[대한금속재료학회] X-ray 결정학 Chapter 2_Part 2 고려대 허무영 교수

간략한 요약

이 비디오에서는 재료 과학에서 중요한 개념인 공간군에 대해 설명합니다. 다양한 공간군(Im3m, Fm3m, Fd3m, F43m, P63/mmc)과 그에 따른 결정 구조(BCC, FCC, 다이아몬드, 섬아연광, HCP)를 살펴보고, 각 구조의 특징과 대표적인 재료 예시를 제시합니다. 또한 결정 결함이 결정 구조에 미치는 영향과 고용체의 종류에 대해서도 다룹니다.

• Im3m 공간군과 BCC 구조: 철(Fe), 텅스텐(W) 등의 예시를 통해 BCC 구조의 특징을 설명합니다.
• Fm3m 공간군과 FCC 구조: 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등의 귀금속이 FCC 구조를 가지며, 내식성이 우수함을 강조합니다.
• 결정 결함과 고용체: 점 결함, 선 결함, 면 결함 등의 종류를 설명하고, 치환형 고용체와 침입형 고용체의 차이점을 설명합니다.

Im3m 공간군과 BCC 구조

Im3m 공간군은 체심 입방(Body-Centered Cubic, BCC) 구조를 가지며, 격자점은 모서리와 체심에 위치합니다. PM3m 공간군에 해당하는 원소는 없지만, Im3m에 해당하는 원소는 많으며, 대표적인 예로 철(Fe)이 있습니다. 철은 상온에서 BCC 구조를 가지며, 격자 상수(Lattice Parameter)는 0.29315 나노미터입니다. 텅스텐(W) 또한 BCC 구조의 대표적인 예시입니다. 공간군 번호는 229번이며, 단위 셀(Unit Cell) 내에 두 개의 원자가 존재합니다.

Fm3m 공간군과 FCC 구조

Fm3m 공간군은 면심 입방(Face-Centered Cubic, FCC) 구조를 가지며, 격자점은 모서리와 면심에 위치합니다. FCC 구조는 단위 셀당 네 개의 격자점을 가지며, M3m 정군을 가집니다. 구리(Cu)는 대표적인 Fm3m 공간군에 속하며, 격자 상수는 0.3614입니다. 공간군 번호는 225번이며, 단위 셀 내에 네 개의 격자점이 존재합니다. 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 등의 귀금속이 FCC 구조를 가지며, 내식성이 우수합니다.

NaCl 구조

NaCl(소금)은 한 개의 Na 이온과 한 개의 Cl 이온이 하나의 격자점을 형성하는 FCC 구조를 가집니다. Na 이온은 모서리와 면심에 위치하며, Cl 이온 또한 동일하게 배치됩니다. 단위 셀 내에 네 개의 Na 이온과 네 개의 Cl 이온이 존재하며, 이는 FCC 구조의 특징을 나타냅니다. NaCl 구조는 Na 원자와 Cl 원자가 모두 동일한 격자 벡터로 결정 구조를 구성합니다.

CaF2 구조

CaF2(플루오라이트)는 Ca 이온이 FCC 구조를 이루고, F 이온이 Ca 이온 격자 내부에 위치하는 복잡한 구조를 가집니다. 단위 셀 내에 네 개의 Ca 이온과 여덟 개의 F 이온이 존재하며, 이는 한 개의 격자점당 한 개의 Ca 이온과 두 개의 F 이온으로 구성됨을 의미합니다. CaF2는 FM3m 공간군에 속하며, 큐빅 결정계를 가집니다.

다이아몬드 구조

다이아몬드는 FD3m 공간군에 속하며, FCC 격자에 탄소 원자가 특정 위치에 추가된 구조입니다. 단위 셀 내에 여덟 개의 탄소 원자가 존재하며, 이는 다이아몬드의 높은 경도를 설명하는 요인 중 하나입니다. 다이아몬드 구조는 FCC 격자의 1/4 지점에 추가적인 탄소 원자가 위치하여, 매우 단단한 결정 구조를 형성합니다.

섬아연광(ZnS) 구조

섬아연광(ZnS)은 F43m 공간군에 속하며, FCC 격자에 아연(Zn)과 황(S) 원자가 특정 위치에 배열된 구조입니다. 단위 셀 내에 네 개의 아연 원자와 네 개의 황 원자가 존재하며, 다이아몬드 구조와 유사하지만, 두 종류의 원자가 번갈아 배열되는 특징을 가집니다. 섬아연광은 다이아몬드만큼 단단하지는 않지만, 여전히 높은 경도를 나타냅니다.

P63/mmc 공간군과 HCP 구조

P63/mmc 공간군은 육방정계(Hexagonal) 구조를 가지며, 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 등이 대표적인 예시입니다. 육방정계는 A1과 A2 축의 길이가 같고, A3(C축)의 길이가 다른 특징을 가집니다. 이상적인 HCP 구조에서는 c/a 비가 1.633이지만, 실제 재료에서는 이 값에서 벗어나는 경우가 많습니다. HCP 구조는 FCC 구조에 비해 부식이 잘 일어나고, 소성 변형이 어려운 특징을 가집니다.

공간군과 정군의 관계

공간군은 격자점의 점 대칭 요소, 병진 조작, 스크루 축, 글라이드 면 등을 포함합니다. 공간군에서 병진 대칭을 제외하면 정군에 해당합니다. FM3m, Im3m, FD3m, F43m 등의 공간군은 m3m 정군을 가집니다. 공간군의 원점 재편에는 항상 m3m 점 대칭이 가능합니다.

결정 결함과 대칭

결정에는 항상 점 결함(공공), 선 결함(전위), 면 결함(결정립계, 적층 결함) 등의 결함이 존재합니다. 공공은 온도가 증가함에 따라 농도가 증가하며, 용융점 근처에서는 5,000개 또는 10,000개 중 한 개꼴로 존재합니다. 침입형 고용체는 모재 격자 내에 불순물이 침입하는 형태이며, 치환형 고용체는 모재 원자가 다른 원자로 치환되는 형태입니다. 고용체가 형성되면 격자 상수에 변동이 발생하지만, 평균적인 결정 구조는 유지되는 경우가 많습니다. 규칙 격자는 낮은 온도에서 안정하고, 불규칙 격자는 높은 온도에서 안정합니다.