공융점

2개 이상의 성분으로 이루어진 고체 균일 혼합물의 온도-성분 상도표에서 고체의 녹는 온도가 가장 낮을 때의 성분을 나타내는 점을 공융점 (eutectic point)라고 한다. 'eutectic'은 '쉬운'과 '녹음'의 그리스어 'eu'와 'tectic'의 합성어이다. 모든 고체 혼합물에서 공융점을 갖는 것은 아니며, 공융 성분 혼합물의 깁스 에너지가 낮은 경우에만 있다. 공융점이 존재하는 합금은 땜납, 저온 접합, 치과 보철, 퓨즈, 온도 감응 장치 등에 사용된다.

목차

그림 1은 공융점이 존재하는 A-B 혼합물의 상도표이다.

각 영역은 다음과 같은 상태를 나타낸다.

L : A와 B의 액체 상태 혼합물

α : 순수한 A의 고체 결정

β : 순수한 B의 고체 결정

L + α : 액체와 A의 고체 결정이 공존하는 상태

L + β : 액체와 B의 고체 결정이 공존하는 상태

α + β : A와 B가 균일하게 혼합된 고체 결정

공융 성분의 A-B 고체 혼합물을 가열하면 A나 B의 녹는점보다 낮은 공융점에서 녹는다. 그림 1은 공융 성분 고체가 녹아 생기는 액체의 성분이 고체의 성분과 같다는 것을 보여준다.

그림 1.공융점이 있는 고체 혼합물의 상도표 ()

액체 혼합 용액의 온도가 낮아지면 응고가 일어난다. 이때 만들어지는 α 상은 성분 B를, β 상은 A 성분을 밀어낸다. 따라서 공융 성분의 α-β 상이 만들어진다. 모든 고체 혼합물의 상도표가 그림 1과 같이 공융점을 갖는 것은 아니며, 공융 성분의 깁스 에너지가 상대적으로 낮은 경우에만 그러한 점이 존재한다.

공융점이 존재하는 또 다른 이유는 고체-액체 계면의 표면 깁스 에너지이다. 공융 성분에서 α-β 상의 표면 깁스 에너지는 액체의 깁스 에너지와 균형을 이룬다. 이러한 계면의 에너지 균형을 유지되도록 공융 성분의 고체가 층상으로 자라나 공융 성분의 고체가 만들어진다.

(1) 주석(Sn)과 납(Pb)의 합금은 땜납으로 사용된다. 주석의 녹는점은 231.9°C, 납의 녹는점은 327.5°C인데, Sn₆₂Pb₃₈ 합금은 이들보다 낮은 183°C에서 녹는다.

그림 2. Pb-Sn 상도표 ()

(2) 금(Au)과 실리콘(Si)의 합금인 실리콘 칩은 금 도금된 기판 위에 공융 접합(eutectic bonding) 방식으로 고정된다. Au(97.15 wt %)-Si(2.85 wt %) 합금의 녹는점은 370°C이다.¹⁾

(3) 우드 합금(Wood's metal)은 화재 진압용 스프링클러, 기체 실린더의 폭발 방지 등에 쓰이는 Bi(50%)-Pb(26.7%)-Sn(13.3%)-Cd(10%) 합금의 녹는점은 70°C이다.²⁾

고고학적으로 청동기 시대를 규정하는 청동 brass)와 황동(bronze)은 구리를 주성분으로 하는 합금인데, 이들의 녹는점은 구리보다 낮아 가공에 유리하지만 다른 성분인 주석 혹은 아연의 녹는점보다는 훨씬 높기에, 이들은 공융점을 가진 혼합물이 아니다.

1.
2.