결정질 고체의 구조(결정구조)

기본개념 

 

고체 재료는 원자나 이온 간의 배열의 규칙성에 따라 구분 될 수 있다. 결정질 재료는 장범위의 원자 간에 반복적인 혹은 주기적인 배열이 존재하는 재료이다. 결정질 재료는 응고에 의해 원자들이 규칙적인 3차원 패턴을 형성하며 위치하게 되고, 원자는 최인접 원자와 결합하게 된다. 모든 금속과 대부분의 세라믹 재료, 일부의 폴리머는 통상적인 응고 조건에서 결정 구조를 형성한다. 결정화되지 않는 재료, 즉 장범위의 원자 규칙성이 존재하지 않는 비결정질 재료가 있다. 

 

 

결정구조

 

결정질 고체의 여러 성질은 재료 내의 원자, 이온, 분자의 배열 방식, 즉 결정 구조에 의해 결정된다. 장범위의 원자 규칙을 갖는 수많은 결정 구조가 있으며, 이러한 결정 구조는 비교적 간단한 구졸르 갖는 ㄱ므속에서부터 세라믹과 폴리머에서 볼 수 있는 극히 복잡한 구조에 이르기까지 실로 다양하다. 

 

결정 구조를 설명할 때 원자(혹은 이온)를 일정한 지름을 갖는 딱딱한 구로 생각할 수 있다. 이러한 접근은 원자구 모델로 지칭되며, 원자를 나타내는 구가 최인접 원자와 서로 접하고 있다고 생각한다. 

 

 

단위정 

 

결정 고체에서 원자 규칙은 작은 군의 원자들이 반복적인 패턴을 가지고 배열되는 것을 의미한다. 따라서 결정 구조를 나타내기 위해 결정 구졸르 단위정(Unit cell)이라 부르는 작은 반복 단위로 나누는 것이 편리하다. 대부분의 결정 구조에서 단위정은 세 종류의 평행한 면을 갖는 평행육면체나 각기둥의 구조를 지닌다. 단위정은 결정 구조의 대칭서응ㄹ 나타내기 위해 사용되고, 모든 원자의 위치는 이러한 단위정을 그 변(edge)을 따라 단위 길이의 정수배로 평행이동하여 나타낸다. 단위정은 결정 구조의 기본 결정 단위 혹은 결정 구조를 쌓는 단위 블럭과 같다고 할 수 있다. 

 

통상적으로 결정 구조는 단위정의 기하학적 구조와 단위정 내의 원자 위치에 의해 표기된다. 일반적으로 평행육방체의 모서리에 원자구의 중심이 오게 하는 것이 편리하다. 어떤 결정 구조는 한 개 이상의 단위정을 사용하여 나타내기도 하지만, 통상적으로는 기하학적으로 대칭성이 가장 좋은 단위정을 사용한다. 

 

 

금속의 결정 구조 

 

금속 재료의 결합은 금속 결합이며, 본질적으로 결합의 방향성이 없다. 따라서 최인접 원자의 개수나 위치에 대한 제약은 없다. 이러한 특성에 의해 금속의 결정 구조에서는 최인접 원자의 개수가 많고 높은 원자 조밀도를 갖는다. ㄱ므속의 결정 구졸르 원자구 모델을 이용하여 표현할 수 있는데, 이때 각 원자구는 금속 이온을 나타낸다. 대부분의 금속은 세 종류의 비교적 간단한 결정 구조를 가지고 있는데, 이는 면심입방구조, 체심입방 구조, 육방조밀 구조이다. 

 

 

금속 재료

면심입방구조(Face-centerd cubic, FCC) 

 

많은 금속의 결정 구조는 입방의 단위정을 가지고, 원자는 입방의 모서리와 면의 중심에 위치한다. 이러한 구조를 면심입방 구조라고 하며, 이러한 결정 구조를 갖는 금속에는 구리, 알루미늄, 금, 은 등이 있다. 이러한 구 혹은 이온 코어는 면의 대각선으로 서로 접하게 된다.

 

FCC 결정 구조에서 각 모서리의 원자는 여덟개의 인접 단위정에 의해 공유되며 면심의 원자는 두ㅐ 개의 단위정에 의해 공유 된다. 따라서 여덟개의 모서리 원자의 1/8과 여섯개의 면심 원자의 1/2에 해당되는 총 네개의 원자가 단위 입방정에 속하게 된다. 단위정은 모서리 원자의 중심을 잇는 입방의 부피를 가진다. 

 

모서리와 면심의 위치는 실제로 동일하다. 즉 원래의 모서리 원자에서 면심의 원자 위치로 입방을 이동하였을 때도 결정 구조는 변하지 않는다. 

 

배위수

 

결정 구조가 갖는 두 가지 중요한 성질은 배위수(coordination number)와 원자 충진율(atomic packing factor, APF)이다. 금속에서 각 원자는 같은 개수의 최인접 혹은 접촉 원자를 가지고 있으며, 이 수를 배위수라고 한다. 면심입방정에서 배위수는 12이다. 전면의 면심 원자는 모서리에 위치한 네 개의 인접 원자에 둘러싸여 있으며, 뒤쪽의 네 개의 면심 원자와 인접하며, 앞쪽의 다른 네 개의 면심 원자와도 인접하다. 원자 충진율은 원자구 모델을 가정하여, 단위정 내에서 원자구가 차지하는 부피 분율을 말한다. 

즉, 면심입방 구조에서 원자 충진율은 0.74이며, 이는 같은 크기의 구를 쌓는 가능한 방법 중 가장 높은 값의 충진율이다. 다. 

 

 

(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판