본문내용
1. 재료과학과 공학이란 무엇인가?
1.1. 재료의 정의와 특징
재료(材料)는 물건을 만들거나 어떤 일을 하는 데에 사용되는 재질 또는 대상을 의미한다. 물리학(특히 고체물리학)에서 재료의 구조와 물성에 대한 연구가 이루어지고 있다. 재료과학(material science)은 재료의 구조(structure)와 재료의 성질(property)을 탐구하는 학문이다. 재료공학(materials engineering)은 재료의 구조-성질 관계를 기반으로 하여 원하는 재료의 성질을 구현하기 위해 재료를 설계하고 가공하는 것을 말한다. 따라서 재료과학은 재료의 구조와 성질을 이해하고, 재료공학은 그 이해를 바탕으로 재료를 개발하고 활용하는 것이다.
1.2. 재료과학과 재료공학
재료과학(material science)은 재료의 구조(structure)와 재료의 성질(property)을 탐구하는 학문이다. 재료공학(materials engineering)은 이러한 구조-성질의 연관성을 기초로 하여 원하는 재료의 성질을 구현하기 위해 재료를 설계하고 가공하는 것을 말한다.
재료과학과 재료공학은 서로 밀접한 관련이 있다. 재료과학에서는 주어진 원자 배치, 즉 미세구조(structure)에서 기대될 수 있는 물리적 특성을 예측할 수 있지만, 이를 실제로 구현하기 위해서는 어떤 방법을 사용해야 하는지, 제조 방법에 따른 미세구조의 변화와 특성 관계는 어떠한지 등을 설명하는 데에는 한계가 따른다. 이러한 한계를 극복하기 위해 재료공학에서는 구조-성질의 관계를 기초로 하여 원하는 재료의 성질을 구현하기 위해 재료를 설계하고 가공하는 방법들을 개발한다.
즉, 재료과학이 재료의 구조와 성질을 탐구하는 학문이라면, 재료공학은 그러한 재료과학의 지식을 바탕으로 실제 응용을 위해 재료를 설계하고 제조하는 실천적인 학문이라고 할 수 있다. 재료과학과 재료공학은 서로 보완적인 관계를 가지며, 함께 발전하며 새로운 재료를 창출해내고 있다.
2. 신소재의 역사와 중요성
2.1. 인류 역사와 신소재
인류가 재료를 사용하기 시작한 것은 땅 위에서 살기 시작하면서였다고 볼 수 있다. 인간은 땅을 경작하거나 사냥을 하기 위해, 돌이나 나무를 이용하여 도구를 만들었다. 또, 흙을 빚어 토기를 만들었고, 이를 건축 재료로 이용하여 집을 지었다. 이 시기가 역사학자들이 말하는 석기 시대이다.
이후 인류는 드디어 금속재료를 발견하여 사용하기 시작하였다. 청동기시대가 바로 그것이다. 청동이란 재료는 석기보다 뛰어난 특성을 몇 가지 갖고 있다. 청동은 인류의 생활을 보다 편리하고 윤택하게 해주었을 뿐만 아니라 우수한 무기로도 사용되었다. 철 재료가 발견되자 주도권은 철 재료를 사용하는 종족에게로 넘어갔다. 철기시대의 도래는 인류의 생활 전반에 큰 변혁을 일으켰다.
이와 같이 인류의 역사는 당시 주로 사용하였던 재료에 따라서 그 시대가 구분되고 있으며, 인류의 문명은 새로운 재료가 탄생함으로써 혹은 발견 됨으로써 발전을 거듭할 수 있었다. 신소재는 특성면에서 기존의 재료보다 뛰어나거나 기존의 재료가 갖고 있지 않는 새로운 기능을 갖고 있어 그 효용 가치가 큰 재료라고 볼 수 있다. 즉, 석기시대의 신소재는 청동기 재료이며 청동기시대의 신소재는 철기 재료가 되는 것이다. 산업의 발전을 위해서는 그 기반이 되는 소재기술과 새로운 소재의 개발이 선행되어야 한다.
2.2. 신소재의 정의와 특성
신소재는 기존의 재료보다 특성이 우수하거나 새로운 기능을 가지고 있어 그 효용 가치가 큰 재료이다. 신소재는 석기시대의 청동기 재료, 청동기시대의 철기 재료처럼 시대를 이끄는 핵심적인 역할을 해왔다. 더욱이 4차 산업혁명 시대에 인류 생활 전반에 걸쳐 신소재 개발의 중요성은 더욱 커지고 있다.
신소재는 기존의 재료보다 경량 고강도, 극한 환경에서도 우수한 특성, 새로운 기능 등의 특징을 가지고 있다. 예를 들어 금속재료에서는 형상기억합금, 비정질 금속, 초전도체 등이 있고, 세라믹재료에서는 파인 세라믹스, 광섬유, 결정화 유리 등이 있으며, 고분자재료에서는 엔지니어링 플라스틱, 고효율 분자막, 태양전지 플라스틱 등이 신소재로 개발되고 있다. 이러한 신소재들은 기존 재료를 대체하거나 새로운 기능을 구현하면서 산업 전반에 걸쳐 활용되고 있다.
특히 최근에는 슈퍼컴퓨터와 계산과학, 빅데이터 등 새로운 연구방법을 활용하여 기존에 없던 신개념 재료를 개발하는 성과를 거두고 있다. 격자 간 전자로 이루어진 전자화물 소재와 극저온에서도 우수한 기계적 특성을 보이는 고엔트로피 합금 등이 그 대표적인 예이다. 또한 4차 산업혁명을 이끌 차세대 메모리 소재로 각광받고 있는 자성 메모리 소재도 개발되었다. 이처럼 신소재 기술은 계속해서 발전하며, 산업 전반에 걸쳐 큰 변화를 일으키고 있다.
요약하면, 신소재는 기존 재료의 한계를 뛰어넘는 혁신적인 특성을 가지고 있어 인류의 발전을 이끌어 온 핵심적인 역할을 해왔으며, 앞으로도 4차 산업혁명 시대를 선도할 핵심 기술이 될 것으로 기대된다.
3. 금속재료, 고분자재료, 세라믹재료의 특성
3.1. 금속재료의 특징
금속(金屬, metal)은 자연계에 존재하는 원소 중에서 헬륨, 아르곤, 네온과 같은 비활성 기체원소, 염소, 플루오르와 같은 할로겐 원소, 이 밖에 산소, 수소, 황, 질소를 제외한 나머지 80여 종이 대개 금속이 될 수 있는 원소이다. 그 중에는 수은과 같이 녹는점이 상온(常溫)보다 낮기 때문에 액체인 것도 있으나, 이 수은도 응고하여 고체가 되면 앞서 말한 바와 같은 금속의 특유한 성질을 보인다. 금속의 고체는 원자가 일정한 거리와 간격을 두고 규칙적으로 배열된 결정고체(結晶固體)이다. 금속의 결정에서는 각 원자의 가장 바깥쪽 전자(외각전자)가 자유롭게 움직일 수 있는 상태이며, 이 자유전자(自由電子)를 제외한 나머지 원자는 일정한 거리 및 간격으로 배열되어 있다. 이 자유전자가 음전하를 띠고 있으므로 외부로부터 전압을 걸어 주면 일정 방향으로 이동할 뿐 아니라, 금속의 양끝에 온도 차이가 생기면 열이 전달된다. 이것이 금속이 전기 및 열을 잘 전달하는 이유이다. 그러나 이러한 자유전자는 규칙적으로 배열된 원자 사이를 움직이게 되므로, 온도가 높아져서 원자의 열진동이 심할수록 자유전자의 흐름은 방해를 받게 되어 전기저항이 증가하게 된다.
역사적으로 보면, 자연계에 원소상태로 존재하는 금, 은, 구리는 옛날부터 인류에 의해 이용되었다. 철은 체심입방결정으로 침입형 고용원소인 탄소가 함유된 채로 입수되었는데, 이 탄소의 존재로 철은 고온에서는 면심입방으로, 그리고 저온에서는 체심입방으로 상호 전이(轉移)가 가능하다. 즉, 고온으로 가열한 다음 저온으로 급랭(急冷)시킴으로써 전이가 ...
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