Transcript 재료의 역사
나노기술 (재료의 역사) Energy & Environmental Eng. Lab. 2004020711 Kang Seok Hyun 문명의 시작 원시 수렵생활 구석기 도구(찍게, 긁게 등) 정착생활인 농경 생활 농기구 생산(돌도끼, 방추차=가락바퀴) 농경 인구 증가 잉여 농산물 직업의 전문화(야금장이 옹기장이, 직 조인 등) 문명의 시작 문자의 필요성: 외상 회계 체계 수립 문자는 궁중의 물품목록에서 시와 유머의 전달로 전파 예, 최초 알파벳 글: 술항아리의 글 ‘제일 날렵하게 춤추는 자가 이 상을 받으리라’ “나는 네스트로의 술잔이로다. 누구든지 이 잔으로 마시는 자는 아름다운 아프로디테의 욕망에 사로잡히리라” The Materials Ages Stone age (석기) ~2,000,000 BC Lower paleolithic(전기구석기) 1,500,000 BC Upper paleolithic (후기구석기) 40,000 BC Neolithic(신석기) 8,500 BC Chalcolithic(copper stone) 동석기 시대 4,500 BC Bronze Age(청동기) 3,200 BC Iron Age(철기) 1,200 BC cement age (시멘트) 200 BC Steel age (강鋼) 1850 AD Silicon Age(실리콘) 1,950 AD New Material Age(신소재) 1,990 AD 소재의 역할 1. 인류문명을 이루는 building block 모든 기기는 여러 형태로 만들어진 소재의 집합체이다. 석기시대 ⇒ 청동기시대 ⇒ 철기시대 ⇒ 실리콘 시대 ⇒ ? 2. 새로운 기능의 소재는 새로운 기기, 새로운 산업, 새로운 문화를 창조하는 원동력 실리콘 반도체 ⇒ IC chip 화합물반도체 ⇒ Laser Diode SiO2 ⇒ 광섬유(Optic fiber) 3. 소재 · 부품은 국가 산업 경쟁력의 원동력 재료의 발견 과정 토기의 발견 - 우연한 발견- 철기발생설화의 계통분류 - 운철(운석)을 이용하여 기초적인 제련을 하였다는설 - 자연야금설 자연적인 산불로 인하여 철을 생산했다는 설 다른 용도로 사용하기 위해서 광물을 사용중 채광되었다는 설 석기시대의 연장 신석기 시대의 연모 중기 구석기 시대 연모 석기 시대 연모의 사용 찍게 긁게 소성온도 변화에 의한 재료문명 토기의 소성온도 1. 2. 3. 4. 500℃ 이하 최초가열: 운모와 점토의 수분제거 700℃ : 연질토기의 소성온도 (삼국시대) 700-1200℃:경질토기의 소성온도 (통일신라) 1200℃ 이상: 도자기 (청자, 백자) 분석대상 토기의 상태도 토기 성분: SiO2- Al2O3 - K2O의 삼원계 첫째 액상 형성: 695℃ (K2O 4SiO2) 5번째 액상: 1140℃ (K2O Al2O3 6SiO2) 미세구조 변화, 유리화(SiO2 )를 임계점으로 구분하여 소성 온 도 판단 토기의 제조공정 석기시대: 민무늬토기 (무 문토기) 연질토기 신석기시대: 빗살무늬토기 토기문명의 전파 백자발: 백자 1400-1800년도 상감청자: 10세기-12세기 금속을 이용한 문명의 발달 신석기 말기: 천연금속(금, 백금, 구리)의 사용 운철의 사용(국내 유물 미 발견) : 지구 외의 우주에서 날아온 별똥별 동의 사용(국내 미 발견): 제련동으로 만든 동기(As, Sb 미량 함 유하여 강도 증가 한국의 청동기: BC 1000년-BC 2000년 주조기술: 중국 → 한국 → 일본전수, 정밀주조인 실랍법 기 술 보유(다뉴세문경) 청동기의 성분: Sn(주석), Pb(납) 성분, 종의 경우 납을 제한 (감쇠 현상 방지) 한국 청동기의 아연(Zn)첨가설; 유물에서 출토 아연 420도 용융, 950도 기화됨. 18세기 금속아연 주조기술 청동기 제조공정 전파 석범기술:청동주조 위한 돌 거푸집- 일본전파 활석: 용범 또는 석범 이용 밀랍으로 틀을 형성 → 활석을 이용하여 거 푸집 만듬 → 청동을 녹여 거푸집에 넣는다 청동기, 철기시대 청동기시대의 검 초기철기시대: 세형동검 및 동경 철부(철도끼) 한국의 야금학과 문명 야금(冶金)기술의 전파 세계최초 BC 6000-5000 년 페르시아 한국 BC 10세기경 무문토기인 청동기문화(북방계) 한국 BC 3-4세기 전국시대의 철기문화 한국 BC 3-4세기 스키타이 계통 청동기문화 동시에 전래 철기문화의 발전: BC 108 년 낙랑군 설치로 집중적 유입 철기문화의 수출: BC 1세기-AD 3세기 주위와 일본에 공급 야금(冶金)기술의 온도 일반 나뭇불: 800-900 ℃ 참나무:1000 ℃ + 자연풍 = 1100정도 (동제련 가능:1084.5 ℃) 목탄: 1200 ℃ (철광석+ 목탄 = sponge iron), 탄소함유 4.3% 인 철광석 1150 ℃ 에서 용해 목탄 + 송풍: 1200 ℃ 이상 (제련 가능) 정밀주조 및 합금학의 발전 청동거울: 정밀주조에 의한 주조(실랍 기술) 종의 제작: 에밀레종, 합금조정, 납 성분 저 하, 납성분 감쇠 성질 연금술과 철의 연구과정 연금술사 점성술사, 천문학자, 화학자는 동일한 직업 금을 창조하는 과정에서 많은 화학적 발견 자신들만의 고유한 기호 사용 연금술 이론 1. Stone(earth) + fire =Iron Contains more fire than the iron ore 2. Iron(earth) + fire=Gold ‘Shiny Gold’ contains more Fire than ‘dull iron’ 연금술 작업에서 7개의 금속 Au Aurum(Gold: 금) Ag argentum(silver: 은) Cu cuprum(copper: 동) Sn stannum( tin: 주석) Pb plumbum( lead: 납) Hg hydrargyrum(mercury: 수은) Fe ferum(iron: 철) *Cu 는 latin어의 Cypriot Metal의 뜻으로 cyprus 섬에 많은 광상에서 비롯되었고 도자기 성형 시에 최초 제조 다마스커스란 (십자군전쟁) -패턴웰링 : 성질이 다른 두가지 이상의 강철을 몇 겹으로 포 개고 두드리면 장점 만을 가진 강철이 생 산됨 - 십자군전쟁때 이슬 람세계에서 유럽으로 전파 일본도 일본도 : 아마하가에 옥강을 사용하여 넓 게펴서 두드리고 접는다. - 내부:무르고 탄성이 있는 철 (신가네) - 외부:단단하지만 쪼개지는 철 (가와가네) 마텐자이트화 담금질 : 칼을 제련하는 과정 에서 휘어지게 된다. 소재 첨단 기술과 패권 1. 청동제 대형 총포 기술; 이탈리아 이탈리아 청동 주조 기술 독점, 종교 종 제조기술 15세기 대항해 시대: 해적선소탕 총포 기술 특화 2. 청동 대포 대륙으로 이동 동일한 종교, 인접국가의 기술자 우대정책 3. 청동제 대형 총포의 장점 및 단점 주조성 높고 가공 용이 대포의 전장에서의 내구성 고 가격으로 실용성 저하 4. 새로운 대체 재료의 부상 저가의 대체 재료인 주철포 기술; 영국 단조철기의 제조공정 제조공정 1. 철광석에서 환원괴(sponge iron) 획득 2. 열을 가하고 계속하여 두드림 ( 鍛打 ) 3. 철내의 불순물 압출 내부 공동(internal pore) 제거 4. 재료의 결정립 미세화 및 순도 상향 패러다임의 전환 21 C Micro-Level Nano-Level 학문/기술/산업의 전환 고체의 표면/계면/벌크에 대한 고전적 개념 적용 한계 벌크를 기준으로 정립된 기존의 결정구조학적 개념에서 바라 보는 물리/화학적 개념 적용 한계 물질의 이동/생성/분포 등과 관련된 확률/통계학적 개념에 수 학적 복잡성 증가 시스템의 전자기적/광학적/화학적/기계적 특성의 근본적 변화 과학과 공학이 융합된 새로운 학문과 산업이 도래 국내 소재 관련 산업 현황 TFT LCD 메모리 반도체 철강 조선 자동차 세계 1위 세계 5위 세계 1위 세계 5위 디스플레이 산업과 신소재공학 PDP (Plasma Display Panel) TFT-LCD (Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display) FED (Field Emission Display) EL (Electroluminescence Display) 반도체 산업과 신소재공학 항공/조선 산업과 신소재 공학 고분자 재료/복합재료 알루미늄합금(가볍고 내구성이 좋은물질) → 티타늄(비싸고 가공에 어려움 → 복합재료ㆍ수지를 유리섬유로 강화 자동차 산업과 신소재 공학 dashboard – synthetic resin body – super steel future cars wheel – aluminum/steel 바이오 산업과 신소재공학 심장판막 – CoCr 합금, silicone Teeth – amalgams 신경조직polymer fiber 관절 : shoulder 관절 : hip 광통신 산업과 신소재 공학 광파이버 – 플라스틱 (plastic) 또는 실리카 유리(Silica glass) 광도파격자 – LiNbO3 등 Output Input Input Fiber