고체유전체 내의 화학적 결합

고체 유전체 재료의 성질은 원자 간을 화학적으로 결합하는 힘과 결합에너지를 관찰함으로써 이해할 수 있다. 만약 두 개의 원자가 초기에는 고립된 상태로 있다가 무한히 먼 거리에서 점점 서로 가까워지고 있다면, 원자가 서로 무한히 먼 거리에 떨어져 있을 때 상호작용하는 힘은 아주 미약할 것이다. 원자가 상호 가까워질수록 그 힘은 인력(attractive force)과 척력(repulsive force)의 상반된 힘이 작용하게 되고, 각각의 힘의 크기는 원자간 거리의 함수로 나타나게 되어 그들 상호 간의 작용은 원자의 에너지 준위를 분리한다.

 실제 고체 유전체 재료에서처럼 매우 많은 원자가 극히 작은 거리에 있을 때, 전자는 자신이 속해 있는 원자핵만이 아니고 인접한 원자핵의 영향도 동시에 받게 되어 에너지 준위는 거의 연속적으로 갈라지게 되어 에너지 준위의 확장이 일어나 에너지띠 모양으로 된다. 거리 r인 화학적으로 결합한 고체 원자들 사이의 근사적인 평형상태의 결합에 합 에너지를 유지하려는 평균 거리에 해당하며, 이러한 에너지띠의 폭은 관련된 파동함수의 중첩에 의한다.

 원자의 결합에너지와 원자 간의 거리에 따른 에너지의 변화는 유전재료의 종류에 따라 다르며, 원자결합의 종류에 따라서도 다르다. 보통 높은 결합에너지를 갖는 경우는 고체 상태로 존재하며, 낮은 결합에너지의 경우는 기체 상태로 존재한다. 일반적으로 유전재료의 용융온도와 응집(cohesive) 성질은 결합에너지의 크기를 나타낸다. 유전재료의 hardness(혹은 modulus) 또한 원자 거리의 곡선의 모양에 달려 있으며, 비교적 단단한 재료의 곡선은 연한 재료에 비해 매우 가파르고 곡선의 폭도 좁다.

 고체 유전체에서는 크게 4종류의 결합이 존재하는데, 그중에서 이온(ionic), 공유(covalent), 금속(metalic) 결합은 일반적으로 불활성 기체와 같이 최외각 전자가 완전히 채워져 있는 안정된 전자구조를 가지려는 경향에서 기인한다고 볼 수 있다. 원자 단독으로는 불안정한 상태를 유지하며, 원자간 결합 때문에 비로소 안정한 상태를 유지하게 되기 때문이다. 이러한 3종류의 결합을 화학 결합 또는 1차(primary) 결합이라고 부르기도 한다. 그에 비해 2차(secondary) 결합이라고 하는 수소결합, 판데르발스 결합은 1차 결합인 화학적 결합과 비교하면 매우 약하나 재료의 물성에 큰 영향을 준다.

[이온결합(ionic bonding)]
18족 원소인 He, Ne, Ar, Kr 등의 원자들은 화학적으로 매우 안정되고 다른 원자와 화합하지 않는 불활성 가스이다. 그러나 할로겐 원소인 F, Cl, Br, I 등의 원자는 최외각 측의 전자궤도에 7개의 전자를 가지고 있으므로 외부에서 전자 하나를 얻음으로써 18족 원소와 비슷한 안정한 전자배치가 되고, 음이온이 되려는 경향이 강하다. 이처럼 중성원자에 다른 하나의 전자가 달라붙을 때 얻어지는 에너지를 전자 친화도(electron affinity)라 한다.
 또한, 알칼리 금속인 Li, Na, K 등과 같은 원자는 각각 2s, 3s, 4s의 최외각 측의 전자궤도에 단 한 개의 전자가 돌고 있다. 이와 같은 원소는 할로겐 원소의 경우와 반대로 1개의 전자를 잃어버림으로써 18족 원소와 같이 안정된 전자배치가 되고, 양이온이 되려는 경향이 강하다. 이같이 중성원자로부터 하나의 전자를 떼어내어 양이온이 되는데 드는 에너지를 이온화 에너지라고 한다.

[공유결합(covalent bonding)]
 고체 유전체에서 결합의 종류는 또 본질에서 원자 간에 전자의 파동함수가 중첩되는 정도에 의하여 구분된다. 하나의 극단적인 예로는 이러한 중첩이 이웃한 원자까지만 제한되는 경우와 또 다른 예로는 파동함수가 많은 원자에 걸쳐서 중첩되는 경우이다. 중첩의 정도, 즉 결합의 세기는 이웃한 원자의 거리에만 의존하는 것이 아니라 결합각(bond angle)에도 관계가 있는 특성이 있다. 즉, 각 원자의 상대적인 위치(방향)는 전자를 공유하는 방향으로 존재한다. 이러한 방향성 결합을 가리켜 공유결합(covalent bonding)이라 한다.
 공유결합의 가장 기본적인 형태는 같은 외각 전자배치를 갖는 몇 개의 원소로 이루어진다. 예로서 수소 원자가 가지는 최외각전자는 1개이나 2개일 수도 있다. 수소 원자는 1개로써는 불안정하여 단독으로 존재할 수 없으므로 인접한 2개의 수소 원자가 각각 1개의 전자를 내어 한 쌍의 전자를 공유하는 원자 또는 원자 단체 간에 화학적으로 결합하여 안정한 상태로 된다. 따라서 2개의 전자가 서로 접근한 2개의 원자핵을 중심으로 회전하는 상태가 되어 결합하고 있는 형태이다.

[금속결합(metallic bonding)]
 금속은 원자간 거리가 가까우므로 비교적 약한 구속력을 받으므로 금속 원자의 외각 전자는 근접한 모든 다른 원자에 의하여 영향을 받아 외각 전자가 원자로부터 분리되어 모든 원자 간을 자유롭게 운동한다. 금속은 공유결합과 달리 전자의 파동함수가 원자 간의 거리를 훨씬 넘어서까지 펼쳐져 있으므로, 공유결합과 같이 가까운 원자 간의 결합이 아니고 상호작용을 받는 전체 원자들이 이들 사이 쿨롱의 흡인력에 의해 단단하게 결합하는 것을 금속결합이라 하고 금속결합에 의한 결정체를 금속 결정체라 한다. 금속은 외각 전자가 적은 원자가 금속결합 때문에 얻어진다. 금속재료는 1개나 2개, 또는 최대 3개까지의 최외각 전자를 가지고 있다.

[수소결합(hydrogen bonding)]
수소 원자는 다른 원자와 공유결합을 하지만, 때로는 2개의 전자로부터 동시에 강하게 끌려서 결합하는 일이 있다. 다른 두 원자 사이에 수소 원자가 들어가 중개역할을 하면서 결합할 경우를 수소결합이라고 한다.
 이러한 2차 결합은 실제로 모든 원자와 분자 사이에 존재하지만, 결합의 효과는 전술한 3가지 화학적 결합인 1차 결합이 존재할 때는 가려진다. 2차 결합력은 원자나 분자의 쌍극자(dipole)에서 나온다. 원자나 분자에서 양전하와 음전하가 근접하게 분리 위치할 때는 언제나 전기 쌍극자가 존재한다. 결합은 한 쌍극자의 양전하 끝 부위와 인접한 쌍극자의 음전하 끝 부위 사이에 작용하는 쿨롱 인력에 기인한다. 산소와 공유결합을 일으킬 때, 수소가 갖는 하나의 전자는 그 물질로 옮겨가고, 남은 양성자(proton)는 음이온으로 하전 된 다른 원소에 정전기적인 인력이 작용한다. 수소결합의 존재에 대한 관측은 수소 진동에 의한 밴드의 심한 이동과 넓어짐을 보여주는 적외선 분광계로 가능하다.

 

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