재료의 요리법 - 공정과 특성에 대하여

 

어떤 사람들은 다른 사람들에 비해 동시에 여러 가지 일을 할 수 있는 능력이 우수할 수 있다. 이러한 업무에 능숙한 사람들은 제조공정이 쉽다고 느낄 것이다. 오늘날 고객의 다양한 기술적, 경제적, 그리고 미적 요구에 부응하는 제품을 제조하기 위해서는 성형, 마무리 및 부품 조립 등에 있어 여러 가지 특성의 균형이 필요하다.

생산자들은 품질이 우수하고 신뢰성이 높은 제품을 생산하기 위해서 이윤이 다소 감소하더라고 공정 별로 제품을 추출하여 검사한다.

이와 유사한 것으로 요리가 있다. 재료의 요리법에는 첨가물이 나열되어 있고 조리방식 즉 섞고 두드리고 가열하고 마무리하는 방법, 그리고 접시에 나열하는 방법 등이 들어 있다.  좋은 요리사는 자신의 경험과 창의력을 바탕으로 달콤한 향기와 맛, 외관이 멋스러운 새로운 음식을 만들어 낸다. 여러분은 혹 이것이 그 요리의 본질이라고 생각할 수도 있을 것이다. 

그러나 만일 그 요리가 제대로 만들어지지 않았다면 요리사는 맨 먼저 그 요리를 잘라 미세조직을 관찰하고 무엇이 잘못되었는지를 조사할 것이다.

예를 들어 요리가 과일 케이크라고 하면, 기공의 분포와 과일의 성분 등이 그 미세조직의 성상을 결정한다.

미세조직은 재료의 공학적 특성을 결정짓는 열쇠이다. 미세조직을 이루는 성분 중에 어떤 것은 크기가 매우 작다. 예를 들어 숙출물 입자는 원자 몇 개의 응집체로 구성될 수 있다. 어떤 성분은 또 매우 크다. 예로서 결정립은 수 미크론에서 수 밀리미터의 크기로 나타나기도 한다. 본 장에서는, 특성을 위한 공정이라는 것에 중점을 두어 주요 미세조직에 대한 개요를 공부하고, 이들이 제조 공정 중에 어떻게 변화하는지 알아보고자 한다.  이 글의 핵심은 다음과 같이 표현할 수 있다.

 

조성 + 공정 ---> 미세조직 + 특성

고흡수성 폴리머 중합체

재료의 미세조직

재료의 특성을 최적화하는 능력이야말로 재료 공정 및 설계의 핵심이라 할 수 있으나, 이는 우수한 공정 제어기술의 필요성이 전제되어야 가능하다. 적정 '제조법'을 따르지 않을 경우, 운 좋으면 고철이 되어 손실을 수반하는 정도지만, 최악의 경우에는 파손에 따른 사고를 당할 수 있다. 

 

1. 금속

 

금속은 원자들로부터 시작하여 원자들의 규칙적인 적층에 의해 결정질(특수한 경우인 비정질 금속은 제외)을 이룸으로써 탄성률과 밀도를 나타낸다. 재료의 열적, 전기적, 광학적 특성 및 자기적 특성은 이러한 원자 단위의 미세조직 변화에 의해 직접적인 영향을 받는다. 공공은 원자의 확산을 유발하며 따라서 소결, 크리프, 열처리 등과 같은 현상은 원자단위의 미세조직 변화에 크게 영향을 받게 된다. 강도, 인성 및 피로 특성은 전위 및 이들의 이동을 방해하는 장애물 즉 석출물 또는 결정립계와 같은 다소 큰 단위의 미세조직에 의해 영향을 받는다. 피로 균열은 초기에는 결정립 크기와 유사하게 생성되나, 파괴 시에는 부품의 크기만큼 성장한다. 금속 제품은 매우 다양한 크기를 갖는다.

 

2. 세라믹과 유리

 

세라믹은 결정질이며, 유리는 비정질이다. 탄성률과 전기도도를 포함하는 이들 대부분의 특성은 재료내의 원자 배열상태와 공유결합 또는 이온결합이 갖는 고유의 강한 결합 특성을 직접적으로 반영한다. 여기서 강도와 인성은 예외이다. 균열은 세라믹과 유리의 파괴를 주도하는 인자로서, 결정립의 크기와 표면 조도에 크게 관계되기 때문이다.

 

3. 폴리머와 탄성중합체

 

폴리머 및 탄성중합체는 원자 단위가 아닌 분자 단위의 물질이다. 폴리머의 크기는 매우 다양하다. 폴리머는 비정질일 수도 있으며 결정질, 또는 분자 간에 서로 교차 결합된 구조를 이룰 수도 있다. 강도, 인성 및 광학특성 등을 포함하는 대부분의 특성 역시 분자단위의 거동에 영향을 받으며, 이들 거동은 보다 큰 단위의 미세조직인 크레이지나 균열 등에도 영향을 준다. 폴리머 발포제 및 섬유강화 폴리머 복합재료는 그 구성방식, 즉 기공의 크기나 섬유의 직경에 따라 그 크기 단위가 증가될 수 있다.

 

제조 공정 중의 미세조직 변화에 대해 알아보자.

성형공정의 핵심은 올바른 미세조직을 가지면서 원하는 형상을 만드는 데 있다. 원하는 형상으로 제품을 만들기 위해서는 재료의 유동도와 ㅎ소성변형 특성을 잘 제어할 수 있어야 하며, 올바른 미세조직을 갖도록 하기 위해서는 조직변화의 특질 및 속도를 잘 제어할 수 있어야 한다. 금속재료의 이차 공정 (접합 및 표면처리) 동안에도 미세조직이 변화할 수 있다.

 

1. 상, 기타 미세조직 변화

 

상이란 뚜렷이 구별되는 구조와 조성을 갖는 원자들의 집합체로 정의할 수 있다. 수증기, 물 그리고 얼음은 각각 수소의 기상, 액상, 그리고 고상이다. 강(steel)과 같은 공업용 합금도 적절히 가열하면 녹거나 기화된다. 흥미로운 사실은 이들 합금은 고상 상태에서 상변화를 일으킬 수 있다는 것이며, 이를 통해 석출경화 합금강 또는 기지 내에 이종의 석출물이 분산되어 있는 비철합금을 얻을 수 있다.

 

상변태(phase transformation)란 어떤 공정을 통해 재료내에서 발생하는 상의 변화를 말한다. 상변태는 구동력과 기구를 필요로 한다. 구동력은 열역학에 의해 결정되며, 기구는 운동역학이론에 따라 결정된다.

구동력이란 다소 혼용될 수는 있으나 통상 초기 상태의 에너지와 최종상태의 에너지의 차이를 말한다. 경사면에 공을 놓으면 저절로 굴러 내려가게 되는 그 이유는 경사면 바닥에서의 포텐셜에너지가 위에서 보다 낮기 때문이다.

이경우 구동력은 바로 포텐셜에너지가 된다. 상변화는 화학적 자유에너지의 차이, 즉 결정질의 경우 일차적으로 내부결합에너지의 차이에 의해 발생한다. 고체는 가열하면 녹게 되는데, 그 이유는 융점이상의 온도에서는 액체상태가 보다 낮은 자유에너지를 갖기 때문이다. 화합물은 고용체보다 낮은 자유에너지를 가질 수 있는데, 이 경우 합금은 여러 가지 상(고용체와 화합물)의 혼합체로 분해되기도 하며, 이렇게 분해됨으로써 그 물질의 전체 자유에너지를 감소시킨다.

 

따라서 미세조직은 열역학적인 관점으로 볼 때 변화되는 것이 에너지적으로 선호되는 방향이라면 하나의 상태에서 다른 상태로 변화될 수 있다. 그러나 미세조직이 변화되기 위해서는 하나의 구조에서 다른 구조로 원자가 재배열되도록 하는 기구가 있어야 한다. 액체가 응고할 때, 액상과 성장하는 고상사이에는 계면이 존재한다. 이 계면이 운동역학이론이 적용되는 곳으로써, 바로 이 계면에서 확산에 의해 원자가 액상으로부터 고상으로 옮겨진다.

 

사실상 모든 고체 상태의 상변화에는 새로운 상이 생성 되도록 하기 위해서 주변 원자들이 이동하는 확산과정을 포함하고 있다. 확산속도는 온도에 매우 크게 영향을 받는다. 재료의 미세조직이 변화되는 속도는 구동력의 크기(구동력이 없으면 변화도 없다)와 확산이 어떤 방식으로 발생하는가 하는 확산 기구의 운동역학적 속도론에 의존한다. 미세조직 변화속도는 제조 공정에서 매우 중요한 의미가 있다. 우선, 이 변화속도는 결정립, 석출물등과 같은 주요 미세조직적 성상의 크기 및 이에 따른 재료의 특성을 결정한다. 그렇지만 이는 원하는 구조적 변화가 발생하는데 필요한 시간이라는 항을 통해 공정의 경제성에 영향을 주기도 한다.