DSC 결과를 통해 보는 입자의 결정성

물질을 구성하는 입자(분자 또는 원자, 이온)의 배열에 따라 소재의 물리적, 화학적, 기계적 성질은 달라지는데요. 이런 특성은 DSC 분석 결과에도 차이를 만듭니다. 이번 포스팅에서는 분자의 배열에 따라서 발생하는 차이에 대해 간단히 알아보는 시간을 가지겠습니다.

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입자 배열에 따른 고체의 분류는 대표적으로 3가지를 들 수 있습니다. 결정성, 비결정성, 반결정성 고체이며 각각의 특성은 다음과 같습니다.

결정성 고체 (Crystalline solid)
예시 : 염화나트륨(NaCl), 다이아몬드(C), 석영(SiO₂) 대부분의 금속 등

• 분자(또는 원자, 이온)가 규칙적이고 주기적으로 배열되어 있음
• 대표적인 특징으로는 이방성(anisotropic)이 있음
  ※이방성 : 결정 방향에 따라 물리적 특성 (ex. 열전도도, 전기전도도)의 차이가 있음
• 균일한 구조로 인해 높은 기계적 강도를 가지는 경우가 많음

비결정성 고체 (Amorphous soild)
예시 : 유리(SiO₂), 고무 등

• 비정질 고체 또는 무정형 고체라고도 함
• 분자가 불규칙적으로 배열되어 있음
• 일반적으로 등방성 (Isotropic)임. 방향에 상관없이 같은 특성을 가짐
• 균일하지 않아 쉽게 부서지거나 깨짐. 또는, 유연한 성질을 가지기도 함

반결정성 고체 (Semi-crystalline soild)

예시 : 나일론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등

• 결정성 영역 및 비결정성 영역이 공존
• 결정성 고체와 비결정성 고체의 사이 특성을 지님
• 강도와 유연성이 있음

이처럼 입자 배열은 다양한 성질의 차이를 만들 수 있고 그 이유는 다음과 같습니다.

결정성 고체

• 유리전이온도 : X
  유리전이란 온도가 증가함에 따라 나타나는 분자 (입자)의 점진적 운동성 증가입니다. 결정성 물질에서는 규칙적인 구조가 분자의 자유도를 강하게 억제하고 있기 때문에 점진적인 운동성 증가는 매우 미약합니다. 따라서 결정성 고체에서 유리전이는 일반적으로 나타나지 않거나, 매우 미약하게 나타나게 됩니다.

• 녹는점(용융) : O
  뚜렷한 상변화를 동반하는 용융은 규칙적인 격자 구조를 깨트리며 일어납니다. 이는 특정 온도에서 많은 에너지를 필요로 하기 때문에 DSC Curve 상에서 명확한 녹는점 피크(Peak)가 나타납니다.

• 결정화 : O
  액상으로 변해 비정질(Amorphous) 상태가 된 결정성 물질을 다시 냉각하면 결정이 생성되고, DSC Curve 상에서는 뚜렷한 피크를 관찰할 수 있습니다.

비결정성 고체

• 유리전이온도 : O
  비결정성 고체의 무질서한 구조는 분자의 운동성을 강하게 제한하지 않습니다. 때문에 특정 온도를 시작으로 비교적 단단하고 깨지기 쉬운 유리 상태에서 유연하고 부드러운 고무 상태로 변하게 되어 확연한 유리전이를 관찰할 수 있습니다.

• 녹는점(용융) : X
  유리전이를 거쳐 고무 상태로 변한 비결정성 물질을 계속 가열하면 점차 유동성이 증가하며 액체 상태로 변합니다. 유동성이 점진적으로 증가하기 때문에 뚜렷한 녹는점이 나타나지 않아 일반적으로 용융보다는 연화 (softening) 과정으로 표현합니다.
• 결정화 : X
  비결정성 물질은 다시 냉각해도 일반적으로 비결정성 고체가 되므로 일반적으로 결정화 피크를 관찰할 수 없습니다.

반결정성 고체

• 유리전이, 녹는점, 결정화 관찰 가능
  반결정성 고체 특성상 결정성 영역과 비결정성 영역을 모두 가지고 있어 유리전이, 용융, 결정화 모두 나타날 수 있습니다. 하지만 결정화도에 따라 유리전이와 녹는점의 뚜렷한 구분에서 차이가 발생할 수 있습니다.
  ex) 유리전이가 미약하고 녹는점이 뚜렷하거나, 그 반대의 경우 발생

뿐만 아니라 유리전이와 용융 이후에는 비열도 바뀌게 되는데요. 유리전이와 용융 이후에 비열이 바뀌는 경향은 아래 그래프와 같은 차이를 보입니다.