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재료공학

last modified: 2015-04-06 14:56:15 Contributors

Contents

1. 개요
2. 재료과학의 학부 교육과정
3. 재료공학에서 다루는 영역
3.1. 기계적 특성
3.2. 광학적 특성

1. 개요

Materials Science and Engineering
모든 공업의 씨앗이자 기반이 되는 지식

인간에게는 무에서 유를 창조할 재주가 없기 때문에, 지구상에 널려 있는 물질들 중 원하는 목표를 이루는 데 필요한 기본적인 것, 즉 '재료'를 선택하여 다른 유용한 것들을 만들어 왔다. 이 때 재료를 효과적으로 이용하는 데 필요한 재료의 성질에 대한 연구 역시 지속적으로 행해져야 하며, 재료공학은 이를 담당하는 공학 분야를 지칭한다. 여기에서는 우리가 일상생활에서 접할 수 있는 물질들이 가지는 특성과 그 물질의 원자 수준 혹은 분자 수준의 구조 사이의 연관관계를 주로 연구하고, 여기에서 파생되어서 어떤 문제를 해결하는데 필요한 특성을 가진 물질을 찾거나 혹은 그러한 특성을 가질 수 있게 어떤 물질의 구조를 특정한 형태를 이루도록 설계한다거나, 아니면 순수 학문처럼 물질을 구성하는 원자들의 기본적인 특성들을 연구한다거나 하는 등의 넓은 범위에 걸쳐서 일을 한다.

공학의 범주에 들어가지만 재료의 물성 그 자체에 대한 탐구를 응용 못지 않게 중요하게 여기는, 다분히 자연과학적인 시점을 견지하고 있기도 한 분야이다. 영어 명칭도 Materials Science (and Engineering) 으로 직역하면 재료'과학'. 물론 최근 추세는 다들 먹고 살 길을 찾기 위해 응용 연구가 활발한 편이다.

본디 독립적인 분야로 되어 있는 전공은 아니었으나, 1953년 미국의 노스웨스턴大에서 금속공학 전공 대학원을 설립한 것을 시발점으로 하여 재료공학이라는 학문이 만들어지게 되었다. 원래 금속공학(야금학)은 재료공학이라는 말이 생기기 전부터 발달된 학문이었고, 19세기부터 금속공학은 이미 정립된 학문분야였다. 그러나 금속뿐만 아니라 신소재 개발이나 연구를 위해 여러 학문의 지식을 하나로 엮는 일을 필요로 했는데, 당시 노스웨스턴 대학교에서 이를 처음으로 시행하였고 인정받았다.

21세기에 뜨거운 감자로 부상한 나노공학이나 나노기술 역시 재료공학에서 담당하고 있다. 이렇게 넓은 범위에서 활동하다 보니 자연스럽게 여러 학문들과 영역을 겹칠 때가 많이 생기며 특히 물리학화학의 경우는 재료공학과 분리될 수가 없다. 특히 결정구조와 관련된 연구가 많으므로 체물리에 관해서는 많은 지식은 필수적이며, 빌어먹을 키텔 나노 구조물을 연구할 때에는 양자 역학에 대한 많은 지식도 필요하다. 에르빈 슈뢰딩거 개갞끼! 범죄 현장의 증거를 분석할 때도 재료공학의 지식이 필요하다. 따라서 대학교 졸업 후, 석사나 박사 과정을 하다보면, 어느 순간 자신이 재료공학과인지 다른 과인지 헷갈리는 경우도 제법 있다.[1]

재료공학이란 이름 때문에 사람들이 수준이 낮은 학문이라 생각하는 경향이 있어서 많은 대학들에서 신소재공학 등의 보다 세련되어보이는 이름으로 지칭하는 말을 바꾸는 경향이 있다. 하지만 신소재의 개발 및 연구라는 것은 재료공학에서 다루는 많은 영역들 중 단지 한 부분일 뿐이며 재료공학이 갖는 본연의 임무를 온전히 표방하지 못하는 학과명이라는 의견도 존재한다. 여전히 서울대, 부산대, 홍익대 항공대 등 유수의 공과대학에서는 재료공학이라는 학과 명칭을 고수하고 있다. 그렇다고 신소재공학이란 이름을 쓰는 학교가 수준이 낮다는 것은 아니다. 고려대학교, 포항공과대학교, 카이스트, 연세대학교, 한양대학교같은 또다른 유수의 공과대학들 또한 신소재공학과 라는 이름을 쓰고 있다. 그래서 이 항목도 신소재 공학에 리다이렉트가 걸려 있다.

이 학과를 졸업하게되면 보통 철강, 반도체(회로 설계가 아닌 공정이나 차세대 메모리 등), 디스플레이, 태양전지, LED, 2차 전지 등을 업종으로 하는 회사에 취직한다.

2. 재료과학의 학부 교육과정

대학교에 따라 그 커리큘럼에 차이가 굉장히 큰 편인데, 앞서 말했듯 여러 학문을 엮는 공학인지라 학교별로 추구하는 목표가 다르기 때문이다.

  • 수학 : 미적분학, 선형대수, 공업수학
  • 물리학 : 일반물리학
  • 화학 : 일반화학, 물리화학

위에 써놓은 것은 학교나 세부전공에 의해 거의 차이가 나지 않는 반드시 공부해야 하는 기초과학에 해당한다. 이런 과목을 배우고 나면 본격적인 재료공학이 시작된다. 다만 재료공학에서는 알려진 바와는 달리 물리학이 화학보다 훨씬 더 많이 쓰이고, 그중에서도 고전물리학(뉴튼)이 양자물리보다 더 많이 쓰인다. [2]


  • 재료공학개론(Introduction to Materials Science and Engineering) : 재료공학이 어떤 학문인지를 알게 되는 개론 과목.
  • 결정학(Crystallography): 결정(Crystal)을 이루고 있는 재료의 구성 원자가 공간상에서 이루고 있는 구조에 대한 기하학적인 분석을 다루는 과목. 전공필수에 포함되어 체계적인 교육을 시키는 곳이 재료공학 외에는 없을 정도로 마이너한 학문이다. 얼마나 마이너한지, 결정학 과목의 주교재는 한국어 번역본이 없을 때가 많다.
  • 재료열역학(Thermodynamics of Materials) : 재료의 상변태 등에 수반되는 열역학적 이론을 배우는 과목. 물리화학의 고전열역학 부분을 선이수할 것을 추천한다. Gaskell의 '재료열역학'(5판)의 번역본이 2009년에 나와 있다. [3]
  • 상평형론(Phase Equilibria) : 여러 가지 합금과 재료들의 상평형도(Phase Diagram)을 해석하는 법을 배우는 과목. 재료과를 전기과, 화공과, 기계과와 차별화하는 과목이다. 재료과 출신들은 거의 대부분이 상평형도를 읽을 줄 아는데, P-T_C 상평형도로부터 재료의 microstructure와 그에 이르는 여러가지 물성들을 예측할 수 있다. 이 과목은 상변태 과목과 유사하나 상평형론을 해석하고 미시적인 부분에서 이해한다는 점이 차이점이다. 이 과목을 완벽하게 이해하면 형상기억합금, 수소저장합금등의 신소재들의 원리를 이해할 수 있다.
  • 상변태(Phase Transformation): 특정 온도, 압력, 조성에서 나타나는 재료의 상(phase) 및 상의 전이에 대한 이론을 배우는 과목. 이 과목을 배우고 나면 물이 얼었다 녹았다 하는 현상과 용광로에서 강철을 뽑아내는 것이 근본적으로 동일한 현상이라는 것을 이해하게 된다. 재료열역학을 선이수할 것을 추천한다. Porter의 '금속상변태'(3판)의 번역본이 2010년에 나와 있다.

위에 써놓은 것은 학교나 세부전공에 의해 거의 차이가 나지 않는 반드시 공부해야 하는 재료과학에 해당한다. 대부분 학교에서 전공필수로 지정되어 있다.

그 외에 현대물리학, 유기화학, 재료역학, 재료의 기계적 성질, 재료의 전자기적 성질 등이 전공필수과목인 경우가 많다.

전공선택과목은 더욱 많다.

3. 재료공학에서 다루는 영역

일반적인 분류로는 금속, 무기재료(Ceramics), 고분자(Polymers)로 나누지만, 전자재료나 생체재료 등 많은 재료들이 있기 때문에 일일이 기술하는 것은 사실상 불가능하다.

  • 재료분석(Materials Analysis) : SEM이나 TEM, SPM 같은 전자현미경, 원자현미경이나 XRD, XPS, XRF, AES, SIMS 등의 분석장비를 다루는 오퍼레이터들은 물리학과 아니면 재료공학과 출신이다. 오오 그거슨 밥줄
  • 전산재료학 (Computational Materials Science) : 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션으로 재료의 물성을 규명하는 재료공학의 한 갈래이다. 재료공학에서 다루는 재료의 범위가 광범위하기 때문에 전산재료학에도 거리와 시간의 단위에 따라 다양한 시뮬레이션 방법이 존재한다. 원자 혹은 분자 단위의 계산으로는 재료를 구성하고 있는 원자들에 대한 슈뢰딩거 방정식을 푸는 제일원리 계산(First principle calculation, 혹은 Ab-initio calculation), 원자들 간에 작용하는 힘을 계산하는 분자동역학(Molecular dynamics) 등이 있고, 보다 큰 단위의 재료를 계산하는 데 쓰이는 계산으로는 유한요소법(Finite element method)등이 있다. 실제 재료를 컴퓨터로 완벽히 모사할 수 없기 때문에 이러한 계산에는 다양한 근사가 포함되는데, 계산의 정확도를 높이기 위해서는 더 좋은 컴퓨터가 필요하다. 이 때문에 실제 계산은 주로 슈퍼컴퓨터를 통해 진행된다. 대표적인 소프트웨어로는 VASP [4], SIESTA, quantum espresso, NAMD, COMSOL 등이 있다.어쩐지 제일원리 관련 소프트웨어가 많아 보인다면 기분 탓이다


3.1. 기계적 특성

재료는 결정구조에 따라 기계적인 특성이 결정이 된다. 재료공학에서 다루는 기계적 특성은 토목공학과 기계공학에서 다루는 고체역학과는 조금 다르다. 두 학과에서 배우는 재료역학 과목은 재료의 거시적인 기계적인 물성을 공부하는데 주력한다. 왜냐하면 그들이 이 과목을 배우는 이유는 기계의 안정성과 여러가지 보를 이용한 건축물들의 역학 원리를 공부하기 위함이다. 재료공학에서 배우는 기계적인 물성은 거시적인 여러 재료들의 기계적인 물성을 우선 다룬다. Strain-Stress curve를 바탕으로 금속, 폴리머 등의 기계적인 물성을 배우고 더 나아가 재료의 상평형도를 통해 재료의 micro structure가 재료가 가지는 기계적인 물성에 어떤 영향을 미치는지를 중점적으로 배운다. 재료공학실험 중 파괴에 관해서도 재료의 열처리 등 공정 과정이 재료의 미세구조에 어떤 영향을 미쳐 Grain size와 Grain boundary에 어떤 변화가 생기는지 배우고 이와 관련하여 dislocation의 움직임을 예측함으로써 재료의 기계적인 물성을 조금 더 미시적 관점에서 이해한다는 점이 포인트이다.


3.2. 광학적 특성

물체에 전자기파, 특히 가시광선이 입사할 때의 성질을 말한다. 금속재료는 페르미 준위에 빈 에너지 상태가 존재하고 밴드갭을 무시할 수 있어 대부분의 가시광선을 흡수해 불투명하지만, 유전체 절연체는 밴드갭이 커서 대부분의 가시광선을 투과하여 투명하다.[5] 유전체는 대신 투과된 빛들이 굴절되는 현상을 갖는데, 이때 이 굴절율은 근사값을 갖는다.

유전체의 경우, 도체나 반도체보다 밴드갭이 크다. 그러므로 가시광선보다 파장이 긴 빛, 그러니까 적외선에 대해서도 투명한 빛 역시 흡수할 수 있다. 한편 이런 물질에 불순물이 있게 되면 특정 파장의 빛이 (일부) 흡수되면서 그 파장에 따라 색깔이 나타나게 된다. 대표적인 경우가 크롬이 도핑된 알루미나, 즉 루비이다. 실리카 유리에 코발트 산화물이 섞이게 되면 파장이 긴 붉은 색에서 흡수가 일어나 푸른 유리가 되고, 실리카 유리에 포함되는 수산화기 OH영역의 흡광이 일어나는데, 이런 파장에서는 광통신을 잘 사용할 수 없으므로 흡광계수가 낮은 파장에서 광통신을 사용한다.

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  • [1] 예로, 전자재료를 연구하다 보면, 자신이 전기공학 인지 재료공학 인지 구분하기가 어려울 정도. 생체재료를 연구할 경우, 생명공학과 구분이 모호해진다. 물론 재료공학에서는 앞서 말했듯 결정구조나 열역학을 베이스로 많은 공부를 하기에 차이가 있다.
  • [2] 물론 반도체관련 재료에서는 양자물리가 월등히 많이 쓰인다.
  • [3] 기계공학에서 다루는 공업열역학, 화학공학에서 다루는 화공열역학과는 많은 차이점이 있다. 재료공학에서는 닫힌 계(closed system)에 대해서 중점적으로 다룬다. 본래 거시적인 의미의 열역학은 보통 열린 계(open system)까지도 고려하는 게 일반적인데, 이는 물질 및 에너지 전달 프로세스를 매우 중시하는 기계공학화학공학에서 추구하는 방향이다.
  • [4] Vienna Ab-initio Simulation Package. 제일원리 계산 관련해서 상당히 높은 사용률을 보이는 소프트웨어다
  • [5] 정확히는 금속재료는 라디오파, 적외선, 가시광선 자외선 등을 흡수하여 불투명하나 에너지가 높은 엑스선과 감마선에서는 투명해진다.