2017년 1학기 1
stclass
장 지 훈
전기재료
재료의 종류 및 특성의 분류
1. 재 료의 정의
■ 재료 (材料, material) 란??
- 물건을 만들 때 바탕으로 사용하는 것
→ 좁은의미 : 생산이나 제조에 쓰이는 물리적인 원자재나 부품
→ 넓은의미 : 물체를 구성하는 재질
실리콘 웨이퍼 반도체
실리콘은 웨이퍼의 재료 웨이퍼는 반도체의 핵심 재료
1thclass Jihoon Jang
2. 재 료의 종류
■ 재료의 종류
1. 금속 (metal) : Fe, Al, Mg, Cu…
- 세라믹스 (ceramics) : 벽돌, 유리, 식기류, Al2O3… - 폴리머 (polymer) : 고무, 플라스틱…
- 반도체 (semiconductor) : Si, Ge…
- 복합재료 (composite material) : 철근콘크리트, 유리섬유 복합체…
2. 1 재 료의 종류 : 금속
■ 금속
- 높은 전기전도도, 열전도도, 비교적 높은 강도, 강성, 연성, 가공성, 충격저항성
- 홑원소 금속(pure metal), 합금(alloy)
1thclass Jihoon Jang
2. 2 재 료의 종류 : 세라믹스
■ 세라믹스
- 산화물 계열
- 낮은 전기전도도, 열전도도, 높은강도, 취성
- TCO (Transparent conductive oxide) : 투명, 전도성 우수
2. 3 재 료의 종류 : 폴리머
■ 폴리머
- 유기물 : 분자사슬을 가짐
- 낮은 전기전도성, 낮은 열전도성, 낮은 강도, 우수한 가공성 - 전자소자, 식기류 등
1thclass Jihoon Jang
2. 4 재 료의 종류 : 반도체
■ 반도체
- 전기전도도를 제어할 수 있는 물질 - 전자소자, 광섬유 등
→ 전기·전자기기의 핵심 소재
이미지 출처 : 산업일보, 2016, 2, 27 (http://www.kidd.co.kr/news/184269)
2. 5 재 료의 종류 : 복합재료
■ 복합재료
- 두 가지 또는 그 이상의 재료의 혼합물 - 기초원소의 단점을 상쇄
- 가격이 매우 비싸다, 재료 디자인이 어렵다.
* 복합재료의 예 : 철근 콘크리트
1thclass Jihoon Jang
3. 재료의특성
■ 재료의 특성
- 기계적 특성 : 강도, 경도, 연성…
- 광특성 (유전특성): 빛의 투과 / 반사 / 흡수 특성
- 열특성: 열전도 큰 / 작은 물질, 열용량 큰 / 작은 물질 - 자성특성: 자석, 자석에 붙는 / 안 붙는 물질
- 전기적 특성: 도체, 반도체, 부도체
3. 재료의특성
■ 전기적 특성 : 도체, 반도체, 부도체
- 도체 : 전기를 잘 통한다.
- 반도체 : 전기전도에 대한 제어가 쉽다.
- 부도체 : 전기를 통하기 어렵다.
1thclass Jihoon Jang
3. 재료의특성
■ 전기적 특성 : 도체, 반도체, 부도체
- 전기적 특성의 차이는 재료의 가전자대와 전도대의 차이임 1) 도체 : 가전자대와 전도대가 겹쳐 있다.
2) 반도체 : 가전자대와 전도대의 차이 : ~ 2 eV 3) 절연체 : 가전자대와 전도대의 차이 : 2 eV ↑
(conductor)도체 반도체
(semiconductor) 부도체
(insulator)
4. 재료의성질에 영향을미치는요소
■ 재료의 성질에 영향을 미치는 요소
- 구성 원자 (atoms) - 단위격자 (Unit cell) - 구조 (structure)
1) 미세구조 (microstructure) 2) 거시구조 (macrostructure)
1thclass Jihoon Jang
4. 재료의성질에 영향을미치는요소
■ 재료의 성질에 영향을 미치는 요소
- 구성 원자 (atoms)
1) 원자(原子, atom) 란?
→ 물질을 이루는 기본단위(입자)
→ 화학반응으로 더 쪼개질 수 없는 단위
* 원소 (元宵, element) : 동일한 원자번호를 가지는 원자로 구성된 물질 종
* 분자 (分子, molecule) : 각 물질의 화학적 성질을 가진 최소의 단위입자
- 총 원자수 : 3개 (수소원자 2개, 산소원자 1개) - 총 원소수 : 2개 (수소원소, 산소원소)
- 물분자 (H2O): 수소원자와 산소원자로 이루어진 화합물 - 설탕물 : 설탕 화합물과 물 화합물로 이루어진 혼합물
● 물(H2O)를 통한 원자와 원소의 이해
4. 재료의성질에 영향을미치는요소
■ 재료의 성질에 영향을 미치는 요소
- 구성 원자 (atoms)
2) 원자의 형태 : 핵(양성자 & 중성자) + 전자
1thclass Jihoon Jang
4. 재료의성질에 영향을미치는요소
■ 재료의 성질에 영향을 미치는 요소
- 구성 원자 (atoms)
3) 원자의 구조 : 전자수 & 최외각 전자의 상태에 따라 특성이 좌우됨
밴드갭 : 1.12 eV 밴드갭 : 0.67 eV
4. 재료의성질에 영향을미치는요소
■ 재료의 성질에 영향을 미치는 요소
- 구성 원자 (atoms)
3) 원자의 구조 : 전자수 & 최외각 전자의 상태에 따라 특성이 좌우됨
폭발성 불활성
1thclass Jihoon Jang
4. 재료의성질에 영향을미치는요소
■ 재료의 성질에 영향을 미치는 요소
- 단위격자 (Unit cell)
: 재료의 단위격자에 따라 재료의 특성은 변화한다.
ex) 탄소의 단위격자에 따른 재료의 종류
다이아몬드 구조 조밀육방구조
4. 재료의성질에 영향을미치는요소
■ 재료의 성질에 영향을 미치는 요소
- 원자구조 (atomic structure) : Bravais lattice 로 정의
1thclass Jihoon Jang
4. 재료의성질에 영향을미치는요소
■ 재료의 성질에 영향을 미치는 요소
- 구조 (structure)
: 단위격자가 배열된 구조에 따라 재료의 특성이 변화한다.
→ 미세구조(microstructure) : 비정질, 다결정질, 결정질 등
비정질 (Amorphous) 다결정질 (Polycrystalline) 결정질 (Crystalline)
4. 재료의성질에 영향을미치는요소
■ 재료의 성질에 영향을 미치는 요소
- 구조 (structure)
: 단위격자가 배열된 구조에 따라 재료의 특성이 변화한다.
→ 미세구조에 따른 실리콘 태양전지의 특성 변화
Bulk Thin film Nano structure
1thclass Jihoon Jang
4. 재료의성질에 영향을미치는요소
■ 재료의 성질에 영향을 미치는 요소
- 구조 (structure)
: 단위격자가 배열된 구조에 따라 재료의 특성이 변화한다.
→ 거시구조 : 벌크, 봉, 판, 박막 등
Bulk Thin film
감사합니다
■ 참고 문헌
1. 재료과학과 공학 (3rd edition)
: Donald R. Askeland, 박종완 등 5명 공역, 사이텍미디어
