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1. 결정 구조
1.1. 결정질과 비결정질 재료의 차이점
재료가 고체 상태를 지닐 때 원자 배열에서 결정질과 비결정질 구조(비정질 구조)로 구분된다. 결정질 구조는 3차원 주기적 구조를 가지는 반면에, 비결정질 구조는 원자 구조의 주기성이 나타나지 않는다. 결정질 구조는 광물을 이루는 원자들이 일정한 관계를 가지고 규칙적으로 배열된 것을 의미하며 금속이 해당된다. 비결정질 구조의 경우 규칙성이 없어 다소 불안정한 상태를 지니며 일정한 융점이 없는 특징을 지닌다. 플라스틱과 고무 등이 이에 해당된다.
1.2. 결정계의 종류 및 Bravais 격자
결정계의 종류 및 Bravais 격자는 단위격자(unit cell)의 형태와 크기에 따라 구분된다. 결정계는 변의 길이 a, b, c와 내각 α, β, γ를 조합하여 7가지 결정계로 분류된다. 이 7가지 결정계와 격자 중심화 방식이 조합되어 총 14가지의 공간격자(Bravais lattice)가 존재한다.
단순입방정(Simple Cubic), 체심입방정(Body Centered Cubic), 면심입방정(Face Centered Cubic), 조밀육방정(Hexagonal Closed Packed)은 금속의 기본 결정구조로 많이 사용된다. 각 격자구조는 원자가 배열되는 방식에 따라 배위수와 원자충진율이 달라진다.
단순입방정은 단위격자의 모서리 8개에 원자가 위치하고 있으며, 체심입방정은 여기에 추가로 체심에 원자가 하나 더 존재한다. 면심입방정은 모서리 8개와 면심에 1개씩 총 4개의 원자로 구성된다. 조밀육방정은 육각형 평면이 반복되는 구조로, 평면 사이에 원자가 추가로 위치한다.
이러한 결정구조는 재료의 전기적, 기계적 특성에 큰 영향을 미치므로 이해하는 것이 중요하다. 금속, 반도체, 세라믹 등 다양한 재료들이 이러한 Bravais 격자구조 중 하나 이상을 가지고 있다.
1.3. 밀러지수, 원자충진율, 배위수
밀러지수란 Bravais lattice의 결정 구조에서 결정 방향과 결정면을 3개의 정수 h, k, l을 이용하여 정의하는 방법이다. 결정면을 표시하는 기호로 x, y, z축을 어떤 면이 절편을 원자 간격으로 측정한 수의 역수 정수비를 (hkl)이라는 지수로 나타낸다. 이는 재료의 구조와 변형에 의한 slip을 표시하기 위해 사용된다. 먼저 표시된 각 좌표축에서 좌표와 만나는 평면(plane)을 확인한 뒤 그 역수를 취한다. 분수라면 가장 단순한 정수의 비를 나타낼 수 있도록 공통인수를 곱한다. 정수지수는 둥근 괄호 안에 콤마 없이 (hkl)으로 표시한다. 모든 지수 값의 반대 부호는 원점에서 반대 방향으로 평행하며 같은 거리에 있는 면을 의미한다""
원자충진율(Atomic Packing Factor, APF)이란 단위정(unit cell) 내에서 원자가 차지하는 부피의 비율을 나타낸다. APF = 단위정 내의 원자 부피 / 총 단위정 부피""
배위수(Coordination Number)란 고체 금속의 단위격자 속 원자를 둘러싸는 가장 가까운 원자의 수를 뜻하며, ...
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