앞의 포스트에서 설명했던 재료의 기본 구조 중 학부에서 가장 먼저 배우는 네 가지 구조에 대해 간단히 설명해보겠습니다.
이번 포스팅에서는 SC (Simple Cubic)에 대해 간단히 작성해보겠습니다.
앞으로 포스팅할 거의 대부분의 내용은 MSEStudent.com의 원문을 바탕으로 좀 더 이해하기 쉽게 풀어쓴 것으로, 재료공학에 관심있는 분들은 해당 사이트에서 다양한 정보를 얻을 수 있습니다.
SC (Simple Cubic, 단순 입방체)
단순 입방체(SC)의 단위 셀은 각 모서리에 원자가 있는 정육면체로 상상할 수 있습니다. 이 단위 셀은 밀도가 낮기 때문에 자연에서는 거의 발생하지 않지만, 이해하기 가장 쉬운 모델입니다.
SC는 단위 셀당 원자 1개, 배위수 CN = 6, 격자 상수 a = 2r , 원자 패킹 팩터 APF = 52%를 갖습니다.
위에 설명한 수치의 의미는 천천히 살펴보기로 하고, 우선 실제로 어떤 물질이 SC로 존재하는지 소개하겠습니다.
이미지만 보면 굉장히 단순해 보이지만, 자연계에서 일정한 온도와 압력으로 SC를 나타내는 원소는 거의 없습니다.
(방사성이 매우 강한 폴로늄(α-Po)만이 SC를 나타낸다고 합니다.)
안정적으로 보이지만 공학적으론 안정적인 구조는 아닌 셈입니다.
여담으로, 폴로늄은 우리나라에서도 잘 알려진 퀴리 부부가 추출해낸 방사성 물질 중 가장 독성이 강한 물질로, 마리 퀴리의 조국인 폴란드의 이름을 따서 폴로늄으로 지어졌다고 합니다. (러시아의 암살 무기인 '방사능 홍차'로 사용된 물질이기도 합니다.)
1) 배위수 (Coordinate Number)
위에서 언급한 배위수(Coordinate Number)는 각 원자가 갖는 가장 가까운 이웃원자의 수를 뜻합니다.
SC 결정에서 각 원자는 6개의 가장 가까운 원자를 가지는데, 이는 FCC 및 HCP와 같이 밀집 구조에 비해 절반 수준입니다.
그래서 SC구조는 약하고 불안정한 구조를 뜻하기도 합니다.
2) 단순 입방 격자 상수 ( a )
단순 입방 격자는 각 모서리에 원자가 있는 입방체입니다. 각 원자를 별개의 구로 상상하는 단단한 구 모델을 사용하여 SC 결정은 각 원자가 입방체의 가장자리를 따라 접촉합니다.
단위 셀의 각 변은 한 원자의 절반에서 다른 원자의 절반까지 확장되므로 입방체의 측면 또는 격자 상수 ( a 로 표시됨 )
는 원자의 반경이 있는 2r 위치에 있습니다.
3) 원자 패킹 팩터 (Atomic Packing Factor, APF)
APF(Atomic Packing Factor)는 본질적으로 단위 셀의 밀도입니다. 우리는 단단한 구체 모델을 사용하기 때문에 셀 내부의 각 지점은 원자의 일부이거나 공극의 일부입니다.
APF는 기본적으로 공극(Void)이 발생하는 원자의 비율입니다.
공극을 제외한 실제 원자가 차지하는 비율을 말하는 건데, 단순히 원자의 개수만을 말하면 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
모서리가 8개이므로 원자가 8개 있는 것처럼 보일 수 있지만 실제로는 세포가 각 원자의 1/8만 교차합니다. 1/8조각의 구가 8개가 있으므로 단위 셀당 하나의 원자가 있습니다.
여기서 구의 부피를 고려하면 하기 이미지와 같이 큐브(정육면체)의 부피 대비 원자 1개의 크기의 비율로 APF를 계산할 수 있습니다.
여기서 가운데 빈 공간에 원자 하나가 들어가면 BCC구조가 되며, 이 구조는 다음 포스팅에서 상세하게 설명드리겠습니다.