인간에 대한 예의 (항금리 문학 창간호)

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 ..

인장 시험은 준비된 시편을 지그에 걸로 인장 응력을 인가하면서 변형을 측정하는 과정입니다. 인장 시험으로 얻어지는 특성 곡선은 세로축을 응력, 가로축을 변형률로 하여 인가된 응력과 이로 인한 변형률을 나타내죠. 일반적으로 응력이 증가함에 따라 시편은 초기에는 탄성 변형, 그 다음으로는 소성 변형, 그리고는 가운데 부분의 단면적이 급격이 작아지는 국부수축(necking) 과정을 거쳐 최종적으로 파괴에 이르게 됩니다. 따라서, 인장 시험으로 얻어지는 응력 - 변형률 곡선은 처음에는 선형적으로 비례하는 영역을 거쳐, 비선형적인 곡선 영역으로 들어서고, 가장 높은 응력값에 해당하는 극한 인장 강도(Ultimate Tensile Strength, UTS)를 지나서 응력값이 감소하면서 파괴 강도에 이르게 됩니다. ..

금속을 중심으로 기계적인 특성, 이를 표현하는 특성 인자들로 이야기를 시작합니다. 기계적인 특성을 이야기할 때 가장 먼저 만나게 되는 응력(stress)과 변형률(strain), 먼저 응력이라함은 인가된 힘, 그리고 변형률은 그로 인한 형상의 변화를 의미합니다. 응력은 '단위 면적에 작용하는 힘'으로 정의되며, 힘이 인가되는 방향에 따라 수직 응력과 전단(shear) 응력, 그리고 휨 응력 등으로 구분됩니다. 수직 응력은 단면에 수직 방향으로 작용하는 응력으로 인장(tensile) 응력과 압축 (compressive) 응력이 있으며, 전단 응력은 단면에 평행하게 인가되는 응력입니다. 이에 더하여 비틀림(torsion), 휨(bending) 응력, 그리고 좌굴(buckling), 즉 축방향으로 힘을 받아 ..

도체에 전기장이 인가되면 전자들은 가속됩니다. 결정에 결함과 진동이 없다면 전자들은 전기장이 없어질 때까지 가속이 되겠죠. 그러나 실제 상황에서는 원자들이 제 자리에서 벗어나 있기도 하고, 상하좌우로 진동도 하죠. 그리고 외부로부터 크고 작은 불순물들이 들어와 여기저기에 놓입니다. 그로 인하여 전자들은 충돌하고, 산란을 하죠. 이런 일들은 계속, 반복적으로 일어나며, 전자들은 가속, 충돌, 그리고 멈춤, 또 다시 가속, 충돌과 멈춤 과정을 되풀이 합니다. 그래도 전체적인 이동 방향은 전기장을 따르면서 움직이고 있죠. 먼저, 오옴의 법칙부터 볼까요. 거시적인 측면에서는 '전압은 전류 I와 저항 R의 곱에 비례한다.'입니다. 길이 L을 갖는 도선이라면 전기장은 양단의 전압 V를 도선의 길이 L로 나눈 값이죠..

완벽한 사람이 없듯이 완전한 결정도 없습니다. 금속 결정에도 당연히 결함들이 존재하죠. 이해가 쉽도록 점 결함(point defect), 선 결함(line defect), 면 결함(area defect), 그리고 벌크 결함(bulk, volume defect) 등으로 구분됩니다. 점 결함의 경우, 원래는 원자가 있어야할 자리가 비어있는 공공(vacancy) 결함, 다른 원자인 불순물이 들어와서 공공을 채운 치환형(substitutional) 결함, 혹은 불순물이 공공이 아닌 원자들 사이에 끼어있는 침입형(interstitial) 결함 등이 있죠. 침입형 결함의 경우에는 원래 원자 자신의 침입형(self-interstitial) 결함도 있습니다. 이러한 점 결함들은 원자간 거리, 공간을 왜곡시켜 응력과 변..

결정, 특히 금속 결정에서의 단위 셀(unit cell), 혹은 단위 정에 관하여 알아보죠. 단위 정은 결정을 구성하는 기본 구조입니다. 우리 가족이 좋아하는 빨간 벽돌담에서 벽돌 하나가 되는 셈이죠. 이러한 결정계(crystal system)는 대칭성에 따라 7개로 분류됩니다. 즉, 등축정계(isometric) 혹은 입방정계(cubic), 정방정계(tetragonal), 사방정계(orthorhombic), 삼방정계(rhombohedral), 단사정계(monoclinic), 삼사정계(triclinic), 그리고 육방정계(hexagonal)입니다. 이들 중에서 등축정계(等軸晶系) 또는 입방정계(立方晶系)는 정육면체 모양이며, 세 결정축이 서로 수직으로 7 결정계 중에서 대칭성이 가장 확고하죠. 입방정계에는..

금속은 금속 결합으로 이루어졌습니다. 그리고 금속만의 특징을 지니고 있죠. 먼저 금속은 차갑습니다. 세라믹에 비하여, 금속은 열을 잘 전달하기 때문이죠. 열 전도도가 높습니다. 금속은 무겁습니다. 밀도가 높기 때문이죠. 금속을 손가락으로 가볍게 톡 치면 드리면 맑은 소리가 울려 퍼집니다. 매끈하게 갈고 닦은 금속의 표면은 반짝이며, 거울면 같습니다. 즉, 금속은 투명하지 않으며 빛을 반사합니다. 금속에 강한 힘을 가하면 일그러집니다. 모양이 바뀌죠. 금속은 성형성이 있습니다. 끝으로 금속은 전기를 잘 통합니다. 전기 전도도가 높죠. 금속이 열 전도도가 높은 이유는 금속 안에는 자유 전자들이 많고 이들이 빠른 전달자(speedy transporter)이기 때문입니다. 즉, 금속의 한쪽 끝 부분에 열을 가하..