맨위로가기

재료과학

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

재료과학은 인류 문명 발달에 중요한 역할을 해왔으며, 도구 제작에 사용되는 재료의 발달을 기준으로 시대를 구분하기도 한다. 19세기 후반 열역학적 특성과 물리적 특성 간의 관계가 밝혀지면서 근대 재료과학이 시작되었고, 20세기 중반 우주 경쟁을 통해 첨단 재료 개발이 가속화되었다. 현재는 나노 기술, 바이오 기술 등과의 융합을 통해 새로운 기능과 특성을 가진 첨단 재료 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 재료는 금속, 세라믹, 고분자, 복합 재료로 분류되며, 각 재료는 고유한 특성을 가지고 다양한 산업 분야에서 활용된다. 재료과학은 재료의 구조, 제조 방법, 특성 간의 관계를 연구하며, 금속공학, 반도체, 세라믹스, 나노 기술, 바이오 재료 등 다양한 연구 분야를 포함한다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 재료과학 - 전자 이동도
    전자 이동도는 전기장 내에서 전자의 평균 이동 속도를 나타내는 물리량으로, 재료의 불순물 농도와 온도에 의존하며, 다양한 산란 메커니즘과 측정 방법을 통해 연구되고 반도체 소자 성능에 중요한 영향을 미친다.
  • 재료과학 - 이온 주입
    이온 주입은 원하는 원소를 이온화하여 고체 표면에 주입하는 기술로, 반도체 도핑, 금속 표면 처리 등 다양한 분야에 활용되며, 결정학적 손상, 스퍼터링, 안전 문제 등의 문제점을 야기한다.
  • 기술 및 응용과학에 관한 - 공병
    공병은 군사 작전을 지원하기 위해 다양한 건설 및 파괴 임무를 수행하며, 도로 및 교량 건설, 장애물 설치 및 제거, 지뢰 매설 및 제거, 도하 지원 등을 주요 임무로 하며, 전투 공병과 시설 공병으로 구분된다.
  • 기술 및 응용과학에 관한 - 비트코인
    비트코인은 사토시 나카모토가 개발한 최초의 탈중앙화 암호화폐로, 중앙 기관 없이 P2P 네트워크에서 블록체인에 기록되며 채굴을 통해 발행량이 2100만 개로 제한된 자산이다.
  • 화학에 관한 - 칼륨
    칼륨은 은백색의 무른 알칼리 금속으로 반응성이 매우 높고 생물학적으로 중요한 전해질이며, 비료 생산을 비롯한 다양한 산업 분야에서 활용되지만 물과의 격렬한 반응 및 폭발성 과산화물 생성 가능성으로 취급 시 주의가 필요하며, 자연계에 세 가지 동위원소로 존재한다.
  • 화학에 관한 - 파울리 배타 원리
    파울리 배타 원리는 1925년 볼프강 파울리가 제시한 양자역학 원리로, 동일한 페르미온은 동일한 양자 상태에 존재할 수 없으며, 원자의 전자 배치, 화학 결합, 천체 특성 등을 설명하는 데 중요한 역할을 한다.
재료과학
다이아몬드 정육팔면체
다이아몬드 정육팔면체
연구 분야
주요 연구 분야재료, 재료의 특성 및 응용 연구
재료의 구조, 조성, 가공 및 성질 간의 관계 규명
신소재 개발 및 기존 재료의 개선
학문 분야
관련 학문물리학
화학
공학
주요 개념
주요 개념결정 구조
미세 구조
상변태
열역학
운동론
기계적 성질
전기적 성질
광학적 성질
자기적 성질
파생 분야
파생 학문 분야금속공학
세라믹 공학
고분자 공학
반도체 공학
복합 재료 공학
나노 기술
명칭
영어Materials science
일본어材料工学
한국어재료 과학
다른 이름신소재 과학

2. 역사

재료 과학의 역사는 인류가 도구를 사용하면서 시작되었으며, 인류 발달 과정에 지대한 영향을 끼쳤다. 재료의 발달 과정은 고대 인류 문명을 나누는 기준으로도 사용되고 있다. 문명의 발달 정도가 당 시대 사람들이 사용하던 도구를 이루고 있는 재료를 통해 가늠될 수 있기 때문이다.


  • 석기 시대:
  • 구석기 시대 (석기 시대 초기, 12,000년 전 플라이스토세 말기): 단단하고 깨면 날카로워지는 돌의 성질을 이용해 만든 뗀석기를 사용하던 시기이다.
  • 신석기 시대 (기원전 9500~9000년경 시작): 돌을 갈면 매끄럽고 원하는 모양을 만들 수 있다는 돌의 성질을 이용해 간석기를 만들던 시기이다.
  • 청동기 시대 (기원전 3500년경 시작): 구리와 주석을 비율에 맞춰 섞으면 단단해지는 재료의 성질을 이용해 청동이라는 하이브리드 재료를 사용하던 시기이다.
  • 철기 시대 (기원전 1200년경 ~ 586년경): 기원전 13세기경 산소에 산화된 산화철을 환원시켜 사용할 수 있게 되어 인류가 철을 사용하게 된 시기이다.


현 시대 역시 재료를 보는 관점에 따라 신-철기 시대, 신-석기 시대, 실리콘 시대, 플라스틱 시대 등으로 구분할 수 있다.

현대 재료 과학은 야금술에서 직접적으로 발전했다. 19세기 후반, 미국 과학자 조시아 윌러드 깁스는 다양한 상에서 원자 구조와 관련된 열역학적 특성이 재료의 물리적 특성과 관련이 있다는 것을 입증했다.[4] 우주 경쟁은 현대 재료 과학의 중요한 요소였다. 우주선 건설에 사용되는 금속 합금, 실리카 및 탄소 재료에 대한 이해와 공학은 우주 탐험을 가능하게 했다. 재료 과학은 고무, 플라스틱, 반도체, 생체 재료와 같은 혁신적인 기술의 개발을 주도했고, 그 개발에 의해 주도되기도 했다.

최근 수십 년 동안 재료 과학에서 두드러진 변화는 새로운 재료를 찾고, 특성을 예측하며, 현상을 이해하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 적극적으로 사용하는 것이다. 재료 과학 분야는 세라믹, 고분자, 반도체, 자성 재료, 생체 재료, 나노 재료를 포함한 모든 종류의 재료를 포함하도록 확장되었으며, 일반적으로 세라믹, 금속 및 고분자의 세 가지 별개의 그룹으로 분류된다.

2. 1. 한국의 재료 과학

요약에 해당하는 내용이 원본 소스에 없으므로, 섹션 제목에 맞춰 원본 소스에서 관련 내용을 찾아 작성합니다.

청동기 시대 후기의 검 또는 단검 날


특정 시대의 주요 재료는 종종 그 시대를 정의하는 기준이 된다. 구석기 시대, 청동기 시대, 철기 시대, 철강 시대와 같은 시대 구분은 임의적이지만 역사적으로 의미가 있다. 원래 세라믹 제조 및 그 파생물인 야금술에서 유래한 재료 과학은 가장 오래된 공학 및 응용 과학 분야 중 하나이다.[3] 현대 재료 과학은 불의 사용에서 진화한 야금술에서 직접적으로 발전했다. 재료에 대한 이해에 있어서 중요한 발전은 19세기 후반에 미국 과학자 조시아 윌러드 깁스가 다양한 상에서 원자 구조와 관련된 열역학적 특성이 재료의 물리적 특성과 관련이 있다는 것을 입증했을 때 일어났다.[4]

1960년대 이전 (그리고 어떤 경우에는 그 후 수십 년 동안) 많은 재료 과학 학과들은 금속과 세라믹에 대한 19세기와 20세기 초의 강조를 반영하여 '야금술' 또는 '세라믹 공학' 학과였다. 미국의 재료 과학 발전은 1960년대 초에 대학 주최 실험실들을 설립하여 "''재료 과학 분야의 기초 연구 및 교육을 위한 국가 프로그램을 확장하기 위해''" 자금을 지원한 고등연구계획국에 의해 촉진되었다.[5]

3. 재료의 분류

재료는 크게 금속, 세라믹, 고분자, 복합재료의 네 가지로 분류할 수 있다. 각 재료는 고유한 특성을 가지며, 다양한 산업 분야에서 활용된다.

종류설명활용 분야
금속 재료높은 강도, 연성, 전성, 열 및 전기 전도성을 가짐. 철강, 알루미늄, 구리, 타이타늄 등자동차, 조선, 건설, 항공우주 등
세라믹 재료금속/비금속 원소 화합물. 높은 경도, 내열성, 내식성. 도자기, 유리, 시멘트, 파인 세라믹스, 뉴 세라믹스 등전자, 기계, 항공우주 등
고분자 재료선택 흡수, 도전성, 압전성 등의 특성을 갖는 기능성 고분자해수 담수화 막, 해수 중 우라늄 분리, 생체 재료 등
복합 재료플라스틱에 금속/유리섬유를 합쳐 강도, 전도성, 경량화.항공기 구조재 등


3. 1. 금속 재료

금속 재료는 높은 강도, 연성, 전성, 열 및 전기 전도성을 가지는 재료이다. 철강, 알루미늄, 구리, 타이타늄 등 다양한 종류의 금속 합금이 개발되어 사용되고 있다. 금속 재료는 자동차, 조선, 건설, 항공우주 등 다양한 산업 분야에서 핵심적인 역할을 수행한다.

3. 2. 세라믹 재료

세라믹 재료는 일반적으로 금속 원소와 비금속 원소의 화합물로, 높은 경도, 내열성, 내식성을 갖는다. 전통적인 세라믹 재료로는 도자기, 유리, 시멘트 등이 있으며, 현대에는 파인 세라믹스, 뉴 세라믹스 등 고성능 세라믹 재료가 개발되어 전자, 기계, 항공우주 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 재료의 미세구조는 강도, 인성, 연성, 경도, 내식성, 고온/저온 거동, 내마모성 등과 같은 물리적 특성에 큰 영향을 미칠 수 있다.[18]

3. 3. 고분자 재료

기능성 고분자 재료는 선택 흡수, 도전성(導電性), 압전성(壓電性) 등의 특성을 갖는 고분자이다. 해수 담수화 막, 해수 중의 우라늄 분리, 생체 재료 등에 쓰인다.[1]

3. 4. 복합 재료

복합재료는 플라스틱에 금속이나 유리섬유를 합쳐 강도, 전도성, 중량 경감 등 각 재료의 장점을 살린 재료이다. 항공기의 구조재 등에 사용하기 위한 소재 개발이 진행되고 있다.[1]

4. 재료 과학의 기초

사면체 형태로 나타낸 재료 패러다임


재료는 특정 용도로 사용하기 위한 물질(대부분 고체이지만, 다른 응축상도 포함될 수 있음)로 정의된다.[7] 우리 주변에는 수많은 재료가 있으며, 이는 다양한 곳에서 발견된다.[8] 개발 중인 새롭고 고급 재료에는 나노재료, 생체재료,[9] 그리고 에너지 재료 등이 있다.[10]

재료 과학의 기초는 재료의 구조, 재료를 제조하는 방법, 그리고 그 결과로 얻어지는 재료 특성 간의 상호 작용을 연구하는 것이다. 이러한 복잡한 조합은 특정 응용 분야에서 재료의 성능을 결정한다. 구성 화학 원소, 미세구조, 그리고 공정으로부터 나오는 거시적 특징에 이르기까지 많은 길이 눈금에 걸쳐 많은 특징들이 재료 성능에 영향을 미친다. 열역학 및 반응속도론 법칙과 함께 재료 과학자들은 재료를 이해하고 개선하기 위해 노력한다.

재료의 가공(제조)은 원하는 미세 나노 구조를 갖는 재료를 만드는 과정을 포함한다. 경제적으로 실행 가능한 생산 방법이 개발되지 않은 재료는 산업에서 사용될 수 없다. 따라서 합리적이고 효과적이며 비용 효율적인 재료 가공 방법을 개발하는 것은 재료 과학 분야에 매우 중요하다. 서로 다른 재료에는 서로 다른 가공 또는 합성 방법이 필요하다. 예를 들어, 금속의 가공은 역사적으로 청동기 시대와 철기 시대와 같은 시대를 정의했으며, 재료 과학의 한 분야인 물리 야금학에서 연구된다. 화학적 및 물리적 방법은 고분자, 세라믹, 반도체, 박막과 같은 다른 재료를 합성하는 데에도 사용된다. 21세기 초 현재, 그래핀과 같은 나노 재료를 합성하기 위한 새로운 방법이 개발되고 있다.

4. 1. 재료의 구조

재료의 구조는 재료 과학 분야에서 매우 중요한 요소이다. 재료 과학은 "재료의 구조와 특성 사이에 존재하는 관계"를 연구하는 분야이다.[11] 재료 과학에서는 원자 규모부터 거시 규모까지 재료의 구조를 조사한다.[3]

X선, 전자, 중성자를 이용한 회절과 라만 분광법, 에너지 분산형 분광법, 크로마토그래피, 열 분석, 전자 현미경 분석 등 다양한 형태의 분광법과 화학 분석 방법으로 재료의 구조를 분석한다.

4. 2. 재료의 특성

재료는 특정한 용도로 사용하기 위한 물질(대부분 고체이지만, 다른 응축상도 포함될 수 있음)로 정의된다.[7] 우리 주변에는 수많은 재료가 있으며, 이는 다양한 곳에서 발견된다.[8]

재료 과학의 기초는 재료의 구조, 재료를 제조하는 방법, 그리고 그 결과로 얻어지는 재료 특성 간의 상호 작용을 연구하는 것이다. 이러한 복잡한 조합은 특정 응용 분야에서 재료의 성능을 결정한다. 구성 화학 원소, 미세구조, 그리고 공정으로부터 나오는 거시적 특징에 이르기까지 많은 길이 눈금에 걸쳐 많은 특징들이 재료 성능에 영향을 미친다. 열역학 및 반응속도론 법칙과 함께 재료 과학자들은 재료를 이해하고 개선하기 위해 노력한다.

구조는 재료 과학 분야에서 가장 중요한 구성 요소 중 하나이다. 이 분야의 정의 자체는 "재료의 구조와 특성 사이에 존재하는 관계"에 대한 조사를 다룬다고 명시하고 있다.[11] 재료 과학은 원자 규모부터 거시 규모까지 재료의 구조를 조사한다.[3] 특성 분석은 재료 과학자들이 재료의 구조를 조사하는 방법이다. 여기에는 X선, 전자, 또는 중성자를 이용한 회절과 라만 분광법, 에너지 분산형 분광법, 크로마토그래피, 열 분석, 전자 현미경 분석 등과 같은 다양한 형태의 분광법과 화학 분석 방법이 포함된다.

4. 3. 재료의 제조

재료의 제조는 원하는 미세 나노 구조를 갖는 재료를 만드는 과정을 포함한다. 경제적으로 실행 가능한 생산 방법이 개발되지 않은 재료는 산업에서 사용될 수 없다. 따라서 합리적이고 효과적이며 비용 효율적인 재료 가공 방법을 개발하는 것은 재료 과학 분야에 매우 중요하다.[7] 서로 다른 재료에는 서로 다른 가공 또는 합성 방법이 필요하다. 예를 들어, 금속의 가공은 역사적으로 청동기 시대와 철기 시대와 같은 시대를 정의했으며, 재료 과학의 한 분야인 물리 야금학에서 연구된다. 화학적 및 물리적 방법은 고분자, 세라믹, 반도체, 박막과 같은 다른 재료를 합성하는 데에도 사용된다. 21세기 초 현재, 그래핀과 같은 나노 재료를 합성하기 위한 새로운 방법이 개발되고 있다.

5. 재료 과학의 연구 분야

재료과학은 많은 연구자들의 관심을 받아온 분야이다. 대부분의 대학과 연구 기관에서는 물리, 화학, 화학 공학 등 다양한 분야와 연계하여 재료과학을 연구한다. 재료과학 연구는 매우 활발하며 다양한 방식으로 진행되고 있다.

재료 과학의 주요 연구 분야는 다음과 같이 크게 네 가지로 분류할 수 있다.


  • 세라믹 공학
  • 야금학
  • 고분자 과학 및 고분자 공학
  • 복합재료 공학


이 외에도 재료와 관계없이 폭넓게 적용되는 분야는 다음과 같다.

  • 재료 특성 분석 (분광법, 현미경법, 회절)
  • 계산 재료 과학
  • 재료 정보학 및 선택


특정 현상 및 기술에 중점을 둔 분야는 다음과 같다.

5. 1. 나노 재료

탄소나노튜브 다발의 주사전자현미경 이미지


나노재료는 원칙적으로 1~100 나노미터(nm) 크기, 즉 10-9m의 길이 범위 안에 들어가는 물질을 의미한다. 나노 재료 연구는 나노기술에 대한 재료 과학적 접근 방식을 취하며, 미세가공 연구를 지원하기 위해 개발된 재료 계측 및 합성의 발전을 활용한다. 나노 규모의 구조를 가진 재료는 종종 독특한 광학적, 전기적, 또는 기계적 특성을 가진다.

나노물질 분야는 풀러렌과 같은 유기(탄소 기반) 나노물질과 실리콘과 같은 다른 원소를 기반으로 하는 무기 나노물질로 구성되어 있다. 나노물질의 예로는 풀러렌, 탄소나노튜브, 나노결정 등이 있다.[22]

5. 2. 바이오 재료



나노물질은 원칙적으로 단일 단위의 크기가 (적어도 하나의 차원에서) 1~1000나노미터(10−9 미터)인 물질을 의미하지만, 일반적으로 1 nm~100 nm이다. 나노물질 연구는 나노기술에 대한 재료 과학적 접근 방식을 취하며, 미세가공 연구를 지원하기 위해 개발된 재료 계측 및 합성의 발전을 활용한다. 나노 스케일의 구조를 가진 재료는 종종 독특한 광학적, 전기적 또는 기계적 특성을 갖는다. 나노물질 분야는 전통적인 화학 분야와 마찬가지로 풀러렌과 같은 유기(탄소 기반) 나노물질과 실리콘과 같은 다른 원소를 기반으로 하는 무기 나노물질로 느슨하게 구성되어 있다. 나노물질의 예로는 풀러렌, 탄소나노튜브, 나노결정 등이 있다.

음의 굴절률 메타물질
[23][24]

반도체, 금속, 세라믹은 오늘날 집적회로, 광전자 소자, 자기 및 광학 대용량 저장 매체와 같은 매우 복잡한 시스템을 형성하는 데 사용된다. 이러한 재료는 현대 컴퓨팅 세계의 기반을 형성하며, 따라서 이러한 재료에 대한 연구는 매우 중요하다.

반도체는 이러한 유형의 재료의 전통적인 예이다. 반도체는 도체와 절연체의 중간 특성을 가진 재료이다. 그 전기 전도도는 불순물 농도에 매우 민감하여, 도핑을 사용하여 원하는 전자적 특성을 얻을 수 있다. 따라서 반도체는 기존 컴퓨터의 기반을 형성한다.

이 분야에는 초전도체 재료, 스핀트로닉스, 메타물질 등과 같은 새로운 연구 분야도 포함된다. 이러한 재료의 연구에는 재료 과학과 고체 물리학 또는 응축 물질 물리학에 대한 지식이 필요하다.

5. 3. 전자, 광, 자기 재료

전자, 광, 자기 재료는 전기적, 광학적, 자기적 특성을 이용하여 정보 처리, 저장, 통신 등에 활용되는 재료이다. 반도체, 광섬유, 자성 재료 등이 대표적인 예이며, 컴퓨터, 스마트폰, 디스플레이 등 현대 전자 기기의 핵심 소재로 사용된다.

나노물질은 단일 단위의 크기가 (적어도 하나의 차원에서) 1~1000나노미터(10−9 미터)인 물질을 의미하지만, 일반적으로 1 nm~100 nm이다. 나노물질 연구는 나노기술에 대한 재료 과학적 접근 방식을 취하며, 미세가공 연구를 지원하기 위해 개발된 재료 계측 및 합성의 발전을 활용한다. 나노 스케일의 구조를 가진 재료는 종종 독특한 광학적, 전기적 또는 기계적 특성을 갖는다. 나노물질 분야는 풀러렌과 같은 유기(탄소 기반) 나노물질과 실리콘과 같은 다른 원소를 기반으로 하는 무기 나노물질로 구성되어 있다. 나노물질의 예로는 풀러렌, 탄소나노튜브, 나노결정 등이 있다.[25]

5. 4. 전산 재료 과학

전산 재료 과학은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 재료의 구조, 특성, 제조 과정을 예측하고 설계하는 분야이다. 이를 통해 이전에는 알지 못했던 재료 과학의 특성을 발견하고, 새로운 재료 개발에 필요한 시간을 획기적으로 단축할 수 있게 되었다. 과거에는 새로운 재료를 발견하기 위해 시간 소모적인 오류 수정 과정을 거쳐야 했지만, 이제는 컴퓨터 기술을 이용하여 재료의 특성을 맞춤형으로 설계하는 것이 가능해졌다. 이러한 시뮬레이션에는 밀도함수이론, 분자동력학 등 다양한 방법이 사용된다.[26]

6. 재료 과학 관련 기술

재료 과학은 다양한 기술과 응용 분야를 포괄한다.

복합재료는 둘 이상의 재료를 결합하여 만든다. 우주왕복선에 사용되는 단열 타일은 1510°C의 고온을 견딜 수 있도록 설계되었다.[29] 강화 탄소-탄소(RCC)는 우주왕복선의 날개와 노즈캡을 보호한다. 텔레비전이나 휴대전화 케이스도 복합재료로 만들어지는데, 열가소성 수지에 탄산칼슘, 활석, 유리섬유, 탄소섬유 등을 섞어 강도와 정전기 방지 기능을 높인다.

최근에는 기존 재료의 한계를 뛰어넘는 신소재 개발이 활발하다.

신흥 기술현황잠재적 응용 분야관련 문서
에어로젤가설 단계, 실험, 확산, 초기 사용[36]단열재, 투명 단열 유리, 석유 파이프라인, 항공우주, 고온 및 극저온 환경
비정질 금속실험 단계방탄복
전도성 고분자연구, 실험, 시제품 단계더 가볍고 저렴한 전선, 정전기 방지 재료, 유기 태양 전지
펨토기술, 피코기술가설 단계신소재; 핵무기, 원자력
풀러렌실험, 확산 단계프로그래머블 매터
그래핀가설 단계, 실험, 확산, 초기 사용[37][38]고강도 경량 부품, 고주파 트랜지스터, 저가형 디스플레이, 연료 전지, 여과 시스템, 고성능 배터리, 질병 진단 센서[39]그래핀의 잠재적 응용 분야
고온 초전도체휴대폰 기지국용 극저온 필터 시스템; 드라이아이스 시제품; 고온 연구[40]무손실 도체, 자기 부상, 고용량 축전지, 전기 자동차, 무열 집적 회로
리트라콘실험 단계, 유럽 게이트 건설에 사용마천루, 탑, 조각 건설
메타물질가설 단계, 실험, 확산[41]현미경, 카메라, 메타물질 스텔스
금속 발포체연구, 상용화 단계우주 식민지화, 부유 도시
다기능 구조체[42]가설 단계, 실험, 일부 시제품, 소수 상용화자가 건강 모니터링, 자가 치유 재료, 모핑
나노물질: 탄소 나노튜브가설 단계, 실험, 확산, 초기 사용[43][44]더 강하고 가벼운 재료, 우주 엘리베이터탄소 나노튜브의 잠재적 응용 분야, 탄소 섬유
프로그래머블 매터가설 단계, 실험[45][46]클레이트로닉스, 합성생물학
양자점연구, 실험, 시제품 단계[47]양자점 레이저, 미래 디스플레이, 광통신, 의학
실리센가설 단계, 연구 단계전계 효과 트랜지스터


6. 1. 재료 분석 기술

Si3N4 세라믹 베어링 부품


세라믹과 유리는 산업적으로 중요한 재료로, 재료 과학에서 주요 연구 대상이다. 이들은 주로 이산화규소(SiO2)를 기본으로 하는 공유 결합 또는 이온-공유 결합을 가진다. 세라믹은 결정질 형태를 가지며, 상업용 유리는 금속 산화물과 실리카를 융합하여 만든다. 고온에서 점성 액체 상태였다가 냉각되면서 무질서한 상태로 굳어진다. 창유리, 안경, 유리 섬유 등이 대표적인 예이며, 코닝의 고릴라 글래스는 재료 과학을 응용하여 긁힘에 강한 특성을 가진다.

엔지니어링 세라믹은 고온, 압축, 전기적 응력 하에서 강성과 안정성을 가진다. 알루미나, 탄화규소, 탄화텅스텐 등이 소결 과정을 통해 만들어지며, 열간 프레스를 통해 밀도를 높인다. 화학 기상 증착으로 세라믹 필름을 만들기도 한다. 세라멧은 금속을 함유한 세라믹 입자로, 공구의 내마모성을 위해 사용된다. 균열 편향 원리를 이용하면 세라믹의 강도를 크게 향상시킬 수 있다.[27]

훨씬 더 큰 사람 머리카락 위에 놓인 6 μm 직경의 탄소 필라멘트(왼쪽 아래에서 오른쪽 위로 이어짐)


복합재료는 두 가지 이상의 거시적 상으로 구성된 구조 재료이다. 우주왕복선 열 차폐 시스템에 사용되는 단열 타일이 대표적인 예이다. 강화 탄소-탄소(RCC)는 1510°C의 재진입 온도를 견디며, 우주왕복선의 날개 앞전과 노즈캡을 보호한다.[29] 텔레비전, 휴대전화 등의 플라스틱 케이스도 복합재료로 만들어지는데, 열가소성 매트릭스에 탄산칼슘, 활석, 유리섬유, 탄소섬유 등을 첨가하여 강도, 부피, 정전기 분산 등의 특성을 조절한다.

6. 2. 신흥 기술



신소재는 기존의 금속이나 플라스틱에는 없는 뛰어난 특성을 가진 소재를 말한다.

신흥 기술현황잠재적으로 도태될 기술잠재적 응용 분야관련 문서
에어로젤가설 단계, 실험, 확산, 초기 사용[36]기존 단열재, 유리향상된 단열재, 투명 에어로젤을 이용한 단열 유리, 석유 파이프라인용 슬리브, 항공우주, 고온 및 극저온 응용 분야
비정질 금속실험 단계케블라방탄복
전도성 고분자연구, 실험, 시제품 단계도체더 가볍고 저렴한 전선, 정전기 방지 재료, 유기 태양 전지
펨토기술, 피코기술가설 단계현재의 핵기술신소재; 핵무기, 원자력
풀러렌실험, 확산 단계합성 다이아몬드 및 탄소 나노튜브 (버키페이퍼)프로그래머블 매터
그래핀가설 단계, 실험, 확산, 초기 사용[37][38]실리콘 기반 집적 회로더 높은 강도 대비 무게 비율을 가진 부품, 더 높은 주파수로 작동하는 트랜지스터, 모바일 기기 디스플레이 화면의 저렴한 비용, 연료 전지 자동차용 수소 저장, 여과 시스템, 더 오래 지속되고 더 빠르게 충전되는 배터리, 질병 진단 센서[39]그래핀의 잠재적 응용 분야
고온 초전도체휴대폰 기지국용 극저온 수신기 프런트 엔드(CRFE) RF 및 마이크로파 필터 시스템; 드라이아이스에서의 시제품; 더 높은 온도에 대한 가설 및 실험[40]구리선, 반도체 집적 회로손실 없는 도체, 마찰 없는 베어링, 자기 부상, 손실 없는 고용량 축전지, 전기 자동차, 무열 집적 회로 및 프로세서
리트라콘실험 단계, 유럽 게이트 건설에 이미 사용됨유리유럽 게이트와 같은 마천루, 탑 및 조각 건설
메타물질가설 단계, 실험, 확산[41]고전적인 광학현미경, 카메라, 메타물질 스텔스, 스텔스 장치
금속 발포체연구, 상용화 단계선체우주 식민지화, 부유 도시
다기능 구조체[42]가설 단계, 실험, 일부 시제품, 소수 상용화복합재료광범위한 응용 분야, 예: 자가 건강 모니터링, 자가 치유 재료, 모핑
나노물질: 탄소 나노튜브가설 단계, 실험, 확산, 초기 사용[43][44]구조용 강철 및 알루미늄더 강하고 가벼운 재료, 우주 엘리베이터탄소 나노튜브의 잠재적 응용 분야, 탄소 섬유
프로그래머블 매터가설 단계, 실험[45][46]코팅, 촉매광범위한 응용 분야, 예: 클레이트로닉스, 합성생물학
양자점연구, 실험, 시제품 단계[47]액정 디스플레이, 발광 다이오드양자점 레이저, 미래 디스플레이 기술(TV, 프로젝션)에서 프로그래머블 매터로의 사용, 광학 데이터 통신(고속 데이터 전송), 의학(레이저 메스)
실리센가설 단계, 연구 단계전계 효과 트랜지스터


7. 재료 과학 관련 분야

강철 합금으로 만든 와이어 로프


철의 합금(강철, 스테인리스강, 주철, 공구강, 합금강)은 현재 수량과 상업적 가치 모두에서 금속의 가장 큰 비중을 차지한다. 다양한 비율의 탄소와 합금된 철은 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강을 만든다. 철-탄소 합금은 중량 기준으로 탄소 함량이 0.01%~2.00%인 경우에만 강철로 간주된다. 강철의 경도와 인장 강도는 탄소의 양과 관련이 있으며, 탄소 함량이 증가함에 따라 연성과 인성이 낮아진다. 그러나 담금질과 템퍼링 같은 열처리 공정은 이러한 특성을 크게 변화시킬 수 있다. 주철은 2.00% 초과, 6.67% 미만의 탄소를 함유한 철-탄소 합금이다. 스테인리스강은 중량 기준으로 10% 이상의 크로뮴 합금 함량을 가진 일반 강철 합금이며, 니켈과 몰리브데넘도 일반적으로 첨가된다. 특정 금속 합금은 온도 범위에 걸쳐 크기와 밀도가 변하지 않는 독특한 특성을 나타낸다.[32]

알루미늄, 타이타늄, 구리, 마그네슘 합금도 중요한 금속 합금이다. 구리 합금은 청동기 시대부터 오랫동안 알려져 왔지만, 다른 세 가지 금속의 합금은 비교적 최근에 개발되었다. 이러한 금속의 화학적 반응성 때문에 전해 추출 공정은 비교적 최근에 개발되었다. 알루미늄 합금, 타이타늄 합금, 마그네슘 합금은 높은 강도 대 중량비와 마그네슘의 경우 전자기 차폐 기능으로 인해 높이 평가된다.[33] 이러한 재료는 항공 우주 산업 및 특정 자동차 공학 응용 분야와 같이 강도 대 중량비가 대량 비용보다 더 중요한 상황에 이상적이다.

7. 1. 학제간 연구

재료과학은 물리, 화학, 화학 공학 등 여러 학문 분야와 깊이 연관되어 있으며, 많은 대학에서 재료과학 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 특히 다음과 같은 분야들이 재료과학과 밀접하게 관련되어 있다.

7. 2. 관련 학회 (한국)


  • 미국 세라믹 학회 (American Ceramic Society)
  • ASM 인터내셔널 (ASM International)
  • 철강 기술 협회 (Association for Iron and Steel Technology)
  • 재료 연구 학회 (Materials Research Society)
  • 미네랄·금속·재료 학회 (The Minerals, Metals & Materials Society)
  • 응용물리학회
  • 경금속학회
  • 일본금속학회
  • 일본재료과학회
  • 일본재료학회
  • 일본세라믹스협회
  • 일본MRS

참조

[1] 서적 The Language of Mineralogy: John Walker, Chemistry and the Edinburgh Medical School 1750–1800 https://www.academia[...] Ashgate Publishing 2008
[2] 서적 A Search for Structure MIT Press 1981
[3] 서적 Polymer Fillers and Stiffening Agents: Applications and Non-traditional Alternatives Walter de Gruyter GmbH & Co KG
[4] 서적 Iterative Design of Teaching-Learning Sequences: Introducing the Science of Materials in European Schools Springer
[5] 논문 What's in a Name Change? Solid State Physics, Condensed Matter Physics, and Materials Science http://dro.dur.ac.uk[...] 2015
[6] 서적 A History of Technoscience: Erasing the Boundaries between Science and Technology Routledge
[7] 웹사이트 For Authors: Nature Materials http://www.nature.co[...]
[8] 서적 Materials Science and Engineering – An Introduction John Wiley and Sons
[9] 서적 Materials Science and Engineering – An Introduction John Wiley and Sons
[10] 논문 Challenges for Rechargeable Li Batteries http://dx.doi.org/10[...] 2009-08-28
[11] 서적 Ion Exchange Materials: Properties and Applications Elsevier
[12] 논문 Energetics and Crystal Chemical Systematics among Ilmenite, Lithium Niobate, and Perovskite Structures 1998
[13] 서적 Materials Science and Engineering – An Introduction John Wiley and Sons
[14] 서적 Materials Science and Engineering – An Introduction John Wiley and Sons
[15] 서적 Materials Science and Engineering – An Introduction John Wiley and Sons
[16] 논문 Are Crystal Structures Predictable? http://dx.doi.org/10[...] 1994-10-01
[17] 논문 Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity http://scitation.aip[...] 2007
[18] 논문 The effect of microstructure on the mechanical properties of two-phase titanium alloys http://dx.doi.org/10[...] 2003
[19] 간행물 Crystal Structure Defects and Imperfections http://dx.doi.org/10[...] ASM International 2023-10-29
[20] 논문 Computational thermodynamics and its applications 2020
[21] 서적 Diffusion in Nanoporous Materials http://dx.doi.org/10[...] Wiley 2012-04-25
[22] 간행물 Role of Biomaterials in Surgery https://www.scienced[...] Academic Press 2019-01-01
[23] 논문 Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial http://people.ee.duk[...] 2001
[24] 논문 Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity 2000
[25] 논문 Recent advances and applications of machine learning in solid-state materials science 2019-08-08
[26] 서적 Materials Science and Engineering an Introduction John Wiley and Sons
[27] 논문 Crack deflection processes—I. Theory https://dx.doi.org/1[...] 1983-04-01
[28] 논문 Crack deflection processes—II. Experiment https://dx.doi.org/1[...] 1983-04-01
[29] 서적 MILCOM 2005 – 2005 IEEE Military Communications Conference IEEE
[30] 웹사이트 Explainer: What are polymers? https://www.snexplor[...] 2017-10-13
[31] 논문 Migrability of PVC plasticizers from medical devices into a simulant of infused solutions https://www.scienced[...] 2015-05-15
[32] 논문 A thermodynamic explanation of the Invar effect https://www.nature.c[...] 2023-07-27
[33] 논문 Microstructure, electromagnetic shielding effectiveness and mechanical properties of Mg–Zn–Y–Zr alloys http://dx.doi.org/10[...] 2015
[34] 웹사이트 Semiconductor Market Size, Share & COVID-19 Impact Analysis, By Component (Memory Devices, Logic Devices, Analog IC, MPU, Discrete Power Devices, MCU, Sensors, and Others), By Application (Networking & Communications, Data Processing, Industrial, Consumer Electronics, Automotive, and Government), and Regional Forecast, 2022–2029 https://www.fortuneb[...] 2023-07-16
[35] 웹사이트 Semiconductor Industry Careers https://www.aip.org/[...] 2013-09-06
[36] 뉴스 Sto AG, Cabot Create Aerogel Insulation http://www.construct[...] Construction Digital 2011-11-15
[37] 뉴스 Is graphene a miracle material? http://news.bbc.co.u[...] BBC Click 2011-05-21
[38] 뉴스 Could graphene be the new silicon? https://www.theguard[...] 2011-11-13
[39] 웹사이트 Applications of Graphene under Development http://www.understan[...] understandingnano.com
[40] 뉴스 The 'new age' of super materials http://news.bbc.co.u[...] 2007-03-05
[41] 뉴스 Strides in Materials, but No Invisibility Cloak https://www.nytimes.[...] 2010-11-08
[42] 웹사이트 NAE Website: Frontiers of Engineering https://web.archive.[...] 2014-07-28
[43] 뉴스 Carbon nanotubes used to make batteries from fabrics http://news.bbc.co.u[...] 2010-01-21
[44] 뉴스 Researchers One Step Closer to Building Synthetic Brain http://www.dailytech[...] Daily Tech 2011-04-25
[45] 뉴스 Pentagon Developing Shape-Shifting 'Transformers' for Battlefield https://www.foxnews.[...] Fox News 2009-06-10
[46] 뉴스 Intel: Programmable matter takes shape http://www.zdnetasia[...] ZD Net 2008-08-22
[47] 뉴스 'Quantum dots' to boost performance of mobile cameras http://news.bbc.co.u[...] 2010-03-22
[48] 뉴스 Sto AG, Cabot Create Aerogel Insulation http://www.construct[...] Construction Digital 2011-11-15
[49] 뉴스 Is graphene a miracle material? http://news.bbc.co.u[...] BBC Click 2011-05-21
[50] 뉴스 Could graphene be the new silicon? https://www.theguard[...] 2011-11-13
[51] 웹사이트 Applications of Graphene under Development http://www.understan[...] understandingnano.com
[52] 뉴스 The 'new age' of super materials http://news.bbc.co.u[...] 2007-03-05
[53] 웹사이트 半透明のコンクリート市場は、2027年まで39.9％のCAGRで目覚ましい成長が見込まれています https://prtimes.jp/m[...] 2021-01-29
[54] 뉴스 Strides in Materials, but No Invisibility Cloak https://www.nytimes.[...] 2010-11-08


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com