개념 한 쪽
기능성 재료는 특정 물리적 또는 화학적 특성을 이용하여 특정 용도에 적용하는 재료군을 말한다. 예로 초전도 재료, 형상기억합금, 비정질 합금, 연질 자성재료, 흡음재료, 섬유 강화금속 복합의 강화섬유 등이 포함된다. 시험에서는 재료의 고유 특성과 그 응용을 연결하는 문제가 자주 출제된다. 핵심 키워드를 성질과 응용으로 연결하여 기억하는 것이 효과적이다.
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출제기준 단원 「기능성 재료」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 열팽창계수 관련 소자 판별 | 1 | 바이메탈의 작동 원리가 되는 물성 식별하기 |
| 전기적 성질과 응용 연결 | 1 | 저항 특성으로 초전도 재료를 고르는 역량 평가하기 |
| 자성 재료 분류 | 1 | 연질 자성재료의 예를 골라 용도와 연결하기 |
초전도 재료는 전기 저항이 0에 가까워 에너지 손실이 거의 없는 현상을 보이는 재료로 자기부상열차나 MRI 같은 응용에 사용된다고 설명한다. 이 설명은 초전도 현상이 전기 저항의 급격한 감소에 따른 것임을 의미한다.
형상기억합금은 온도 변화에 따라 변형된 형상이 특정 온도 이상에서 원래의 형상으로 복귀하는 특성을 지닌 합금이라고 서술한다. 이 작동 원리는 오스테나이트상과 마텐자이트상 사이의 가역적 변태, 즉 마텐자이트 변태에 기인한다고 정리한다.
비정질 합금은 원자 배열이 규칙적이지 않은 상태를 갖는 합금이며, 제조법을 기준으로 기체 급랭법과 액체 급랭법으로 분류된다고 기술한다. 진공 증착, 스퍼터링, 화학 증착은 기상 상태에서 물질을 형성하는 기체 급랭법 계열이며, 스프레이법 등 용융 금속을 분사하여 냉각하는 방식은 액체 급랭법에 해당한다고 설명한다.
연질 자성재료는 외부 자기장에 의해 쉽게 자화되고 자기장을 제거하면 자성을 잃기 쉬운 재료이며, 센더스트가 그 예라고 명시한다. 흡음재료는 공기압의 진동 에너지를 열에너지로 변환하여 소음을 흡수하는 재료라고 정의한다.
바이메탈은 열팽창계수가 서로 다른 두 금속을 접합하여 온도 변화에 따른 휨 변형을 이용하는 소자라고 정리한다. 두 금속의 열팽창계수 차이가 바이메탈의 작동 원리의 핵심이라고 단언한다.
문제에서는 재료의 고유 특성으로 응용을 고르는 유형이 자주 출제된다. 예를 들어 전기 저항이 0에 가까워 에너지 손실이 거의 없는 특성을 이유로 자기부상열차나 MRI에 쓰인다고 하면 초전도 재료를 정답으로 고르게 된다. 형상기억합금 문제에서는 온도에 따라 변형이 되돌아오는 특성을 묻는 선지가 정답이 된다.
제조법을 묻는 문제에서는 기상법과 액체 급랭법을 혼동하지 않아야 한다. 진공증착·스퍼터링·CVD는 기상 상태에서 증착하는 기체 급랭법 계열이고, 스프레이법은 용융 금속을 분사하여 급랭하는 액체 급랭법에 해당한다고 판단하면 정답을 찾기 수월하다.
자성 재료 관련 문제에서는 연질과 경질의 구분을 통해 용도를 연결하면 맞히기 쉽다. 변압기 철심처럼 자화 방향이 자주 바뀌는 곳에는 연질 자성재료가 쓰이고, 영구자석에는 경질 자성재료가 쓰인다는 연결을 이용한다.
온도변화에 따라 휘거나 그 변형을 구속하는 힘을 발생하여 온도감응소자 등에 이용되는 바이메탈은 재료의 어떤 특성을 이용하여 만든 것인가?
정답 ① · 바이메탈(Bimetal)은 열팽창 계수가 서로 다른 두 금속판을 접합하여 만든 소자입니다. 온도가 변하면 두 금속의 팽창 정도가 달라져 휘는 현상이 발생하는데, 이 원리를 이용하여 온도 변화를 기계적 변위로 바꾸거나 전기 스위치를 작동시키는 온도감응소자(thermostat 등)로 널리 사용됩니다.
바이메탈은 열팽창계수가 서로 다른 두 금속을 접합하여 온도 변화에 따른 변형을 이용하는 소자이므로 열팽창계수가 정답이다.
다음 중 전기 저항이 0(Zero)에 가까워 에너지 손실이 거의 없기 때문에 자기부상열차, 핵자기공명 단층 영상장치 등에 응용할 수 있는 것은?
정답 ② · 전기 저항이 0에 가까운 상태를 초전도(Superconductivity)라고 하며, 이러한 성질을 가진 재료를 초전도 재료라고 합니다. 초전도 상태에서는 전기 저항이 완전히 사라져 에너지 손실이 없으므로, 자기부상열차의 강력한 전자석이나 핵자기공명(MRI) 장치의 고자장 코일 등에 응용됩니다.
저항이 0인 초전도 재료는 에너지 손실 없이 자기부상열차 등에 쓰인다.
다음 중 연질 자성재료에 해당되는 것은?
정답 ① · 센더스트(Sendust)는 철(Fe)에 규소(Si)와 알루미늄(Al)을 첨가한 합금으로, 자구이방성상수와 와전류 손실이 매우 적어 연질 자성재료(soft magnetic material)로 분류됩니다. 이는 주로 트랜스포머의 철심이나 자기 차폐재 등으로 사용됩니다.
연질 자성재료는 자화가 쉽게 되며 자화력을 잃기 쉬운 재료를 말하며, 센더스트가 대표적이다.
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