우리 생활 속의 소재
무기공업화학
재료와 가치
탄소 및 동소체 동기유발
인류문명과 소재
2,000,000 BC
Stone age (석기)
1,500,000 BC 8,500 BC
Paleolithic (구석기) Neolithic (신석기)
4,500 BC
Chalcolithic (동석기)
3,200 BC
Bronze Age (청동기)
1,200 BC
Iron Age (철기)
200 BC
Cement age (시멘트)
1,850 AD
Steel age (강鋼)
1,950 AD
Silicon Age (실리콘)
New Material Age (신소재)
인류 문명의 발전과 재료
1) 토기의 소성온도
- 500 ℃ 이하 최초가열: 운모와 점토의 수분제거 - 700 ℃ : 연질토기의 소성온도 (삼국시대)
- 700-1200 ℃: 경질토기의 소성온도 (통일신라) - 1200 ℃ 이상: 도자기 (청자, 백자)
2) 야금술 (metallurgy)의 발달
- 야금술: 금속을 다루는 기술, 금속의 추출, 가공, 성형 - 야금 공정온도
일반 나뭇불: 800-900 ℃
참나무:1000 ℃ + 자연풍 = 1100정도 (동제련 가능:1084.5 ℃) 인 철광석 1150 ℃ 용해
목탄 (숯): 1200 ℃ (철광석+ 목탄 = sponge iron), 탄소함유 4.3%
재료 공정의 발전
인류문명과 소재
1) 청동제 대형 총포 기술 (이탈리아)
- 이탈리아 청동 주조 기술 독점, 종교 종 제조기술
- 15세기 대항해 시대: 해적선소탕 총포 기술 특화 (스페인 레판토 해전) - 주조성 높고 가공 용이 (용융점 낮음)
- 전장에서 대포의 내구성 높으나, 높은 가격으로 인해 실용성 저하
2) 청동 대포의 대륙 이동
- 동일 종교, 인접국가 (독일 등)의 기술자 우대정책으로 인한 기술이전
3) 새로운 대체재의 부상 (영국) - 주철포 기술; 저가 대체재
근대 소재 기술의 발전
인류문명과 소재
현대의 첨단 소재
• 반도체 (Semiconductor) - non-conductor, band gap,
defect
• 바이오 소재 (Biomaterial) - In-vivo, in-vitro
• 스마트 소재 (Smart material) - Sensing the input signal
- Actuator: Responsive to temp., magnetic stimuli
→ shape, position, vibration, mechanical property change
→shape memory alloy, piezoelectric, ceramic, magnetostrictive,
magnetic/electro rhelogical fluid
• 나노재료 (Nanomaterials) - 재료의 크기에 의존한 물성
- 원 나노재료의 물성 (mechanical, electrical, thermal, optical
proeprties) 은 크기에 따라 변화.
• 에너지 재료 (Energy materials) - Conversion of uncontrollable
energy into usable and Controllable form.
- Battery, Gas storage,
Thermoeletricity, Fuel Cell Solar Energy
인류문명과 소재
정보기술
환경기술
우주기술 생체기술 나노기술
신소재
첨단 소재 관련 기술
신소재 기술
• 반도체산업
• 전자산업
• 정보통신산업
• 생체, 의료산업
• 에너지, 환경산업
• 우주항공산업
• 자동차, 조선, 건설산업
첨단 소재의 다양한 응용
첨단소재의 응용
반도체 산업
첨단소재의 응용
전자산업
첨단소재의 응용
정보 통신 산업
첨단소재의 응용
생체/의료 산업
첨단소재의 응용
에너지/환경 산업
첨단소재의 응용
우주항공 산업
첨단소재의 응용
자동차 조선 산업
첨단소재의 응용
ex: hardness vs structure of steel 1) 물성의 구조 의존성
ex: structure vs cooling rate of steel 2) 가공을 통한 구조변경
재료의 구조-가공-특성
Ha rdnes s (B HN )
Cooling Rate (ºC/s) 100
200 300 400 500 600
0.01 0.1 1 10 100 1000
(d)
30 μm
(c)
4 μm
(b)
30 μm
(a)
30 μm
재료의 분류 및 특성
가공 구조 물성 성능
재료의 분류
1) 금속 (Metals)
- 금속결합 (Metallic bonding) → 금속원자와 자유전자구름의 결합 - Strong, ductile
- High thermal & electrical conductivity - Opaque, reflective.
2) 플라스틱 (Polymers/plastics)
- 공유결합 (Covalent bonding) → 전자의 공유로 인한 결합 - Soft, ductile, low strength, low density
- Thermal & electrical insulators
- Optically translucent or transparent.
3) 세라믹 (Ceramics)
- 이온결합 (ionic bonding) – 금속 & 비금속원소 (oxides, carbides, nitrides, sulfides)의 화합물
- Brittle, glassy, elastic 재료의 분류 및 특성
1. 용도 선정 (Application
)
필요 물성 (Properties) 결정공정 (Processing): 구조 (
structure
)와 전반적 형태 (shape
) 결정 공정의 예: casting, sintering, vapor deposition, doping forming,joining, annealing.
물성: 기계적 (mechanical), 전기적 (electrical), 열적 (thermal), 자기적 (magnetic), 광학적 (optical) 특성.
물질 선정 고려사항: 구조 (structure), 조성 (composition).
2. 물성 (Properties) 후보물질 (Materials) 선정
3. 물질 (Material) 필요 공정 (Processing) 확인
재료 선정 과정
재료의 분류 및 특성
정리
1) 재료과학과 공학
- 재료의 성질: 기계적, 전기적, 열적, 자기적, 광학적, 장식적 - 재료과학: 재료의 성질과 구조간의 상관관계를 연구
구조재료의 내부구성물의 배치
→ Sub-atom의 구조요소, 원자, 미시적, 거시적 지칭 - 재료의 설계, 생산, 활용의 4개 요소
→ 공정, 구조, 성질, 성능
→ 재료의 성능은 구조에 좌우되며, 구조는 재료의 공정에 의해 정해짐 - 재료선택의 기준: 재료의 환경, 사용중 열화, 제작물의 제조가격
2) 재료의 분류
- 화학적/원자적 구조를 토대로 분류: 금속, 세라믹, 폴리머, 복합재료 3) 첨단재료
- 반도체 (Semiconductor), 바이오 소재 (Biomaterial), 스마트 재료
(Smart material), 나노재료 (Nanomaterial), 에너지 재료 (Energy material)
