재료공학

1. 개요
2. 역사
3. 재료공학의 연구분야
3.1. 연구방법
3.2. 기초 과학
3.3. 재료의 성질에 따른 분류
3.4. 재료의 사용 목적에 따른 분류
3.5. 공정
4. 관련 문서

1. 개요

Materials Science and Engineering(MSE), 재료과학과 공학[1]

화학물질의 미시적 구조로부터 공학에서 요구되는 거시적 성질을 이끌어내어 공업재료를 창출하는 공정을 연구한다. 따라서 재료공학의 키워드는 세가지다.

  • 미시적 구조: 화학과 원자-분자-광 물리학에서 다루는 분자 이하의 성질.
  • 거시적 성질: 인장강도, 인성, 가공성 등 응집물질 물리학/고체물리학에서 다루는 성질들.
  • 공정: 열역학, 상평형, 상변태 등 화학공학에서 다루는 공법들.

Materials Science and Engineering이라는 명칭에도 나오듯이, 재료공학은 공학의 범주에 들어가지만 재료의 물성 그 자체에 대한 탐구를 응용 못지않게 중요하게 여기는, 다분히 자연과학적인 시점을 견지하고 있는 분야이다. QS 대학평가에서는 Materials Science로 자연과학으로 분류되어 있다.

2. 역사

본디 독립적인 분야로 되어 있는 전공은 아니었으나, 1953년 미국의 노스웨스턴 대학교에서 금속공학 전공 대학원을 설립한 것을 시발점으로 하여 재료공학이라는 학문이 만들어지게 되었다. 현재 우리나라의 각 대학 재료공학과 교수들 및 포스코 등 철강 관련 대기업 연구소의 고위 연구원들의 상당수가 바로 노스웨스턴 대학교 금속공학과 대학원 출신이다. 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 나노과학 역시 재료공학이 연구하고 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 고체물리에 관해서는 많은 지식은 필수적이며 나노 구조물을 연구할 때에는 양자역학에 대한 많은 지식도 필요하다. 이후 위상부도체가 조명되면서 위상수학까지 파야 되는 경우도 생긴다.[2] 따라서 대학교 졸업 후, 석사나 박사 과정을 하다보면, 어느 순간 자신이 재료공학과인지 다른 과인지 헷갈리는 경우도 제법 있다.[3] 혹은 반대로 화학과나 물리학과 출신 재료공학 교수들도 흔히 찾아볼 수 있다.

재료공학이 많이 활용되는 산업으로는 철강, 반도체[4], 디스플레이, 태양전지, LED, 2차 전지 산업 등이 있다.

3. 재료공학의 연구분야

다루는 재료 그 자체의 분류에 따라 금속재료, 무기재료(세라믹), 유기재료 및 복합재료(Composite) 등으로 분류할 수 있다. 다만 이 분류는 잘 쓰이지 않는다. 실제 설계에 있어서 한가지 종류의 소재만 쓰는 경우는 드물기 때문이다. 그래서 재료를 사용하는 목적을 기준으로 구조재료, 전자재료, 에너지재료, 생체재료 등으로 나누는 편이다.

3.1. 연구방법

  • 재료분석(Materials Analysis): SEM이나 TEM, SPM 같은 전자현미경, 원자현미경이나 XRD, XPS, XRF, AES, SIMS 등의 분석장비를 다루는 오퍼레이터들은 물리학과 아니면 재료공학과 출신이다.
  • 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 밀도범함수 이론(Density functional theory, DFT)에 따라 간략화 시켜 푸는 제일원리 계산(First-principles calculations, 혹은 Ab-initio calculations), 원자들 간에 작용하는 힘을 계산하는 분자동역학(Molecular dynamics) 등이 있고, 보다 큰 단위의 재료를 계산하는 데 쓰이는 계산으로는 유한요소해석(Finite element method)등이 있다. 실제 재료를 컴퓨터로 완벽히 모사할 수 없기 때문에 이러한 계산에는 다양한 근사가 포함되는데, 더 큰 시스템에 대한 계산을 진행하거나 정밀도 높은 계산을 위해서는 더 좋은 컴퓨터가 필요하다. 이 때문에 실제 계산은 주로 클러스터 컴퓨터나 KISTI의 tachyon2 같은 슈퍼컴퓨터를 통해 진행된다. 대표적인 소프트웨어로는 VASP[5], SIESTA, quantum espresso, Gaussian, NAMD, COMSOL, Abaqus 등이 있다.

3.2. 기초 과학

  • 물리학
    • 고체물리학 / 응집물질물리학: 재료공학은 사실상 고체물리에 약간의 화학을 곁들인 응용 버전이라고 봐도 과언이 아니다.
      • 탄성론
      • 소성론
      • 결정학
    • 원자-분자-광 물리학
    • 열역학 및 통계역학: 상평형 및 상전이
  • 화학
    • 물리화학
      • 고체화학
      • 전기화학: 전기재료 관련에서 쓰임.
    • 유기화학
    • 고분자화학
    • 무기화학

3.3. 재료의 성질에 따른 분류

  • 유기재료
    • 고분자재료
    • 의생체재료
  • 야금학(Metallurgy/Metallurgical Engineering ): 금속가공에 대한 학문이다. 사실 이 학문이 가장 오래된 재료과학 분야라고 할 수 있는데, 학문적 관심사 자체도 대장장이가 칼을 담금질하면서 강화하는 것이 어떻게 가능한 것인지를 규명하는 것에서 시작했다. 금속공학과가 따로 있을 때 파던 과목. 물론 내용 자체는 현재의 재료공학과에서도 거의 동일하게 가르친다. 다만 비중 자체는 금속공학과 시절보다 줄어든 편.
    • 합금: 상당수의 재료공학과는 금속 공학/야금학(Metallurgical Engineering) 학과로부터 확장되어 생겨났다. 산업 혁명 이후 가장 먼저 대단위로 연구된 재료가 바로 강철이기 때문이다. 21세기에도 강철, 티타늄, 알루미늄은 밥줄이자 기본 중의 기본이다.
  • 세라믹스(Ceramics): 세라믹 재료에 대한 학문이다.
  • 표면과학(Surface Science)
  • 광학 재료(Optical Materials)
  • 메타 물질(Metamaterial)
  • 나노재료
  • 스핀재료
  • 전기재료
  • /
    • 하이드로겔(hydrogel)
    • 오가노겔(organogel)
    • 에어로젤(aerogel)
    • 제로겔(xerogel)
  • 재료응고, 고체재료
    • 단결정성장
    • 응고열역학
    • 응고계면과학
  • 박막재료 Thin Film

3.4. 재료의 사용 목적에 따른 분류

  • 구조재료(건축공학/토목공학)
  • 에너지재료(전기공학)
  • 의생체재료(의공학/생명공학)
  • 섬유재료(섬유공학)

3.5. 공정

  • 유기재료공정
    • 생체재료공정
    • 고분자재료공정
  • 무기재료공정
    • 세라믹재료공정
    • 금속재료공정
    • 촉매

4. 관련 문서


  1. [1] 대학교 학부(과)명으로는 보통 DMSE라고 한다.(Department of ~)
  2. [2] 고체물리, 양자역학, 위상부도체 등은 전자재료에서 주로 다루는 학문과 주제다. 금속, 유기, 생체분야 등 다른 분야를 위한 공부는 또 다르다.
  3. [3] 전자재료를 연구하다 보면, 자신이 전자공학인지 재료공학 인지 구분하기가 어려울 정도. 생체재료를 연구할 경우, 생명공학과 구분이 모호해진다. 물론 재료공학에서는 앞서 말했듯 결정구조나 열역학을 베이스로 많은 공부를 하기에 차이가 있다.
  4. [4] 회로 설계가 아닌 공정이나 차세대 메모리 등
  5. [5] Vienna Ab-initio Simulation Package. DFT 계산에 관련해서 가장 높은 사용률을 보이는 소프트웨어다. 일본애들 빼면 대부분 VASP 쓴다. 5.4.1 부터는 GPGPU도 된다.

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