결정질 고체의 여러 성질은 내료 내의 원자, 이온, 분자의 배열 방식, 즉 결정 구조에 의해 결정됩니다. 그래서 우리는 금속의 결정 구조에 대해서 잘 알아야 하며 BCC (체심입방격자), FCC (면심입방격자), HCP (조밀육방격자)로 크게 나눠집니다.
금속의 결정
물질을 구성하고 있는 원자가 입체적으로 규칙적인 배열을 이루고 있을 때를 결정이고 하고 결정은 응고 중에 형성 됩니다. 금속은 일반적으로 많은 크고 작은 결정립이 모여서 무질서한 집합체를 이루게 됩니다. 금속은 BCC (체심입방격자), FCC (면심입방격자), HCP (조밀육방격자) 등의 비교적 간단한 3가지 격자 중에 어느 한가지로 이우러져 있습니다. 결정립과 결정립에 규칙적인 배열이 중단되며 불순물이 오는 곳을 결정립계라고 합니다.
- BCC : Body Centered Cubic
- FCC : Face Centered Cubic
- HCP : Hexagonal Closed-Packed
격자와 단위포 (unit cell)
격자는 원자 위치에 해당되는 점을 3차원으로 배열한 것을 이야기 합니다. 결정 고체를 잘 들여다 보면 규칙성을 찾을 수 있을수 있습니다. 원자들이 반복적인 패턴을 갖고 배열이 되는데 이 작은 반복 단위를 단위포 (unit cell)라고 합니다.
- 격자 : 결정 구조의 격자점은 원자, 이온, 분자 또는 분자의 집단이며 이들이 일정한 격식에 따라서 공간에 배열되어 있으며 이들 점이 배열을 공간격자라합니다. 공간 격자는 최소 단취인 단위포로 구성되어 있습니다.
- 단위포 (unit cell) : 공간 격자를 구성하고 있는 단위 부분입니다. 격자 상수는 단위포를 나타내는 상수를 이야기 합니다. 모서리 길이인 격자 상수 (a, b, c)와 모서리 사이의 각도 (α, β, γ)를 이용하여 표면하게 됩니다.
금속 결정의 종류
BCC (체심입방격자)
- 장단점 : FCC 결정의 금속보다 용융점이 높은 것이 많습니다. 가공에 의한 경화는 별로 없으나 전연성이 떨어집니다.
- BCC에 속한 주요 금속: Ba, Cr, K, W, Mo, V, Li, α-Fe 등이 있습니다.
- 구조 : 큐빅 (cubic) 구조에 8개 모서리와 중심에 하나의 원자가 위치하고 있습니다. BCC는 체심 원자와 모서리 원자가 대각선상에서 서로 접하고 있습니다.
- 채움율 : 68%
- 배위수 : 8 – 기준 원자 주변으로 8개의 원자가 있는 것을 확인할 수 있음 (아래 그림 참고)
- 단위격자당 원자 수 : 2 (아래 그림 참고)
FCC (면심입방격자)
- 장단점 : 전연성, 가공성이 좋으나 강도가 불충분합니다.
- FCC에 속하는 주요 금속 : Al, Ag, Au, Cu, Pt, Ni, Ca, Ir, Th, γ-Fe 등이 있습니다.
- 구조 : 큐빅의 단위포를 갖고 있으며 원자는 단위포 모서리와 면의 중심에 위치합니다.
- 채움율 : 74%
- 배위수 : 12 (FCC의 경우 2개를 연결해서 배위수를 세는게 편합니다. 기준 주변으로 12개의 원자가 있습니다.)
- 단위격자당 원자수 : 4 (면심 원자 3개, 꼭지점 원자 1개)
HCP (조밀육방격자)
- 장단점 : 전연성이 떨어지고 접착성이 안 좋습니다.
- HCP에 속하는 주요 금속 : Mg, Zn, Be, Cd, Ti, Zr, La, Ce. Co 등이 있습니다.
- 구조: 상부와 하부면은 육각형을 이루며, 면 중심의 원자를 둘러싸고 있습니다.
- 채움률 : 74%
- 배위수 : 12 (2개를 연결하여 배위수를 세는 것이 쉽습니다)
- 단위격자당 원자수 : 6
※ 채움률, 배위수, 단위격자당 원자수 기본 정의
- 채움률 (atomic packing factor : APF) : 채움률은 단위 세푀에 입자가 채워져 있는 비율을 퍼센트로 나타난 것을 의미합니다.
- 배위수 (coordination number : CN) : 배위수는 한 입자를 기준으로 가장 가까이 있는 입자의 수를 의미합니다.
- 단위격자당 원자수 (the number of atoms per unit cell) : 하나의 단위 격자당 포함된 원자 수를 의미합니다.