고체

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1. 개요

고체는 원자, 분자, 이온 등이 규칙적 또는 불규칙적으로 배열된 물질을 의미한다. 고체는 결정 구조, 종류, 특성, 물리적 성질에 따라 분류되며, 금속, 광물, 세라믹, 유기 고체, 복합 재료, 반도체, 나노 물질, 생체 재료 등이 있다. 고체의 물리적 성질은 역학적, 열적, 전기적, 광학적 성질 등으로 나타나며, 고체 물리학, 고체 화학, 재료 과학 등 다양한 학문 분야와 관련된다.

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고체
개요
다양한 고체 물질의 예시
정의	고체는 물질의 세 가지 기본 상태 중 하나로, 액체나 기체와는 다르게 일정한 모양과 부피를 유지하는 특징이 있음.
특징	분자들이 서로 강하게 결합하여 비교적 고정된 위치에 있음. 외부 힘에 저항하여 모양을 쉽게 바꾸지 않음.
물질 상태	고체 액체 기체 플라스마 보스-아인슈타인 응축
세부 속성
분류	결정 비정질
결정 구조	단결정 다결정
응축상 물질	물질의 응축 상태를 연구하는 물리학 분야
고체의 역학적 특성
응력	외부 힘에 대한 저항력
변형	외부 힘에 의해 물체의 모양이 바뀌는 것
탄성	외부 힘이 제거되면 원래 모양으로 되돌아가는 성질
소성	외부 힘이 제거되어도 변형된 상태를 유지하는 성질
강성	물체가 변형에 저항하는 정도
연성	물체가 끊어지지 않고 변형될 수 있는 정도
고체의 물리학적 성질
결정 구조	원자 배열의 규칙성
결정	규칙적인 원자 배열을 가진 고체
비정질	불규칙적인 원자 배열을 가진 고체
에너지 띠	고체 내의 전자의 에너지 상태
페르미 준위	전자가 존재할 확률이 50%인 에너지 준위
포논	고체 격자의 진동을 양자화한 입자
초전도 현상	특정 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되는 현상
추가 정보
관련 분야	응축물질물리학, 재료과학, 고체역학
응용 분야	다양한 산업 분야에서 구조물, 전자 부품, 기계 부품 등에 광범위하게 사용됨.

2. 결정 구조

고체를 구성하는 원자, 분자 또는 이온은 질서정연하게 반복되는 패턴으로 배열될 수도 있고, 불규칙적으로 배열될 수도 있다. 구성 요소가 규칙적인 패턴으로 배열된 물질을 결정이라고 한다. 어떤 경우에는, 예를 들어 각 다이아몬드가 단결정인 다이아몬드처럼, 규칙적인 배열이 대규모로 끊김 없이 계속될 수 있다. 우리가 보고 다룰 수 있을 만큼 큰 고체 물체는 거의 단결정으로 구성되어 있지 않고, 크기가 수 나노미터에서 수 미터까지 다양할 수 있는 많은 단결정, 즉 결정립으로 구성되어 있다. 이러한 물질을 다결정이라고 한다. 거의 모든 일반적인 금속과 많은 세라믹은 다결정이다.

다른 물질에서는 원자의 위치에 장거리 질서가 없다. 이러한 고체를 비정질 고체라고 하며, 폴리스티렌과 유리가 그 예이다.

고체가 결정질인지 비결정질인지는 관련 물질과 그것이 형성된 조건에 따라 달라진다. 천천히 냉각되어 형성된 고체는 결정질이 되는 경향이 있고, 빠르게 고체화된 고체는 비정질일 가능성이 더 높다. 마찬가지로, 결정질 고체가 채택하는 특정 결정 구조는 관련 물질과 그것이 형성된 방법에 따라 달라진다.

결정이 규칙적인 모양을 하고 있는 것은 그것을 이루고 있는 입자(원자－분자－이온)가 규칙적으로 배열되어 있기 때문이다. 지금 이 입자가 각각 크기가 같은 구체라 가정하고, 그 배열 방법을 생각해 보자. 공간에 빈틈없이 배열하는 데에는 두 가지 방법이 있다. 첫 번째 층을 a, 두 번째 층을 b라고 할때, 세 번째 층을 만드는데 배열하는 방법은 두가지가 있다. 즉, 세 번째 층의 구체가 첫 번째 층의 구체의 바로 위에 겹치도록 배열하는 경우와 겹치지 않도록 배열하는 경우가 그것이다. 겹치게 배열한 경우를 육방 밀집 구조라고 하는데, 이것은 육방정계의 구조가 된다. 또, 겹치지 않도록 배열한 경우를 입방 밀집 구조라고 하는데, 이것은 등방정계의 구조가 된다. 금속의 결정 중에서 금·은·구리·알루미늄 등은 입방 밀집 구조를 취하고, 마그네슘·아연 등은 육방 밀집 구조를 취하고 있다. 나트륨이나 칼륨은 정육면체의 8개의 모서리와 중심에 구체가 있는 체심 입방 구조를 취하고 있는데, 이것은 입방 밀집 구조에 비해서 틈이 좀 더 벌어져 있다. 입방 밀집 구조를 비스듬히 옆으로 누이면 정육면체의 각면의 중심에 구체가 하나씩 들어간 면심 입방 구조가 된다.

이와 같이, 구체가 일정한 규칙에 따라 입체적으로 배열된 것을 공간 구조라고 한다. 공간 구조의 종류는 14종인데, 등축정계에는 단순 입방 구조, 면심 입방 구조, 체심 입방 구조의 3종류, 육방정계에는 육방 밀집 구조가 있다. 이 밖에 정방정계에는 체심 정방 구조 외에 1종, 사방정계에는 면심 사방 구조 외에 3종, 단사정계에는 2종, 삼사정계·마름모 정계에 각각 1종의 구조가 존재한다.

2. 1. 결정질 고체

염화나트륨 결정(정육면체)의 중심을 지나 각각의 면에 수직인 축을 a축, b축, c축이라 하고, b축과 c축이 이루는 각을 α, a축과 c축이 이루는 각을 β, a축과 b축이 이루는 각을 γ라고 할 때, 염화나트륨 결정의 경우는 α=β=γ=90°이다. 중심으로부터 각 면에 이르는 a축의 길이를 a, b축의 길이를 b, c축의 길이를 c라고 하면 a=b=c, 즉, 길이가 같은 3축이 직교한다. 이러한 성질을 가진 결정을 정방정계(또는 등축 정계)라고 한다.

육방정계 결정에서는 위·아래에 있는 정육각형의 중심을 지나는 축(c축)에 대하여 다른 3개의 축이 이루는 각은 직각이지만, 3개의 축은 서로 60°의 각도로 교차하고 있다. 즉, 길이가 같은 3축이 60°로 교차하고, 이들 축이 만드는 면에 길이가 다른 네 번째 축이 직교하고 있다.

이와 같이, 축의 길이나 그것이 교차하는 각도의 유형에 따라 결정은 다음의 7가지 결정계로 나뉜다.

2. 1. 1. 결정계

결정은 그 모양의 특징에 따라 몇 개의 그룹으로 분류된다. 염화나트륨 결정(정육면체)의 중심을 지나 각각의 면에 수직인 축을 a축, b축, c축이라 하고, b축과 c축이 이루는 각을 α, a축과 c축이 이루는 각을 β, a축과 b축이 이루는 각을 γ라고 할 때, 염화나트륨 결정의 경우는 α=β=γ=90°이다. 중심으로부터 각 면에 이르는 a축의 길이를 a, b축의 길이를 b, c축의 길이를 c라고 하면 a=b=c, 즉, 길이가 같은 3축이 직교한다. 이러한 성질을 가진 결정을 정방정계(또는 등축 정계)라고 한다.

육방정계 결정에서는 위·아래에 있는 정육각형의 중심을 지나는 축(c축)에 대하여 다른 3개의 축이 이루는 각은 직각이지만, 3개의 축은 서로 60°의 각도로 교차하고 있다. 즉, 길이가 같은 3축이 60°로 교차하고, 이들 축이 만드는 면에 길이가 다른 네 번째 축이 직교하고 있다.

이와 같이, 축의 길이나 그것이 교차하는 각도의 유형에 따라 결정은 다음의 7가지 결정계로 나뉜다.

2. 2. 비결정질 고체

구성 입자들이 불규칙하게 배열된 고체를 비결정질 고체라고 한다. 유리, 고무, 플라스틱 등이 비결정질 고체에 속한다. 비결정질 고체는 내부에서 입자가 결합하는 힘도 고르지 않기 때문에 일정한 녹는점을 가지지 않으며, 가열하면 점차 연화되는 특징을 보인다.

황 가루를 가열하여 녹인 다음 물속에 넣어 갑자기 냉각시키면 원자가 규칙적으로 배열할 시간적 여유가 없어 액체 때의 불규칙한 배열 그대로 고체가 되기 때문에 비결정성 황이 된다. 비결정성 황은 오랫동안 방치해 두면 사방 정계의 결정이 된다.

실리카/https://cdn.onul.works/wiki/source/1950ab29566_b16069b4.svg^영어와 SiO² Quartz.svg^영어의 개략적인 표현에서 볼 수 있듯이, 동일한 화학적 조성을 가진 무작위 네트워크 유리 형태와 정렬된 결정 격자가 있다.

천천히 냉각되어 형성된 고체는 결정질이 되는 경향이 있고, 빠르게 고체화된 고체는 비정질일 가능성이 더 높다.

3. 고체의 종류와 특성

고체 내 원자 간의 힘은 다양한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 염화나트륨(일반적인 소금) 결정은 이온 결합으로 서로 결합된 나트륨과 염소의 이온으로 구성되어 있다.^[1] 다이아몬드^[2] 또는 실리콘에서는 원자가 전자를 공유하여 공유 결합을 형성한다.^[3] 금속에서는 전자가 금속 결합으로 공유된다.^[4] 일부 고체, 특히 대부분의 유기 화합물은 각 분자의 전자 전하 구름의 분극화로 인한 반데르발스 힘으로 결합되어 있다. 고체 유형 간의 차이는 결합의 차이에서 비롯된다.

고체에서 원자 간의 힘에는 여러 가지가 있다. 예를 들어, 염화나트륨(식염) 결정은 나트륨과 염소의 이온 결합으로 이루어져 있다. 다이아몬드와 실리콘은 원자 간에 전자를 공유하는 공유 결합으로 이루어져 있다. 금속에서는 금속 결합이라는 형태로 전자를 공유하고 있다. 유기 소재 등에서는 개별 분자에 전하가 국부적으로 존재하는 극성이 있으며, 그것이 반데르발스 힘을 만들어낸다. 고체 종류의 차이는 이러한 결합의 차이에 기인한다.

3. 1. 금속

금속은 일반적으로 강하고 밀도가 높으며, 전기와 열을 잘 전달한다.^[5]^[6] 주기율표에서 붕소에서 폴로늄까지 그은 대각선 왼쪽에 있는 원소들은 대부분 금속이다. 주요 성분이 금속인 두 가지 이상의 원소 혼합물을 합금이라고 한다.

선사 시대부터 사람들은 다양한 목적으로 금속을 사용해왔다. 금속의 강도와 신뢰성으로 인해 건물 및 기타 구조물 건설뿐만 아니라 대부분의 차량, 많은 가전제품 및 도구, 파이프, 도로 표지판 및 철도 트랙에도 널리 사용된다. 철과 알루미늄은 가장 일반적으로 사용되는 구조용 금속이며, 지구 지각에서 가장 풍부한 금속이기도 하다. 철은 일반적으로 최대 2.1%의 탄소를 포함하는 합금인 강철 형태로 사용되며, 순수한 철보다 훨씬 단단하다.

세계에서 가장 높은 강철 지지 벽돌 건물인 뉴욕의 크라이슬러 빌딩 꼭대기는 스테인리스강으로 덮여 있다.

금속은 전기를 잘 전달하기 때문에 전기 제품에 유용하며, 에너지 손실이나 소산이 거의 없이 장거리에 걸쳐 전류를 전달하는 데에도 유용하다. 따라서 전력망은 전기를 분배하기 위해 금속 케이블에 의존한다. 예를 들어 가정용 전기 시스템은 우수한 전도성과 쉬운 가공성 때문에 구리선으로 배선된다. 대부분의 금속의 높은 열전도율은 또한 스토브 상단 조리 도구에도 유용하게 만든다.

금속 고체는 "금속 결합"으로 알려진 고밀도의 공유된 비편재화된 전자에 의해 결합된다. 금속에서 원자는 쉽게 가장 바깥쪽("원자가") 전자를 잃어 양의 이온을 형성한다. 자유 전자는 전체 고체에 퍼져 있으며, 이온과 전자 구름 사이의 정전기적 상호 작용에 의해 고체가 단단히 결합된다.^[7] 많은 수의 자유 전자는 금속에 높은 전기 전도도와 열전도도 값을 제공한다. 자유 전자는 또한 가시광선의 투과를 방지하여 금속을 불투명하고 광택이 나고 광택이 나는 것으로 만든다. 금속 특성에 대한 더욱 발전된 모델은 비편재화된 전자에 대한 양이온 코어의 영향을 고려한다. 대부분의 금속은 결정 구조를 가지고 있기 때문에 이러한 이온은 일반적으로 주기적인 격자로 배열된다. 수학적으로 이온 코어의 퍼텐셜은 다양한 모델로 처리할 수 있으며, 가장 간단한 것은 거의 자유 전자 모형이다.

대한민국은 포스코, 현대제철 등 세계적인 철강 기업을 보유하고 있으며, 금속 산업은 국가 경제 발전에 중요한 역할을 한다.

3. 2. 광물

광물은 다양한 지질학적 과정을 통해 고압 하에서 자연적으로 생성되는 고체이다.^[8] 물질이 진정한 광물로 분류되려면, 균일한 물리적 특성을 가진 결정 구조를 가져야 한다. 광물의 조성은 순수한 원소와 간단한 염에서 수천 가지의 알려진 형태를 가진 매우 복잡한 규산염까지 다양하다. 지각의 대부분의 암석은 석영(결정질 SiO₂), 장석, 운모, 녹니석, 카올리나이트, 방해석, 에피도트, 감람석, 휘석, 각섬석, 자철석, 적철석, 갈철석 및 기타 몇 가지 광물로 구성되어 있다.^[8] 석영, 운모, 장석과 같이 일반적인 광물도 있지만, 전 세계 몇몇 지역에서만 발견된 광물도 있다. 압도적으로 가장 큰 광물 그룹은 규산염이며, 이는 주로 규소와 산소로 구성되며, 알루미늄, 마그네슘, 철, 칼슘 및 기타 금속 이온이 추가된다.^[8]

3. 3. 세라믹

세라믹 고체는 무기 화합물, 일반적으로 화학 원소의 산화물로 구성되어 있다.^[9] 화학적으로 불활성이며, 산성 또는 알칼리성 환경에서 발생하는 화학적 부식을 견딜 수 있는 경우가 많다. 세라믹은 일반적으로 1000℃에서 1600℃에 이르는 고온을 견딜 수 있다. 질화물, 붕화물, 탄화물과 같은 비산화물 무기 재료는 예외이다.

전통적인 세라믹 원료에는 카올리나이트와 같은 점토 광물이 포함되며, 최근에는 산화알루미늄(알루미나)가 포함된다. 고급 세라믹으로 분류되는 현대 세라믹 재료에는 탄화규소와 탄화텅스텐이 포함된다. 두 재료 모두 내마모성이 높아 채굴 작업에서 분쇄 장비의 내마모 플레이트와 같은 용도로 사용된다.

대부분의 세라믹 재료는 성형되어 미세한 입자의 다결정 미세구조를 생성하며, 이는 파장의 가시광선과 비교할 수 있는 빛 산란 중심으로 채워져 있어 불투명한 재료이다. 그러나 최근의 나노 스케일 (예: 졸-겔) 기술을 통해 고출력 레이저와 같은 응용 분야에 사용되는 다결정 투명 세라믹의 생산이 가능해졌다. 고급 세라믹은 의료, 전기 및 전자 산업에도 사용된다.

기계적으로 세라믹 재료는 취성, 경도, 압축 강도가 높고 전단 및 인장 강도가 약하다. 인성은 재료가 기계적 파손 전에 흡수할 수 있는 에너지의 양을 나타내는 반면, 파괴 인성(K_Ic)은 고유한 미세 구조적 결함이 있는 재료가 균열 성장 및 전파를 통해 파괴에 저항하는 능력을 나타낸다. 재료의 파괴 인성 값이 클 경우, 파괴 역학의 기본 원리는 연성 파괴가 일어날 가능성이 가장 높다는 것을 시사한다. 취성 파괴는 일반적으로 낮고 일관성이 없는 K_Ic 값을 나타내는 대부분의 세라믹 및 유리 세라믹 재료의 특징이다.

세라믹의 응용 사례로, 지르코니아의 극도의 경도는 칼날뿐만 아니라 기타 산업용 절삭 공구 제조에도 활용된다. 알루미나, 탄화붕소, 탄화규소와 같은 세라믹은 대구경 소총 사격을 막는 방탄조끼에 사용되어 왔다. 질화규소 부품은 세라믹 볼 베어링에 사용되며, 높은 경도로 인해 내마모성이 우수하다. 일반적으로 세라믹은 화학적으로 내성이 있으며, 강철 베어링이 산화(또는 부식)되기 쉬운 습한 환경에서 사용될 수 있다.

1980년대 초 토요타는 3,300°C 이상의 작동 온도를 갖는 단열 세라믹 엔진의 생산을 연구했다. 세라믹 엔진은 냉각 시스템이 필요 없으므로 중량을 크게 줄일 수 있고 따라서 연료 효율이 향상된다. 그러나 세라믹 부품 제조의 어려움으로 인해 생산되지 않고 있다.

유리세라믹 재료는 비결정질 유리와 결정질 세라믹 재료 모두의 특성을 공유하며, 열처리로 부분적으로 결정화되어 비정질상과 결정질상이 모두 생성되므로 결정질 알갱이가 비정질 입계상에 포함된다. 유리세라믹은 조리기구와 스토브 상판을 만드는 데 사용되며, 특정 지점(~70% 결정질)에서 유리세라믹은 열팽창 계수가 거의 0에 가깝다. 이러한 유형의 유리세라믹은 우수한 기계적 특성을 나타내며 최대 1000°C까지 반복적이고 빠른 온도 변화에도 견딜 수 있다. 유리세라믹은 번개가 칠 때 자연적으로 발생할 수 있다.

3. 4. 유기 고체

유기화학은 탄소와 수소를 주성분으로 하고, 질소, 산소, 할로젠(플루오린, 염소, 브롬, 요오드)을 포함하는 화합물의 구조, 조성, 반응, 합성 등을 연구하는 학문이다. 인과 황 등의 원소를 포함하는 유기화합물도 있다. 유기 고체로는 목재, 파라핀, 나프탈렌, 다양한 중합체 및 플라스틱 등이 있다.

3. 4. 1. 목재

목재는 주로 셀룰로오스 섬유가 리그닌 기질에 박혀 있는 천연 유기 재료이다. 기계적 특성과 관련하여, 섬유는 인장력에 강하고, 리그닌 기질은 압축에 저항한다. 따라서 목재는 인류가 숙소를 짓고 배를 사용하기 시작한 이래로 중요한 건축 자재였다. 건축 공사에 사용되는 목재는 일반적으로 ''제재목'' 또는 ''재목''으로 알려져 있다. 건축에서 목재는 구조 재료일 뿐만 아니라 콘크리트 거푸집을 형성하는 데에도 사용된다.

목재 기반 재료는 포장(예: 골판지) 및 종이에도 광범위하게 사용되는데, 이는 모두 정제된 펄프로 만들어진다. 화학적 펄핑 공정은 고온과 알칼리성(크라프트) 또는 산성(황산염) 화학 물질을 결합하여 리그닌의 화학 결합을 파괴한 다음 태운다.

3. 4. 2. 고분자 (폴리머)

유기화학에서 탄소의 중요한 특성 중 하나는 개별 분자가 서로 결합하여 사슬 모양 또는 그물 모양의 화합물을 형성할 수 있다는 점이다. 이를 중합반응이라고 하며, 단량체를 원료로 하여 중합체를 형성한다. 중합체는 화학적으로 합성된 것과 자연계에 존재하는 것(생체 고분자)의 두 종류로 분류된다.

단량체에는 다양한 치환기와 작용기가 있으며, 합성된 화합물의 화학적 특성(용해성, 반응성)과 물리적 특성(경도, 밀도, 강도, 내마모성, 내열성, 투명도, 색상 등)에 영향을 미친다. 단백질에서는 이러한 차이가 입체 구조의 차이를 만들어내고, 생물학적 활성의 차이를 가져온다.

밀랍이나 셸락과 같은 생체 고분자 물질은 오래전부터 인류가 이용해왔다. 이들은 열가소성 중합체이다. 식물에서 유래한 중합체로는 셀룰로스가 있으며, 천연 섬유나 로프 등의 인장 강도의 원천이 된다. 또한 19세기 초부터 천연고무가 널리 사용되기 시작했다. 중합체는 이른바 합성수지(플라스틱)의 원료이다. 플라스틱은 하나 이상의 중합체에 첨가제를 첨가하여 처리하고 성형하여 만들어진다. 현재 널리 사용되는 중합체로는 탄소를 기반으로 하는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 나일론, 폴리에스터, 아크릴 수지, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 실리콘을 기반으로 하는 실리콘이 있다.

3. 5. 복합 재료

복합재료는 두 가지 이상의 물질을 결합하여 각 물질의 장점을 살려 새로운 특성을 부여한 재료이다. 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP), 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP) 등이 대표적이며, 항공 우주, 자동차, 스포츠 용품 등 다양한 분야에 활용된다.

복합재료는 철근 콘크리트와 같은 구조 요소부터, NASA의 스페이스셔틀 열 차폐 시스템에서 핵심적인 역할을 하는 단열 타일까지 다양하게 응용된다. 이 시스템은 셔틀의 표면을 지구 대기권 재진입 시 발생하는 열로부터 보호한다. 강화탄소탄소(RCC)는 최대 1510°C의 재진입 온도를 견디고 스페이스셔틀 날개의 노즈캡과 전방 가장자리를 보호하는 연회색 재료이다. RCC는 흑연 레이온 천으로 만들어지고 페놀 수지로 함침된 적층된 복합재료이다. 오토클레이브에서 고온으로 경화시킨 후, 적층재를 열분해하여 수지를 탄소로 변환하고, 진공 챔버에서 푸르푸랄 알코올로 함침시키고, 경화/열분해하여 푸르푸랄 알코올을 탄소로 변환한다. 재사용 기능을 위한 내산화성을 제공하기 위해 RCC의 외부 층은 탄화규소로 변환된다.

우주왕복선의 대기권 재돌입 시뮬레이션 이미지. 최고 1,500 ℃ 이상이 된다

가정에서 흔히 볼 수 있는 복합재료의 예로는 텔레비전, 휴대전화 등의 "플라스틱" 케이스가 있다. 이러한 플라스틱 케이스는 일반적으로 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)과 같은 열가소성 매트릭스로 만들어진 복합재료이며, 강도, 부피 또는 정전기 분산을 위해 탄산칼슘 분필, 활석, 유리 섬유 또는 탄소 섬유가 첨가된다.

이처럼 복합재료는 매트릭스 재료가 강화 재료를 둘러싸고 지지하며 상대적인 위치를 유지하고, 강화재는 매트릭스 특성을 향상시키기 위해 특수한 기계적 및 물리적 특성을 부여한다. 시너지 효과를 통해 개별 구성 재료에서는 얻을 수 없는 재료 특성을 생성하는 한편, 다양한 매트릭스와 강화 재료는 설계자에게 최적의 조합을 선택할 수 있는 폭넓은 선택지를 제공한다.

3. 6. 반도체

반도체는 금속과 절연체의 중간 정도의 전기 전도성을 가지는 물질이다. 실리콘, 저마늄 등이 대표적인 반도체이며, 트랜지스터, 집적 회로 등 전자 소자의 핵심 재료로 사용된다. 주기율표에서 붕소에서 오른쪽 아래로 대각선 방향으로 이동하면서 찾을 수 있다. 대한민국은 삼성전자, SK하이닉스 등 세계적인 반도체 기업을 보유하고 있으며, 반도체 산업은 국가 경제의 핵심 동력이다. 금속 도체에서는 전류가 전자의 흐름에 의해 운반되지만, 반도체에서는 전자 또는 물질의 전자 띠 구조에서 양전하를 띤 "전자홀"에 의해 전류가 운반될 수 있다.

3. 7. 나노 물질

나노기술은 100 나노미터 이하의 크기를 가지는 물질을 다루는 기술로, 이 크기의 물질들은 벌크 재료와는 다른 독특한 물리적, 화학적 특성을 나타낸다.^[10] 예를 들어, 일반적으로 노란색인 금과 회색인 실리콘의 나노입자는 붉은색을 띤다. 금 나노입자는 금 덩어리(1064 °C)보다 훨씬 낮은 온도(~2.5 nm 크기의 경우 300 °C)에서 녹는다.^[14] 금속 나노와이어는 해당 벌크 금속보다 훨씬 강하다.^[15]^[16]

나노입자의 높은 표면적은 에너지 분야의 특정 응용 분야에서 매우 매력적이다. 예를 들어, 백금 금속은 자동차 연료 촉매뿐만 아니라 양성자 교환막(PEM) 연료 전지에서도 개선을 제공할 수 있다. 또한, 란타넘, 세륨, 망간 및 니켈의 세라믹 산화물(또는 세라믹)은 현재 고체 산화물 연료 전지(SOFC)로 개발되고 있다. 리튬, 리튬-티타네이트 및 탄탈럼 나노입자는 리튬 이온 배터리에 적용되고 있다. 실리콘 나노입자는 팽창/수축 주기 동안 리튬 이온 배터리의 저장 용량을 극적으로 확장하는 것으로 나타났다. 실리콘 나노와이어는 상당한 열화 없이 순환하며 저장 시간이 크게 늘어난 배터리에 사용될 가능성을 제시한다. 실리콘 나노입자는 새로운 형태의 태양 에너지 전지에도 사용되고 있다. 광전지(태양 전지)의 다결정 실리콘 기판에 실리콘 양자점을 박막 증착하면 포착 전에 들어오는 빛을 형광시켜 전압 출력을 최대 60%까지 높인다. 여기서도 나노입자(및 박막)의 표면적이 흡수된 방사선의 양을 최대화하는 데 중요한 역할을 한다.

3. 8. 생체 재료

생체재료는 생체 조직과 상호 작용하는 재료로, 의료 분야에서 널리 사용된다.^[17]^[18] 인공 뼈, 인공 관절, 인공 혈관 등 다양한 형태로 개발되고 있으며, 고령화 사회의 건강 증진에 기여하고 있다.

많은 천연(또는 생물학적) 재료는 놀라운 기계적 특성을 지닌 복합재료이다. 수억 년의 진화를 거쳐 만들어진 이러한 복잡한 구조는 새로운 재료 설계에 있어 재료 과학자들에게 영감을 주고 있다. 이들의 특징으로는 구조적 계층, 다기능성 및 자가 치유 능력이 있다. 자가 조립은 고성능 생체 재료의 화학 합성에 있어 새로운 전략으로 부상하고 있다.

분자 자기 조직화는 생체에서 흔히 볼 수 있으며, 다양한 생체 구조의 기초가 된다. 상온 상압에서 무기 재료를 결정화하는 등의 일이 생체 내에서 일반적으로 일어나고 있으며, 매우 정밀하고 복잡한 구조를 만들어낸다.

생체에서 구조의 기본적인 재료는 20종류의 아미노산을 시작으로 폴리펩티드, 다당류, 폴리펩티드당류 등이 있다. 이것들로부터 기본적인 단백질이 만들어지고, 그것이 세포의 주요 구성 요소가 되며, 많은 생체 광물에도 존재한다. 단백질에는 콜라겐, 키틴, 케라틴, 엘라스틴 등 1000종류 이상이 있다. 단단한 생체재료는 주로 광물을 사용하며, 생체 내 환경에서 크기, 형태, 개별 결정의 배치 등이 제어되어 성장해 간다. 생체에서 중요한 광물로는 하이드록시아파타이트(수산화 인회석), 실리카, 방해석이 있다.

4. 고체의 물리적 성질

원소와 화합물의 화학적 조성을 명확히 증명하는 물리적 특성에는 냄새, 색깔, 부피, 밀도(단위 부피당 질량), 녹는점, 끓는점, 열용량, 상온에서의 물리적 형태와 모양(고체, 액체 또는 기체; 입방체, 삼방정계 결정 등), 경도, 기공률, 굴절률 등이 포함된다. 이 절에서는 고체 상태의 재료의 몇 가지 물리적 특성에 대해 논의한다.

냄새, 색깔, 부피, 밀도, 녹는점, 끓는점, 비열, 상온에서의 물리적 형태(고체·액체·기체의 구분, 결정 구조 등), 경도, 공극률, 반사율 등과 같은 물체의 물리적 특성은 그 화학 조성과 원소를 특정하는 확실한 증거를 제공한다. 여기서는 고체 물질의 물리적 특성 일부를 설명한다.

== 역학적 성질 ==

재료의 역학적 성질은 강도 및 변형 저항과 같은 특징을 설명한다. 예를 들어, 강철 보는 높은 강도 때문에 건설에 사용되는데, 이는 적용된 하중 하에서 파손되거나 상당히 휘어지지 않음을 의미한다.

역학적 성질에는 탄성, 소성, 인장강도, 압축강도, 전단강도, 파괴 인성, 연성(취성 재료에서는 낮음) 및 압입 경도가 포함된다. 고체 역학은 외부 힘과 온도 변화와 같은 외부 작용 하에서 고체 물질의 거동을 연구하는 학문이다.

고체는 유체와 같이 거시적인 흐름을 나타내지 않는다. 원래 모양에서의 어떠한 정도의 이탈도 변형이라고 한다. 변형량과 원래 크기의 비율을 변형률이라고 한다. 적용된 응력이 충분히 낮으면 거의 모든 고체 재료는 변형률이 응력에 정비례하는 방식으로 거동한다(후크의 법칙). 비례 계수를 탄성 계수 또는 영률이라고 한다. 이 변형 영역을 선형 탄성 영역이라고 한다.

고체가 가해진 응력에 어떻게 반응하는지 설명하는 세 가지 모델이 있다.

탄성 – 가해진 응력이 제거되면 재료는 변형되지 않은 상태로 돌아간다.
점탄성 – 이러한 재료는 탄성적으로 거동하지만 마찰(감쇠)도 있다. 가해진 응력이 제거되면 감쇠 효과에 대항하여 일을 해야 하며 재료 내에서 열로 변환된다. 이것은 응력-변형률 곡선에서 히스테리시스 루프를 생성한다. 이것은 기계적 반응이 시간 의존성을 가짐을 의미한다.
소성 – 일반적으로 탄성적으로 거동하는 재료는 가해진 응력이 항복 값보다 작을 때 그렇게 한다. 응력이 항복 응력보다 크면 재료는 소성적으로 거동하며 이전 상태로 돌아가지 않는다. 즉, 항복 후에는 영구적인 비가역적 소성 변형(또는 점성 흐름)이 발생한다.

많은 재료는 고온에서 약해진다. 고온에서 강도를 유지하는 재료를 내화 재료라고 하며, 많은 용도에 유용하다. 예를 들어, 유리 세라믹은 우수한 기계적 특성을 나타내고 최대 1000°C까지 반복적이고 빠른 온도 변화를 견딜 수 있기 때문에 조리대 요리에 매우 유용해졌다.

항공 우주 산업에서 항공기 및/또는 우주선 외부 설계에 사용되는 고성능 재료는 열 충격에 대한 높은 저항력을 가져야 한다. 따라서 유기 고분자로 방사된 합성 섬유와 고분자/세라믹/금속 복합 재료 및 섬유 강화 고분자는 현재 이러한 목적으로 설계되고 있다.

== 열적 성질 ==

고체는 열에너지를 가지고 있기 때문에, 고체를 구성하는 원자들은 질서 있는(또는 무질서한) 격자 내에서 고정된 평균 위치를 중심으로 진동한다. 결정성 또는 비결정질 네트워크에서 격자 진동의 스펙트럼은 고체의 운동론의 기초를 제공한다. 이러한 운동은 원자 수준에서 일어나므로, 분광법에 사용되는 것과 같은 고도로 전문화된 장비 없이는 관찰하거나 감지할 수 없다.

고체의 열적 특성에는 열전도도가 포함되는데, 이는 재료의 열을 전도하는 능력을 나타내는 재료의 특성이다. 고체는 또한 비열용량을 가지는데, 이는 재료가 열(또는 열 격자 진동)의 형태로 에너지를 저장하는 능력이다.

== 전기적 성질 ==

고체의 전기적 성질은 전하의 흐름과 관련된 성질을 의미한다. 주요 전기적 성질에는 전기 저항률 및 전도율, 유전 강도, 전자기 투자율 및 유전율이 있다. 금속과 합금은 전기 전도체인 반면, 유리와 세라믹은 전기 절연체이다. 반도체는 그 중간에 해당한다. 금속의 전도성은 전자에 의해 발생하지만, 반도체에서는 전자와 정공 모두 전류에 기여한다. 이온 전도체에서는 이온이 전류를 전달한다.

많은 재료는 저온에서 초전도성을 보인다. 주석, 알루미늄과 같은 금속 원소, 다양한 금속 합금, 일부 고농도 도핑 반도체, 특정 세라믹 등이 이에 해당한다. 대부분의 전기 전도체는 온도가 낮아짐에 따라 전기 저항률이 점진적으로 감소하지만, 유한하게 유지된다. 그러나 초전도체에서는 재료가 임계 온도 이하로 냉각될 때 저항이 갑자기 0으로 떨어진다. 초전도 전선 루프에서 흐르는 전류는 전원 없이도 무기한 지속될 수 있다.

유전체는 전류 흐름에 매우 강한 저항을 갖는 물질이다. 플라스틱과 같은 유전체는 적용된 전기장을 자체 내에 집중시키는 경향이 있으며, 이러한 특성은 축전기에서 사용된다. 축전기는 밀접하게 배치된 한 쌍의 도체 사이에 전기장에 에너지를 저장하는 전기 장치이다. 축전기에 전압을 가하면 크기는 같지만 극성이 반대인 전하가 각 플레이트에 축적된다. 축전기는 에너지 저장 장치, 고주파수 및 저주파수 신호를 구분하는 전자 필터로 사용된다.

압전 효과는 결정이 외력에 의한 기계적 스트레스에 반응하여 전압을 생성하는 능력이다. 압전 효과는 가역적이어서, 압전 결정에 외부 전압을 가하면 미세하게 모양이 변할 수 있다. 고무, 양모, 머리카락, 목재 섬유, 실크와 같은 고분자 재료는 종종 전하 저장체처럼 작용한다. 예를 들어, 고분자 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)는 전통적인 압전 재료인 석영보다 몇 배 더 큰 압전 반응을 보인다. 이러한 변형(~0.1%)은 고전압 소스, 라우드스피커, 레이저, 그리고 화학, 생물학, 광음향 센서 및/또는 트랜스듀서와 같은 유용한 기술적 응용 분야에 적용된다.

== 광학적 성질 ==

물질은 가시광선을 투과(예: 유리)하거나 반사(예: 금속)할 수 있다. 고체에는 유리처럼 투명한 것과 금속처럼 불투명한 것이 있다.

많은 물질은 특정 파장은 투과시키면서 다른 파장은 차단한다. 예를 들어, 창문 유리는 가시광선에 대해서는 투명하지만, 자외선 중 햇볕에 타는 원인이 되는 대부분의 주파수에는 훨씬 덜 투명하다. 이러한 특성은 입사광의 색상을 변경할 수 있는 주파수 선택적 광학 필터에 사용된다. 특정 파장만을 투과시키는 재료도 많다. 예를 들어, 창유리는 가시광선을 투과시키지만, 자외선 주파수 대역은 그다지 투과시키지 않는다. 이러한 성질은 주파수 선택성 광학 필터 등에 사용되고 있다.

어떤 목적에는 물질의 광학적 및 기계적 특성 모두가 중요할 수 있다. 예를 들어, 적외선 유도("열추적") 미사일의 센서는 적외선을 투과하는 커버로 보호되어야 한다. 고속 적외선 유도 미사일 돔에 현재 사용되는 물질은 단결정 사파이어이다. 사파이어의 광 투과율은 실제로 전체 중적외선 영역(3–5 μm)을 포괄하는 것은 아니지만, 상온에서 약 4.5 μm보다 큰 파장에서는 감소하기 시작한다. 사파이어의 강도는 상온에서 다른 사용 가능한 중적외선 돔 재료보다 우수하지만, 600 °C 이상에서는 약해진다. 광학 대역폭과 기계적 내구성 사이에는 오랫동안 상충관계가 존재해 왔으며, 투명 세라믹이나 광학 나노 복합재료와 같은 새로운 재료가 성능 향상을 제공할 수 있다. 용도에 따라서는 광학적 성질과 역학적 성질 모두 중요시되는 경우도 있다. 예를 들어, 적외선 추적식(열탐지식) 미사일에서는 적외선 센서의 커버는 적외선을 투과시키는 재료여야 한다. 이 때문에 현재의 적외선 추적식 미사일에서는 사파이어 단결정이 그 용도로 사용되고 있다. 사파이어는 중적외선 대역(3–5 μm)을 모두 투과하는 것은 아니고, 상온에서는 4.5 μm보다 긴 파장을 투과하지 않는다. 하지만 상온에서 적외선을 투과하는 물질 중에서는 가장 강도가 높고, 600 ℃ 이상이 될 때까지 강도가 유지된다. 이처럼 강도와 광학 특성을 양립시키는 것은 오랜 과제가 되고 있으며, 투명 세라믹스나 광학 나노 복합재료와 같은 신소재가 더 나은 성능을 보일 가능성이 있다.

유도 광파 전송에는 광섬유 분야와 특정 유리가 다양한 주파수(다중 모드 광 도파관)를 강도 손실이 적게 동시에 전송하고 서로 간섭이 거의 없는 능력이 포함된다. 광 도파관은 집적 광학 회로의 구성 요소 또는 광통신 시스템의 전송 매체로 사용된다. 도파광 전파에서는 광섬유 등을 사용하여 다양한 주파수의 빛으로 여러 신호를 동시에 전파한다. 광도파로는 광집적회로와 광통신 시스템의 광전송 매체로 사용되고 있다.

태양전지는 빛을 전기로 변환한다. 기본적으로 두 가지 기능이 필요하다. 하나는 빛을 흡수하는 재료로 빛으로부터 전하 운반자(전자와 정공)를 생성할 수 있는 것이고, 다른 하나는 전극에 그 전하 운반자들을 극성에 따라 분리하여 이동시켜 전류를 발생시키는 것이다. 이것을 광전 효과라고 하며, 태양전지와 관련된 연구 분야로는 광기전력학(photovoltaics)이 있다. 태양전지 또는 광전지(photovoltaic cell)는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 기본적으로 이 장치는 두 가지 기능만 수행하면 된다. 빛을 흡수하는 물질에서 전하 운반체(전자와 정공)를 광생성하고, 전기를 전달할 도전성 접촉부로 전하 운반체를 분리하는 것이다(간단히 말해, 금속 접촉을 통해 외부 회로로 전자를 운반하는 것). 이러한 변환을 광전 효과라고 하며, 태양전지와 관련된 연구 분야를 광전지(photovoltaics)라고 한다.

태양전지에는 다양한 용도가 있다. 오랫동안 전력망에서 전력을 공급받을 수 없는 상황, 예를 들어 원격 지역 전력 시스템, 지구 궤도 위성 및 우주 탐사선, 휴대용 계산기, 손목시계, 원격 무선 전화 및 급수 펌프 응용 분야에서 사용되어 왔다. 최근에는 인버터를 통해 전력망에 연결된 태양 전지판(광전지 어레이)의 조립체에 사용되기 시작하여 단독 전원으로서가 아니라 추가 전원으로서 역할을 한다. 벽지나 우주 공간 등 전력망이 없는 곳에서 전력원으로 사용되고 있으며, 그 외에도 계산기, 손목시계, 무선 전화, 펌프 등에 내장되어 있다. 최근에는 주택 등에 태양전지를 설치하여 발전하고, 그 전력을 전력망에 공급하는 것도 이루어지고 있다.

모든 태양전지는 세포 구조 내에 포함된 빛 흡수 물질이 광자를 흡수하고 광전 효과를 통해 전자를 생성해야 한다. 태양전지에 사용되는 재료는 지구 표면에 도달하는 태양광의 파장을 우선적으로 흡수하는 특성을 갖는 경향이 있다. 일부 태양전지는 지구 대기권 밖의 빛 흡수를 위해 최적화되기도 한다. 광자를 흡수함으로써 자유 전자를 발생시키고 있으므로, 태양전지에는 빛을 흡수하는 재료가 필요하다. 태양전지의 원료로는 지구 지표에 도달하는 태양광의 파장을 흡수하는 특성의 것이 우선적으로 채용되고 있지만, 그 중에는 대기권 밖에서의 발전에 최적화된 태양전지도 있다.

4. 1. 역학적 성질

재료의 역학적 성질은 강도 및 변형 저항과 같은 특징을 설명한다. 예를 들어, 강철 보는 높은 강도 때문에 건설에 사용되는데, 이는 적용된 하중 하에서 파손되거나 상당히 휘어지지 않음을 의미한다.

역학적 성질에는 탄성, 소성, 인장강도, 압축강도, 전단강도, 파괴 인성, 연성(취성 재료에서는 낮음) 및 압입 경도가 포함된다. 고체 역학은 외부 힘과 온도 변화와 같은 외부 작용 하에서 고체 물질의 거동을 연구하는 학문이다.

고체는 유체와 같이 거시적인 흐름을 나타내지 않는다. 원래 모양에서의 어떠한 정도의 이탈도 변형이라고 한다. 변형량과 원래 크기의 비율을 변형률이라고 한다. 적용된 응력이 충분히 낮으면 거의 모든 고체 재료는 변형률이 응력에 정비례하는 방식으로 거동한다(후크의 법칙). 비례 계수를 탄성 계수 또는 영률이라고 한다. 이 변형 영역을 선형 탄성 영역이라고 한다.

고체가 가해진 응력에 어떻게 반응하는지 설명하는 세 가지 모델이 있다.

탄성 – 가해진 응력이 제거되면 재료는 변형되지 않은 상태로 돌아간다.
점탄성 – 이러한 재료는 탄성적으로 거동하지만 마찰(감쇠)도 있다. 가해진 응력이 제거되면 감쇠 효과에 대항하여 일을 해야 하며 재료 내에서 열로 변환된다. 이것은 응력-변형률 곡선에서 히스테리시스 루프를 생성한다. 이것은 기계적 반응이 시간 의존성을 가짐을 의미한다.
소성 – 일반적으로 탄성적으로 거동하는 재료는 가해진 응력이 항복 값보다 작을 때 그렇게 한다. 응력이 항복 응력보다 크면 재료는 소성적으로 거동하며 이전 상태로 돌아가지 않는다. 즉, 항복 후에는 영구적인 비가역적 소성 변형(또는 점성 흐름)이 발생한다.

많은 재료는 고온에서 약해진다. 고온에서 강도를 유지하는 재료를 내화 재료라고 하며, 많은 용도에 유용하다. 예를 들어, 유리 세라믹은 우수한 기계적 특성을 나타내고 최대 1000°C까지 반복적이고 빠른 온도 변화를 견딜 수 있기 때문에 조리대 요리에 매우 유용해졌다.

항공 우주 산업에서 항공기 및/또는 우주선 외부 설계에 사용되는 고성능 재료는 열 충격에 대한 높은 저항력을 가져야 한다. 따라서 유기 고분자로 방사된 합성 섬유와 고분자/세라믹/금속 복합 재료 및 섬유 강화 고분자는 현재 이러한 목적으로 설계되고 있다.

4. 2. 열적 성질

고체는 열에너지를 가지고 있기 때문에, 고체를 구성하는 원자들은 질서 있는(또는 무질서한) 격자 내에서 고정된 평균 위치를 중심으로 진동한다. 결정성 또는 비결정질 네트워크에서 격자 진동의 스펙트럼은 고체의 운동론의 기초를 제공한다. 이러한 운동은 원자 수준에서 일어나므로, 분광법에 사용되는 것과 같은 고도로 전문화된 장비 없이는 관찰하거나 감지할 수 없다.

고체의 열적 특성에는 열전도도가 포함되는데, 이는 재료의 열을 전도하는 능력을 나타내는 재료의 특성이다. 고체는 또한 비열용량을 가지는데, 이는 재료가 열(또는 열 격자 진동)의 형태로 에너지를 저장하는 능력이다.

4. 3. 전기적 성질

고체의 전기적 성질은 전하의 흐름과 관련된 성질을 의미한다. 주요 전기적 성질에는 전기 저항률 및 전도율, 유전 강도, 전자기 투자율 및 유전율이 있다. 금속과 합금은 전기 전도체인 반면, 유리와 세라믹은 전기 절연체이다. 반도체는 그 중간에 해당한다. 금속의 전도성은 전자에 의해 발생하지만, 반도체에서는 전자와 정공 모두 전류에 기여한다. 이온 전도체에서는 이온이 전류를 전달한다.

많은 재료는 저온에서 초전도성을 보인다. 주석, 알루미늄과 같은 금속 원소, 다양한 금속 합금, 일부 고농도 도핑 반도체, 특정 세라믹 등이 이에 해당한다. 대부분의 전기 전도체는 온도가 낮아짐에 따라 전기 저항률이 점진적으로 감소하지만, 유한하게 유지된다. 그러나 초전도체에서는 재료가 임계 온도 이하로 냉각될 때 저항이 갑자기 0으로 떨어진다. 초전도 전선 루프에서 흐르는 전류는 전원 없이도 무기한 지속될 수 있다.

유전체는 전류 흐름에 매우 강한 저항을 갖는 물질이다. 플라스틱과 같은 유전체는 적용된 전기장을 자체 내에 집중시키는 경향이 있으며, 이러한 특성은 축전기에서 사용된다. 축전기는 밀접하게 배치된 한 쌍의 도체 사이에 전기장에 에너지를 저장하는 전기 장치이다. 축전기에 전압을 가하면 크기는 같지만 극성이 반대인 전하가 각 플레이트에 축적된다. 축전기는 에너지 저장 장치, 고주파수 및 저주파수 신호를 구분하는 전자 필터로 사용된다.

압전 효과는 결정이 외력에 의한 기계적 스트레스에 반응하여 전압을 생성하는 능력이다. 압전 효과는 가역적이어서, 압전 결정에 외부 전압을 가하면 미세하게 모양이 변할 수 있다. 고무, 양모, 머리카락, 목재 섬유, 실크와 같은 고분자 재료는 종종 전하 저장체처럼 작용한다. 예를 들어, 고분자 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)는 전통적인 압전 재료인 석영보다 몇 배 더 큰 압전 반응을 보인다. 이러한 변형(~0.1%)은 고전압 소스, 라우드스피커, 레이저, 그리고 화학, 생물학, 광음향 센서 및/또는 트랜스듀서와 같은 유용한 기술적 응용 분야에 적용된다.

4. 4. 광학적 성질

물질은 가시광선을 투과(예: 유리)하거나 반사(예: 금속)할 수 있다. 고체에는 유리처럼 투명한 것과 금속처럼 불투명한 것이 있다.

많은 물질은 특정 파장은 투과시키면서 다른 파장은 차단한다. 예를 들어, 창문 유리는 가시광선에 대해서는 투명하지만, 자외선 중 햇볕에 타는 원인이 되는 대부분의 주파수에는 훨씬 덜 투명하다. 이러한 특성은 입사광의 색상을 변경할 수 있는 주파수 선택적 광학 필터에 사용된다. 특정 파장만을 투과시키는 재료도 많다. 예를 들어, 창유리는 가시광선을 투과시키지만, 자외선 주파수 대역은 그다지 투과시키지 않는다. 이러한 성질은 주파수 선택성 광학 필터 등에 사용되고 있다.

어떤 목적에는 물질의 광학적 및 기계적 특성 모두가 중요할 수 있다. 예를 들어, 적외선 유도("열추적") 미사일의 센서는 적외선을 투과하는 커버로 보호되어야 한다. 고속 적외선 유도 미사일 돔에 현재 사용되는 물질은 단결정 사파이어이다. 사파이어의 광 투과율은 실제로 전체 중적외선 영역(3–5 μm)을 포괄하는 것은 아니지만, 상온에서 약 4.5 μm보다 큰 파장에서는 감소하기 시작한다. 사파이어의 강도는 상온에서 다른 사용 가능한 중적외선 돔 재료보다 우수하지만, 600 °C 이상에서는 약해진다. 광학 대역폭과 기계적 내구성 사이에는 오랫동안 상충관계가 존재해 왔으며, 투명 세라믹이나 광학 나노 복합재료와 같은 새로운 재료가 성능 향상을 제공할 수 있다. 용도에 따라서는 광학적 성질과 역학적 성질 모두 중요시되는 경우도 있다. 예를 들어, 적외선 추적식(열탐지식) 미사일에서는 적외선 센서의 커버는 적외선을 투과시키는 재료여야 한다. 이 때문에 현재의 적외선 추적식 미사일에서는 사파이어 단결정이 그 용도로 사용되고 있다. 사파이어는 중적외선 대역(3–5 μm)을 모두 투과하는 것은 아니고, 상온에서는 4.5 μm보다 긴 파장을 투과하지 않는다. 하지만 상온에서 적외선을 투과하는 물질 중에서는 가장 강도가 높고, 600 ℃ 이상이 될 때까지 강도가 유지된다. 이처럼 강도와 광학 특성을 양립시키는 것은 오랜 과제가 되고 있으며, 투명 세라믹스나 광학 나노 복합재료와 같은 신소재가 더 나은 성능을 보일 가능성이 있다.

유도 광파 전송에는 광섬유 분야와 특정 유리가 다양한 주파수(다중 모드 광 도파관)를 강도 손실이 적게 동시에 전송하고 서로 간섭이 거의 없는 능력이 포함된다. 광 도파관은 집적 광학 회로의 구성 요소 또는 광통신 시스템의 전송 매체로 사용된다. 도파광 전파에서는 광섬유 등을 사용하여 다양한 주파수의 빛으로 여러 신호를 동시에 전파한다. 광도파로는 광집적회로와 광통신 시스템의 광전송 매체로 사용되고 있다.

태양전지는 빛을 전기로 변환한다. 기본적으로 두 가지 기능이 필요하다. 하나는 빛을 흡수하는 재료로 빛으로부터 전하 운반자(전자와 정공)를 생성할 수 있는 것이고, 다른 하나는 전극에 그 전하 운반자들을 극성에 따라 분리하여 이동시켜 전류를 발생시키는 것이다. 이것을 광전 효과라고 하며, 태양전지와 관련된 연구 분야로는 광기전력학(photovoltaics)이 있다. 태양전지 또는 광전지(photovoltaic cell)는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 기본적으로 이 장치는 두 가지 기능만 수행하면 된다. 빛을 흡수하는 물질에서 전하 운반체(전자와 정공)를 광생성하고, 전기를 전달할 도전성 접촉부로 전하 운반체를 분리하는 것이다(간단히 말해, 금속 접촉을 통해 외부 회로로 전자를 운반하는 것). 이러한 변환을 광전 효과라고 하며, 태양전지와 관련된 연구 분야를 광전지(photovoltaics)라고 한다.

태양전지에는 다양한 용도가 있다. 오랫동안 전력망에서 전력을 공급받을 수 없는 상황, 예를 들어 원격 지역 전력 시스템, 지구 궤도 위성 및 우주 탐사선, 휴대용 계산기, 손목시계, 원격 무선 전화 및 급수 펌프 응용 분야에서 사용되어 왔다. 최근에는 인버터를 통해 전력망에 연결된 태양 전지판(광전지 어레이)의 조립체에 사용되기 시작하여 단독 전원으로서가 아니라 추가 전원으로서 역할을 한다. 벽지나 우주 공간 등 전력망이 없는 곳에서 전력원으로 사용되고 있으며, 그 외에도 계산기, 손목시계, 무선 전화, 펌프 등에 내장되어 있다. 최근에는 주택 등에 태양전지를 설치하여 발전하고, 그 전력을 전력망에 공급하는 것도 이루어지고 있다.

모든 태양전지는 세포 구조 내에 포함된 빛 흡수 물질이 광자를 흡수하고 광전 효과를 통해 전자를 생성해야 한다. 태양전지에 사용되는 재료는 지구 표면에 도달하는 태양광의 파장을 우선적으로 흡수하는 특성을 갖는 경향이 있다. 일부 태양전지는 지구 대기권 밖의 빛 흡수를 위해 최적화되기도 한다. 광자를 흡수함으로써 자유 전자를 발생시키고 있으므로, 태양전지에는 빛을 흡수하는 재료가 필요하다. 태양전지의 원료로는 지구 지표에 도달하는 태양광의 파장을 흡수하는 특성의 것이 우선적으로 채용되고 있지만, 그 중에는 대기권 밖에서의 발전에 최적화된 태양전지도 있다.

5. 관련 학문 분야

5. 1. 고체 물리학

고체물리학은 고체의 물리적 성질을 연구하는 학문이다. 결정 구조, 전자 구조, 열역학적 성질, 광학적 성질 등을 다룬다. 재료 과학, 전자 공학 등 다양한 분야의 기초가 된다.

5. 2. 고체 화학

고체 화학은 고체의 화학적 조성, 구조, 반응 등을 연구하는 학문이다. 새로운 고체 물질의 합성, 분석, 응용 등을 다루며, 재료 과학, 나노 기술 등 다양한 분야와 연관된다.

5. 3. 재료 과학

재료 과학은 고체의 물리적, 화학적 성질과 그 응용을 연구하는 학문이다. 새로운 재료의 개발, 기존 재료의 개선, 재료의 특성 평가 등을 다루며, 공학, 의학, 환경 등 다양한 분야에 기여한다.

참조

_[1] 서적 GENERAL BIOLOGY I: Molecules, Cells and Genes https://books.google[...] Dog Ear Publishing 2017-05-31
_[2] 서적 Nanotechnology: Understanding Small Systems, Third Edition https://books.google[...] CRC Press 2014-10-28
_[3] 서적 Accidental Injury: Biomechanics and Prevention https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2013-03-09
_[4] 서적 Materials Science https://books.google[...] Tata McGraw-Hill Education 1989
_[5] 서적 Science Foundation https://books.google[...] Letts and Lonsdale 2006-07-01
_[6] 서적 The Facts on File Chemistry Handbook https://books.google[...] Infobase Publishing 2009-01-01
_[7] 서적 Chemistry: A Conceptual Approach https://archive.org/[...] D. Van Nostrad Company 1975
_[8] 서적 Drilling in Extreme Environments: Penetration and Sampling on Earth and other Planets https://books.google[...] John Wiley & Sons 2009-08-04
_[9] 웹사이트 Ceramics http://autocww.color[...]
_[10] 학술지 Size effect on the melting temperature of gold particles http://infoscience.e[...] 1976
_[11] 서적 Handbook of materials and techniques for vacuum devices https://books.google[...] Springer 1995
_[12] 학술지 Inherent tensile strength of molybdenum nanocrystals 2009
_[13] 서적 Chemistry: A Conceptual Approach D. Van Nostrad Company
_[14] 학술지 Size effect on the melting temperature of gold particles
_[15] 서적 Handbook of materials and techniques for vacuum devices https://books.google[...] Springer
_[16] 학술지 Inherent tensile strength of molybdenum nanocrystals
_[17] 학술지 Growth and structure in abalone shell
_[18] 학술지 Rigid biological systems as models for synthetic composites

고체