๊ณ ์ฒด ๋ฌผ๋ฆฌํ์ ๊ธฐ์ด ์๋ฆฌ๋ฅผ ํ๊ตฌํฉ๋๋ค. ์ด ์ข ํฉ ๊ฐ์ด๋๋ ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ, ๊ฒฉ์, ๊ฒฐํจ ๋ฐ ์ด๊ฒ์ด ์ฌ๋ฃ ํน์ฑ์ ๋ฏธ์น๋ ์ฌ๋ํ ์ํฅ์ ์ฌ๋ ์๊ฒ ๋ค๋ฃน๋๋ค.
๋ฌผ์ง์ ๋น๋ฐ์ ํ๋ค: ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ์ ๊ทธ ํน์ฑ์ ๋ํ ์ฌ์ธต ํ๊ตฌ
์ฃผ์๋ฅผ ๋๋ฌ๋ณด์ธ์. ์์์ ์ค๋งํธํฐ, ๊ณ ์ธต ๋น๋ฉ์ ๊ฐ์ฒ ๋น, ๋์งํธ ์ธ์์ ๊ตฌ๋ํ๋ ์ค๋ฆฌ์ฝ ์นฉ ๋ฑ ํ๋ ๊ณตํ์ ๋ชจ๋ ๊ฒฝ์ด๋ก์์ ์ก์์ผ๋ก๋ ๋ณด์ด์ง ์๋ ์์๋ค์ ์ ๋ฐํ๊ณ ์ง์์ ์ฐํ ๋ฐฐ์ด์ ์ํด ์ ์๋ฉ๋๋ค. ์ด ๊ทผ๋ณธ์ ์ธ ์กฐ์ง์ ๊ณ ์ฒด ๋ฌผ๋ฆฌํ(solid state physics)์ ์์ญ์ด๋ฉฐ, ๊ทธ ์ค์ฌ์๋ ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ(crystal structure)๋ผ๋ ๊ฐ๋ ์ด ์์ต๋๋ค.
๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ์ดํดํ๋ ๊ฒ์ ๋จ์ํ ํ๋ฌธ์ ์ธ ํ๋์ด ์๋๋๋ค. ์ด๋ ์ฌ๋ฃ์ ํน์ฑ์ ์์ธกํ๊ณ , ์ค๋ช ํ๋ฉฐ, ๊ถ๊ทน์ ์ผ๋ก ๊ณตํ์ ์ผ๋ก ์ค๊ณํ๊ธฐ ์ํ ์ด์ ์ ๋๋ค. ์ ๋ค์ด์๋ชฌ๋๋ ๊ฐ์ฅ ๋จ๋จํ ์ฒ์ฐ ๋ฌผ์ง์ธ ๋ฐ๋ฉด, ๋๊ฐ์ด ์์ํ ํ์์ธ ํ์ฐ์ ๋ถ๋๋ฝ๊ณ ๋ฏธ๋๋ฌ์ธ๊น์? ์ ๊ตฌ๋ฆฌ๋ ๋ฐ์ด๋ ์ ๊ธฐ ์ ๋์ฒด์ธ ๋ฐ๋ฉด, ์ค๋ฆฌ์ฝ์ ๋ฐ๋์ฒด์ผ๊น์? ๊ทธ ํด๋ต์ ๊ตฌ์ฑ ์์๋ค์ ๋ฏธ์์ ์ธ ๊ตฌ์กฐ์ ์์ต๋๋ค. ์ด ๊ธ์ ์ฌ๋ฌ๋ถ์ ์ด ์ง์์ ์ฐํ ์ธ๊ณ๋ก ์๋ดํ์ฌ, ๊ฒฐ์ ์ง ๊ณ ์ฒด์ ๊ตฌ์ฑ ์์์ ๊ทธ ๊ตฌ์กฐ๊ฐ ์ฐ๋ฆฌ๊ฐ ๋งค์ผ ๊ด์ฐฐํ๊ณ ํ์ฉํ๋ ํน์ฑ์ ์ด๋ป๊ฒ ๊ฒฐ์ ํ๋์ง ํ๊ตฌํ ๊ฒ์ ๋๋ค.
๊ตฌ์ฑ ์์: ๊ฒฉ์์ ๋จ์ํฌ
๊ฒฐ์ ๋ด ์์๋ค์ ์ง์ ์๋ ๋ฐฐ์ด์ ์ค๋ช ํ๊ธฐ ์ํด, ์ฐ๋ฆฌ๋ ๊ฒฉ์์ ๋จ์ํฌ๋ผ๋ ๋ ๊ฐ์ง ๊ทผ๋ณธ์ ์ด๊ณ ๊ด๋ จ๋ ๊ฐ๋ ์ ์ฌ์ฉํฉ๋๋ค.
๊ฒฐ์ ๊ฒฉ์๋ ๋ฌด์์ธ๊ฐ?
๊ณต๊ฐ์์ ๋ฌดํํ ๋ป์ด ์๋ 3์ฐจ์ ์ ๋ค์ ๋ฐฐ์ด์ ์์ํด ๋ณด์ธ์. ๊ฐ ์ ์ ๋ค๋ฅธ ๋ชจ๋ ์ ๊ณผ ๋์ผํ ํ๊ฒฝ์ ๊ฐ์ง๋๋ค. ์ด ์ถ์์ ์ธ ํ์ ๋ธ๋ผ๋ฒ ๊ฒฉ์(Bravais lattice)๋ผ๊ณ ํฉ๋๋ค. ์ด๊ฒ์ ๊ฒฐ์ ์ ์ฃผ๊ธฐ์ฑ์ ๋ํ๋ด๋ ์์ ํ ์ํ์ ์ธ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ๋๋ค. ๊ฒฐ์ ์ด ์ง์ด์ง๋ ๋น๊ณ(scaffolding)๋ผ๊ณ ์๊ฐํ๋ฉด ๋ฉ๋๋ค.
์ด์ ์ค์ ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ๋ง๋ค๊ธฐ ์ํด, ์ด ๊ฒฉ์์ ๊ฐ ์ ์ ํ๋ ์ด์์ ์์๋ก ์ด๋ฃจ์ด์ง ๋์ผํ ๊ทธ๋ฃน์ ๋ฐฐ์นํฉ๋๋ค. ์ด ์์ ๊ทธ๋ฃน์ ๊ธฐ์ (basis)๋ผ๊ณ ํฉ๋๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๊ฒฐ์ ์ ๋ํ ๊ณต์์ ๊ฐ๋จํฉ๋๋ค:
๊ฒฉ์ + ๊ธฐ์ = ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ
๊ฐ๋จํ ์๋ก ๋ฒฝ์ง๋ฅผ ๋ค ์ ์์ต๋๋ค. ๋ชจํฐํ(๊ฝ๊ณผ ๊ฐ์)๋ฅผ ๋ฐฐ์นํ ์ ๋ค์ ๋ฐ๋ณต์ ์ธ ํจํด์ด ๊ฒฉ์์ ๋๋ค. ๊ฝ ์์ฒด๊ฐ ๊ธฐ์ ์ ๋๋ค. ์ด ๋์ด ํฉ์ณ์ ธ ์์ ํ ํจํด์ ๋ฒฝ์ง๋ฅผ ๋ง๋ญ๋๋ค.
๋จ์ํฌ: ๋ฐ๋ณต๋๋ ํจํด
๊ฒฉ์๋ ๋ฌดํํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ ์ฒด ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ์ค๋ช ํ๋ ๊ฒ์ ๋นํ์ค์ ์ ๋๋ค. ๋์ , ํจ๊ป ์์์ ๋ ์ ์ฒด ๊ฒฐ์ ์ ์ฌํํ ์ ์๋ ๊ฐ์ฅ ์์ ๋ฐ๋ณต ๋ถํผ๋ฅผ ์๋ณํฉ๋๋ค. ์ด ๊ทผ๋ณธ์ ์ธ ๊ตฌ์ฑ ์์๋ฅผ ๋จ์ํฌ(unit cell)๋ผ๊ณ ํฉ๋๋ค.
๋จ์ํฌ์๋ ๋ ๊ฐ์ง ์ฃผ์ ์ ํ์ด ์์ต๋๋ค:
- ์์ ๋จ์ํฌ(Primitive Unit Cell): ๊ฐ์ฅ ์์ ๊ฐ๋ฅํ ๋จ์ํฌ๋ก, ์ด ํ๋์ ๊ฒฉ์์ ๋ง์ ํฌํจํฉ๋๋ค (์ข ์ข ๊ฐ ๊ผญ์ง์ ์ ์ ์ด ์๊ณ , ๊ฐ ๊ผญ์ง์ ์ 8๊ฐ์ ์ธ์ ํ ํฌ์ ์ํด ๊ณต์ ๋๋ฏ๋ก 8๊ฐ ๊ผญ์ง์ ร ๊ผญ์ง์ ๋น 1/8 = 1๊ฐ์ ๊ฒฉ์์ ).
- ๊ด์ฉ ๋จ์ํฌ(Conventional Unit Cell): ๋๋ก๋ ๋ ํฐ ๋จ์ํฌ๊ฐ ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ์ ๋์นญ์ฑ์ ๋ ๋ช ํํ๊ฒ ๋ํ๋ด๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ ํ๋ฉ๋๋ค. ์ด๋ ๊ฐ์ฅ ์์ ๋ถํผ๊ฐ ์๋๋๋ผ๋ ์๊ฐํํ๊ณ ์์ ํ๊ธฐ์ ๋ ์ฌ์ด ๊ฒฝ์ฐ๊ฐ ๋ง์ต๋๋ค. ์๋ฅผ ๋ค์ด, ๋ฉด์ฌ์ ๋ฐฉ(FCC) ๊ด์ฉ ๋จ์ํฌ๋ 4๊ฐ์ ๊ฒฉ์์ ์ ํฌํจํฉ๋๋ค.
14๊ฐ์ ๋ธ๋ผ๋ฒ ๊ฒฉ์: ๋ณดํธ์ ๋ถ๋ฅ
19์ธ๊ธฐ์ ํ๋์ค ๋ฌผ๋ฆฌํ์ ์ค๊ท์คํธ ๋ธ๋ผ๋ฒ ๋ 3์ฐจ์ ๊ฒฉ์์์ ์ ์ ๋ฐฐ์ดํ๋ ๋ฐฉ๋ฒ์ด 14๊ฐ์ง ๊ณ ์ ํ ๋ฐฉ์๋ฐ์ ์์์ ์ฆ๋ช ํ์ต๋๋ค. ์ด 14๊ฐ์ ๋ธ๋ผ๋ฒ ๊ฒฉ์๋ ๋จ์ํฌ์ ๊ธฐํํ์ ํํ(๋ณ์ ๊ธธ์ด a, b, c์ ๊ทธ ์ฌ์ด์ ๊ฐ๋ ฮฑ, ฮฒ, ฮณ)์ ๋ฐ๋ผ ๋ถ๋ฅ๋๋ 7๊ฐ์ง ๊ฒฐ์ ๊ณ(crystal systems)๋ก ๊ทธ๋ฃนํ๋ฉ๋๋ค.
- ์ ๋ฐฉ์ ๊ณ(Cubic): (a=b=c, ฮฑ=ฮฒ=ฮณ=90ยฐ) - ๋จ์์ ๋ฐฉ(SC), ์ฒด์ฌ์ ๋ฐฉ(BCC), ๋ฉด์ฌ์ ๋ฐฉ(FCC) ํฌํจ.
- ์ ๋ฐฉ์ ๊ณ(Tetragonal): (a=bโ c, ฮฑ=ฮฒ=ฮณ=90ยฐ)
- ์ฌ๋ฐฉ์ ๊ณ(Orthorhombic): (aโ bโ c, ฮฑ=ฮฒ=ฮณ=90ยฐ)
- ์ก๋ฐฉ์ ๊ณ(Hexagonal): (a=bโ c, ฮฑ=ฮฒ=90ยฐ, ฮณ=120ยฐ)
- ๋ฅ๋ฉด์ฒด์ ๊ณ(Rhombohedral) (๋๋ ์ผ๋ฐฉ์ ๊ณ(Trigonal)): (a=b=c, ฮฑ=ฮฒ=ฮณโ 90ยฐ)
- ๋จ์ฌ์ ๊ณ(Monoclinic): (aโ bโ c, ฮฑ=ฮณ=90ยฐ, ฮฒโ 90ยฐ)
- ์ผ์ฌ์ ๊ณ(Triclinic): (aโ bโ c, ฮฑโ ฮฒโ ฮณโ 90ยฐ)
์ด ์ฒด๊ณ์ ์ธ ๋ถ๋ฅ๋ ์ ์ธ๊ณ ๊ฒฐ์ ํ์๋ค๊ณผ ์ฌ๋ฃ ๊ณผํ์๋ค์๊ฒ ๋ณดํธ์ ์ธ ์ธ์ด๋ฅผ ์ ๊ณตํ๋ฉฐ ๋งค์ฐ ๊ฐ๋ ฅํฉ๋๋ค.
๋ฐฉํฅ๊ณผ ๋ฉด ๊ธฐ์ ํ๊ธฐ: ๋ฐ๋ฌ ์ง์
๊ฒฐ์ ๋ด์์๋ ๋ชจ๋ ๋ฐฉํฅ์ด ๋๋ฑํ์ง ์์ต๋๋ค. ์ธก์ ํ๋ ๋ฐฉํฅ์ ๋ฐ๋ผ ํน์ฑ์ด ํฌ๊ฒ ๋ฌ๋ผ์ง ์ ์์ต๋๋ค. ์ด๋ฌํ ๋ฐฉํฅ ์์กด์ฑ์ ๋น๋ฑ๋ฐฉ์ฑ(anisotropy)์ด๋ผ๊ณ ํฉ๋๋ค. ๊ฒฐ์ ๊ฒฉ์ ๋ด์ ๋ฐฉํฅ๊ณผ ๋ฉด์ ์ ๋ฐํ๊ฒ ๊ธฐ์ ํ๊ธฐ ์ํด ๋ฐ๋ฌ ์ง์(Miller Indices)๋ผ๋ ํ๊ธฐ๋ฒ์ ์ฌ์ฉํฉ๋๋ค.
๋ฉด(hkl)์ ๋ํ ๋ฐ๋ฌ ์ง์ ๊ฒฐ์ ๋ฐฉ๋ฒ
๋ฉด์ ๋ฐ๋ฌ ์ง์๋ (hkl)๊ณผ ๊ฐ์ด ์ธ ๊ฐ์ ์ ์๋ก ๊ดํธ ์์ ๋ํ๋ ๋๋ค. ์ด๋ฅผ ์ฐพ๋ ์ผ๋ฐ์ ์ธ ์ ์ฐจ๋ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ต๋๋ค:
- ์ ํธ ์ฐพ๊ธฐ: ๋จ์ํฌ์ ํฌ๊ธฐ ๋จ์๋ก ๊ฒฐ์ ์ถ(a, b, c)๊ณผ ๋ฉด์ด ๋ง๋๋ ์ ์ ๊ฒฐ์ ํฉ๋๋ค. ๋ง์ฝ ๋ฉด์ด ์ถ๊ณผ ํํํ๋ค๋ฉด, ๊ทธ ์ ํธ์ ๋ฌดํ๋(โ)์ ๋๋ค.
- ์ญ์ ์ทจํ๊ธฐ: ๊ฐ ์ ํธ์ ์ญ์๋ฅผ ์ทจํฉ๋๋ค. โ์ ์ญ์๋ 0์ ๋๋ค.
- ๋ถ์ ์ ๊ฑฐํ๊ธฐ: ์ญ์๋ค์ ๊ฐ์ฅ ์์ ๊ณตํต๋ถ๋ชจ๋ฅผ ๊ณฑํ์ฌ ์ ์ ์งํฉ์ ์ป์ต๋๋ค.
- ๊ดํธ ์์ ๋ฃ๊ธฐ: ๊ฒฐ๊ณผ๋ก ๋์จ ์ ์๋ค์ ์ผํ ์์ด ๊ดํธ (hkl) ์์ ์๋๋ค. ๋ง์ฝ ์ ํธ์ด ์์์๋ค๋ฉด, ํด๋นํ๋ ์ง์ ์์ ๋ง๋๋ฅผ ํ์ํฉ๋๋ค.
์: ํ ๋ฉด์ด a์ถ์์ 1 ๋จ์, b์ถ์์ 2 ๋จ์, c์ถ์์ 3 ๋จ์๋ก ์ ํธ์ ๊ฐ์ง๋๋ค. ์ ํธ์ (1, 2, 3)์ ๋๋ค. ์ญ์๋ (1/1, 1/2, 1/3)์ ๋๋ค. ๋ถ์๋ฅผ ์ ๊ฑฐํ๊ธฐ ์ํด 6์ ๊ณฑํ๋ฉด (6, 3, 2)๊ฐ ๋ฉ๋๋ค. ์ด๊ฒ์ด (632) ๋ฉด์ ๋๋ค.
๋ฐฉํฅ[uvw]์ ๋ํ ๋ฐ๋ฌ ์ง์ ๊ฒฐ์ ๋ฐฉ๋ฒ
๋ฐฉํฅ์ [uvw]์ ๊ฐ์ด ๋๊ดํธ ์์ ์ ์๋ก ๋ํ๋ ๋๋ค.
- ๋ฒกํฐ ์ ์ํ๊ธฐ: ์์ (0,0,0)์์ ๊ฒฉ์ ๋ด ๋ค๋ฅธ ์ ์ผ๋ก ๋ฒกํฐ๋ฅผ ๊ทธ๋ฆฝ๋๋ค.
- ์ขํ ๊ฒฐ์ ํ๊ธฐ: ๊ฒฉ์ ์์ a, b, c๋ฅผ ๋จ์๋ก ํ์ฌ ๋ฒกํฐ ๋์ ์ ์ขํ๋ฅผ ์ฐพ์ต๋๋ค.
- ๊ฐ์ฅ ์์ ์ ์๋ก ์ค์ด๊ธฐ: ์ด ์ขํ๋ค์ ๊ฐ๋ฅํ ๊ฐ์ฅ ์์ ์ ์ ์งํฉ์ผ๋ก ์ค์ ๋๋ค.
- ๋๊ดํธ ์์ ๋ฃ๊ธฐ: ์ ์๋ค์ ๋๊ดํธ [uvw] ์์ ์๋๋ค.
์: ๋ฐฉํฅ ๋ฒกํฐ๊ฐ ์์ ์์ ์ขํ (1a, 2b, 0c)์ธ ์ ์ผ๋ก ๊ฐ๋๋ค. ๋ฐฉํฅ์ ๊ฐ๋จํ [120]์ ๋๋ค.
์ผ๋ฐ์ ์ธ ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ
14๊ฐ์ ๋ธ๋ผ๋ฒ ๊ฒฉ์๊ฐ ์กด์ฌํ์ง๋ง, ๋๋ถ๋ถ์ ์ผ๋ฐ์ ์ธ ๊ธ์ ์์๋ ์ฒด์ฌ์ ๋ฐฉ(BCC), ๋ฉด์ฌ์ ๋ฐฉ(FCC), ๋๋ ์กฐ๋ฐ์ก๋ฐฉ(HCP)์ด๋ผ๋ ์ธ ๊ฐ์ง ์กฐ๋ฐํ ๊ตฌ์กฐ ์ค ํ๋๋ก ๊ฒฐ์ ํ๋ฉ๋๋ค.
์ฒด์ฌ์ ๋ฐฉ(BCC)
- ์ค๋ช : ์์๋ค์ด ์ ์ก๋ฉด์ฒด์ 8๊ฐ ๊ฐ ๊ผญ์ง์ ๊ณผ ์ ์ก๋ฉด์ฒด์ ๋ฐ๋ก ์ค์์ ์์นํฉ๋๋ค.
- ๋ฐฐ์์(CN): 8. ๊ฐ ์์๋ 8๊ฐ์ ์ด์ ์์์ ์ง์ ์ ์ดํฉ๋๋ค.
- ์์ ์ถฉ์ง์จ(APF): 0.68. ์ด๋ ๋จ์ํฌ ๋ถํผ์ 68%๊ฐ ์์๋ก ์ฑ์์ ธ ์๊ณ ๋๋จธ์ง๋ ๋น ๊ณต๊ฐ์์ ์๋ฏธํฉ๋๋ค.
- ์: ์ฒ (์ค์จ์์), ํฌ๋กฌ, ํ ์คํ , ๋ชฐ๋ฆฌ๋ธ๋ด.
๋ฉด์ฌ์ ๋ฐฉ(FCC)
- ์ค๋ช : ์์๋ค์ด ์ ์ก๋ฉด์ฒด์ 8๊ฐ ๊ผญ์ง์ ๊ณผ 6๊ฐ ๋ฉด์ ์ค์ฌ์ ์์นํฉ๋๋ค.
- ๋ฐฐ์์(CN): 12. ์ด๋ ๊ฐ์ฅ ํจ์จ์ ์ธ ์ถฉ์ง ๋ฐฐ์ด ์ค ํ๋์ ๋๋ค.
- ์์ ์ถฉ์ง์จ(APF): 0.74. ์ด๋ ๋์ผํ ํฌ๊ธฐ์ ๊ตฌ์ ๋ํ ์ต๋ ๊ฐ๋ฅํ ์ถฉ์ง ๋ฐ๋์ด๋ฉฐ, HCP ๊ตฌ์กฐ์ ๊ฐ์ ๊ฐ์ ๋๋ค.
- ์: ์๋ฃจ๋ฏธ๋, ๊ตฌ๋ฆฌ, ๊ธ, ์, ๋์ผ.
์กฐ๋ฐ์ก๋ฐฉ(HCP)
- ์ค๋ช : ์ก๋ฐฉ์ ๊ณ ๋จ์ํฌ์ ๊ธฐ๋ฐํ ๋ ๋ณต์กํ ๊ตฌ์กฐ์ ๋๋ค. ๋ ๊ฐ์ ์์ธ ์ก๊ฐ๋ฉด๊ณผ ๊ทธ ์ฌ์ด์ ๋ผ์์ง ์ผ๊ฐํ ๋ฉด์ ์์๋ค๋ก ๊ตฌ์ฑ๋ฉ๋๋ค. ABABAB... ์์์ ๋ฉด ์์ ์์๋ฅผ ๊ฐ์ง๋๋ค.
- ๋ฐฐ์์(CN): 12.
- ์์ ์ถฉ์ง์จ(APF): 0.74.
- ์: ์์ฐ, ๋ง๊ทธ๋ค์, ํฐํ๋, ์ฝ๋ฐํธ.
๊ธฐํ ์ค์ํ ๊ตฌ์กฐ
- ๋ค์ด์๋ชฌ๋ ์ ๋ฐฉ ๊ตฌ์กฐ: ๋ฐ๋์ฒด ์ฐ์ ์ ์ด์์ธ ์ค๋ฆฌ์ฝ๊ณผ ๊ฒ๋ฅด๋ง๋์ ๊ตฌ์กฐ์ ๋๋ค. ์ด๋ ์ถ๊ฐ์ ์ธ 2-์์ ๊ธฐ์ ๋ฅผ ๊ฐ์ง FCC ๊ฒฉ์์ ๊ฐ์, ๊ฐํ๊ณ ๋ฐฉํฅ์ฑ ์๋ ๊ณต์ ๊ฒฐํฉ์ ํ์ฑํฉ๋๋ค.
- ์ฌ์์ฐ๊ด ๊ตฌ์กฐ: ๋ค์ด์๋ชฌ๋ ์ ๋ฐฉ ๊ตฌ์กฐ์ ์ ์ฌํ์ง๋ง ๋ ๊ฐ์ง ๋ค๋ฅธ ์ ํ์ ์์๋ฅผ ๊ฐ์ง๋๋ค. ์๋ฅผ ๋ค์ด ๊ณ ์ ์ ์ ๊ธฐ๊ธฐ ๋ฐ ๋ ์ด์ ์ ์ค์ํ ์ฌ๋ฃ์ธ ๊ฐ๋ฅจ ๋น์(GaAs)๊ฐ ์์ต๋๋ค.
๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ๊ฐ ์ฌ๋ฃ ํน์ฑ์ ๋ฏธ์น๋ ์ํฅ
์์๋ค์ ์ถ์์ ์ธ ๋ฐฐ์ด์ ์ฌ๋ฃ์ ์ค์ ์ธ๊ณ ๊ฑฐ๋์ ์ฌ๋ํ๊ณ ์ง์ ์ ์ธ ์ํฅ์ ๋ฏธ์นฉ๋๋ค.
๊ธฐ๊ณ์ ํน์ฑ: ๊ฐ๋์ ์ฐ์ฑ
๊ธ์์ด ํ๊ดด๋์ง ์๊ณ ์์ฑ ๋ณํํ๋ ๋ฅ๋ ฅ์ ์ฌ๋ฆฝ๊ณ(slip systems)๋ผ๊ณ ๋ถ๋ฆฌ๋ ํน์ ๊ฒฐ์ ๋ฉด์ ๋ํ ์ ์์ ์ด๋์ ์ํด ๊ฒฐ์ ๋ฉ๋๋ค.
- FCC ๊ธ์: ๊ตฌ๋ฆฌ๋ ์๋ฃจ๋ฏธ๋๊ณผ ๊ฐ์ ์ฌ๋ฃ๋ ์กฐ๋ฐํ ๊ตฌ์กฐ๊ฐ ๋ง์ ์ฌ๋ฆฝ๊ณ๋ฅผ ์ ๊ณตํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋งค์ฐ ๋์ ์ฐ์ฑ์ ๊ฐ์ง๋๋ค. ์ ์๊ฐ ์ฝ๊ฒ ์์ง์ผ ์ ์์ด ์ฌ๋ฃ๊ฐ ํ๊ดด๋๊ธฐ ์ ์ ๊ด๋ฒ์ํ๊ฒ ๋ณํ๋ ์ ์์ต๋๋ค.
- BCC ๊ธ์: ์ฒ ๊ณผ ๊ฐ์ ์ฌ๋ฃ๋ ์จ๋์ ๋ฐ๋ผ ์ฐ์ฑ์ด ๋ฌ๋ผ์ง๋๋ค. ๊ณ ์จ์์๋ ์ฐ์ฑ์ด ์์ง๋ง ์ ์จ์์๋ ์ทจ์ฑ์ ๋จ ์ ์์ต๋๋ค.
- HCP ๊ธ์: ๋ง๊ทธ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ ์ฌ๋ฃ๋ ์ฌ์ฉ ๊ฐ๋ฅํ ์ฌ๋ฆฝ๊ณ๊ฐ ์ ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ค์จ์์ ์ฐ์ฑ์ด ๋ฎ๊ณ ๋ ์ทจ์ฑ์ด ๊ฐํ ๊ฒฝ์ฐ๊ฐ ๋ง์ต๋๋ค.
์ ๊ธฐ์ ํน์ฑ: ์ ๋์ฒด, ๋ฐ๋์ฒด, ์ ์ฐ์ฒด
๊ฒฐ์ ๋ด ์์๋ค์ ์ฃผ๊ธฐ์ ์ธ ๋ฐฐ์ด์ ์ ์์ ๋ํด ํ์ฉ๋ ์๋์ง ์ค์์ ๊ธ์ง๋ ์๋์ง ์ค์์ ํ์ฑ์ ์ ๋ํ๋ฉฐ, ์ด๋ฅผ ์๋์ง ๋ฐด๋(energy bands)๋ผ๊ณ ํฉ๋๋ค. ์ด ๋ฐด๋๋ค์ ๊ฐ๊ฒฉ๊ณผ ์ฑ์์ง ์ํ๊ฐ ์ ๊ธฐ์ ๊ฑฐ๋์ ๊ฒฐ์ ํฉ๋๋ค.
- ์ ๋์ฒด: ๋ถ๋ถ์ ์ผ๋ก ์ฑ์์ง ์๋์ง ๋ฐด๋๋ฅผ ๊ฐ์ง๊ณ ์์ด, ์ ๊ธฐ์ฅ ํ์์ ์ ์๊ฐ ์์ ๋กญ๊ฒ ์์ง์ผ ์ ์์ต๋๋ค.
- ์ ์ฐ์ฒด: ์ฑ์์ง ์์๊ฐ ๋ฐด๋์ ๋น์ด์๋ ์ ๋ ๋ฐด๋ ์ฌ์ด์ ํฐ ์๋์ง ๊ฐญ(๋ฐด๋ ๊ฐญ)์ด ์์ด ์ ์ ํ๋ฆ์ ๋ฐฉํดํฉ๋๋ค.
- ๋ฐ๋์ฒด: ์์ ๋ฐด๋ ๊ฐญ์ ๊ฐ์ง๋๋ค. ์ ๋ ์๋์์๋ ์ ์ฐ์ฒด์ด์ง๋ง ์ค์จ์์๋ ์ด์๋์ง๊ฐ ์ผ๋ถ ์ ์๋ฅผ ๊ฐญ ๋๋จธ๋ก ์ฌ๊ธฐ์์ผ ์ ํ์ ์ธ ์ ๋์ฑ์ ๊ฐ๋ฅํ๊ฒ ํฉ๋๋ค. ์ด๋ค์ ์ ๋์ฑ์ ๋ถ์๋ฌผ(๋ํ)์ ์ฃผ์ ํ์ฌ ์ ๋ฐํ๊ฒ ์ ์ดํ ์ ์์ผ๋ฉฐ, ์ด ๊ณผ์ ์ ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ์ ๋ํ ์ดํด์ ์์กดํฉ๋๋ค.
์ด ๋ฐ ๊ดํ์ ํน์ฑ
๊ฒฐ์ ๊ฒฉ์์์ ์์๋ค์ ์ง๋จ์ ์ธ ์ง๋์ ์์ํ๋์ด ์์ผ๋ฉฐ ์ด๋ฅผ ํฌ๋ ผ(phonons)์ด๋ผ๊ณ ํฉ๋๋ค. ์ด ํฌ๋ ผ์ ๋ง์ ์ ์ฐ์ฒด์ ๋ฐ๋์ฒด์์ ์ด์ ์ฃผ๋ ์ด๋ฐ์ฒด์ ๋๋ค. ์ด์ ๋ ํจ์จ์ ๊ฒฐ์ ์ ๊ตฌ์กฐ์ ๊ฒฐํฉ์ ๋ฐ๋ผ ๋ฌ๋ผ์ง๋๋ค. ๋ง์ฐฌ๊ฐ์ง๋ก, ์ฌ๋ฃ๊ฐ ๋น๊ณผ ์ํธ ์์ฉํ๋ ๋ฐฉ์โํฌ๋ช ํ์ง, ๋ถํฌ๋ช ํ์ง, ๋๋ ์์ ๋ ๋์งโ๋ ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ์ ์ง์ ์ ์ธ ๊ฒฐ๊ณผ์ธ ์ ์ ๋ฐด๋ ๊ตฌ์กฐ์ ์ํด ๊ฒฐ์ ๋ฉ๋๋ค.
ํ์ค ์ธ๊ณ: ๊ฒฐ์ ์ ๋ถ์์ ์ฑ๊ณผ ๊ฒฐํจ
์ง๊ธ๊น์ง ์ฐ๋ฆฌ๋ ์๋ฒฝํ ๊ฒฐ์ ์ ๋ํด ๋ ผ์ํ์ต๋๋ค. ํ์ค์์ ์๋ฒฝํ ๊ฒฐ์ ์ ์์ต๋๋ค. ๋ชจ๋ ๊ฒฐ์ ์ ๋ค์ํ ์ข ๋ฅ์ ๊ฒฐํจ์ด๋ ๋ถ์์ ์ฑ์ ํฌํจํ๊ณ ์์ต๋๋ค. ๋ฐ๋์งํ์ง ์์ ๊ฒ๊ณผ๋ ๊ฑฐ๋ฆฌ๊ฐ ๋ฉ๊ฒ, ์ด๋ฌํ ๊ฒฐํจ๋ค์ด ์ข ์ข ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ๋งค์ฐ ์ ์ฉํ๊ฒ ๋ง๋ญ๋๋ค!
๊ฒฐํจ์ ๊ทธ ์ฐจ์์ฑ์ ๋ฐ๋ผ ๋ถ๋ฅ๋ฉ๋๋ค:
- ์ ๊ฒฐํจ (0D): ๋จ์ผ ์์ ์์น์ ๊ตญํ๋ ๊ฒฐํจ์ ๋๋ค. ์๋ก๋ ๊ณต๊ณต(vacancy)(์์๊ฐ ๋น ์ง ์๋ฆฌ), ์นจ์ ํ ์์(interstitial atom)(์์ด์๋ ์ ๋ ๊ณต๊ฐ์ ๋ผ์ด๋ ์ถ๊ฐ ์์), ๋๋ ์นํํ ์์(substitutional atom)(์ฃผ์ธ ์์๋ฅผ ๋์ฒดํ ์ธ๋ถ ์์)๊ฐ ์์ต๋๋ค. ์ค๋ฆฌ์ฝ ๊ฒฐ์ ์ ์ธ์ ๋ํํ๋ ๊ฒ์ nํ ๋ฐ๋์ฒด๋ฅผ ๋ง๋ค๊ธฐ ์ํด ์๋์ ์ผ๋ก ์นํํ ์ ๊ฒฐํจ์ ์์ฑํ๋ ๊ฒ์ ๋๋ค.
- ์ ๊ฒฐํจ (1D): ์ ์(dislocations)๋ผ๊ณ ์๋ ค์ ธ ์์ผ๋ฉฐ, ์์ ๋ฐฐ์ด์ด ์ด๊ธ๋ ์ ์ ๋๋ค. ์ด๋ ๊ธ์์ ์์ฑ ๋ณํ์ ์ ๋์ ์ผ๋ก ์ค์ํฉ๋๋ค. ์ ์๊ฐ ์๋ค๋ฉด ๊ธ์์ ์์ฒญ๋๊ฒ ๊ฐํ์ง๋ง ๋๋ถ๋ถ์ ์ฉ๋์ ์ฌ์ฉํ๊ธฐ์๋ ๋๋ฌด ์ทจ์ฝํ ๊ฒ์ ๋๋ค. ๊ฐ๊ณต ๊ฒฝํ ๊ณผ์ (์: ์ข ์ด ํด๋ฆฝ์ ์๋ค๋ก ๊ตฌ๋ถ๋ฆฌ๋ ๊ฒ)์ ์ ์๋ฅผ ์์ฑํ๊ณ ์ฝํ๊ฒ ํ์ฌ ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ๋ ๊ฐํ์ง๋ง ์ฐ์ฑ์ ๋ฎ๊ฒ ๋ง๋ญ๋๋ค.
- ๋ฉด ๊ฒฐํจ (2D): ๋ค๋ฅธ ๊ฒฐ์ ๋ฐฉํฅ์ ๊ฐ์ง ์์ญ์ ๋ถ๋ฆฌํ๋ ๊ณ๋ฉด์ ๋๋ค. ๊ฐ์ฅ ์ผ๋ฐ์ ์ธ ๊ฒ์ ๋ค๊ฒฐ์ ์ฌ๋ฃ์์ ๊ฐ๋ณ ๊ฒฐ์ ๋ฆฝ ์ฌ์ด์ ๊ณ๋ฉด์ธ ๊ฒฐ์ ๋ฆฝ๊ณ(grain boundaries)์ ๋๋ค. ๊ฒฐ์ ๋ฆฝ๊ณ๋ ์ ์ ์ด๋์ ๋ฐฉํดํ๋ฏ๋ก, ์์ ๊ฒฐ์ ๋ฆฝ์ ๊ฐ์ง ์ฌ๋ฃ๊ฐ ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ๋ ๊ฐํฉ๋๋ค(ํ-ํ์น ํจ๊ณผ).
- ๋ถํผ ๊ฒฐํจ (3D): ๊ณต๋(voids)(๊ณต๊ณต์ ๊ตฐ์ง), ๊ท ์ด ๋๋ ์์ถ๋ฌผ(precipitates)(์ฃผ์ธ ์ฌ๋ฃ ๋ด ๋ค๋ฅธ ์์ ๊ตฐ์ง)๊ณผ ๊ฐ์ ๋ ํฐ ๊ท๋ชจ์ ๊ฒฐํจ์ ๋๋ค. ์์ถ ๊ฒฝํ๋ ํญ๊ณต ์ฐ์ฃผ ๋ถ์ผ์ ์ฌ์ฉ๋๋ ์๋ฃจ๋ฏธ๋๊ณผ ๊ฐ์ ํฉ๊ธ์ ๊ฐํํ๋ ํต์ฌ ๊ธฐ์ ์ ๋๋ค.
๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ '๋ณด๋' ๋ฐฉ๋ฒ: ์คํ ๊ธฐ๋ฒ
์ผ๋ฐ ํ๋ฏธ๊ฒฝ์ผ๋ก๋ ์์๋ฅผ ๋ณผ ์ ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์, ๊ณผํ์๋ค์ ์ ์๋ ์ ์๊ธฐ ๋ฐฉ์ฌ์ ์ ํ๋์ฑ์ ์ด์ฉํ์ฌ ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ํ์ฌํ๋ ์ ๊ตํ ๊ธฐ์ ์ ์ฌ์ฉํฉ๋๋ค.
X์ ํ์ (XRD)
XRD๋ ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ๊ฒฐ์ ํ๋ ๊ฐ์ฅ ์ผ๋ฐ์ ์ด๊ณ ๊ฐ๋ ฅํ ๋๊ตฌ์ ๋๋ค. X์ ๋น์ ๊ฒฐ์ ์ ๋น์ถ๋ฉด, ๊ท์น์ ์ผ๋ก ๋ฐฐ์ด๋ ์์๋ฉด๋ค์ด ํ์ ๊ฒฉ์ ์ญํ ์ ํฉ๋๋ค. ์ธ์ ํ ๋ฉด์์ ์ฐ๋๋ X์ ์ฌ์ด์ ๊ฒฝ๋ก ์ฐจ์ด๊ฐ ํ์ฅ์ ์ ์๋ฐฐ์ผ ๋๋ง ๋ณด๊ฐ ๊ฐ์ญ์ด ์ผ์ด๋ฉ๋๋ค. ์ด ์กฐ๊ฑด์ ๋ธ๋๊ทธ์ ๋ฒ์น(Bragg's Law)์ผ๋ก ์ค๋ช ๋ฉ๋๋ค:
nฮป = 2d sin(ฮธ)
์ฌ๊ธฐ์ 'n'์ ์ ์, 'ฮป'๋ X์ ํ์ฅ, 'd'๋ ์์๋ฉด ๊ฐ์ ๊ฐ๊ฒฉ, 'ฮธ'๋ ์ฐ๋๊ฐ์ ๋๋ค. ๊ฐํ ํ์ ๋น์ด ๋ํ๋๋ ๊ฐ๋๋ฅผ ์ธก์ ํจ์ผ๋ก์จ, ์ฐ๋ฆฌ๋ 'd' ๊ฐ๊ฒฉ์ ๊ณ์ฐํ๊ณ , ๊ฑฐ๊ธฐ์๋ถํฐ ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ, ๊ฒฉ์ ์์ ๋ฐ ๋ฐฉํฅ์ ์ถ๋ก ํ ์ ์์ต๋๋ค.
๊ธฐํ ์ฃผ์ ๊ธฐ๋ฒ
- ์ค์ฑ์ ํ์ : XRD์ ์ ์ฌํ์ง๋ง X์ ๋์ ์ค์ฑ์๋ฅผ ์ฌ์ฉํฉ๋๋ค. ํนํ ์์์ ๊ฐ์ ๊ฐ๋ฒผ์ด ์์์ ์์น๋ฅผ ์ฐพ๊ฑฐ๋, ๋น์ทํ ์์ ์ ์๋ฅผ ๊ฐ์ง ์์๋ค์ ๊ตฌ๋ณํ๊ณ , ์๊ธฐ ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ์ฐ๊ตฌํ๋ ๋ฐ ์ ์ฉํฉ๋๋ค.
- ์ ์ ํ์ : ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ํฌ๊ณผ ์ ์ ํ๋ฏธ๊ฒฝ(TEM) ๋ด์์ ์ํ๋๋ฉฐ, ์ด ๊ธฐ์ ์ ์ ์ ๋น์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๋งค์ฐ ์์ ๋ถํผ์ ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ์ฐ๊ตฌํจ์ผ๋ก์จ ๊ฐ๋ณ ๊ฒฐ์ ๋ฆฝ์ด๋ ๊ฒฐํจ์ ๋๋ ธ์ค์ผ์ผ ๋ถ์์ ๊ฐ๋ฅํ๊ฒ ํฉ๋๋ค.
๊ฒฐ๋ก : ํ๋ ์ฌ๋ฃ์ ๊ธฐ์ด
๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ ์ฐ๊ตฌ๋ ์ฌ๋ฃ ๊ณผํ ๋ฐ ์์ง ๋ฌผ์ง ๋ฌผ๋ฆฌํ์ ์ด์์ ๋๋ค. ์ด๋ ์์์ ์ธ๊ณ์ ์ฐ๋ฆฌ๊ฐ ์์กดํ๋ ๊ฑฐ์์ ํน์ฑ์ ์ฐ๊ฒฐํ๋ ๋ก๋๋งต์ ์ ๊ณตํฉ๋๋ค. ์ฐ๋ฆฌ ๊ฑด๋ฌผ์ ๊ฐ๋์์๋ถํฐ ์ ์ ๊ธฐ๊ธฐ์ ์๋์ ์ด๋ฅด๊ธฐ๊น์ง, ํ๋ ๊ธฐ์ ์ ์ฑ๋ฅ์ ์์์ ์ง์์ ์ฐํ ๋ฐฐ์ด์ ์ดํดํ๊ณ , ์์ธกํ๋ฉฐ, ์กฐ์ํ๋ ์ฐ๋ฆฌ์ ๋ฅ๋ ฅ์ ๋ํ ์ง์ ์ ์ธ ์ฆ๊ฑฐ์ ๋๋ค.
๊ฒฉ์, ๋จ์ํฌ, ๋ฐ๋ฌ ์ง์์ ์ธ์ด๋ฅผ ์๋ฌํ๊ณ , ๊ฒฐ์ ๊ฒฐํจ์ ์ดํดํ๊ณ ๊ณตํ์ ์ผ๋ก ์ค๊ณํ๋ ๋ฒ์ ๋ฐฐ์์ผ๋ก์จ, ์ฐ๋ฆฌ๋ ๋ฏธ๋์ ๋์ ์ ๋ง์๊ธฐ ์ํด ๋ง์ถคํ ํน์ฑ์ ๊ฐ์ง ์๋ก์ด ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ์ค๊ณํ๋ฉฐ ๊ฐ๋ฅํ ๊ฒ์ ๊ฒฝ๊ณ๋ฅผ ๊ณ์ ๋ํ๊ฐ๊ณ ์์ต๋๋ค. ๋ค์์ ๊ธฐ์ ์ ํ์ ์ฌ์ฉํ ๋, ์ ์ ์๊ฐ์ ๋ด์ด ๊ทธ ์์ ์๋ ์กฐ์ฉํ๊ณ ์๋ฆ๋ค์ฐ๋ฉฐ ๊ฐ๋ ฅํ ์ง์๋ฅผ ๊ฐ์ํด ๋ณด์ธ์.