재료공학이 다루는 재료들

재료공학이 다루는 재료들

재료공학이 다루는 재료들

재료공학이라는 것은 과거에서부터 인류의 5000년의 역사와 함께한 것입니다. 앞서 재료공학은 전통적 의미의 재료공학과 현재 소위 말하는 신소재 공학 두 가지를 아울러서 말하는 학문입니다. 재료공학을 조금 더 이해하기 위해서는 전통적인 의미를 아셔야 합니다. 어떤 학문을 공부하더라도 가장 중요한 것 중 하나는 학문이 걸어온 역사를 아는 것이 중요하다고 생각합니다. 그것을 알게 되면 미래가 보이기 때문입니다. 그래서 전통적 의미의 소재에 대해 먼저 살펴보도록 하겠습니다. 전통적 의미로는 소재를 3개로 나눕니다. 알루미늄으로 나와있지만 금속 재료, 세라믹 재료 그리고 고분자 재료로 나뉩니다. 이 중 가장 오래된 재료는 금속과 세라믹 재료입니다. 고분자 재료는 실제로 20세기에 들어서면서부터 나온 인류의 삶을 바꾼 혁명과 같은 재료라고 할 수 있습니다. 각각의 재료가 어떤 특징을 가지는지 살펴보겠습니다.

금속 재료

금속이라는 것은 이름 그대로 금속 결합을 가지고 있습니다. 특징으로는 강하고 고유의 광택이 있습니다. 열전도율과 전기 전도도가 높습니다. 금속 국자를 뜨거운 그릇에 넣어놓으면 금방 뜨거워집니다. 이는 열전도율이 높다는 것을 보여줍니다. 금속에서 열전도를 하는 것은 바로 전자입니다. 따라서, 전기 전도도도 동시에 높습니다. 금속은 전자를 잃으면서 쉽게 양이온이 되는 성질을 가지고 있습니다. 그리고 앞에서 잠시 이야기했었던 연성이라는 변형이 상대적으로 쉬운 특징을 갖습니다. 금속은 알루미늄, 철, 구리 등과 같은 다양한 형태의 금속들이 있습니다. 금속과 세라믹은 모두가 쉽게 구분할 수 있습니다. 금속 고유의 광택이 있기 때문입니다.

세라믹 재료

세라믹은 보통 이온 결합 또는 공유 결합을 하고 있는 재료를 의미합니다. 세라믹의 정확한 정의는 금속이 아니면서 유기화합물이 아닌 모든 재료를 세라믹으로 부릅니다. 보통 무기화합물이라고 많이 부릅니다. 세라믹은 열전도도와 전기전도도가 상대적으로 낮습니다. 금속 하고 반대되는 성질입니다. 그리고 금속 하고 반대되는 성질 중의 하나는 연성이 없다는 것으로 세라믹은 깨지기 쉽습니다. 대신 고온이나 극한 환경에 굉장히 강하다는 특징을 가집니다.

고분자 재료

고분자는 공유 결합 또는 반데르발스 결합을 하고 있습니다. 반 데르 발스 결합이라는 것은 핵을 둘러싸고 있는 전자가 계속 유동적으로 움직이면서 순간적으로 플러스, 마이너스가 만들어질 때 결합하는 것을 의미합니다. 이러한 결합을 가지는 고분자는 탄소 원자를 구조의 기본 골격으로 갖습니다. 탄소 원자들이 쭉 연결되어 있는 형태를 보통 고분자라고 합니다. 생명체를 구성하는 물질이며 상대적으로 무르기 때문에 가공이 쉽습니다. 그리고 가볍고 부드럽다는 특징이 있습니다. 처음 고분자 재료가 우리의 일상에 들어왔을 때는 혁명에 가까웠습니다. 요즘에는 금속, 세라믹, 고분자 3가지로 나누는 전통적인 형태로 나누지 않으며, 각각의 장점을 연결하여 새로운 재료를 만들어내는 복합 재료도 많이 사용됩니다. 보통 금속, 세라믹, 고분자를 이야기할 때 주로 다루는 것이 고체에 해당하는 부분입니다. 물질의 상태는 고체, 액체, 기체가 있습니다. 우리가 대부분 사용하는 재료는 고체입니다. 고체는 물리적으로 결정(crystal)을 의미합니다. 즉 원자가 규칙적으로 배열된 것을 고체라고 부릅니다.

고체와 비정질

재료공학은 단순히 고체만 다루는 것이 아니라 비슷한 성질에 해당하는 비정질(amorphous)에 대해서도 다룹니다. Morphous는 형상이 있다는 뜻이고 앞에 부정어 a가 붙어서 형상이 없는 뜻을 나타냅니다. 쉽게 이해하려면 유리라고 이해하시면 됩니다. 유리는 대표적인 비정질 재료입니다. 비정질 재료는 입계(grain boundary)가 없기 때문에 고체와는 아주 다른 성질을 가지게 됩니다. 그래서 이 둘을 많이 사용하게 되고 재료공학이 사용하는 두 개의 물질의 상태를 기억을 하시면 좋겠습니다. 사람들이 아주 규칙적으로 있습니다. 반면에 오른쪽에서는 야구 구경하는 관객들의 모습이 보입니다. 이 사진에서는 어느 정도 질서가 있는 것처럼 보이지만 무질서에 가까운 모습을 보입니다. 이 두 가지가 결정과 비정질의 차이라고 생각하시면 됩니다. 오른쪽 비정질의 경우에는 결정과 같이 규칙성이 아예 없는 것이 아닙니다. 결정체로 규칙성이 있습니다. 그런데 그 규칙성이 국한된 영역에서만 있기 때문에 결정과 구분이 되는 것입니다. 왼쪽을 대표적으로 결정이라고 하면 오른쪽 비정질을 대표적으로 유리라고 부릅니다. 이 두 가지를 미리 이야기하고 가는 이유는 이 둘은 앞으로도 계속 나올 것이기 때문입니다. 재료공학에서 이 둘을 이해하는 것이 굉장히 중요합니다. 결정을 더 이해하기 위해서 이런 이야기를 합니다. 제목이 굉장히 시적입니다. 눈 오는 날의 상념이라고 적었는데, 여러분들은 눈 오는 날에 어떠한 생각을 하나요? 보통 즐겁다고 생각하고 질퍽거려서 싫다고 생각하는 분들도 있습니다. 과거에 케플러라는 사람이 있었습니다. 케플러는 프라하에서 있던 당시에 눈이 내리는 날 소매에 닿는 눈을 보면서 눈송이마다 모양이 많이 다르다는 생각을 하였습니다. 그렇다면 왜 이러한 다른 모양을 만드는 것일까? 생각을 하였고 자신의 생각을 책으로 썼습니다. 책을 보시면 케플러가 다음과 같은 생각을 했습니다. 무엇인가 눈송이를 만드는 기본 단위가 있을 것이다. 그 단위를 공처럼 생각한다면 공들이 서로 내려앉다 보면 A 또는 B 두 가지 형태로 밖에 쌓일 수가 없겠다. 그중에서도 B형태로 쌓이는 것이 가능성이 높을 것이다. 여기서 나온 것이 Close Packing이라는 개념입니다. 이 개념을 처음 이야기한 것이 케플러입니다. 케플러는 자연에서 똑같은 형태의 공이 쌓일 때 공이 가장 빽빽하게 쌓일 수 있는 방법을 생각으로 제시를 하였습니다. 이 생각은 그 뒤에 많은 사람들에 의해서 발전되었습니다. 사람들이 결정을 보았을 때 특정한 아름다운 면들이 나타납니다. 이는 Cleavage Plane이라고 부릅니다.

결정의 7가지 형태

이러한 면들이 왜 나타날 것인지 상상을 하면서 무엇인가 조그마한 블록들이 쌓이면서 만들어지지 않을까라는 생각을 하였고 다양한 가능성을 생각하였습니다. 이러한 생각들을 훗날 수학자들이 정리를 하였는데 자연계는 놀랍게도 존재할 수 있는 결정구조가 7가지 밖에 없다는 것입니다. 수많은 다른 재료들이 결정으로 존재하지만 모든 결정들은 7가지 중에 하나로 존재하게 됩니다. 자세한 내용은 과목의 수준을 넘어가기 때문에 이러한 것들 정육면체(Cubic) 등이 있다는 정도만 알고 계셔도 괜찮을 것 같습니다. 기억해야 할 것은 자연에는 결정이 만들어지는 모양은 7가지 형태로 구분이 된다는 것입니다. 그리고 금속과 세라믹 또는 고분자가 쌓이는 방식이 다르다는 것입니다. 앞에서 이야기했던 것과 같이, 금속의 경우는 방향성이 없는 금속 결합(서로 전자를 공유하는 결합)을 이룹니다. 따라서 방향성이 없기 때문에 케플러가 말한 것과 같이 가장 빽빽한 형태로 쌓이게 됩니다. 이러한 것을 Cubic-Close Packed라고 이야기하기도 하며 Hexagonal-Close Packed라도 이야기하기도 합니다. 쌓이는 방식이 쌓였던 면 위에 다른 면이 쌓이고 똑같은 면이 다시 쌓이면 이것을 보통 Hexagonal이라고 부르며 이와 다른 식으로 쌓이는 것을 Cubic이라고 부릅니다. 자세한 것은 나중에 이야기하도록 하겠습니다. 세라믹이랑 고분자를 다른 모습을 보입니다. 세라믹은 이온 결합 혹은 공유결합 형태로 존재하는 것이 많기 때문에 방향성이 존재합니다. 따라서 Close Packing 하는 형태로 가는 것이 아니라 다른 형태로 많이 쌓이게 됩니다.