1.1 신소재

728x90

Reporting Date: September. 26, 2024

신소재의 정의와 물질의 분류 체계 전반에 대해 다루고자 한다.

목차
01 재료기술의 발전
02 과학과 공학의 정의
03 고체의 구분 - 구성성분
04 물질의 분류 계통
05 반도체 (Semiconductor)
06 고체의 구분 - 결정질 (Crystalline)
07 역사적 배경

01 재료기술의 발전

소재 (재료, Material)

어떤 것을 만드는 데 바탕이 되는 재료.


신소재 (Advanced Material)

기존에 존재하지 않았거나, 기존의 소재에 비해 새로운 특성, 기능을 가진 소재.
이러한 소재는 현대 산업의 다양한 요구에 부응하기 위해 개발된다.

산업적 중요성

신소재는 새로운 기술이나 제품의 개발에 기초가 되는 소재로 사용된다.
전자기기, 항공 우주, 생명공학 등 여러 분야에서 신소재의 활용이 두드러진다.

기존 소재의 재발견

신소재의 범위는 단순히 완전히 새로운 물질에 국한되지 않는다.
기존의 소재(철, 알루미늄 등)도 새로운 특성이 발견되거나
첨단 산업에서 활용될 경우 신소재로 간주될 수 있다.

이는 과거에 비해 더 효율적이거나 혁신적인
사용 방식으로 발전시키는 것을 포함한다.

기존 소재의 새로운 활용

이전에는 쓸모없던 소재가 첨단 산업에서의 새로운 용도로 사용될 경우,
이러한 소재 또한 신소재의 범위에 포함된다.

특정 폐기물이 재활용되어 새로운 제품으로
재탄생하는 경우가 이에 해당된다.

신소재의 발전과 응용

신소재의 개발은 기술 혁신을 통해 이루어지며,
이는 새로운 물리적, 화학적, 기계적 성질을 통해 가능해진다.

연구와 개발을 통해 기존의 한계를 넘어서고,
다양한 산업의 요구에 맞춘 새로운 응용 가능성을 여는 것이 주된 목표이다.

신소재는 과학적 원리와 공학적 응용이 결합하여 발전한다.

과학 (科學, Science)

자연 현상과 물질의 성질을 이해하고 설명하는 학문.

이를 위해 실험과 관찰을 통해 데이터와 원리를 수집하고,
이론을 개발하여 자연의 규칙을 파악하는 것이 주요 목표이다.

주로 " 왜? " 라는 질문에 답하고, 현상을 설명하는 데 중점을 둔다.

공학 (工學, Engineering)

과학적 원리를 실제 문제를 해결하는 데 응용하는 분야.

이는 주어진 자원과 기술을 활용하여 인류의 필요를 충족시키는
제품, 시스템, 과정 등을 설계하고 개발하는 과정을 포함한다.

주로 " 어떻게? " 라는 질문에 초점을 맞추며,
실용적이고 기능적인 솔루션을 창출하는 데 중점을 둔다.

03 고체의 구분 - 구성성분

유기재료 (有機材料, Organic Materials)

주로 탄소를 포함한 화합물로 구성되며, 생명체에서 유래하는 물질.

동물의 배설물로 자란 식물에서 얻어지는 화학 비료 없이
자연적으로 성장한 유기체에서 비롯된 물질을 포함한다.

유기물은 탄소, 수소, 산소 등의 원소로 이루어져 있다.

무기재료 (無機材料, Inorganic Materials)

일반적으로 탄소와 수소의 결합을 포함하지 않는 물질.

무기물은 금속, 광물, 세라믹, 그리고
일반적으로 자연계에서 발견되는 다양한 물질을 포함한다.

기 (基)

'기'라는 개념은 여러 맥락에서 사용될 수 있는데,
여기서는 물질이나 기계, 또는 장기의 기본 원리와 역할을 의미한다.

기계의 기(機)는 기능이나 역할을 나타내고,
생명체의 기(氣)는 생명 활동에 필수적인 원리와 물질적 기반을 의미한다.

유기화학과 무기화학

유기화학은 탄소 화합물의 구조, 성질, 반응을 연구하는 분야이며,
무기화학은 탄소 화합물을 제외한 물질의 화학을 연구하는 분야이다.

두 분야는 소재의 출발점으로 중요한 역할을 한다.

04 물질의 분류 계통

금속 (Metals)

전도성이 뛰어나고, 강도와 연성이 좋은 특성을 지니고 있다.
일반적으로 기계적 성질에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다.

금속은 독립적으로 연구되며, 다양한 산업에서 기초 재료로 활용된다.

섬유 (Fibers)

천연 섬유 (면, 울)와 합성 섬유 (나일론, 폴리에스터)로 나눌 수 있다.
주로 직물, 의류, 그리고 복합 재료로 사용된다.

반도체 (Semiconductors)

전기적 성질이 금속과 절연체 사이에 위치한 물질.
일반적으로 실리콘과 같은 원소가 사용된다.

전자 기기에서 중요한 역할을 하며,
이 분야는 전문적이고 복잡하여 다루기 어려운 경우가 많다.

세라믹 (Ceramics)

비금속 무기물로, 일반적으로 내열성, 경도, 내식성이 우수하다.
도자기, 타일, 전자기기 부품 등 다양한 용도로 사용된다.

고분자 (Polymers)

반복적인 단위로 구성된 분자로, 플라스틱과 같은 합성 고분자가 포함된다.
다양한 특성을 가질 수 있으며, 생활용품에서 산업용 자재까지 폭넓게 사용된다.

바이오소재 (Biomaterials)

생체적합성을 갖춘 물질로, 의학 및 생명공학 분야에서 사용된다.
인공장기, 조직 공학, 약물 전달 시스템 등에 활용된다.

나노소재 (Nanomaterials)

나노미터 규모의 물질로, 독특한 물리적, 화학적 성질을 가지고 있다.
다양한 산업 분야에서 혁신적인 응용이 가능하다.

05 반도체 (Semiconductor)

전도체와 절연체의 중간 성질을 가지며,
전기 전도도가 특정 조건에 따라 변하는 물질이다.

일반적으로 전기가 잘 통하지 않지만, 특정한 조건이나
불순물을 추가함으로써 전기 전도성을 조절할 수 있다.

부도체 → 도체

순수한 실리콘(Si)과 같은 반도체는 기본적으로 부도체이다.
하지만 여기서 불순물(붕소, 인)을 도핑함으로써 전기 전도성을 조절할 수 있다.

붕소를 추가하면 p형 반도체가 생성되고, 인을 추가하면 n형 반도체가 생성된다.
이들 두 가지 유형의 반도체가 결합하여 다양한 전자기기를 만든다.

전류 제어

반도체는 전류의 흐름을 제어하는 데 매우 중요한 역할을 한다.
이를 통해 스위치, 다이오드, 트랜지스터 등의 다양한 전자 소자를 만들 수 있다.
전자 산업에서 반도체 소자는 신호 증폭, 스위칭, 전력 관리 등 다양한 기능을 수행한다.

다양한 성질 구현

과거에는 금속 재료를 대량으로 사용하여 회로를 구성해야 했지만,
현재는 극소량의 불순물을 도핑함으로써 다양한 특성을 가진
반도체 소자를 제조할 수 있게 되었다.

이러한 변화는 전자 기기의 소형화와 성능 향상에 기여하고 있다.

06 고체의 구분 - 결정질 (Crystalline)

원자가 규칙적으로 배열되어 3차원 구조를 형성한 물질.
이러한 배열의 규칙성을 " 크리스탈 " 이라고 부른다.

결정을 구성하는 원자 간의 결합이 일정한 패턴을 유지하는 것이 특징이다.

단결정 (Single Crystal)

원자 구조가 하나의 규칙적 배열로 이루어진 결정.
즉, 결정의 모든 부분이 동일한 결정 격자 구조를 가진다.

다이아몬드, 실리콘 등이 있다.
이들은 특정한 방향으로 잘라내어도 동일한 성질을 유지한다.

다결정 (Multicrystalline)

여러 개의 단결정들이 집합하여 형성된 결정이다.
각 결정이 규칙성이 다르며, 여러 개의 결정이 혼합되어 있는 상태.

대부분의 금속, 세라믹 등에서 다결정 형태가 흔히 나타난다.

비정질 (Amorphous)

원자 배열에 규칙성이 없는 상태.
즉, 원자가 무작위로 배열되어 있어 일정한 구조를 가지지 않는다.

결정과 구분하기 위해 ~~" 비결정 "~~ 이라고도 부르지 않는다.
유리, 고분자 물질 등이 있으며, 이들은 특정한 형태나 구조를 갖지 않는다.

결정 분포

생명체를 제외한 자연에서 존재하는 모든 물질은 일반적으로 다결정 상태로 발견된다.
이는 자연에서 형성되는 과정에서 여러 결정이 섞이고 각기 다른 결합을 이루기 때문이다.

단결정을 만들기 위해서는 강압적인 제약을 가해야 하므로 제조 비용이 비싸다.
비정질 물질은 단결정에 비해 제조가 덜 복잡하지만 여전히 어려움이 따른다.

LED 발광 성능

결정 구조 및 원소의 산소(O) 포함 여부에 따라 다르며,
이는 결정질 특성과 관련이 있다.

07 역사적 배경

프로메테우스 (Προμηθεύς, Promētheus)

그리스 신화에서 인간에게 불 을 가져다준 신으로,
인간 문명의 상징적인 역할을 한다.

불의 상징성

인간이 자연환경을 극복하고 발전하는 데 기여한 중요한 요소이다.

불의 최초 사용 (약 50만 년 전)

인간이 불을 처음 사용하게 되면서 생긴 독보적인 3 가지 역할이 있다.

1. 식품의 변질과 살균

불로 고기와 생선을 조리함으로써, 미생물의 생존을 막고
식품이 더 부드럽고 맛있어지는 효과를 얻었다.

2. 영양 섭취 증가

조리된 식사는 소화가 용이하고 영양소의 흡수를 촉진하여,
인류의 식생활을 풍요롭게 만들었다.

3. 뇌의 성장

더 나은 영양 상태는 뇌의 발달을 촉진하여 인지 능력이 향상되고,
결과적으로 인간의 수명이 연장되는 데 기여했다.

농경생활의 시작

강가 주변의 촉촉한 흙에 떨어진 식물의 씨앗이 잘 자라는 것을 관찰한
초기 인류는, 강가에서 농사를 시작하게 되었다.

이러한 경험은 인간이 정착 생활을 하게 되는 중요한 계기가 된다.
농사를 잘하는 사람들이 중심이 되어 점차 부족이 형성되었고,
이는 사회적 구조와 협력의 시작을 알렸다.

도자기 제조의 혁신

강가 주변의 흙을 이용해 만든 그릇이 햇볕 에 말려 단단해지는 것을 발견하였고,
불로 가열했을 때 그 성질이 획기적으로 변화함을 알게 되었다.

이로 인해 최초의 토기가 만들어지게 되었으며,
이는 재료 공학의 출발점이 되었다.

신석기 시대

토기에서 발견된 곡물의 잔해들은 농경생활과 강가의 정착 생활을 추론하는 데 도움을 준다.
이러한 발견은 신석기 시대의 특징을 나타내며, 인류의 생활 방식에 큰 변화를 가져온 시기를 알린다.