가장 가고싶은 직무는 '광학설계' 파트로 엘지디에서는 상당히 생소한 지원자로 생각합니다 ㅎㅎ.. 광학설계 파트 지원자는 솔직히 많이 본적도 없거니와, 광학을 제대로 다루는 학교가 그리 많지 않기 때문입니다.
물론 저도 광학쪽으로 전공하는 학생은 아니지만요 ㅠ.ㅠ
하나 재밌는 사실은 엘지니어스와 산학협약을 맺은 학교들이 10곳정도 있는걸로 압니다. 다는 기억이 안나는데 저희학교랑 성대, 한양대, 경희대, 이화여대? 정도로 알고 있습니다. 이 대학들에 속해있다면 나름의 특혜(?)일수도 있는데 엘지니어스 채용프로세스가 [서류 -> 인적성 -> 면접 -> 엘지니어스 캠프 -> 채용결정]로 알고있거든요.
저기서 면접을 저희학교 교수님이 보십니다. 즉, 타 학교생들은 엘지디 임직원들이 보는데 저희는 그냥 자대에서 교수님이 보신다는거죠.
물론 선배님들 얘기 들어보니 교수님들이 학점필터, 디스플레이 전공면접필터 빡세게 거른다고 해서 무섭긴한데... 얼굴은 아는 교수님들과 면접을 진행하니 덜 떨린다는 것에 만족해야할 것 같습니다.
아무튼 대충의 어학점수와 자소서에 적을 활동들은 어느정도 다 채웠으니 이번학기 학점만 잘 받고 슬슬 저도 자소서랑 인적성 준비시작해야겠습니다...... ㅠㅠ 중간고사가 끝나면 이제 산학장학생 준비과정을 자세히 공유하도록 하겠습니다!
이제 위 식을 봅시다. 입사파가 시료와 만나면 산란진폭 형태로 반사가 일어납니다. (탄성 산란이라 가정합니다.)
우리는 지금까지 시료의 미소면적인 dV에 대해서만 다뤘는데 이제 이걸 전체적인 부분으로 확장시키고자 합니다.
그 전에 우리는 위 전자기파가 주기함수의 성질을 가진다는 것을 파악해야 합니다. 주기함수라 함은 주어진 구간 내에서 각각 대응하는 값들이 일종의 싸이클을 가지며 반복한다는 것인데요. 대표적인게 삼각함수입니다. 근데 우리는 전자기파를 표현할 때 삼각함수를 쓰기 때문에 당연히 주기함수가 되겠죠?
주기함수임은 우리가 시료 내의 격자에서 병진 이동이 일어나도 전자기파의 운동량(=파수벡터)에는 영향을 주지 않음을 의미합니다. 따라서, 다음의 원리를 먼저 간단히 증명하고자 합니다.
자, 시료에 X선을 쬐면요. 이 입사파가 우리 눈에는 보이지 않지만 파동을 그리며 진행을 합니다.
브래그 법칙
저 시료들을 우리가 간단하게 결정질형태로 수많은 Lattice point들로 이루어졌다고 하구요. 이들은 수많은 unit cell들로 그려낼 수 있습니다. 그 중, 딱 하나의 unit cell (dV)를 보자구요. 이 unit cell에 해당하는 벡터는 a_1 / a_2 / a_3이라고 합시다. 위 벡터성분은 뭐 격자점으로부터 x축으로 1만큼 , y축으로 1만큼, z축으로 1만큼 이동한 애겠죠?
원점으로부터 dV까지의 위치벡터를 우리는 u_1 , u_2, u_3 이라고 합시다. 이 두 벡터를 내적한 값을 T벡터로 합니다.
그러면 우리는 이제
여기서 T벡터가 뭔지 파악했습니다. 아니 그러면 원시적인 병진 이동은 기존의 n(r)과 동일합니다. (전자 밀도 수)
이를 잠시 1차원적으로 표현합시다. 위 벡터는 x축으로 이동하고 있다고 합시다. 그리고 파동함수이므로 우리는 푸리에변환을 통해 시간에 대한 함수를 주기 함수로 바꿔줄 수 있습니다. 아래와 같이 나오게 되죠 그러면!
이렇게 쓸 수 있습니다. (아, 저기서 각각의 (2파이p/a)뒤에 x를 곱해줘야하는데 깜빡했네요. 이거 염두해주세용)
자, 그러면 여기서 우리는 2파이p/a 라는 '푸리에 공간'을 얻게 됩니다. p값이 유일한 것이 아니고 모든 정수가 될 수 있기 때문입니다. (주기 a동안 파동의 표현을 나타내기 때문입니다.) 그러면 이 공간을 이제 3차원으로 확장시키도록 합시다. 푸리에 공간이라고 칭한 것은 이제 3차원 벡터로 표현해야하기 때문에 적당히 우리가 G벡터라고 부르기로 합시다.
n_G는 3차원 공간 상에서의 푸리에계수입니다. n(r)은 전자 밀도 수를 의미하구요. 뒤에 익스퍼넨셜 항은 산란파의 진폭을 의미합니다. 즉, 산란파의 진폭과 전자 밀도 수는 비례한다는 것을 알 수 있죠. 방정식으로 표현하기 위해 적당한 푸리에 계수를 넣어준 것이구요. 근데 여러분도 아시다시피, 우리가 XRD를 통해서 시료 내부가 어떤 구조를 띠는지 간접적으로 유추하는 것입니다. 따라서, 회절파가 스크린에 그려질 시, 그 스크린에서 보여지는 패턴에 대한 격자를 새로 정의해야합니다. 이게 역격자인데요. 그렇기 때문에 우리는 이제 G벡터를 위에서 T벡터를 두 벡터 간의 내적으로 표현한 것처럼 G벡터도 두 벡터 간의 내적으로 표현하고자 합니다.
자, 시료를 향해 다가오는 굵은 화살표가 있죠? 저게 Incident beam(입사파)입니다. 입사파에 의해서 Scarttering된 수많은 반사파들은 각각의 시료 내부의 미소부피인 dV들에 의해 각각 다른 회절각도를 가져 저렇게 나오게 됩니다.
우리는 지금부터 입사파의 출발점으로부터 시료 내부의 임의의 한 개의 dV까지의 거리를 k벡터라고 하겠습니다.
그리고 dV로부터 빠져나온 반사파까지의 거리를 k'벡터라고 하겠습니다. 또한 원점에서부터 dV의 중심점까지의 거리를 r벡터라고 하겠습니다.
여기서 말하는 원점은 시료 내부에 존재할 수도 있고, 시료 밖에 존재할 수도 있습니다. 원점이라 함은 그냥 우리가 아는 공간좌표 상에서 존재하는 원점이고, 우리가 임의로 저 시료는 공간좌표 상에 어디어디 쯤에 존재한다~ 라고 볼 수 있겠습니다.
dV의 경우는 Charge Density의 크기에 비례하게 됩니다.
반사파가 빠져나와서 저렇게 스크린에 이쁜 패턴을 그리게 되었죠? 저러한 패턴을 Detector라고 합니다. X-ray 촬영을 하면 우리 신체를 지탱하는 뼈가 보이죠? 그 뼈가 일종의 X-RAY를 통한 Detector가 됩니다.
▶수학적인 증명의 시작
- 이제 입사파를 수학적으로 표현해봅시다.
E_i는 입사파를 의미합니다. E_o 뭐 원시 광원이라고 보시면 되겠구요. 문제는 뒤에 딸린 괴상한 식들입니다.
전자기파는 여러분들이 아시겠지만 전기장과 자기장이 서로 수직한 상태로 상호작용하여 진행하는 횡파인데요.
우리는 전자기파를 선형적으로 표현하기 위해서 삼각함수를 사용합니다.
근데 위 공식엔 삼각함수가 안보이죠? 너무 길어서 오일러 방정식을 이용하여 위에서 처럼 표현한 것입니다.
오일러 방정식
이런식으로 표현했죠. 그렇다면 위에 k벡터와 r벡터 wt 등등은 결국 'phase of wave (위상)'을 의미한다는 것을 알 수 있습니다. 그러면 성분들을 파헤쳐 봅시다.
k벡터 : 광원으로부터의 입사파를 표현한 벡터
r벡터 : 원점으로부터 시료 dV의 위치를 표현한 벡터
wt : 위상차
여기서 k벡터와 r벡터는 벡터내적 형태로 표현되어있습니다. 이는 '경로 차'와 관련를 의미합니다. A벡터와 B벡터의 내적은 ABcos세타랑 같죠? 여기서 k벡터를 A라고 생각합시다. 그리고 r벡터를 B라고 생각합시다. 그러면 입사파가 시료에 닿게 될 때, 각각의 layer에 닿는 입사파의 경우! 위상이 달라지면 상쇄간섭이 일어나기 때문에 이 경로차를 파악해야하는 것이 상당히 중요합니다.
경로차 설명을 위한 그림 <출처 - 네이버 블로그 D:drive>
이해가시죠? 저기 빨간선이 경로차를 의미합니다. 저 경로차를 가지고 이제 이렇게 표현해보도록 합시다.
이렇게 됩니다. 마찬가지로 회절된 파수벡터 k'도 똑같이 표현이 가능합니다. 그러면 우리는
e의 지수로 i(k벡터-k'벡터)와 r벡터의 내적형태로 표현이 가능하고 k벡터와 k'벡터의 차를 델타k로 표현할 수 있습니다.
그리고 k벡터와 k'벡터 사이는 둔각이므로 음수로 표현하면 다음과 같이 됩니다.
자 이게 이제 선형적으로 (1차원적으로) 표현한 것입니다. 이제 이걸 3차원적으로 표현하고자 합니다. 이는 바로 다음 포스팅에서 시작하겠습니다.
Tip과 Sample은 닿지 않아야 합니다. 닿지는 안되 많이 가까운 상태에 가야합니다. 가까운 상태가 되면 터널링 현상이 발생합니다. 이를 Qunatum mechanical Tunneling이라 합니다. 이 현상은 Tip과 Sample의 표면이 가까울 수록 커집니다. 아무튼 샘플의 표면을 보면 입자 하나하나가 구의 형태를 띠고 있음을 알 수 있습니다.
그러면 볼록 튀어나온부분과 들어가는 부분이 항상 있겠죠? 이 부분을 통해서 Sample의 표면 구조를 파악할 수 있습니다.
STM을 통해 표면을 관측한 그래프
이 시료를 보면 대충 LDOS가 대충 2부근이 정상적인 표면이라고 가정하겠습니다. 근데 Energy부분이 1,0 1,5인 부분에서 갑자기 높은 피크가 관측되었습니다. 이 뜻은 표면에 불순물이 존재한다는 의미입니다.
▶ HREM (TEM)
- high resolution electron microscope라고 부릅니다. TEM으로 많이 알려져있는데요. 빔이 샘플을 투과하면서 회절현상이 일어나게 됩니다. 이 때, 회절현상이 일어난 입자들을 관찰함으로써 시료의 내부구조를 파악하는 방법입니다.
위 그림에서 굉장히 잘 나와있죠? TEM의 경우는 시료를 투과한 빔에 주목하면 됩니다. 시료를 투과하면서 일부 입자들이 회절현상이 일어난 것을 알 수 있게 됩니다.
이렇게 STM, TEM과 같이 직접적으로 알 수 있는 것을 Direct observation으로 분류합니다.
그렇다면 TEM에서 말하는 회절현상이라는 것은 무엇일까요?
▶ 회절 현상 (Diffraction)
회절 현상
자, 저렇게 평면파 형태로 진행되다가, 장애물을 만났습니다. 광학에서는 이를 슬릿이라고 부르죠? 어쨌든 이 슬릿과 만나면서 아주 작은 틈에서만 삐져나가게 됩니다. 이 때, 평면파가 구면파로 바뀌면서 장애물의 그림자부분까지 퍼져나가게 됩니다. 우리는 이 '그림자'를 토대로 역으로 추정하여 장애물이 어떠한 모습을 띠겠구나~ 유추할 수 있습니다.
이러한 방법을 통해서 시료 내부 구조를 파악할 수 있게 되는 것입니다. 물론 다 컴퓨터가 알아서 그려줍니다 ㅎㅎ
그러면 회절 현상의 발견 이후로 시작된 여러 법칙들 중, 대표적으로 '브래그 법칙' 에 대해 배워보도록 하겠습니다.
▶ 브래그 법칙 (Bragg's law)
브래그 법칙
자, 시료에다가 Incident beam (입사파)을 시료에 쬐어봅시다. 그러면 보시는 바와 같이 입사파와 반사파는 각각 시료의 표면 사이의 '각도'를 얻게 됩니다. 이 각도와 선분TQ를 주목합시다. 이들 사이에서는 한 가지 공식이 나오게 되는데요.
공식은 다음과 같습니다. nλ=2dsinΘ n은 정수배를 의미하며, 이건 걍 주어질 겁니다. 람다는 당연히 파장을 의미하구요. d는 A,B사이의 거리를 의미합니다. 브래그 법칙에서의 조건은 먼저 반사의 법칙이 전제가 되어야 합니다. 아무튼 위 공식이 성립한다면 빛은 회절한다! 라고 정의내릴 수 있겠습니다.
다음은 브래그 법칙을 토대로 얻은 그래프입니다.
브래그 법칙
y축은 강도를, x축은 각도를 보여주고 있습니다. 어떠한 각도를 가지고 강도를 가짐에 따라 이 시료가 무엇인지 유추할 수 있습니다. 그러나, 브래그 법칙은 왜 저러한 강도와 각도를 가지는지에 대한 완전한 설명을 하지 못한다는 점에서 단점이 있습니다. 그래서 이를 보완하기 위해 등장한 이론이 '라우에 이론'이 되겠습니다. 이는 다음 포스팅에서 이어집니다.
육방정계에 대해서는 간단히 설명만 하겠습니다. 먼저 방향벡터들을 볼까요? a1과 a2는 같은 길이를 가지며, 두 사이의 각도는 120도를 가집니다. a3역시 a1,a2와 같은 길이를 가지지만, 일반적으로 우리가 육방정계에 대해 설명할 때는
a1벡터, a2벡터, c벡터를 가지고 다룹니다.
c벡터의 길이는 a1,a2보다 대략 1.633배정도 깁니다. c벡터는 보시는 바와 같이 밑면에 수직한 '법선벡터'의 역할을 하고 있습니다.
- 배위 수 : 12
- 육방정계의 구조를 가지고 있는 물질은?
전이금속 쪽에서 Sc, Y, Ti, Zr, Co가 대표적입니다. 또한 2족에 해당하는 금속인 베릴륨과 마그네슘도 여기에 해당합니다.
- 육방정계의 축퇴구조는 ABABABA... 형태로 쌓입니다. 이게 무슨 말이냐하면 아래 그림을 보시면 됩니다.
ABA, ABC 최조밀 쌓임 그림
왼쪽부분이 육방정계가 쌓이는 구조 (ABA)입니다. 오른쪽은 FCC구조가 쌓이는 방식입니다. (ABC)
▶ Diamond Structure
Diamond Structure
다이아몬드 구조는 상당히 중요합니다. 이들을 숫자에 대한 개념으로 풀어보겠습니다. 먼저 밑면과 윗면에 박힌 Lattice point들은 0,1이라고 두겠습니다. 위에서 이를 바라봤을 땐, 밑면을 기준으로 합니다. 그렇다면 0,0,0,0,0 이라고 보면 되겠죠?
Diamond Structure 전개도
그 다음 z축방향으로 1/2만큼 움직인 것들. 1/4만큼 움직인 것들이 보입니다. 이걸 외우는 방법으로는
일단 오른쪽 전개도를 볼 때, 각 꼭짓점과 중심점은 0으로 적어두도록 합니다. 그 다음, 꼭짓점 사이사이의 중점은 1/2가 됩니다. 이것만 기억하면 나머지 3/4와 1/4는 쉽게 외울 수 있게 될 것입니다.
다이아몬드 구조의 Bonding은 Tetrahedral bonding이라고 하여, 2개의 FCC 구조가 결합된 형태라고 볼 수 있습니다.
배위수는 12개고, 원자의 개수는 4개입니다.
- 다이아몬드 구조의 원자충진율을 0.34로 복잡한 구조를 보이지만 생각보다 빈 공간이 많다는 의미가 되겠습니다.
- 다이아몬드 구조를 띠고 있는 물질은? Si, Ge, Sn, C, Zns, GaAs 로 반도체 물질들이 상당히 많이 보입니다.
여기서 우리가 눈여겨 봐야할 것은 ZnS와 GaAs입니다. GaAs는 현재 각광받는 반도체 물질이구요. ZnS는 테트라헤드럴 본딩에 속해있긴 하지만 Basis Atom이 조금 다른 관계로, 우리는 이를 'ZinC Blende' 구조라고 부릅니다.
▶ ZinC Blende
- ZinC Blende는 독일어로 ZnS 구조를 의미합니다. FCC가 2개로 존재하는데 하나는 Zn, 다른 하나는 S로 있습니다.
대부분의 반도체 물질은 이 구조와 많이 유사합니다. 특히 우리가 디스플레이를 배우는데 있어서 RGB컬러라는 것을 많이 들어봤을 겁니다. RGB컬러를 완벽하게 구현하는데 있어 각각의 빛을 내는 소자를 발견하는 것이 중요한데, 레드와 그린은 진작에 찾은 상태였습니다. 그러나 Blue컬러를 내는 소자만 찾는데 오래걸렸었는데 GaN(갈륨 나이트론)이 청색 빛을 내는 소자로 발견되어 노벨상을 수상하기도 했습니다.
- Lattice Point란 격자점을 의미하기도 하지만, 여기서는 원자 개수라고 생각하세요.
(필기노트가 오류인건지 아니면 원래 Lattice Point라고도 하는지는 모르겠네요.)
Simple Cubic을 보면 Lattice Point(원자)가 하나죠? 왜 그럴까요? 여기서 원자의 모형은 '구'라고 가정하겠습니다. 이 구를 8등분시켜서 Simple Cubic의 각각 꼭짓점에 박아두면 위 그림과 같은 모습이 됩니다. 즉, 원래는 하나의 원자였다는 것이죠.
그래서 Lattice Point는 1로 잡혔습니다.
- 배위수가 뭔가요?
배위수는 양이온(혹은 음이온) 주위를 둘러싸고 있는 음이온(혹은 양이온) 개수를 의미합니다. 상대적으로 중요한 내용은 아니니 위 배위수 개수만 알아두셔도 됩니다.
- 거리는 왜 a인가요?
여기서 거리는 단위격자의 한변의 길이를 의미합니다.
- 충진율이 뭔가요?
주어진 단위격자(unit cell)에서 원자가 차지하는 부피의 백분율을 의미합니다. 위에 그림을 보시면 알겠지만 심플큐빅이 제일 낮죠? 충진율 공식은 다음과 같습니다.
[원자의 개수]*[원자의 부피] / [단위격자의 부피]
2) Body Cubic Cell (BCC)
- 얘는 한글로 '체심입방정계' 라고 부릅니다. Simple Cubic에서 가장 중앙에 원자 하나 더 박혀있습니다. 그래서 Lattice Point는 2로 나왔습니다.
- 배위수는 8로 늘어났습니다.
- 거리는 갑자기 늘어났죠? 이걸 한번 증명해보도록 합시다.
BCC구조의 단위격자 길이
원자 구 하나가 가지는 반지름을 r이라고 합시다. 그러면 위 그림에서 보시는 바와 같이 Unit Cell의 대각선 길이는 4r이라고 표현할 수 있습니다. 이는 Unit Cell 한변의 길이가 a일 때, 3a^2에 루트를 씌운 값이 4r과 같다는 것을 알 수 있습니다. 그래서 a에 대한 식으로 바꾸면 맨 위에 표에 적은 값이 나오게 되는 것입니다.
- 충진율은 심플큐빅보단 높네요. 원자의 개수가 2개고.. 반지름 r에 대한 식으로 통일해서 충진율 공식에 대입하면 0.68이라고 나올 것입니다.
- BCC구조에 해당하는 애들은 뭐가있을까요?
A. 알칼리 금속, 자성체(Cr, Fe) , 전이금속 (Nb,V,Ta,Mo,W)
3) Face Cubic Cell (FCC)
- 한글로 '면심입방정계'라고 부릅니다. BCC와 달리 중심에 원자가 박혀있는 상태는 아닙니다. 그러나, 각 면의 중심에 하나하나씩 박혀있어서 총 4개의 원자 개수를 가집니다.
- 배위수는 12구요.
- 거리 한번 구해볼까요?
FCC 구조
얘는 한면이 가지는 대각선 길이가 4R임을 알 수 있습니다. 그러면 한변의 길이는 BCC보다 비교적 쉽게 구할 수 있네요. (2루트2)R가 단위격자 한변의 길이가 됩니다. 이를 가지고 충진율도 쉽게 구할 수 있을테구요.
- FCC구조를 가지는 애들은 뭐가 있을까요?
A. 귀금속류 Cu, Ag, Au / 전이금속 (Ni,Pd,Pt) / 비활성 기체들
▶ 밀러 지수 (Miller Index)
밀러 지수는 선 밀러지수와 면 밀러지수로 나뉩니다. 밀러지수는 방향을 간단하게 표기하는 일종의 기호로 사용됩니다.
먼저 선 밀러지수입니다.
선 밀러지수의 예시
1번째 그림을 보면 x축 위에 존재하는 격자점을 [100]이라고 표현했습니다. 이 의미를 살펴봅시다.
선 밀러지수는 먼저 '[ ]' 대괄호를 사용합니다. 그리고 대괄호 안에다가 차례로 [x y z] 의 방향을 기입합니다. 1번째 그림에서는 x축말고는 다 0이기 때문에 [100]이 되었네요!
위 그림에서는 안나왔으나, 음수인 경우에는 숫자위에 '바' 형태로 표시합니다. 숫자 위에 '－' 를 씌어준다는 것이죠.
별로 어려울 것 없죠? 좀 더 살펴보도록 합시다.
이번에는 면 밀러지수입니다.
면 밀러 지수의 예시
위에 그림에서 파란색을 볼까요? 일단 면 밀러지수는 선 밀러지수와 달리 소괄호 표시인 '( )'을 사용합니다.
그리고 위 그림을 보면 되게 복잡해보이고 그러죠? 차근차근 보겠습니다. 먼저 모든 면 밀러지수는 다음과 같은 절차를 따릅니다.
1) 각각의 Lattice Vector의 계수를 적습니다. 공간좌표 상에서 (1,2,3)이라는 위치에 있다면 (123)이렇게 적을 수 있겠죠?
2) 구해준 계수의 역수를 취해줍니다.
3) 아니 근데, 이놈의 밀러지수는 변덕쟁이라서 분수 꼴로 나오는 것은 싫다고 합니다. 그래서 그냥 차라리 분모의 최소공배수를 곱해주는 것으로 다시 바꿨습니다.
4) 그렇다면 위의 경우는 (1/1 , 1/2 , 1/3)상태에서 최소공배수 6을 가지므로 (632)가 되겠군요. 이게 밀러 지수의 표현법이 되겠습니다.
카테고리의 제목은 반도체&디스플레이지만 이들은 모두 '재료과학'와 '고체물리'를 기초로 하고 있습니다. + 광학도요.
오늘은 디스플레이에 대한 실용적인 내용보다는 물리학과, 신소재공학과에서 1~2학년 전공으로 배우는 학문을 다뤄보려 합니다.
▶ 고체란 무엇인가?
- 외부에서 충격을 가했을 때, 탄성 변형과 같은 것이 일어나는 물체입니다.
고체의 종류에는 금속(도체), 자성체, 절연체 등등이 존재합니다.
또한, 고체를 이루는데는 다양한 결합방식이 존재하는데요. 크게 3가지로 나뉩니다.
1) 단일원자
- 그래핀 혹은 다이아몬드같이 C로만 이루어진 것.
2) 화학적 결합 (Compound)
- 화합물
3) 물리적 결합 (Mixture)
- 혼합물
▶ Crystal Structure VS Amorphous Structure
크리스탈 구조는 규칙적으로 배열된 결정 구조라는 점이 가장 큰 특징입니다.
아몰포스는 비정질이라는 뜻으로 격자 구조가 불규칙적인 것입니다. 유리가 대표적이고 화산암같이 급격하게 냉각된 고체물의 경우가 거의 다 아몰포스라고 보시면 되겠습니다.
Q. 그렇다면 크리스탈 구조인지 아몰포스 구조인지 알 수 있는 방법으론 뭐가 있나요?
A. 표면을 관찰하는데 사용되는 STM, AFM을 사용하거나 박막구조를 관찰하는데 사용되는 SEM, TEM을 이용하면 되겠습니다.
Q. 내부의 격자 구조를 관찰했는데 조금 애매합니다. 크리스탈 구조같아보이는데 불규칙적인 면도 없잖아 있습니다.
A. 사실 완벽한 크리스탈 구조를 가진다는 것은 매우 희박합니다. 격자 구조를 이루는데 들어가는 원자들의 크기가 항상 일정하란 법도 없기 때문입니다. 아보가드로 수에 따르면 매우 천문학적인 수치의 입자들이 1mol을 이루고 있습니다. 그들이 모두 동일한 크기를 가진다는 것은 사실 0에 가깝습니다. 그렇기 때문에 어느 한부분은 Vacancy가 발생하기도 하고, 어느 한 곳은 Density가 크기도 합니다.
이러한 것들을 통틀어서 'Defection (결함)' 이라고 합니다.
▶ Primitive cell (원시격자)
- 하나의 큐빅 셀을 이루는 가장 작은 단위세포라 보시면 됩니다.
Crystal lattice , Unit cell
위 그림을 봅시다. Unit cell = Primitive cell 이라고 보셔도 됩니다. 꼭지점이 원자 (배위수)라고 봐도 되고, 격자점과 격자틀에 의해 생성된 정육면체들이 바로 lattice가 됩니다. 그리고 이것의 가장 기본 단위를 Unit cell이라고 부르는 것입니다.
▶ Wigner Seitz Primitive cell
- 어렵게 생각할 것없습니다. 이것 역시 Unit cell의 한 부분으로 가장 높은 Symmetry(대칭)을 가지고 Lattice Point(격자점)이 중앙에 위치하는 모델입니다. 아래 사진을 봅시다.
Wigner Seitz cell 2D
보시는 바와 같이 모든 구조가 완벽한 대칭을 이루고 있음을 알 수 있습니다. 이러한 대칭에는 크게 4가지 종류가 있습니다.
1) Translational Symmetry (병진 대칭)
- 말이 좀 어렵죠? 쉽게 생각하자면 그냥 평행이동 시킨 대칭을 말합니다.
2) Rotational Symmetry (회전 대칭)
- 공간 상의 한 포인트를 중심으로 회전해도 똑같은 경우를 말합니다. 다각형들을 생각하면 됩니다.
정삼각형, 정사각형, 정오각형, 정육각형 등등. 이들은 변과 변 사이의 각도가 모두 일정하므로, 어떤 회전변화를 주어도 동일한 모습을 띠게 됩니다.
3) Mirror Symmetry (거울 대칭)
- 여러분들이 화학을 공부하실 때, 이성질체 파트를 공부하신 분들은 '카이랄하다!' 라는 것을 들어보셨을 겁니다.
왼손-오른손 대칭이라 생각하시면 좀 더 이해하기 수월할 듯 합니다.
4) Inversion Symmetry (원점 대칭)
- 말 그대로 원점을 기준으로 하여 대칭적 구조를 띠고 있는 상태를 말합니다.
▶ Bravais lattice (브라베 격자)
다 외울 필요는 없습니다. 가장 많이 쓰이는것은 Cubic인데요. 일단 큐빅만 간단하게 짚고 넘어가겠습니다.
* Cubic (입방정계)
- 축이 모두 동일한 길이입니다. / 축각은 모두 90도로 역시 동일합니다. 위 표를 보시면 알 겠지만 단순과 체심 면심이 존재합니다. 단순,체심,면심에 대해서는 바로 다음 포스팅에서 다룰 것입니다.
4. Strechable (스트렛쳐블) : 잡아당길 수도 있고 압축시킬 수도 있는 것. (아직 연구단계)
말만 들어도 상상이 안갑니다. 폴더블~롤러블은 그래도 기술을 선보인 적이 있습니다. 구글이나 유튜브 좀만 찾아봐도 공개영상이 있는데 스트렛쳐블은 아직 연구 단계라고 합니다.
이러한 유연성을 가질 수 있는 이유는 바로 '유기소재'이기 때문에 가능합니다. 그러나, 유기물이기 때문에 우리는 수명을 신경 안쓸수가 없습니다. 유기소재의 수명을 저하시키는 요인으로는 공기와 수분이 대표적인데요. 이 두가지를 막기 위해서 현재 2가지 공법이 논의되고 있습니다.
1. 바이텍스 공법 (Vitex)
- 바이텍스 공법은 유기물과 무기물을 번갈아가며 쌓는 방법입니다. 유기물 그 위에서 무기물. 무기물 그 위에 유기물을 쌓는 방식으로 공법이 의외로 간단합니다.
* 그러나 이 공법은 문제점이 하나 있습니다. 수분과 공기를 완전히 차단하지 못한다는 점입니다. 단지, 수분과 공기가 침투하는데 걸리는 시간을 지연시키는 것에 그칩니다.
2. 원자층 적층법 (ALD . Atomic layer depostion)
- 고순도의 알루미나를 원자 단위로 적층시키는 방법입니다. 이 경우는 원자 단위로 박막층을 형성시켜 수분과 공기를 완전히 차단할 수 있습니다. 다만 바이텍스 공법보다 어렵고, 비용이 많이 든다는 점이 있습니다.
현재 두 공법 중 상용화되있는 것은 바이텍스 공법입니다. 원래는 원자층 적층법을 시도하려 했으나, 고순도의 알루미나 같은 ALD금속들이 오히려 이물질이 되어 디스플레이 기판을 돌아다니게 된다는 것입니다.
