고체
고체(solid, 固體)는 물질의 상으로 일정한 결정을 가지고 있어 힘이나 압력의 변화에도 모양이나 부피가 변하지 않는 상태를 말한다. 고체를 다루는 물리학 분야를 고체물리학이라고 한다. 고체에는 소금(염화나트륨)이나 눈의 결정처럼 매우 규칙적인 형태를 취하는 것과 유리나 고무처럼 형태가 불규칙한 덩어리로 되어 있는 것이 있다. 알려진 것 중 가장 가벼운 고체는 무게가 공기의 3배 밖에 되지 않는 에어로젤이다.
개요[편집]
기체·액체와 더불어 물질이 가질 수 있는 상(相: Phase)중에 하나로 온도와 압력이 변하면 다른 상으로 바뀔 수 있다. 고체는 기체·액체와는 달리 일정한 형태를 유지할 수 있다. 전단응력이 가해지면 모양이 변화하는 방식으로 탄성력이 만들어져서 전단응력을 버텨낼 수 있는 점이 유체(流體: Fluid)와의 차이점이다. 물질을 구성하는 원자나 분자 수준에서 일정한 결정구조를 가지는가에 따라서 결정성(結晶性: Crystalline)고체와 비결정성(非結晶性: Amorphous)고체로 나눌 수 있다.
상식적으로는 별도의 용기 없이도 형태와 부피를 유지할 수 있는 단단한 특징을 가지는 물체를 고체라고 한다. 상아, 모래, 암석, 금속 등이 고체의 예이다.
물체는 온도와 압력에 따라서 세 가지 상을 가질 수 있다. 액체 상태의 물이 온도에 따라 고체 상태인 얼음과 기체 상태의 수증기로 변하는 것을 예로 들 수 있다. 얼음과 마찬가지로 다른 고체상태의 물질도 온도와 압력을 변화시키면 액체나 기체로 상이 변할 수 있다.
분자론적으로 보면 고체는 구성 원자나 분자 사이의 결합이 매우 강하기 때문에 개개의 원자나 분자는 자유운동을 할 수 없다. 다만 서로 구속되어 정해진 위치에서 작은 진동운동만을 한다. 이에 반해서 액체, 기체 순서로 점차적으로 분자 사이의 결합이 약해지고 자유운동이 점점 자유롭게 된다. 따라서 어떤 물질이라도 고압·저온으로 분자운동을 저하시키면 고체로 변하고, 반대로 어떤 고체라도 일정 온도 이상으로 가열하면 분자의 배열이 흐트러져서 액체로 변한다.
고체는 분자 간의 상대적 위치가 거의 변하지 않기 때문에 기체나 액체와는 다르게 유동성이 없고 단단한 특징을 가진다. 즉 고체는 외부에서 가해진 힘에 저항하는 성질을 가진다. 정렬된 분자 사이의 고유의 탄성(彈性)으로 인해서 고체는 외부의 힘에 저항하면서 형태를 유지할 수 있다. 암석의 경우에 손으로 누르면 거의 모양이 변화하지 않는 것 같이 보인다. 하지만 미세하게 변형되어 외부의 힘과 평형을 이루고 있다. 분자 간의 탄성이 겉보기 탄성으로 나타난 것이다. 특히 표면에 수평하게 작용하는 전단응력(剪斷應力: Shear Stress)을 변형에 의한 탄성력으로 버텨낼 수 있는 것이 유체와의 차이점이다. 유체는 전단응력이 가해지면 버티지 못하고 힘의 방향으로 흐른다.
보통 물체의 굳기·탄성률 등은 이와 같은 역학적 성질의 정도를 나타내는 말이다. 이러한 굳기·탄성률의 값은 고체의 종류에 따라 넓은 범위에 걸쳐 있다. 역학적 성질 외에 전기적·열적·광학적 성질 등도 고체의 종류에 따라서 다양하다. 이들은 그 고체를 구성하는 분자의 성질과 분자의 결합양식에 따라 결정된다.
분자의 결합양식에 따른 성질차이의 예로 흑연과 다이아몬드를 들 수 있다. 흑연과 다이아몬드는 둘 다 같은 탄소 원자의 결정이지만, 흑연은 다이아몬드보다 원자 간의 간격이 크기 때문에 비중이 작고 연필심으로 사용될 정도로 비교적 무르다. 순수한 금속은 소량의 다른 물질을 섞어줌으로써 그 굳기가 증가하는데, 이것은 이물질(異物質)의 분자가 들어감으로써 결정 내의 원자배열이 흐트러져 결정면을 따라 일어나는 미끄럼 현상이 줄어들기 때문인 것으로 알려져 있다.
고체는 구성 원자나 분자의 거리가 가까운 공통적 특징을 가진다. 하지만 구성 원자나 분자의 규칙적인 배열 특성에 따라서 다시 구분된다. 일정한 격자 형태의 결정구조를 가지는 결정성(結晶性: Crystalline)고체와 그렇지 않은 비결정성(非結晶性: Amorphous)고체로 나눌 수 있다. 예로 규소와 산소가 일정한 격자 구조를 가지는 석영은 결정성 고체이다. 모래의 대부분이 석영이다. 반면에 동일하게 규소와 산소로 이루어진 석영유리는 비결정성 고체이다. 석영은 일정한 결정격자구조가 계속 반복되는 규칙성을 쉽게 볼 수 있다. 석영유리는 전반적으로는 규칙성이 없지만 항상 하나의 규소 원자에 세 개의 산소 원자가 인접하는 국소적 규칙성을 가진다.
결정계[편집]
액체를 냉각시키면 분자들의 운동이 느려지다가, 마침내 어떤 온도 이하에서는 분자들이 일정한 배열을 이루게 되고 자유로이 돌아다닐 수 없게 된다. 이런 분자(또는 원자)들의 규칙적인 배열의 결과로 평면들로 둘러싸인 모양을 가지게 된 균일한 물질을 결정이라고 한다. 예를 들어, 소금물을 증발시키면 소금이 작은 정육면체들로 석출되는데, 정사각형 평면들로 둘러싸인 이 정육면체들이 소금의 결정인 것이다. 또, 붕산의 결정은 육각형의 얇은 판자 모양이고. 명반의 결정은 팔면체이다. 이와 같이, 결정의 형태는 물질의 종류에 따라 정해져 있다. 그리고 이들 결정은 그 모양의 특징에 따라 몇 개의 그룹으로 분류된다. 지금 염화나트륨 결정(정육면체)의 중심을 지나 각각의 면에 수직인 축을 생각해 보자. 이것들을 a축, b축, c축이라 하고, b축과 c축이 이루는 각을 α, a축과 c축이 이루는 각을 β, a축과 b축이 이루는 각을 γ라고 하면, 염화나트륨 결정의 경우는 α=β=γ이고, 이 각은 모두 90°이다. 또 중심으로부터 각 면에 이르는 a축의 길이를 a, b축의 길이를 b, c축의 길이를 c라고 하면 a=b=c, 즉, 길이가 같은 3축이 직교하는 것이 된다. 이와 같은 성질은 정육면체가 아니라 정팔면체인 명반의 결정에서도 성립된다. 그리하여 이러한 성질을 가진 결정을 일컬어 정방정계(또는 등축 정계)라고 한다. 육각형 결정에서는 전체의 모양이 육각형이라고 하면 축(결정축)은 4개가 된다. 위·아래에 있는 정육각형의 중심을 지나는 축(c축)에 대하여 다른 3개의 축이 이루는 각은 직각이지만, 3개의 축은 서로 60˚의 각도로 교차하고 있다. 즉, 길이가 같은 3축이 60˚로 교차하고, 이들 축이 만드는 면에 길이가 다른 네 번째 축이 직교하고 있다. 이와 같은 성질을 가지는 결정을 정방정계라고 한다. 이와 같이, 축의 길이나 그것이 교차하는 각도의 유형에 따라 결정은 아래 그림과 같이 다음의 7가지 결정계로 나뉜다. ① 등방 정계 ② 정방 정계 ③ 사방 정계 ④ 단사 정계 ⑤ 삼사 정계 ⑥ 육방 정계 ⑦ 마름모 정계
결정의 구조[편집]
결정이 규칙적인 모양을 하고 있는 것은 그것을 이루고 있는 입자(원자－분자－이온)가 규칙적으로 배열되어 있기 때문이다. 지금 이 입자가 각각 크기가 같은 구체라 가정하고, 그 배열 방법을 생각해 보자. 공간에 빈틈없이 배열하는 데에는 위그림과 같이 두 가지 방법이 있다. 그림의 A와 B를 비교하면 B쪽이 더 빽빽이 배열되어 있다. 그래서 B와 같이 배열하여 첫 번째 층을 a, 두 번째 층을 b라고 하자. 그 위에 세 번째 층을 만드는데, 이때도 배열 방법에는 두 가지가 있다. 즉, 세 번째 층의 구체가 첫 번째 층의 구체의 바로 위에 겹치도록 배열하는 경우와 겹치지 않도록 배열하는 경우가 그것이다. 겹치게 배열한 경우를 육방 밀집 구조라고 하는데, 이것은 육방 정계의 구조가 된다. 또, 겹치지 않도록 배열한 경우를 입방 밀집 구조라고 하는데, 이것은 등방 정계의 구조가 된다. 금속의 결정 중에서 금·은·구리·알루미늄 등은 입방 밀집 구조를 취하고, 마그네슘·아연 등은 육방 밀집 구조를 취하고 있다. 나트륨이나 칼륨은 정육면체의 8개의 모서리와 중심에 구체가 있는 체심 입방 구조를 취하고 있는데, 이것은 입방 밀집 구조에 비해서 틈이 좀 더 벌어져 있다. 입방 밀집 구조를 비스듬히 옆으로 누이면 정육면체의 각면의 중심에 구체가 하나씩 들어간 면심 입방 구조가 된다. 이와 같이, 구체가 일정한 규칙에 따라 입체적으로 배열된 것을 공간 구조라고 한다. 공간 구조의 종류는 14종인데, 등축 정계에는 단순 입방 구조, 면심 입방 구조, 체심 입방 구조의 3종류, 육방 정계에는 육방 밀집 구조가 있다. 이 밖에 정방 정계에는 체심 정방 구조 외에 1종, 사방 정계에는 면심 사방 구조 외에 3종, 단사 정계에는 2종, 삼사 정계·마름모 정계에 각각 1종의 구조가 존재한다.
비결정성 고체[편집]
황가루를 시험관에 넣고 가열하여 녹인 것을 깔때기에 얹은 거름종이 위에 붓고 냉각시킨다. 거의 굳었을 때 거름종이를 펴면 황이 바늘 모양으로 결정(단사 정계)되어 있는 것을 볼 수 있다. 또, 황 가루를 이황화탄소에 녹여서 서서히 증발시키면 거의 팔면체인 결정(사방 정계)이 생긴다. 이에 대하여, 황 가루를 가열하여 녹인 다음 물속에 넣어서 갑자기 냉각시키면 거무스름한 덩어리가 되며 잡아당기면 고무처럼 늘어난다. 그리고 얼마 후에는 굳기 시작한다.이 상태에서 황은 결정을 이루지 않았으므로 비결정성이라고 한다. 그 까닭은, 황을 천천히 냉각시키거나 용액에서 용매를 증발시킬 경우에는 황의 원자가 규칙적으로 배열할 시간적 여유가 있으므로 결정을 이루게 되고 시간이 지남에 따라 성장해 가지만, 갑자기 냉각시키면 원자가 규칙적으로 배열할 시간적 여유가 없어 액체 때의 불규칙한 배열 그대로 고체가 되기 때문이다. 비결정성 황은 오랫동안 방치해 두면 사방 정계의 결정이 된다. 비결정성 고체의 대표적인 것은 유리이다. 보통의 유리는 700-800℃로 가열하면 녹지만, 냉각시키면 그 성분인 규소 1원자와 산소 4원자가 만들고 있는 정사면체가 공간적으로 무질서하게 배열되어 그물처럼 이어지기 때문에 비결정성이 된다고 한다. 그리고 비결정성 고체는 내부에서 입자가 결합하는 힘도 고르지 않기 때문에 일정한 녹는점을 보이지 않는다. 비결정형 상태를 '유리상태'라고도 한다.
고체 배터리[편집]
고체전지(固态电池)는 현재 일반적으로 사용되는 리튬이온 배터리와 리튬이온 폴리머 배터리와는 달리 고체 전극과 고체 전해질을 사용하는 배터리이다. 전기차 배터리 스타트업 퀀텀스케이프는 2020년 12월 말 수명이나 안정성을 훼손하지 않고 15분에 80%까지 충전할 수 있는 배터리를 개발했다고 발표했다. 퀀텀스케이프는 충전 시간 이외에도 시험한 배터리 셀을 수십만 마일에 걸쳐 지속해서 사용할 수 있으며 800회 충전과 방전 이후에도 80% 이상의 배터리 용량을 유지했다고 주장했다.
중국의 전가차 스타트업 니오는 2020년 1월 CATL 등과 8억 위안을 투자해 합작회사를 설립해 1회 충전 1,000km를 주행할 수 있는 전고체 배터리를 개발했다고 발표했다. 니오는 360Wh/kg의 초 고에너지 밀도를 달성한 전고체 배터리를 2022년 4분기 출시할 것이라고 밝혔다. 150kWh 팩으로 출시될 것이며 기존 모델에 대해 교체 및 업그레이드가 가능하다고 덧붙였다. 이를 통해 니오의 모델 ES8의 경우 850km를 주행할 수 있으며 새로 선보일 ET7은 1,000km를(NEDC기준)을 커버할 수 있다고 주장했다. 다만 2022 년 1 분기에는 70kWh 및 100kWh 팩으로 만 제공된다고 한다. 이 새로운 배터리는 Nickel-Ultrarich Cathode 및 Si / C 복합 양극을 포함한 여러 기술을 결합한다고 밝혔다. 니오는 전해질 재료가 액체가 아닌 액체를 일부 섞거나 반고체 겔 상태의 재료를 사용한다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
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