개념 한 쪽
신에너지 재료는 전기적·기계적·열적 특성에 따라 특정 응용 분야에 적합한 합금이나 복합재료를 지칭한다. 시험에서는 합금의 조성에 따른 용도, 형상기억합금의 작동 원리, 비정질 합금의 제조법 구분, 자성재료의 연질·경질 분류, 흡음재료의 작용 원리 등을 묻는 문제가 출제된다.
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출제기준 단원 「신에너지 재료」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 합금 조성과 용도 매칭 | 1 | 합금의 주성분을 근거로 응용 분야를 고르는 능력을 평가한다 |
| 초전도성 응용 식별 | 1 | 전기저항 특성과 응용처를 연결하여 초전도 재료를 가려내는지를 평가한다 |
| 자성재료 분류 판단 | 1 | 연질과 경질 자성재료의 특징을 근거로 적합한 재료를 선택하는지를 평가한다 |
초전도 재료는 전기 저항이 0에 가까워 에너지 손실이 거의 없는 현상을 이용하는 재료라 한다. 이러한 특성 때문에 자기부상열차나 MRI 장치의 전자석 등 저손실 전자기기 응용에 쓰인다.
형상기억합금은 온도 변화에 따라 변형된 형상을 원래대로 되돌리는 특성을 가진 합금이다. 이 특성은 오스테나이트와 마텐자이트 상 사이의 가역적 변태, 즉 마텐자이트 변태에 기인한다는 원리를 이해한다.
비정질 합금은 원자 배열이 규칙적이지 않은 비결정 구조를 가지며, 제조 방법은 액체 급랭법과 기체 급랭법으로 구분된다. 액체 급랭법은 용융 금속을 초고속으로 냉각시키는 방법으로 원심법 등이 해당하고, 기체 급랭법은 기상 상태에서 증착·응고시키는 방식으로 진공 증착, 스퍼터링, 화학 증착(CVD) 등이 해당한다.
자성재료는 연질과 경질로 나뉘며 연질 자성재료는 자화가 쉽게 되나 자기장을 제거하면 자성을 잃는 특징을 가진다. 센더스트는 Fe-Si-Al 계 합금으로 연질 자성재료에 해당하며 변압기 철심 등에서 사용된다.
흡음재료는 공기압의 진동을 재료 내부에서 마찰 등으로 열에너지로 변환하여 소음을 흡수하는 재료이다. 이 원리는 제진·방진·차음과 구별되는 핵심 작용 메커니즘이므로 소음 대책 분류 문제에서 유의한다.
콘스탄탄은 Ni에 Cu를 약 50~60% 함유한 합금으로 전기저항의 온도 계수가 매우 작아 열전대용 재료로 쓰인다는 사실을 문제에서 직접 연결하여 판단한다. 형상기억합금 관련 문제는 '온도 변화로 원래 형상 복귀'와 '마텐자이트 변태' 연결로 접근한다. 비정질 제조법 문제는 기상법(진공증착, 스퍼터링, CVD)과 액체 급랭법(원심법, 복사냉각)을 물리적 상태로 구분하여 답을 고른다. 자성재료 문제는 연질이면 변압기 등 교번 자화 환경에 적합하고 센더스트가 연질 자성재료임을 기준으로 판별한다.
Ni에 Cu를 약 50~60% 정도 함유한 합금으로 열전대용 재료로 사용되는 것은?
정답 ④ · 콘스탄탄(Constantan)은 니켈(Ni)에 구리(Cu)를 약 50~60% 함유시킨 Cu-Ni계 합금입니다. 고온에서의 산화에 강하고 전기저항이 온도에 따라 거의 변하지 않는 특성을 가지고 있어, 열전대의 극성 재료나 저항 소자로 널리 사용됩니다.
니켈에 구리 50~60% 함유한 합금으로 전기저항이 온도에 거의 변하지 않는 콘스탄탄이 열전대 재료로 쓰입니다.
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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