결정 육성과 구역구조 관찰 컴퓨터 응용과학부 99225076 최성진

차례 목적 결정이란? 수용액법 결정 육성 구역구조 관찰 결과 및 향후 과제 결정에 관한 전반적인 이해 수용액법을 이용하여 결정 육성 편광 현미경을 사용하여 구역(domain) 관찰 결정이란? 수용액법 결정 육성 구역구조 관찰 결과 및 향후 과제

1.결정(Crystal)이란? 1) 구성입자(원자, 분자, 이온)들이 액체, 기체 상태로부터 질서있게 배열된 고체 상태 물질을 이루는 3가지 형태로 기체, 액체, 고체가 있습니다. 기체를 이루는 분자들을 분자간의 거리가 분자의 크기에 비해 매우 커서 분자들이 서로 영향을 미치지 못합니다. 그에 비해서 액체와 고체 내의 분자들은 오밀조밀 모여있어서 분자를 이루는 원자들이 서로 영향을 주게 됩니다. 기체, 액체, 고체로의 변이는 모두 분자가 갖고 있는 열에너지 때문에 일어나는 것입니다.

2)결정의 정의 결정 : 구성입자들이 공간에 규칙적으로 배열된 고체 상태. -단결정: 결정 전체가 입자의 균일한 배열을 갖는 결정. -다결정: 작은 단결정들이 제멋대로 섞여 뭉쳐진 결정. 비정질 : 불규칙한 입자의 배열을 가지는 것. 단결정 비정질 다결정 분자가 규칙적인 배열을 가지는 것을 결정이라고 하고, 고체 전체가 규칙적인 배열로 균일하게 이루어져있으면 단결정이라고 합니다. 그리고 부분적으로만 단결정처럼 균일한 배열을 갖는 것을 다결정이라고 합니다. 고체 중에서 규칙적인 배열이 없이 분자의 배열이 불규칙한 구조를 가지는 것을 비정질이라고 합니다. 비정질의 예로 유리가 있는데.. 규칙적인 배열을 가지지 않기 때문에 적정한 열에너지를 주게되면 여러 형태로 만들기가 쉽습니다. 액체 중에도 결정 구조를 가지는 경우가 있는데, 저절로 만들어지는 것은 아니고 외부에서 어떤 힘(전압)을 주어 분자를 결정과 같이 규칙적인 배열을 가지게 하는 것입니다. 이것을 액정 또는 액체 결정이라고 하는데.. 우리가 사용하고 있는 전자시계나 핸드폰에 쓰이는 LCD가 이런 액정을 이용한 것입니다.

3) 대칭성 점대칭 면대칭 대칭성: 결정의 중요한 성질로써 규칙적인 구성입자 배열에 의해 발생한다. 대칭의 3요소 -점대칭: 대칭심 -면대칭: 거울면 -선대칭: 회전축 점대칭 면대칭 외형의 대칭성 결정은 하나의 기하학적 다면체를 이루고 있는데, 이것은 결정을 구성하는 원자나 이온들이 공간적으로 규칙성을 가지고 배열되어 있기 때문입니다. 그래서 결정의 가장 중요한 특징이 바로 대칭성입니다. 이 그림에서 4개의 결정 모두 다른 모양의 외형을 가지고 있지만 결정의 대칭성은 정육각형과 동일하다. 이 그림은 2차원이지만 3차원과 동일하다. 각 결정의 중안에서 각 결정면에 법선을 그으면 모두 같은 대칭성을 가지고 있다는 것을 알수 있습니다. 대칭심(Center of Symmetry) 결정내의 한점을 중심으로 같은 모양과 크기의 한쌍의 면이 한 점을 중심으로 반대 위치에 나타날 때, 그 결정은 대칭심을 가지고 있다고 말한다. 거울면(Mirror plane) 결정내의 한 평면을 중심으로 양쪽의 거울과 같은 형태이면, 그 평면을 거울면이라고 하고 줄여서 m이라고 표시한다.거울면은 stereographic projection에서 명확히 알 수 있는데 아래의 그림에서 거울면이 투영면과 평행한 경우와 수직한 경우를 보였다. 회전축(Rotation Axis) n-회전축(n-fold rotation axis)는 결정을 어느 한 방향을 축으로 2π/n 만큼 회전시켜도 결정의 모양이 동일할 때, 그 축을 n-회전축이라고 부른다. 2-회전축, 3-회전축, 4-회전축, 6-회전축을 고 부른다.

4)결정구조-1 단위세포 (Unit cell): 결정을 구성하는 기본단위. 이것의 규칙적인 배열로 결정을 이루게 된다. a, b, c 세 축과 그들의 사잇각으로 나타낼 수 있다. 공간격자: 단위세포들이 일정한 간격으로 반복되는 구조. -공간격자: 1, 2, 3차원격자. 공간격자 단위세포 결정의 외형에 나타난 대칭성은 결정내에 보다 작은 크기의 단위(subunit)가 가지는 대칭성이 모여서 이루어 진것입니다. 만일 결정을 잘게 조각을 쪼개어보면, 작은 조각 역시 큰 크기의 결정과 같은 대칭성을 가지고 있느데 이것을 단위정이라고 합니다. 결정은 분자들의 규칙적인 배열을 가지고 있습니다. 이런 일정한 간격으로 반복되는 구조를 격자라고 합니다. 특히 3차원 격자를 공간 격자라고 합니다. 그림에서 보면은 이러한 단위정들이 모여서 결정을 이루게 되는 것입니다. 단위정은 a.b.c 세 축과 이들의 사잇각 , , . 로 표시합니다.

5)결정구조-2 결정계:3차원 공간을 채울 수있 는 단위세포의 형태 (7가지). 삼방정계 입방정계 육방정계 정방정계 단사정계 사방정계 삼방정계 육방정계 단사정계 삼사정계

5)결정의 일반적 특징 다색성: 결정 방향에 따라서 빛의 흡수가 다르게 발생 하여 결정의 색상이 다른 색상으로 보이는 것. 결정의 방향에 따라서 기계적/열적/광학적/전기적/자 기적 물성이 차이가 난다. 같은 결정이 보는 방향에 따라 색상이 다르게 보이는 것을 말합니다. 가시광선중에 다른 모든 색상은 흡수하고 관찰되는 색상의 파장만 결정을 통과하여 보여지기 때문이다. 예를 들어서 cordierite결정은 보는 방향에 따라서 blue, brue-grey, bright-yellow등으로 색상이 변화합니다. 예를 들어 Kyanite(Ak2SiO5)결정을 날카로운 바늘로 긁었을 때, 긁는 방향에 따라서 흡집의 깊이가 다르다. 이는 결정방향에 따라서 강도값이 차이가 있기 때문입니다. 또한 석면위에 wax를 바르고 가열하면 wax가 녹은 면적이 균일하게 원을 형성하지 못하고 타원형태로 녹는데, 이 또한 결정방향에 따라서 열전도도가 차이가 나기 때문입니다.

6)결정응용의 예 빛을 전기로 변환 -태양전지 전기를 빛으로 변화 -반도체 레이저 전기로 빛을 제어 -광변조기 -광검출기 -LED -EL 전기로 빛을 제어 -광변조기 -광편향기 -공간광변조 ->빛을 전기로 변화하는 기능은 태양전지로 쉽게 이해가능합니다. 빛을 쪼일 때 여기된 전자나 홀(hole)을 전류로 끌어내는 것이다. ->전기를 빛으로 변환하는 기능은 반도체 레이저나 발광 다이오드로 대표되는데, 전류를 주입하여 캐리어의 반전 분포를 일으키는 것입니다. ->빛을 전기를 가지고 제어하는 기능인데, 빛에다 전기를 걸어주면 빛이 편향하거나 진폭이 변하는 성질을 이용하여 광 스위치등으로 이용하는것이다.

6)결정에 의한 빛 제어기능 음으로 빛을 제어 -광편향기/광 스위치 자기로 빛을 제어 -광 아이솔레이터 빛으로 빛을 제어 -광자기 기억소자 빛으로 빛을 제어 -고체 레이저 -파장 변환소자 빛•빛의 상호작용 -홀로그램 -포토리프랙티브 -PSHB ->빛을 음파로 제어하는 기능으로 빛을 편향시켜서 빛의 광로를 바꾸어 레이저 프린트 등에 이용되는 것이다. ->결정에 코일을 감으면 자기장이 생기는데 이것으로 빛을 제어하는 기능이다. ->빛을 빛으로 제어하는 방법 ->빛과 빛이 상호작용을 하는 기능으로 어떤 이미지를 쓰고 읽을수 있는 저장 공간으로 사용할 수 있다.

2.결정 육성방법 -결정성장 온도 설정 -소량의 포화용액을 만들어 -포화용액의 온도를 1,2도 올린다. 결정 육성 Mechanism -결정핵 생성 (Nucleation) -결정 성장 (Growth) 수용액법에 의한 결정 육성 ①포화용액 제조 -결정성장 온도 설정 -과포화용액으로 만든 후 관찰 -결정 석출후 여과하여 분리 한 후 성장온도에서 방치 ②종자결정(seed)의 결정 -소량의 포화용액을 만들어 샤알레에 두고 결정 석출되면 건져낸다. ③종자투입 -포화용액의 온도를 1,2도 올린다. -선택한 종자를 실에 묶어 넣는다. -포화용액의 온도를 다시 1,2도 낮춘다. ④결정 성장 -성장온도로 낮추면 결정 성장되기 시작한다.

3.결정 육성 LiCsSO4(황화세슘리튬)결정 육성 1.포화수용액 만들기 - Li2SO4 (황화리튬) + Cs2SO4(황화세슘) → 2 LiCsSO4 2. 종자결정 -샤알레에 두고 seed를 생성 한다. 3. 종자투입 - Seed를 낚시줄에 매달아 포화수용액에 담근다. - 항온 항습기를 이용하여 온도와 습도를 적절히 조절. 4.결정 육성 - 결정이 규칙적인 배열로 잘 성장할 수 있도록 한다. LiCsSO4r결정 LiCsSO4 결정은 혼합물의 단결정입니다. Li2SO4 와 Cs2SO4 를 1:1 몰비로 혼합하여 포화수용액을 만든다. 녹일 때 Li2SO4 가 잘 녹지 않아 Li2SO4 를 먼저 녹이 후 Cs2SO4 를 녹였다. 성장온도를 28도로 정하고 포화용액을 둔지 이틀만에 seed를 얻을수 있었다. 수용액 법 결정성장은 주위의 온도에 민감하게 의존하므로 항온 항습기를 이용하여 일정하게 유지 시켰다. 다시 포화 용액을 만들고 seed를 낚시줄에 꿰어서 유리막대에 매달아 항온 항습기에 넣고 성장시켰다.

구역(Domain) 구역(Domain) : 결정이 가지는 하나의 성질로써 단결정내 단위세포가 조금씩 상이히게 쌓인 부분 . 구역벽 (Domain Wall) : 구역들이 만나는 경계면 . Pb3(PO4)결정의 구역 결정이 가지는 성질로써 모든 결정에 나타나는 것은 아니다 결정을 하나의 공간 격자로 봤을때 공간 격자는 수많은 단위 세포들로 채워져 있다 이 단위세포가 채워질때.. 조금씩 다른 구조를 가지는 경우가 있는데.. 이것들을 도메인이라고 한다

4.구역 관찰 방법 거시적 관찰 : 편광현미경에 의한 코노스코프상 관찰하여 구별. 편광 판 : 편광축에 의해 특정 방향의 빛만 통과한다. 편광현미경: 두개의 편광판을 이용하여 특정 파장만을 통과시킨다 편광되지 않은 빛 편광축 거시적 방법을 이용하여 결정 품질 검사를 해 보았습니다. 우선은 편광현미경에 대해서 말씀드리겠습니다. 편광 현미경은 일반 현미경과 달리 재물대를 중심으로 위,아래에 두개의 편광 판이 있습니다. 아래편광판을 폴라라이저라고 하고 재물대 위의 편광판을 에널라이저라고 합니다. 편광 현미경의 원리를 말씀드리겠습니다. 광원으로부터 온 빛은 반사경을 통하여 아래 폴라라이저를 통과하게 됩니다. 이때 빛은 폴라라이저의 광축 방향의 한 방향으로만 나오게 됩니다. 이 빛은 다시 결정을 통과하여 방향이 바뀌게 되고 에널라이저를 통과하게 되는 것입니다. 이때 다시 한번 에널 라이저의 광축 방향으로 빛은 바뀌게 되는 것입니다.

LiCsSO4 Image 디지털 카메라 디지털 현미경: 투과 디지털 현미경:반사 현미경

편광현미경으로 관찰 LiCsSO4 무색 투명한 결정 3 종류의 쌍구역(twin domain)을 가진다. 육각형 모양의 사방정계 이다 - 구역벽(domain wall) : 결정내 상이한 구조들의 접합벽

5. 결과요약 및 향후 과제 결과요약 - 육성된 결정은 육각형 모양이었고 3종류의 600 구역으로 이루어져 있다. 차후과제 - 육성된 결정은 육각형 모양이었고 3종류의 600 구역으로 이루어져 있다. 차후과제 - 다른 성장 방법으로 결정 육성 - 무색결정에 색깔 넣기 - 결정 육성에 관한 이론의 수준 높은 공부와 알고리즘 구성, 시뮬레이션 배운 점 - 이론적으로 결정 육성1717에 관해 공부하고 실험을 통하여 결정 육성 방법을 익혔다. -‘구역’이라는 새로운 공부를 할 수 있었고, 현미경을 사용한 영상획득 방 법의 H/W 및 Digital Image Processing 에 관심이 생겼다. - 졸업 프로젝트를 수행하면서 문제 해결 능력을 배울 수 있었다.