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Chapter 1; 서론 과학( Science ) 이 먼저 일가? 공학 ( Engineering ) 이 먼저 일가?

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(1)

1 장 서론: 과학( Science ) 이 먼저 일가? 공학 ( Engineering ) 이 먼저 일가?

18 세기 후반부터 19 세기에 걸쳐 증기 기관이 발명 개량되었지만, 이들은 학문적 성과를 응용 한 것이 아니라 오로지 경험으로 진행된 것이었다.

1592: 갈리레오의 온도계 1662; 보일의 법칙

1769; 증기 기관 (제임스 와트)

1735; 코크스 고로 제철 (에이브러험 더비 2세) 1783; 직물 방적기 (증기 기관)

1802; 샤를의 법칙 (게이 루삭에 의해 발표) 1811; 아보가드로의 분자론

1824; 카르노의 기관

1825; 최초의 증기기관차 (Stockton and Darlington Railway- Locomotion호) 1843; 줄의 발견

1847; 열역학 제1법칙 ( dU=δQ-δW, 헬름 홀츠)

1850 (1865) ; 열역학 제2법칙 ( ∆S=∫ dQ/T ≥0 , 엔트로피, 로돌프 클라우지우스) 1855; 베세머 제강법 (산소 취련)

1878; Gibbs Free energy by Josiah Willard Gibbs "available energy“

1893; 디젤기관의 발명

1906; 열역학 제 3법칙 ( 절대영도 에서 계의 엔트로피는 영이다. 네른스트) 1912; 디젤기관차

Chapter 1; 서론

과학( Science ) 이 먼저 일가?

공학 ( Engineering ) 이 먼저 일가?

(2)

1 장 서론: 과학( Science ) 이 먼저 일가? 공학 ( Engineering ) 이 먼저 일가?

18 세기 후반부터 19 세기에 걸쳐 증기 기관이 발명 개량되었지만, 이들은 학문적 성과를 응용 한 것이 아니라 오로지 경험으로 진행된 것이었다.

1592: 갈리레오의 온도계 1662; 보일의 법칙

1769; 증기 기관 (제임스 와트)

1735; 코크스 고로 제철 (에이브러험 더비 2세) 1783; 직물 방적기 (증기 기관)

1802; 샤를의 법칙 (게이 루삭에 의해 발표) 1811; 아보가드로의 분자론

1824; 카르노의 기관

1825; 최초의 증기기관차 (Stockton and Darlington Railway- Locomotion호) 1843; 줄의 발견

1847; 열역학 제1법칙 ( dU=δQ-δW, 헬름 홀츠)

1850 (1865) ; 열역학 제2법칙 ( ∆S=∫ dQ/T ≥0 , 엔트로피, 로돌프 클라우지우스) 1855; 베세머 제강법 (산소 취련)

1878; Gibbs Free energy by Josiah Willard Gibbs "available energy“

1893; 디젤기관의 발명

1906; 열역학 제 3법칙 ( 절대영도 에서 계의 엔트로피는 영이다. 네른스트)

(3)

(Processing) 공정

재료공학자(과학자)로서의 역할 수행

(Structure) 구조

(Properties) 성질

(Performance) 성능

• 미시적(Microscopic)

• 거시적 (Macroscopic)

• 기계적(Mechanical)

• 전기적(Electrical)

• 열적 (Thermal)

• 자기적( Magnetic)

• 광학적(Optical)

• 열화적(Deteriorative)

• 건식제련 ( Pyrometallurgy)

• 소성가공(Plastic working)

• 열처리 (Heat treatment)

• 박막공정 (MOCVD, Sputtering)

• 강 (Steel)- 자동차 강판, 스텐인리스 스틸 등

• 반도체 ( Semiconductor)-비메모리 (D램, CPU 등) 메모리 (낸드플래시메모리, SSD 등)

재료 선택 : 용도를 고려한 재료의 선택, 열화(劣化), 경제성

(4)

금속- 규칙적 원자 배열, 고밀도, 탄성, 강도, 연성, 전도도( 자유전자), 자기적 성질

세라믹- 산화물, 질화물, 탄화물, 황화물 등 강도, 인장강도, 연성이 안좋음 , 낮은 전도도, 재료(물질)의 종류?

Page 27

(5)

복합재료: 금속, 세라믹, 폴리머 중에 두종류 이상을 복합한 재료

• Glass-Fiber-Reinforced Polymer: 유리 섬유를 폴리머에 혼입시켜 제작.

폴리머의 연성 및 가공성을 가지고, 세라믹의 고강도 및 고인성을 가짐. 저밀도 용도: 글래스 울(내열 및 단열재) , 스노우 타이어의 표면재, 프린트 기판

• Carbon Fiber-Reinforced Polymer : 탄소 섬유를 폴리머에 혼입시킨 재료 첨단 스포츠 소재 (골프 클럽, 자전거, 테니스 라켓 등), 항공 재료 등

첨단 재료(Advanced materials)

 반도체 (Semiconductor) : 전기적으로 도체와 절연체의 중간적 성질, 집적회로 (19장)

 생체재료(Biomaterials) : 손상된 인체 부위를 대체하는 재료, 인체 조직에 무해

 스마트 재료 ( Smart materials): 환경에 따른 변화성, 입력신호감지의 센서 기능과 변화값에 따른 엑추에이터 기능

• 형상기억합금 (shape-memory alloy)- 온도 변화로 인하여 원형으로 복귀

• 압전 세라믹 (Piezoelectric ceramic) – 전기장 ↔ 수축/팽창

• 자기 변형재료 ( Magnetostrictive material)- 자기장 ↔ 수축/팽창

• 자성 유체 (Magnetic Fluid)- 유체 ( 流体, 액체 및 기체) +자성

 나노재료 (Nanometerials)

; 10

-9

m, 크기에 따른 분류, Nano Technology,

베이스 오일 자성

입자 계면활성제

Fig. 2

자성 유체의 이미지

Fig. 1

20 nm 의 Field effect transistor의 TEM 이미지

[ Okano et al. IEEE,

2005]

(6)

• 재료의 6가지 성질

• 재료의 설계, 생산, 활용 시에 필요한 4 가지

• 재료의 3 가지 분류

• 첨단재료 4가지

(7)
(8)

학습목표

1. 원자 구조의 기본 개념과 원자 모델 2가지의 특징 및 차이점 2. 전자의 에너지와 관련된 중요한 양자역학의 원리

3. 원자 및 이온 간에 작용하는 힘의 종류와 결합 에너지 그래프

4. 결합의 종류 (이온, 금속, 공유, 수소, 2차 결합)에 따른 물질(재료)의 형태

Chapter 2:

원자구조 (Atomic Structure) & 원자

결합 (Interatomic Bonding)

(9)

9

원자 구조 (Atomic Structure)

• 원자– 전자 (electrons, 음전하) – 9.11 x 10 -31 kg 양자 (protons, 양전하)

중성자 (neutrons)

• 원자번호(atomic number) = 원자핵 내의 양자수

= 전기적 중성의 원자 내의 전자수

• 원자질량 (atomic mass)- 양자와 중성자의 질량합

• 원자질량단위 (atomic mass unit) = amu = 1/12 mass of 12 C

• 원자량 (Atomic wt) = wt of 6.022 x 10 23 molecules or atoms

1 amu/atom = 1 g/mol

C 12.011 H 1.008 etc.

} 1.67 x 10 -27 kg

원자핵

자연에는 중성자의 수가 다른 동위원소가 일부 존재한다.

(10)

원자 모델-

양자(量子)역학(quantum mechanics)

그림 2.1 보어의 원자 개략도

전자의 운동은 일정 궤도를 따라 전자의 에너지는 양자화한다.

전자는 오직 특정한 에너지 값을 갖는다.

전자의 에너지가 바뀔 때는 에너지를 흡수하거나 방출하여 허용된 에너지 수준(energy level) 또는 준위 (state)간을 이동한다.

보어 모델에서

에너지 준위는 연속적으로 변하지 않고 일정한 에너지 간격으로 분리 되어 있다.

(11)

파동 역학 모델 (wave- mechanical model )

• 전자는 파동성과 입자성

• 전자의 위치는 확률 분포 혹은 전자구름으로 표시

(12)

파동 역학 모델 (wave-mechanical model )

• 전자는 파동성과 입자성을 가짐

• 2개의 파동성

– 확률로 정해지는 오비탈(orbital)에 따라 전자가 존재한다.

– 각기 다른 에너지 준위를 가지는 오비탈(orbital)은 양자수 (quantum numbers)로 정의한다.

– 양자수 (quantum numbers) 명칭

n = principal (energy level-shell) K, L, M, N, O (1, 2, 3, etc.)

 = subsidiary (orbitals) s, p, d, f (0, 1, 2, 3,…, n -1)

m l = magnetic 1, 3, 5, 7 (- to +)

m s = spin (파울리의 배타원리, p 24 ) ½, -½

(13)

13

전자 에너지 준위

전자 배위도 (p.26 Table 2.2 )

1s 2s 2p

K-shell n = 1 L-shell n = 2 3s

3p M-shell n = 3

3d 4s 4p 4d

Energy

N-shell n = 4

• 불연속적인 에너지 준위를 가진다.

• 낮은 준위부터 채워진다.

전자는 ...

Adapted from Fig. 2.6, Callister &

Rethwisch 9e.

(From K. M. Ralls, T. H. Courtney, and J. Wulff, Introduction to Materials Science and

Engineering, p. 22. Copyright © 1976 by John Wiley & Sons, New York. Reprinted by permission of John Wiley & Sons, Inc.)

(14)

전자 배위 (Electronic Configurations)

ex: Fe - 원자번호 = 26

valence electrons

1s 2s 2p

K-shell n = 1 L-shell n = 2 3s

3p M-shell n = 3

3d 4s 4p 4d

Energy

N-shell n = 4

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6

3d

6

4s

2

Adapted from Fig. 2.6, Callister &

Rethwisch 9e.

(From K. M. Ralls, T. H. Courtney, and J.

Wulff, Introduction to Materials Science and Engineering, p. 22. Copyright © 1976 by John Wiley & Sons, New York. Reprinted by permission of John Wiley & Sons, Inc.)

(15)

15

• 원자가 전자 (Valence electrons) – 최 외각에 채워진 전자

• 완전히 채워진 전자각은 안정하다.

Ex) 불활성 기체 (He, Ne, Ar, Kr )

• 원자가 전자는 불완전하여 전자를 얻거나 잃는 화학 반응과 고체 원자 결합에 대한 기초가 된다.

– Ex) C (atomic number = 6)

1s 2 2s 2 2p 2

valence electrons

전자 배위 (Electronic Configurations)

(16)

주기율표 (Periodic Table)

Adapted from Fig. 2.8, Callister &

Rethwisch 9e.

전기 음전성 원자:

원자가 전자를 외부에서 흡수

1 e - 전자방출 2 e - 전자 방출 3 e - 전자 방출 iner t gas es

ac c ept 1 e - ac c ept 2 e -

O

Se Te Po At

I Br

He Ne Ar Kr Xe Rn F Cl S Li Be

H

Na Mg

Ba Cs

Ra Fr

Ca K Sc

Sr Rb Y

전기 양전성 원자:

원자가 전자를 외부로 방출

(17)

17

• 범위: 0.9 ~ 4.1,

전기 음성도의 감소 전기 음성도의 증가

• 전기 음성도가 높을수록 전자를 얻기 쉽다.

전기음성도 (Electronegativity)

(18)

전자배위와

고체 내의 원자결합

• 결합력과 결합 에너지

• 1차 결합: 이온 결합, 공유 결합, 금속 결합

• 2차 결합: 반 데르 발스 결합

• 결합에 따른 물질(재료)의 형태

(19)

결합력과

결합 에너지

그림 2. 10 F

N

: 결합력 (원자간의 힘)

F

A

: 인력 (attractive force) F

R

: 척력 (repulsive force)

R A

N F F

F = +

R

A F

F +

= 0

원자간 평형 상태-> 안정한 상태 r

0

:평형 거리

E

0

:결합에너지 (bonding energy)

R A

N E E

E = +

(20)

이온결합 (Ionic bond) – 금속 + 비금속

전자방출 전자수용

원소간의 전기음성도의 차이 따라

ex: MgO Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 O 1s 2 2s 2 2p 4 [Ne] 3s 2

Mg 2+ 1s 2 2s 2 2p 6 O 2- 1s 2 2s 2 2p 6

[Ne] [Ne]

(21)

21

• 양이온과 음이온 간의 발생하는 결합

• 전자 이동

(electron transfer)

이 일어남

.

• 전기 음성도가 큰 원소 간에 발생하기 쉬움 (I족 과 VII족, II족과 VI 족 ) .

• Ex) NaCl

이온 결합

Na (I 족 금속) 불안정함

Cl (VII족 원소)

전자 1개 이동

+ -

쿨롱의 힘 (Coulombic

Attraction)

Na (양이온,cation)

안정

Cl (음이온, anion) 안정

불안정함

(22)

• 에너지가 최소값일 때 안정하다.

– 인력과 척력에 따른 에너지가 균형

Attractive energy E Net energy E N

Repulsive energy E R

Interatomic separation r

r A

r n

E N = E A

+

E R =

_ +

B

Adapted from Fig. 2.10(b), Callister & Rethwisch 9e.

이온 결합 에너지

(23)

23

• 이온 결합은 세라믹(

Ceramics)

에서 많이 볼 수 있다.

NaCl MgO

CaF 2 CsCl

(24)

H 는 1개의 원자가 전자를

가지기 때문에 안정하기 위해는 1 개의 원자가 전자가 필요

두 수소 원자간의 전기 음성도는 동일

공유 결합 (Covalent Bonding)

전기 음성도의 차이가 적을 경우에 전자를 공유한다.

s 와 p orbitals을 가진 원자 간에 일어나기 쉬운 결합

• Ex) H

2

H

H

2

H

(25)

25

혼성화 ( Hybrization)

탄소는 sp 3 혼성화 오비탈을 가진다.

Fig. 2.13, Callister & Rethwisch 9e.

Fig. 2.14, Callister & Rethwisch 9e.

(Adapted from J.E. Brady and F. Senese, Chemistry:

Matter and Its Changes, 4th edition. Reprinted with permission of John Wiley and Sons, Inc.)

(26)

Covalent Bonding: Carbon sp 3

• Example: CH

4

C: 4 개의 원자가 전자, 전자 4개 필요

H: 1 개의 원자가 전자, 전자 1개 필요

C (2.5) 와 H (2.1)의 전기 음성도의 차이는 적다.

Fig. 2.15, Callister & Rethwisch 9e.

(Adapted from J.E. Brady and F. Senese, Chemistry:

Matter and Its Changes, 4th edition. Reprinted with permission of John Wiley and Sons, Inc.)

(27)

27

금속 결합 (Metallic Bonding)

• 고체상에서 최외각 전자들은 비교적 자유롭게 이동: 전자구름 or 전자바다

• 원자핵과 비외각 전자는 이온 코어를 형성

• 자유전자: 높은 열과 전기 전도도

(28)

쌍극자 (

dipoles)

간의 상호작용에 의해 발생하는 결합

• 영구 쌍극자 결합

-일반적인 경우:

-ex: liquid HCl -ex: polymer

Adapted from Fig. 2.20, Callister & Rethwisch 9e.

Adapted from Fig. 2.22, Callister & Rethwisch 9e.

반데르 발스 결합 (2차 결합)

secondary bonding 비대칭 전기적 쌍극자

+ - + -

2차 결합력 발생

H

H H H

H

2

H

2

ex: liquid H

2

2 차 결합력 발생

+ -

2 차 결합

+ -

H Cl 수소 결합 H Cl

(29)

결합 종류와 물질의 상태

(30)

종류 이온

공유

금속

2차

결합력 크다

다양함

large-Diamond small-Bismuth 다양함

large-Tungsten small-Mercury 가장 약함

내용

이온간의 전자이동.

방향성이 없다 (ceramics) 전자를 공유, sp

3

혼성화 방향성이 있다.

(semiconductors, ceramics

polymer chains)

전자 구름, 자유전자 전도도가 좋음 (

metals)

쌍극자

반데르 발스, 수소 결함

정리 : 결합

참조

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