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재료공학
재료공학(材料工學, Material Engineering)은 인간의 요구에 맞는 재료의 설계•합성•부품화를 연구하는 학문이다. 경량•고강도 소재로 부터 초내열 소재, 고효율 에너지 소재, 환경 소재, 스마트 소재, 바이오 소재 등에 이르기 까지 현대 인간 사회는 다양한 고성능, 고기능 재료를 요구하고 있다.
재료가 인간이 원하는 기계적, 전기적, 자기적, 광학적, 또는 화학적 특성을 내도록 하기 위해서, 재료의 상태, 즉 원자의 배열과 결함, 재료의 상, 조성, 표면 구조 등이 이러한 특성과 어떠한 상관 관계를 가지는지 파악해야 한다. 그리고, 이러한 정보를 바탕으로 재료공학자들은 재료가 원하는 특성을 발현하도록 하기 위해 재료를 어떻게 설계해야 하는지, 설계된 재료를 어떻게 만들어 낼 수 있을지를 고민한다.
개요[편집]
세계적으로 재료공학과. 신소재공학과 학과 명칭을 사용한다.
재료공학은 물질의 미시적 구조(structure)에 기인하는 거시적 성질(property)을 이해하고, 그 이해를 토대로 적합한 공정을 적용하여(processing) 원하는 성능(performance)의 재료를 얻기 위한 학문이다.
실제로 배우는 내용을 중점으로 설명하자면, 응집물질 물리학(고체물리학)을 중심으로 열역학, 화학공학, 결정학 등을 합친 학문이다.
Materials Science and Engineering이라는 명칭에도 나오듯이, 재료공학은 공과대학(공학)의 범주로 분류되면서 동시에 자연과학(특히 물리, 화학)을 매우 중요시한다 [1] 재료공학의 역할은 공학적으로는 어떤 분야에서 필요로 하는 무언가에 대해 소재적인 관점에서 솔루션을 제공하는 것이고[2], 자연과학적으로는 어떤 재료에서 나타나는 독특한 현상과 특징들, 그리고 그 원인들을 과학적으로 규명하는 것이다. 이런 특징 때문에 재료공학은 기초 공학과 기초 과학 모두에 부합하는 학문이라고 볼 수 있다.
과거에는 불가능했던 일들이 재료의 연구와 개발로 인해 가능해졌다. 예전에는 있는 재료 중에 골라 썼다면, 근래에는 개발해서 쓰는 차이가 있다. 따라서 어느 분야에 종사하든 재료의 대한 기본 지식과 응용 지식을 가져야 된다. 공업적 설계와 새로운 재료의 개발은 전체 계의 성능을 원활히 될 수 있도록 서로 연관되어 있다. 그리므로 재료를 그 사용 능력 한도 가까이에서 사용할 경우 설계와 재료 사용을 분리하여 생각해선 안 된다.
처음에 1953년 미국의 노스웨스턴 대학교에서 금속공학 전공 대학원을 설립한 것을 시작으로 하여 재료공학이라는 학문이 만들어지게 되었다. 현재 한국의 각 대학 신소재공학과(재료공학과) 교수들 및 현대제철, 포스코 등 철강 관련 대기업 연구소의 고위 연구원들의 상당수가 바로 노스웨스턴 대학교 금속공학과 대학원 출신이다. 단순한 금속뿐만 아니라 새로운 신소재 물질 개발에 대한 수요가 계속해서 있었기 때문에, 당시 노스웨스턴 대학교에서 이를 처음으로 시행하였고 인정받았다.
21세기에 뜨거운 감자로 부상한 나노공학이나 나노과학 역시 재료공학 분야로 연구하고 있다. 이렇게 넓은 범위에서 활동하다 보니 자연스럽게 기초 과학에 대한 연구가 깊게 진행되며, 특히 물리학과 화학의 경우는 재료공학의 핵심 중의 핵심이다. 특히 물질의 결정 구조와 상변태와 관련된 연구가 많으므로 고체물리, 열역학에 관해서 깊고 다양한 지식은 필수이며 나노구조물을 연구할 때에는 양자역학에 대한 많은 지식도 필요하다. 이후 위상부도체가 조명되면서 위상수학까지 파야 되는 경우도 생긴다. 따라서 대학교 졸업 후, 석사나 박사 과정을 하다보면, 어느 순간 자신이 재료공학과인지 다른 과인지 헷갈리는 경우도 제법 있다. 그만큼 기본 베이스(기초과학, 기초공학) 학문으로서, 재료공학과(신소재공학과)의 위치는 세계적으로 인정받는다고 볼 수 있다. 또한 물리학과, 화학과 출신의 재료공학과(신소재공학과) 교수들도 흔히 찾아볼 수 있다. 그만큼 재료공학과에서 기초 과학, 기초 공학을 우대한다는 것이다.
재료공학이 많이 활용되는 산업(취업과 연관)으로는 반도체(삼성전자, SK하이닉스), 태양전지, 자동차(현대자동차), 철강, 디스플레이, LED, 이차 전지 산업 등이 있다.
실제 취업 자료를 보면, 지역거점국립대학교(지거국) 위주로 삼성전자, SK하이닉스, 현대자동차에서 신소재공학과(재료공학과)를 많이 채용을 한다.
역사와 발전 단계[편집]
재료공학의 역사는 인간이 도구를 사용함과 동시에 시작된다. 자연재료를 그대로 가공하여 사용한 석기시대에 불의 발견과 함께 변화하게 된다. 그 이후 청동기시대, 철기시대에 청동이나 철 같은 금속들을 불을 사용하여 재료의 성질을 바꾸어 사용하기 시작하였다. 야금(冶金) 기술이 발달함에 따라 금속이 자연재료의 영역을 계속해서 잠식해 갔다. 20세기 중반 금속의 자리를 다른 재료, 즉 세라믹(ceramic), 고분자, 복합재료(複合材料) 등이 대체하기 시작하였다.
철, 동, 알루미늄 등의 기초 금속의 생산량은 국가의 경제력과 관련이 깊다. 금속재료는 하중(荷重) 아래에서 균열에 대한 저항이 크고, 전·연성이 우수하며 성형가공에 있어서 재현성이 좋으므로 기계나 구조물의 재료로 앞으로도 우선적으로 선택의 대상이 될 것이다. 또한 더 나은 화학 기술, 조성조절 기술 및 공정 기술에 의해 기존의 합금들은 개선될 것이다. 고온 강도와 내식성의 증가가 요구되는 항공기용 합금, 형상기억합금의 수요는 계속 증가할 것이며, 저렴한 가격으로 성형이 가능한 분말야금(粉末冶金)의 기술도 중요해질 것이다.
전통적 세라믹재료는 수요가 크므로 계속하여 개발, 연구가 진행되겠지만 앞으로의 공업재료로서 세라믹재료의 용도는 구조재료나 전자재료 쪽이 될 것이다. 세라믹재료는 강도는 우수하나 금속과는 대조적으로 하중 아래에서 균열 성장이 빠르고 전·연성이 좋지 않으며, 성형가공의 재현성이 좋지 않다. 그러나 산화물, 탄화물, 질화물을 첨가한 세라믹재료의 경우 양호한 강도, 경도, 내식성 등을 가짐으로 고온재료로서의 탁월성을 보인다. 그리고 일반적으로 금속에 비해 비중이 낮으므로 자동차 및 항공기 등에도 쓰일 것이다. 전자재료로서도 응용 가능성이 크며, 기술의 발전이 매우 빠르고 응용 분야가 다양하다.
석유화학(石油化學, petrochemistry)의 발달로 성장한 고분자 재료는 근래 성장이 주춤한 편이다. 공업용 플라스틱 개발에서 앞으로 중요한 것은 내열성과 약한 표면경도 등을 극복하는 것인데, 이를 위해 다른 고분자재료를 함께 혼합해서 새로운 합성플라스틱으로 만들어 내는 것이다. 구성 원자의 배열 방법과 종류를 조절하여 새로운 고분자재료를 만들 수 있으며, 이로 인해 기존의 재료를 대체할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
전자재료는 20세기 후반 폭발적 수요로 인해 점점 중요해지고 있는 재료이다. 특히 우리나라의 주력 분야로서 제조업을 비롯한 여러 산업 분야에서 자동화를 이루기 위한 컴퓨터와 로봇에 의한 자동제어의 비중이 커지고 있기 때문이다.
개개의 재료를 조합하여 복합재료를 만드는 것도 가능해졌다. 중합체(重合體) 소지에 유리섬유를 심은 복합체는 비교적 근래에 개발된 것이나 이미 흔한 재료가 되어 가고 있다. 유리섬유와 같은 양질의 복합체가 갖는 특성은 각각의 성분이 갖는 성질들 보다 매우 우수하므로 양질의 제품을 생산할 수 있다. 작은 지름의 유리섬유가 갖는 고강도 특성이 중합체 소지의 연성과 결합하여 구조용 재료에 요구되는 일반 하중을 지탱할 수 있는 능력을 갖는 강력한 재료를 만들 수 있다. 복합체의 개발이 가능해졌다.
재료공학의 연구분야[편집]
재료공학에서 다루는 재료는 재료 그 자체의 분류에 따라 금속재료, 무기재료(세라믹), 유기재료(고분자 재료) 및 복합재료(composite) 등으로 분류할 수 있다. 다만 이 분류는 실제로 연구하는 분야를 분류할 때에는 현재 잘 사용되지 않는다. 실제 설계와 적용에 있어서 한가지 종류의 소재만 쓰이는 경우는 드물기 때문이다. 그래서 재료를 사용하는 목적을 기준으로 구조재료, 전자재료, 에너지재료, 생체재료 등으로 나누는 편이다.
재료공학은 재료를 쓰는 분야라면 어느 분야든지 다 활용될 수 있어, 활동할 수 있는 분야가 광범위하게 넓으며, 매우 다양한 타 공학 분야와 연관될 수 있다.
특히 화학공학과 많이 유사하다. 개설되는 교과목 상에서 나타나는 차이점이 있다면 재료공학은 화학공학에 비해 유기재료보다는 무기재료와 관련된 수업이 많고, 재료에서 나타나는 물리적인 특성이나 현상을 조금 더 집중적으로 다루는 경향이 있다.
과거, 한국에서 재료공학이라 하면 금속, 세라믹 등 무기재료에 중점을 두는 학문으로 여겨졌지만 지금은 유기재료와 무기재료를 가리지 않고 다루는 학문으로 여겨지고 있다. 다만, 학문이 아닌 학과의 교과목 관점에서는 여전히 무기재료에 초점을 둔 커리큘럼으로 구성된 학교들도 있어서 재료공학과에서 유기재료를 공부하고 싶다면 해당 학교의 학과 홈페이지를 사전에 조사해 볼 필요가 있다.
기초과학[편집]
- 고체물리학 / 응집물질물리학: 재료공학(신소재공학)은 사실상 고체물리에 약간의 화학을 곁들인 기초 버전이라고 봐도 과언이 아니다.(굳이 %퍼센트로 비교하자면, 물리 70 %퍼센트 + 화학 30 %퍼센트 정도 이다.)
- 탄성론
- 소성론
- 결정학
- 양자역학
- 통계역학
- 물리화학
- 열역학(열역학은 물리, 화학 모두 관련이 있다. 열역학은 커리큘럼에서도 중요하게 다뤄지는 과목이다.): 상평형, 상전이, 상변태
- 반응속도론
- 고체화학
- 전기화학: 부식, 전기화학분석
- 유기화학
- 고분자화학
- 무기화학
- 전산재료과학(Computational Materials Science): 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션으로 재료의 물성을 규명하는 재료공학(신소재공학)의 한 갈래이다. 신소재공학(재료공학)에서 다루는 재료의 범위가 광범위하기 때문에 전산재료학에도 거리와 시간의 단위에 따라 다양한 시뮬레이션 방법이 존재한다. 원자 혹은 분자 단위의 계산으로는 재료를 구성하고 있는 원자들에 대한 슈뢰딩거 방정식을 밀도범함수 이론(Density functional theory, DFT)에 따라 간략화 시켜 푸는 제일원리 계산(First-principles calculations, 혹은 Ab-initio calculations), 원자들 간에 작용하는 힘을 계산하는 분자동역학(Molecular dynamics) 등이 있고, 보다 큰 단위의 재료를 계산하는 데 쓰이는 계산으로는 유한요소해석(Finite element method)등이 있다. 실제 재료 신소재를 컴퓨터로 완벽히 모사할 수 없기 때문에 이러한 계산에는 다양한 근사가 포함되는데, 더 큰 시스템에 대한 계산을 진행하거나 정밀도 높은 계산을 위해서는 더 좋은 컴퓨터가 필요하다. 이 때문에 실제 계산은 주로 클러스터 컴퓨터나 KISTI의 tachyon2 같은 슈퍼컴퓨터를 통해 진행된다. 대표적인 소프트웨어로는 VASP, SIESTA, quantum espresso, Gaussian, LAMMPS, NAMD, COMSOL, Abaqus 등이 있다.
재료의 성질[편집]
- 고분자재료
- 의생체재료
- 야금학(Metallurgy/Metallurgical Engineering ): 금속가공에 대한 학문이다. 사실 이 학문이 가장 오래된 재료과학 분야라고 할 수 있는데, 학문적 관심사 자체도 대장장이가 도검을 열처리하면서 강화하는 것이 어떻게 가능한 것인지를 규명하는 것에서 시작했다. 도검용 강재는 이 분야의 끝판왕이다. 금속공학과가 따로 있을 때 파던 과목. 물론 내용 자체는 현재의 재료공학과(신소재공학과)에서도 거의 동일하게 가르친다.
- 합금: 상당수의 재료공학과(신소재공학과)는 야금학(Metallurgical Engineering) 학과로부터 확장되어 생겨났다. 산업혁명 이후 가장 먼저 대단위로 연구된 재료가 바로 강철이기 때문이다. 21세기에도 강철, 티타늄, 알루미늄은 밥줄이자 기본 중의 기본이다.
- 세라믹스(Ceramics): 세라믹재료에 대한 학문이다.
- 전자세라믹(Electroceramic)
- 표면과학(Surface Science)
- 광학재료(Optical Materials)
- 메타물질(Metamaterial)
- 나노재료
- 스핀재료
- 전기재료
- 하이드로젤(hydrogel)
- 오가노젤(organogel)
- 에어로젤(aerogel)
- 제로젤(xerogel)
- 재료응고, 고체재료
- 단결정성장
- 응고열역학
- 응고계면과학
- 박막재료
재료의 사용 목적[편집]
- 구조재료(기계공학/건축공학/토목공학)
- 에너지재료(화학공학/전기공학/전자공학)
- 의생체재료(의공학/생명공학)
- 섬유재료(섬유공학)
- 전자기재료(전기공학/전자공학/기계공학)
- 원자력재료(원자력공학)
공정[편집]
- 유기재료공정
- 생체재료공정
- 고분자재료공정
- 무기재료공정
- 세라믹재료공정
- 금속재료공정
- 촉매
그외[편집]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
