결정(과학)

結晶 / Crystal

1. 개요

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원자, 이온, 분자 따위가 장거리 규칙성(Long-Range Order)를 갖고 배열된 물질을 이르는 말이다. 결정을 나타내는 '크리스탈'은 수정(Crystal)로부터 유래한 용어이다. 주기적 배열에 의해서 퍼텐셜을 단순화시켜 근사할 수 있는데, 이를 통해서 결정질 고체의 특성을 탐구하는 학문이 고체 물리학이다.
다만 결정구조 그 자체는 물리적 특성과 무관한 하나의 기하학적 배열로 볼 수 있는데, 이에 대한 학문이 결정학이다.
반도체와 박막 연구에 있어서도 반드시 필요로 하는 학문이다.

2. 결정의 분류

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결정이 가질 수 있는 230여 개의 공간군은 삼사정계(三斜晶系, Triclinic), 단사정계 (單斜晶系, Monoclinic), 사방정계 (斜方晶系, Orthorhombic), 정방정계 (正方晶系, Tetragonal), 육방정계 (六方晶系, Hexagonal), 등축정계 (等軸晶系, Cubic)의 crystal family로 분류할 수 있다.
이러한 crystal family 중 육방정계는 분류 기준에 따라 서로 다른 하위 분류를 만들어낸다. 대칭성을 기준으로 분류하는 crystal system에서는 삼방정계 (三方晶系, Trigonal) 및 육방정계로 분류하는 반면, 결정의 격자상수 및 결정축 간의 각도로 분류하는 lattice system에서는 이를 마름모계 (마름모系, Rhombohedral) 및 육방정계로 나눌 수 있다. 자세한 기준은 아래 표 참고.

Crystal Family	Crystal system	조건	Lattice system	조건
삼사정계	삼사정계	-	삼사정계	-
단사정계	단사정계	1개의 mirror plane 또는 1개의 2-fold rotational symmetry	단사정계	$$\alpha = \gamma = 90^\circ$$
사방정계	사방정계	3개의 2-fold rotational symmetry 또는 1개의 2-fold rotational symmetry + 2개의 mirror plane	사방정계	$$\alpha = \beta = \gamma = 90^\circ$$
정방정계	정방정계	1개의 4-fold rotational symmetry	정방정계	$$a = b$$ $$\alpha = \beta = \gamma = 90^\circ$$
육방정계	삼방정계	1개의 3-fold rotational symmetry	마름모계	$$a = b = c$$ $$\alpha = \beta = \gamma$$
			육방정계	$$a = b$$ $$\alpha = \beta = 90^\circ, \gamma = 120^\circ$$
	육방정계	1개의 6-fold rotational symmetry
등축정계	등축정계	3개의 4-fold symmetry	등축정계	$$a = b = c$$ $$\alpha = \beta = \gamma = 90^\circ$$

3. 결정 분석

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결정 구조 분석은 기본적으로 XRD(X-Ray Diffractometer) 장비를 이용해 진행한다. 위 사진은 3차원 분석법으로 X-Ray빔을 결정에 조사하여 회절되는 빛을 디텍터로 감지하여 원자들이 어떤 패턴으로 쌓여 있는지 확인하는 방식이다. 약식으로 1차원 분석법도 있으며 이 경우 한가지 축에 대한 회절 Intensity만 확인 가능하지만 Rietveld Refinement를 통해 3차원 분석법과 유사한 결과를 얻을 수 있다.

4. 무정질/비정질

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결정질 고체와 달리 결정성을 보이지 않는, 즉 장거리 규칙성(혹은 주기성)을 보이지 않는 고체를 비정질 고체(Amorphous Solid)라고 한다. 비정질 고체로 대표되는 물질이 유리 이며, 그래서 비정질 상태를 일반적으로 Glass라고 지칭하기도 한다. 대표적으로 Metallic Glass (=Liquid Metal)

5. 준결정

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펜로즈 타일링의 발견 후 이론상으로만 존재한다고 여겨졌으나 이스라엘의 과학자 딘 셰흐트만이 발견한 결정의 형태. 대칭구조를 가지고 있었지만 주기적 반복을 나타내지 않는 구조를 가진 결정으로, 셰흐트만은 이 업적으로 노벨화학상을 수상했다.