재료의 성질은 단순히 그것을 구성하는 원자들뿐만 아니라, 원자 간의 결합 방식과 배열에 의해 크게 좌우된다. 특히, 고체를 이루는 원자들의 배열인 결정 구조를 이해하고 해석하는 것은 재료의 특성을 규명하는 데 매우 중요한 역할을 한다.
공학도를 위한 재료결정학은 소재 관련 학과의 학부 과정에서 활용할 수 있도록 구성된 교재로, 총 11장으로 구성되어 있다.
재료의 원자 배열은 특정한 규칙성을 가지며, FCC(면심 입방 격자), BCC(체심 입방 격자), HCP(조밀 육방 격자) 등의 결정 격자로 구분된다. 이러한 결정 격자는 단위포(단위정, unit cell)로 정의되며, 이에 대한 자세한 내용은 2장에서 다루고 있다.
결정이란 원자들이 3차원적으로 규칙적으로 배열된 고체로, 병진대칭, 회전대칭, 반영대칭, 경영대칭 등의 다양한 대칭성을 가진다. 이러한 대칭 요소들은 결정 구조 분석에 중요한 역할을 하며, 2장에서 이에 대해 구체적으로 설명한다.
결정 구조를 연구하기 위해서는 격자면과 방향에 대한 이해가 필수적이며, 이에 대한 내용은 3장에서 소개한다. 결정 구조는 3차원적이므로 이를 2차원 평면에 투영하는 방법이 필요하다. 이를 위해 정사도법, 심사도법, 평사도법의 세 가지 방법이 있으며, 그중 평사투영법이 면간 각 측정과 면들의 관계 표현에 가장 유용하다. 이와 관련된 세부 내용은 4장에서 설명한다.
3차원 결정 내에 있는 여러 가지 격자들의 배열을 알기 위해서는 결정의 회절상을 얻어야 한다. 이를 위해 X‒선 또는 전자 빔을 실제 결정에 입사시켜 회절상을 획득한 후, 이를 분석하여 결정 구조를 규명해야 한다. 실제 결정의 격자는 회절상에서 역격자로 나타나므로, 이를 이해하는 것이 중요하다. 이러한 내용은 5장에서 다룬다.
결정 구조를 이루는 원자 간 결합은 금속 결합, 공유 결합, 이온 결합, 반데르발스 결합, 수소 결합의 5가지로 분류된다. 이러한 결합 방식은 원자의 구조와 밀접한 관련이 있으며, 원자는 원자핵과 전자로 이루어진다. 전자는 특정 궤도를 따라 공전 및 자전 운동을 하며, 주양자수, 부양자수, 자기 양자, 스핀 양자수로 특징이 정의된다. 원자 구조와 결합에 대한 상세한 설명은 6장에서 제공되며, X-선 회절법을 이해하기 위해 필수적인 개념이다.
7장에서는 실제 결정에서 나타나는 다양한 결합 방식과 신소재공학에서 다루는 주요 재료들의 결정 구조를 설명한다. 그러나 실제 결정은 완전한 결정으로 존재하는 경우가 드물며, 다양한 결함을 포함하고 있다. 이러한 결함에 대한 개념은 8장에서 다룬다.
결정 구조 해석을 위해 널리 사용되는 X-선 회절법을 이해하기 위해서는 빛의 성질과 회절 현상에 대한 이해가 필수적이며, 이에 대한 개념은 9장에서 설명한다. 또한 결정 구조 분석의 주요 도구인 X-선 회절법과 그 응용에 대한 구체적인 내용은 10장과 11장에서 다룬다.
시중에는 결정학, 고체의 구조 및 결함 그리고 X‒선 회절에 관한 다양한 전문 서적과 교재가 출간되어 있지만, 학부생이 이해하기에는 다소 어려운 부분이 많아 보다 쉽게 접근할 수 있는 교재의 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다. 이에 본서는 전공 학습을 시작하는 2학년 학생을 주요 대상으로 삼아, 20년 이상 재료결정학을 강의해 온 저자들의 경험을 바탕으로 집필되었다. 학생들의 이해를 돕기 위해 가능한 한 다양한 그림을 최대한 활용하여 내용을 시각적으로 구성하였으며, 소재 관련 학과뿐만 아니라, 소재를 활용하는 공학계열 학과의 학생들도 폭넓게 활용할 수 있도록 자세히 설명하였다.
