결정질과 비정질에 대해서

고체물질은 크게 결정 (crystalline)과 비정질 (Noncrystalline or amorphous)로 나뉩니다. 결정질은 원자나 분자가 규칙적으로 배열되어 일정하고 특이한 내부 구조를 가지는 물질입니다. 대부분의 금속과 광물은 결정질입니다. 반면에 비정질은 원자나 분자의 규칙성이 없는 물질입니다. 결정질은 단결정과 다결정으로 나뉩니다. 단결정은 결정 전체가 일정한 결정축을 따라 규칙적으로 생성된 고체를 뜻합니다. 반면에 다결정은 아주 작은 단결정이 무질서하게 뭉쳐진 결정입니다. 유리나 고무, 비결정성 탄소, 염화비닐 같은 플라스틱 등이 비정질에 해당합니다.

 

결정질과 비정질의 차이점

결정질은 원자나 분자가 규칙적으로 배열되어 일정하고 특이한 내부 구조를 가지는 물질입니다. 대부분의 금속과 광물은 결정질입니다. 반면에 비결정질은 원자나 분자의 규칙성이 없는 물질입니다 . 유리나 고무, 비결정성 탄소, 염화비닐 같은 플라스틱 등이 비결정질에 해당합니다.

 

결정질의 분류

단결정: 단결정이란 결정 전체가 일정한 결정축을 따라 규칙적으로 생성된 고체를 뜻합니다. 단결정은 한 고체 덩어리 전체가 동일한 규칙성을 가지고 있는 결정입니다. 결정체인 경우, 원자의 주기적이고 반복적인 배열이 완벽하게 유지되며 끊임없이 전체 시료에 퍼져있는 경우, 단결정이 형성됩니다. 모든 단위 격자는 동일한 방식으로 인터락하고 동일한 방향을 가지게 됩니다. 단결정은 자연에서 존재할 수 있습니다. 그러나 단결정이 성장하기 위해서는 주위 환경이나 조건을 제어해야 하기 때문에 일반적으로 자연적으로 성장하기 어렵습니다. 단결정의 끝부분이 외부 제약 없이 성장하면, 일부 보석과 같이 평면이 있는 기하학적 모양을 가질 수 있게 됩니다. 단결정은 특히 실리콘과 반도체 공정에서 중요해졌습니다.

다결정: 결정질 고체 대부분은 많은 작은 결정이나 결정립으로 구성되어 있습니다. 다결정 시료의 고체화 과정에서는 먼저 여러 위치에서 작은 결정이나 핵이 형성됩니다. 이들은 정사각형 격자로 표시된 것처럼 무작위의 결정학적 방향을 가지고 있습니다. 작은 결정들은 각각의 구조에 주변 액체에서 원자를 연속적으로 추가함으로써 성장합니다. 고체화 과정이 완료되면 인접한 결정의 끝부분이 서로 만나게 됩니다. 결정학적 방향은 결정립마다 다릅니다. 또한 인접한 두 결정이 만나는 영역에는 일부 원자가 일치하지 않는데, 이 영역을 결정립 경계 (grain boundary)라고 합니다.

Schematic diagrams of the various stages in the solidification of a polycrystalline material [1]

 

비정질 재료

비정질 고체는 상대적으로 큰 원자 간 거리에서 원자들의 체계적이고 규칙적인 배열이 없다는 것이 언급되었습니다. 때로는 이러한 재료를 "무정형"이라고 하거나 원자 구조가 액체와 유사하기 때문에 "초냉각된 액체"라고도 합니다.

무정형 상태는 세라믹 화합물인 이산화규소 (SiO2)의 결정질과 비정질 구조를 비교함으로써 설명될 수 있습니다. 두 상태 모두 각 실리콘 이온이 세 개의 산소 이온과 결합하지만, 비정질 구조의 경우 구조가 훨씬 더 무질서하고 불규칙합니다. 결정질 또는 비정질 고체가 형성되는가에 대한 여부는 액체 상태의 무작위한 원자 구조가 고체화 과정에서 정렬된 상태로 변환되는 과정의 에너지 장벽의 크기에 달려 있습니다. 따라서 비정질 재료는 비교적 복잡한 원자나 분자 구조를 가지며 정렬이 어려운 특징을 가지고 있습니다. 또한, 냉각속도를 빠르게 하는 경우 정렬 과정에 시간이 거의 주어지지 않기 때문에 비정질 고체의 형성을 촉진합니다. 금속은 일반적으로 결정질 고체를 형성하지만 일부 세라믹 재료는 결정질이고 다른 재료인 무기 유리는 비정질입니다. 고분자 재료는 완전히 비정질이거나 결정도의 차이를 가진 반비정질일 수 있습니다.

2D schemes of the structure of (a) crystalline silicon dioxide and (b) noncrystalline silicon dioxide. [1]

 

참고

[1] William D. Callister Jr., David G. Rethwisch, Materials Science and Engineering