결정립, 결정립계, 전위, 결함에 대한 정의 (Grain, Grain boundary, Defect)

양극재 및 고체전해질 관련 논문을 보면 자주 나오는 용어가 있습니다. 결정립(Grain), 결정립계(Grain boundary), 결함(Defect)에 대한 용어가 자주 반복되어 사용됩니다. 이 포스팅에서는 위 용어들의 정의와 각각의 차이점과 특징들을 이야기해보고자 합니다.

 

 

 

1. 결정에 대하여

위에 나열한 용어들을 알기 전에, 위 용어들에 반복되어 쓰이는 단어가 바로 '결정(Crystal)' 입니다.

결정의 정의는 원자, 분자가 규칙적으로 배열된 고체 구조를 이야기합니다.  

원자, 분자가 규칙적으로 반복되고, 이들 사이에 규칙적인 격자(Lattice) 구조를 형성하고 있습니다.

 

- 결정의 종류

결정은 크게 단결정(Single crystal), 다결정(Polycrystal) 2가지로 나뉘어 집니다. 

출처 : ilearnengineering.com

단결정(Single crystal) : 하나의 연속적인 격자구조를 이룸, 배열방향이 모두 같음

다결정(Polycrystal) : 여러 개의 작은 결정립으로 구, 배열방향이 서로 다르게 구성되어 있음

 

이러한 각각의 차이점을 가지며, 같은 원소여도 단결정인지 다결정인지에 따라 물리적 성질이 변할 수 있습니다. 이를 '이방성'이라 이야기하고 있습니다. 대표적으로 태양광 모듈이 그 예입니다. 단결정-태양광모듈은 높은 효율을 나타내나 다결정-태양광모듈은 상대적으로 효율이 낮습니다.

 

 

 

2. 결정립(Grain), 결정립계(Grain boundary), 결함(Defect)에 대하여

다결정 내 결정립과 결정립계 (출처 : 3D Discrete Dislocation Dynamics simulations of the role of interfaces in confined materials)

- 결정립(Grain) : 결정립은 다결정 물질에서의 개별적인 결정 단위를 나타냅니다. 위의 그림을 참고하면, 다결정에서 원자배열이 각기 다른 3가지의 결정립이 존재하고 있습니다. 이 때문에 위 그림의 물질이 다결정인것이며, 이때의 결정립의 크기와 배열에 따라 재료의 기계적, 전기적 성질이 결정됩니다.

 

- 결정립계(Grain boundary) : '결정립+계' 로 이때의 계는 경계라고 생각하면 이해하기 쉽습니다. 다결정 내에서 서로 다른 결정립 사이의 경계선을 의미합니다.

 

대표적인 예로 Hall-Petch 관계에 따르면 결정립이 작아질수록 재료의 강도는 증가하며, 작은 결정립을 갖는 재료는 변형이 결정립계를 통해 분산되기 때문에 변형이 어려워 강도가 증가합니다.

 

결정립의 배열의 경우에는 등방성(Isotropic material), 이방성(Anisotropic material)인지에 따라 재료의 성질이 변화되는 특성이 있습니다.

 

전기적/열적 전도도 특성에서는 결정립계과 관계가 있습니다. 결정립계는 전자의 이동을 방해하기 때문에 결정립이 작을수록 전기 및 열전도도가 감소합니다.

 

- 결함(Defect) : 결정을 이루는 물질 내에서 불완전한 부분을 의미합니다.

이상적인 결정은 모든 원자나 분자가 빠짐없이 규칙적으로 배열되어 있어야 하지만, 실제 물질들은 결함이 있기 마련입니다. 결함의 정도에 따라 소재의 물리적, 전기적 성질이 변하는 특징이 있습니다. 결함의 예로는 점결함, 선결함, 면결함, 부피결함 등이 있습니다.

결함의 예

위 그림은 결정 내 결함에 대한 그림을 나타낸 예입니다. 위에 언급하였던 점결함, 선결함, 면결함등에 대한 대표적인 예들을 나타냅니다. 이 때문에 소재의 성능 및 성질이 바뀌므로 반도체, 금속 합금, 배터리 등 분야에서 결함을 어떻게 제어하느냐가 관건이 되고 있습니다.

	결정립	결정립계	결함
정의	다결정물질에서 개별적인 결정단위	다결정물질에서 서로다른 결정립 사이의 경계선	결정을 이루는 물질 내에서 불완전한 부분

 

이번 내용에서는 고체를 구성하는 결정, 결정립, 결정립계, 결함등에 대한 내용들의 정의를 배워보았습니다. 위 글이 많은 도움이 되길 바랍니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.

 

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