3대 재료의 특징 및 구조 두 번째 이야기!
지난 포스팅에서는 금속의 특징과 구조에 대해서 알아보았죠? 이번엔 나머지! 세라믹과 폴리머에 대해서 알아보도록 하죠! 시작!
세라믹(Ceramic)
두 번째 재료! 바로 세라믹입니다. 왠지 실생활에서 많이 들었던 용어이긴 한데 제대로 된 정의는 잘 모르실 거 같아요. 세라믹이란 금속과 비금속 원소의 조합으로 이루어진 재료를 뜻해요. 보통 산소와 금속이 결합된 산화물, 질소와 금속이 결합된 질화물, 그리고 탄화물 등이 있어요.(탄화물은 탄소겠죠..?) 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 등이 대표적인 세라믹이고 점토, 시멘트, 유리 등도 세라믹이에요.
저는 세라믹 하면 도자기와 화장실 바닥 타일이 가장 먼저 떠오르네요.. ㅎㅎ 대충 어떤 느낌인지 아실 거 같아요. 세라믹은 금속만큼 딱딱하고 강하긴 하지만 잘 늘어나지 않아서 깨지기가 쉬워요. 유리와 철을 떠올려보면 쉽게 알 수 있지요?? ㅎㅎ 그리고 열이나 전기가 잘 전달되지 않는다는 특징도 있어요!
세라믹의 구조
세라믹의 구조..는 참 어려워요. 위에서 말했듯이 세라믹이란 금속과 비금속 원소의 조합이기 때문에 최소 2개 이상의 원소로 구성되어 있어요. 그렇다보니 금속에 비해 되게 복잡하죠. 게다가 물질을 구성하는 이온의 전하량과 양이온과 음이온의 상대적인 크기 비에 따라서 결정구조가 매우 다양하게 나타나요.
그래서 원리를 자세히 보기 보다는 자연에서 발견하기 쉬운 주요 구조에는 어떤 것들이 있나 알아보도록 해요. 아 참, 세라믹은 구성 원소들의 전기음성도 차이에 따라 이온 결합을 하기도 하고, 공유결합을 하기도 해요!!
세라믹의 가장 쉬운 구조 중 하나인 암염(NaCl) 구조에요. 그림에서 볼 수 있듯이 음이온이 FCC 배열을 하고, 양이온이 unit cell의 중심과 각 모서리의 중심에 위치하네요. NaCl 외에도 MgO, MnS 등이 이러한 구조를 가져요.
다음은 염화세슘(CsCl) 구조! 간단하네요 ㅎㅎ 음이온은 unit cell의 각 꼭짓점에 위치하고 양이온은 unit cell 중심에 위치합니다.
섬아연광(ZnS) 구조입니다. ZnS의 경우 unit cell의 모든 꼭짓점과 면심에 S가 위치하고 Zn은 4개의 4면체의 중심에 위치합니다. 이러한 결정구조는 보통 공유 결합성을 가진 물질에서 나타난다고 하고, ZnTe, SiC도 비슷한 구조를 갖는다고 하네요.
CaF2 구조입니다. 그림을 두 개를 넣었는데, 대애충 보면 달라 보이지만 사실 똑같은 구조에요. 첫 번째 그림에서는 크고 회색 빛의 구가 F 이온이고, 작고 검은 구가 Ca 이온입니다. CsCl과 비슷하지만, CsCl이 각 입방체의 중심이 다 차있는 것에 비해 CaF2 구조에서는 F가 만드는 입방체의 중심의 절반만이 Ca 이온으로 차있다고 볼 수 있지요.
두 번째 그림에서는 회색 구가 F 이온, 하얀 구가 Ca 이온입니다. 이렇게 그려놓으면 Ca가 FCC 구조를 이루고, F가 사면체 자리를 차지하고 있다고 볼 수 있네요. 저는 공간 지각력이 딸려서 부족해서 머릿속에 잘 그려지진 않지만, 똑똑한 여러분들은 머릿속에 잘 그려보면 위의 두 그림이 동일하다는 걸 알 수 있으실 거에요~
마지막 구조는 바로 그 유명한 페로브스카이트(perovskite) 구조랍니다. 위에서 보았던 다른 구조들과 달리 페로브스카이트는 세 종류의 원자들로 이루어져있어요. 하나의 원소는 체심에, 다른 원소는 면심에, 마지막 원소는 꼭짓점에 위치하고 있는 형태지요. 그렇기 때문에 세 종류 원자의 개수비가 1:1:3이 돼요. 페로브스카이트 구조의 물질은 여러 신기한(?) 성질들을 가지고 있어서 태양전지 등 다양한 분야에서 많이 활용되고 있다고 합니다. 페로브스카이트 구조의 예로는 BaTiO3, SrZrO3 등이 있어요! 세라믹 구조 끝!
고분자(Polymer)
사실 고분자라고 부를지 폴리머라고 부를지 고민이 쪼금 되네요. ㅎㅎ 고분자는 엄밀히 따지면 macromolecule, 다시 말해 분자량이 매우 큰 거대분자를 일컫는 말이에요. 그런데 사실상 이러한 거대분자는 대부분이 동일한 반복단위로 이루어진 폴리머이기 때문에 보통 두 용어를 비슷한 의미로 사용하게 되는 것 같아요. 그러니 우리는 앞으로 엄밀하게 폴리머라고 부르도록 합시다.
위에서 대애충 언급했듯이 폴리머(polymer)란 중합을 통해 생성된, 어떠한 기본단위의 반복으로 이루어진 화합물을 뜻해요. 이 때 기본단위를 모노머(monomer)라고 한답니다. 한 가지 모노머로 이루어진 폴리머도 있고, 두 가지 이상의 모노머로 이루어진 경우도 있는데 이 때 후자를 공중합체 혹은 Copolymer라고 불러요.
우리가 모노머를 냅두고 폴리머를 사용하는 데에는 이유가 있겠죠? 모노머가 하나 있을 때와 이들이 중합하여 줄줄이 소세지처럼 연결된 폴리머 형태일 때 물성이 매우 크게 변화하게 돼요.
간단한 예로 탄화수소의 상을 생각해봅시다. 탄소의 수가 1개인 메탄부터 4개인 부탄까지는 상온에서 기체로 존재하는데 반해 5개인 펜탄부터는 액체이고, 탄소가 매애애애애애애애애애애애애우 길게 연결된 폴리에틸렌의 경우 물의 끓는점보다 높은 녹는점을 갖습니다. 동일한 성분과 구조로 이루어져있지만 그게 얼마나 길게 연결되냐에 따라 그 특성이 변화하는 거지요.
폴리머는 대부분 탄소, 수소나 기타 비금속 원소를 포함하는 유기물 복합체입니다. 대표적인 폴리머는 위에서 말한 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 나일론, 폴리스틸렌(PS) 등이 있어요. 우리가 주변에서 흔히 보는 플라스틱과 고무가 바로 폴리머에요!
폴리머들의 이름을 보면 알 수 있듯이, 폴리머를 이루는 모노머 앞에 폴리를 붙여서 이름을 짓는 경우가 많아요. 폴리에틸렌은 에틸렌이 줄줄이 붙어있는 거고 폴리비닐클로라이드는 비닐클로라이드가 줄줄이 붙어있는 거죠. ㅎㅎ 화학자들이 생각보다 친절하군요 ㅎㅎ;
폴리머는 밀도가 낮고, 금속이나 세라믹에 비해서 딱딱하거나 강하지는 않아요. 하지만 워낙에 밀도가 낮다보니 단위 질량의 재료에 대한 강도를 따지면 금속 세라믹과 견줄 정도가 돼요. 이러한 특성을 잘 활용하는 분야가 바로 방탄복이겠네요. 아무리 강하다고 강철 옷을 입고 전쟁터에 나갈 수 없으니, 가벼우면서도 강한 폴리머를 사용해서 많이 만들더라구요.
또한 폴리머는 변형성이 좋아서 이런 저런 것들로 만들기가 좋고, 화학적으로도 안정해요. 하지만 온도에 워낙 취약해서 사용 범위가 극히 제한되는 경우가 많아요. 가끔 고깃집에서 불 근처에 있던 플라스틱 컵이 우그러져 버려서 주인 아주머니한테 혼나는 경우가 있잖아요? 나만 그랬나.. 암튼 그게 폴리머의 특징 중 하나에요!
폴리머의 구조
폴리머의 구조에서는 어떤 걸 설명해야 할까 참 애매해요. 폴리머의 합성에 사용되는 모노머가 다르면 당연히 원자 간 배열이 달라질 거고, 모노머가 동일하더라도 모노머끼리 어떻게 결합하느냐에 따라서 원자 간 배열이 달라질 수 있어요. 그 밖에도 입체 이성이나 기하학적 이성도 발생할 수 있고요.
하지만 우리는, 아니 저는 여기서 그런 것들을 하나하나 다루진 않을 거에요. 대신 폴리머 내에서 분자 사슬들이 어떻게 존재하는지 분자 사슬의 구조에 대해서만 알아볼 거에요! ㅎㅎ
분자 사슬의 구조는 크게 4가지로 나눌 수 있어요. (a)는 선형 폴리머(linear polymer)로, 모노머들이 하나의 사슬로 쭈우우우욱 연결되어있는 형태에요. 이렇게 각 사슬이 길게 형성되어 있다 보니 사슬들이 적층되기 쉽고, 강한 반데르발스 결합이 발생할 수 있어요. 이러한 선형 구조의 예로는 폴리에틸렌(PE), 폴리염화비닐(PVC) 등이 있어요.
주 사슬에 측면 가지 사슬이 연결되면 (b)와 같은 가지형 폴리머(branched polymer)가 돼요. 측면 가지가 늘어날수록 사슬이 적층되기 어려워지고, 이는 폴리머의 밀도를 낮추는 결과가 되지요. 실제로 고밀도 폴리에틸렌의 경우에는 선형 구조지만, 저밀도 폴리에틸렌은 가지형 구조를 가져요.
(c)는 가교 결합형 폴리머(crosslinked polymer)로, 선형 폴리머들 사이에 부분 부분 공유결합이 발생하여 연결되어 있는 구조에요. 대부분의 탄성 고무 재료들이 이러한 형태라고 해요. 그리고 만약 3개 이상의 공유 결합을 형성할 수 있는 모노머를 사용한다면 선형 사슬 대신 3차원 망상 구조를 형성하게 돼요. 이게 바로 (d)의 망상 폴리머(network polymer)입니다.
설명할 때는 구조를 각각 나눠서 설명했지만, 사실 폴리머가 저 중에 딱 하나만의 구조를 가지지는 않아요. 선형 폴리머지만 어느 부분은 가지형일 수도 있고, 망상형 구조를 가질 수도 있다고 합니다.
드디어 끝…
지금까지 금속, 세라믹, 폴리머의 특징 및 구조를 알아보았어요. 내용이 내용이다 보니 너무 백과사전스러운 포스팅이 되지 않았나 싶긴 하지만, 이를 바탕으로 앞으로는 쪼오금 더 깊이 있는 재료공학 내용을 다루도록 할게요! 그럼 시험 기간 끝나고 만나요 ㅎㅎ
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