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재료과학
조성제 교수
서울대학교 대학원 무기재료공학과 석사과정
KAIST 대학원 신소재공학과 박사졸업
서울대학교 대학원 무기재료공학과 석사과정
KAIST 대학원 신소재공학과 박사졸업
서울과학기술대학교
현) 유니와이즈 전임교수
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총 15개 챕터, 51강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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| 1장. 재료과학&공학 소개 (Syllabus Material Sci & Engineering ) | ||
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[1강] 재료과학 오리엔테이션
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재료과학 개념완성 1강 Syllabus 및 강의 전체 구조 개관
• 재료과학 기초 구조: Atomic Structure·Quantum Mechanics·고체 구조를 중심으로 Defect·Diffusion 및 금속/세라믹/폴리머 분류를 연결하는 전 범위 개론 • 재료 특성 체계: Mechanical·Thermal·Phase Transformation·Electrical/반도체·Magnetic·Optical Property를 법칙·미시 구조·거동 관계로 통합 정리 • 학습·출제 전략: Material Science 중심 심화 구성, 열역학→상변태 선행 학습, Defect·Diffusion·기계적/전기적 특성 등 핵심 개념·계산 위주 문제 대비 |
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| 2장. 원자 구조(Atomic structure) | ||
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[2강] 원자 구조(Atomic structure)
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원자구조의 역사와 양자수, 맥스웰 방정식 핵심 정리
• 원자 구조·양자수 체계: 돌턴–Thomson–Rutherford–Bohr–De Broglie–Schrodinger–Heisenberg로 이어지는 원자 모형 발전과 Schrodinger 방정식에서 유도되는 4가지 양자수(n, ℓ, mℓ, ms)의 정의·허용값·오비탈(1s, 2p, 3d 등) 구조 및 전자 배치 원리 정리 • 오비탈·전자 배치 규칙: 껍질·부껍질·오비탈 수와 전자 수용 한도(s 2e, p 6e, d 10e, f 14e), Aufbau 원리 기반 전자 채움 순서와 한 오비탈당 2전자 규칙의 양자역학적 근거 요약 • 맥스웰 방정식·로렌츠 힘: 전기·자기장의 통합 4대 방정식(전기·자기 가우스 법칙, 패러데이 법칙, 암페어–맥스웰 법칙)의 물리적 의미와 로렌츠 힘 q(E+v×B)에 의한 자기장 내 하전입자 원운동(구심력=로렌츠 힘) 해석 및 e/m 측정 원리 정리 |
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[3강] 양자역학(Quantum mechanics)
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재료과학 현대물리 기초: Duality, 물질파, 광전효과 핵심 정리
• 고전물리 한계와 에너지 양자화: 원자선 스펙트럼·흑체복사·광전효과에서의 고전이론 실패와 플랑크의 E = hν 가설·플랑크 상수 도입을 통한 복사 에너지 불연속성 정립 • 광전효과와 일함수: 포톤 에너지 E = hν, 광전효과 기본식 K_max = hν − φ, 재료 고유 상수인 일함수·문턱 주파수 개념 및 에너지–파장·eV–J 단위 변환 계산 구조 • 보어 원자모델과 드브로이 물질파: 각운동량 양자화 mvr = nħ, 수소 원자 에너지 준위 E_n ∝ −1/n²와 선 스펙트럼, 드브로이 파장 λ = h/p와 정상파 조건 2πr = nλ에 의한 양자화 근거 및 입자–파동 이중성 확립 |
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[4강] 슈뢰딩거 방정식 1(Schrodinger equation 1)
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하이젠베르크 불확정성 원리와 슈뢰딩거 방정식(1) 핵심 정리
• 하이젠베르크 불확정성 원리·드브로이 물질파·보른 확률 해석: 위치·운동량·에너지·시간 사이 불확정성 관계(Δx·Δp, ΔE·Δt), 파동·입자 이중성, |ψ(x)|²의 확률밀도 해석 및 파동묶음 관점의 불확정성 유도 개념 정리 • 파동 방정식과 물질파 해·정상파: 1차원 파동 방정식(∂²ψ/∂t² = v²∂²ψ/∂x²), 삼각함수·복소지수 함수형 해와 v=ω/k=λν 관계, 반대 진행파 중첩에 의한 정상파(노드, 반노드) 형성과 ψ(x,t)=X(x)T(t) 변수 분리 구조 설명 • 슈뢰딩거 방정식(Time-dependent·Time-independent)과 라플라시안: E = p²/2m + V, p=ħk, E=ħω로부터 에너지·운동량 연산자(iħ∂/∂t, -ħ²∂²/∂x²) 도입, 시간 의존/비의존 슈뢰딩거 방정식 및 ∇² 정의, 정지 상태(정상파) 해와 불확정성 원리 활용 수치 예제(양성자 위치 불확정성 진화) 개념 정리 |
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[5강] 슈뢰딩거 방정식 2 (Schrodinger equation 2)
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Schrodinger 방정식 응용: Particle in a box·조화진동자·수소원자
• Schrodinger 방정식과 파동함수 해석: 시간 의존·비의존 방정식 구분, 정상파·경계조건 적용, Max Born 해석을 통한 $|\psi|^2$ 확률밀도와 정규화 개념 정리 • 대표 양자계 에너지 양자화: Particle in a box($E_n\propto n^2$), Quantum harmonic oscillator($E_n=(n+\frac{1}{2})h\nu$), 수소 원자($E_n\propto 1/n^2$)의 파동함수·노드·양자수 구조 및 에너지 준위 비교 • 재료과학 응용: Quantum dot의 크기-색 제어(Particle in a box 모형), 고체 내 phonon과 열용량·열전달(QHO 모형), 수소형 오비탈 기반 전자구름·결합·밴드구조 해석을 통한 재료 물성 예측 |
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[6강] 슈뢰딩거 방정식 3 (Schrodinger equation 3)
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수소 원자 오비탈과 양자수, 노드 구조 정리
• 수소 원자 Schrödinger 방정식과 양자수: time-independent Schrödinger 방정식 해로부터 Bohr 모형과 동일한 에너지 준위와 세 양자수(n, l, m_l)를 도출하고, 직교좌표계→구좌표계 변환 및 라플라시안·변수분리로 에너지·각운동량·공간적 방향의 물리적 의미를 구조화 • 양자수와 노드 규칙: 주양자수 n, 궤도 양자수 l(s,p,d,f), 자기 양자수 m_l의 허용 범위를 정의하고, 총 노드 수 n-1, 노달 플레인 수 l, 방사형 노드 수 (n-1-l) 관계를 통해 1s·2s·3s·2p·3p·3d·4f 등 오비탈의 노드 구조·에너지 준위·전자구름 반경 및 대칭성 서술 • 오비탈 형상 판별 및 역추론: 구형(s), 아령형(p), 클로버/도넛 결합(d,f) 등 오비탈 모양을 노달 플레인 개수와 방사형 노드 개수로 분류하고, 임의 전자구름 그림에서 노달 플레인 수→l 결정, 방사형 노드 수와 합으로 총 노드 계산→n 산출하여 오비탈 이름(예: 2p, 3s, 3d, 4f, 5d)을 역추론하는 절차 정리 |
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[7강] 주기율표&원자 간 결합(Periodic table & Atomic bonding )
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주기율표와 원자 결합, 포텐셜웰 및 분자 간 결합 정리
• 원자·주기성 개념: 주기율표 구조와 전이금속 정의, 전자배치 축조 원리(Aufbau·Pauli·Hund) 및 Cr·Cu 예외, 이온화 에너지·전자친화도·전기음성도와 주기적 경향, Work function의 물리적 의미 정리 • 화학 결합 종류: 전기음성도 차이에 따른 이온결합·공유결합 구분, 수소결합·Van der Waals 결합의 정의와 쌍극자 개념, 결합 상대 세기와 물·메탄·DNA·분자 결정의 구조·상태(녹는점·끓는점) 연관성 정리 • 포텐셜 웰과 물성: 이온쌍 포텐셜 에너지–거리 곡선과 힘–거리 관계(F = −dU/dr), 평형 결합거리·포텐셜 우물 깊이·폭과 결합에너지·녹는점·탄성·열팽창의 상관, 조화진동 근사 및 물성 예측 절차 정리 |
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[8강] 분자 궤도 함수(Molecular orbital)
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재료과학 분자 오비탈: LCAO, VSEPR, Hybrid 정리
• 분자 오비탈·LCAO·결합수: AO 선형결합(LCAO)을 통한 결합·반결합 MO 형성, 결합수[(결합 MO 전자수-반결합 MO 전자수)/2]와 홀전자 유무로 결합 안정성·상자성/반자성 해석(H₂, He₂, Li₂, B₂, C₂, N₂, O₂, CN⁻ 등 MO 다이어그램 포함) • VSEPR 분자 입체구조: 중심 원자 주위 결합쌍·비공유 전자쌍 반발 최소화 원리로 전자쌍 기하와 분자 기하(선형, 굽은형, 삼각평면, 삼각뿔, 정사면체) 및 결합각·극성 예측(CH₄, NH₃, H₂O, CO₂ 등) • Hybrid orbital과 결합: sp³·sp²·sp 혼성화를 통한 σ/π 결합 구성(단·이중·삼중 결합 = σ, σ+π, σ+2π)과 109.5°·120°·180° 결합각 설명, 탄소 중심 유기·무기 분자의 결합 방향성·강도 해석(C–C, C=C, C≡C, C≡N 등) |
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| 3장. Metal/Ceramic structure | ||
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[9강] 결정 구조 1(Crystal structure 1)
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결정구조와 7 Crystal Systems, 14 Bravais Lattices 핵심 정리
• 상과 구조 개념: 기체·액체·고체·플라즈마·아몰퍼스 정의와 crystal vs amorphous의 long/short range order 차이, 미세구조가 물성·상변태에 미치는 영향 정리 • 7 Crystal systems: a,b,c 축 길이와 α,β,γ 각 관계에 따른 7 결정계(Cubic, Tetragonal, Orthorhombic, Trigonal/Rhombohedral, Hexagonal, Monoclinic, Triclinic) 분류와 hexagonal·trigonal unit cell 정의 • 14 Bravais lattices: PBIF(Primitive, Base-, Body-, Face-centered) 격자점 배치와 28→14개 축소 원리(중복·primitive cell 환원, 1/2만 허용되는 centering), Cubic SC/BCC/FCC 특징·FCC 회전 대칭성, graphene 구조의 hexagonal Bravais lattice 및 lattice parameter 도출 |
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[10강] 금속 구조(Metal structure)
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Summary Content:
크리스탈 구조 SC/BCC/FCC와 HCP, Interstitial site와 Coordination number 정리 • Cubic·HCP 결정 구조: SC·BCC·FCC의 단위격자당 원자수, lattice position 좌표, A–R 관계 및 HCP의 AB 스태킹·단위격자 원자수와 FCC(ABC 스태킹)와의 close packed 구조 비교 • Close packed·APF·interstitial 개념: FCC/HCP의 close packed stacking(ABC vs AB), atomic packing factor 정의 및 구조별 충전도, 금속 격자 내 interstitial site의 의미와 합금 형성에서의 역할 • Coordination number와 r/R 임계비: CN 정의와 안정 조건, CN=2·3·4·6·8별 임계 r/R 값(0.155·0.225·0.414·0.732)과 기하학적 유도 원리, 정삼각 기둥 구조 interstitial r/R≈0.53 도출 절차 정리 |
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[11강] 결정 기하학(Crystallographic geometry)
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Crystallographic geometry: 결정에서의 위치·방향·면, 각도 및 패밀리 개념
• 결정 기하 표기법: 점 좌표(Q,R,S)와 방향 [uvw], 면 (hkl), 패밀리 • 결정계 및 표기 확장: cubic·tetragonal·orthorhombic·hcp 등 각 결정계에서 대칭성에 따른 패밀리 성립 조건, hcp의 3지수·4지수([uvtw], t=−(u+v)) 변환과 면(평면)·방향 간 대응 관계 정리 • 각도 계산과 응용: (hkl) 면 법선 [hkl]과 벡터 내적을 이용한 면–면·면–방향 각도 계산법 정식화, Si (100)–(111) 각도와 V-groove, MEMS 구조 설계에서의 식각 이방성·각도 제어 활용 원리 정리 |
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[12강] 결정 밀도(Crystallographic density)
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Crystallographic density, Atomic Packing Factor와 Planar Density 핵심 정리
• Atomic Packing Factor(APF)와 결정구조 비교: SC·BCC·FCC·HCP 유니트 셀에서 격자 상수–원자 반지름 관계, 유효 원자 수, 부피를 이용해 APF를 정의·계산하고(정삼각 기둥 예제 포함), SC(0.52) < BCC(0.68) < FCC/HCP(0.74)로 정리 • HCP 기하와 c/a 비, FCC–HCP 적층 관계: HCP 유니트 셀 구조와 육각 기둥 부피, 포함 원자 수를 이용해 APF=0.74를 확인하고, FCC ABCABC 적층의 체대각(√3a)을 HCP ABAB 적층 높이와 연계해 c/a=1.633을 유도하며 두 close-packed 구조의 등가 충전 상태 정리 • Planar Density(면밀도)와 물성, FCC/BCC 면별 비교: 특정 면 위 포함 원자 수와 면적을 이용해 면밀도를 정의·계산하고, FCC에서 (111)·(100)·(110), BCC에서 (110)·(100)·(111)의 면밀도·순서를 제시하여 최밀 충전 슬립면·내부식성·식각 거동(실리콘 (100)/(111) 면, V-groove)과의 연관성을 구조적으로 정리 |
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[13강] 금속 구조 2(Metal structure 2)
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금속 결정구조의 인터스티셜 사이트 정리 (FCC·BCC·HCP)
• FCC/BCC/HCP 인터스티셜 사이트 구조: FCC·BCC에서 옥타헤드랄/테트라헤드랄 사이트의 위치·개수·coordination number와 반지름 비(r/R)를 기하학적으로 정의하고, FCC·HCP는 closest packing·APF 0.74, BCC는 APF 0.68로 빈 공간과 사이트 수 차이를 구조적으로 비교함 • 옥타헤드랄·테트라헤드랄 사이트 특성: FCC에서 octahedral 4개·tetrahedral 8개(r/R_oct=0.414, r/R_tet=0.225, octahedral이 더 큼), BCC에서 octahedral 6개·tetrahedral 12개(r/R_oct≈0.155, r/R_tet≈0.291, tetrahedral이 더 큼), HCP 유닛셀에서 tetrahedral 4개·octahedral 2개로 FCC 결과의 1/2 스케일 관계 정리함 • 인터스티셜 사이트와 합금 형성: 각 결정구조에서 허용 반지름 비 이하의 작은 원자가 인터스티셜 고용체를 형성하는 조건과 r/R 초과 시 치환형 고용체로 전환되는 기준을 제시하고, FCC/BCC/HCP 인터스티셜 사이트 특성이 interstitial alloy 설계·강철의 탄소 고용 등 합금 형성 가능성 판단 데이터로 기능함 |
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[14강] 세라믹 구조 1(Ceramic structure 1)
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다이아몬드, 그래파이트와 AX형 세라믹 구조 핵심 정리 (Diamond, Graphite, NaCl, CsCl, ZnS, GaAs)
• 다이아몬드·탄소 알로트로피 구조: FCC 기반 다이아몬드 구조의 테트라헤드랄 점유·APF(약 0.34)·sp³ 방향성 결합과, 그래파이트·그래핀·CNT·풀러렌의 sp² 결합, 층상·원통·구형 구조에 따른 기계·전기·광학·윤활 특성 비교 • AX형 이온성 결정 구조(NaCl, CsCl, ZnS): NaCl의 FCC+옥타헤드랄 사이트 점유, CsCl의 simple cubic+체심 배위, ZnS(zinc blende)의 FCC+테트라헤드랄 사이트(8개 중 4개 점유) 구조와 유닛셀 내 이온 수·브라베 격자·크리스탈 시스템 정리 • GaAs 및 Si 비교: GaAs의 zinc blende(III–V 반도체) 구조와 Si 다이아몬드 구조의 공통점(FCC 기반, (111) 최밀충전면)과 차이점( GaAs(111)의 양·음 전하 분극 vs Si(111) 전기적 중성)을 표면 전하·성장·태양전지·고주파 소자 설계 관점에서 대비 정리 |
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[15강] 세라믹 구조 2(Ceramic structure 2)
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페로브스카이트·실리케이트·플로라이트·스피넬 구조 핵심 정리
• 페로브스카이트 구조·유전체 개념: ABO3(BaTiO3) 격자에서 Ti center-off에 따른 강유전·고유전율 특성과 Tetragonal–Cubic 상변이, 캐패시터 유전체로서 상대유전율과 축전 용량 향상·태양광 전지용 전하 생성·수송 기능 정리 • 실리케이트·유리 구조: SiO4 사면체의 꼭지점 공유로 형성되는 사슬·층·망형 silicate와 냉각 속도에 따른 결정질(석영)·비정질(유리) 분화, Na2O·CaO 등 도핑에 의한 네트워크 절단·비공유 산소 증가·용융점 및 물성 조절 구조 정리 • 플로라이트·스피넬 격자: CaF2 fluorite·anti-fluorite에서 FCC 격자 이온과 tetrahedral site 점유 관계, AB2O4 스피넬에서 O FCC 격자·A/B의 tetrahedral·octahedral 점유 비, 이온 반지름에 따른 normal/inverse spinel 안정성 및 자기적 특성 연계 구조 정리 |
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[16강] X선 회절 1(X-ray diffraction 1)
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브래그 법칙과 구조산란인자를 이용한 X-ray 회절 분석 기초
• 브래그 법칙과 XRD 조건: 2d sinθ = nλ 보강간섭 식을 이용해 X-ray 파장·2θ·면간거리(d)의 관계를 설정하고, 2θ–θ 변환과 회절 발생 조건을 통해 결정면 정보 추출 • 결정계와 면간거리·Structure factor: cubic/tetragonal/orthorhombic의 1/d₍hkl₎² 식으로 격자상수(a,b,c) 도출하고, SC/BCC/FCC 구조 인자에 따른 허용/소멸 피크 선택 규칙(h+k+l 짝수, unmixed index 등) 정리 • XRD 패턴 해석과 구조 판별: 파우더법·Laue법 실험 설정을 바탕으로 피크 위치(2θ)와 존재/소멸 패턴을 분석해 Crystal system, SC/BCC/FCC 결정구조 및 사용 X-ray 파장 역산 절차 정리 |
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[17강] X선 회절 2(X-ray diffraction 2)
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X-ray 회절에서 CsCl, NaCl, Diamond, ZnS 구조 산란 인자와 피크 조건
• 구조 산란 인자 개념: 다원자 결정에서 원자별 산란 인자와 레티스 포지션을 합산한 Fhkl로 허용/소멸 반사와 상대 세기를 결정하며, CsCl는 BCC 유사 배열이지만 h+k+l 짝/홀에 따라 강·약 피크가 모두 존재하고, NaCl·Diamond·ZnS는 FCC 기반 mixed/unmixed 조건과 4n 규칙을 따른다. • FCC 기반 구조 selection rule: NaCl는 두 FCC 서브레티스와 mixed 소멸·unmixed 허용(산란 인자 차이로 세기 레벨 분화)을, Diamond·ZnS는 FCC+4면체(1/4 좌표)로 mixed hkl 반사 소멸과 h+k+l=4n,4n+1,4n+2,4n+3에 따른 피크 상대 세기 구분을 보인다. • 결정계와 피크 스플릿: 단순입방(SC)와 정방정(테트라고날) primitive의 d_hkl 식 차이로 동일 {hkl} 패밀리 피크가 SC에서는 단일, Tetragonal에서는 축 비대칭으로 분리(splitting)되어 나타나며, Bragg 법칙과 면간거리 관계를 이용해 상변태 및 대칭성 변화를 판별한다. |
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[18강] X선 회절 3(X-ray diffraction 3)
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X-ray diffraction 구조산란인자와 상전이, Laue XRD 핵심 정리
• 구조 산란 인자와 허용 반사 조건: Bragg 법칙과 구조 산란 인자 $F_{hkl}$을 기반으로 면밀도·중간면 유무로 보강/소멸간섭을 판단하고, SC·BCC·FCC·CsCl 구조의 허용/소멸 반사 규칙과 대표 피크를 정리하는 내용 • 상 분석과 상전이, 피크 스플릿: Cubic·Tetragonal·Orthorhombic 결정계의 격자상수 관계와 (hkl) 패밀리 피크 스플릿 양상을 통해 대칭성 감소, d-spacing 변화, 상전이 정도를 정성·정량적으로 해석하는 방법 • Laue XRD와 단결정 평가: 화이트 X-ray를 이용한 Laue XRD의 전방·back-reflection 패턴 특성과 단결정 배향·결함·품질 평가 절차를 분말 XRD와 비교하여 이해하는 내용 |
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| 4장. 폴리머 구조(Polymer structure) | ||
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[19강] 폴리머 1(Polymer 1)
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폴리머(Polymer) 1: 유기화학 기초, 작용기, 이성질체, 루이스 구조
• 유기화학 기초 및 작용기: 알킬·알코올·에테르·카르복실산·알데하이드·케톤·에스터·아민·티올·황 화합물 등 주요 기능기의 구조·명명법·역할을 통해 폴리머와 생체고분자 골격 이해 • 구조표기와 이성질체: 루이스 구조식·벤젠 고리 규칙, 포화·불포화 지방산의 결합·형태·패킹 차이, 이성질체 분류(구조이성질체, 광학이성질체·카이럴 센터·R/S·(+/−), 기하이성질체 cis/trans·E/Z)와 물성·생체 기능 연관성 정리 • 폴리머와 결정 구조: 모노머–폴리머 관계(생체 고분자·합성수지), 반복단위 구성과 나일론·PVC·폴리에틸렌 예시, 폴리머 결정구조와 유니트셀 기반 밀도 계산 절차 정리 |
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[20강] 폴리머 2(Polymer 2)
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폴리머 2: 산화·환원, 촉매, 컨쥬게이션, 분석법 정리
• 산화·환원·탄소 사이클: 탄소–수소/탄소–산소 결합 변화에 따른 에너지 상태·Redox 반응 정의, 연소·CO₂·CH₄를 포함한 탄소 순환과 온실효과 및 지구온난화 메커니즘 정리 • 촉매와 컨쥬게이션: 촉매·효소의 활성화에너지 감소와 반응경로 변화 개념, 컨쥬게이션 길이와 π 전자 비편재화에 따른 빛 흡수 파장·색(벤젠, 염록소, 카로틴, 비타민 A 등) 구조–색 관계 정리 • IR·NMR Spectroscopy: IR 진동수 영역별 작용기 판별(C–H, C=O, O–H 등) 원리와 한계, NMR 핵 스핀·Zeeman 분열·chemical shift·스핀-스핀 스플리팅(n+1 규칙)을 통한 유기·고분자 구조 분석 절차 정리 |
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| 5장. 결함(Defect) | ||
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[21강] 결함 1(Defect 1)
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점결함과 전위, 고용체를 통한 재료의 결함 개념 정리
• 결함 개념과 종류: 점결함(vacancy·impurity·pair defects), 선결함(dislocation), 표면결함(surface defect), 고용체(solid solution)를 통해 재료의 색·전기·기계적 특성 및 장범위 거동을 결정하는 핵심 구조로 정리 • 점결함·비화학양론·고용체: Boltzmann 식으로 표현되는 vacancy 농도와 활성화에너지 개념, Schottky·Frenkel pair defect 및 전이금속 다가성에 의한 non-stoichiometric Fe₁₋ₓO 전하중성 메커니즘, substitutional·interstitial 고용체와 고용한계·석출(phase separation) 구조 개념 정리 • 전위·표면에너지와 기계적 거동: Edge·Screw·Mixed dislocation에서 dislocation line–Burgers vector 관계와 슬립·소성변형 메커니즘, 전위루프와 경화·피로와의 연관성, 표면결함과 FCC {111} 면의 낮은 표면에너지 및 step/kink를 통한 결정 성장 구조 이해 |
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[22강] 결함 2(Defect 2)
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그레인, 그레인 바운더리와 Zener pinning, 계면에너지 개념 정리
• Grain·Grain boundary·재결정·Grain growth: 결정립과 경계의 정의, 재결정 및 정상·비정상 결정립 성장에 따른 Grain size–강도–연성 상관관계와 미세조직 제어 원리 • 계면에너지와 젖음성: Grain boundary energy–틸팅 각도 의존성, Surface energy와 Young’s equation을 통한 접촉각·wettability 및 상(phase) 계면 안정성 해석 • Precipitation·Zener pinning·에너지 해석: 이차상 석출에 의한 강화와 Zener pinning force(최대값 포함), 핵 형성 시 ΔG 식을 통한 인터페이스 에너지 변화와 구동력 분석 |
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[23강] 결함 3(Defect 3)
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그레인 쉐이프와 Wulff construction, GB 각도 및 표면에너지 관계 정리
• 표면·계면에너지와 그레인 형상: broken bond model 기반 방향 의존적 표면에너지 γ(θ)와 cusp 특성, isotropic vs anisotropic γ에 따른 구형 vs 다면체 입자 형상, FCC에서 {111}/{100} 우선 노출까지 포함한 평형 grain shape 원리 정리 • Wulff construction과 평형 결정 모양: 방향별 γ(n)에 비례한 거리에서 법선 평면 교집합으로 ∑γ_i A_i 최소 형상 도출 절차, γ-θ plot과 Wulff 정리의 물리적 의미, FCC 금속에서 대표적 Wulff 형태(정팔면체형 패싯) 설명 • 다결정립 GB 각도·접촉각과 계면에너지: high angle GB에서 dγ/dθ≈0 가정하 삼중점에서 사인 법칙에 따른 평형 각도(γ_ij/ sinθ_k 관계, 동일 γ 시 120° 교차), 기체-고체-GB 접촉각 식 γ_12=2γ_SV cos(θ/2)을 통한 GB 에너지 및 기체-고체 계면에너지 추정, 다성분계에서 Gibbs free energy와 계면·자유에너지 최소화에 의한 상·형상 결정 개념 연결 |
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[24강] 결함 4(Defect 4)
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Defect4 – 전자현미경과 SPM, ASTM 평균 grain size 계산 핵심 정리
• 전자현미경·광학현미경 해상도 원리: 전자 파동성·드브로이 파장을 이용한 고해상도 원리, SEM·TEM 신호(투과전자·2차전자·backscattered·X-ray·Auger)와 진공·전도성 요구 조건 정리 • SEM·TEM·SPM(AFM, STM) 분석 기법: 장비 구조와 진공 시스템, SEM·TEM 시편 준비(연마·에칭·코팅·charging 제어), TEM 얇은 영역 확보와 결정·결함 분석, SPM의 터널링 전류·원자힘 기반 나노 형상·물성 맵핑 및 SEM과의 차이 정리 • 조성과 입자 크기 정량 분석: EDS·AES를 이용한 표면·조성 분석 원리, Auger 전자 발생 메커니즘, ASTM 선 교차법에 의한 평균 grain size 공식( \(\bar{l} = \frac{\sum l}{P \cdot M}\) )과 변수 의미·단위 변환을 통한 미세조직 정량화 방법 정리 |
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| 6장. 확산(Diffusion) | ||
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[25강] 확산1 (Diffusion 1)
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재료과학 확산 1: Fick 법칙과 확산 메커니즘 정리
• 확산 메커니즘: Substitutional·Interstitial 확산, vacancy·간극 기반 원자 이동과 활성화에너지 차이에 따른 확산 속도 비교 • Fick 법칙과 경계조건: Steady-state Fick 1법칙(Flux–농도 구배), Non steady-state Fick 2법칙(연속방정식), Gaussian error function 해와 경계조건 1·2·3의 물리적 의미 및 해 구조 • 확산계수와 공정 설계: Arrhenius 식 기반 확산계수–온도 관계, 무차원 변수 x/2√(Dt)와 error function 표 활용, carburizing 등에서 시간·깊이·농도 설계 절차 |
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[26강] 확산2 (Diffusion 2)
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확산 거리, 확산 경로, Kirkendall effect 정리
• 확산 거리–시간 관계: 1차원 random walk 기반 평균제곱변위 ⟨x²⟩ = nL², n ∝ t에서 평균 확산 거리 x ∝ √t 및 Fick 해의 √(Dt) 형태 도출 • 고속 확산 경로·겉보기 확산계수: 표면 > 입계 > 격자 순의 open structure 확산 우선성, 입계·격자 flux 가중합으로 D_app = D_L + D_G(δ/d) 정의 및 온도에 따른 우세 경로 전환 • Kirkendall effect·vacancy 확산: 확산계수 차이로 경계·마커가 빠른 금속 쪽으로 이동하고 vacancy flux(J_A + J_B + J_V = 0)로 porous 영역 형성, 고온 접합부 열화와 기공 제어 공정으로의 응용 정리 |
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| 7~9장. 기계적 성질(Mechanical properties) | ||
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[27강] 기계적 성질 1(Mechanical properties 1)
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Mechanical properties(1) – Stress, Strain, Elastic/Plastic, Poisson ratio 정리
• 기계적 거동 기본 개념: normal/shear stress·engineering/true strain 정의, 인장·압축 부호 체계와 stress–strain 곡선의 elastic/plastic 구간 및 항복·UTS·necking·파단 단계 구조 정리 • 선형 탄성 거동 법칙: Hooke’s law(σ=Eε, τ=Gγ), 재료 상수(Young’s modulus E, shear modulus G, Poisson’s ratio ν) 정의와 단축·이축·삼축 응력–변형률 관계식 및 Poisson 효과에 의한 축·횡방향 변형 연계 • 응력–변형률 특수 개념: engineering vs true stress/strain 정의·변환식(σ_true–σ_eng, ε_true–ε_eng), 부피보존 가정, principal plane·principal stress 개념 및 변형률 계측을 통한 다축 응력 역산 계산 구조 정리 |
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[28강] 기계적 성질 2(Mechanical properties 2)
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Mechanical properties(2) – 항복, 슬립, 하드닝 메커니즘 핵심 정리
• 기계적 거동 핵심 개념: 인장 시험에서의 elastic–plastic 전이, 0.2% offset 항복강도 정의, UTS–necking–fracture 진행과 σ–ε 곡선 아래 변형에너지 해석 • 슬립 시스템과 국부 소성 변형: FCC/BCC 결정 구조의 slip plane·slip direction·planar density 차이, dislocation 이동 경로와 난이도, BCC에서의 Luders band 및 upper/lower yield point 발생 원리 • 재료 하드닝 메커니즘: dislocation 이동 억제를 공통 원리로 하는 strain hardening–annealing 상보 관계, Hall-Petch 식 기반 grain size hardening, interstitial·substitutional 고용에 의한 solid solution hardening, second phase 입자와 Zener pinning에 의한 precipitation hardening 비교 정리 |
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[29강] 기계적 성질 3(Mechanical properties 3)
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Mechanical properties 3: Stress tensor와 Mohr’s circle 핵심 정리
• Stress tensor와 평면응력 변환: 3D 응력 상태를 대칭 stress tensor(6개 독립 성분)로 표현하고, 2D 평면에서 좌표축 회전에 따른 normal/shear stress 변환식을 이각 공식으로 정리 • Principal stress·plane·direction과 최대 전단응력: shear=0인 면에서의 principal stress·principal plane·principal direction 정의, principal plane 각도식(𝑡𝑎𝑛2θ=2τxy/(σx−σy))과 최대 전단응력 τmax 및 주응력과의 관계 정리 • Mohr’s circle와 triaxial 해석: 평면응력 상태를 Mohr’s circle로 표현해 중심·반지름·principal stress·τmax·회전각(실제 θ vs 원상 2θ)을 기하학적으로 해석하고, 3개 주응력으로 구성되는 triaxial Mohr’s circle 개념으로 3D 임의 면 응력 상태 파악 |
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[30강] 7장 예제문제풀이
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7장 예제풀이: 포아송비·축·복축 응력, 변형 및 Mohr Circle 핵심 정리
• 선형 변형 거동: normal strain·shear strain 정의와 축/복축 응력 상태에서의 변형률-변형량 계산, Poisson ratio·Young’s modulus를 통한 축·횡방향 변형 예측 • 복축 응력 및 기하 변형 해석: 평면 복축 응력식으로 원통 시편 축·직경 변형 계산, 변형 삼각형에서 normal/shear strain 산출 및 각도(도↔rad) 변환을 이용한 미소 변형 평가 • Mohr Circle 응용: pure tension에서 necking 단면 45° 발생 원리, 일반 평면응력에서 Mohr circle 구성으로 principal stress·최대 shear stress·principal plane 회전각 계산 절차 정리 |
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| 10장. 상(Phase) | ||
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[31강] 상(Phase)
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Phase, 상평형도, 이소몰퍼스·공정계 핵심 정리
• 상·성분·고용한계: Phase의 열역학적 정의와 homogeneous/heterogeneous 구분, component(성분)와 composition(조성) 차이, solubility limit와 solvus line을 통한 상 내·상간 고용한계 표현 • 평형·준안정·상평형도: Equilibrium과 metastable 상태의 자유에너지 관점 정의, 단일성분 H2O T–P 상평형도에서 삼중점·녹는점·끓는점·기울기 해석과 공학적 응용(압력·온도에 따른 상변화 설계) • Binary 상평형도·합금계: Binary T–composition 상평형도의 liquidus/solidus/solvus 의미와 상영역 해석, isomorphous system(Cu–Ni)의 완전고용 조건과 고체용액 거동, eutectic system(Pb–Sn, Ag–Cu)의 공정점·α/β 상·라멜라 미세조직과 용융 온도 제어 기능 |
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| 11장. 상변태(Phase trasformation) | ||
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[32강] 상변태 1(Phase trasformation 1)
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상변이에서의 Gibbs 자유에너지와 핵 생성: Homogeneous vs Heterogeneous nucleation 핵심 정리
• 상변이 열역학 드라이빙 포스와 Gibbs 자유에너지: 액체–고체 상변이에서 ΔG = ΔH − TΔS, 체적 자유에너지 변화 ΔG_v와 슈퍼쿨링 ΔT의 관계를 통해 ΔG_v ∝ ΔT로 표현하고 상변이 자발성(ΔG < 0) 조건을 정의 • 균질 핵생성(homogeneous nucleation) 열역학: 구형 핵에 대한 ΔG(R) = −(4/3)πR³|ΔG_v| + 4πR²γ_SL에서 임계반지름 R* = 2γ_SL/|ΔG_v|와 임계에너지 ΔG* = 16πγ_SL³/(3|ΔG_v|²)을 도출하고, 슈퍼쿨링 증가 시 R*·ΔG* 감소 및 핵 성장/소멸 조건을 구조적으로 정리 • 이질 핵생성(heterogeneous nucleation)과 형상인자: 기지 표면에서의 구상 모자 핵에 대해 접촉각 θ와 Young 방정식으로 계면에너지 항을 정리하고, ΔG_het*(θ) = f(θ)ΔG_homo* (f(θ) = ¼(2+cosθ)(1−cosθ)², 0 ≤ f(θ) ≤ 1), R*는 동일하나 ΔG*는 감소함을 통해 실제 상변이에서 heterogeneous nucleation 우세성을 설명 |
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[33강] 상변태 2(Phase trasformation 2)
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깁스 페이즈 룰과 레버 룰, 그리고 바이너리 상평형도 해석 핵심 정리
• 깁스 페이즈 룰: 자유도–성분 수–상 수 관계식 $F = C + 2 - P$ 및 상압 바이너리용 $F = C + 1 - P$를 통해 순수물·바이너리(아이소모폴러스·유텍틱) 상평형도에서 면·선·점(단일상, 2상, 3상)의 자유도 계산 체계 정립 • 레버 룰: 바이너리 상평형도 2상 영역(L+α, L+β, α+β)에서 타이라인 기반으로 각 상의 조성(경계선 교점 조성 판독)과 상 분율(반대편 팔 길이 비, $w_\text{phase} = \text{opposite~arm}/\text{total~arm}$)을 정량적으로 구하는 규칙 • 냉각 경로 해석: 주어진 합금 조성에서 상평형도 상 등온선·타이라인 활용하여 온도 변화에 따른 상 종류, 상별 조성, 상 분율, 미세조직(1차 상 + 공정조직) 형성을 단계적으로 해석하는 절차 정리 |
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[34강] 상변태 3(Phase trasformation 3)
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Phase Transformation(3): Lamellar 구조, Off-Eutectic, TTT 커브 핵심 정리
• Lamellar eutectic 구조와 off-eutectic 미세조직: eutectic 조성·온도·supercooling에 따른 lamellar 간격(λ)·임계 간격·계면에너지–부피자유에너지 경쟁, off-eutectic에서 primary 상 + eutectic lamella 복합 미세조직 형성 원리 • Non-equilibrium 응고와 phase diagram 한계: 확산 시간 부족으로 liquidus·solidus 평형 경로에서 벗어나는 non-equilibrium solidification, 내부 조성 구배와 homogenization 필요성, 온도–조성 phase diagram의 시간 축 부재에 따른 상변태 속도 정보 한계 • TTT(Time-Temperature-Transformation) 커브와 상변화 속도 인자: 온도–log(time) 축의 C자형 변태 개시·완료 곡선 구조, 드라이빙 포스(ΔG)와 확산 계수(D)에 의한 핵 생성·성장 속도 지배, 최적 변태 온도·항온 열처리 조건 설계 도구로서의 활용 |
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[35강] 11장 예제문제풀이
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재료과학 상변이 예제풀이 핵심 정리 (11장 예제 11-1~11-5)
• 상변이 자유에너지와 핵생성: 액체→고체 상변이에서 구형·정육면체 핵의 자유에너지(부피항 −ΔGv, 표면항 γ) 표현, ΔGv≈(ΔHmΔT)/Tm 근사, 임계 크기와 에너지 장벽을 dΔG/d(크기)=0으로 결정하는 핵생성 원리 정리 • 계면에너지 기반 미세조직·표면 거동: 멜팅포인트에서 구형 클러스터 반경·에너지 장벽·핵 개수의 통계적 계산(N=N0exp(−ΔG*/kT)), 고체 표면 액체층 두께 δ≈(γSL+γLV−γSV)/(ΔHmΔT/Tm) 평가, eutectic에서 lamella 대비 rod 구조의 안정 조건 D/(λα+λβ)≲0.51 유도 • 합금 상평형과 레버룰: eutectic·peritectic 계에서 tie-line을 이용한 상 조성 Cα·Cβ 판독, 레버룰 fα=(Cβ−C0)/(Cβ−Cα), fβ=(C0−Cα)/(Cβ−Cα)로 2상 공존 구간의 상분율·조성 계산 절차 정리 |
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| 12장. 전기적 특성(Electrical properties) | ||
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[36강] 전기적 특성 1(Electrical properties 1)
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재료과학 전기적 성질(1): 전기장, 옴의 법칙, 에너지 밴드와 밴드갭
• 전기장·옴의 법칙·전도도 개념: 전기장-전류 밀도 관계(J = σE)와 비저항·저항·전기전도도 정의를 통해 물질의 거시적 전기전도 특성 및 금속·반도체·절연체 분류 정리 • 에너지 밴드·밴드갭·Fermi level: 원자 궤도 결합으로 형성된 valence band와 conduction band, 이들 사이의 band gap, Fermi level 위치를 통해 금속·반도체·절연체의 미시적 전도 조건 및 열 여기 메커니즘 설명 • 전자·홀 전도, 이동도·유효질량·통계 분포: 전자·hole 농도와 이동도(σ = q(nμ_n + pμ_p)), 유효질량 차이, 결함·산란에 따른 저항 기여, Maxwell-Boltzmann/Fermi-Dirac 통계에 기반한 밴드갭 극복 확률과 온도 의존 전도 특성 정리 |
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[37강] 전기적 특성 2(Electrical properties 2)
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재료과학 전자분포와 Density of States 및 캐리어 밀도 핵심 정리
• 통계 분포와 Fermi 레벨: Fermion/Boson 구분과 Maxwell-Boltzmann·Bose-Einstein·Fermi-Dirac 분포 정의, Fermi-Dirac 분포의 점유 확률·Fermi 에너지/레벨·밴드 구조(밴드갭, 내재/외인성 반도체)와의 관계 정리 • Density of States(DOS): 에너지별 상태 밀도 정의, 3차원 자유 전자 모델에서 η(E)∝E^{3/2}, D(E)=dη/dE∝E^{1/2} 유도 구조와 스핀에 의한 2배 고려, 밴드엣지 기준 DOS 형태 정리 • 캐리어 밀도와 전도도: 캐리어 밀도 n=∫D(E)f(E)dE 정의, D(E)·Fermi-Dirac 곱의 물리적 의미와 에너지 분포, 캐리어 수·이동도와 전기전도도 σ∝nμ의 연결 구조 정리 |
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[38강] 전기적 특성 3(Electrical properties 3)
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반도체 전기적 성질: 캐리어 밀도와 Fermi 레벨
• Density of States와 분포함수: 3D DOS와 Fermi-Dirac/맥스웰-볼츠만 분포 곱 적분을 통한 전자·정공 캐리어 밀도 및 전도도 표현, Metal에서 $E_F \propto n^{2/3}$ 관계 정식화 • Intrinsic 반도체와 유효밀도: $n=N_C e^{-(E_C-E_F)/kT}$, $p=N_V e^{-(E_F-E_V)/kT}$, $n_i^2=N_C N_V e^{-E_g/kT}$ 유도와 $N_C,N_V$의 effective mass·온도 의존성, intrinsic Fermi 레벨의 effective mass 차이에 따른 band gap 중앙에서의 shift 정리 • 도핑과 Fermi 레벨 이동: intrinsic·extrinsic 분류, n형·p형 도핑에 따른 Fermi 레벨의 band edge 방향 이동과 주 캐리어 변화, 캐리어 밀도·Fermi 레벨 위치가 pn 접합·metal–semiconductor 접합 동작 분석의 기초 역할 정리 |
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[39강] 전기적 특성 4(Electrical properties 4)
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인트린식·익스트린식 세마이컨덕터와 정션, Fermi 레벨 개념 정리
• 인트린식·익스트린식 세마이컨덕터와 Fermi 레벨: 인트린식에서 $n=p=n_i$, $np=n_i^2$ 및 Fermi 레벨의 밴드 갭 중앙·effective mass 보정 위치, 익스트린식에서 도핑 농도($N_D$, $N_A$)에 따른 캐리어 농도 변화와 Fermi 레벨 상·하 이동 개념 정리 • 캐리어 통계·관계식과 도핑 효과: Fermi-Dirac 분포를 통한 전자·정공 점유 확률, 인트린식 캐리어 농도와 $np=n_i^2$ 관계를 이용한 n형·p형에서 $n\approx N_D$, $p\approx N_A$ 근사 및 전도도 $\sigma=q(n\mu_n+p\mu_p)$·저항 계산 구조 정리 • 금속–세마이컨덕터 정션과 장벽·정류 특성: 진공준위·워크펑션·어피니티 정의, 금속–n형 정션에서 밴드 벤딩·디플리션 레이어·장벽 높이 $\phi_B=\phi_m-\chi$ 형성 원리와 forward/reverse bias에 따른 장벽 변화·다이오드 정류 I–V 특성 개념 정리 |
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[40강] 12장 예제문제풀이
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세미콘덕터 일렉트리컬 프로퍼티 예제풀이 핵심 정리
• 금속 Fermi level·intrinsic Fermi level 이동: 자유전자 모형 Fermi 에너지식과 effective mass·density of states 차이에 따른 intrinsic Fermi level의 band gap 내 위치 결정 및 이동량 계산 • 도핑 반도체 캐리어 농도·접합 조건: n형·p형에서 다수·소수 캐리어 농도 관계($n\simeq N_D$, $p\simeq N_A$, $np=n_i^2$)와 metal–semiconductor 접합에서 work function·electron affinity·bandgap·Fermi level 정렬을 이용한 rectifying contact 형성 조건 및 도핑 농도 산출 • 도핑된 Si의 전기 전도 특성: 캐리어 농도와 모빌리티를 이용한 전도도·저항률·저항 계산식($\sigma=q(n\mu_n+p\mu_p)$, $\rho=1/\sigma$, $R=\rho L/A$)을 통해 도핑 농도·모빌리티·소자 치수와 거시적 전기 특성의 정량적 연결 정리 |
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| 13장. Metal Alloy (금속합금) | ||
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[41강] 합금
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합금과 철·비철 합금 체계 핵심 정리
• 합금 및 Fe-C 합금 체계: 금속에 다른 금속·비금속을 첨가해 기계적 성질·용융점·가공성을 조절하는 재료로, Fe를 기지로 하는 Steel(C<2.14 wt%)과 Cast iron(C>2.14 wt%) 및 Fe-C 평형상태도·유텍틱·유텍토이드(0.76 wt% C, γ→α+Fe₃C, 펄라이트) 변태로 조직·상구조를 규정함 • 철합금 세부 분류: Plain carbon steel(저·중·고탄소강)과 합금강(Stainless steel 등)으로 나뉘며, 탄소 함량 증가에 따라 강도·경도 증가·취성 증가, Cast iron에서는 흑연·시멘타이트 2차상(회주철·백주철 등)과 주조 전용 공정, 스테인리스강은 Cr≥11 wt%와 Cr₂O₃ 수동막 형성으로 내부식·내산화 성능 확보함 • 비철합금 계열: Cu 합금(Brass: Cu–Zn, Bronze: Cu–Sn/기타)·Al 합금·Mg 합금·Ti 합금으로 구분되며, 각각 조성·밀도·비강도·부식 특성·수동 피막(TiO₂)·생체적합성 차이에 따라 경량 구조재, 전자기기 하우징, 항공·우주 구조재, 해양·방청용 부품, 정형외과·치과용 Biomaterials로 활용됨 |
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| 16장. 부식&열화(Corrosion & Degradation) | ||
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[42강] 부식&열화(Corrosion & Degradation)
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부식과 열화, 전기화학적 부식 메커니즘과 방지법 핵심 정리
• 부식·열화 및 전기화학 기초: 금속·세라믹·고분자의 부식·열화 정의, 산화·환원과 Galvanic couple, 표준 수소 전극과 표준 환원전위, ΔG = -nFΔE를 통한 반응 자발성 해석, Nernst 식을 이용한 농도·온도에 따른 전위 변화 분석 • 부식 방지 및 수동피막: 억제제, 음극 보호, 희생양극, 환경 제어 등 공학적 부식 방지법의 원리와 적용, Cr 함량(>11 wt%)에 따른 스테인리스강의 수동피막 형성과 Fe/Cr 산화막 구조·부피 차이에 기인한 내식성 메커니즘 정리 • 다양한 부식 형태와 공정 활용: 틈새·갈바닉·마모·응력 부식의 정의, 발생 조건, 전기화학·기계적 요인과 구조부 요소와의 연관성, CMP 공정에서 화학적 부식+기계적 연마를 이용한 표면 평활화 메커니즘 및 공정 활용 구조 정리 |
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| 17장. 열 특성(Thermal properties) | ||
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[43강] 열역학 법칙(1)
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열역학 제1법칙과 엔탈피, 카르노 사이클 개념 정리
• 열역학 제1법칙·상태함수·경로함수: 시스템·경계·주변의 에너지 보존 관계를 dU = δq - δw로 정식화하고, 내부에너지(U)·엔탈피(H) 등 상태함수와 열(q)·일(w) 경로함수 구분 • 엔탈피·비열·내부에너지 관계: 엔탈피 H = U + PV와 상압 조건에서의 q_p = ΔH, 정적·정압 비열 C_V·C_P를 이용한 dU = C_V dT, dH = C_P dT로 에너지-온도 의존성 및 물질의 에너지 저장 능력 정량화 • 카르노 사이클·효율·제2법칙 단서: 이상 가역 열기관의 등온·단열 네 과정에서 열·일 교환을 해석하여 η_Carnot = 1 - T_cold/T_hot 효율식과 ∮(δq/T) = 0(가역)·≥0(비가역)에서 출발한 엔트로피와 열역학 제2법칙의 정식화 |
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[44강] 열역학 법칙(2)
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열역학 제2법칙, 엔트로피와 깁스 자유에너지, Van’t Hoff 식 개념 정리
• 엔트로피 정의와 해석: Clausius 열역학 엔트로피(dS = δq_rev/T)와 Boltzmann 통계엔트로피(S = k ln Ω)의 동등성, 이상기체 자유 팽창에서 ΔS = nR ln(V_f/V_i)의 열역학·통계역학적 유도 • 열역학 제2법칙과 자발성: 우주 엔트로피 증가 조건(ΔS_universe = ΔS_sys + ΔS_sur > 0)에 기반한 자발성 판정, 등압 계에서 ΔS_sur = −ΔH_sys/T를 이용한 변형과 Gibbs 자유에너지 정의(G = H − TS, ΔG = ΔH − TΔS) 및 자발성·평형 조건(ΔG < 0, ΔG = 0) • Gibbs 자유에너지와 평형상수, Van’t Hoff 식: 표준 자유에너지와 평형상수 관계(ΔG° = −RT ln K, ln K = −ΔG°/RT), ΔG° = ΔH° − TΔS°를 대입한 Van’t Hoff 식(ln K = −ΔH°/(RT) + ΔS°/R)의 기울기·절편 의미와 Van’t Hoff plot을 통한 ΔH°, ΔS° 결정 |
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[45강] 열역학 법칙(3)
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열역학 법칙과 고체 비열, 열역학 함수 및 온도척도 핵심 정리
• 열역학 법칙·엔트로피·온도 개념: 제0법칙의 열평형 삼단논법과 온도계 법칙, 제3법칙의 절대 0K 비도달성과 순수물질 S=0 가정, 엔트로피를 절대값이 아닌 ΔS 중심으로 사용하는 이론적 기반 정리 • 고체 비열 모형: Dulong-Petit 법칙의 고온 영역 C_V≈3R 예측, Einstein 모형의 단일 진동수·에너지 양자화와 고온·저온 극한 거동, Debye 모형의 phonon·연속 진동수 스펙트럼·저온 C_V∝T^3 법칙 및 실험과의 정합성 비교 • 열역학 함수와 온도 척도: U·H·A·G의 정의와 자연변수, 미분형식(dU, dH, dA, dG) 및 자발성 조건(ΔG, ΔA 부호), 섭씨·화씨·켈빈 온도 척도와 변환식, 이상기체에서 유도되는 절대온도 개념 및 열역학 계산에서의 활용 정리 |
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[46강] 17장 예제문제풀이
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재료과학 연력학 예제풀이 핵심 정리 (제1·제2법칙, 엔트로피, 상변화)
• 연력학 제1법칙·상변화 에너지: ΔU=Q+W, 이상기체 등온 과정에서 ΔU=0과 Q=-W, 동일 상에서만 성립하는 내부에너지의 온도 의존성과 상변화 시 잠열(증발열·융해열) 및 PΔV 일을 통한 ΔU 평가 • 가역·비가역 등온 팽창과 일: 이상기체 등온 팽창에서 비가역 과정의 W=-P_extΔV와 가역 과정의 W=-nRT ln(V₂/V₁) 비교, P–V 선도에서 경로에 따른 일(면적)·열 교환량 차이와 가역 과정의 최대 일 산출 원리 • 엔트로피와 제2법칙: ΔS=∫δq_rev/T 정의를 통한 온도 일정·변화·상변화 구간별 ΔS 계산(q/T, mC ln(T₂/T₁), q=mL), 아보가드로 수 기반 미소 부피 수축 확률로 본 통계적 제2법칙 해석과 닫힌 계(얼음–물–금속)의 전체 엔트로피 증가 조건 분석 |
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| 18장. 자성(Magnetic properties) | ||
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[47강] 자성 1(Magnetic properties 1)
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자기적 성질: 마그네틱 쿨롱힘, 분류, 자구, 이력곡선
• 자기장 물리량과 자화: 마그네틱 쿨롱힘과 자기 쌍극자, H–B–M 관계식(B=μ0(H+M)), 자기감수율 χ·투자율 μ 정의 및 전기 분극과의 수학적 대응 구조 • 자성 분류와 온도 의존성: Diamagnetism·Paramagnetism·Ferromagnetism·Antiferromagnetism·Ferrimagnetism의 χ 부호·크기·미시 스핀 배열, Curie 온도·Curie/Curie–Weiss 법칙에 따른 상자성–강자성/페리자성 전이 • 도메인 구조와 이력곡선: 교환에너지·정자기 에너지·도메인 벽 에너지로 결정되는 자기 도메인·Bloch/Neel 자벽 구조, B–H 자기 이력곡선에서 Br·Hc 기반 연자성·경자성 구분과 온도·상변태에 따른 히스테리시스 변화 |
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[48강] 자성 2(Magnetic properties 2)
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초전도성과 스피넬 구조의 자기적 특성 요약
• 초전도성 및 Meissner effect: 임계온도 Tc·임계자기장 Hc에서의 초전도 상태 정의, 저항–온도 곡선 특성, Meissner effect와 일반 반자성(diamagnetism) 구분 및 자기부상 응용 원리 정리 • 스피넬 구조(AB2O4, inverse spinel): O2− FCC 격자 내 Tetrahedral/Octahedral site 점유, 일반 spinel과 inverse spinel의 A2+/B3+ 이온 배치 차이와 이온 크기·안정성 관계 정리 • 전이금속 이온 자성과 CFT·superexchange: 전이금속 2+,3+ 이온의 전자배치와 Bohr magneton(μB) 계산, 옥타/테트라장에서의 d 오비탈 분열(CFT), Tetra–Octa 간 superexchange에 따른 반평행 스핀 정렬과 전체 자기모멘트 합산 규칙 정리 |
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| 19장. 광학적 특성(Optical properties) | ||
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[49강] 광학적 특성(Optical properties)
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재료과학 옵티컬 프로퍼티: 반사·굴절·흡수·발광 정리
• 빛-물질 상호작용 거동: 반사·굴절·흡수·투과 정의와 반사율·굴절률·흡수계수·투과도 등 광학 상수 및 두께 의존 투과 특성 정리 • 색·발광 기원 엔티티: Black body·화학발광·Particle in a box·Conjugation·Photoluminescence·Electroluminescence·CIE 색도도·GFP 등 색 형성 및 자체/비자체 발광 메커니즘 구조화 • 발광 양자역학 및 디스플레이: Jablonski diagram·싱글렛/트리플렛·형광·인광·계간전이·엑시톤 통계와 Förster/Dexter 전이, OLED·QLED·Micro LED·LCD 백라이트 구조의 전기발광 원리 및 효율 비교 |
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[50강] OLED vs. QLED
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OLED와 QLED의 구조·발광 원리 및 광통신 소자 정리
• 광통신 시스템·광섬유·PLC: LD/PD 기반 Transceiver와 Active·Passive 소자 구성, 코어·클래드 굴절률 차이에 의한 전반사 원리, 싱글/멀티 모드 광섬유와 PLC 집적·커넥터 구조 정리 • OLED 및 유기재료: 기판/ITO 양극–정공층–발광층–전자층–금속 음극으로 이루어진 유기박막 다층 PN 정션 구조, 전자·정공 주입과 엑시톤 재결합에 의한 전기발광 메커니즘, Alq3의 전자수송·에너지레벨 정렬 역할 • 디스플레이 구조 비교·진화: LG OLED(자발광 유기층, 완전 블랙·번인 이슈)와 삼성 QLED/QLCD(백라이트+QD 필름)·목표 QD-LED(블루 OLED+QD 색변환)의 구조·발광 주체 차이, Curved·Foldable·Rollable·Stretchable·Micro LED 등 자발광·유연 디스플레이 진화 방향 정리 |
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[51강] 18장 및 19장 예제문제풀이
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마그네틱·옵티컬 프로퍼티 예제 풀이 핵심 정리
• 스피넬·역스피넬 자기모멘트 계산: 전이금속 이온의 전자배치·홀전자 수와 A/B site 스핀 반평행 정렬을 이용해 상쇄 항을 정리하고 순 Bohr magneton(μB)을 계산하는 절차 이해 • 전이금속 이온 전자구조 분석: Co, Cr, Mn, Fe, Co²⁺/³⁺, Fe³⁺, Mn³⁺ 등의 [Ar] 이후 전자배치와 이온화 과정(4s → 3d 제거)을 통해 개별 이온의 자기모멘트 기여분 산출 • 광 흡수·투과 정량화: 지수 감쇠법칙 I(x)=I₀e^(-βx)으로부터 흡수계수 β를 평가하고, 경계 반사율 R을 포함한 투과식 I_T = I₀(1−R)²e^(−βL)으로 반사·흡수를 통합한 순투과 세기 계산 |
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조성제 교수님
재료과학
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