중세 문화 속의 주석 해충

여러분,

Readers may remember that I have had an interest in tin pest for some time. Tin pest can occur if nearly-pure tin is exposed to cold temperatures (<13.2^oC) for long periods of time. At the end of this post, I provide a short summary of the tin pest phenomenon. See this striking time lapse video of tin pest forming; I assume the time period is over many months.

이 글을 올리게 된 이유는 폴란드의 중세학자 베아타 리핀스카(Beata Lipińska) 씨가 ‘주석병(tin pest)’과 이것이 중세 문화, 특히 교회 오르간 파이프에 미친 영향을 연구하고 있기 때문입니다. 그녀는 역사적 관점이 아닌 다른 관점에서 주석병을 다룬 논문을 찾는 데 제가 도움을 줄 수 있는지 문의해 왔습니다. 독자 여러분 중 베아타 씨에게 도움이 될 만한 참고 문헌을 알고 계신 분은 [email protected]으로 직접 연락해 주시기 바랍니다.

그림 1. 플럼브리지(Plumbridge)산 Sn 0.05 Cu 합금에서 형성된 주석 부식. 아래에 인용된 논문을 참조하십시오.

주석의 동소체란 무엇인가?
주석은 동소체를 가지는 금속으로, 온도와 압력의 조건에 따라 서로 다른 결정 구조를 띤다는 것을 의미합니다. 주석에는 두 가지 동소체 형태가 있습니다. “일반” 또는 백색 베타 주석은 밀도가 7.31g/cm³인 안정된 사방정계 결정 구조를 가지고 있습니다. 13.^2°C이하로 냉각되면 베타 주석은 서서히 알파 주석으로 변합니다. “회색” 또는 알파 주석은 입방정계 구조를 가지며 밀도는 5.77g/cm³에 불과합니다. 알파 주석은 금속이 아닌 반도체이기도 합니다. 주석이 흰색에서 회색으로 변하면서 팽창하는 현상으로 인해 대부분의 주석 제품은 부서지게 됩니다.

흰색 주석이 회색 주석으로 변하는 거시적 과정은 약 18개월 정도 걸립니다. 주석병을 다룬 현대 사진 중 가장 유명한 것으로 여겨지는 이 사진은 그 현상을 매우 선명하게 보여줍니다.

This photo is titled "The Formation of Beta-Tin into Alpha-Tin in Sn-0.5Cu at T <10^oC" and is referenced from a paper by Y. Karlya, C. Gagg, andW.J.Plumbridge, "Tin pest in lead-free solders", inSoldering and Surface Mount Technology, 13/1 [2000] 39-40.

이 현상은 수세기 전부터 알려져 왔으며, ‘주석병’에 관한 흥미로운 이야기들이 많이 전해지고 있는데, 대부분은 사실 여부가 불분명한 일화일 가능성이 높습니다. 아마도 가장 유명한 이야기는 나폴레옹 군인들이 모스크바에서 후퇴하던 중, 군복에 달린 주석 단추들이 주석병으로 인해 부서져 버렸다는 일화일 것입니다. 중세 시대에 널리 퍼졌던 또 다른 일화로는, 북유럽 교회들의 주석 오르간 파이프가 훼손된 것이 사탄의 소행이라는 것이 있었는데, 이는 주석병에 걸린 주석이 마치 ‘병에 걸린’ 것처럼 보이기 때문입니다.

처음에 주석병은 “주석 질병”이나 “주석 역병”이라고 불렸습니다. 제 생각에 “주석병(tin pest)”이라는 이름은 “역병”을 뜻하는 단어의 독일어 번역에서 유래한 것으로 보입니다(즉, 독일어로 역병은 “pest”입니다).

재료에 대해 조금이라도 아는 사람이라면, 저온에서 베타 주석이 알파 주석으로 변환되는 현상은 직관적으로 이해하기 어렵게 느껴질 것입니다. 일반적으로 재료는 저온에서 수축하지 팽창하지 않습니다. 비록 그 메커니즘이 완전히 밝혀지지는 않은 것으로 보이지만, 이는 회색 알파 주석이 흰색 베타 주석보다 엔트로피가 낮기 때문일 가능성이 높습니다. 저온에서 열이 제거됨에 따라, 엔트로피가 더 낮은 상태가 더 안정적일 것으로 보입니다.

회색 주석으로의 변환에는 팽창이 수반되기 때문에, 주석 부식은 대개 가장자리, 모서리 또는 표면에서 시작됩니다. 이 시작 단계는 수십 개월이 걸릴 수 있지만, 일단 시작되면 변환이 급속히 진행되어 몇 달 안에 구조적 파손을 초래할 수 있습니다.

Although tin pest can form at <13.2^oC, most researchers believe that the kinetics are very sluggish at this temperature. There seems to be general agreement in the literature that the maximum rate of tin pest formation occurs at -30 to -40^oC.

건배,

론 박사