세라믹의 결정 구조 (2) - AX형 구조 / AX2형구조 / ABX3형 구조

세라믹 결정은 전하의 균형이 맞아야 한다.

따라서 양이온의 양전하와 음이온의 음전하를 더했을때 중성이 되야 안정적인데, 이에 따라 양이온과 음이온의 수가 적절히 조절 된다.

3가지 경우를 살펴 보자.

1. AX형 구조

2. AX2형 구조

3. ABX3형 구조

 

1. AX형 구조

일반적으로 세라믹 재료들은 같은 수의 양이온과 음이온을 갖게 된다. 이들을 일컬어 AX형 화합물이라고 부르는데 A가 양이온, X가 음이온이다. AX화합물에는 몇 가지 다른 결정 구조들이 있다. 

예시를 3가지를 들겠다.

(1) 암염구조

NaCl구조

암염, NaCl의 경우 양이온과 음이온의 배위수가 모두 6이며, (이때 배위수는 가장 가까운 다른전하의 이온의 수)

따라서 반지름 비율이 0.414와 0.732 사이에 놓이게 된다. 

배열구조는 FCC구조이다. 양이온과 음이온을 바꾸어 보아도 같은 결정구조를 이루고 있다.

 

(2) CsCl 구조

 CsCl 구조

이 그림은 CsCl구조를 보여준다. 양이온 Cs기준으로 보았을때 배위수는 8이 된다. AX형 구조로써 음이온 또한 배위수가 8이 된다. 배열구조는 BCC와 비슷한 형태이나 다른 이온이므로 정확히 BCC구조는 아니다.(SC) 양이온과 음이온을 바꾸어 보아도 같은 결정구조이다.

 

(3) ZnS 구조

ZnS 구조

ZnS 구조의 경우 모든 이온들이 사면체를 이루고 있는데 이때 양이온 Zn을 보면 FCC구조를 이루고 있다. S는 Zn이 이루는 사면체의 정 중앙에 위치하게 된다. 따라서 음이온 배위수는 4가 되게 된다. 양이온과 음이온의 자리를 바꾸어 보아도 같은 결정구조를 이루고 있으므로 양이온 배위수 또한 4 이다.

 

2. AX2형 구조

 

AX형 구조가 양이온과 음이온의 전하가 같았다면 이 경우 양이온과 음이온의 전하가 다른 것이다. AX2형일 경우 양이온의 전하가 음이온의 2배가 되는 것이다.

AX2형 구조의 예시로 형석(CaF2)를 살펴보자.

CaF2 구조

CaF2구조는 F(-)이온이 SC형태로 있는 입방정속에 Ca(2+)이온이 반만 들어가 있게 된다. 이때 양이온의 배위수는 8, 음이온의 배위수는 4가 된다. 

 

3.ABX3형 구조

 

세라믹 화합물은 한가지 이상의 양이온을 갖는 것이 가능하다.

ABX3형 구조는 이의 예시인데 A와 B가 양이온, X가 음이온이 된다.

예시로 페로브스카이트(BaTiO3)를 들어보겠다.

 

BaTiO3

이 경우 Ba가 2가 양이온 Ti가 4가 양이온으로써, 2가 음이온인 O가 3개가 함께 합쳐진 BaTiO3 가 만들어지게 된다.

배위수를 각각 따져 보면 Ba기준 12개 Ti 기준 6개 따라서 O기준 (12+6으로 생각) 18개가 된다.