상호확산계수 - interdiffusion coefficient

상호 확산 계수(interdiffusion coefficient)의 의미

상호 확산 계수(interdiffusion coefficient)는 두 개의 서로 다른 고체상에 있는 원자나 분자가 서로 확산되어 새로운 고체상이 생성되는 속도를 나타냅니다. 이 과정을 상호 확산이라고 하며, 두 고체 단계 사이에 존재하는 농도 차이로 인해 발생합니다. 상호 확산 계수는 상호 확산이 발생하는 속도의 척도가 되며 서로 다른 조건에서 재료의 상변태, 금속간 화합물의 성장 속도 등을 이해하고 예측하는 데 필수적인 매개 변수입니다.

 

상호 확산 계수는 온도, 조성, 결정 구조 및 결함의 밀도와 같은 다양한 요인에 따라 달라집니다. 일반적으로, 그것은 서로 다른 조성의 두 재료를 접촉하고 서로 확산될 수 있는 확산 커플(diffusion couple)과 같은 실험을 사용하여 실험적으로 측정 할 수 있습니다. 그런 다음 확산되는 종의 농도 프로파일은 시간이 지남에 따라 측정되고, 결과 데이터로부터 상호 확산 계수가 계산됩니다.

 

Fick의 법칙에서 상호 확산 계수의 의미

다음 식의 Fick's 1st law와 같이 상호확산계수는 상호확산에 의한 유량 (flux)와 농도 구배를 연결시켜주는 역할을 하게 됩니다.

 

Fick's 1st law

 

상호 확산 계수는 일반적으로 농도의 함수로 표현되고, 다음과 같은 Fick의 제2법칙에 따라 표현될 수 있습니다.

Fick's 2nd law

 

상호 확산 계수를 구하는 법

이 식을 통해서 농도에 대한 닫힌 형태의 해답을 얻기는 힘들게 되고, 농도에 대한 해는 Matano-Boltzmann analysis로 구할 수 있습니다. Matano-Boltzmann analysis에 의해 일정한 간격으로 농도를 측정한 거리에 따른 농도의 변화(concentration profile)을 이용하여 상호학산계수를 구할 수 있습니다. 이 방법은 몇 가지 제한된 system에 대해서 적용이 가능합니다. 

 

상호 확산 계수는 신소재 개발 및 제조 공정 최적화와 같은 많은 실용적인 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 상호 확산 계수는 반도체 장치의 설계에서 중요한 매개 변수로, 기판 재료에 첨가 원소를 확산시킴으로서 전기적 특성 등의 물성을 제어할 수 있습니다. 마찬가지로 합금 생산에서, 상호 확산 계수는 구성 요소가 서로 확산되는 속도를 결정하여 최종 금속조직과 재료의 다양한 물리적, 화학적 특성에 영향을 미칩니다.