체심입방 구조와 육방조밀 구조

체심 입방 구조

 

금속의 결정 구조에서 많이 볼 수 있는 또 하나의 결정 구조는 입방 단위정의 8개 모서리와 입방의 중심에 하나의 원자가 위치한 구조인데, 이를 체심 입방 구조(Body Centered cubic, BCC) 구조라고 한다. 체심과 모서리 원자는 입방의 대각선 상에서 서로 접촉하고 있다.

 

크롬, 철, 텅스텐과 같은 금속들이 BCC 구조를 갖는다. 

 

각 BCC 단위정에는 두 개의 원자가 잇다 여덟 개의 모서리 원자는 한 개의 원자에 해당되며, 각각의 원자는 여덟 개의 단위정 상에 할당된다. 그리고 가운데 한 개의 원자는 그 단위정 안에 전체적으로 포함된다. 또한 모서리와 체심의 원자는 동등한 위치이다. BCC 결정 구조의 배 위수는 8이다. 각 체심 원자는 여덟개의 모서리 원자와 최근접 거리에 있다. BCC의 배위수는 FCC에 비해 작으며, 충진 율도 0.68로 FCC의 0.74에 비해 작다. 

 

 

육방 조밀 구조

 

모든 금속이 입방 대칭을 갖는 단위정을 가지지는 않는다. 마지막으로 금속에서 흔히 볼 수 있는 육방 구조(Hexagonal structure)에 대해 설명하고자 한다.

 

육방 조밀(Hexagocal close packed, HCP) 구조

단위정의 상부와 하부면은 여섯 개의 육각형을 이루며, 이들은 면 중심의 원자를 둘러싸고 있다. 또 다른 면은 세 개의 원자를 포함하고 있으며, 상부와 하부면의 중간에 위치하는데, 이러한 중간면의 원자는 인접한 두 면과 최인접 하고 있다. 여섯 개에 해당되는 원자가 각 단위정에 속해 있다. 즉 열두 개의 상부와 합 원자의 1/6과 면상에 위치한 두 개의 원자의 1/2, 중간면에 위치한 세 개의 원자이다. 만약 단위정의 단축과 장축의 길이를 a와 c라고 한다면, c/a의 비율은 1.633이 되어야 한다. 하지만 많은 HCP 금속은 이러한 이상적인 비율에서 벗어나 있다. 

HCP 결정의 배 위수와 원자 충진율은 FCC와 같은 12와 0.74이다. HCP 금속에는 카드뮴, 마그네슘, 티탄, 아연 등이 있다. 

 

 

동질 이상과 동소체 

 

많은 금속은 비금속의 경우에서와 같이, 하나 이상의 결정 구조를 가질 수 있으며, 이런 현상을 동질 이상(polymorphism)이라고 한다. 단일 고체에서 이러한 현상을 동소체(allotropy)라 한다. 결정 구조는 외부의 온도와 외압에 의해 결정된다. 쉬운 예는 탄소(carbon)에서 볼 수 있다. 흑연은 일반 환경에서는 안정된 동질이상체이나, 매우 높은 압력에서는 다이아몬드가 형성된다. 또한 순수 철은 상온에서 BCC구조를 가지나, 912C에서는 FCC 구조로 변한다. 대개의 경우, 동질이상 변태는 밀도와 물리적 성질의 변화를 수반한다. 

 

 

결정계

 

많은 종류의 가능한 결정 구조가 있으므로, 단위정(단위격자)의 형태와 원자의 배열에 따라 이들을 분류하는 것이 편리하다. 이러한 방법은 단위정의 기하학적 형태, 즉 단위정 내의 원자 위치와 무관한 평행 육면체의 적절한 단위정의 형태를 기초로 한다. 

 

이를 위해 x, y, z의 좌표계를 단위정의 한 모서리를 중심으로 만들고, 세 개의 평행 육면체의 각 변과 일치시킨다. 단위정의 기하학적 형태는 변의 길이 a, b, c 그리고 내축 간의 각도 d, e, f로 정의할 수 있다. 

이를 결정 구조의 격자 상수(Lattice parameter)라고 한다. 

 

주석(tin, 동소 변태)

 

동소 변태를 갖는 금속에 주석(tin)이 있다. 상온에서 체심 방정계 구조를 갖는 백색 주석은 13.2C에서 다이아몬드 구조(즉, 다이아몬드 입방 구조)와 유사한 결정 구조를 갖는 회색 주석으로 변태 된다. 이러한 변태가 일어나는 속도는 매우 느리다. 그러나 온도가 낮을수록(13.2C 이하), 속도는 빨라진다. 백색 주석-회색 주석 변태는 부피의 팽창(27%)과 이에 따른 밀도의 감소를 가져온다. 이러한 부피 팽창은 백색 주석 금속 제품을 회색 주석 동소체 분말의 형태로 분해시키게 된다. 일반적인 저온 날씨에서는 주석 제품의 분해를 염려할 필요가 없는데 이 변태의 속도가 매우 느리기 때문이다.

 

그러나 백색-회색 주석의 변이는 1850년 러시아에서 드라마틱한 결과를 초래하였다. 그 해 겨울은 유난히 춥고 기록적인 장기간 계속되었다. 이러한 강추위는 러시아 군인의 제복에 달려 있는 주석 버튼이나 주석으로 만든 교회 오르간 파이프를 부스러 뜨리는 결과를 초래하였으며, 이러한 사건을 주석 질병(tin disease)으로 명명하게 되었다. 

 

 

 

(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판