단위 격자(單位格子, 영어: unit cell)는 결정 구조에서 규칙적으로 반복되는 기본적인 3차원 단위이다. 즉, 결정을 구성하는 원자·분자·이온 등의 입자들이 공간상에 규칙적으로 배열될 때, 그 배열의 최소 반복 단위를 가리킨다. 이 단위 격자를 3차원 공간에서 평행 이동하여 무한히 반복하면 전체 결정 구조를 재현할 수 있다.
정의와 역할
- 결정 구조의 기본 블록으로, 단위 격자 하나가 곧 결정 전체의 구조 정보를 담고 있다.
- 단위 격자의 기하학적 형태는 세 모서리의 길이(a, b, c)와 그 사이의 각도(α, β, γ)로 정의된다. 이 값들을 격자 상수(lattice constant)라고 부른다.
- 단위 격자 내에 포함된 입자의 수는 꼭짓점(1/8), 모서리(1/4), 면심(1/2), 체심(1)의 기여분을 합산하여 계산한다.
주요 종류
가장 기본적인 입방정계(cubic system)의 단위 격자는 세 가지로 나뉜다:
| 종류 | 약자 | 단위 세포 내 입자 수 | 배위수 | 채움률 | 예시 |
|---|---|---|---|---|---|
| 단순 입방 | SC (simple cubic) | 1개 | 6 | 약 52% | 폴로늄(Po) |
| 체심 입방 | BCC (body-centered cubic) | 2개 | 8 | 약 68% | Na, K, Fe(α) |
| 면심 입방 | FCC (face-centered cubic) | 4개 | 12 | 약 74% | Cu, Al, Au, Si(다이아몬드 구조) |
이 외에도 육방 밀집 구조(HCP), 정방정계, 사방정계 등 다양한 결정계가 존재하며, 프랑스 결정학자 오귀스트 브라베(Auguste Bravais)는 3차원 공간에서 가능한 모든 격자 배열을 14가지 브라베 격자(Bravais lattice)로 분류하였다.
관련 개념
- 격자점(lattice point): 단위 격자에서 입자가 위치하는 점
- 브라베 격자: 단위 격자의 기하학적 형태와 격자점의 위치에 따라 분류한 14가지 기본 격자 유형
- 밀러 지수(Miller index): 결정면과 결정 방향을 수학적으로 표시하는 방법
- 역격자(reciprocal lattice): X선 회절 등 결정 구조 분석에 사용되는 개념
단위 격자는 재료과학, 고체물리학, 화학, 반도체 공학 등에서 결정의 물리적·화학적 성질을 이해하는 가장 기초적인 개념이다.
