1 장서론 : 과학 ( Science ) 이먼저일가? 공학 ( Engineering ) 이먼저일가? 18 세기후반부터 19 세기에걸쳐증기기관이발명개량되었지만, 이들은학문적성과를응용한것이아니라오로지경험으로진행된것이었다. 1592: 갈리레오의온도계 1662; 보일의법칙 1769; 증기기관 ( 제임스와트 ) 1735; 코크스고로제철 ( 에이브러험더비 2세 ) Chapter 1783; 직물방적기 1; ( 증기서론기관 ) 1802; 샤를의법칙 ( 게이루삭에의해발표 ) 1811; 아보가드로의과학 ( Science 분자론 ) 이먼저일가? 1824; 카르노의기관 1825; 최초의공학증기기관차 ( Engineering (Stockton and ) Darlington 이먼저 Railway- 일가 Locomotion? 호 ) 1843; 줄의발견 1847; 열역학제1법칙 ( du=δq-δw, 헬름홀츠 ) 1850 (1865) ; 열역학제2법칙 ( S= dq/t 0, 엔트로피, 로돌프클라우지우스 ) 1855; 베세머제강법 ( 산소취련 ) 1878; Gibbs Free energy by Josiah Willard Gibbs "available energy 1893; 디젤기관의발명 1906; 열역학제 3법칙 ( 절대영도에서계의엔트로피는영이다. 네른스트 ) 1912; 디젤기관차
1 장서론 : 과학 ( Science ) 이먼저일가? 공학 ( Engineering ) 이먼저일가? 18 세기후반부터 19 세기에걸쳐증기기관이발명개량되었지만, 이들은학문적성과를응용한것이아니라오로지경험으로진행된것이었다. 1592: 갈리레오의온도계 1662; 보일의법칙 1769; 증기기관 ( 제임스와트 ) 1735; 코크스고로제철 ( 에이브러험더비 2 세 ) 1783; 직물방적기 ( 증기기관 ) 1802; 샤를의법칙 ( 게이루삭에의해발표 ) 1811; 아보가드로의분자론 1824; 카르노의기관 1825; 최초의증기기관차 (Stockton and Darlington Railway- Locomotion 호 ) 1843; 줄의발견 1847; 열역학제 1 법칙 ( du=δq-δw, 헬름홀츠 ) 1850 (1865) ; 열역학제 2 법칙 ( S= dq/t 0, 엔트로피, 로돌프클라우지우스 ) 1855; 베세머제강법 ( 산소취련 ) 1878; Gibbs Free energy by Josiah Willard Gibbs "available energy 1893; 디젤기관의발명 1906; 열역학제 3 법칙 ( 절대영도에서계의엔트로피는영이다. 네른스트 ) 1912; 디젤기관차
재료공학자 ( 과학자 ) 로서의역할수행 공정 (Processing) 건식제련 ( Pyrometallurgy) 소성가공 (Plastic working) 열처리 (Heat treatment) 박막공정 (MOCVD, Sputtering) 구조 (Structure) 성질 (Properties) 성능 (Performance) 미시적 (Microscopic) 거시적 (Macroscopic) 기계적 (Mechanical) 전기적 (Electrical) 열적 (Thermal) 자기적 ( Magnetic) 광학적 (Optical) 열화적 (Deteriorative) 강 (Steel)- 자동차강판, 스텐인리스스틸등 반도체 ( Semiconductor)- 비메모리 (D 램, CPU 등 ) 메모리 ( 낸드플래시메모리, SSD 등 ) 재료선택 : 용도를고려한재료의선택, 열화 ( 劣化 ), 경제성
재료 ( 물질 ) 의종류? Page 27 금속 - 규칙적원자배열, 고밀도, 탄성, 강도, 연성, 전도도 ( 자유전자 ), 자기적성질 세라믹 - 산화물, 질화물, 탄화물, 황화물등강도, 인장강도, 연성이안좋음, 낮은전도도, 폴리머 - C, H, O, N 등의유기물복합체, 단위질량의강도및딱딱함 ( 硬性 ), 가공성, 내식성
복합재료 : 금속, 세라믹, 폴리머중에두종류이상을복합한재료 Glass-Fiber-Reinforced Polymer: 유리섬유를폴리머에혼입시켜제작. 폴리머의연성및가공성을가지고, 세라믹의고강도및고인성을가짐. 저밀도용도 : 글래스울 ( 내열및단열재 ), 스노우타이어의표면재, 프린트기판 Carbon Fiber-Reinforced Polymer : 탄소섬유를폴리머에혼입시킨재료첨단스포츠소재 ( 골프클럽, 자전거, 테니스라켓등 ), 항공재료등 첨단재료 (Advanced materials) 반도체 (Semiconductor) : 전기적으로도체와절연체의중간적성질, 집적회로 (19 장 ) 생체재료 (Biomaterials) : 손상된인체부위를대체하는재료, 인체조직에무해 스마트재료 ( Smart materials): 환경에따른변화성, 입력신호감지의센서기능과변화값에따른엑추에이터기능 형상기억합금 (shape-memory alloy)- 온도변화로인하여원형으로복귀 압전세라믹 (Piezoelectric ceramic) 전기장 수축 / 팽창 자기변형재료 ( Magnetostrictive material)- 자기장 수축 / 팽창 자성유체 (Magnetic Fluid)- 유체 ( 流体, 액체및기체 ) + 자성 나노재료 (Nanometerials); 10-9 m, 크기에따른분류, Nano Technology, Fig. 1 20 nm 의 Field effect transistor 의 TEM 이미지 [ Okano et al. IEEE, 2005] 자성입자 계면활성제 베이스오일 Fig. 2 자성유체의이미지
재료의 6가지성질 재료의설계, 생산, 활용시에필요한 4 가지 재료의 3 가지분류 첨단재료 4가지
Chapter 2: 원자구조 (Atomic Structure) & 원자 결합 (Interatomic Bonding) 학습목표 1. 원자구조의기본개념과원자모델 2가지의특징및차이점 2. 전자의에너지와관련된중요한양자역학의원리 3. 원자및이온간에작용하는힘의종류와결합에너지그래프 4. 결합의종류 ( 이온, 금속, 공유, 수소, 2차결합 ) 에따른물질 ( 재료 ) 의형태 8
원자구조 (Atomic Structure) 원자 전자 (electrons, 음전하 ) 9.11 x 10-31 kg 원자핵 양자 (protons, 양전하 ) 중성자 (neutrons) 원자번호 (atomic number) = 원자핵내의양자수 = 전기적중성의원자내의전자수 원자질량 (atomic mass)- 양자와중성자의질량합 원자질량단위 (atomic mass unit) = amu = 1/12 mass of 12 C 원자량 (Atomic wt) = wt of 6.022 x 10 23 molecules or atoms 1 amu/atom = 1 g/mol } 1.67 x 10-27 kg C 12.011 H 1.008 etc. 자연에는중성자의수가다른동위원소가일부존재한다. 9
원자모델 - 양자 ( 量子 ) 역학 (quantum mechanics) 전자의운동은일정궤도를따라전자의에너지는양자화한다. 전자는오직특정한에너지값을갖는다. 전자의에너지가바뀔때는에너지를흡수하거나방출하여허용된에너지수준 (energy level) 또는준위 (state) 간을이동한다. 그림 2.1 보어의원자개략도 보어모델에서에너지준위는연속적으로변하지않고일정한에너지간격으로분리되어있다. 10
파동역학모델 (wave- mechanical model ) 전자는파동성과입자성 전자의위치는확률분포혹은전자구름으로표시
파동역학모델 (wave-mechanical model ) 전자는파동성과입자성을가짐 2 개의파동성 확률로정해지는오비탈 (orbital) 에따라전자가존재한다. 각기다른에너지준위를가지는오비탈 (orbital) 은양자수 (quantum numbers) 로정의한다. 양자수 (quantum numbers) 명칭 n = principal (energy level-shell) K, L, M, N, O (1, 2, 3, etc.) = subsidiary (orbitals) s, p, d, f (0, 1, 2, 3,, n -1) m l = magnetic 1, 3, 5, 7 (- to + ) m s = spin ( 파울리의배타원리, p 24) ½, -½ 12
전자는... 전자에너지준위전자배위도 (p.26 Table 2.2 ) 불연속적인에너지준위를가진다. 낮은준위부터채워진다. Energy 4d 4p 3d 4s N-shell n = 4 Adapted from Fig. 2.6, Callister & Rethwisch 9e. (From K. M. Ralls, T. H. Courtney, and J. Wulff, Introduction to Materials Science and Engineering, p. 22. Copyright 1976 by John Wiley & Sons, New York. Reprinted by permission of John Wiley & Sons, Inc.) 3p M-shell n = 3 3s 2p 2s 1s L-shell n = 2 K-shell n = 1 13
전자배위 (Electronic Configurations) ex: Fe - 원자번호 = 26 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 Energy 4d 4p 3d 4s N-shell n = 4 3p M-shell n = 3 3s valence electrons Adapted from Fig. 2.6, Callister & Rethwisch 9e. (From K. M. Ralls, T. H. Courtney, and J. Wulff, Introduction to Materials Science and Engineering, p. 22. Copyright 1976 by John Wiley & Sons, New York. Reprinted by permission of John Wiley & Sons, Inc.) 2p 2s 1s L-shell n = 2 K-shell n = 1 14
전자배위 (Electronic Configurations) 원자가전자 (Valence electrons) 최외각에채워진전자 완전히채워진전자각은안정하다. Ex) 불활성기체 (He, Ne, Ar, Kr ) 원자가전자는불완전하여전자를얻거나잃는화학반응과고체원자결합에대한기초가된다. Ex) C (atomic number = 6) 1s 2 2s 2 2p 2 valence electrons 15
주기율표 (Periodic Table) 1e - 전자방출 2e - 전자방출 H Li Be Na Mg 3e - 전자방출 K Ca Sc Rb Sr Y accept 2e - accept 1e - inert gases He O S F Cl Ne Ar Se Te Br I Kr Xe Adapted from Fig. 2.8, Callister & Rethwisch 9e. Cs Ba Po At Rn Fr Ra 전기양전성원자 : 원자가전자를외부로방출 전기음전성원자 : 원자가전자를외부에서흡수 16
전기음성도 (Electronegativity) 범위 : 0.9 ~ 4.1, 전기음성도가높을수록전자를얻기쉽다. 전기음성도의감소 전기음성도의증가 17
전자배위와 고체내의원자결합 결합력과결합에너지 1 차결합 : 이온결합, 공유결합, 금속결합 2 차결합 : 반데르발스결합 결합에따른물질 ( 재료 ) 의형태
결합력과 결합에너지 F = F + N A F R F N : 결합력 ( 원자간의힘 ) F A : 인력 (attractive force) F R : 척력 (repulsive force) 0 = F + F A R 원자간평형상태 -> 안정한상태 r 0 : 평형거리 E 0 : 결합에너지 (bonding energy) E = E + N A E R 그림 2. 10
이온결합 (Ionic bond) 금속 + 비금속 전자방출 전자수용 원소간의전기음성도의차이따라 ex: MgO Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 O 1s 2 2s 2 2p 4 [Ne] 3s 2 Mg 2+ 1s 2 2s 2 2p 6 O 2-1s 2 2s 2 2p 6 [Ne] [Ne] 20
이온결합 양이온과음이온간의발생하는결합 전자이동 (electron transfer) 이일어남. 전기음성도가큰원소간에발생하기쉬움 (I족과 VII족, II족과 VI 족 ). Ex) NaCl Na (I 족금속 ) 불안정함 전자 1 개이동 Cl (VII 족원소 ) 불안정함 Na ( 양이온,cation) 안정 + - 쿨롱의힘 (Coulombic Attraction) Cl ( 음이온, anion) 안정 21
이온결합에너지 에너지가최소값일때안정하다. 인력과척력에따른에너지가균형 A E N = E A + E R = _ + r B n r Repulsive energy E R Interatomic separation r Net energy E N Adapted from Fig. 2.10(b), Callister & Rethwisch 9e. Attractive energy E A 22
이온결합은세라믹 (Ceramics) 에서많이볼수있다. NaCl MgO CaF 2 CsCl 23
공유결합 (Covalent Bonding) 전기음성도의차이가적을경우에전자를공유한다. s 와 p orbitals을가진원자간에일어나기쉬운결합 Ex) H 2 H 는 1 개의원자가전자를가지기때문에안정하기위해는 1 개의원자가전자가필요 두수소원자간의전기음성도는동일 H H 2 H Fig. 2.12, Callister & Rethwisch 9e. 24
혼성화 ( Hybrization) 탄소는 sp 3 혼성화오비탈을가진다. Fig. 2.14, Callister & Rethwisch 9e. (Adapted from J.E. Brady and F. Senese, Chemistry: Matter and Its Changes, 4 th edition. Reprinted with permission of John Wiley and Sons, Inc.) Fig. 2.13, Callister & Rethwisch 9e. 25
Covalent Bonding: Carbon sp 3 Example: CH 4 C: 4 개의원자가전자, 전자 4 개필요 H: 1 개의원자가전자, 전자 1 개필요 C (2.5) 와 H (2.1) 의전기음성도의차이는적다. Fig. 2.15, Callister & Rethwisch 9e. (Adapted from J.E. Brady and F. Senese, Chemistry: Matter and Its Changes, 4 th edition. Reprinted with permission of John Wiley and Sons, Inc.) 26
금속결합 (Metallic Bonding) 고체상에서최외각전자들은비교적자유롭게이동 : 전자구름 or 전자바다 원자핵과비외각전자는이온코어를형성 자유전자 : 높은열과전기전도도 27
반데르발스결합 (2 차결합 ) 쌍극자 (dipoles) 간의상호작용에의해발생하는결합 비대칭전기적쌍극자 ex: liquid H 2 H 2 H 2 + - + - H H H H 영구쌍극자결합 2 차결합력발생 Adapted from Fig. 2.20, Callister & Rethwisch 9e. 2 차결합력발생 - 일반적인경우 : -ex: liquid HCl + - + - 2 차결합 H Cl H Cl 수소결합 Adapted from Fig. 2.22, Callister & Rethwisch 9e. -ex: polymer secondary bonding 28
결합종류와물질의상태
종류 이온 결합력 크다 정리 : 결합 내용 이온간의전자이동. 방향성이없다 (ceramics) 공유 다양함 large-diamond small-bismuth 전자를공유, sp 3 혼성화방향성이있다. (semiconductors, ceramics polymer chains) 금속 2 차 다양함 large-tungsten small-mercury 가장약함 전자구름, 자유전자전도도가좋음 (metals) 쌍극자반데르발스, 수소결함 30