1. 개요
材料科學 • 工學 / Materials Science and Engineering (MSE)한국에서는 주로 재료공학과, 신소재공학과라는 학과 명칭을 사용한다.
물질의 미시적 구조(structure)에 기인하는 거시적 성질(property)을 이해하고, 그 이해를 토대로 적합한 공정을 적용하여(processing) 원하는 성능(performance)의 재료를 얻기 위한 학문이다.
실제로 배우는 내용을 중점으로 설명하자면, 응집물질물리학(고체물리학)을 중심으로 열역학, 화학공학, 결정학 등을 합친 학문이다.
Materials Science and Engineering이라는 명칭에도 나오듯이, 재료공학은 공과대학(공학)의 범주로 분류되면서 동시에 자연과학(특히 물리, 화학)을 매우 중요시한다. [1] 재료공학은 공학적으로는 어떤 분야에서 필요로 하는 무언가에 대해 솔루션을 제공하는 것이다. [2] 이런 특징 때문에 재료공학은 기초공학과 기초과학 모두에 부합하는 학문이라고 볼 수 있다. [3]
2. 역사
처음에 1953년 미국의 노스웨스턴 대학교에서 금속공학 전공 대학원을 설립한 것을 시작으로 하여 재료공학이라는 학문이 만들어지게 되었다. 현재 우리나라의 각 대학 신소재공학과(재료공학과) 교수들 및 현대제철, 포스코 등 철강 관련 대기업 연구소의 고위 연구원들의 상당수가 바로 노스웨스턴 대학교 금속공학과 대학원 출신이다. 단순한 금속뿐만 아니라 새로운 신소재 물질 개발에 대한 수요가 계속해서 있었기 때문에, 당시 노스웨스턴 대학교에서 이를 처음으로 시행하였고 인정받았다.21세기에 뜨거운 감자로 부상한 나노공학이나 나노과학 역시 재료공학 분야로 연구하고 있다. 이렇게 넓은 범위에서 활동하다 보니 자연스럽게 기초과학에 대한 연구가 깊게 진행되며, 특히 물리학과 화학의 경우는 재료공학의 핵심 중의 핵심이다. 특히 물질의 결정 구조와 상변태와 관련된 연구가 많으므로 고체물리, 열역학에 관해서 깊고 다양한 지식은 필수이며 나노구조물을 연구할 때에는 양자역학에 대한 많은 지식도 필요하다. 이후 위상부도체가 조명되면서 위상수학까지 파야 되는 경우도 생긴다.[4] 따라서 대학교 졸업 후, 석사나 박사 과정을 하다보면, 어느 순간 자신이 재료공학과인지 다른 과인지 헷갈리는 경우도 제법 있다. [5] 그만큼 기본 베이스(기초과학, 기초공학) 학문으로서, 재료공학과(신소재공학과)의 위치는 세계적으로 인정받는다고 볼 수 있다. 또한 물리학과, 화학과 등 이학 박사 출신인 재료공학과(신소재공학과) 교수들도 흔히 찾아볼 수 있다. 그만큼 재료공학과에서 기초과학, 기초공학을 우대한다는 것이다.
재료공학이 많이 활용되는 산업(취업과 연관)으로는 반도체 (삼성전자, SK하이닉스), 태양전지, 자동차 (현대자동차), 철강, 디스플레이, LED, 이차 전지 산업 등이 있다.
실제 취업 자료를 보면, 거점국립대학교 위주로 삼성전자, SK하이닉스, 현대자동차에서 신소재공학과(재료공학과)를 많이 채용을 한다.
3. 재료공학의 연구분야
재료공학에서 다루는 재료는 재료 그 자체의 분류에 따라 금속재료, 무기재료(세라믹), 유기재료(고분자 재료) 및 복합재료(composite) 등으로 분류할 수 있다. 다만 이 분류는 실제로 연구하는 분야를 분류할 때에는 현재 잘 사용되지 않는다. 실제 설계와 적용에 있어서 한가지 종류의 소재만 쓰이는 경우는 드물기 때문이다. 그래서 재료를 사용하는 목적을 기준으로 구조재료, 전자재료, 에너지재료, 생체재료 등으로 나누는 편이다.재료공학은 재료를 쓰는 분야라면 어느 분야든지 다 활용될 수 있어, 활동할 수 있는 분야가 광범위하게 넓으며, 매우 다양한 타 공학 분야와 연관될 수 있다.
특히 화학공학과 많이 유사하다. 개설되는 교과목 상에서 나타나는 차이점이 있다면 재료공학은 화학공학에 비해 유기재료보다는 무기재료와 관련된 수업이 많고, 재료에서 나타나는 물리적인 특성이나 현상을 조금 더 집중적으로 다루는 경향이 있다.
과거, 우리나라에서 재료공학이라 하면 금속, 세라믹 등 무기재료에 중점을 두는 학문으로 여겨졌지만[6] 지금은 유기재료와 무기재료를 가리지 않고 다루는 학문으로 여겨지고 있다. 다만, 학문이 아닌 학과의 교과목 관점에서는 여전히 무기재료에 초점을 둔 커리큘럼으로 구성된 학교들도 있어서[7][8] 재료공학과에서 유기재료를 공부하고 싶다면 해당 학교의 학과 홈페이지를 사전에 조사해 볼 필요가 있다.
3.1. 기초과학
- 화학
- 물리화학
- 열역학(열역학은 물리, 화학 모두 관련이 있다. 열역학은 커리큘럼에서도 중요하게 다뤄지는 과목이다.): 상평형, 상전이, 상변태
- 반응속도론
- 고체화학
- 전기화학: 부식, 전기화학분석
- 유기화학
- 고분자화학
- 무기화학
- 컴퓨터과학
- 전산재료과학(Computational Materials Science): 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션으로 재료의 물성을 규명하는 재료공학(신소재공학)의 한 갈래이다. 신소재공학(재료공학)에서 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 재료 신소재를 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[9], SIESTA, quantum espresso,[10] Gaussian,[11], LAMMPS[12], NAMD[13], COMSOL, Abaqus 등이 있다.
3.2. 재료의 성질
- 유기재료
- 고분자재료
- 의생체재료
- 야금학(Metallurgy/Metallurgical Engineering ): 금속가공에 대한 학문이다. 사실 이 학문이 가장 오래된 재료과학 분야라고 할 수 있는데, 학문적 관심사 자체도 대장장이가 도검을 열처리하면서 강화하는 것이 어떻게 가능한 것인지를 규명하는 것에서 시작했다. 도검용 강재는 이 분야의 끝판왕이다. 금속공학과가 따로 있을 때 파던 과목. 물론 내용 자체는 현재의 재료공학과(신소재공학과)에서도 거의 동일하게 가르친다.
- 합금: 상당수의 재료공학과(신소재공학과)는 야금학(Metallurgical Engineering) 학과로부터 확장되어 생겨났다. 산업혁명 이후 가장 먼저 대단위로 연구된 재료가 바로 강철이기 때문이다. 21세기에도 강철, 티타늄, 알루미늄은 밥줄이자 기본 중의 기본이다.
- 세라믹스(Ceramics): 세라믹재료에 대한 학문이다.
- 전자세라믹(Electroceramic)
- 표면과학(Surface Science)
- 광학재료(Optical Materials)
- 메타물질(Metamaterial)
- 나노재료
- 스핀재료
- 전기재료
- 겔/젤
- 하이드로젤(hydrogel)
- 오가노젤(organogel)
- 에어로젤(aerogel)
- 제로젤(xerogel)
- 재료응고, 고체재료
- 단결정성장
- 응고열역학
- 응고계면과학
- 박막재료
3.3. 재료의 사용 목적
- 구조재료(기계공학/건축공학/토목공학)
- 에너지재료(화학공학/전기공학/전자공학)
- 의생체재료(의공학/생명공학)
- 섬유재료(섬유공학)
- 전자기재료(전기공학/전자공학/기계공학)
- 원자력재료(원자력공학)
3.4. 공정
- 유기재료공정
- 생체재료공정
- 고분자재료공정
- 무기재료공정
- 세라믹재료공정
- 금속재료공정
- 촉매
3.5. 기타 분야
4. 관련 문서
[1] 재료를 다루는 것은 곧 재료를 구성하는 원자와 이들의 구성과 상호작용에 의해 발현되는 물리적, 화학적 특성을 다루는 것이다. 재료공학은 여기에다 "우리가 이 재료를 어디에 써먹기 위해서"라는 목적 정도만 붙여둔 것에 가깝다.[2] 예시: 운송수단의 경량화를 위해 가벼우면서 강한 경량 합금을 개발하거나, 사용하던 소재의 특성을 더욱 향상시켜서 기존보다 더 적은 양의 재료를 사용해도 이전과 동일한 성능을 낼 수 있게 만드는 것 등.[3] 그래서 재료공학과 소속 교수들 중 일부는 공학 박사가 아닌, 이학 박사 학위를 소지한 경우도 있다.[4] 고체물리, 양자역학, 위상부도체 등은 전자 재료에서 주로 다루는 학문과 주제다. 금속, 유기, 생체 분야 등 다른 분야를 위한 공부는 또 다르다.[5] 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.[6] 실제로 서울대학교를 비롯한 여러 대학교의 재료공학과 또는 신소재공학과 연혁을 보면 최초에는 금속공학과 또는 세라믹(요업) 공학과로 시작해 여러번의 학과명 개편과 학과 분리, 통합을 거쳐 지금의 명칭이 된 경우가 많다.[7] 반대로 유기재료에 중점을 둔 학교들도 있다. 이 경우엔 해당 학과의 전신이 고분자 공학이나 화학 공학이었을 가능성이 높다.[8] 재료공학과의 커리큘럼은 해당 학교 학과에 소속되어 있는 교수님의 전공 분야와 관련이 깊어서, 배우고 싶은 분야와 내용이 비교적 구체적이라면 진학을 희망하는 학교의 학과 교수진 연구분야와 구성비율을 확인해 볼 것을 권한다. 자세한 내용은 재료공학과 문서 참고.[9] Vienna Ab-initio Simulation Package. DFT 계산에 관련해서 가장 높은 사용률을 보이는 소프트웨어다. 5.4.1 부터는 GPGPU도 된다.[10] 이 둘은 VASP처럼 DFT 계산에 주로 쓰이며 소스가 공개된 자유 소프트웨어다.[11] 계산화학 분야에서 더 유명한 제일원리(DFT, 파동함수 기반 모두) 계산 프로그램이지만 재료공학에서도 사용된다. 물질의 전자 분포를 원자 오비탈로 표현하는데 재료공학(신소재공학)에서는 주로 결정을 다루기 때문에 원자 오비탈보다는 주기적인 평면파를 사용하는 소프트웨어가 보통이다.[12] 분자동역학에서 많이 쓰이고 있으며, MLP(머신러닝 포텐셜)의 활용도 활발하게 이루어지고 있다.[13] 분자동역학