개념 한 쪽
다양한 특수 재료는 각기 다른 물리·화학적 특성으로 특정 용도에 적합하다고 한다. 문제는 재료의 고유 성질과 그 응용을 연결하는 능력을 묻는다고 한다. 대표적으로 초전도 재료, 형상기억합금, 비정질 합금의 제조법, 연질 자성재료, 흡음재료 등이 자주 등장한다고 한다.
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출제기준 단원 「고강도 재료」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 전기적 특성 연결 | 1 | 저항 특성과 응용을 연결하여 초전도 재료를 고르기 |
| 자성 재료 분류 | 1 | 연질·경질 자성재료의 용도와 예시를 구분하기 |
| 소음 제어 재료 원리 | 1 | 소음 흡수 원리로 흡음재료를 판별하기 |
초전도 재료는 전기 저항이 0에 가까워져 에너지 손실이 거의 없는 현상을 보이는 재료라고 한다. 이런 특성 때문에 초전도 재료는 자기부상열차의 전자석이나 MRI의 코일처럼 전기 저항에 의한 손실이 문제되는 분야에 응용된다고 한다.
형상기억합금(SMA)은 온도 변화에 따라 변형된 모양이 일정 온도 이상에서 원래의 형상으로 복귀하는 성질을 가진 합금이라고 한다. 이 효과는 오스테나이트상과 마텐자이트상 사이의 가역적 변태, 즉 마텐자이트 변태에 기인한다고 한다. 다만 모든 마텐자이트 변태 합금이 형상기억효과를 보이는 것은 아니라고 한다.
비정질 합금은 결정 구조가 없는 상태의 합금이라고 한다. 이를 제조하는 방법은 크게 기상 상태에서 형성하는 기체 급랭법과 용융 금속을 급냉하는 액체 급랭법으로 구분된다고 한다. 기체 급랭법에는 진공 증착, 스퍼터링, 화학 증착 등이 포함된다고 한다. 스프레이법 등은 액체 급랭법에 해당한다고 한다.
자성 재료는 연질 자성재료와 경질 자성재료로 나뉜다고 한다. 연질 자성재료는 외부 자기장에 의해 쉽게 자화되고 자기장을 제거하면 자성을 잃기 쉬운 특성이라고 한다. 센더스트(Fe-Si-Al 합금)가 연질 자성재료의 대표 예라고 한다. 경질 자성재료는 영구자석용으로 잔자력이 큰 재료라고 한다.
소음 제어에 쓰이는 재료는 작용 원리에 따라 구분된다고 한다. 공기압의 진동 에너지를 마찰 등으로 열에너지로 변환하여 소음을 흡수하는 재료는 흡음재료라고 한다. 제진·방진·차음 재료는 각각 진동 흡수, 진동 전달 차단, 소음 반사·차단 같은 다른 원리를 가진다고 한다.
문제 유형은 주로 재료의 고유 특성과 응용을 연결하도록 출제된다고 한다. 예를 들어 전기 저항이 0에 가깝다는 서술이 나오면 이는 초전도 현상과 초전도 재료를 가리킨다는 점을 기준으로 선택지를 판단한다고 한다. 연질 자성재료를 묻는 문제에서는 '변압기 철심처럼 자화가 자주 바뀌는 곳에 쓰인다'는 용도를 떠올려 센더스트와 같은 Fe-Si-Al 합금을 정답 후보로 삼는다고 한다.
비정질 합금의 제조법 관련 문제에서는 공정의 물리적 상태(기체 vs 액체)에 주목한다고 한다. 진공 증착, 스퍼터링, CVD 등은 기상 상태에서의 증착 공정이므로 기체 급랭법 계열로 묶는다고 한다. 스프레이법은 용융 금속을 분사하는 액체 급랭법으로 소거한다고 한다. 흡음재료는 소음 에너지를 열에너지로 전환하여 소산시키는 작용 원리를 근거로 선택한다고 한다.
시험에서 흔한 함정은 용어를 뒤바꾸거나 응용 분야를 혼동하는 경우라고 한다. 예컨대 '저항 0'을 형상기억합금이나 흡음재료의 특징으로 바꾸어 제시하면 오답이므로 각 재료의 핵심 특성을 기준으로 선지를 검토한다고 한다.
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.
공업화와 사회생활의 변화에 따라 진동과 소음에 기인하는 공해가 급증하고 있다. 소음대책으로 볼 때 공기압의 진동을 열에너지로 변화시켜 흡수하는 재료는?
정답 ② · 소음 대책 재료는 크게 차음, 흡음, 제진, 방진으로 나뉩니다. 문제에서 '공기압의 진동을 열에너지로 변화시켜 흡수한다'는 표현은 소음 에너지가 재료 내부에서 마찰이나 점성 저항에 의해 열에너지로 소산되는 흡음(Sound Absorption) 현상을 설명합니다.
소음 에너지를 열에너지로 변환하여 흡수하는 재료를 흡음재료라 한다.
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