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비정질 고체

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목차

1. 개요

비정질 고체는 원자 배열이 규칙적인 결정질 고체와 달리, 원자 배열이 불규칙한 고체 물질을 의미한다. 비정질 고체는 장거리 규칙성이 없고, 국부적인 질서를 가지며, 균질하고 등방성인 특징을 보인다. 유리, 비정질 금속, 비정질 반도체 등이 비정질 고체의 예시이며, 급냉법, 기상 냉각법, 화학 기상 증착법 등 다양한 방법으로 형성된다. 비정질 고체는 박막, 초전도, 열 차폐, 제약, 토양 등 다양한 분야에 응용되며, X선 및 중성자 회절, X선 흡수 미세구조 분광법, 전자 현미경 기반 기술, 전산 모사 등의 기술을 통해 특성을 분석한다.

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비정질 고체
지도
일반 정보
유형고체
구조비결정
다른 이름비결정성 고체
무정형 고체
특징
결정 구조없음
규칙성원자 또는 분자의 불규칙한 배열
녹는점명확한 녹는점 없음, 유리 전이 온도를 가짐
물리적 성질등방성
예시
무기 물질유리
규산염 유리
금속 유리
비정질 실리카
박막
용융 염
유기 물질고분자
젤
왁스
형성 과정
형성 방법빠른 냉각
증착
화학 반응
졸-겔 공정
고체 상태 반응
특성
장점우수한 기계적 강도
내식성
광학적 특성
단점결정화 가능성
열적 안정성 부족
취성
응용
응용 분야광학 장치
전자 장치
포장재
바이오 소재
구조재
추가 응용메모리 소자
센서
전도성 필름
디스플레이
촉매
연구 분야
연구물질의 구조 및 성질
새로운 재료 개발
성능 향상
안정성 연구

2. 구조

황 가루를 가열하여 녹인 후 물속에서 급히 냉각시키면, 황 원자가 규칙적으로 배열될 시간이 부족하여 액체 상태의 불규칙한 배열 그대로 고체가 된다. 그 결과 거무스름한 덩어리가 만들어지는데, 잡아당기면 고무처럼 늘어나는 성질을 가진다. 이처럼 결정 구조를 이루지 않은 상태를 비정질성이라고 하며, 유리가 대표적인 예이다. 유리는 규소 원자와 산소 원자가 만드는 정사면체가 불규칙하게 배열되어 비정질성 구조를 띈다.[4] 비정질 고체는 내부 입자 간 결합력이 균일하지 않아 일정한 녹는점을 보이지 않으며, 이러한 상태를 '유리 상태'라고도 부른다.

결정질 고체와 비정질 고체 비교

2. 1. 근거리 및 중거리 질서

비정질 물질은 분자 수준의 구조적 블록들의 내부 구조를 가지고 있으며, 이는 같은 화합물의 결정질 상태에서 기본적인 구조 단위와 유사할 수 있다.[4] 그러나 결정질 물질과 달리 장거리 규칙성은 존재하지 않는다. 즉, 비정질 물질은 유한한 단위 세포의 반복으로 설명할 수 없다. 원자 밀도 함수와 방향 분포 함수와 같은 통계적 측정값이 비정질 고체의 구조를 설명하는 데 더 유용하다.[1][3]

유리는 비정질 고체의 일반적인 예이다.


비정질 물질은 장거리 질서가 부족하지만, 작은 길이 스케일에서는 국부적인 질서를 나타낸다.[1] 관례적으로, ''단거리 질서''는 최근접 이웃 껍질까지로만 확장되며, 일반적으로 원자 간격 1~2개에 불과하다.[5] ''중거리 질서''는 단거리 질서를 넘어 1~2 nm까지 확장될 수 있다.[5]

비정질 물질은 분자간 화학 결합의 특성으로 인해 원자 길이 척도에서 어느 정도의 근거리 질서를 갖게 된다. 또한, 매우 작은 결정의 경우 근거리 질서가 많은 원자를 포함하지만, 표면에서의 완화와 계면 효과는 원자 위치를 왜곡하고 구조적 질서를 감소시킨다. X선 회절 및 투과 전자 현미경과 같은 가장 발전된 구조 분석 기술조차도 짧은 크기 척도에서 비정질 및 결정 구조를 구분하는 데 어려움을 겪을 수 있다.[13]

2. 2. 결정질 고체와의 비교

황가루를 시험관에 넣고 가열하여 녹인 것을 깔때기에 얹은 거름종이 위에 붓고 천천히 냉각시키면 황이 바늘 모양으로 결정(단사 정계)되어 있는 것을 볼 수 있다. 또, 황 가루를 이황화탄소에 녹여서 서서히 증발시키면 거의 팔면체인 결정(사방 정계)이 생긴다.[4] 그러나 황 가루를 가열하여 녹인 다음 물속에 넣어 갑자기 냉각시키면 원자가 규칙적으로 배열할 시간적 여유가 없어 액체 때의 불규칙한 배열 그대로 고체가 되기 때문에 거무스름한 덩어리가 되며 잡아당기면 고무처럼 늘어난다. 이처럼 결정을 이루지 않은 상태를 비결정성이라고 한다. 비결정성 황은 오랫동안 방치해 두면 사방 정계의 결정이 된다.[4]

비정질 물질은 분자 수준의 구조적 블록들의 내부 구조를 가지고 있으며, 이는 같은 화합물의 결정질 상에서 기본적인 구조 단위와 유사할 수 있다.[4] 그러나 결정질 물질과 달리 장거리 규칙성은 존재하지 않는다. 즉, 비정질 물질은 유한한 단위 세포의 반복으로 설명할 수 없다. 원자 밀도 함수와 방향 분포 함수와 같은 통계적 측정값이 비정질 고체의 구조를 설명하는 데 더 유용하다.[1][3]

비정질 물질은 장거리 질서가 부족하지만, 작은 길이 스케일에서는 국부적인 질서를 나타낸다.[1] 관례적으로, ''단거리 질서''는 최근접 이웃 껍질까지로만 확장되며, 일반적으로 원자 간격 1~2개에 불과하다.[5] ''중거리 질서''는 단거리 질서를 넘어 1~2 nm까지 확장될 수 있다.[5] 비정질 고체는 내부에서 입자가 결합하는 힘도 고르지 않기 때문에 일정한 녹는점을 보이지 않는다. 비정질형 상태를 '유리상태'라고도 할 수 있다.

3. 성질

비정질 고체는 균질하고 등방성인 특성을 가지며, 결정립계나 결정결함과 같은 구조가 없어 강하다는 장점이 있다.[1]

결정 상태와 비정질 상태는 같은 재료라도 전기전도도, 열전도도, 금지대폭, 투과율, 흡광도, 투자율, 물리적 강도, 내식성, 초전도성 등 물성이 크게 달라질 수 있다.[1]

3. 1. 유리 전이

액체 상태에서 비정질 고체로 얼어붙는 현상인 유리 전이는 매우 중요하며, 물리학의 미해결 문제 중 하나로 여겨진다.[1]

3. 2. 저온 특성

매우 낮은 온도(1~10K 미만)에서 비정질 고체의 대다수는 다양한 유사한 저온 특성을 나타낸다. 다양한 이론적 모델이 존재하지만, 유리 전이나 비정질 고체의 저온 특성은 기초 물리학적 수준에서 아직 잘 이해되지 않고 있다.

비정질 고체는 응축 물질 물리학의 중요한 연구 분야로, 유리 전이의 고온과 절대 영도에 가까운 저온에서 이러한 물질을 이해하는 것을 목표로 한다. 1970년대부터 비정질 고체의 저온 특성이 실험적으로 매우 자세하게 연구되었다.[6][7] 이러한 모든 물질에서 비열은 온도의 (거의) 선형 함수 관계를 가지며, 열전도도는 거의 이차 함수적인 온도 의존성을 나타낸다. 이러한 특성은 결정성 고체의 특성과 매우 다르기 때문에 관례적으로 '''비정상적'''으로 불린다.

현상론적 수준에서 이러한 많은 특성들은 터널링 2준위계(two-level system)의 집합으로 설명되어 왔다.[8][9] 그럼에도 불구하고, 50년 이상의 연구에도 불구하고 이러한 특성에 대한 미시적 이론은 여전히 부족하다.[10]

주목할 만하게도, 내부 마찰의 '''무차원''' 양은 이러한 재료에서 거의 보편적이다.[11] 이 양은 (수치 상수까지 고려하여) 포논 파장과 포논 평균 자유 경로의 무차원 비율이다. 터널링 2준위 상태(TLSs) 이론은 TLSs의 밀도의 기원을 다루지 않기 때문에, 이 이론은 산란 TLSs의 밀도에 비례하는 내부 마찰의 보편성을 설명할 수 없다. 이 중요하고 미해결된 문제의 이론적 중요성은 앤서니 레겟에 의해 강조되었다.[12]

3. 3. 등방성

비정질 고체는 균질하고 등방성인 것이 특징이다. 결정이 존재하지 않기 때문에 결정립계나 결정결함과 같은 "약한" 구조가 존재하지 않는 것이 장점이다.[1]

결정 상태와 비정질 상태에서는 같은 재료라도 전기전도도, 열전도도, 금지대폭, 투과율, 흡광도, 투자율, 물리적 강도, 내식성, 초전도성 등 물성이 크게 달라지는 경우가 있다.[1]

3. 4. 물성 변화

황가루를 시험관에 넣고 가열하여 녹인 것을 깔때기에 얹은 거름종이 위에 붓고 냉각시키면 황이 바늘 모양으로 결정(단사 정계)되어 있는 것을 볼 수 있다. 또, 황 가루를 이황화탄소에 녹여서 서서히 증발시키면 거의 팔면체인 결정(사방 정계)이 생긴다. 이에 대하여, 황 가루를 가열하여 녹인 다음 물속에 넣어서 갑자기 냉각시키면 거무스름한 덩어리가 되며 잡아당기면 고무처럼 늘어난다. 그리고 얼마 후에는 굳기 시작한다. 이 상태에서 황은 결정을 이루지 않았으므로 비결정성이라고 한다.

그 까닭은, 황을 천천히 냉각시키거나 용액에서 용매를 증발시킬 경우에는 황의 원자가 규칙적으로 배열할 시간적 여유가 있으므로 결정을 이루게 되고 시간이 지남에 따라 성장해 가지만, 갑자기 냉각시키면 원자가 규칙적으로 배열할 시간적 여유가 없어 액체 때의 불규칙한 배열 그대로 고체가 되기 때문이다. 비결정성 황은 오랫동안 방치해 두면 사방 정계의 결정이 된다. 비결정성 고체의 대표적인 것은 유리이다. 보통의 유리는 700-800°C로 가열하면 녹지만, 냉각시키면 그 성분인 규소 1원자와 산소 4원자가 만들고 있는 정사면체가 공간적으로 무질서하게 배열되어 그물처럼 이어지기 때문에 비결정성이 된다고 한다. 그리고 비결정성 고체는 내부에서 입자가 결합하는 힘도 고르지 않기 때문에 일정한 녹는점을 보이지 않는다. 비결정형 상태를 '유리상태'라고도 할 수 있다.[9]

균질하고 등방성인 것이 특징이다. 결정립계나 결정결함과 같은 "약한" 구조가 존재하지 않는 것이 장점이다. 결정 상태와 비정질 상태에서는 같은 재료라도 물성이 크게 달라지는 경우가 있다. 예를 들어 전기전도도, 열전도도, 금지대폭, 투과율, 흡광도, 투자율, 물리적 강도, 내식성, 초전도성 등이다.

4. 형성 방법

황을 가열하여 녹인 후 식히면 결정이 생기지만, 급격하게 냉각시키면 비정질 고체가 된다. 비정질 고체는 내부 입자 결합력이 고르지 않아 일정한 녹는점이 없고, 이러한 상태를 '유리 상태'라고도 한다.[1]

비정질 고체를 만드는 다른 방법은 다음과 같다.


  • 전착법
  • 결정질에 이온이나 중성자를 조사하는 방법

4. 1. 급냉법

황 가루를 가열하여 녹인 다음 물속에 넣어 갑자기 냉각시키면 거무스름한 덩어리가 되며 잡아당기면 고무처럼 늘어난다. 그리고 얼마 후에는 굳기 시작한다. 이 상태에서 황은 결정을 이루지 않았으므로 비결정성이라고 한다.[1] 황을 천천히 냉각시키거나 용액에서 용매를 증발시킬 경우에는 황의 원자가 규칙적으로 배열할 시간적 여유가 있으므로 결정을 이루게 되고 시간이 지남에 따라 성장해 가지만, 갑자기 냉각시키면 원자가 규칙적으로 배열할 시간적 여유가 없어 액체 때의 불규칙한 배열 그대로 고체가 되기 때문이다.[1] 비결정성 황은 오랫동안 방치해 두면 사방 정계의 결정이 된다.[1]

4. 2. 기상 냉각법

진공 증착, 스퍼터링 등의 방법이 있다.

4. 3. 화학 기상 증착법 (CVD)

화학 기상 증착법은 기체 상태의 전구체를 사용하여 박막 형태의 비정질 고체를 만드는 방법이다.

4. 4. 기타 방법

황 가루를 시험관에 넣고 가열하여 녹인 후 물속에 넣어 갑자기 냉각시키면 거무스름한 덩어리가 되며, 잡아당기면 고무처럼 늘어난다. 얼마 후에는 굳기 시작하는데, 이 상태의 황은 결정을 이루지 않았으므로 비결정성이라고 한다. 황을 천천히 냉각시키거나 용액에서 용매를 증발시킬 경우에는 황 원자가 규칙적으로 배열할 시간적 여유가 있어 결정을 이루고 성장하지만, 갑자기 냉각시키면 원자가 규칙적으로 배열할 시간적 여유가 없어 액체 때의 불규칙한 배열 그대로 고체가 되기 때문이다.[7] 비결정성 황은 오랫동안 방치하면 사방 정계의 결정이 된다.[7]

비결정성 고체의 대표적인 예시는 유리이다. 보통 유리는 700-800°C로 가열하면 녹지만, 냉각시키면 규소 1원자와 산소 4원자가 만드는 정사면체가 공간적으로 무질서하게 배열되어 그물처럼 이어지기 때문에 비결정성이 된다.[7] 비결정성 고체는 내부에서 입자가 결합하는 힘도 고르지 않아 일정한 녹는점을 보이지 않으며, 이러한 비결정형 상태를 '유리상태'라고도 한다.[7]

다른 비정질 고체를 만드는 방법은 다음과 같다:

  • 급냉법
  • 기상냉각법 (진공 증착, 스퍼터링)
  • 화학 기상 증착법
  • 전착법
  • 결정질에 이온이나 중성자를 조사하는 방법

5. 비정질 물질의 종류

황가루를 가열해서 녹인 후 깔때기에 얹은 거름종이 위에 붓고 식히면 바늘 모양의 결정(단사 정계)을 볼 수 있다. 황가루를 이황화탄소에 녹여 천천히 증발시키면 팔면체 결정(사방 정계)이 생긴다.[36]

반면, 황가루를 가열하여 녹인 후 물에 넣어 급히 냉각시키면 고무처럼 늘어나는 거무스름한 덩어리가 되는데, 이는 비결정성 상태이다. 황을 천천히 냉각시키거나 용액에서 용매를 증발시키면 원자가 규칙적으로 배열될 시간이 충분하여 결정이 성장하지만, 급히 냉각시키면 원자가 규칙적으로 배열될 시간이 없어 액체 상태의 불규칙한 배열 그대로 굳기 때문이다.[36] 비결정성 황은 시간이 지나면 사방 정계 결정으로 변한다.[36]

유리는 비결정성 고체의 대표적인 예이다. 유리를 700~800°C로 가열하면 녹지만, 냉각시키면 규소 원자 1개와 산소 원자 4개로 이루어진 정사면체가 무질서하게 배열되어 비결정성이 된다. 비결정성 고체는 내부 입자들의 결합력이 균일하지 않아 일정한 녹는점을 갖지 않는다. 이러한 상태를 '유리 상태'라고도 부른다.[36]

5. 1. 비정질 금속

비정질 금속에는 Fe-Si-B 합금(고강도 재료), Fe-Cr-P-C 화합물(고내식 재료), Fe-Si-B 화합물(변압기의 자성 재료) 등이 있다.

5. 1. 1. 합금 조성


  • 유리
  • 비정질 금속·화합물
  • **Fe-Si-B 합금 (고강도 재료)
  • **Fe-Cr-P-C 화합물 (고내식 재료)
  • **Fe-Si-B 화합물 (자성 재료) (변압기)
  • 비정질 반도체
  • 비정질 실리콘 (박막 트랜지스터, 태양전지, 광센서)
  • 비정질 탄소
  • 맥아 대형 전력 변압기
  • 내후성 강
  • 비정질 변압기
  • 엿

5. 2. 비정질 반도체

비정질 실리콘은 박막 트랜지스터, 태양전지, 광센서 등에 쓰인다.

5. 2. 1. 응용 분야


  • 유리
  • 비정질 금속·화합물

합금/화합물설명
Fe-Si-B 합금고강도 재료
Fe-Cr-P-C 화합물고내식 재료
Fe-Si-B 화합물자성 재료 (변압기)

5. 3. 비정질 산화물

황가루를 가열하여 녹인 후 물속에서 급히 냉각시키면, 황 원자가 규칙적으로 배열될 시간이 없어 액체 상태의 불규칙한 배열 그대로 굳어 비결정성 고체가 된다. 비결정성 고체의 대표적인 예로는 유리가 있는데, 규소 1원자와 산소 4원자로 구성된 정사면체가 공간적으로 무질서하게 배열되어 만들어진다. 비결정성 고체는 내부 입자 결합력이 균일하지 않아 일정한 녹는점을 보이지 않으며, 이러한 상태를 '유리 상태'라고도 한다.[36]

5. 3. 1. 응용 분야


  • 유리
  • 비정질 금속·화합물
  • Fe-Si-B 합금 (고강도 재료)
  • Fe-Cr-P-C 화합물 (고내식 재료)
  • Fe-Si-B 화합물 (자성 재료) (변압기)
  • 비정질 반도체
  • 비정질 실리콘 (박막 트랜지스터, 태양전지, 광센서)
  • 비정질 탄소
  • 맥아 대형 전력 변압기
  • 내후성 강
  • 비정질 변압기
  • 엿

6. 특성 분석

표준 결정학적 기법은 장거리 질서가 부족한 비정질 고체의 구조를 결정하는 데 부적절하다.[14] 따라서 비정질 재료의 특성을 분석하기 위해 전자, X선 및 계산 기반 기법 등 다양한 방법이 사용되며, 다중 모드 분석이 매우 일반적이다.

황 가루를 녹인 후 물에 넣어 급랭시키면 고무처럼 늘어나는 비결정성 황이 만들어진다. 이는 원자가 규칙적으로 배열될 시간적 여유가 없어 액체 상태의 불규칙한 배열 그대로 고체가 되기 때문이다. 비결정성 황은 시간이 지나면 사방정계 결정이 된다.

유리는 비정질 고체의 대표적인 예시이다. 유리는 규소와 산소 원자가 만드는 정사면체가 무질서하게 배열되어 비결정성을 띤다. 비정질 고체는 내부 입자 결합력이 고르지 않아 일정한 녹는점을 보이지 않으며, 이러한 상태를 '유리 상태'라고도 한다.

6. 1. X선 및 중성자 회절

결정질 재료는 강한 브래그 회절을 보이는 반면, 비정질 재료의 회절 패턴은 넓고 퍼진 피크를 특징으로 한다.[15] 따라서 비정질 재료의 회절 패턴으로부터 실공간 구조 정보를 추출하려면 상세한 분석과 보완적인 기술이 필요하다. X선과 중성자원 모두 서로 다른 산란 특성을 가지고 있으며 상호 보완적인 데이터를 제공하기 때문에, 두 소스 모두로부터 회절 데이터를 얻는 것이 유용하다.[16] 회절 데이터에 대한 쌍 분포 함수 분석을 통해 특정 거리만큼 분리된 두 원자를 발견할 확률을 결정할 수 있다.[15] 비정질 재료의 회절 데이터로 수행되는 또 다른 유형의 분석은, 임의의 기준 원자로부터 다양한 반경 거리에 있는 원자의 수를 측정하는 반경 분포 함수 분석이다.[17] 이러한 기술을 통해 비정질 재료의 국부적 질서를 밝힐 수 있다.

비정질로 간주되는 물질에는 결정 구조를 전혀 갖지 않는 것과, 광학적으로는 결정 구조가 보이지 않지만 X선 회절에서는 헤일로 패턴을 보이는 잠정질(潛晶質)이 있다(단, 잠정질은 결정질로 해석되는 경우도 있다).

천연으로 산출되는 광물의 경우, “비정질”이라고 불리는 것의 대부분이 잠정질이다(예: 오팔, 네오토사이트 등). 이 외에도, 함유하는 방사성 원소 때문에 결정 구조가 파괴되는 메타믹트화에 의해 비정질화되는 것(사마르스카이트, 이시카와석, 퍼거슨석 등)도 있으며, 이 경우에는 어닐링에 의해 결정 구조를 복원할 수 있다.

6. 2. X선 흡수 미세구조 분광법 (XAFS)

X선 흡수 미세구조 분광법은 원자 규모의 탐침으로, 장거리 질서가 부족한 재료를 연구하는 데 유용하다. 이 방법을 사용하여 얻은 스펙트럼은 해당 원자를 둘러싼 산화 상태, 배위수 및 종류뿐만 아니라 그들이 발견되는 거리에 대한 정보를 제공한다.[18]

6. 3. 전자 현미경 기반 기술

원자 전자 단층촬영 기법은 옹스트롬(Å) 이하의 분해능을 달성할 수 있는 투과전자현미경을 이용하여 수행된다. 다양한 기울기 각도에서 촬영한 2차원 이미지들을 여러 장 얻은 후, 이를 이용하여 3차원 이미지를 재구성한다.[19] 이미지 획득 후에는 표류, 노이즈, 스캔 왜곡과 같은 문제를 보정하기 위해 상당한 양의 처리 과정이 필요하다.[19] 원자 전자 단층촬영 분석 및 처리 과정의 질이 높으면 비정질 재료의 3차원 재구성이 가능하며, 존재하는 다양한 원자 종들의 원자 위치를 상세하게 보여준다.

플럭투에이션 전자 현미경법(Fluctuation electron microscopy)은 비정질 재료의 중거리 질서에 민감한 또 다른 투과 전자 현미경 기반 기술이다. 이 방법으로 중거리 질서의 다양한 형태에서 발생하는 구조적 변동을 감지할 수 있다.[20] 플럭투에이션 전자 현미경법 실험은 기존 방식 또는 주사 투과 전자 현미경(scanning transmission electron microscope) 모드에서 수행할 수 있다.[20]

6. 4. 전산 모사

밀도범함수이론, 분자동역학, 역 몬테카를로 방법은 비정질 물질의 구조를 특성화하기 위한 전산 모사 기법으로 자주 사용된다.[14]

7. 응용

비정질 고체는 다양한 분야에 응용된다.


  • 유리
  • 비정질 금속·화합물
  • Fe-Si-B 합금 (고강도 재료)
  • Fe-Cr-P-C 화합물 (고내식 재료)
  • Fe-Si-B 화합물 (자성 재료) (변압기)
  • 비정질 반도체
  • 비정질 실리콘 (박막 트랜지스터, 태양전지, 광센서)
  • 비정질 탄소
  • 맥아 대형 전력 변압기
  • 내후성 강
  • 비정질 변압기
  • 엿


비정질 금속층은 버켈(Buckel)과 힐쉬(Hilsch)에 의해 발견된 비정질 금속의 초전도성에 중요한 역할을 했다.[23][24] 비정질 금속의 초전도성은 포논 매개 쿠퍼쌍 형성 때문으로 이해되고 있다.[25]

비정질 고체는 결정질 고체에 비해 열전도도가 낮아 열 차폐층 코팅과 단열재와 같은 열 차폐용 제품에 사용된다.[26]

제약 산업에서 일부 비정질 약물은 결정질 약물보다 용해도가 높아 더 높은 생체 이용률을 보인다.[29][30]

토양 내 비정질 물질은 토양의 겉보기밀도, 입단 안정성, 소성, 보수력에 큰 영향을 미친다. 안디솔 토양에는 가장 많은 양의 비정질 물질이 포함되어 있다.[31]

7. 1. 박막

비정질 상은 박막의 중요한 구성 요소이다. 박막은 기판 위에 증착된 수 나노미터에서 수십 마이크로미터 두께의 고체 층이다. 소위 구조 영역 모델은 동종 온도(''Th'')의 함수로서 박막의 미세 구조를 설명하기 위해 개발되었다. 여기서 동종 온도는 증착 온도와 융점의 비율이다.[21][22] 이러한 모델에 따르면, 비정질 상이 발생하기 위한 필요 조건은 (''Th'')가 0.3보다 작아야 한다. 즉, 증착 온도는 융점의 30% 미만이어야 한다.

오늘날, 이산화티타늄, 이산화규소, 오산화탄탈륨 등(그리고 이들의 조합)으로 만들어진 광학 코팅은 대부분 이러한 화합물의 비정질 상으로 구성된다. 기체를 분리하는 생체막 층으로서 얇은 비정질 박막에 대한 많은 연구가 수행되고 있다.[27] 기술적으로 가장 중요한 얇은 비정질 박막은 아마도 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)의 전도 채널 위에 절연체 역할을 하는 수 nm 두께의 SiO₂ 층일 것이다. 또한, 수소화 비정질 실리콘(Si:H)은 박막 태양전지에 있어 기술적으로 중요하다.[28]

7. 2. 초전도

비정질 금속층은 버켈(Buckel)과 힐쉬(Hilsch)에 의해 만들어진 비정질 금속에서 초전도성의 발견에 중요한 역할을 했다.[23][24] 비정질 금속 박막을 포함한 비정질 금속의 초전도성은 현재 포논 매개 쿠퍼쌍 형성 때문으로 이해되고 있다. 구조적 무질서의 역할은 강결합 엘리아시베르그 이론을 기반으로 초전도성을 합리적으로 설명할 수 있다.[25]

7. 3. 열 차폐

비정질 고체는 결정질 고체에 비해 열 운반체의 국부화가 일반적으로 더 높아 열전도도가 낮다.[26] 열 차폐용 제품, 예를 들어 열 차폐층 코팅과 단열재는 초저열전도도를 가진 재료에 의존한다.[26]

  • 유리
  • 비정질 금속·화합물
  • Fe-Si-B 합금 (고강도 재료)
  • Fe-Cr-P-C 화합물 (고내식 재료)
  • Fe-Si-B 화합물 (자성 재료) (변압기)
  • 비정질 반도체
  • 비정질 실리콘 (박막 트랜지스터, 태양전지, 광센서)
  • 비정질 탄소
  • 맥아 대형 전력 변압기
  • 내후성 강
  • 비정질 변압기
  • 엿

7. 4. 제약

제약 산업에서 일부 비정질 약물은 결정질 약물보다 용해도가 높아 더 높은 생체 이용률을 보이는 것으로 나타났다. 그러나 특정 화합물은 생체 내에서 비정질 형태로 침전될 수 있으며, 함께 투여될 경우 상호 생체 이용률을 감소시킬 수 있다.[29][30]

7. 5. 토양

토양 내 비정질 물질은 토양의 겉보기밀도, 입단 안정성, 소성, 보수력에 큰 영향을 미친다. 낮은 겉보기밀도와 높은 간극비는 대부분 유리 파편 및 기타 다공성 광물이 다져지지 않기 때문이다. 안디솔 토양에는 가장 많은 양의 비정질 물질이 포함되어 있다.[31]

8. 잠정질

비정질로 간주되는 물질에는 결정 구조를 전혀 갖지 않는 것과, 광학적으로는 결정 구조가 보이지 않지만 X선 회절에서 헤일로 패턴(halo pattern)을 보이는 잠정질(潛晶質)이 있다(단, 잠정질은 결정질로 해석되는 경우도 있다).[1]

8. 0. 1. 잠정질 광물

비정질로 간주되는 물질에는 결정 구조를 전혀 갖지 않는 것과, 광학적으로는 결정 구조가 보이지 않지만 X선 회절에서 헤일로 패턴(halo pattern)을 보이는 잠정질(潛晶質)이 있다(단, 잠정질은 결정질로 해석되는 경우도 있다).[1]

천연으로 산출되는 광물의 경우, “비정질”이라고 불리는 것의 대부분은 잠정질이다(예: 오팔).[1] 이 외에도, 함유하는 방사성 원소 때문에 결정 구조가 파괴되는 메타믹트화에 의해 비정질화되는 것(사마르스카이트, 이시카와석)도 있으며, 이 경우에는 어닐링에 의해 결정 구조를 복원할 수 있다.[1]

8. 0. 2. 메타믹트화

천연으로 산출되는 광물의 경우, “비정질”이라고 불리는 것의 대부분이 오팔, Neotocite|네오토사이트it 등 잠정질이다. 이 외에도, 함유하는 방사성 원소 때문에 결정 구조가 파괴되는 메타믹트화(Metamictisation|영어)에 의해 비정질화되는 것(사마르스카이트, 이시카와석, 퍼거슨석 등)도 있으며, 이 경우에는 어닐링에 의해 결정 구조를 복원할 수 있다.

참조

[1] 서적 Properties and Applications of Amorphous Materials Springer Dordrecht
[2] 논문 True intrinsic mechanical behaviour of semi-crystalline and amorphous polymers: Influences of volume deformation and cavities shape https://www.scienced[...] 2013-01-01
[3] 서적 Theory of Disordered Solids Springer
[4] 논문 Similarity Between Amorphous and Crystalline Phases: The Case of TiO2 https://www.reposito[...]
[5] 논문 Atomic-level structure and structure–property relationship in metallic glasses https://www.scienced[...] 2011-05-01
[6] 서적 Low-Energy Excitations in Disordered Solids. A Story of the 'Universal' Phenomena of Structural Tunneling
[7] 서적 Low-Temperature Thermal and Vibrational Properties of Disordered Solids. A Half-Century of Universal "Anomalies" of Glasses
[8] 논문 Anomalous low-temperature thermal properties of glasses and spin glasses
[9] 논문 Tunneling states in amorphous solids
[10] 서적 Tunneling Systems in Amorphous and Crystalline Solids
[11] 논문 Low-temperature thermal conductivity and acoustic attenuation in amorphous solids
[12] 논문 Amorphous materials at low temperatures: why are they so similar?
[13] 서적 Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis 2018
[14] 논문 Determining the three-dimensional atomic structure of an amorphous solid https://www.nature.c[...] 2021-03-31
[15] 논문 The rise of the X-ray atomic pair distribution function method: a series of fortunate events 2019-06-17
[16] 논문 Synchrotron X-Ray and Neutron Diffraction, Total Scattering, and Small-Angle Scattering Techniques for Rechargeable Battery Research 2018-06-13
[17] 논문 Theoretical formulation of amorphous radial distribution function based on wavelet transformation 2020-12-09
[18] 웹사이트 Fundamentals of XAFS https://www.lehigh.e[...] 2004-07-22
[19] 논문 Atomic electron tomography in three and four dimensions https://www.cambridg[...] 2020-04-09
[20] 서적 Fluctuation Electron Microscopy https://onlinelibrar[...] John Wiley & Sons, Inc. 2022-12-07
[21] 논문 Study of the Structure and Properties of Thick Vacuum Condensates of Nickel, Titanium, Tungsten, Aluminium Oxide and Zirconium Dioxide
[22] 논문 Influence of Apparatus Geometry and Deposition Conditions on the Structure and Topography of Thick Sputtered Coatings
[23] 논문 Supraleitung und elektrischer Widerstand neuartiger Zinn-Wismut-Legierungen
[24] 학회발표 The influence of crystal bonds on film growth 1961
[25] 논문 Effective Theory of Superconductivity in Strongly Coupled Amorphous Materials
[26] 논문 Thermal Conductivity of Amorphous Materials https://onlinelibrar[...] 2019-09-09
[27] 논문 High-Selectivity, High-Flux Silica Membranes for Gas Separation
[28] 웹사이트 Hydrogenated Amorphous Silicon - an overview {{!}} ScienceDirect Topics https://www.scienced[...] 2023-10-17
[29] 논문 pH-Induced Precipitation Behavior of Weakly Basic Compounds: Determination of Extent and Duration of Supersaturation Using Potentiometric Titration and Correlation to Solid State Properties 2012-05-12
[30] 논문 Recent Advances in Co-amorphous Drug Formulations 2016-05-01
[31] 서적 Encyclopedia of Soil Science Marcel Dekker
[32] 논문 Electronic Structure and Chemical Bonding of Amorphous Chromium Carbide Thin Films
[33] 논문 Amorphous-crystalline phase transition during the growth of thin films: The case of microcrystalline silicon http://www.mariobirk[...]
[34] 논문 Studien über die Bildung und Umwandlung fester Körper https://commons.wiki[...]
[35] 서적 化学の教科書 内田老鶴圃
[36] 서적 用語集 現代社会＋政治・経済 '12-'13年版 清水書院
[37] 서적 Les verres et l'état vitreux Masson


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