0. 목차
- '결정'이란?
- 결정의 종류와 구조
- 격자 결함
- 결정 성장(Crystal Growth)
- 비결정질
- 액정(Liquid Crystal)
- 형상기억합금
- 반도체 결정
- 결정의 설계
1. '결정'이란?
우리의 주위에는 다양한 물질이 있다. 많은 물질들은 온도나 압력 등의 조건에 따라 기체, 액체, 고체의 상태를 오가며 바뀐다. 물질의 상태를 정하는 것은 원자와 분자의 움직임이다. 고체를 원자 수준에서 보면, 대게는 원자나 분자 등이 방향성을 가진 규칙적인 배열 방식을 되풀이하고 있는데, 이것을 '결정(Crystal)'이라고 한다. '고체(Solid)'의 대부분은 결정이다.
- 단결정(Single Crystal): '수정(Quartz)'은 투명하면서 다각형의 면으로 둘러싸여 있다. 어떤 결정이라도 대응하는 면과 면이 이루는 각도는 항상 동일하다. 규칙적인 모양이 항상 나타나는 이유는, 결정 안에서의 원자나 분자의 배열이 결정 전체에 걸쳐 규칙적인 방향을 가지고 있기 때문이다. 이처럼 고체가 일련의 '결정(Crystal)'인 것을 '단결정(Single Crystal)'이라고 한다.
- 다결정(Polycrystal): 하지만 실제의 고체는 불투명하며, 가루를 굳힌 듯한 것이 많다. 이것을 현미경으로 보면, 가루의 하나하나가 작은 '단결정'임을 알 수 있다. 이처럼 단결정이 집합한 것을 '다결정(Polycrystal)'이라고 한다. 방해석이 집합해 생긴 '대리석'이나 장석·운모·수정 등의 집합체인 '화강암'도 모두 다결정이다. 보통 단결정이라 생각되는 '철(Fe)'이나 '구리(Cu)' 등의 금속도 작은 단결정이 집합한 '다결정'으로 이루어져 있다.
2. 결정의 종류와 구조
2-1. 이온 결정, 금속 결정, 공유 결정
물질을 이루는 것은 '원자(Atom)'이나 '이온(Ion)' 등의 입자이다. '원자'는 양전기의 성질을 띠는 '원자핵'과 음전기의 성질을 가진 '전자'로 이루어져 있다. '이온'은 원자가 전자를 잃어서 양전기의 성질을 가지게 되거나, 전자를 얻어서 음전기의 성질을 가지게 된 입자이다. 이들 입자가 전기적으로 서로 끌어당기거나 전자를 주고받아 결합하는 것을 '화학 결합'이라고 한다. 원자가 입체적으로 규칙성을 가진 채 3차원을 되풀이해 결합해 나가면 '결정(Crystal)'이 된다.
결정을 구성하는 원자나 분자를 연결하는 화학 결합에는 '이온 결합(Ionic Bond)', '금속 결합(Metallic Bond)', '공유 결합(Covalent Bond)', '분자간력(분자 간 힘)' 등이 있다. 결정은 결합의 종류에 따라 '이온 결정(Ionic Crystal)', '금속 결정(Metallic Crystal)', '공유 결정(Covalent Crystal)'로 나누어진다. '이온 결합'은 양전하를 가진 양이온과 음전하를 가진 음이온이 전기적으로 서로 끌어당겨 결합하는 것이다. '금속 결합'은 전자가 원자에서 벗어나 '자유 전자(free electron)'가 금속 양이온을 결합하는 것이다. '공유 결합'은 원자끼리 전자를 공유해 결합하는 것이다.
- 이온 결정(Ionic Crystal): 고체 상태에서 양이온과 음이온이 정전기적인 인력에 의한 '이온 결합'에 의해 단단하게 뭉쳐 있는 결정이다. 대표적인 이온 결정으로는 Na+와 Cl-가 결합한 '염화나트륨(NaCl)'이 있다. 이온 결정은 강한 인력으로 결합되어 있기 때문에 녹는점은 매우 높지만, 충격에 의하여 결정이 밀리면 반발력이 작용하기 때문에 결정이 쉽게 깨진다. 또한 이온 결정은 고체 상태에서는 구성 입자인 이온이 제자리에 고정되어 있기 때문에 전기 전도성이 없다. 그러나 액체 상태가 되면 이온이 유동성을 지니므로, '전기 전도성'을 갖는다.
- 금속 결정(Metallic Crystal): '금속 결정'은 금속원자의 모임으로 이루어진 결정이다. 금속을 구성하는 원자의 '가전자'는 특정한 원자핵을 떠나서 자유롭게 운동할 수 있어, 전체로는 어느 원자핵에도 공유된 상태로 결정이 이루어져 있다. '금속 결정'은 외부에서 외부에서 미세한 전류가 가해지기만 해도 가전자가 간단히 이동하므로, 전류를 흘리기가 쉽다.
- 공유 결정(Covalent Crystal): 결정을 구성하는 기본 입자가 분자가 아닌 원자이며, 원자들의 '공유 결합'만으로 이루어진 결정이다. '다이아몬드', '탄화규소', '산화규소' 등은 공유 결합에 의해 각 원자가 3차원으로 결합되어 있어, 결합력이 강하고 '굳기(hardness)'가 어느 물질보다 크다. 2차원적 구조의 공유 결정에는 '흑연'과 '운모'가 있으며, 1차원적 구조의 공유 결정에는 '염화 베릴륨(BeCl2)''과 '폴리에틸렌' 등이 있다. '실리콘(Si)'과 '저마늄(Ge)'도 공유 결정을 하는 물질인데, 반도체로 쓰인다.
2-2. 결정의 구조
'결정(crystal)'은 입자가 모여 안정성 있게 배열 방법을 취한 것이다. 입자를 똑같은 크기의 공이라고 가정하고 빽빽하게 공을 채워 나가면, '조밀 육방 격자(Hexagonal Close Packed Lattice)'와 '면심 입방 격자(Face Centered Cubic Lattice)'가 된다. 그리고 조금 틈새가 많은 '체심 입방 격자(Body Centered Cubic Lattice)'가 되기도 한다.
- 조밀 육방 격자(FCP: Hexagonal Close Packed Lattice): 정육각 기둥의 각 꼭짓점과 윗면·아랫면의 중심, 그것에 하나 걸러 정삼각 기둥의 중심에 원자가 배열한 결정 격자이다. '아연(Zn)', '마그네슘(Mg)', '코발트(Co)' 등이 '조밀 육방 격자'이다.
- 면심 입방 격자(FCC: Face Centered Cubic Lattice): 원자가 정육면체의 각 정점과 각면의 중심에 배열해 있는 결정 격자이다. 이 결정의 금속은 전연성은 좋지만, 강도는 그다지 크지 않다. '금(Au)', '니켈(Ni)', '알루미늄(Al)' 등이 '면심 입방 격자'이다.
- 체심 입방 격자(BCC: Body Centered Cubic Lattice): 원자가 정육면체의 각 꼭짓점과, 대각선의 교점에 한개씩 배열하고 있는 결정격자이다.
2-3. 물질의 다양한 결정
| 이름 | 기호 | 결정 | 구조 |
| 다이아몬드 | C | 공유 결정 | 입체 그물눈 구조 |
| 소금 | NaCl | 이온 결정 | 면심 입방 격자 |
| 금 | Ag | 금속 결정 | 면심 입방 격자 |
- 다이아몬드(C): 다이아몬드는 탄소 원자만이 '공유 결합'해 이루어진 '공유 결정'이다. 탄소는 결합에 관계하는 전자가 4개 있으며, 정사면체의 꼭짓점 방향으로 '결합 방향'이 향해 있다. 이처럼 결합 방향이 정해져 있으므로, 다수의 탄소 원자가 결합해 이루어진 결정은 '입체 그물눈 구조'가 된다.
- 소금(NaCl): 소금은 '이온 결정'이다. 양이온 Na+는 이웃의 음이온 Cl-를 끌어당기고, 음이온 Cl-는 이웃의 양이온 Na+를 끌어당기고 있다. 이 전기적 인력에는 방향성이 없다. 일반적으로 양이온과 음이온은 크기가 다르다. 소금의 경우에는 음이온 Cl-가 만드는 '면입방격자'의 틈새에 Na+가 들어가, Cl-와 Na+가 서로 규칙적으로 배열된다.
- 금(Ag): 금은 '면심 입방 격자'를 취하고 있다. 같은 크기의 금속 원자로 이루어져 있는 것, 결합의 역할을 하고 있는 전자가 특정 금속 양이온에 소박되지 않아 결합에 방향성이 없는 것등 때문에, 금속의 결정은 가능한 빽빽하게 가득차게 된다. 금속은 '면심 입방 격자', '조밀 육방 격자' 등을 취한다.
2-4. 분자 결정
여러 개의 원자가 화학 결합을 해서 물질의 성질을 가진 최소 단위를 '분자(Molecule)'라고 한다. 원자와 이온과 마찬가지로 분자도 온도가 낮아지면, 에너지가 낮은 안정적이고 조밀한 배열을 취하게 된다. 분자의 운동이 완만해지면, 분자 사이에 작용하는 '판데르 발스 힘(van der Waals force)'이라는 약한 인력에 의해 분자가 모여 가능한 한 조밀한 충전 방식을 취한다. 분자는 보통 휘어진 막대 모양을 하고 있거나 판자 모양이며, 공이 아니다. 그래서 분자는 평행으로 늘어설 뿐만 아니라, 틈새를 조금이라도 작게하려고, 이웃끼리의 분자가 방향을 바꾸어 배열되는 경우도 있다.
분자가 규칙적으로 3차원적으로 되풀이되면서 늘어서 있는 것을 '분자 결정(Molecular Crystal)'이라고 한다. 분자에게 전기적인 치우침이 있을 때는, '분자 속의 음전기인 부분'과 '이웃한 분자의 양전기 부분'이 다가가려는 배열을 취한다.
'아세틸콜린(Acetylcholine)'은 척추동물의 교감 신경이나 운동 신경에서 자극을 전하는 물질이다. 분자는 탄소, 산소, 질소, 수소 등으로 이루어져 있으며, 염소 원자를 가해 결정화한 것이 '염화 아세틸콜린(Acetylcholine chloride)'이다. '영화 아세틸콜린'의 결정을 잘 살펴보면, 서로 이웃한 분자의 위아래 또는 좌우는 180°씩 회전하고 있다. 이 때문에 분자는 하나 걸러 같은 방향을 향해 배열되어 있다. 이 때문에 분자는 하나 걸러 같은 방향으로 배열되어 있다. 그리고 지면과 수직인 방향으로는 분자가 각각 같은 방향으로 늘어서 있다.
3. 격자 결함
3-1. 결함이 없는 완전한 결정은 존재하지 않는다.
쌀알 정도의 부피의 결정 속에는 막대한 수의 원자가 들어 있다. 그 가운데는 있어야 할 위치에 1개의 원자가 없거나 불순물이 섞여있는 것도 있다. 배열이 이처럼 깨어져 있는 것을 '격자 결함(Lattice Defect)'이라고 한다. 결함이 없는 완전한 결정은 존재하지 않는다.
격자 결함에는 '원자가 빠진 것', '불순물이 들어가는 등의 '점 결함(Point Defect)', 이외에 '면 결함', '선 결함'이 있다. '면 결함'은 예컨대 다결정을 만드는 단결정끼리 무질서하게 달라붙어 있는 경계면의 원자 배열이 깨어지기 것 등이다. '선 결함'은 '전위(dislocation)'라고도 한다. 마치 칼로 치고 들어가는 것처럼 원자의 줄이 들어가, 주위의 격자를 일그러뜨리는 '칼 모양 전위' 등이 있다. '선 결함'에는 칼의 날에 해당하는 '전위선(dislocation line)'을 축으로 해서 1회전하면 원래 위치로 돌아가지 않고, 나선 계단을 오르는 것처럼 위치가 어긋나는 것도 있다.
3-2. 불순물을 섞으면, 단단해지기도 한다.
아래의 그림은 칼 모양의 전위에 의해 깨어진 배열을 나타낸 것이다. 칼날에 해당하는 '전위선(Dislocation Line)'은 왼쪽과 오른쪽의 결정 속을 미끄러져 나간다. 결정의 변형은 이런 전위선이 움직임으로써 생긴다. 금속이 부드럽거나 변형하기 쉬운 것은 결정 속의 전위선이 움직이기 쉬운 셈이다. 그러나 전위선이 침입한 불순물 원자에 걸리면 움직이지 않게 되는 경우도 있다. 즉, 그 결정이 단단해진 것이다. 예컨대 '강철(Steel)'이 단단한 이유는 '철(Fe)'에 불순물인 '탄소(C)'를 섞었기 때문이다.
4. 결정 성장(Crystal Growth)
원자가 규칙적으로 안정된 배열을 취하는 온도나 압력이 되면, 기체나 액체에서 결정이 나타난다. 예컨대 '눈(Snow)'은 공기 속의 수증기가 결정이 된 것이다.
원자나 분자는 우선 작은 결정의 싹이 되는 '결정핵(Crystal Nucleus)'을 만든다. 핵의 표면에는 '스텝'이라는 분자 1개 높이 정도의 차이나, 스텝을 따라 생긴 비틀림인 '킹크(Kink)'가 있어서 편평하지 않다. 핵의 표면에 부딪친 주위의 원자나 분자는, 표면의 전기적인 힘으로 약하게 결합하거나 다시 떨어져, 표면을 돌면서 움직인다. 그 가운데 스텝에 겨우 이른 분자는 스텝의 측면과 결정의 표면 양쪽에서 강하게 끌리므로 잘 떨어지지 않는다. 킹크에서는 강하게 결합해 드디어 움직이지 않게 된다. 이리하여 분자는 차례로 결정을 파고든다. 맨 처음에는, '작은 결정이 차츰 커지는 과정'은 '생물이 성장하는 과정'과 비슷하므로 '결정 성장(Crystal Growth)'이라고 한다.
- 나선형 성장: 결정의 편평한 면에 붙은 원자나 분자는 불안정하며, 그 면 위를 움직이면서 결합의 상대를 찾는다. 상대와 만나기 전에 다시 증발해 버리는 경우도 많아, '결정 성장'이 일어나기 어렵다. '나선 전위'가 있으면, 표면 생긴 스텝에 원자가 달라붙어도 영구히 스텝이 사라지지 않으므로, 원자나 분자가 차츰 결정 구조에 '파고들기'를 계속한다. 이런 성장을 '나선형 성장'이라고 한다.
- 분자선 증착에 의한 결정 성장: 결정 성장을 단원자층 수준에서 제어할 수 있는 방법으로 '분자선 증착(Molecular Beam Epitxy)'이 있다. 진공 정도가 매우 높은 곳에 결정의 기판을 놓고 셀 속에서 성분 원소를 가열해 분자선으로 날린다. 분자가 기판과 충돌해 부착하도록 셀의 입구를 설계하고, 기판을 적당한 온도로 유지한다. 성장 속도를 매우 느리게 할 수 있으며, 분자선을 막는 셔터를 열고 닫음으로써 결정의 성장 개시와 정지를 순식간에 제어할 수 있다.
5. 비결정질
고체 가운데는 '결정'이 아닌 물질도 있는데, 이런 물질을 '비결정질(Amorphous Solid)'이라고 한다. 비결정질을 뜻하는 amorphous는 '모양이 없다'라는 뜻으로, 물질 고유의 외형을 나타내지 않는 데서 유래한다. 이것은 고체속의 원자, 이온, 분자가 규칙적으로 배열되어 있지 않기 때문이다.
물론 '비결정질'이라도 이웃끼리의 원자 등 작은 범위에서 보면 규칙적인 단위가 되는 보인다. 그러나 이런 단위의 배열은 불규칙적이며, 결정 구조와 같은 반복성을 보인다고 할 수는 없다. 그런 의미에서, 비결정질은 액체 상태를 얼린 것과 같은 것이라고 할 수 있다. 실제로 여러 비결정질의 합금은 액체를 급속 냉각시켜 만든다.
5-1. 대표적인 '비결정질'
대표적인 '비결정질'로는 '유리(Glass)'가 있다. 일반적으로 비결정성 금속은 녹인 금속을 매우 급속히 냉각시켜 만들지만, 서서히 냉각시켜도 결정이 되지 않고 '비결정질'이 되는 금속도 발견되었다. 이러한 금속을 '금속 유리'라고 한다. 금속의 '비결정질'은 강한 자성을 나타내는 재료로 이용되기도 한다.
완전히 불규칙적인 비결정질은 규칙적인 배열 속에서 우연히 '깨뜨려짐'이 있는 등의 결함을 갖지 않은 셈이다. 결함이 있기 때문에 생기는 결정의 약점에서 해방되기 때문에, 강한 새로운 재료를 만들 수 있다는 이점이 있다.
6. 액정(Liquid Crystal)
'분자 결정' 가운데는 가열되어 하얗게 흐려진 액체 상태가 되어도, 분자가 특정 방향으로 규칙적으로 배열되는 것이 있다. 분자의 모양은 크고, 가늘고 긴 막대나 원반 같은 모양이며, 액체 속에서도 일정 방향으로 배열하기 쉽다. 액상이면서 결정과 비슷한 광학적·전기적 성질을 가지고 있다. 이런 액체를 '액정(Liquid Crystal)'이라고 한다. 액정을 더욱 가열하면, 분자의 배열이 깨어져 투명한 보통 액체가 된다. 즉, 액정은 고체와 액체의 중간 상태를 나타낸다. 이런 상태를 취하는 것에는 탄소와 수소 등의 분자로 이루어진 '유기 화합물(Organic Compound)'이 많다.
'액정(Liquid Crystal)'에 '전압(Voltage)'을 걸면, 분자가 늘어서는 방법이 변한다. 분자가 늘어서는 방법이 변하면, 빛에 대한 굴절률이나 흡수율 등이 바뀌기 때문에 명암이나 색깔을 바꿀 수 있다. 이러한 성질 때문에 '액정'은 'TV', '모니터', '시계', '탁상용 계산기' 등의 표시 재료로 이용된다.
6-1. '니매틱 액정'의 분자 배열과 전기적 효과
'액정'은 분자 집합 상태의 차이 등에 따라 '니매틱(Nematic), '스멕틱(Smectic)' '콜레스테릭(Cholesteric)'으로 분류된다. 표시 재료로 자주 사용되는 '시아노비페닐(cyanobiphenyl)'계 액정분자는 '니매틱'이다. 실온에서는 유동성이 있고 희게 흐려져 있다.
분자는 기다란 축 방향으로 평행으로 배열되어 있다. 분자에 '전극판(electrode plate)'을 마찰하고 그 사이에 니매틱을 끼워 넣은 뒤 전극판을 90° 비틀면, 분자는 그림과 같이 '나선 모양'으로 비틀어진 배열을 한다. 이것에 전압을 걸면, 분자는 전극의 면에 수직으로 늘어선다. 적극판의 바깥쪽에 편광판을 각가 편광의 축이 직교하도록 놓고 전압을 걸거나 끊으면, 빛이 분자가 늘어선 대로 휘어지면 투과하고, 빛이 휘어지면 투과하지 않는다. 따라서 명암의 변화를 만들 수 있다.
7. 형상 기억 합금
결정을 이루는 원자나 분자는 끊임없이 조금씩 흔들리고 있다. 하지만 위치는 거의 바뀌지 않으며, 가장 안정된 위치에 자리 잡고 있다. 하지만 물질에 따라서는 '온도'나 '압력'에 의해, '원자의 배열이나 결정 구조'가 바뀌는 것도 있다. 예컨대 '철(Fe)'은 910℃를 경계로, 저온형 '체심 입방 격자'에서 고온형 '면심 입방 격자'로 바뀐다. 이처럼 몇 가지 결정 구조를 취하는 것을 '다형(Polymorphism)'이라 하고, 결정 구조가 바뀌는 것을 '변태(Metamorphosis)'라고 한다. 결정 구조가 바뀌면 '물질의 성질'도 바뀐다. '형상 기억 합금(Shape Memory Alloy)'은 이런 성질을 적극적으로 이용한 것이다.
'변태'를 일으키는 데에는 계기가 필요한 것이 많다. 온도가 바뀌어도 맨 처음에 구조가 바뀌게 되는 계기를 만드는 것은 외부에서 가해지는 힘이 되기도 한다. 또 '전위'나 '입계(결정 입자가 서로 접하고 있는 경계)' 등 결함 부분은 결정 구조가 느슨해져 있으므로, 거기서부터 변태가 일어나기 시작하는 경우가 많다.
7-1. 마텐자이트 변태
원자의 결합이 끊어지는 일 없이 결합이 신축하여, 결정 전체가 느슨해짐으로써 다른 결정 구조로 바꾸는 변태를 '마텐자이트 변태(Martensite Metamorphosis)'라고 한다. 단결정이 다결정으로 바뀌지 않고, 단결정의 구조가 바뀌는 것이 이 변태의 특징이다.
'티타늄(Ti)', '니켈(Ni)'은 고온형과 저온형 두 가지 결정 구조를 취한다. 고온형에서 '마텐자이트 변태(Martensite Metamorphosis)'를 해 저온형으로 바뀐다. 각각의 원자가 조금씩 움직여, 전체의 구조가 느슨해지는 듯한 결정 구조가 되는 것이다.
8. 반도체 결정
TV나 컴퓨터 같은 전자제품에는 '반도체'가 사용된다. '반도체(Semiconductor)'란 금속처럼 전기를 잘 통하는 '도체(Conductor)'와 다이아몬드나 소금처럼 전기를 통하지 않는 '절연체(Insulator)' 사이에서 중간 정도의 '전기 전도성(Electrical Conductivity)'을 나타내는 결정이다.
대표적인 반도체로는 '게르마늄(Germanium)'과 '규소(Silicon)' 등이 있다. 이들은 공유 결합성의 다이아몬드형 공유 결정이다. 불순물이 들어 있지 않은 완전한 결정이면, 본래 '규소'는 '절연체'에 가깝다. 완전에 가까운 '규소 결정(실리콘 결정)'을 인공적으로 만들고, 그 가운데 약간의 불순물을 침입시키면, 전기가 어느 정도 통하게 된다. 이 성질을 이용하여 불순물 혼합 비율을 제어하면서 '반도체 결정'을 만든다.
8-1. p형 반도체와 n형 반도체
공유 결합의 결합 부분에서 전자가 1개 남도록 불순물을 침입시킨 것을 'n형 반도체', 반대로 전자가 1개 모자라도록 한 것을 'p형 반도체'라고 한다. '규소(Silicon)'나 '게르마늄(Germanium)' 결정에 '인(P)' 등을 섞으면 전자의 수가 늘어나 'n형 반도체'가 된다. 반대로 붕소 등을 넣으면 공유 결합에 필요한 전자의 수가 줄어들어 '양공(전자가 없는 구멍)'이 생긴다. '양공'의 수를 많게 한 것을 'p형 반도체'라고 한다.
1개의 단결정 속에 p형과 n형의 영역을 가진 반도체를 'pn 접합(pn Junction)'이라고 한다. pn 접합의 p형이 n형에 대해 '양(+)'이 되도록 전압을 걸면, p형 영역으로 '양공'이 생겨 전류가 흐른다. 이와 반대의 전압을 걸면 전류는 흐르지 않는다. 즉, pn 접합'에서는 한 방향으로밖에 전류가 흐르지 않는다. 이처럼 한쪽 방향으로는 전류가 잘 흐르지만 반대 방향으로는 전류가 흐르지 않게 하는 성질을 '정류 작용(Rectifying Action)'이라고 한다.
8-2. 화합물 반도체 결정
다른 결정을 조합시킴으로써, '레이저광을 방출하는 반도체의 결정'을 만들 수 있게 되었다. 이런 결정의 제작은 '광통신(Optical Communication)'의 진보에도 크게 공헌했다.
예전에는 서로 다른 반도체 결정끼리 연결하려고 했지만, 아무리 해도 제대로 연결할 수가 없었다. 서로 다른 결정 사이에는 원자가 결합하는 길이가 다르기 때문에, 배열의 방향이 바뀌므로 하나의 결정으로 성장하지 않았기 때문이다. 하지만 '갈륨(Ga)', '알루미늄(Al)' 등의 '화합물 반도체(Compound Semiconductor)'의 결정에는 조성이 달라도 원자의 배열을 같게 할 수 있으므로, 단결정으로 성장시키는 것이 가능하다. 이처럼 다른 종류의 결정으로 'pn 접합'을 만드는 것을 '이중 이종 접합(Double Hetero Junction)'이라고 한다. 이것에 '전압(voltage)'을 걸면 빛을 낸다.
9. 결정의 설계
9-1. 'X선 회절법'으로 여러 물질의 '3차원 결정 구조'가 규명되었다.
자연의 결정은 아름다운 겉모습 때문에, 17세기 무렵부터 과학자들이 흥미를 느끼는 대상이 되었다. 단결정 외형의 '계측(여러 방법과 장치를 이용하여 어떤 사실을 양적으로 포착하는 일)'이나 '현미경에 의한 관찰' 등이 시작되었고, 결정의 기하학 이론은 19세기에 완성되었다. 결정 내부의 원자나 분자 등의 규칙적 배열의 상태는 1912년 '막스폰 라우에(Max von Laue, 1879~1960)'의 'X선 회절'의 발견에 의해 처음으로 밝혀졌다. 'X선 회절(X-ray Diffraction)'이란 물질에 X선이 입사했을 때, 입사 X선의 방향과는 다른 몇 개의 특정한 방향으로 강한 X선이 진행하는 현상을 말한다
그리고 1960년 무렵까지 다수의 '무기 화합물(Inorganic Compound)'이나 간단한 '유기 화합물(Organic Compounds)'의 결정 구조가 규명되었다. 다양한 결정의 원자 배열이나 그 원자 배열이 정하는 성질이 밝혀졌다. 그 후 '컴퓨터'나 '측정 장치', '구조 해석의 수학적 기술' 등도 눈부시게 발전했다. 그 결과, 대상 물질의 범위는 '유기 화합물'이나 '광물'을 비롯해 '효소' 등 단백질이나 그 복합체, 바이러스의 결정에까지 이르게 되었다. 'X선 회절법(X-ray Diffraction Method)'으로 알려진 3차원 구조를 바탕으로, 효소와 기질의 반응 메커니즘을 조사할 수 있게 되었다. 또 엄청난 구조 데이터의 축적을 바탕으로, 새로운 기능성 재료나 의약품의 설계를 생각할 수 있게 되었다.
9-2. 인공적으로 결정을 성장시키는 기술도 진보했다.
동시에 인공적으로 결정을 성장시키는 기술도 진보했다. 반도체의 소재도 인공적으로 만들어진 결정이다. 현재 반도체는 거의 '실리콘(silicon)'으로 만들어지는데, '실리콘 결정'을 인공적으로 만드는 기술도 눈부시게 발전했다.
앞으로 초고속 컴퓨터, 광통신, 위성 통신 등에서 획기적인 기술 혁신을 일으킬 것으로 기대되는 것에는 '갈륨'(Ga)'과 '비소(As)'로 이루어진 '비화갈륨(GaAs)'의 결정이 있다. '비화갈륨'에서 실리콘보다 3~6배의 처리 속도를 가지며, 전기를 빛으로 바꾸는 등의 성질이 발견되었다. 그러자 결함 없는 완전 결정을 구해 연구 개발이 크게 발전했다. '분자선 증착(Molecular Beam Epitaxy)'라는 방법에서는 드디어 원자 수준까지 제어해 결정을 만들 수 있게 되었다.
초고압·초저온·초고온·초진공·무중력 등 극단적인 조건을 이용해, 새로운 소재도 만들고 있다. '비결정질 합금', '탄소 섬유', '세라믹스' 등은 종래의 고체 개념을 깨뜨렸다. 고체의 다양한 성질은 원자가 규칙적으로 배열하는 것에서 생긴다. 따라서 종래의 결정 고체의 결점을 극복하기 위해서는 '원자의 배열'을 바꾸어야 한다. '완전히 규칙적' 또는 '완전히 불규칙적' 등의 극한을 추구하면서 새로운 소재가 만들어지고 있다.