를 형성하는 분자 중에서 2차로 수소 결합을 하는 분자들은 전기 음성도가 높은 원소를 수소 원자의 짝으로 가진 분자들 즉, H-F, H-O, H-N, H-Cl , --- H-F H-F (☞그림 2.15) F, Cl, O, N 등은 대체로 주기율표의 우측에
위치하여 전기 음성도가 높은 원소 들임에 주목 1차적으로 이종 원자 간 공유 결합 Proton Bridge (Hydrogen Bond)
. 수소 결합의 결합 Energy는 다른 2차 결합에 비해 상대적으로 크기 때문에 수소 결합을 2차 결합으로 가지는 재료는 다른 2차 결합 물질보다 상대적으로 높은 융점, 비등점을 가진다 (☞ 표 2.3)
∙ 수소 결합은 분자의 기하학적 구조로 인해 (전기적으로) 방향성을 가진다
