재료화학 2010 응용화학공학 전공 2학년.

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1 재료화학 2010 응용화학공학 전공 2학년

2 재료란 무엇인가? 재료 (材料) ①물건을 만들 때, 그 바탕으로 사용하는 것.
(사전적의미) 재료 (材料) ①물건을 만들 때, 그 바탕으로 사용하는 것. 건축 ∼ / 공작 ∼ / 빵을 만들 ∼를 준비하다. ②어떤 일을 하기 위한 거리. 나팔꽃을 연구 ∼로 삼다. ③증권 거래에서, 장세를 움직이게 하는 요인.

3 재료의 종류 재료 (Materials) 금속 (metals) – Fe, Cu, Au, Ag, etc…
세라믹스 (ceramics) – Al2O3, SiO2, etc… 고분자 (Polymer) – 플라스틱, 고무, 섬유, 액정… 복합재료 (composite materials) : 금속+세라믹, 세라믹+고분자, 금속+고분자 금속 (金屬) ①열이나 전기를 잘 전도하고, 펴지고 늘어나는 성질이 풍부하며, 특수한 광택을 가진 물질. 수은을 제외하고는 상온에서 고체임. 쇠붙이. 세라믹 (ceramics) 고온에서 구워 만든 비금속 무기질 고체 재료. 유리·도자기·시멘트·내화물(耐火物) 등을 이름. 플라스틱 (plastic) (화학) 가소성(可塑性)이 있고 가열에 의해 연화(軟化)하며 임의의 형태로 성형(成型)할 수 있는 고분자 물질의 총칭. 천연적인 것과 합성품이 있는데, 보통은 합성 수지를 가리킴. 일용품·기계 부품·건축 재료 등에 널리 쓰임. 복합 (複合) [보캅] 둘 이상이 결합하여 하나를 이루는 것.

4 재료의 구분 구조재료 - 우수한 기계적강도 요구재료 - 강도, 탄성율 기능성재료
구조재료 - 우수한 기계적강도 요구재료 - 강도, 탄성율 기능성재료 전기적 특성(electrical properties) 자기적 특성(magnetic properties) 화학적 특성(chemical properties) 광학적 특성(optical properties)

5 금속(Metal)이란? 주기율표 (Periodic Table of Elements) 고체상태에서 결정구조를 갖는다.
전기 및 열의 양도체이다. 전성 및 연성이 좋다. 금속광택을 갖는다 부식된다. 리싸이클링이 용이하다. 주기율표 (Periodic Table of Elements) 103개 원소 중 원자번호 93번 이상 : 인공적으로 만들어진 원소 자연존재원소: 92종 이 중 금속원소 68종, 아금속원소 7종, 비금속원소 17종

6 원소의 주기율표 금속: 노란색, 비금속: 녹색, 아금속(metalloid): 청색

7 세라믹스(Ceramics)란? 금속이 아니고 또한 유기물도 아닌 고체, 즉 어렵게 표현하면 ‘비금속 무기질 고체재료’ 이다.
금속이 아니고 또한 유기물도 아닌 고체, 즉 어렵게 표현하면 ‘비금속 무기질 고체재료’ 이다. 금속성원소 + 비금속성 원소 = 세라믹스 (Al, Zr, Ti, Pb) + (O, N, Si, C) = 산화물, 질화물, 규화물, 탄화물 특성 열, 전기의 부도체 높은 경도 (보석류) : C(다이아몬드), Al2O3(사파이어), SiO2 강도가 약하다.(충격에 약하다.) 녹이 슬지 않는다. 타지 않는다.(내열성이 있다) 화학적 안정성이 뛰어남 : 부식이 없음

8 세라믹스 제품 기계적 부품 여러 가지 전자 부품 세라믹 가위 알루미나 기판

9 고분자(Polymer)란? 단위체(monomer)들이 수만, 때로는 수백만이 모여서 형성된 거대한 분자 결합방식 : 공유결합
열가소성고분자와 열경화성고분자로 구분 특징 - 가볍고, 물성이 우수하며, 디자인자유도가 우수하다 - 금속, 세라믹스 대비 열에 약하지만 대량생산이 가능함 고분자의 종류 - 합성고분자 : Monomer를 중합하여 제조한 고분자 : 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 에폭시... - 천연고분자 : 천연고무, 녹말(Starch), 단백질, DNA...

10 복합재료란 ? Composite materials라고 한다 고분자 복합재료 조성
고분자 + 세라믹 + coupling agent 고분자 : 열가소성, 열경화성 고분자 세라믹 : Glass fiber, Carbon fiber, Clay, Talc, CaCO3 적용분야 자동차부품, 건축용 부품, 가전제품등에 광범위 적용

11 Automotive parts Electronic Appliance

12 원자모형 고대 그리스 톰슨(20세기 초) 쉬레딩거 보어(1913년) 물질의 최소단위 원자에 전자가 붙어있다.
전자는 고정된 경로에 있지 않다. 보어(1913년) 원자핵주위에 전자가 띄엄띄엄 떨어져 돌고 있다.

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14 동위원소 (isotope): - 같은 수의 양성자를 가지고 있지만, 다른 수의 중성자를 가지고 있음. - 원자의 화학적 성질은 그 전자에 의하여 결정되기에 동위원소들은 거의 같은 화학적 특성 갖음. 그림. 소듐의 두 동위원소. 두 종류 모두 11개의 양성자와 전자를 갖지만, 중성자의 수는 서로 다르다.

15 분자 원자나 이온이 화학결합에 의하여 몇 개가 모여 그 물질의 특성을 가진 최소단위 기체인 경우 : 대부분이 분자의 형태
액체나 고체인 경우 : 이온성 화합물이나 거대분자로 이루어지는 물질을 제외한 것만이 분자로 이루어진다고 하며, 이것을 분자성 물질

16 안정한 Ne 의 전자구조를 가짐. 전하는 +1. 질량수=양성자수(원자번호)+중성자수 Na 이온(Na+):
Na 원자에서 M각의 전자가 떨어진 상태 안정한 Ne 의 전자구조를 가짐. 전하는 +1. 나트륨 원자에서 최외각인 M각에 있는 전자 하나가 떨어진 상태는 전체적으로 +1의 전하를 띠는 이온이 됩니다. 이 나트륨 이온은 주기율표에서 살펴 보았듯이 네온의 안정한 전자구조와 같은 구조를 가집니다. 차이는 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자의 개수가 다른 것입니다. 나트륨이온의 원자핵에 양성자의 개수가 하나 더 많으므로 주위에 있는 전자들과의 결합력이 더 커져 전자들이 원자핵으로 더 끌려 들어가 네온 원자보다 크기가 더 줄어들 것 입니다. 나트륨 이온의 전자구조 (Na : 질량수 23, 원자번호 11) 네온의 전자구조 (Ne: 질량수 20, 원자번호 10) 질량수=양성자수(원자번호)+중성자수

17 분자와 이온 Dalton은 최초로 화합물이 원자의 집합체임을 인지.
그러나 원자의 구조나 원자들이 서로 결합하는 방식에 대해서는 모름. 현재는 원자가 전자들을 갖고 있으며, 이 전자들이 원자간 결합에 참여한다는 것을 앎. 화학 결합 (chemical bond): 화합물 내에서 원자들이 붙어 있도록 잡아 두는 힘. 공유 결합 (covalent bond): 전자를 공유하여 결합을 형성. 분자 (molecule): 공유 결합으로 형성된 원자의 집합체. 분자로 이루어진 화합물에서 각 분자는 독립적인 단위체로 움직인다. 3/9a

18 화학식 (chemical formula): 원자의 종류를 원소 기호로, 원자들의 수를 아래 첨자로
나타내는 분자를 표현하는 방법. 예: 이산화 탄소 (CO2), 수소 (H2), 물 (H2O), 산소(O2), 암모니아(NH3), 메테인 (CH4) 구조식 (structural formula): 각 결합을 선으로 표현하는 분자를 표현하는 방법. 예: 물 암모니아 (쐐기 모양은 지면 앞쪽, 점선은 지면 뒤쪽) 물 분자의 실제 이 구조에 더 가깝다.

19 공간 채움 모형 (space-filling model): 원자들의 상대적인 위치뿐 아니라, 상대적인 크기도 나타낼 수 있는
분자의 구조식을 나타내는 방법. 공-막대 모형 (ball-and-stick model): 원자를 공으로 공유 결합을 막대로 나타낸 분자의 구조식을 나타내는 방법. (실제에 가장 가까움) 그림. (a) Methane의 구조식, (b) Methane의 공간 채움 모형, (c) Methane의 공-막대 모형

20 이온 결합 (ionic bond): 반대로 대전된 이온 간에 작용하는 인력.
이온 결합의 예; 소금 (염화소듐, sodium chloride) 2Na + Cl2 → 2 NaCl의 각 과정을 살펴 보자. 소듐 원자로부터 염소 원자로 전자가 이동. (+1의 알짜 전하) (양이온)

21 양이온과 음이온은 서로 반대 전하를 띠고 있으므로 서로 잡아당긴다 (이온 결합).
(-1의 알짜 전하) (음이온) 양이온과 음이온은 서로 반대 전하를 띠고 있으므로 서로 잡아당긴다 (이온 결합).

22 결합력과 에너지 양이온과 음이온 사이에 작용하는 인력과,두 이온의 핵 간 또는 전자 간 반발력이
균형을 이루면서 결합 에너지 곡선의 극소점에서 결합이 이루어진다

23 공유 결합(비금속+비금속) 수소와 수소는 He 의 전자배치를 갖기 위해 원자 2개가 모여서 위의 동영상과 같이 전자를 공유한다. 이와 같이 두 원자가 내놓은 전자가 쌍을 이루면서 두 원자에 공유되면서 만들어지는 결합을 공유결합이라고 한다

24 다원자계(Solid) 결합방법에 따라서 결정구조에 따라서 결정유무에 따라서 이온결합, 금속결합, 공유결합
FCC, BCC, HCP 결정유무에 따라서 단결정, 다결정, 비결정

25 이온결합(금속+비금속) 스크린 효과 NaCl의 경우 Na+와 Cl- 사이 거리가 가까워 지면 에너지가 낮아진다.
0.24nm에서 최소 에너지 값 더 가까워지면 핵의 척력에 의해 에너지 증가

26 ‥ ‥ ‥ 이온 결정의 성질 모든 원자는 안정해지기 위해 결합 형성 원자가 안정해질려면 옥텟을 형성
→ 비활성 기체와 같은 전자 배치                         ‥                 ‥                 ‥             Na·  +   · Cl :  → Na+   ＋  : Cl :-  →  Na+  : Cl :-                     ‥                ‥                ‥ 이온 결정의 성질 녹는점과 끓는점이 높고 비휘발성이다. 극성 용매에 잘 녹는다. 고체 상태에서는 부도체이나 용융 상태나 수용액 상태에서는 전류가 잘 통한다

27 공유 결합의 표시 전자점식(루이스 전자점식) 구조식 배위 결합 원자가전자를 2개씩 짝을 지어 점으로 표시한 것
전자점식에서 공유 전자쌍을 결합선 '-'으로 표시한 것. 이때 결합선의 수는 공유 전자쌍의 수를 나타냄 배위 결합 공유 전자쌍을 한 쪽 원자에서 일방적으로 제공하여 이루어진 공유 결합

28 공유 결합의 종류 결합의 종류 단일 결합 이중 결합 삼중 결합 원자 사이의 전자쌍의 수 1 쌍 2쌍 3쌍 표시방법 - = ≡
예 Cl2, CH4, C2H6 CO2, O2, C2H4 N2, C2H2, HCN 결합 길이 단일 결합 > 이중 결합 > 삼중 결합 결합력 단일 결합 < 이중 결합 < 삼중 결합

29 여러가지 분자 모형 이산화탄소 공유결합의 전자배치 표현할수 있도록…

30 금속 결합(금속+금속) 금속원자의 최외각전자 껍질은 이웃 원자들과 겹치기 때문에 전자는 자유롭게 원자 사이를 이동하며, 이러한 전자를 자유전자(Free electron)라 한다. 구동력은 자유전자와 금속 양이온 사이의 정전기적 인력이며, 이것은 이온결합 과의 큰 차이점이다.

31 순금속의 결정구조 금속결정의 단위 격자 body centered cubic face centered cubic
BCC: 체심입방격자, body centered cubic FCC: 면심입방격자, face centered cubic HCP: 조밀육방격자, hexagonal closed packing (9)

32 Figure 12.24a Figure 12.24a

33 Figure 12.24b

34 결정구조- Single Cubic 단순 입방 격자는 각 원자들이 각 격자점에 위치해 있을 때 단순입방 결정구조로 된다.
The simple cubic lattice becomes the simple cubic crystal structure when an atom is placed on each lattice point. 단순 입방 격자는 각 원자들이 각 격자점에 위치해 있을 때 단순입방 결정구조로 된다.

35 결정구조- BCC(체심 입방 구조) 단위 셀당 원자 개수 1+(8*1/8)=2 배위수 8개 원자충진율 68% 관련 금속
배위수 개 원자충진율 68% 관련 금속 a-Fe, V, Cr, Mo, W

36 결정구조- FCC(면심 입방 구조) 단위 셀당 원자 개수 (6*1/2)+(8*1/8)=4 배위수 12개 원자충진율 74%
배위수 개 원자충진율 74% 관련금속 g-Fe, Al, Ni, Cu, Ag, Pt, Au

37 결정구조- HCP(조밀 육방 구조) 단위 셀당 원자 개수 1 + 4 x 1/6 + 4 x 1/12 = 2
충진율 <74.05%, 배위수 개 관련 금속 Be, Mg, a-Ti, Zn, Zr

38 Figure 12.25 Figure 12.25

39 단결정, 다결정, 비정질 단결정 : 다결정 : 규칙적인 배열이 고체 전체에 균일하게 이루어져 있음
부분적으로 결정을 이루나 전체적으로는 하나의 균일한 결정이 아닌 경우  비정질 : 고체이지만 분자가 무작위로 배열되어 규칙이 없는 경우

40 고체재료의 물리적 상태 변화 물질의 상태변화와 열에너지의 출입 열 방출 : 1) 같은 물질의 경우 에너지의 크기는
고체 < 액체 < 기체 2) 열 흡수 : 고체→액체, 액체→기체, 고체→기체    열 방출 : 액체→고체, 기체→액체, 기체→고체 ▶열 흡수 - 주위의 온도가 낮아지고 ▶열 방출 - 주위의 온도가 높아진다.

41 Melting point 녹는점에 영향을 미치는 인자
고체상태와 액체상태가 서로평형을 이루는 상태로서, 녹는점은 시료가 액체로 변하기 시작한 온도로부터 모든 시료가 완전히 액화된 온도의 범위로 규정 녹는점에 영향을 미치는 인자 - Van der waals attraction - Dipole-dipole electrostatic attraction - Hydrogen bond

42 밀도와 비중 밀도 (density) 비중 (specific gravity) 물질의 단위 부피당 질량(g/cm3)
- 밀도는 그 물질의 특성 - 질량, 부피 환산에 이용 - 기체의 밀도는 STP를 기준 비중 (specific gravity) 어떤 물체의 단위중량과 순수한 물 4℃일 때 단위중량의 비

43 기계적 성질 인장강도 신율 탄성계수 전단계수 인장 하중에 의해 파단할 때의 최대 응력
재료가 인장 하중에 의해 파단할 때의 최대 늘어난 길이 길이변화 / 원래의 길이 탄성계수 전단계수

44 충격강도(Notched Izod Impact Strength)
0.400 1″ 2½″ ½″ Izod 1 in. 노치길이의 시편을 기준으로 계산된 충격값 시편두께 (선택) 타격 바늘과 추 H 추의 타격면 지지대 노치가공된 시편 ⅛″ⅹ½ ″ⅹ2½ ″ (a) (b) (a) Izod 충격시험, (b)플라스틱 재료의 Izod 충격시험 시편 단위 길이당 흡수에너지 : J/m, kgf cm/cm, ft lbf/in

45 전기전도도 표 전기전도도 증가 전기전도도 변화영역 : 108~10-16=1024 재료의 이방성 폴리에틸렌, 테플론
흑연(out of plane) ZnO (undoped) 흑연(in-plane 베이클라이트 ZnO (doped) 철 5 -5 -10 -15 은, 구리 스텐레스 스틸 실리콘(doped) 실리콘(undoped) NaCl 다이아몬드 다양한 종류의 재료에 대한 전기전도도 값을 살펴 보겠습니다. 구리와 은이 전기전도도가 가장 좋은 재료이고, 다이아몬드와 폴리에틸렌이 전기전도도가 가장 낮은 재료입니다. 실리콘은 불순물이 첨가되지 않은 경우에는 중간정도의 값을 가지며, 특정한 불순물을 첨가하면 전기전도도가 좋아짐을 알 수 있습니다. 이 전기전도도 표에서 왼쪽에 위치한 재료는 도체, 중간은 반도체, 오른쪽은 부도체로 분류됩니다. 흑연은 결정의 방향에 따라 전기전도도가 다름을 알 수 있습니다. 이것을 결정의 이방성이라고 합니다. 전기전도도는 재료의 종류에 따라 많이 변하는, 즉 전기전도도의 변화 영역이 108에서 10-16으로 1024입니다. 아주 많이 변하는 물질 상수로 재료의 기본적인 전기적 성질을 보여주는 대표적인 물질 상수입니다. 전기전도도 증가

46 상온에서 각종 재료의 전기비저항(ρ)과 전기전도도(σ) 값

47 유전적 성질 유전상수(유전율)는 전계 E 의 작용 하에서 재료의 전기적 분극량 P와 관계 각종 재료의 유전특성

48 축전기 Capacitor , Condenser라고도 함 - 금속판 전극사이를 절연체로 분리한것으로 전기에너지를 저장할때 사용함
평행판 축전기에서의 전기용량 5개의 전하 V Q: 전하량(C) C: 전기용량(F) V: 전압(V) : 진공 속에서의 유전율 A: 전극의 면적(m2) d : 전극사이의 거리(m) 축전기, 즉 커패시터에 대하여 알아 보겠습니다. 우선 평행판 사이에 아무 것도 들어 있지 않은 축전기의 경우를 생각해 봅시다. 두 평행판 사이에 전압 V를 그림과 같이 인가하면, 위쪽 판에는 +전하가 쌓이고, 아래쪽 판에는 같은 량의 –전하가 쌓입니다. 쌓이는 전하량, Q는 가해주는 전압, V에 비례하고, 그 비례상수 C는 전기용량이라고 하며, farad라는 단위를 가집니다. 식에서 알 수 있듯이 farad는 C/V와 같습니다. 전기용량은 단위 전압이 가해졌을 때 쌓이는 전하량으로 이해할 수 있으며, 평행판 전극의 면적에 비례하고, 두 전극의 간격에 반비례하며, 비례상수로 진공 속에서의 유전율, epsilon zero를 사용합니다. 따라서 C는 epsilon 0 곱하기 A/d로 표현됩니다.

49 축전기1 평행판 사이에 세라믹재료가 있는 경우 외부에서 가해지는 전기장에 의해 원자내의 양의 전하인 원자핵과 음의 전하인
전자사이에 전기 쌍극자를 유도함 : 분극현상 5개의 전하 k : 비유전율, 유전상수 상쇄된 전하 만큼 추가공급=> 알짜 전하량은 같음 전극판의 전하량은 세라믹재료 사용시 증가함(Q’)=>전기용량도 Q’로 증가함 V 장점 전기용량의 증가 높은 붕괴전압 두 평면 전극판의 접촉방지 평행판 사이에 세라믹재료를 끼워 넣은 경우에 대하여 생각해 보겠습니다. 끼워진 세라믹재료는 자유전자가 없고 원자핵에 끌려 있는 속박된 전자들만 존재하는 경우로 그림에서와 같이 외부에서 전기장이 가해지면 +전하를 띤 원자핵들은 아래쪽으로, -전하를 띤 속박된 전자들은 위쪽으로 약간 이동하기 됩니다. 따라서 전기적으로 중성이던 원자에 외부에서 전기장을 가하면, + 원자핵 전하와 – 전자 전하가 분리되어 보입니다. 이러한 크기가 같고 부호가 반대인 두 전하를 전기 쌍극자라고 하며, 외부 전기장에 의해 유도되었다고 말합니다. 또는 두 전하의 중심이 분리되었다 하여 분극되었다라고 말하기도 합니다. 그림에서 두 전극판 가까이에 반대 전하가 유도되어 전극판에 있는 일부분의 전하와 상쇄됩니다. 따라서 세라믹 재료가 없을 때, 전극판에 쌓였던 5개의 전하량보다 작은 량의 전하량이 전극판에 존재하게 됩니다. 하지만 이 두 전극판 사이에는 전압 V가 걸려 있으므로 세라믹재료가 두 전극판 사이에 존재하든지 하지 않튼지 상관없이 같은 크기의 전기장이 걸려야 합니다. 따라서 세라믹재료가 두 전극판 사이에 존재하면, 세라믹재료 내에 유도된 전하들이 전극판에 쌓여있는 전하들 중의 일부를 상쇄시킨 양만큼의 전하들이 추가적으로 전원에서 공급됩니다. 그림에서 위쪽 전극 바로 아래에 유도된 음전하의 개수가 5개인 경우, 그 음전하를 상쇄할 만금의 양전하가 위쪽 전극판에 더 공급이 되어 전체적인 알짜 전하량은 세라믹 재료가 없을 때의 5개와 같게 됩니다. 그러므로 전극판에 쌓이는 전하량이 세라믹 재료가 존재할 때는 더 많아지게 됩니다. 더 많아진 전하량 Q’는 전압은 변하지 않았으므로 전기용량이 C에서 C’로 변했다고 생각할 수 밖에 없습니다. 또한 전기용량 C에 영향을 주는 인자 중 전극의 면적과 간격은 변하지 않았으므로 유전율이 변할 수 밖에 없습니다. 변화된 유전율을 k입실론0으로 표시하고, k는 비유전율, 또는 유전 상수라고 합니다. k가 큰 물질일수록 전기용량이 커져, 전하를 더 많이 저장할 수 있는 축전기를 만들 수 있습니다. 세라믹재료를 사용함으로 전기용량의 증가뿐만 아니라, 붕괴전압, 즉 두 전극판에 스파크가 일어나기 전까지 가해줄 수 있는 전압을 더욱 높힐 수 있고, 또 절연물질이 두 전극판에 끼워져 있으므로, 두 전극판의 접촉을 방지할 수 있습니다.

50 축전기2 폴리머 축전기의 구조 축전기의 내부구조 적층형 축전기의 구조 유전재료 (세라믹)
전극면의 면적을 최대화=>전기용량 증가 축전기에 사용되는 세라믹재료를 특히 유전재료, dielectric이라고 합니다. 위쪽 왼쪽 그림은 실제 축전기의 모양을 내부구조와 함께 보여 주는 것으로, 유전재료 양쪽에 금속 전극을 바르고, 전기선을 연결한 후, 폴리머로 감싼 형태의 축전기를 보여줍니다. 위 오른쪽 그림은 폴리머 유전재료 양쪽에 알루미늄 전극을 붙인 후, 말아서 전극면의 면적을 높혀 전기용량을 증가시킨 축전기를 보여 줍니다. 전기용량을 증가시키는 방법으로 아래 왼쪽그림에서는 여러 겹의 판 형태의 유전재료를 전극물질과 겹쳐 전극면을 증가시킨 적층형 축전기를 보여줍니다. 아래 오른쪽 그림은 적층형 축전기의 실제 크기를 보여주는 사진입니다. 적층형 축전기의 구조

51 다양한 화학소재 자전거 특수 복합재료 헬멧의 합성중합체 B, 강한 장력을 갖는 인공골반 관절 고분자 알약으로된 의약품
Figure 1.4 B, 강한 장력을 갖는 인공골반 관절 고분자 알약으로된 의약품 디스플레이 액정 주변 부품