Crystal Structure [결정구조]

 

고체의 재료형태는 원자나 이온이 배열이 일정한지 아닌지에 따라서 분류될 수 있다. 결정구조를 가진 재료(Crystalline Material)는 원자들이 반복적이고 주기적인 배열로 이루어진 형태의 재료를 말하는데, 이는 LRO(Long-range order)가 존재하며 원자들이 3D 형태에서 반복적으로 위치하고 있다. 이들은 서로 가장 가까운 원자들에 연결(Bonding)되어 있다. 많은 금속, 세라믹재료, 폴리머재료 들은 고체화되는 과정에서 결정구조를 형성하게 된다. 결정구조를 형성하지 않는 재료들은 LRO이 없게되며, 이들은 비결정구조인데 Noncrystalline 또는 amorphous(확실한 형태가 없는, 무결정의) 재료라고 불린다. 

 

결정을 가진 고체들의 어떠한 특성들은 재료가 가지는 원자, 이온, 분자들이 배열되어 있는 방식에 따른 격자구조에 따라 달라진다. 세상에는 상당히 많고 다양한 격자구조를 가진 재료들이 많은데 아주 단순한 것 부터 상당히 복잡한 것 까지 다양하다. 보통 세라믹이나 Polymer 재료들이 상당히 복잡하다. 

 

격자구조들을 설명할 때, 보통 원자(atom)는 지름이 잘 표기된 구 형태로 표기되는데, 이를 Atomic hard-sphere model이라고 하며 이 모델에서 구들은 서로 가장 가까운 원자와 서로 닿아있음을 표시하고 있다. 

 

모든 원자들이 동일한 경우에는 Lattice 라는 용어를 Crystal structure와 같은 의미로 사용한다. 

 

 

Atomic hard-sphere model

 

 

 

원자단위에서의 결정형태는 원자들이 작은 그룹을 이루며 반복적인 형태를 나타낸다. 그러므로, 반복적인 결정 형태를 띄고 있는 재료에서 결정구조를 설명할 때 하나의 반복적인 원자들의 모임을 분리하여 설명하는 것이 편리한데, 이러한 작고 반복적인 형태를 Unit cell이라고 부른다. 

 

 

Unit cell

 

 

대부분의 결정구조의 Unit cell은 평행 6면체의 형태를 띄고 있다. 이 Unit cell은 결정구조 전체의 모습을 대표한다고 생각할 수있으며 격자 안에 들어있는 원자의 배치와 그 기하학적 구조를 쉽게 알 수 있게 해준다.

 

 

다음은 금속에서 대표적인 격자형태인 FCC(Face-Centerted Cubic)와 BCC(Body-Centerted Cubic)에 대해서 알아보자.

 

 

많은 결정형태의 금속은 Unit cell을 가지고 있는데, 이 unit cell은 각 꼭지점 부분에 원자들이 배치되어 있고, 6개의 모든 면의 중앙에도 원자들이 배치되어 있는 형태를 FCC(Face-Centerted Cubic) 면심입방구조라고 부른다. 이러한 형태를 가지는 대표적인 금속으로는 구리, 알루미늄, 금, 은 등이 있다. 

 

 

Face-Centered Cubic

 

 

FCC unit cell에서 내부의 구 형태의 원자들의 중심점은 대각선의 방향으로 서로 맞닿아 있다. 그렇기 때문에 이 정육면체의 한 변의 길이를 a 라고 하고 원자의 반지름을 R 이라고 했을 때 다음과 같은 식이 성립한다. 

 

a=2R√2

 

 

 

 

 

다음으로 BCC(Body-Centered Cubic) 체심입방구조에 대해서 알아보자.

 

 

 

BCC 구조는 8개의 꼭지점과 정육면체 중앙에 하나의 원자가 배치되어 있는 형태를 말한다. 중앙에 있는 원자와 꼭지점에 있는 원자들이 대각선 방향으로 맞닿아 있기 때문에 한 변의 길이를 a, 원자의 지름을 R 이라고 했을 때, Unit cell 한 변의 길이는 다음과 같은 식이 성립한다.

 

a=4R/√3

 

 

 

 

대표적으로 크롬, 철, 텅스텐과 같은 종류들이 있다. 

 

 

아래의 표는 16 종류의 금속과 그 격자형태, 원자의 지름에 대한 정보이다.

 

금속	결정구조	원자지름(nm)	금속	결정구조	원자지름(nm)
알루미늄	FCC	0.1431	몰리브뎀	BCC	0.1363
카드뮴	HCP	0.1490	니켈	FCC	0.1246
크롬	BCC	0.1249	백금	FCC	0.1387
코발트	HCP	0.1253	은	FCC	0.1445
구리	FCC	0.1278	탄탈럼	BCC	0.1430
금	FCC	0.1442	티타늄 (alpha)	HCP	0.1445
철 (alpha)	BCC	0.1241	텅스텐	BCC	0.1371
납	FCC	0.1750	아연	HCP	0.1332