인간에 대한 예의 (항금리 문학 창간호)

전기전자 분야에서의 재료는 절연체와 도체, 그리고 반도체로 구분됩니다. 반도체는 절연체보다는 높고 도체보다는 낮은 전기 전도도를 가지며, 도핑을 통하여 전도도를 조절할 수 있죠. 그리고, 열이나 빛, 자기장과 같은 외부로부터의 자극에 민감합니다. 주로 세라믹 계열이나 최근 유기물 반도체도 활발히 등장하고 있습니다. 반도체 물질은 원자들간의 공유 결합으로 이루어지며, 최외각 전자는 작은 에너지로도 전도대로 올라가 자유 전자가 될 수 있습니다. 가전자대와 전도대 간에 금지대가 존재하며, 에너지 밴드갭은 약 2eV 이하이죠. 전기전자 소자로는 실리콘 반도체가 주류를 이루고 있으며, 특수한 목적은 전기전자 소자, 혹은 광전 소자용으로는 화합물 반도체가 이용되고 있습니다. 반도체의 역사는 100년이 훌쩍 넘어갑니..

고분자의 구조적 모델 네 종류에서 선형 고분자는 분자들이 단순히 엉클어짐이나 약한 결합으로 연결된 상태입니다. 폴리에틸렌이나 나일론(nylon) 등을 일례로 들 수 있죠. 가지형 고분자는 곁가지들이 있는 분자들의 연결로, 충진 효율(packing efficiency), 밀도는 가지형 고분자에 비해 떨어집니다. 가교형 고분자는 분자 사슬들이 공유 결합을 통하여 옆 사슬들과 서로 연결되어 있습니다. 주고 고무 등에서 많이 발견이 되죠. 망상형 고분자의 경우, 분자와 분자를 공유 결합으로 연결하는 가교가 더 촘촘하게 3차원적으로 형상된 구조입니다. 선형 고분자 모델은 실과 같이 선으로만 이어져 있으며, 전자레인지의 용기, 카펫, 로프 등을 만들 수 있습니다. 고밀도 폴리에틸렌(High-Density PolyE..

원자 결합에 따른 재료들은 금속, 세라믹, 그리고 고분자로 분류할 수 있습니다. 고분자는 우리와 늘 가까이하는 일상 용품들에서 볼 수 있죠. 식탁 위에 놓인 컵이나 쟁반, 물통 등의 용기들도 고분자이고, 우리의 신체도 고분자들로 이루어져 있습니다. 고분자라는 용어 대신에 플라스틱이 더 익숙하죠. 플라스틱은 고분자를 인위적으로 사용하기 위하여 첨가물을 넣은 것입니다. 첨가물들은 고분자로 만들어지는 제품들이 색을 띠거나 강해지거나 혹은 불에 잘 견디도록 용도에 맞는 기능을 부여해 주죠. 고분자는 영어로 'polymer'로 표현하는데 'poly + mer' 즉 'mer'에 해당하는 화학적 단위들이 다수로 반복적으로 연결되는 분자입니다. 이러한 고분자는 자연에서 얻기도 하고(natural) 혹은 인공적으로 만들..

전기 전도도는 온도에 따라 변합니다. 그리고 전도도는 전하 캐리어의 수와 움직이는 속도(이동도)에 비례합니다. 전류를 흐르게 하는 전하 캐리어가 금속에서는 자유 전자 한가지이지만, 세라믹에서는 전자와 하전된 원자, 즉 이온 두가지이죠. 금속에서는 전도도는 전자의 이동도로 결정됩니다. 온도가 올라가면 원자들의 진동이 더 활발해져서 전자의 충돌과 산란이 더 많이 일어나죠. 따라서 온도가 오르면 이동도는 내려갑니다. 반면에 세라믹과 같은 절연체에서는 전하 캐리어의 수가 전도도에 큰 영향을 줍니다. 따라서 온도가 오르면 열 에너지로 인하여 원자로부터 최외각 전자가 떨어져 나가고, 이로 인해 전하 캐리어인 전자와 이온의 수가 증가합니다. 물론 전기 전도도도 증가하게 되죠. 다만, 이러한 열 에너지에 의한 전하 캐..

비규산염 세라믹 계열에서 산화물 세라믹에 관한 설명입니다. 즉, 금속과 비금속의 결합으로 이루어지는 세라믹에서 비금속으로 산소가 들어가 있죠. 산화물 세라믹들은 전기전자 분야에서 주로 소자나 부품이 올라가는 기판(substrate), 커패시터에 들어가는 유전체(dielectric), 그리고 응력과 전압을 상호 변화하는 압전체(piezoelectric) 그리고 센서용 재료 등으로 활발히 활용되고 있습니다. 그런데, 커패시터와 콘덴서의 차이는 무얼까? 커패시터는 이론적으로 정전용량만을 가지는 이상적인 소자, 콘덴서는 저항과 인덕턴스까지 존재하는 실제 기판에 부착하는 소자라고 하면 될까요? 학술적으로는 커패시터와 콘덴서를 구분하는 경향이 있지만 대부분의 전기 전자공학에서는 콘덴서를 커패시터와 구분하지 않으며 ..

지구에는 철과 산소, 그리고 실리콘이 풍부합니다. 인간이 가용할 수 있는 지각에는 산소와 실리콘이 거의 80퍼센트를 차지하죠. 그리고 산소와 실리콘은 반응도 참 잘합니다. 둘은 이온 결합을 하고 있으며, 이론적으로는 산소 원자 두개와 실리콘 원자 한개가 전하 균형이 맞습니다. 실제로는 산소 원자들 네개의 가운데에 실리콘 원자 한개가 위치하는 사면체(tetrahedron) 혹은 삼각뿔(triangular pyramid) 구조가 안정적이죠. 이러한 삼각뿔 구조가 규산염(silicate) 계열의 기본적인 단위 블럭(building block, 벽돌)이 됩니다. 이는 기하학적 구조로는 안정적이지만, 전하 균형면에서는 {4 x (-2)} + (+4) = -4로 불안정하므로 다른 양이온들, 예를 들면 마그네슘, 나..

세라믹은 단단하고, 무기물이며 금속은 아니고, 열과 부식에 저항력이 높은 물질입니다. 형상을 먼저 만들고 높은 온도에서 열처리를 하죠. 금속 및 고분자(유기물)과 비교할 때, 경도와 탄성도가 높고, 고온에 잘 견디며 열팽창계수는 낮은 편입니다. 연성은 거의 없으며 내부식성, 내마모성은 우수하고 밀도는 금속에 비해서는 다소 낮은 편이죠. 전기 전도도와 열 전도도는 금속만은 못하지만 높고 낮음을 어느 정도 조절할 수 있습니다. 응력과 변형률의 측정 곡선에서는 탄성 변형 이후에 파괴로 이어지며 소성 변형은 거의 일어나지 않습니다. 전기적인 특징을 살펴보면, 대부분은 세라믹은 비교적 높은 비저항(10^11Ωcm 정도)과 매우 높은 절연 파괴 전압(10kV/mm 이상)을 가집니다. 다만, 조성을 바꾸거나 도핑 과..

강철(鋼鐵, steel)은 철(iron, Fe)을 주성분으로 하는 금속 합금을 말하며,철이 가지는 성능(강도, 인성, 자성, 내구성, 내열성 등)을 인위적으로 더 개선한 물질입니다. 특히 건축물 등에 구조재로 많이 사용하죠. 순수한 철은 강도와 경도가 다소 약하므로, 탄소를 넣어 강화하지만 탄소의 양이 증가할수록 연성보다는 취성이 강해져서 특히 구조재로 사용할 경우 깨어지는 문제가 발생할 수도 있죠. 따라서 용도에 맞춰 탄소의 함량을 조절하며, 내부식성이나 내열성 등을 높이기 위해 다른 원소들을 더 첨가하기도 합니다. 대부분 탄소의 함유량은 0.2~2wt% 정도의 범위이며, 탄소 함유량이 0.035 ~ 1.7wt%일 경우 강철, 0.035wt% 이하는 연철, 1.7wt% 이상은 주철(무쇠)로 구분하며, ..

납땜(soldering)은 450 °C 이하의 녹는점을 지닌 보충물 (일반적으로 땜납)을 사용하여 끊어진 두 개 이상의 물질을 결합하는 과정입니다. 결합할 부위를 가열한 상태에서 땜납을 접촉, 녹인 뒤 땜납 액체가 모세관 작용으로 결합할 부위로 스며 들어가고, 이후 냉각 과정을 통하여 굳으면서 결합이 이루어집니다. 땜납은 납땜에 사용되는 저융점의 합금을 일컫는데, 주로 납과 주석을 주성분으로 하죠. 최근에는 환경 보호를 위해 납을 포함하지 않는 무연 납땜들이 등장하고 있습니다. 용접(鎔接, welding)은 두개 이상의 물질들을 열과 압력으로 접합하는 기술입니다. 이는 물질들이 원자간 결합을 이루어 접합을 하도록 하며, 접합 강도가 납땜에 비해 매우 강하여 기계적인 연결을 위해 주로 사용됩니다. 납땜은 ..

모든 건 자연으로부터 얻어집니다. 금속도 예외일 수는 없죠. 맨 처음에 채취되는 것은 광석(鑛石, ore)입니다. 광석은 인간의 경제활동에 있어서 유용한 자원이 되는 광물, 또는 그것을 함유하는 암석으로 정의가 되죠. 광물(鑛物, mineral)이라 함은 자연산 무기물로 규칙적인 결정 구조와 명확한 화학 구성을 갖는 고체를 뜻합니다. 즉, 광석에서 물리적으로 붙어있는 흙이나 여타 물질들을 떼어내면 광물이 되죠. 광물은 자연산으로 인공적으로 만들어진 물질들은 제외되며, 또한 규칙적인 결정 구조를 가져야 하므로 비결정질 물질들도 해당되지 않습니다. 또한, 순수한 생물학적 작용에 의해 생긴 물질도 포함되지 않으나, 해양 생물에서 생성된 탄산 칼슘이 쌓여서 집합체를 이룬 경우에는 지질학적 작용을 거쳤기 때문에 ..