금속에 불순물이 조금 들어가도 성질이 크게 달라지나요?

Question

순수한 금속에 아주 적은 양의 다른 원소를 첨가해 합금을 만든다고 알고 있습니다. 첨가량이 많지 않은데도 강도나 내식성, 열적 특성이 크게 변할 수 있는 이유가 궁금합니다. 원자 수준에서 불순물이 재료의 성질을 바꾸는 원리도 알고 싶습니다

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

적은 양으로 성질이 확 바뀌는 게 금속의 특징이에요. 탄소를 1%도 안 되게 섞은 강철이 순철보다 몇 배 강해지는 게 대표적이죠. 비결은 금속의 성질이 원자 배열의 완벽함이 아니라 결함이 움직이는 방식에 달려 있다는 데 있어요.

금속이 변형된다는 건 결정 속 원자층이 미끄러지는 건데, 실제로는 층 전체가 한 번에 밀리는 게 아니라 전위라는 어긋난 자리가 이동하면서 변형이 진행돼요. 카펫을 통째로 끄는 대신 주름을 만들어 밀면 쉽게 옮겨지는 것과 같은 방식이에요. 그런데 크기가 다른 불순물 원자가 격자에 끼어들면 그 주변이 뒤틀리면서 전위가 지나가는 길목에 과속방지턱이 생겨요. 불순물 원자 하나하나가 걸림돌이 되니, 극소량이라도 원자 개수로는 어마어마해서 재료 전체의 강도가 뛰는 거예요.

내식성이나 열적 특성도 원리는 비슷해요. 스테인리스는 크롬이 표면에서 산소와 먼저 반응해 보호막을 만들어주는 경우고, 전기와 열은 자유전자가 나르는데 불순물이 전자의 진로를 산란시켜 구리에 불순물이 조금만 섞여도 전도율이 눈에 띄게 떨어져요. 순도 99.99% 구리를 전선에 쓰는 이유죠.

원자 하나의 영향이 아니라 수조 개 불순물 원자가 만드는 걸림돌 효과라고 보시면, 소량 첨가로 성질이 바뀌는 게 자연스럽게 이해될 거예요 :)

Answer 2

금속에 들어가는 불순물은 양이 적더라도 원자 배열과 결합을 바꾸기 때문에 재료의 성질에는 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

다른 원자가 금속 결정에 들어간다면 주변 원자의 배열을 뒤틀어 전위의 이동을 방해하고, 이 때문에 금속이 변형되기 어려워지기 때문에 강도가 올라가는 특성을 보일 수 있습니다.

또 첨가 원소가 특정 원자와 결합해서새로운 석출물이나 상을 만들면 강도와 경도 등이 크게 달라질 수 있습니다.

내식성도 마찬가지로 크롬처럼 표면에 치밀한 산화막을 만드는 원소가 소량 들어간다면 부식에 대한 저항성이 크게 향상될 수 있고, 열전도율이나 전기전도율 또한 달라질 수 있습니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

금속은 아주 적은양의 불순물이나 첨가 원소만으로도 성질이 크게 달라질 수 있습니다 다른 원자가 금속 결정 사이에 들어가면 원자 배열의 규칙정이 깨지고 격자가 변형되어 전위의 이동이 방해되므로 강도와 경도가 높아질 수 있습니다 또한 첨가 원소는 표면에 보호막을 만들거나 부식 반응을 억제해 내식성을 높이며 전자와 열이 이동에도 전자와 열의 이동에도 영향를 주어 전기 열전도 특성까지 변화시킵니다 즉 미량의 원소라도 원자 수준에서는 결정 구조와 내부 결함의 움직임에 큰 영향을 주기 때문에 재료 전체의 성질이 크게 달라질 수 있습니다