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# 재료과학

재료과학(材料科學, 영어: materials science) 또는 신소재과학(新素材科學)은 재료를 연구하고 발견하는 학제간 분야이다. 재료공학(materials engineering)은 다른 분야와 산업에서 재료의 용도를 찾는 공학 분야이다.

재료과학의 지적 기원은 계몽시대에 연구자들이 야금학과 광물학에서 오래된 현상학적 관찰을 이해하기 위해 화학, 물리학, 공학의 분석적 사고를 사용하기 시작했을 때로 거슬러 올라간다. 재료과학은 여전히 물리학, 화학, 공학의 요소를 통합하고 있다. 따라서 이 분야는 오랫동안 학술 기관에서 이들 관련 분야의 하위 분야로 간주되었다. 1940년대부터 재료과학은 특정하고 독자적인 과학 및 공학 분야로 더 널리 인식되기 시작했으며, 전 세계 주요 공과대학들은 이 연구를 위한 전용 학과를 설립했다.

재료 과학자들은 재료의 역사(가공)가 그 구조에 어떻게 영향을 미치고, 따라서 재료의 특성과 성능에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 것을 강조한다. 가공-구조-특성 관계에 대한 이해를 재료 패러다임이라고 부른다. 이 패러다임은 나노 기술, 생체 재료, 금속공학을 포함한 다양한 연구 분야에서 이해를 증진하는 데 사용된다.

재료과학은 또한 손상 분석 – 과 법의공학의 중요한 부분으로, 의도한 대로 작동하지 않거나 실패하여 인명 피해나 재산 피해를 초래하는 재료, 제품, 구조 또는 부품을 조사한다. 이러한 조사는 예를 들어 다양한 항공 사고와 준사고의 원인을 이해하는 데 핵심적이다.

주어진 시대의 선호 재료는 종종 결정적인 지점이 된다. 석기 시대, 청동기 시대, 철기 시대, 철강 시대와 같은 단계는 임의적이지만 역사적인 예이다. 원래 세라믹 제조와 그 파생 금속공학에서 파생된 재료과학은 가장 오래된 형태의 공학 및 응용과학 중 하나이다. 현대 재료과학은 야금학에서 직접 진화했으며, 야금학 자체는 불의 사용에서 진화했다. 재료 이해의 주요 돌파구는 19세기 후반에 미국 과학자 조사이어 윌러드 기브스가 다양한 상에서 원자 구조와 관련된 열역학적 특성이 재료의 물리적 특성과 관련이 있음을 보여주었을 때 발생했다. 현대 재료과학의 중요한 요소들은 우주 경쟁의 산물이었다. 우주 탐사를 가능하게 하는 우주선을 만드는 데 사용된 금속 합금, 규소 및 탄소 재료에 대한 이해와 공학이 그것이다. 재료과학은 고무, 플라스틱, 반도체, 생체 재료와 같은 혁명적인 기술의 발전을 이끌어 왔고, 또 그에 의해 추진되어 왔다.

1960년대 이전(어떤 경우에는 수십 년 후에도)에는 많은 재료과학 부서들이 19세기 및 20세기 초반의 금속 및 세라믹에 대한 강조를 반영하여 야금학 또는 세라믹 공학 부서였다. 미국에서 재료과학의 성장은 부분적으로는 방위고등연구계획국에 의해 촉진되었는데, 이 기관은 1960년대 초반에 "재료과학 분야의 기초 연구 및 훈련 국가 프로그램을 확장하기 위해" 일련의 대학 주최 연구실에 자금을 지원했다. 기계 공학에 비해 초기의 재료과학 분야는 거시적 수준에서 재료를 다루고 미시적 수준에서의 행동 지식을 기반으로 재료를 설계하는 접근 방식에 중점을 두었다. 원자 및 분자 과정과 재료의 전체적인 특성 사이의 연결에 대한 지식이 확대됨에 따라, 재료 설계는 특정 원하는 특성을 기반으로 하게 되었다. 이후 재료과학 분야는 세라믹, 중합체, 반도체, 자기, 생체 재료 및 나노재료를 포함한 모든 종류의 재료로 확장되었으며, 일반적으로 세라믹, 금속, 중합체의 세 가지 뚜렷한 그룹으로 분류된다. 최근 수십 년 동안 재료과학의 두드러진 변화는 새로운 재료를 찾고, 특성을 예측하며, 현상을 이해하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 적극적으로 사용하는 것이다.

재료는 특정 용도에 사용될 목적으로 만들어진 물질(대부분 고체이지만 다른 응축상도 포함될 수 있음)로 정의된다. 우리 주변에는 수많은 재료가 있으며, 신기술의 건물과 자동차에서 우주선에 이르기까지 모든 곳에서 찾을 수 있다. 개발되고 있는 새롭고 진보된 재료에는 나노재료, 생체 재료, 그리고 에너지 재료 등이 있다.

재료과학의 기초는 재료의 구조, 재료를 만드는 가공 방법, 그리고 결과적인 재료 특성 사이의 상호 작용을 연구하는 것이다. 이러한 복잡한 조합은 특정 응용 분야에서 재료의 성능을 만들어낸다. 구성 화학 원소, 미세 구조, 그리고 가공에서 비롯된 거시적 특징에 이르기까지 다양한 길이 규모의 많은 특징들이 재료 성능에 영향을 미친다. 열역학 및 운동학의 법칙과 함께 재료 과학자들은 재료를 이해하고 개선하는 것을 목표로 한다.

구조는 재료과학 분야의 가장 중요한 구성 요소 중 하나이다. 이 분야의 정의 자체는 "재료의 구조와 특성 사이에 존재하는 관계"를 조사하는 것과 관련이 있다고 명시하고 있다. 재료과학은 원자 규모부터 거시 규모까지 재료의 구조를 조사한다. 특성 평가는 재료 과학자들이 재료의 구조를 검사하는 방법이다. 여기에는 엑스선, 전자 또는 중성자를 이용한 회절 방법과 라만 분광법, 에너지 분산 엑스선 분광학, 크로마토그래피, 열 분석, 전자 현미경 분석 등 다양한 형태의 분광학 및 화학 분석이 포함된다.

구조는 다음 수준에서 연구된다.

원자 구조는 재료의 원자와 이들이 배열되어 분자, 결정 등을 형성하는 방식을 다룬다. 재료의 전기적, 자기적, 화학적 특성 대부분은 이 수준의 구조에서 발생한다. 관련된 길이 스케일은 옹스트롬(Å) 단위이다. 화학 결합과 원자 배열(결정학)은 모든 재료의 특성과 거동을 연구하는 데 근본적이다.

재료 구조와 그 특성 간의 관계를 완전히 이해하기 위해 재료 과학자는 다양한 원자, 이온 및 분자가 어떻게 배열되고 서로 결합하는지 연구해야 한다. 여기에는 양자 화학 또는 양자 물리학의 연구 및 사용이 포함된다. 고체물리학, 고체화학 및 물리화학 또한 결합 및 구조 연구에 관여한다.

결정학은 결정질 고체에서 원자의 배열을 조사하는 과학이다. 결정학은 재료 과학자들에게 유용한 도구이다. 재료의 결정 구조에 관한 근본적인 개념 중 하나는 단위 격자인데, 이는 거시적인 결정 구조를 구성하기 위해 반복되는 결정 격자(공간 격자)의 가장 작은 단위이다. 가장 일반적인 구조 재료에는 평행육면체 및 육각형 격자 유형이 포함된다. 단결정에서는 원자의 결정 배열 효과를 거시적으로 쉽게 볼 수 있는데, 이는 결정의 자연스러운 형태가 원자 구조를 반영하기 때문이다. 또한 물리적 특성은 종종 결정 결함에 의해 제어된다. 결정 구조에 대한 이해는 결정 결함을 이해하기 위한 중요한 전제 조건이다. 결정 결함의 예로는 모서리, 나사, 공극, 자체 간극 등을 포함한 전위가 있으며, 이는 선형, 평면 및 3차원 유형의 결함이다. 개발되고 있는 새롭고 고급 재료에는 나노재료, 생체 재료가 포함된다. 대부분의 재료는 단결정 형태가 아니라 서로 다른 방향을 가진 작은 결정 또는 입자의 집합체인 다결정 형태로 존재한다. 이 때문에 다수의 결정을 가진 다결정 시료의 회절 패턴을 이용하는 분말 회절법이 구조 결정에 중요한 역할을 한다. 대부분의 재료는 결정 구조를 가지지만, 일부 중요한 재료는 규칙적인 결정 구조를 보이지 않는다. 중합체는 다양한 정도의 결정성을 나타내며, 많은 중합체는 완전히 비결정성이다. 유리, 일부 세라믹, 그리고 많은 천연 재료는 원자 배열에 장거리 질서가 없는 비정질 고체이다. 중합체 연구는 화학적 및 통계적 열역학의 요소를 결합하여 물리적 특성에 대한 열역학적 및 기계적 설명을 제공한다.

원자와 분자가 나노 규모(즉, 나노구조를 형성)로 구성된 재료를 나노재료라고 한다. 나노재료는 독특한 특성을 보여주기 때문에 재료과학계에서 집중적인 연구 대상이다.

나노구조는 1~100나노미터 범위의 물체 및 구조를 다룬다. 많은 재료에서 원자나 분자는 응집하여 나노 규모의 물체를 형성한다. 이는 많은 흥미로운 전기적, 자기적, 광학적, 기계적 특성을 유발한다.

나노구조를 설명할 때 나노 스케일에서 차원의 수를 구분해야 한다.

나노텍스처 표면은 나노 스케일에서 한 차원을 가진다. 즉, 물체 표면의 두께만 0.1nm에서 100nm 사이이다.

나노튜브는 나노 스케일에서 두 차원을 가진다. 즉, 튜브의 직경이 0.1nm에서 100nm 사이이고, 길이는 훨씬 더 길 수 있다.

마지막으로, 구형 나노입자는 나노 스케일에서 세 차원을 가진다. 즉, 입자가 각 공간 차원에서 0.1nm에서 100nm 사이이다. 나노입자와 초미세먼지 (UFP)라는 용어는 UFP가 마이크로미터 범위까지 도달할 수 있음에도 불구하고 종종 동의어로 사용된다. '나노구조'라는 용어는 종종 자기 기술을 언급할 때 사용된다. 생물학의 나노 스케일 구조는 종종 초미세 구조 (생물학)라고 불린다.

미세 구조는 25배 이상의 배율 현미경으로 나타나는 재료의 준비된 표면 또는 얇은 박편의 구조로 정의된다. 이는 100nm에서 몇 cm에 이르는 물체를 다룬다. 재료의 미세 구조(금속성, 중합체성, 세라믹성 및 복합 재료로 크게 분류될 수 있음)는 강도, 인성, 연성, 굳기, 내식성, 고/저온 거동, 내마모성 등과 같은 물리적 특성에 강하게 영향을 미칠 수 있다. 대부분의 전통적인 재료(예: 금속 및 세라믹)는 미세 구조를 가진다.

재료의 완벽한 결정을 제조하는 것은 물리적으로 불가능하다. 예를 들어, 모든 결정질 재료는 침전, 결정립계(홀-페치 관계), 공극, 침입형 원자 또는 치환형 원자와 같은 결정 결함을 포함한다. 재료의 미세 구조는 이러한 더 큰 결함을 드러내며, 시뮬레이션의 발전은 결함이 재료 특성을 향상시키는 데 어떻게 사용될 수 있는지에 대한 이해를 증가시켰다.

거대 구조는 수 밀리미터에서 수 미터 규모의 재료의 모습으로, 육안으로 보이는 재료의 구조이다.

재료는 다음과 같은 수많은 특성을 나타낸다.

재료의 특성은 사용 적합성과 공학적 응용 분야를 결정한다.

합성 및 가공은 원하는 미세-나노구조를 가진 재료를 만드는 것을 포함한다. 경제적으로 실현 가능한 생산 방법이 개발되지 않으면 재료는 산업에서 사용될 수 없다. 따라서 합리적으로 효과적이고 비용 효율적인 재료 가공 방법을 개발하는 것은 재료과학 분야에 필수적이다. 다른 재료는 다른 가공 또는 합성 방법을 필요로 한다. 예를 들어, 금속 가공은 역사적으로 청동기 시대와 철기 시대와 같은 시대를 정의했으며, 재료과학의 한 분야인 물리 야금학에서 연구된다. 화학적 및 물리적 방법은 중합체, 세라믹, 반도체, 박막과 같은 다른 재료를 합성하는 데도 사용된다. 21세기 초 현재, 그래핀과 같은 나노재료를 합성하는 새로운 방법이 개발되고 있다.

열역학은 열과 온도 및 이들의 에너지 및 일과의 관계를 다룬다. 이는 물질 또는 복사체의 일부를 설명하는 거시 규모 변수(예: 내부 에너지, 엔트로피, 압력)를 정의한다. 열역학은 이러한 변수의 거동이 모든 재료에 공통적으로 적용되는 일반적인 제약 조건의 영향을 받는다고 명시한다. 이러한 일반적인 제약 조건은 열역학의 네 가지 법칙으로 표현된다. 열역학은 물체의 거시적 거동을 설명하며, 분자와 같은 매우 많은 수의 미시적 구성 요소의 미시적 거동은 설명하지 않는다. 이러한 미시적 입자의 거동은 통계역학에 의해 설명되며, 열역학 법칙은 통계역학에서 파생된다.

열역학 연구는 재료과학에 근본적이다. 이는 화학 반응, 자기, 분극성, 탄성을 포함한 재료과학 및 공학의 일반적인 현상을 다루는 기초를 형성한다. 이는 상평형 그림과 같은 근본적인 도구와 상 열역학 평형과 같은 개념을 설명한다.

화학 반응속도론은 평형 상태가 아닌 시스템이 다양한 힘의 영향으로 변화하는 속도를 연구하는 학문이다. 재료과학에 적용될 때, 이는 특정 분야의 적용으로 인해 재료가 시간과 함께 어떻게 변화하는지(비평형 상태에서 평형 상태로 이동하는지)를 다룬다. 이는 모양, 크기, 구성 및 구조를 포함하여 재료에서 발생하는 다양한 과정의 속도를 상세히 설명한다. 확산은 재료가 변화하는 가장 흔한 메커니즘이기 때문에 동역학 연구에서 중요하다. 동역학은 재료 가공에 필수적인데, 무엇보다도 열의 적용에 따라 미세 구조가 어떻게 변하는지를 상세히 설명하기 때문이다.

재료과학은 매우 활발한 연구 분야이다. 재료과학 학과와 함께 물리학, 화학, 그리고 많은 공학 학과가 재료 연구에 참여하고 있다. 재료 연구는 광범위한 주제를 다루며, 다음의 비포괄적인 목록은 몇 가지 중요한 연구 분야를 강조한다.

나노재료는 원칙적으로 단일 단위가 (적어도 한 차원에서) 1에서 1000 나노미터(10−9 미터) 사이의 크기를 가지는 재료를 설명하지만, 일반적으로 1nm에서 100nm이다. 나노재료 연구는 나노기술에 대한 재료과학 기반 접근 방식을 취하며, 미세가공 연구를 지원하기 위해 개발된 재료 도량형학 및 합성 기술의 발전을 활용한다. 나노 스케일에서 구조를 가진 재료는 종종 독특한 광학적, 전자적 또는 기계적 특성을 가진다. 나노재료 분야는 전통적인 화학 분야와 같이 느슨하게 유기(탄소 기반) 나노재료(예: 풀러렌)와 규소와 같은 다른 원소를 기반으로 하는 무기 나노재료로 조직된다. 나노재료의 예로는 풀러렌, 탄소 나노튜브, 나노결정 등이 있다.

생체 재료는 생체 시스템과 상호작용하는 모든 물질, 표면 또는 구조물이다. 생체 재료 과학은 의학, 생물학, 화학, 조직 공학 및 재료 과학의 요소를 포괄한다.

생체 재료는 자연에서 유래하거나 금속 성분, 중합체, 바이오세라믹, 또는 복합 재료를 사용하여 다양한 화학적 접근 방식으로 실험실에서 합성될 수 있다. 이들은 종종 자연 기능을 수행, 증진 또는 대체하는 생체 의료 기기와 같은 의료 응용을 위해 의도되거나 개조된다. 이러한 기능은 심장판막에 사용되는 것과 같이 양성일 수도 있고, 수산화인회석으로 코팅된 고관절 임플란트와 같이 더 상호작용적인 기능을 가진 생체 활성일 수도 있다. 생체 재료는 또한 매일 치과 응용, 수술 및 약물 전달에 사용된다. 예를 들어, 약제 성분이 함유된 구조물을 체내에 삽입하여 장기간에 걸쳐 약물이 지속적으로 방출되도록 할 수 있다. 생체 재료는 또한 장기 이식 재료로 사용되는 자가 이식, 동종 이식 또는 이종 이식일 수도 있다.

반도체, 금속 및 세라믹은 오늘날 고도로 복잡한 시스템(예: 통합 전자 회로, 광전자 장치 및 자기 및 광학 대용량 저장 매체)을 형성하는 데 사용된다. 이러한 재료는 현대 컴퓨팅 세계의 기초를 형성하므로 이러한 재료에 대한 연구는 매우 중요하다.

반도체는 이러한 유형의 재료의 전통적인 예이다. 이는 전기 전도체와 절연체 사이의 특성을 가지는 재료이다. 이들의 전기 전도도는 불순물 농도에 매우 민감하여, 바람직한 전자적 특성을 얻기 위해 도핑을 사용할 수 있다. 따라서 반도체는 전통적인 컴퓨터의 기초를 형성한다.

이 분야에는 초전도 재료, 스핀트로닉스, 메타 물질 등과 같은 새로운 연구 분야도 포함된다. 이러한 재료의 연구에는 재료과학 및 고체물리학 또는 응집물질물리학 지식이 필요하다.

컴퓨팅 능력의 지속적인 증가와 함께 재료의 거동을 시뮬레이션하는 것이 가능해졌다. 이를 통해 재료 과학자들은 거동과 메커니즘을 이해하고, 새로운 재료를 설계하며, 이전에 잘 이해되지 않았던 특성을 설명할 수 있다. 통합 계산 재료 공학에 대한 노력은 이제 계산 방법과 실험을 결합하여 주어진 응용 분야에 대한 재료 특성을 최적화하는 데 드는 시간과 노력을 획기적으로 줄이는 데 중점을 둔다. 여기에는 밀도범함수 이론, 분자동역학, 몬테카를로, 전위 역학, 위상장 모델, 유한요소법 등 다양한 방법을 사용하여 모든 길이 스케일에서 재료를 시뮬레이션하는 것이 포함된다.

급진적인 재료 발전은 새로운 제품이나 심지어 새로운 산업의 창출을 이끌 수 있지만, 안정적인 산업 또한 재료 과학자들을 고용하여 현재 사용되는 재료의 점진적인 개선 및 문제 해결을 수행한다. 재료 과학의 산업 응용에는 재료 설계, 산업 생산에서 비용-효익 상충 관계, 가공 방법(주조, 굴림 운동, 용접, 이온 주입, 결정 성장, 박막 증착, 소결, 유리 세공 등) 및 분석 방법(전자 현미경, 엑스선 회절, 열량 측정, 핵 미세현미경(HEFIB), 러더퍼드 후방 산란, 중성자 회절, 소각 엑스선 산란(SAXS) 등)이 포함된다.

재료 특성 평가 외에도 재료 과학자 또는 엔지니어는 재료를 추출하고 유용한 형태로 변환하는 작업을 다룬다. 따라서 주괴 주조, 주조 공정 방법, 용광로 추출 및 전해 추출은

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