X-선 회절, 회절법, 비결정질 고체

X-선은 고체의 원자 간격 정도의 극히 짧은 파장과 높은 에너지를 갖는 전자기파의 일종이다. X-선 빔이 고체 재료에 투사될 때, 이 빔은 빔의 진행 경로에 놓여 있는 원자나 이온의 전자에 의해 모든 방향으로 산란된다. 이러한 X-선 회절은 Bragg의 법칙으로 알려져 있으며 X-선의 파장, 원자 간 거리와 회절빔의 각도 간의 관계식을 얻을 수 있다. 만약 Bragg의 법칙이 만족하지 않으면 보강 간섭은 일어나지 않으며 낮은 강도의 회절빔이 만들어진다. 2개의 인접한 평행면 간의 거리의 크기는 Miller 지수(h, k, l)와 격자 상수의 함수이다. Bragg의 법칙은 실제 결정에서 일어나는 필요조건이지만 충분조건은 아니다. 이것은 오직 단위정의 모서리에만 원자가 존재하는 경우의 회절에 대한 조건이다. 그러나 원자는 다른 위치에도 존재하며, 이 원자들에 의한 산란은 특정한 Bragg 각에서 부정합 위상을 만들어 낸다. 이러한 결과로 Bragg 식을 만족하지만 회절빔이 없는 경우가 생긴다. 예를 들면, BCC 결정 구조에서 회절이 일어나기 위해서는 h + k + l이 짝수여야만 한다. 또한 FCC의 경우, h, k, l이 모두 짝수이거나 홀수여야 한다.

일반적인 회절법은 미세하고 무질서하게 배열된 입자로 되어 있는 분말 혹은 다결정의 시편을 사용하며, 이 시편은 단색광의 X-선에 조사된다. 각 분말 입자들은 결정질이며, 많은 수가 무질서한 방향으로 놓여 있어, 회절을 만들어 내는 모든 조합의 결정면에 대해 이 방향으로 정렬된 입자들이 존재해야 한다. 디프렉토미터는 분말 시편의 회절 각도를 측정하는 기기로, 판재 형태의 시편은 축 방향으로 회전이 가능하도록 고정되고, 이 축은 종이 면에 수직한다. 단색 X-선 빔이 방출되고 회절빔의 강도는 검출기에 의해 감지된다. 시편, X-선 광원, 검출기는 모두 같은 면에 위치한다. 검출기는 축을 따라 도는 이동 가능한 운반대 위에 고정되어, 그 2세타로 읽히는 각 위치는 각도기에 의해 표시된다. 운반대와 시편은 시편이 세타만큼 회전하면 운반대는 2세타만큼 회전하는 기하학적 관계를 갖는다. 이러한 관계는 모든 각도에 대해서 입사와 반사 각도가 같게 유지되도록 한다. 콜리메이터는 빔의 경로가 서로 평행하고 집속되도록 한다. 광학 필터를 사용하여 거의 단색광의 빔을 만들어낸다.

검출기가 일정한 각속도로 움직이면, 기록기는 검출기에 의해 읽히는 회절빔의 강도를 2세타의 함수로 자동적으로 기록한다. 이 2세타를 회절각이라고 하며, 실험적으로 얻어진다. 검출기 대신에 사진 감광 필름에 의해 회절빔의 강도와 위치를 기록하는 분말법도 사용되고 있다. X-선 회절 분석의 가장 중요한 용도는 결정 구조의 파악이다. 단위정의 크기와 기하학적 구조는 회절 피크의 위치에 의해 알 수 있으며, 단위정 내의 원자 배열은 각 피크의 상대 강도에 의해 파악될 수 있다. X-선도 전자빔, 중성자빔과 같이 재료의 다양한 탐구를 위해 사용된다. X-선은 정성적 혹은 정량적인 화학적 성분을 알아내고, 결정립 크기, 잔류 응력 등을 측정하는 데 사용된다.

다음은 비결정질 고체에 대해 알아보자. 비결정질 고체는 장범위의 원자 거리에 걸쳐 체계적이고 규칙적인 원자 배열이 존재하지 않는 고체이다. 흔히 비정질 혹은 과냉각 액상이라고 부른다. 비정질의 조건은 세라믹 화합물 산화규소의 결정질 및 비결정질 구조를 비교함으로써 이해할 수 있다. 결정질 혹은 비정질의 고체 형성은 무질서한 액상의 원자 구조가 응고 과정을 통해 얼마나 쉽게 규칙적인 상태로 변환될 수 있느냐에 달려 있다. 따라서 비정질 재료는 원자나 혹은 분자 구조가 상대적으로 복잡하여 규칙적인 배열로 바꾸는 데 어려움이 있는 경우로 특징지을 수 있다. 더구나 응고 온도에서의 급속 냉각은 규칙적인 배열에 필요한 시간이 충분하지 않으므로 비결정질 고체가 되기 쉽다. 일반적으로 금속은 결정 고체를 형성한다. 그러나 세라믹 재료의 일부와 무기 유리들은 비정질이다. 폴리머는 완전한 비결정질이나 부분적인 결정성을 갖는 반결정질로 존재한다.

지금까지는 결정질 재료가 원자 규모로 완벽한 정렬을 한다고 가정하였다. 그러나 이러한 이상적인 고체는 존재하지 않으며, 모든 재료는 다양한 결함과 불완전성을 가지고 있다. 실제로 많은 재료의 특성들은 이러한 결정학적 결함에 의해 만들어지며, 그 영향이 항상 나쁜 것은 아니다. 경우에 따라 재료의 특별한 성질을 결함의 종류와 양을 인위적으로 조작하여 만들 수 있다. 재료의 성질은 결함에 의해 큰 영향을 받는다. 따라서 재료 내에 존재하는 결함의 형태와 결함이 재료의 성질에 미치는 영향에 대해 이해하는 것이 필요하다. 예를 들어 순수한 금속을 합금하였을 때, 즉 불순물 원자가 첨가되었을 때의 기계적 성질은 순수한 구리보다 더 단단해지고 강해진다. 또한, 특정 불순물을 반도체 재료의 미세한 국부 영역에 주입시키는 기술에 의해 컴퓨터, 계산기, 전자제품에 사용되는 집적회로 미세 소자의 작동이 가능하다.

결정 결함은 원자적으로 1차원 또는 그 이상의 차원을 갖는 격자 불규칙을 의미하며, 결함의 기하학적 형태 또는 차원에 따라 주로 분류될 수 있다. 다음 시간에는 몇 가지 중요한 결함에 관해 설명해 보도록 하자. 즉, 점 결함, 선 결함 계면 또는 입계와 같은 2차원 결함에 대해서 다룰 예정이며, 불순물 원자는 점 결함으로 존재하므로 불순물에 대해서도 조금 더 깊게 이야기할 예정이다.