비정질 고체 Amorphous Solid

출처 : 위키피디아

비정질 고체의 정의

비정질 고체는 원자나 분자의 배열이 규칙적이지 않은 고체 물질을 의미합니다. 이는 결정질 고체와 대조되는 개념으로, 비결정성 고체 또는 무정형 고체라고도 불립니다. 비정질 고체의 가장 대표적인 예시로는 유리를 들 수 있습니다. 

비정질 고체의 특징

• 구조적 특징 : 비정질 고체의 가장 큰 특징은 원자들의 위치에 장거리 질서가 존재하지 않는다는 점입니다. 이는 결정질 고체와 구별되는 중요한 특징입니다. 
  • 무질서한 원자 배열 : 비정질 고체의 원자들은 장거리에서 규칙적인 배열을 이루지 않습니다. 결정질 고체와 달리 원자나 분자의 위치에 장거리 질서가 존재하지 않습니다. 
  • 단범위 질서 : 비록 정가리 질서는 없지만, 최근접한 원자들 사이에는 어느 정도의 규칙성이 존재할 수 있습니다. 이를 단범위 질서 또는 단범위 규칙이라 합니다. 
  • 불규칙한 네트워크 구조 : 예를 들어, 유리의 경우 규소 1 원자와 산소 4 원자가 만드는 정사면체가 공간적으로 무질서하게 배열되어 그물처럼 이어집니다. 
  • 등방성 : 비정질 고체는 모든 방향에서 동일한 물성을 나타냅니다. 이는 결정질 고체와 달리 특정 방향성이 없기 때문입니다. 
  • 슈퍼 클러스터 : 최근 연구에 따르면, 비정질 고체 내에서도 일부 원자들이 정렬된 슈퍼 클러스터로 합쳐진 포켓이 존재할 수 있습니다. 이는 비정질 고체 내에서도 원자 배열이 완전히 무작위가 아니라는 것을 보여줍니다. 
• 물리적 특징
  • 녹는점의 부재 : 비정질 고체는 일정한 녹는점을 갖지 않고, 온도가 올라감에 따라 점진적으로 부드러워집니다. 
  • 등방성 : 모든 방향에서 동일한 물성을 나타냅니다. 
  • 높은 탄성 한계 : 비정질 금속의 경우, 높은 탄성 한계와 탄성 신장도를 보입니다. 
  • 우수한 성형성 : 비정질 금속은 높은 경도와 탄성을 동시에 가져 복잡한 형상의 부품 제작에 유리합니다. 
  • 특별한 전기적, 광학적 특성 : 비정질 반도체는 결정질과는 다른 전기적, 광학적 특성을 나타내어 특수한 용도에 활용됩니다. 

비정질 고체의 형성 과정 

• 급속 냉각 : 액체 상태의 물질을 매우 빠르게 냉각시키면 원자들이 규칙적으로 배열될 시간이 없어 비정질 상태가 됩니다. 
• 증착 : 기체 상태의 물질을 차가운 기판 위에 증착시키면 비정질 구조가 형성될 수 있습니다. 
• 고에너지 조사 : 결정질 물질에 고에너지 입자를 조사하여 결정 구조를 파괴함으로써 비정질 상태를 만들 수 있습니다. 
• 화학적 기상 증착(CVD) : 실리콘 웨이퍼 위에 CVD 방법을 통해 비정질 실리콘을 형성할 수 있습니다. 
• 물리적 기상 증착(PVD) : PVD 방법을 통해서도 비정질 구조를 만들 수 있습니다. 

비정질 고체의 종류

• 유리 : 가장 흔한 비정질 고체의 예시로, 규소와 산소 원자로 이루어진 네트워크 구조를 가집니다. 
• 비정질 금속 : 금속 원자들이 무질서하게 배열된 상태로, 특별한 기계적, 자기적 특성을 나타냅니다. 
• 비정질 반도체 : 실리콘이나 게르마늄과 같은 반도체 물질의 비정질 상태로, 태양전지 등에 활용됩니다. 
• 비정질 폴리머 : 플라스틱과 같은 고분자 물질의 비정질 상태입니다. 

비정질 고체의 응용 분야

• 의료 기술 : 비정질 금속은 생체적합성이 우수하여 임플란트 등 의료기기 제작에 사용됩니다. 
• 스포츠 용품 : 골프채 헤드, 테니스 라켓, 야구 방망이 등 비정질 금속이 사용됩니다. 
• 전자 기기 : 휴대폰 케이스, 시계 등 내구성이 요구되는 전자기기 부품에 활용됩니다. 
• 우주 항공 : 경량이면서 강도가 높은 특성을 활용하여 우주용 특수 부품 제작에 사용됩니다. 
• 태양 전지 : 비정질 실리콘은 배양전지 제작에 널리 사용됩니다. 
• 광학 기기 : 비정질 고체의 광학적 특성을 이용한 렌즈, 광섬유 등의 제작에 활용됩니다. 

비정질 고체의 최근 연구 동향

• 생성 메커니즘 연구
  • 한국표준과학연구원의 이근우 박사팀은 '정전기 공중부양 장치'를 이용하여 비정질 금속의 생성 원리를 규명했습니다. 
  • 결정 - 액체 계면 에너지가 클수록 비정질 금속이 쉽게 형성된다는 사실을 밝혀냈습니다. 
• 새로운 제조 기술 개발 
  • 한국재료연구원 나영상 박사 연구팀은 저비용 무결함 비정질합금 박판 제로를 위한 새로운 방식의 급속 냉각 감압주조 기술을 개발했습니다. 
  • 이 기술은 주조 과정에서 발생하는 난류성 용탕 흐름을 안정적인 층류 흐름으로 유도하여 주조 결함을 억제합니다. 
• 전고체전지 응용 연구
  • 한국전기연구원 연구팀은 비정질 탄소 표면의 작용기가 활하물 고체전해질과의 부반응에 직접적인 영향을 미친다는 사실을 규명했습니다. 
  • 이를 바탕으로 '중곡(hollow) 나노탄소'개발에 성공하여 전고체전지의 성능을 향상했습니다. 
• 응용 분야 확대 
  • 비정질 금속은 폴더블폰 및 롤러블폰 등 최신 스마트기기와 의료기기, 스포츠용품 등 고부가가치 산업 분야로 응용이 확대되고 있습니다. 
• 나노 구조 연구 
  • 비정질 물질의 나노 구조를 이용한 새로운 응용 분야 개척 연구가 이루어지고 있습니다. 

비정질 고체와 결정질 고체의 차이점

• 원자 배열
  • 결정질 고체 
    • 원자나 분자가 규칙적으로 배열되어 있습니다. 
    • 일정하고 특이한 내부 구조를 가집니다. 
    • 장거리 질서가 존재합니다. 
  • 비정질 고체 
    • 원자나 분자의 배열에 규칙성이 없습니다. 
    • 장거리에서 정돈된 배열을 이루지 않습니다. 
    • 단범위 질서만 존재할 수 있습니다. 
• 구조적 특성 
  • 결정질 고체 
    • 단결정과 다결정으로 구분됩니다. 
    • 단결정은 전체가 일정한 결정축을 따라 규칙적으로 배열됩니다. 
    • 다결정은 작은 단결정들이 무질서하게 뭉쳐진 형태입니다. 
  • 비정질 고체 
    • 불규칙한 네트워크 구조를 가집니다. 
    • 때로 '초냉각된 액체'라고도 불립니다. 
• 물리적 특성
  • 결정질 고체
    • 명확한 녹는점을 가집니다. 
    • 방향에 따른 물성이 다를 수 있습니다. (이방성)
  • 비정질 고체
    • 명확한 녹는점이 없고, 온도 상승에 따라 점진적으로 부드러워집니다. 
    • 모든 방향에서 동일한 물성을 나타냅니다. (등방성)
• 예시
  • 결정질 고체 : 대부분의 금속, 광물
  • 비정질 고체 : 유리, 고무, 비결정성 탄소, 플라스틱(염화 비닐 등)