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재료과학
재료과학(材料科學, materials science)은 금속, 유기 및 무기, 고분자, 전자, 바이오 등의 소재에 관하여 화학적, 물리적 속성을 연구하는 학문을 의미한다.
주로 고체 상태의 소재를 다루며 새로운 물성을 갖는 재료를 연구 및 개발하는 학문으로, 화학, 물리, 전기, 전자, 바이오 등의 학문을 융합한 과학 분야이다. 다루는 재료에 따라 금속, 세라믹, 유기 및 복합 재료과학 등으로 나뉘며, 응용 분야에 따라서는 구조, 전자, 에너지, 생체 재료화학 등으로 나뉜다. 연구 성과는 철강, 이차 전지, 신재생에너지, 디스플레이, 반도체 등의 산업과 관련한 소재를 개발하는 데에 활용된다. 재료의 물성 자체에 관한 연구뿐만 아니라, 활용 분야에 대한 연구가 필수 불가결하므로 자연과학적 시점에 한정 짓기보다 '재료공학'과 크게 구분짓지 않거나, '재료과학과 공학(Materials Science & Engineering)'으로 함께 취급하기도 한다.
목차
개요
재료과학은 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.
역사와 발전
재료과학은 인류 문명의 발전에 따라 특정 재료가 중심이 되는 시기를 나타내며, 이로 인해 시대의 특성을 정의하는 역할을 했다. 예를 들어, 석기 시대, 청동기 시대, 철기 시대, 강철 시대가 대표적이며, 이러한 구분은 역사적으로나 임의적으로 이루어졌지만, 각 시대의 기술적 성취와 생활 방식을 이해하는 중요한 기준이 된다. 재료과학의 기원은 세라믹 제조와 금속공학에서 비롯되었으며, 이는 응용과학과 공학의 가장 오래된 형태 중 하나로 간주된다.
현대 재료과학은 금속공학에서 직접적으로 발전했으며, 이는 인류가 불을 사용하는 기술을 활용하기 시작하면서 금속을 다루는 기술로 발전하게 되었다. 19세기 후반, 미국의 과학자 조사이어 윌라드 깁스(Josiah Willard Gibbs)가 물질의 다양한 상에서 원자 구조와 관련된 열역학적 성질이 물질의 물리적 특성과 관련이 있음을 밝혀내면서 재료 이해에 중요한 돌파구를 열었다. 이는 재료의 열역학적, 미시적 구조가 거시적 특성과 어떻게 연결되는지에 대한 새로운 이해를 가능하게 하였다.
- 현대 재료과학의 발전과 우주 개발의 기여
현대 재료과학의 중요한 요소들은 우주 경쟁 시기에서 비롯되었으며, 이 과정에서 금속 합금, 실리카 및 탄소 재료의 이해와 공학적 발전이 우주 탐사선을 만드는 데 핵심적 역할을 했다. 재료과학은 고무, 플라스틱, 반도체, 바이오 재료와 같은 혁신적 기술의 발전에 기여하며, 기술 혁신을 선도해왔다.
1960년대 이전(그리고 일부 대학에서는 그 이후에도), 많은 재료과학 학과는 금속공학이나 세라믹 공학과로 존재했으며, 이는 금속과 세라믹에 대한 19세기 및 20세기 초반의 중점을 반영한 것이었습니다. 미국에서 재료과학의 성장은 고등연구계획국(Advanced Research Projects Agency, ARPA)이 1960년대 초에 다양한 대학에 재료과학 기초 연구와 교육을 확대하기 위해 일련의 대학 연구소를 설립하고 자금을 지원하면서 촉진되었다.
- 재료과학의 다학문적 접근과 전산 모델링의 등장
재료과학은 기계공학과 비교했을 때, 거시적 수준에서 재료를 다루는 동시에 미시적 수준에서 재료의 행동을 이해하고 설계하는 접근에 중점을 두었다. 원자 및 분자 수준에서 일어나는 과정과 재료의 전체적 특성 간의 연관성에 대한 이해가 확대되면서, 특정 특성을 달성하기 위해 재료를 설계하는 개념이 자리 잡았다. 현재 재료과학은 세라믹, 금속, 폴리머를 포함한 거의 모든 재료를 다루며, 특히 최근 수십 년 동안은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 새로운 재료를 탐색하고 그 특성을 예측하며 현상을 이해하는 방식이 크게 활성화되었다.
- 재료과학의 주요 세부 분야
재료과학은 다양한 물질군을 연구 대상으로 포함하며, 일반적으로 세라믹, 금속, 폴리머의 세 가지 주요 그룹으로 분류된다. 이외에도 반도체, 자성 재료, 바이오 재료, 나노 재료 등이 있으며, 각각의 특성은 컴퓨터 모델링과 시뮬레이션을 통해 더욱 정밀하게 이해되고 응용된다.
연구에서의 재료과학
재료과학은 연구자들로부터 많은 관심을 받아왔다. 거의 대부분의 대학에서, 그리고 재료과학 연구에서 재료과학 부서와 더불어 물리와 화학분야 그리고 화학 공학에 이르기까지 많은 부서들이 연관되었다. 연구에서의 재료과학은 강렬하고 많은 방안들이 있다. 뒤에 나오는 목록은 철저하지 않다. 그것은 단지 특정한 중요 연구 분야를 강조하는 역할만을 한다.
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 조직화된다. 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.
바이오재료
바이오재료는 생물학적 시스템과 상호작용하는 모든 물질, 표면 또는 구조를 지칭한다. 이 분야는 의학, 생물학, 화학, 조직공학, 재료과학 요소를 포함하며, 자연에서 얻거나 실험실에서 합성할 수 있다. 바이오재료는 의료용으로 자주 사용되며, 예를 들어 심장 판막 같은 생체기능을 대체하거나 보조하는 장치로 사용된다. 또한, 약물이 장기간에 걸쳐 서서히 방출되도록 설계된 구조에 약물을 삽입하여 신체에 이식하는 식으로도 활용된다. 바이오재료는 자가이식(autograft), 동종이식(allograft), 이종이식(xenograft) 등 장기 이식 재료로도 사용될 수 있다.
전자, 광학, 자성 재료
반도체, 금속, 세라믹 등은 오늘날 복잡한 시스템을 구성하는 데 사용되며, 전자 회로, 광전자 장치, 자성 및 광학 저장 매체의 기초를 형성한다. 이러한 재료는 현대 컴퓨터 기술의 기반을 이루고 있어 연구가 매우 중요하다. 반도체는 전도체와 절연체 사이의 전기 전도성을 가지며, 도핑을 통해 원하는 전자적 특성을 얻을 수 있다.
이 분야는 초전도 재료, 스핀트로닉스, 메타물질과 같은 새로운 연구 영역을 포함하며, 고체 물리학이나 응집 물질 물리학의 지식이 필요하다.
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
- 〈재료과학〉, 《위키백과》
- 〈재료과학〉, 《두산백과》
- "Materials science", Wikipedia
같이 보기
