재료

재료(材料)는 물체를 구성하는 재질 즉 물질을 의미한다. 물이나 공기를 포함해서 돌, 나무 등은 모두 지구에서 흔한 재료다. 좁은 의미로는 생산이나 제조에 쓰이는 물리적인 원자재(원료)나 부품을 뜻하기도 한다. 예를 들어 유리는 컵을 구성하는 재료가 되고, 실리콘은 반도체 칩을 구성하는 재료가 된다.

화학

고대 사회에서는 나무나 돌 등을 이용하거나 금속을 물리적으로 제련하여 물건을 만들었으나, 현대에는 화학 기술의 발달로 보다 자유롭게 재료를 다룰 수 있게 되었다.

재료는 화학적 공정을 통해 합쳐지거나 분리될 수 있다. 예를 들어 원유는 증류 과정을 통해 휘발유 등의 정제된 기름과 아스팔트 찌꺼기 등으로 분리할 수 있다. 휘발유를 다시 분리하면 나프타를 얻을 수 있고 나프타를 다시 열분해하면 에틸렌과 프로필렌이 얻어진다. 에틸렌과 프로필렌은 작은 단위의 분자인데, 중합반응(polymerization)을 통해 이를 고분자로 합성하면 각각 폴리에틸렌과 폴리프로필렌, 즉 플라스틱이 얻어진다.

즉 원유는 나프타의 재료가 되고, 나프타는 에틸렌과 프로필렌의 재료가 되고, 에틸렌과 프로필렌은 플라스틱의 재료가 되는 셈이다. 원유를 재료로 해서 휘발유 등의 일차적인 소재를 분리하는 분야를 기초화학이라 하고, 기초화학에서 생성한 재료로 더 복잡한 재료를 만드는 분야를 정밀화학이라고 한다.

종류

• 건설재료: 철강, 모래, 자갈, 흙, 시멘트, 아스팔트 등
• 화학재료: 원유, 가스, 탄소, 수소, 산소 등

재료과학

재료과학(材料科學, materials science) 또는 신소재 과학(新素材科學)은 재료의 화학 · 물리적 속성을 다루는 학문이다. 재료과학은 다음의 5가지 재료들을 포함하고 각각의 연구로 구분된다.

• 금속 재료
• 무기 재료
• 고분자 재료
• 전자 재료 (전자재료는 기능에 따른 분류로써 주로 무기재료로 이루어져 있다.)
• 바이오 재료

재료과학의 산업상 응용 기술은 casting, rolling, welding, ion implantation, crystal growth, thin-film deposition, sintering, glassblowing 등이 있고, 분석적인 기술 electron microscopy, x-ray diffraction, calorimetry, nuclear microscopy (HEFIB) 등을 포함한다.

이 기술들은 미시적 요인에서부터 거시적 요인을 아우르고 있다. 재료과학에서는 원하는 성질(properties)을 얻기 위해 공정(processing), 미세 구조(structure)를 조절하게 되는데, 이들 3가지를 일컬어 재료의 미시적 이해라 하며 구조-공정-성질간의 깊은 연관관계에 의해 재료의 거시적 이해인 성능이 좌우된다. 즉, 각각 미시적 요인들이 최대가 되었을 때 그 재료는 최대의 성능이 발휘되는 것이다.

연구에서의 재료과학

나노재료

나노재료는 원칙적으로는 1~100nm사이의 10^-9m의 크기 안에 들어가는 길이 안에 속하는 물질에 해당한다. 나노 재료 연구는 나노 기술로 접근을 재료과학을 기초로 해서 하며 발전된 도량역학의 기술을 가져오며, 미세구조물 제작의 지원을 바탕으로한 합성을 가져온다. 나노 규모의 구조를 가지고 있는 물질은 보통 독특한 전자 혹은 기계적인 광학 성질을 가지고 있다. 나노 물질의 분야는 화학의 전통적인 분야같이 느슨하게 조직되어 있으며 나노 물질의 범위는 느슨하게 화학의 전통적인 분야 같은 fullerenes와 무기 나노 물질 다른에 따라 같은 유기(생각으론)는 나노 물질로 조직화됩니다. 실리콘과 같은 요소. 나노 물질의 예로는 fullerenes, 탄소 나노 튜브, 나노 결정체 등을 포함한다.

컴퓨터를 이용한 재료 과학 그리고 재료 이론

컴퓨터의 힘을 사용하는 일이 증가하며, 또 재료의 반응의 자극이 가능해졌다. 이것이 새로운 재료들을 설계해주었을 뿐만 아니라 이전에는 알려지지 못했던 재료과학의 특성을 발견하도록 해주었다. 여태까지, 새로운 재료들은 시간을 소모하고 오류정정과정을 통해서 발견되었다. 그러나 이제 컴퓨터적인 기술이 급진적으로 시간을 줄일 것으로 예측되며, 그리고 우리가 재료의 특성을 맞추는 것을 가능하게 해 줄 것으로 예측된다. 이것은 모든 길이의 규모로, 예를 들면 밀도함수이론, 분자동력학 같은 방식을 포함해서, 물질을 자극하는 것을 수반한다.

신소재

신소재(新素材)는 종래의 금속이나 플라스틱에 없는 뛰어난 특성을 가진 소재이다. ① 뉴세라믹스, 파인 세라믹스 ― 이미 전자재료나 기계부품의 일부로 사용되고 있으며 핵융합로, 자동차 엔진, 인공뼈 등에 대한 이용이 연구되고 있다. ② 기능성 고분자재료 ― 선택흡수, 도전성(導電性), 압전성(壓電性) 등의 특성을 갖추고 있는 고분자이다. 해수담수화 막(膜), 해수 중의 우라늄 분리, 생체재료 등에 쓰인다. ③ 복합재료 ― 플라스틱에 금속이나 유리섬유를 합쳐 강도, 전도성, 중량의 경감 등 각각 장점을 살려 항공기의 구조재 등 소재 개발이 진행되고 있다.

참고자료

• 〈재료〉, 《위키배고가》
• 〈재료과학〉, 《위키백과》

같이 보기

• 나노소재
• 신소재
• 소재
• 재료 (거래)

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