재료과학

섬네일|alt=Six classes of conventional engineering materials.|기존 공학 재료의 여섯 가지 등급
재료과학(材料科學, ) 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 분석과 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.

역사

섬네일|upright=0.9|후기 청동기 시대 검 또는 단검 날
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.

기초

섬네일|upright=1.14|사면체 형태로 표현된 재료 패러다임
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.

구조
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 구조
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.

결합

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.

결정학

섬네일|화학식 ABX3를 가진 페로브스카이트의 결정 구조
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.

나노구조

섬네일|left|upright=0.7|버크민스터풀러렌 나노구조
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 구조

섬네일|right|펄라이트의 미세 구조
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 구조
거대 구조는 수 밀리미터에서 수 미터 규모의 재료의 모습으로, 육안으로 보이는 재료의 구조이다.

속성

재료는 다음과 같은 수많은 특성을 나타낸다.
 기계적 특성, 재료역학 참조
 화학적 특성, 화학 참조
 전기적 특성, 전기 참조
 열적 특성, 열역학 참조
 광학적 특성, 광학 및 광자학 참조
 자기적 특성, 자기 참조
재료의 특성은 사용 적합성과 공학적 응용 분야를 결정한다.

가공
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.

열역학

섬네일|left|upright=1.15|공융점을 나타내는 이원계 상평형 그림
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.

동역학

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.

연구
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.

나노재료

섬네일|upright=0.9|탄소 나노튜브 묶음의 주사 전자 현미경 이미지
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 재료

섬네일|upright=0.9|left|앵무조개 껍데기 안쪽의 무지개빛 진주층 (물질)
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.

전자, 광학 및 자기
섬네일|upright=0.8|음의 굴절률 메타물질
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.

계산 재료 과학

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.

산업
섬네일|329x329px|세 가지 재료 유형(세라믹(유리), 금속(알루미늄), 중합체(플라스틱))의 음료 용기.
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 모두 재료 엔지니어에게 필요한 지식의 일부이다. 종종 벌크 재료에 미량의 2차 원소 및 화합물의 존재, 부재 또는 변화는 생산되는 재료의 최종 특성에 크게 영향을 미친다. 예를 들어, 강철은 함유된 탄소 및 기타 합금 원소의 1/10 및 1/100 중량 퍼센트를 기준으로 분류된다. 따라서 용광로에서 철을 추출하는 데 사용되는 추출 및 정제 방법은 생산되는 강철의 품질에 영향을 미칠 수 있다.

고체 재료는 일반적으로 세라믹, 금속, 고분자의 세 가지 기본 분류로 나뉜다. 이 광범위한 분류는 고체 재료의 경험적 구성 및 원자 구조를 기반으로 하며, 대부분의 고체는 이들 광범위한 범주 중 하나에 속한다. 이들 재료 유형으로 자주 만들어지는 품목은 음료 용기이다. 음료 용기에 사용되는 재료 유형은 사용되는 재료에 따라 다양한 장점과 단점을 제공한다. 세라믹(유리) 용기는 광학적으로 투명하고, 이산화탄소 통과에 불침투성이며, 비교적 저렴하고, 쉽게 재활용되지만, 무겁고 쉽게 파손된다. 금속(알루미늄 합금)은 비교적 강하고, 이산화탄소 확산에 대한 좋은 장벽이며, 쉽게 재활용된다. 그러나 캔은 불투명하고, 생산 비용이 많이 들고, 쉽게 찌그러지고 구멍이 뚫린다. 고분자(폴리에틸렌 플라스틱)는 비교적 강하고, 광학적으로 투명할 수 있으며, 저렴하고 가벼우며, 재활용될 수 있지만, 알루미늄과 유리만큼 이산화탄소 통과에 불침투적이지 않다.

세라믹 및 유리

섬네일|upright=0.9|Si3N4 세라믹 베어링 부품
재료과학의 또 다른 응용 분야는 세라믹과 유리에 대한 연구인데, 이는 일반적으로 산업적 관련성이 가장 높은 취성 재료이다. 많은 세라믹과 유리는 SiO2(실리카)를 기본 구성 요소로 하는 공유결합 또는 이온-공유결합을 나타낸다. 세라믹은 가공되지 않은 점토와 혼동해서는 안 되며, 일반적으로 결정질 형태로 나타난다. 상업용 유리의 대다수는 금속 산화물이 실리카와 융합된 형태이다. 유리를 준비하는 데 사용되는 고온에서 재료는 점성 액체이며, 냉각 시 무질서한 상태로 고화된다. 창유리와 안경은 중요한 예시이다. 유리 섬유는 또한 장거리 통신 및 광학 전송에 사용된다. 긁힘 방지 코닝 고릴라 글래스는 재료과학을 적용하여 일반 부품의 특성을 획기적으로 개선한 잘 알려진 예이다.

공학용 세라믹은 고온, 압축 및 전기적 스트레스 하에서의 강성과 안정성으로 유명하다. 알루미나, 탄화 규소 및 탄화 텅스텐은 바인더와 함께 소결 과정을 통해 구성 성분의 미세 분말로부터 만들어진다. 열간 압축은 더 높은 밀도의 재료를 제공한다. 화학 기상 증착은 다른 재료 위에 세라믹 필름을 형성할 수 있다. 서멧은 일부 금속을 포함하는 세라믹 입자이다. 공구의 내마모성은 코발트 및 니켈 금속상이 일반적으로 특성을 수정하기 위해 첨가되는 시멘트 카바이드에서 파생된다.

세라믹은 균열 편향 원리를 사용하여 공학 응용 분야에 크게 강화될 수 있다. 이 과정은 세라믹 매트릭스 내에 이차 상 입자를 전략적으로 추가하고, 그 모양, 크기 및 분포를 최적화하여 균열 전파를 유도하고 제어하는 것을 포함한다. 이 접근 방식은 파괴 인성을 향상시켜 다양한 산업에서 고급 고성능 세라믹을 만들 수 있는 길을 열어준다.

복합 재료

섬네일|right|upright=0.9|6마이크로미터 직경의 탄소 필라멘트(왼쪽 하단에서 오른쪽 상단으로 이어짐)가 훨씬 큰 사람 머리카락 위에 놓여 있다.
산업에서 재료 과학의 또 다른 응용 분야는 복합 재료를 만드는 것이다. 이들은 두 개 이상의 거시적 상으로 구성된 구조 재료이다.

응용 분야는 철근 콘크리트와 같은 구조 요소에서부터 NASA의 우주왕복선 내열 시스템에서 핵심적이고 필수적인 역할을 하는 단열 타일까지 다양하며, 이는 우주 왕복선의 표면을 지구 대기권 재진입 시 발생하는 열로부터 보호하는 데 사용된다. 한 가지 예로는 강화 탄소-탄소 복합재 (RCC)가 있는데, 이는 회색 재료로, 재진입 온도를 까지 견디며 우주 왕복선의 날개 앞전과 코 캡을 보호한다. RCC는 흑연 레이온 섬유로 만들어지고 페놀 수지로 함침된 적층 복합 재료이다. 고온에서 경화시킨 후 고압멸균기에서 적층판을 열분해하여 수지를 탄소로 변환하고, 진공 챔버에서 푸르푸릴 알코올로 함침시킨 후, 경화-열분해하여 푸르푸릴 알코올을 탄소로 변환한다. 재사용을 위한 산화 저항성을 제공하기 위해 RCC의 외부 층은 탄화 규소로 변환된다.

다른 예는 텔레비전, 휴대폰 등의 "플라스틱" 케이스에서 볼 수 있다. 이러한 플라스틱 케이스는 일반적으로 ABS 수지와 같은 열가소성 플라스틱 매트릭스로 구성된 복합 재료이며, 여기에 탄산 칼슘 분필, 활석, 유리섬유 또는 탄소섬유가 강도, 부피 또는 정전기 분산을 위해 추가되었다. 이러한 추가물은 목적에 따라 보강 섬유 또는 분산제로 불릴 수 있다.

중합체

섬네일|left|upright=0.9|중합체 폴리프로필렌의 반복 단위
섬네일|확장 폴리스타이렌 중합체 포장재
중합체는 사슬처럼 연결된 수많은 동일한 구성 요소로 이루어진 화합물이다. 중합체는 일반적으로 플라스틱과 고무라고 불리는 것을 만드는 데 사용되는 원료(수지)이다. 플라스틱과 고무는 하나 이상의 중합체 또는 첨가제가 가공 중에 수지에 첨가된 후 최종 형태로 성형되어 만들어지는 최종 제품이다. 과거와 현재 널리 사용되는 플라스틱으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화 비닐 (PVC), 폴리스타이렌, 나일론, 폴리에스터, 아크릴, 폴리우레탄, 폴리카보네이트 등이 있다. 고무에는 천연 고무, 스타이렌뷰타다이엔고무, 클로로프렌, 뷰타다이엔 고무 등이 있다. 플라스틱은 일반적으로 범용, 특수, 엔지니어링 플라스틱으로 분류된다.

폴리염화 비닐 (PVC)은 널리 사용되고 저렴하며 연간 생산량이 많다. 인조피혁에서 전기 절연 및 케이블링, 포장, 용기에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 적합하다. 그 제조 및 가공은 간단하고 잘 확립되어 있다. PVC의 다용성은 수용하는 다양한 가소제 및 기타 첨가제에 기인한다. 중합체 과학에서 "첨가제"라는 용어는 중합체 기반에 첨가되어 재료 특성을 변형하는 화학 물질 및 화합물을 의미한다.

폴리카보네이트는 일반적으로 엔지니어링 플라스틱으로 간주된다 (다른 예로는 PEEK, ABS가 포함된다). 이러한 플라스틱은 우수한 강도 및 기타 특수 재료 특성 때문에 가치가 있다. 이들은 일반적으로 범용 플라스틱과 달리 일회용 응용 분야에는 사용되지 않는다.

특수 플라스틱은 초고강도, 전기 전도성, 전기 형광성, 높은 열 안정성 등과 같은 고유한 특성을 가진 재료이다.

다양한 유형의 플라스틱 간의 구분선은 재료가 아닌 특성과 응용 분야를 기반으로 한다. 예를 들어, 폴리에틸렌 (PE)은 쇼핑백과 쓰레기 봉투를 만드는 데 일반적으로 사용되는 저렴하고 마찰이 적은 중합체이며 범용 플라스틱으로 간주된다. 반면 중밀도 폴리에틸렌 (MDPE)은 지하 가스 및 수도관에 사용되며, 초고분자량 폴리에틸렌 (UHMWPE)이라는 또 다른 종류는 산업 장비의 활주 레일과 임플란트 고관절의 저마찰 소켓으로 광범위하게 사용되는 엔지니어링 플라스틱이다.

금속 합금

섬네일|upright|강철 합금으로 만든 와이어 로프
철의 합금(강철, 스테인리스강, 무쇠, 공구강, 합금강)은 오늘날 수량과 상업적 가치 모두에서 금속의 가장 큰 부분을 차지한다.

다양한 비율의 탄소와 합금된 철은 저, 중, 고탄소강을 생성한다. 철-탄소 합금은 탄소 수준이 중량 기준으로 0.01%에서 2.00% 사이인 경우에만 강철로 간주된다. 강철의 경우, 강철의 굳기와 인장 강도는 존재하는 탄소의 양과 관련이 있으며, 탄소 수준이 증가하면 연성 및 인성도 감소한다. 그러나 담금질 및 템퍼링과 같은 열처리 공정은 이러한 특성을 크게 변화시킬 수 있다. 이와 대조적으로, 인바와 같은 특정 금속 합금은 온도 범위에 걸쳐 크기와 밀도가 변하지 않는 독특한 특성을 나타낸다. 주철은 2.00% 이상 6.67% 미만의 탄소를 포함하는 철-탄소 합금으로 정의된다. 스테인리스강은 중량 기준으로 10% 이상의 크로뮴 합금 함량을 가진 일반 강철 합금으로 정의된다. 니켈과 몰리브데넘도 일반적으로 스테인리스강에 첨가된다.

다른 중요한 금속 합금은 알루미늄, 티타늄, 구리 및 마그네슘의 합금이다. 구리 합금은 오랫동안 (청동기 시대부터) 알려져 왔지만, 다른 세 금속의 합금은 비교적 최근에 개발되었다. 이러한 금속의 화학적 반응성 때문에 필요한 전해 추출 공정은 비교적 최근에 개발되었다. 알루미늄, 티타늄 및 마그네슘의 합금은 높은 강도 대 중량비와 마그네슘의 경우 전자기 차폐를 제공하는 능력으로도 알려져 있고 높이 평가된다. 이러한 재료는 항공우주 산업 및 특정 자동차 공학 응용 분야와 같이 대량 비용보다 높은 강도 대 중량비가 더 중요한 상황에 이상적이다.

반도체

반도체는 도체와 절연체 사이의 저항률을 가진 재료이다. 현대 전자제품은 반도체를 기반으로 하며, 이 산업은 2021년에 5300억 달러 규모로 추정되었다. 의도적으로 불순물을 도입하는 도핑 과정을 통해 전자적 특성을 크게 변경할 수 있다. 반도체 재료는 다이오드, 트랜지스터, 발광 다이오드 (LED), 그리고 아날로그 및 디지털 전기 회로 등을 만드는 데 사용된다. 반도체 소자는 대부분의 응용 분야에서 열이온 장치와 같은 진공관을 대체했다. 반도체 장치는 단일 개별 장치로도 제조되고, 단일 반도체 기판 위에 제조 및 상호 연결된 수 개에서 수백만 개의 장치로 구성된 집적 회로 (IC)로도 제조된다.

오늘날 사용되는 모든 반도체 중 규소가 수량과 상업적 가치 모두에서 가장 큰 부분을 차지한다. 단결정 규소는 반도체 및 전자공업에 사용되는 웨이퍼를 생산하는 데 사용된다. 비소화 갈륨 (GaAs)은 두 번째로 인기 있는 반도체이다. 규소에 비해 전자 이동도와 포화 속도가 높아 고속 전자 응용 분야에 선호되는 재료이다. 이러한 우수한 특성은 휴대폰, 위성 통신, 마이크로파 지점 간 링크 및 고주파 레이더 시스템에 GaAs 회로를 사용하는 강력한 이유가 된다. 다른 반도체 재료에는 저마늄, 탄화 규소 및 질화 갈륨이 있으며 다양한 응용 분야에 사용된다.

다른 분야와의 관계
섬네일|311x311px|복합 물질 용어에 대한 구글 엔그램 뷰어 다이어그램 (1940–2018). 녹색: "재료과학", 빨간색: "응집물질물리학", 파란색: "고체 물리학".
재료과학은 1950년대부터 발전했는데, 이는 새로운 재료를 창조하고, 발견하며, 설계하기 위해서는 통일된 방식으로 접근해야 한다는 인식이 있었기 때문이다. 그리하여 재료과학 및 공학은 여러 방식으로 출현했다: 기존의 야금학 및 세라믹공학 학과를 개명 및 통합하고, 기존의 고체물리학 연구(그 자체로 응집물질물리학으로 성장함)에서 분리되며, 비교적 새로운 고분자공학 및 고분자과학을 통합하고, 이전 분야는 물론 화학, 화학공학, 기계공학, 전기공학 등과 재결합하는 등이다.

재료과학 및 공학 분야는 과학적 관점뿐만 아니라 응용 분야에서도 중요하다. 재료는 시스템을 설계할 때 적절한 재료를 사용하는 것이 중요하기 때문에 엔지니어(또는 기타 응용 분야)에게 매우 중요하다. 결과적으로 재료과학은 엔지니어 교육에서 점점 더 중요한 부분이 되고 있다.

재료 물리학은 물리학을 사용하여 재료의 물리적 특성을 설명하는 것이다. 이는 화학, 고체역학, 고체물리학 및 재료과학과 같은 자연과학의 통합이다. 재료 물리학은 응집물질물리학의 하위 집합으로 간주되며, 근본적인 응집 물질 개념을 기술적으로 중요한 재료를 포함한 복잡한 다상 매체에 적용한다. 재료 물리학자들이 현재 작업하는 분야에는 전자, 광학 및 자기 재료, 새로운 재료 및 구조, 재료의 양자 현상, 비평형 물리학 및 연성 물질 물리학이 포함된다. 새로운 실험 및 계산 도구는 재료 시스템을 모델링하고 연구하는 방식을 끊임없이 개선하고 있으며, 재료 물리학자들이 작업하는 분야이기도 하다.

이 분야는 본질적으로 학제간이며, 재료 과학자 또는 엔지니어는 물리학자, 화학자 및 엔지니어의 방법을 인지하고 활용해야 한다. 반대로, 생명 과학 및 고고학과 같은 분야는 생체모방 및 고생물학 영감 접근 방식에서 새로운 재료 및 공정 개발에 영감을 줄 수 있다. 따라서 이러한 분야와 밀접한 관계가 유지된다. 반대로, 많은 물리학자, 화학자 및 엔지니어는 분야 간의 상당한 중복 때문에 재료과학 분야에서 일하게 된다.

새로운 기술

하위 분야
재료과학의 주요 분야는 세라믹, 금속, 중합체 및 복합 재료의 네 가지 주요 재료 등급에서 파생된다.
 세라믹공학
 금속공학
 고분자과학 및 고분자공학
 복합 재료 공학

또한 재료에 상관없이 광범위하게 적용 가능한 노력이 있다.
 재료 특성 평가 (분광학, 현미경학, 회절)
 계산 재료 과학
 재료 정보학 및 재료 선택

또한 특정 현상 및 기술에 대한 재료 전반에 걸친 비교적 광범위한 초점이 있다.
 결정학
 표면과학
 마찰학
 마이크로일렉트로닉스

관련 또는 학제간 분야
 응집물질물리학, 고체물리학 및 고체화학
 나노 기술
 광물학
 초분자화학
 생체 재료 과학

전문 학회
 미국 세라믹 학회
 ASM 인터내셔널
 철강 기술 협회
 재료 연구 학회
 광물, 금속 및 재료 학회

 같이 보기 

 바이오 기반 재료
 바이오플라스틱
 법의 재료 공학
 계산 재료 과학 소프트웨어 목록
 새로운 재료 과학 기술 목록
 재료 과학 저널 목록
 재료 분석 방법 목록
 공상 과학 소설 속 재료 과학
 재료 기술 연표

 각주 
인용

참고 문헌
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

더 읽어보기
 Timeline of Materials Science at The Minerals, Metals & Materials Society (TMS) accessed March 2007