부식

부식으로 인하여 생기는 가장 친근한 예가 바로 녹이다.

갈바닉 교환반응에 의한 나노입자의 형태변환 과정

부식(腐蝕)은 주위 환경과의 화학 반응으로 인하여 물질이 구성 원자로 분해되는 현상을 말한다. 일반적으로 이 낱말은 산소와 같은 산화제와 반응하여 금속이 전기화학적으로 산화되는 것을 가리킨다. 고용체 안에서 철 원자가 산화되어 철에 산화물이 생기는 것은 잘 알려진 전기화학적 부식의 한 예로, 이를 녹이 인다고 한다. 대한민국의 보통 사전들에서 부식은 대개 "금속이 주변의 화학 작용에 따라 변질되는 현상"으로 정의하지만 실제로 금속뿐만이 아닌 다른 물질과도 관련이 될 수 있다. 이를테면 세라믹이나 중합체도 부식을 일으킬 수 있다. 그러나 이러한 문맥에서는 감성(減成)이라는 용어가 흔히 쓰인다.

또, 부식은 화학 작용으로 인하여 금속이 벗겨지는 것을 뜻하기도 한다. 많은 화학 합금은 공기의 수분에 노출시키기만 하여도 부식되지만 이러한 과정은 특정한 물질들에 노출되어 일어난다. 부식은 물질에 구멍이 나거나 갈라지면 그 정도가 심화될 수 있다. 부식이 일어나기 어려운 성질은 내식성이라고 한다.

개요

부식은 썩어 문드러진다는 뜻으로, 과학에서는 암석이나 금속이 외부의 물질 등에 의해 성질이 변함을 뜻한다. 참고로 유기물이 썩어서 형태가 손상된 건 부패라고 한다. 공기 중의 산소와 수분에 의해 화학 반응이 일어나, 부동태피막이 파괴되어 생기는 부산물이 바로 녹이다. 부동태피막 자체도 화학반응으로 일어난 일종의 녹으로서 다른 점이라면 화합물 자체가 외부환경에 의해 거의 영향을 받지 않을 정도로 안정한 물질이고, 치밀하게 금속외부를 둘러싸고 있기 때문에 외부환경과 격리시켜 녹이 생기는 화학반응을 차단한다는 점이다. 녹은 환경에 따라 그 변화속도가 다른데, 수분 중에 소금기나 산(Acid)이 있으면 그 진행 속도가 좀 더 빨라진다.

자동차에 있어서 부식은 암덩어리 같은 존재로 차체가 부식되어 주행 중 차가 주저앉아 교통사고가 발생하는 경우가 종종 있다.

부식의 영향 요소

• 화학반응이 수반되므로 진행속도는 주변 화학농도와 온도에 의존
• 구조상 기계적 응력과 유속에 의한 마찰력 등의 요소가 부식에 기여
• 전기 화학적 기구(Electrochemical mechanism)에 의해 발생

부식의 원리

금속의 전기 화학적 부식은 일반적으로 수소에 대해 양극적인 금속에서 발생

• 산화반응: 분자, 원자 또는 이온이 산소를 얻거나 수소 또는 전자를 '잃는' 것
• 환원반응: 분자, 원자 또는 이온이 산소를 잃거나 수소 또는 전자를 '얻는' 것

전기화학적 과정에서 요구 되는 사항

• 양극(Anode): 전자를 잃어, Active potential이 되어 부식이 진행되는 양극존재
• 음극(Cathode): 전자를 얻어, Nobel potential이 되어 방식이 진행되는 음극존재
• 연결회로(Return circuit): 양극과 음극이 전기적으로 접촉하고 전자와 전류이동
• 전해질용액(Electrolyte): 금속이온들이 용출 되는 수용액

전기화학적 기구에 의해서 발생하는 이러한 금속 부식은 금속이 그들의 본래 상태인 산화물로 되돌아 가려는 본질적인 성질 또는 자연적인 경향이다.

부식의 환경요소

• 습도

높은 습도, 수분, 정체된 물 등은 전해질 역할을 하여 부식 조장

건조한 분위기보다 습한 분위기에서는 부식속도 증가

• 산소

부식속도 증가

매설되거나 침적된 조건에서 산소 농도가 높은 부위와 접촉하는 부위는 산소 농도가 낮은 접촉 부위에 비하여 Cathode로 작용

• 화학 염(Chemical Salts)

화학 염의 입자는 전해질 효율을 증대시킴으로써 부식속도 증가

겨울철 사용한 제설제는 차에 잔류하여 공기 중 수분을 빨아들이는 흡습성으로 자동차 부식촉진

• 온도

저온에서 부식속도 감소

• 화학약품 및 가스

황화수소 같은 대기 중 유해가스는 수분과 반응하여 산이나 알칼리성의 전해질을 형성함으로써 부식 조장

종류

• 응력 부식(Stress corrosion cracking, SCC) : 가해진 응력이 부식분위기 하에서 부식균열의 생성과 성장을 가속화시켜 파손에 이르게 하는 손상이다.
• 소공 부식(Pitting corrosion) : 금속표면에 발생하는 국부적인 부식현상으로 구멍이나 Pit를 생성한다.
• 입계 부식(Intergranular corrosion) : 단시간에 고열에 노출된 곳의 부동태피막이 파괴되어 그 부분으로부터 부식이 발생한 것. 용접이 대표적이나, 보일러 배관에서도 이러한 부식을 쉽게 볼 수 있다.
• 균열 부식(Crevice corrosion) : 균열부식은 Gasket, Rivet, Bolt 등이 형성하는 폭이 수 mm 혹은 수 μm 이하의 틈에서 발생하는 국부적인 전기화학적 부식 손상형태로 틈 부식으로도 명명. 산소와 수소의 자동촉매, 자기증식과정에 의해 발생한다.
• 갈바닉 부식(Galvanic corrosion) : 두 금속이 접촉하여 부식분위기에서 사용될 경우 금속 이온화 경향의 순서에 따라 이온화 경향이 큰 금속이 전자를 잃고 양이온화하며 부식이 일어나는 현상이다.
• 염기성 부식(Caustic corrosion) : 농축된 Sodium Hydroxide (NaOH)가 금속과 반응하여 표면에 반구 혹은 타원형의 부식손상을 남기는 부식이다.
• 선택 부식(Selective leaching) : 합금성분 중 특정 성분만이 용해 되며, 내식성이 큰 금속부분만 남아 강도가 약한 다공성이 되는 부식이다.
• 침식 부식(Erosion corrosion) : 금속재료 표면과 부식용액의 상대적 운동에 따라 부식용액이 금속표면에 대하여 기계적 작용과 전기화학적 부식이 동시에 일어나게 되어 재료의 손상을 가속화 시키는 현상이다.

부식과 배터리

리튬이온 배터리의 대안 중 하나로 물 기반의 전해질을 사용해 폭발 위험이 없는 아연이온 2차전지가 연구되고 있다. 하지만 기존 아연이온 2차전지도 아연금속 음극(-)이 물 기반 전해질에서 부식되고, 아연이온이 금속 표면에 나뭇가지 형태의 결정(덴드라이트)으로 쌓이면서 전극 간 단락을 일으켜 효율이 급격히 떨어지는 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위해 아연금속 복합화, 표면코팅, 형상 변형 등 다양한 시도가 이뤄지고 있으나 값비싼 공정비용과 시간 소모 등으로 산업화를 위한 해법은 되지 못하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST)은 아연 금속 전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가 차단하는 '주기적 양극산화 공법(cyclic anodizing)을 적용해 표면을 아연금속 육각뿔 피라미드(hexagonal pyramid)가 촘촘하게 배열된 형태로 만들고, 육각뿔 표면에 산화아연 막을 형성해 전기화학 반응 중에 덴드라이트가 발생하는 것을 원천적으로 억제했다. 이렇게 만든 육각뿔 피라미드의 꼭짓점 부분에는 산화아연 막이 두껍게, 측면에는 얇게 형성돼 아연금속과 전해질이 직접 접촉하는 것을 막아 부식을 방지하는 것으로 나타났다. 나아가 금속 표면에 수직방향으로 쌓이는 덴드라이트가 형성되는 것도 효과적으로 억제하는 것으로 확인됐다.

또한 쓸모없는 것으로 여겨지던 금속의 부식원리를 이용해 배터리의 용량을 높일 수 있는 기술이 개발됐다. 부식된 금속은 수명이 다한 것으로 여겨진다. 하지만 부식의 원리를 토대로 유용한 기술을 개발한 사례가 나왔다. 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단은 부식의 원리를 나노입자에 적용해, 배터리의 용량을 3배 높일 수 있는 기술을 개발했다. 금속의 부식을 과학적으로는 '갈바닉 교환반응'으로 불린다. 부식은 오히려 금속을 유용하게 사용할 수 있는 기회가 되기도 한다. 금속은 부식 과정에서 구멍이 많은 구조로 바뀌고, 이때 표면적이 넓어지기 때문에 반응성이 좋아진다. 또 '녹'처럼 두 가지 이상의 금속이 혼합돼 화학적으로 시너지 효과를 내는 경우도 있다. 연구진은 갈바닉 교환반응을 금속 산화물 나노입자에 적용해 산화철-산화망간 이종접합 나노구조를 적용했다. 개발한 나노구조를 리튬이온 배터리의 음극으로 사용한 결과 배터리의 용량이 3배 이상 높아졌다. 다공성 구조가 물질의 이동을 원활하게 해 에너지 저장능력이 획기적으로 증가된 것이다. 연구진은 이 구조를 리튬이온 배터리와 태양전지 등 에너지 소자에 적용해 성능을 획기적으로 개선해나갈 계획이다. 연구결과는 2013년 최고 권위의 국제학술지 '사이언스(Science)'에 실렸다.

참고자료

• 부식종류와 원인 - http://www.randb.co.kr/wp-content/uploads/2017/12/TN22-Corrosion-information1.pdf
• 〈부식〉, 《나무위키》
• 〈부식〉, 《위키백과》
• 기초과학연구원, 〈금속의 쓸모 있는 부식, 배터리 용량 높인다〉, 《네이버 포스트》, 2019-07-19
• 이주영 기자, 〈(사이테크 플러스) 폭발·화재 위험 없는 아연이온전지 '전극부식' 해법 찾았다〉, 《연합뉴스》, 2020-08-11

같이 보기

• 산화제
• 2차전지
• 아연이온

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