기획

●철철은 금속원소의 하나로 비중 7.86의 대표적 금속이다.철과 강을 합쳐서 일컫는 말로 순도가 높은 철은 구리나 알루미늄보다 만들기 어려워 특별한 용도를 위해 특별히 제조할 뿐이며, 보통 철재라고 하는 것은 실제로 강이다. 강은 순철과 탄소의 합금으로서 탄소 함유량이 0.0218~2.11% 이하까지의 것을 강이라고 한다. 강은 순철과 탄소의 합금으로서 공업적 제조법으로는 규소·망가니즈·인·황 및 기타의 불순물을 함유하고 있다. 강은 담금질하면 경화하므로 예부터 낫·식칼 등의 절삭공구에 사용되었다. 2.11% 이상의 탄소를 함유하면, 철과 탄소의 금속간화합물인 시멘타이트 Fe₃C와 철이 약 1,150℃에서 공정(共晶)을 이루기 때문에 강의 성분을 가진 것보다 주물을 만들기 쉽다. 종래 주물에 사용되는 것은 3.7∼4.3%의 탄소를 함유한 것으로, 이것을 주철이라고 한다. 이 성분은 앞서 말한 공정점(共晶點)이 바로 철 쪽에 해당하는 성분범위로서, 이런 합금이 냉각응고할 때는 냉각속도에 따라 시멘타이트가 철과 흑연으로 분해되거나, 거의 그대로 끝나거나 한다. 주물에 사용하는 주철은 이 분해가 상당히 진행하므로, 균열이 생겼을 때의 파면은 회색이 되고 회선철이라고 하며, 펄라이트의 바탕에 가늘고 긴 흑연이 산재한다. 철 속에 극히 소량(0.0218% 이하)의 탄소가 함유된 것은 여전히 철의 체심입방격자를 유지하고 있으며, 페라이트라고 한다. 순철은 906∼1,401℃에서는 면심입방격자가 된다. 이 면심입방격자의 철에 탄소가 용해한 것을 오스테나이트라고 한다. 보통 철강이라고 하는 것은 페라이트에 해당되는 철의 고용체와 강 그리고 주철로 나눌 수 있다. 이 밖에 옛날의 제철법으로는 저온에서 광석을 환원하여 만든 다공질의 철괴를 가열하여 두드리는, 이른바 단조(forging)를 반복하여 철재를 짜내어 연철을 만들었으나 오늘날에는 사용되지 않는다. ■순철 (pure iron)불순물을 전혀 함유하지 않은 순도 100%인 철이다. 순철을 만들기 위해서는 정련법이 매우 특수해야 하며, 공업적으로 생산되는 비교적 고순도의 철은 암코철·전해철·카보닐철 등이 있다. 실제로는 철뿐만 아니라 모든 물질에서 100% 순도는 거의 없으므로, 보통 순철이라 하면 다른 철에 비해 순도가 아주 높은 것을 말한다. 철에 함유된 불순물로는 탄소를 비롯하여 산소·질소·규소·수소·인·황 등이 있는데, 이를 완전히 제거하는 것은 매우 어렵다. 순철을 만들기 위해서는 정련법이 매우 특수해야 하며, 수요면에서도 많지 않기 때문에 소량생산할 따름이다.공업적으로 생산되는 순철의 용도는 합금재료·촉매·전자기재료 등이다. ■주철 (Cast iron) 일반적으로, 탄소 함량이 공정온도의 오스테나이트 최대 용해도보다 많은 철계 합금이다. 1.7% 이상의 탄소를 함유하는 철은 약 1,150℃에서 녹으므로 주물을 만드는 데 사용할 수 있으나, 이 중에서 3.0∼3.6%의 탄소량에 해당하는 것을 일반적으로 주철이라고 한다. 주철을 녹이기 위해서 큐폴라라고 하는 용해로가 사용되며, 고로에서 얻은 선철을 여기에 넣고, 코크스를 연료로 하여 녹인다. 보통 주철은 난로 ·맨홀의 뚜껑을 비롯해서 널리 주물제품으로 사용된다.이중 백주철(White cast iron)은 취성이 매우큰 저 규소 함량의 주철로서, 탄소는 시멘타이트로 결합된 형태로 존재하며 파단면이 흰색을 띤다.백주철은 조직내 시멘타이트 입자가 존재함으로 해서 마모 특성이 우수하여 밀용(mill 用) 볼과 같은 극도로 마모되는 곳 등에 쓰이며, 가단 주철(malleable cast iron)의 제조를 위한 원재료로도 사용된다.가단주철(Malleable)은 열처리로 시멘타이트를 흑연 군집으로 변화시킨 주철로 비교적 연성이다.가단주철은 주강(鑄鋼)에 가까운 성질을 가지며, 주조성과 절삭성이 좋다. 주강을 사용하기에는 너무 작거나 구조가 복잡하여 제조가 곤란하고, 보통 주철보다는 큰 강도와 연성을 필요로 하는 종류의 부품에 널리 사용된다. 흑심가단주철이 많이 사용되는데, 대표적인 용도로는 자동차 부품 ·관이음쇠·차량부품 ·자전거부품 ·밸브 ·공구 등이 있다. 한편, 백심가단주철은 탄소를 제거할 수 있는 깊이에 한계가 있으므로 두께 수mm, 무게 1kg 정도의 작은 부품에 사용된다. ■강철 (steel)강철은 철을 주성분으로 하는 금속 합금을 가리키며, 철이 가지는 성능(강도, 질긴 성질, 자성, 내열성 등)을 인공적으로 높인 것이다. 성분적으로 탄소의 함유가 0.3%에서 2%이하의 것을 나타낸다. 하지만 0.3%이하에서도 고합금인 스텐인리스, 내열강 등도 강철의 범위에 포함된다. 연철이나 주철과 함께 철강(鐵鋼)이라고도 불리고 강철로 완성된 재료를 강재(鋼材), 판 모양의 강재를 강판(鋼板)이라고 부른다.●비철금속재료■구리동(銅)이라고 불리우며 적색 광택을 가진 금속으로서 전성(얇게 펴지는 성질), 연성(가늘고 길게 늘어나는 성질)이 뛰어나 비교적 가공하기가 쉽고 적당한 강도도 가지고 있다. 열 및 전기전도율은 금속 중에서 은 다음으로 커서 전선이나 열선의 주재료로 쓰인다.그 자체로도 널리 이용되지만 아연을 첨가한 황동, 주석을 첨가한 청동, 주석과 알루미늄을 첨가한 알루미늄청동 등 합금으로도 많이 쓰인다. 특히, 구리선은 전선에 많이 쓰이고 구리판은 구리의 우수한 열전도성과 내식성을 이용하여 냄비와 일반 용기를 만드는 데도 사용되며, 청동은 동전을 만들 때 사용된다.구리는 자연적으로도 산출되고 광석에서 추출하는 방법(제련)도 비교적 간단한 편이어서 여러 금속 중 가장 먼저 이용됐다. 이것은 고대 유적에서 구리가 발굴되고 석기시대 다음으로 동기시대(銅器時代)를 이룬 것에서 알 수 있다. 중세에는 전쟁에 필요한 무기 등을 제작하는 데 이용하였고 산업혁명 시기에는 각종 기계의 발달로 기계용 재료로 널리 사용되었다. 그리고 19세기 말 전기가 산업적으로 이용되면서 주로 전선을 비롯한 전기재료로 쓰였고 20세기에 들어와서 채광, 제련, 가공기술이 발달함에 따라 산업계에서 더욱 중요한 위치를 차지한다.■청동 (bronze) 중국 고대문화가 가장 꽃피었던 시기인 청동기시대인 주3대(周三代) 때부터 주석을 적당량 배합해서 구리의 특성을 개량하는 방법을 알게 되어, 가하는 주석의 양과 용도를 관련해 현재의 산공업규격과 같은 것을 만들었다고 한다. 청동은 구리-주석계의 합금으로, 구리의 우수한 전성과 연성을 크게 손상시키지 않고 강화되어 있는데, 주석의 양이 그 이상이 되면 다른 결정형의 ε(입실론) 상(相)이 나타난다고 한다.이 ε상은 주석 38%인 것이며, 30% 수준까지는 주석이 구리에 들어가는 데 따라 굳게 되지만, 반대로 취약해져서 잡아당겼을 때 끊어지기까지 늘어나는 양, 즉 연신상태는 감소된다. 또한 합금의 색도 구리색으로부터 주석이 가해짐에 따라 노란색으로 되며, 약 30%가 되면 은백색으로 된다.고대의 대포(大砲)의 포신재로도 사용되었기 때문에 포금(砲金)이라고도 한다. 납을 첨가하여 종을 만드는 데 적합한 것은 특히 당금(唐金)이라고도 한다. 원래는 주석을 가한 구리합금을 말했으나, 구리합금 전체를 말하는 경우가 많다.포금이란 보통 8∼12% 주석이 들어가 있는 것이며, 축받이에 사용되는 것은 13∼18%인데, 청동으로 사용되는 것은 아연을 더 가한 것이 많다. 동화(銅貨)는 3∼8% 주석에 1% 정도의 아연을 가한 것이며, 동상(銅像)·실내장식·건축용으로 사용되는 것은 2∼8% 주석, 1∼12% 아연에 주조 후의 가공을 쉽게 하기 위하여 1∼3%의 납을 가한다.원래의 청동에 여러 원소를 첨가하여 개량한 특수청동에는 인청동·규소청동·니켈청동 등이 있으며, 주석이 들어가지 않은 것은 알루미늄청동(7~11% 알루미늄)과 황동(黃銅)에 소량의 망가니즈를 가한 망가니즈청동 등이 있다. 오늘날 베릴륨구리라고 하는 구리-베릴륨 합금도 처음에는 베릴륨청동이라고 하였다.■황동 (brass)놋쇠라고도 한다. 청동과 함께 중요한 구리합금으로, 황동이 인공적으로 제조된 것은 1520년경 아연원소가 발견된 후부터이다. 자연합금의 형태로는 고대 그리스 때부터 인류와 친근했으며, 비철금속 중 가장 일상생활과 관계가 깊다. 고체의 구리 속에 아연이 녹아들어가는 범위(약 35%까지)의 것을 α황동이라고 하는데, 전연성(展延性)이 크므로 두들기거나 늘려서 판 ·봉 ·선 ·관 등으로 가공해서 사용한다. 아연의 양이 많아짐에 따라 경도와 강도가 증가하고, 합금의 색도 구리의 붉은기가 도는 색에서 황색에 접근해 간다. 고체의 구리에 고용(固溶)되는 양 이상으로 아연이 들어가면 여분의 아연은 구리와 β 상이라는 별개의 고체를 만들기 때문에 합금은 α 와 β상의 두 가지 고체의 혼합물이 되고, 색은 다시 붉은기가 더해지게 된다. 이러한 합금 중 대표적인 것은 40% 아연의 이른바 육사황동으로, 건재(建材)의 쇠붙이 장식, 문의 손잡이 등 놋쇠장식은 대부분 이것이며, α황동보다 견고하고 마모되지 않는다. α황동의 대표적인 것은 30% 아연의 칠삼황동으로, 기물 등과 같이 판에서 따내어 만드는 것에는 이것이 많다. 동전도 α황동이다. ||인류 문명 발달의 ‘필수요소’ 철·비철 금속신기술 만나 첨단 신소재로 재탄생||■알루미늄주기율표 13족에 속하는 금속원소로, 은백색의 가볍고 무른 금속이다. 알루미늄은 규소 다음으로 자구상에서 많이 좋재하는 원소이다. 비중은 2.7로서 Mg(마그네슘 1.74)과 Be(베릴륨 1.85)를 제외하고는 실용금속 중 가장 가벼운 금속이다. 주조가 용이하고, 다른금속과 잘 합금되어 상온 및 고온가공이 쉽다. 대기중에서 내식성이 강하고 전기 및 가루 등으로 사용되고, 특히 송전선에 최고로 좋다. 알루미늄의 판은 자동차, 항공기, 가정용기, 화학재료 등에 쓰인다. 또한 알루미늄박은 의학품, 식품의 포장용으로 이용되며 파이프는 전기재료 등에 쓰인다. 또한 알루미늄가루는 산화의 방지, 도료, 화학 제조에 사용된다.알루미늄 주물을 많이 소비하는 곳은 자동차 공업 분야이며, 이것은 중량을 경감시키고, 타이머를 절약할 수 있으므로, 고급차 중에는 알루미늄차라고 부르는 것도 있다. 또 항공기 방면에서도 발동기의 피스톤, 크랭크 케이스 등에 사용되는 동시에 비행기의 날개, 동체 및 프로펠러 구조물의 골격 등에 사용된다.■니켈주기율표 10족 철족에 속하는 금속원소다.니켈은 1751년 스웨덴의 광물학자 A.F. 크론스테트가 니콜라이트에서 발견하여, 당시에 ‘악마의 구리(Kupfernickel)’로 불리던 이 광석의 이름에서 따서 니켈이라 명명하였다. 면심입방격자의 원자 배열로서 353도에서 자기변태를 가지며, 현재는 전기전해법으로 만들어지는 전해 니켈이 대부분이나, 몬드법(mond process)라는 제련법에 의해 제조되는, 전해 니켈보다 순도가 높은, 구상의 몬드니켈도 사용된다. 니켈은 구조용 특수강, 스테인리스강, 내열강 등의 합금 원소로서 가장 많이 사용되나 순 니켈재,니켈-구리합금, 양백, 전기 저항용 합금, 니켈도금으로도 많이 사용된다.■마그네슘주기율표 2족에 속하는 알칼리토금속로서 원소기호는 Mg다.마그네슘은 자연상태에서는 단일원소로 존재하지 않고 규산이나 황산이나 탄산들과 함께 결합한 염의 형태로 많이 존재한다. 특히 지각을 구성하는 8대 원소(산소>규소>알루미늄>철>칼슘>나트륨>칼륨>마그네슘) 중 하나이다.또한 비중이 1.74로 알루미늄에 비하여 약 35% 가벼우며, 마그네슘 합금은 실용되는 합금 중에서 가장 가볍다. 주물로서의 비강도는 알루미늄합금보다 우수하므로 항공기나, 자동차 부품, 전기 기기, 선박, 광학 기계, 인쇄 제판 등에 이용되며, 구상 흑연주철의 첨가제로도 많이 쓰인다.고온에서 발화하기 쉬우므로 가루(분말)나 박으로 만들어 사진용 플래시로 사용하기도 하나 금속덩어리는 위험하지 않다. 공작 기계로 절삭할 때에 절삭열로 인하여 깎은 칩이 연소할 때가 있으며, 물을 뿌리면 화력이 더욱 커져서 위험하므로 주철의 절칩(절설)을 준비해 두었다가 이것으로 불을 끈다.건조한 공기 중에서는 산화하지 않으나 습한 공기 중에서는 표면이 산화마그네슘 또는 탄산마그네슘으로 돼 이것이 내부의 부식을 방지한다. 바닷물에 대단히 약하여 수소를 방출하면서 용해한다. 내산성은 극히 나쁘나 내알칼리성은 강하다. 철을 함유할 때 내식성이 극히 나쁘며, 망간의 첨가로 철의 유해작용을 어느 정도 방지할 수 있다.■아연 주기율표 12족에 속하는 아연족원소로서 원소기호는 Zn이다. 생물체 내에서 2가 양이온으로 존재하며, 생물의 물질대사에 반드시 필요한 무기물질이자 지각을 이루는 중요 원소이다.17세기경 인도에서 처음으로 금속 아연이 만들어졌으며, 아연과 구리의 합금을 놋쇠(황동)라 한다. 지각을 이루는 중요한 원소로 널리 분포하고 있다.또한 청색을 띤 백색 금속이며, 조밀육방격자이다. 고온의 증기압이 높고, 비점이 비교적 낮은 특성이 있다.불순물 중 가장 해로운 Fe는 0.008%이상이 되면 경질의 FeZn7 상이 나타나 인성을 해친다.아연은 주조상태에서 조대 결정이 되므로 인장강도나 연신율이 낮고 여려서 상온가공할 수 없다. 그러나 열간가공하여 결정을 미세화하면 용이하게 가공할 수 있다.순수한 아연은 가공도 20~30%까지는 가공도의 증가에 비례하여 경도가 증가한다. 그러나 불순물이 많은 아연은 가공 후에 석출경화가 일어난다.■주석주기율표 14족에 속하는 탄소족 원소로 모든 원소 중 동위원소가 가장 많으며 동소체로는 α형(회색주석, 다이아몬드형구조)과 β형(백색주석, 정방결정계구조)이 있다. 주석의 명칭의 기원은 분명치 않으나 B.C.3500~3200년에 주석을 사용한 증거가 있고, 청동기시대에는 구리와의 합금인 청동이 사용되었으며 오늘날까지도 중요한 합금의 재료로 널리 이용되고 있다. 그리스의 화학자는 Hermes라고 불렀고, 5, 6세기경에는 Zeus 또는 Jupiter라고 했다. 원소기호 Sn의 원명인 Stannum의 라틴어는 처음에는 은과 납의 합금을 의미했으나 4세기경부터는 주석을 지칭하게 되었다.주석의 주요한 용도는 주석도금이며, 그밖에 구리합금, 베어링 메탈 땜납 등으로도 이용되며, 달리 독이 없으므로 의학품, 식품 등의 포장용 튜브로서 사용된다.물리적 성질은 은백색의 연한 금속이며, 동소변태가 있다. 변태점 이상에서 안정한 백주석이 회주석으로 변태되며, 이 변태가 시작되면서 급속히 진행하여 분말로 된다. 이것을 주석 페스트(tin pest)라 한다.■납주기율표 14족에 속하는 탄소족원소로 원소기호는 Pb다.BC 1500년경부터 인류가 사용해왔으며, 아시리아의 유적 등에서 발견되고 있다. 유럽에서는 옛날부터 납과 주석을 구별하지 않았으나, 후에는 납을 흑연(黑鉛), 주석을 백연(白鉛)이라 하였다는 기록이 있다. 또, 포에니전쟁 당시 에스파냐에는 많은 납광산이 있었는데, 이 광산들은 로마에게 정복되어, 로마에서는 수도관에 납을 사용하였다고 한다. 그리고 그리스·로마 시대부터 밀타승(密陀僧) PbO, 연단(鉛丹) Pb₃O4, 또는 연백(鉛白) PbCO₃, Pb(OH)₂ 등의 납화합물도 의약이나 안료로서 알려져 있었다. 고대 중국에서는 황금(금)·백금(은)·흑금(철)·적금(구리)·청금(납)의 5색금 중 하나로 여겼다. 납은 융점이 낮고 가공이 쉬워 옛부터 인류가 사용해 온 금속 중의 하나이다. 땜납, 수도관, 활자 합금, 베어링 합금, 건축용에 쓰이고, 실용 금속 중 가장 밀도가 유연하며, 절연성이 크고 융점이 낮으며 내식성이 우수하고 방사선의 투과도가 낮은 것이 특징이다.순납은 상온에서 재결정되며, 크리프가 용이하다. 따라서 강도, 특히 크리프 저항을 높이려면 석회, 안티몬, 비소 등을 첨가하면 효과적이다. 화학적으로 안정하여 내식 금속에 널리 사용된다,.또 경수 및 천여연수에서는 표면에 불활성의 탄산염 피막이 생겨 그 이상 납이 용해하지 않으므로 수도관에 사용한다. 또한 이것은 증류수에 용해되며, 인체에도 유독하다.납-비소합금은 케이블 피복용에 쓰이고, 성분은 0.12~0.2% 비소, 0.8~0.12% 주석, 0.05~0.15% 비스무스, 나머지가 납이며, 강도와 크리프 저항이 우수하다. 4~8% Sb를 함유한 납합금은 경연이라 하며 판, 관 등에 쓰인다.활자 합금도 납을 주성분으로 하는 납-안티몬-주석계 합금이며, 활자 합금은 융용 온도가 낮고 주조시 응고가 끝날 때 수축이 적은 것이 요구되므로, 안티몬를 넣어 응고시 약 1%팽창하여 경도를 상승시키고 용융점을 저하시키게 한다.■티타늄 (티탄, 타이타늄)주기율표 4족에 속하는 원자번호 22의 금속원소로 원소기호 Ti로 표기한다. 티탄, 타이타늄이라고도 한다. 1789년 영국의 그레거가 콘월지방에서 산출된 사철(砂鐵)에서 새로운 산화물을 추출하였다. 1795년 독일의 클라프로트는 헝가리산 금홍석(金紅石)에서 새로운 금속원소를 발견하고 그리스 신화에 나오는 티탄(Titan)이라는 신의 이름을 따서 이름을 붙였다. 순금속은 1910년 헌터에 의해 처음으로 분리되었다. 티타늄 및 티타늄합금이 실용재료로 사용되기 시작한 것은 1948년 이후의 일이나 이금속은 가볍고, 강하며, 열에 견디고, 내식성이 있는 등 우수한 성질을 갖추고 있으므로 급격히 활용이 진전되고 있어 앞으로 중요한 금속재료로서 기대가 되고 있다.티타늄은 융점이 비교적 높고 열팽창 계수가 작으며, 열전도율이 적고, 전기저항이 높은 화학적으로는 중요한 관심의 대상이 되고 있으며 기계적 성질에서 고온에서의 비강도가 높고 크리프 강도가 크고, 스테인리스강보다도 우수한 내식성으로 600℃까지 고온 산화가 거의 없는 것 등이 특징이다.이런 여러 성질들이 항공기, 로켓재료, 가스 터빈 재료, 화학공업용 기계기구 등에서 중요시되는 까닭들이다. 그러나 아직 가격이 비싸 일반화되고 있지는 못한 실정이다. 순 티타늄의 공업용 순도는 99.0~99.2%로서 가공경화성이 좋아 WC 초경질 공구에 TiC를 15%이하 함유시켜 절삭능률을 향상시키며 TiC, TiO₂의 형태로 Co와 소결해서 제트기관 등의 초고온재료로 사용된다.

■금속계 신소재 (신금속 재료) 형상기억합금 (shape memory alloy) 가공된 어떤 물체가 망가지거나 변형돼도 끓는 물 등으로 열을 가하면 원래의 형상으로 되돌아가는 합금을 말한다. 1960년대에 미국의 W.뷸러가 형상기억 반응을 나타내는 합금(니켈＋티타늄:니티놀)을 발견, 연구가 진행됐고, 열탄성 마르텐사이트 변태를 나타내는 합금은 예외 없이 형상기억 특성을 나타낸다는 것이 밝혀졌다. 형상기억효과의 메커니즘은, 금속고상(金屬固相) 상태에서의 상변태(相變態)의 일종인 마르텐사이트 결정변태(結晶變態)와 동일한 현상이다. 열탄성(熱彈性) 마르텐사이트 변태를 나타내는 합금은 예외 없이 형상기억 특성을 나타낸다는 것이 밝혀졌다. 실용화된 합금으로서는 니켈-티타늄 합금, 구리-아연-알루미늄 합금이 있다. 현재 실용화된 용도로는 F14 전투기의 파이프계수(繼手)와 인공위성의 안테나, 온실 창의 개폐장치 등이 있다. 또 연구개발 중인 것에 인공관절·심장펌프와 화재시의 방화문, 온도 센서 등이 있다. 한국에서는 1983년 한국과학기술원(KAIST)의 재료실험팀이 니켈-티타늄 50:50 비율의 합금에서 처음으로 성공한 데 이어, 1986년 4월에는 정밀금속재료연구실팀이 의료용(치열교정용 와이어)의 형상기억합금 개발에 성공했다. 이것은 늘어난 채로 입 안에 장치해도 체온에 의해 줄어들면서 치아를 단단히 묶어 주게 돼 있다. 수소저장합금 (metallic alloy for hydrogen storage) 금속과 수소가 반응해 생성된 금속수소화물로, 1960년 최초로 네덜란드의 필립스사(社)에서 란타넘-니켈계(系)의 수소저장합금을 개발했다. 이외에 타이타늄-철합금, 란타넘-니켈합금, 마그네슘-니켈합금 등은 거의 실용화 단계에 있다. 태양에너지를 이용해 해수(海水)로부터 얻을 수 있는 수소는 자원적 제약을 받지 않을 뿐만 아니라 환경보전 측면에서도 문제되지 않는 적격한 에너지 매체로서 주목받았다. 따라서 안전하면서도 효율적인 저장방법과 수송방법을 검토하게 되어, 1960년 최초로 네덜란드의 필립스에서 란타넘-니켈계의 수소저장합금을 개발했다. 이것은 금속과 수소가 반응하면 금속이 수소가스를 흡수하게 돼 금속수소화물을 생성하고, 이를 다시 가열하면 수소가 방출되는데, 금속에 따라 흡수·방출의 양과 난이도가 다르다. 수소기관자동차, 태양열을 이 합금에 저장하는 냉난방시스템, 핵융합에 이용하는 중수소(重水素)의 분리 등에 이용되고 도로에 쌓인 눈을 녹이는 데 응용하려는 연구도 진행되고 있다. 비정질금속재료 (amorphous metal) 비결정형재료라고도 하며, 강도, 자기화 특성, 내마모성, 내부식성이 크다. 녹화헤드·변압기 등에 쓰인다. 1960년대 초부터 개발되었으며 비정질 합금조성은 TM-X로 표시된다. TM은 천이금속이나 귀금속원소이고, X는 유리질 비금속원소를 나타내는것으로서 X를 원자 15~30% 함유하는 공정점 부근의 조성을 가지고 있다. 초내열 합금 (super heat resisting alloy) 고온에서의 사용에 견디는 것을 주요 목적으로 만들어진 합금으로 초합금·입자분산강화합금·결정제어합금을 합쳐서 칭하며 보통 700℃ 이상의 고온에 견딜 수 있도록 만들었으며, 제트 엔진의 터빈 날개 등에서 사용된다. 초합금에는 니켈이나 코발트를 주성분으로 하며 고온·강도 외에 치수의 시간 경과에 따른 변화나 산화·유화 등 부식에 대한 내구성이 요구되므로 많은 합금원소를 첨가하여 성질의 최적화를 꾀한다. 한편 입자분산강화합금에서는 초내열 합금인 니켈기(基) 합금에 토리야(이산화 트리움) 입자를 분산시킨 TD니켈과 니켈기 초합금에 미립의 이산화트리움을 분산시킨 것이 주류를 이루고 있다. 이들 합금은 초내열 합금이 고온에서 변형 파괴되는 것에 견딜 수 있는 내(耐)크리프 변형을 향상시키고 있다. 초탄성 (superelasticity) 합금 의탄성(Pseudoelasticity) 이라고도 불리며 형상 기억 합금이 탄성을 발휘하여 미리 설정된 모습으로 돌아오게 하는 성질을 말하며 강철과 같은 일반 기계 부품에 쓰이는 용수철에 비해 탄성 변형의 허용폭이 더 크다. 이를테면, 기계 부품으로서 그 기계의 작동 온도보다 낮은 온도로 탄성을 회복하는 형상기억합금으로 용수철을 만들어 사용할 경우, 보다 큰 부하를 용수철에 걸 수 있기 때문에 공학쪽에서 보면 설계가 더 유리하다. 특히 탄성 회복 온도가 낮은 형상기억합금을 의탄성 합금이라고 말한다. 액체 금속 (liquid metal) 액체상태로 되어 있는 금속. 상온에서의 수은이나 원자로 또는 고온동력기관의 냉각재로 쓰는 나트륨·리튬 및 나트륨-칼륨 합금은 그 사용온도에서 액체상태이므로 액체금속이다. 또는 일반적인 금속소재보다 매우 단단한 비정질합금(Amorphous Alloy)을 액체금속이라고 부르기도 한다. 넓은 뜻으로 녹는점 이상에서 액체상태가 된 모든 금속이 포함되지만, 좁은 뜻으로는 사용온도에서 액체상태인 금속만을 가리킨다. 금속이 융해해 액체금속이 될 때 나트륨 등의 알칼리금속은 2∼3%, 구리·은·금은 4∼5% 그 부피가 증가하지만, 갈륨(Ga)·비스무트(Bi) 등은 3% 정도 감소한다. 액체금속의 구조는 X선·중성자선의 회절에 의해 알아볼 수 있다. 비록 액체상태여도 어떤 1개의 원자 주변의 원자의 배치는 고체상태에서의 배치와 아주 비슷하다. 원자로에는 핵연료에서 발생한 열을 밖으로 보내기 위해 냉각재가 사용된다. 좋은 냉각재는 중성자의 흡수단면적이 작아야 하고, 열전도도가 높으며, 점성과 비중이 작아 순환에 소요되는 동력이 적어야 한다. 또 녹는점이 낮고 끓는점이 높으며, 열 및 방사선에 대해서 안정하고 유도방사능(誘導放射能)이 적으며, 부식성이 없는 것이 좋다. 나트륨이나 나트륨 합금은 액체금속의 상태일 때 이런 조건을 만족하므로, 고속증식로의 냉각재로 많이 쓴다. 이와는 별개로 액체처럼 불규칙한(비정질) 원자구조를 지닌 합금인 비정질합금을 액체금속이라고 부르기도 한다. 비정질합금은 분자단위까지 관찰해도 결정구조가 없기 때문에 일반적인 금속소재보다 단단하지만 가공성이 떨어져 과거에는 분말이나 얇은 리본형태로만 제품 가공이 가능했다. 그러나 90년대 이후 적당한 열을 가하면 플라스틱처럼 자유자재로 형태를 만드는 비정질합금 제조법이 개발되면서 새로운 산업용 소재로 급부상하고 있다. 초전도재료 (superconducting material) 초전도 특성을 가지고 있는 재료로, 다양한 형태로 가공해 코일 등으로 만들어 사용한다. 현재 비교적 널리 사용되고 있는 초전도재료들의 온도 상한은 10~20K이다. 아주 저온에서 초전도현상을 일으키므로, 이것을 선재(線材)로 가공해 초전도코일의 권선 등으로 사용한다. 현재 알려져 있는 초전도체는 나이오븀·바나듐과 같은 원소를 함유하는 합금 또는 금속화합물인데, 그 중에서도 잘 알려져 있는 것은 나이오븀-지르코늄(지르코늄 약 20%)합금, 나이오븀-타이타늄 (타이타늄 약 40%)합금, 나이오븀-주석의 화합물 Nb3Sn 및 바나듐-갈륨의 화합물 V3Ga 등이다. 이들 재료가 초전도현상을 보이는 온도의 상한은 각각 10.8K, 9.7K, 18.0K, 14.5K이다. ■무기계 신소재(비금속 무기재료) 파인 세라믹스 (fine ceramics) 뉴세라믹스라고도 불리우며 가볍고, 내마모성, 내열성 및 내화학성이 우수해 연료효율 향상, 생산성 증대, 희귀자원의 대체에 크게 기여할 수 있어 향후 20~25년 후 급성장이 예상되는 재료다. 제트엔진에 사용할 경우 현재의 작동온도 1000℃를 1500℃로 상승시킬 수 있다. 엔진의 작동온도를 30도 올리면 엔진 출력을 20%상승시키게 된다. 파인 세라믹스로 제조한 주요 제품은 절삭공구 터보차저의 회전자, 기계의 실부품, 자동차 벨브 등 다양하다. 결점은 강도가 약한 편이며 제조비는 비싸지만 원료는 금속과 고분자 물질을 제외한 거의 모든 재료에서 얻을 수 있다. 미세한 입자로 제조된 유리 시멘트, 도자기 등의 요업재료가 이에 속한다. ■구조용 복합재료 HSLA 합금 고강도 저합금강으로서 HSLA(high strength low alloy steel)는 자동차용 탄소강판의 대용제품이며, 자동차 한 대당 135kg을 사용함으로써 폐차할 때까지 약 1140l의 연료를 절약할 수 있다고 알려져 있다. 이 재료의 개량품으로써 DP(dual phase)강이 개발되고 있다. DP강 복합조직강(dual phase alloy)으로서 HSLA강의 결정을 보강하기 위해 개발됐고 자동차의 경량화 재료로써 활용하려고 연구되고 있다. 이 강은 저탄소강으로서 성형성이 극히 우수하고 강도가 높으며, 기지조직은 약 80%PF(polygonal ferrite) 와 약20% 분산된 마텐자이트 또는 베이나이트조직과 액간의 잔류 오스테나이트의 혼합조직들로 구성돼 있다. DP강은 항복점이 잘 나타나지 않으며 낮은 응력에서 항복이 발생해 점진적이고 연속적으로 응력이 증대하면서 연신되고, 가공 경화 속도가 커서 최대 인장 강도는 최초의 항복강도에 비해 아주 크고 많은 양의 가공 후에 높은 강도를 유지해야 되는 자동차용 재료로 각광받고 있다. DP강의 최대인장강도는 분산돼 존재하는 마텐자이트조직이 많을수록 증가하므로 마텐자이트 양을 5~30% 범위에서 조절하는 것이 좋다. DP강의 산업적 제조는 열간 또는 냉간압연된 스트립을 연속적으로 풀림 처리하는 방법과 열간압연한 상태로 사용하는 방법 등이 있다. 그러나 열간압연한 상태의 재질이 풀림처리한 것에 비하여 아주 미세한 페라이트 결정입도를 형성하므로 동일 탄소량의 강일 때에도 약간 높은 강도를 유지한다. 결굴 DP강의 강도향상방법은 마텐자이트의 양을 증가시키거나 페라이트 결정입도의 미세화가 가장 용이한 것으로 알려져 있다. 그러나 마텐자이트의 양을 증가시키려면 탄소량이 많아지므로 강의 용접성이 저하된다. 최대 인장강도를 요할 때 열간압연한 DP강은 8~12%의 마텐자이트(0.05~0.07%C)가 필요한 반면, 풀림 처리한 DP강은 20~24%의 마텐자이트(0.11~0.13%C)가 필요하므로 열간 압연한 재질이 용접성이 우수함을 알 수 있다. ■신고분자재료(유기계 신소재) 압, 초전성 고분자 (piezoelectric) 압력의 변화 또는 온도의 변화에 의해 전기를 발생시키는 고분자로 poly vinylidene flouride 가 있다. 열 검지기, 적외선검지기, 음파 탐지기, 마이크로폰, 무접촉 스위치 등에 사용된다. 전기전도성 고분자 (conductive polymers) 고분자 자체로서 혹은 도핑에 의해 전기전도성을 띠는 고분자로서 대개 주사슬 내에 짝이중결합을 가지고 있는 것이 특징이다 전도성 고분자를 전극 물질로 사용한 플라스틱전지는 단위 질량당 전기에너지의 저장용량이 크다는 장점이 있다. 전도성 고분자 중에는 빛에 의해 전도도가 증가하는 광전도현상을 나타내는 것도 있고, 전도성 고분자의 전기발광을 이용한 발광 소자도 개발되는 등 응용성이 매우 다양하다. 감광성 고분자 (photosensitive polymer) 빛에 의해 다리걸침반응이나 불용화를 일으켜 화학적 또는 물리적으로 변화하는 기능성 고분자이다. 사진인쇄에서 인쇄판을 만들거나 장식품의 가공, 프린트 배선반의 제작, 도료 등으로 사용된다. 감광성고분자로 이루어지는 수지를 감광성수지라 한다. 빛에 민감한 작용기인 이중결합의 반응성, 신남산에스터기에 의한 다리걸침반응, 아지드기에서 질소분자를 방출해 생기는 다리걸침반응, 다이비닐형(形) 단위체를 함유하는 중합체의 광중합에 의한 경화 등을 이용한다. 사진인쇄에서 인쇄판을 만드는 데 주로 이용되는 외에, 장식품의 가공, 프린트 배선반의 제작, 도료 등 용도가 확대되고 있다. 자외선을 흡수하는 고분자, 빛에 의해 발색하는 고분자, 빛에 의해 분해가용화(分解可溶化)하는 고분자 등도 개발되고 있다. 생, 의료용 고분자 (biomedical polymer material) 의료활동에 쓰이는 고분자재료의 총칭 즉, 진단과 치료를 포함한 각종 의료행위에 쓰이는 의료기구나 신체 일부를 대신하기 위해 인공장기로 사용되는 중합체를 말한다. 활용되는 분야로는 수혈용 주머니를 비롯한 수혈용 장비, 주사기, 소프트 콘택트렌즈, 인공신장용 필터, 요도, 심장의 판막, 인공 혈관·뼈·피부·힘줄·귀·턱·안구·치아 및 치아충전제 등이 있다. 사용되는 물질로는 폴리염화비닐·폴리에틸렌·천연고무·실리콘고무·폴리프로필렌·폴리우레탄 등이 있다. 인체의 내부조직과 짧은 시간만 접촉하는 것으로 주사기·수술용구·진료용구 등이 있는데, 인공신장의 투석막(透析膜)도 이에 포함된다. 이와는 달리 생체조직과 오랜 시간 접촉하며 인체의 일부를 대체하는 재료는 생체적 합성이 있어야 하기 때문에 높은 기능성이 필요하다. 분리막용 고분자 고분자 막으로서 어떤 특수한 성분만 선택적으로 투과시키는 성질을 가지는 고분자. 이러한 고분자막은 물질의 분리 및 정제에 사용된다. 인공신장용 투석막은 이러한 고분자분리막의 한종류이다. ■신금속 및 특수금속 게르마늄 (germanium:Ge) 주기율표 14족에 속하는 탄소족원소이다. 반도체정류기의 핵심재료이며 친환경농법에도 사용된다. 1871년 D. I. 멘델레예프가 에카 규소(珪素)로서 그 존재를 예언했으며, 1886년에 독일의 화학자 C. 빙클러, A. 브라이하우프트가 아지로다이트(argyrodite) 속에서 발견하여, 독일의 라틴명인 Germania를 따서 게르마늄이라 명명하였다. 아지로다이트 ·게르마나이트 등의 광석이 있으나 극히 드물다. 지각 속에는 넓고 얇게 분포돼 있으며 섬아연석(閃亞鉛石)·황화동석 속에 약간 함유돼 있다. 또 암석 속에서 규산염의 규소와 치환해 적은 양이 존재하는데, 이 때문에 클라크수는 0.00065로 제43위이다. 석탄 속에도 농축돼 있으며, 식물에 흡수돼 있는 경우도 많다. 게르마늄은 은회색의 원소로서 은, 주석, 구리, 아연, 납 등의 광석 중에 미량이 존재한다. 이것은 금속 제련의 부생산물로서 생산되며, 비중 5.32, 용해점 959도 비점 2700도 이고 600~700도까지는 별로 산화하지 않는다. 특히 고순도의 것은 조운 멜트(zone melt)로서 9-nine(99.9 999999%) 또는 10-nine(99.99999999%) 이상의 당결정 게르마늄이 얻어진다. 내열성이 적어 70도 이상에서는 반도체 특성이 격감된다. 불순물로서 영향이 큰 원소에는 구리, 니켈, 철 등이 있다. Ge의 중요한 용도는 반도체 재료로서 저주파용 및 초고주파용 트랜지스터에 사용되고, 또한 다이오드 정류기, 광전 변압기에 사용된다. 게르마늄의 기타 용도에는 적외선에 투명한 점을 이용하여 적외선분광기에 사용하며, 또한 굴절률이 크므로 분산도가 큰 게르마늄 유리에 사용된다. 그리고 절대온도 0도 부근까지 측정할수 있는 저온도계에도 이용된다. 게르마늄합금에서 Au-Ge합금은 용융점이 낮고 응고시에 팽창하므로 치과용 및 정밀 주물에 쓰인다. 그리고 게르마늄 12%의 Ge-Au은 359도에서 녹으며 금납에 사용된다. Cu-Min 합금에 게르마늄 0.4~1%fmf 첨가하면 가공성이 증가된다. 실리콘(silicon:Si) & 고순도 규소 주기율표 14족의 탄소족원소에 속하는 비금속원소다. 실리콘이라고도 한다. 규소의 비교적 간단한 화합물인 산화규소 SiO2 등으로 옛날부터 알려져 있었으며, 규사(硅砂) 같은 것은 고대 이집트에서 유리제조의 원료로 사용됐다. 1822년 스웨덴의 화학자 J. 베르셀리우스가 홑원소물질로서 처음으로 발견했고, 플루오린화규소를 금속칼륨으로 환원시켜서 얻었다. 자연계에는 유리상태로 산출되지 않고, 산화물·규산염 등으로 존재하며, 암석권의 주요 구성성분이다. 클라크수(지각 내의 존재량)는 산소에 이어 제2위로 많아 27.6%를 차지한다. 또 벼·대나무·속새풀 등을 비롯해 규조류(硅藻類), 동물의 깃털·발톱, 해면 등에도 함유돼 있다. 전자 공업에서 사용되는 Si는 고순도의 규소이다. 그 비중은 2.33, 용융점 1420도 이다. 금속 실리콘의 제조는 여러 가지가 있으나 할로겐화물을 아연, 수소 등으로 환원하든가 또는 열분해해 침상, 입상, 봉상 Si를 만드는 방법이 사용되고 있다. 이것을 사용해 다시 부유대역정제(floating zone refining) 해 순도를 높힌다. 실리콘의 단결정 제작은 실리카 도가니 중에서 진공 또는 불활성 가스를 사용해 단결정 종자의 선단을 용융액에 접촉시키면서 3~5rpm으로 회전시 단결정을 형성시킨다. 실리콘의 중요한 용도는 트랜지스터, 다이오드, 대전력정류기, 일반 정류기, 태양전지, 마이크로 웨이브 검파기 등이다. 특히 텔레비전, 전자 계산기, 자동 조정 관계의 부품, 우주항공기 기기용의 발진 및 증폭용 트랜지스터 등에 쓰인다. 인공위성 및 무인 등대 등의 전파 공급용 전원 태양 전지 등 용도가 많다. 규소의 산화물은 내열성이 우수해 내열재료에 사용된다. 그리고 C, B, Ti, Zr과 Si의 산화물들은 내산화성이 크므로 내열성과 높은 경도를 요구하는 곳에 사용된다. SiC는 연삭재로서도 가치가 크다. 우라늄(uranium:U) 천연에 존재하는 방사성원소(放射性元素)의 하나다. 악티늄족 원소에 속한다. 1789년 독일의 화학자 M.H.클라프로트에 의해서 피치블렌드 중에 함유되어 있음을 발견하여 1781년 토성(土星)의 바깥쪽에서 발견한 새 행성 Uranus(천왕성)에서 따서 명명되었다. 홑원소물질로 처음으로 분리한 것은 1842년 프랑스의 E.M.펠리고이다. 또 프랑스의 A.베크렐은 우라늄화합물이 흑색종이를 통과해서 사진 건판을 감광시키는 사실에 주목해 방사능을 발견했다. 우라늄 내에는 U234, U235, 및 U238 등 3가지 동위원소가 있으며, 이들의 존재비는 0.0057% U234, 0.714% U235, 99.28% U238이다. U235는 천연에 유일한 핵연료이며, U238은 Pu239의 친물질이다. U234는 적은 양이며, 그다지 중요하지 않다. U235를 인공적으로 0.714% 함량으로 농축한 것을 농축우라늄 이라고 한다. 순수한 우라늄은 은백색의 금속이나, 공기중에서는 빨리 산화하여, 검은색의 피막으로 둘러쌓인다. 또한 우라늄은 알파, 베타, 감마의 동소체를 가지고 있으며, 보통 원자로용 연료로서 사용되는 것은 알파상태의 것이다. 그러나 우라늄 알파는 사방격자의 3축의 방향에서 그의 선팽창계수가 현저히 다르므로, 다결정체의 알파-U에 가열냉각을 되풀이하면 주름살이 지든가 또는 성장을 일으키는 단점이 있다. 이와 같은 열 서클은 우라늄연료의 방사선조사에 의해 반드시 생기게 된다. 따라서 이와 같은 성장을 일으키지 않는 핵연료, 즉 여러 가지의 순금속 우라늄 이외의 형태(고용체형 U합금, 분산형 연료, 세라믹 연료, 액체연료)로서 사용되고 있다 토륨(thorium: Th) 악티늄계열에 속하고 천연으로 존재하는 방사성원소이다. 1828년 베르셀리우스가 노르웨이에서 산출된 광석에서 발견하였다. 명칭은 스칸디나비아 신화에 등장하는 뇌신(雷神) Thor에서 연유한다. 또, 1898년 슈미트 및 퀴리가 각각 독립적으로 방사성원소임을 발견하였다. 토륨계열의 기원원소(起源元素)이며, α선을 방사하면 메소토륨으로 변한다. 반감기는 1.34×1010년이다. 토륨은 원자로내에서 중성자조사를 받아 열중성자에 의해 분열 할 수 있는 U233을 생성하는 친물질로서, 자원이 풍부하며 중요한 에너지원으로 주목되고 있다. 토륨은 우라늄보다 가볍고 Pb과 거의 비슷한 비중의 은백색의 금속으로, 공기중에서는 우라늄과 같이 빨리 산화하여 암회색피막을 생성한다. 또한 은 또는 구리와 같은 정도로 연하다, 융점은 상당히 높다. 게다가 입방정이므로 연료로 사용할 때 우라늄과 같은 성장, 변형문제는 일어나지 않는다. 토륨의 기계가공성, 소성변형은 모두 양호하다. 플루토늄(plutonium:Pu) 주기율표 3족에 속하는 악티늄 원소로, 원소기호는 Pu이다. 93번 원소인 넵투늄이 발견되었을 때, 이미 94번 원소로서 그 존재가 예상되었으나 그 당시는 이것을 관찰할 수가 없었다. 1940년 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스의 시보그, 맥밀런 등에 의해서, 사이클로트론으로 우라늄 238을 중수소(重水素)로 충격하여 만든 넵투늄 238의 β붕괴에서 질량수 238인 동위원소가 처음으로 만들어졌다. 이 신원소는 태양계의 행성이었던 명왕성(Pluto, 소행성 134340)의 이름을 따서 플루토늄이라고 명명되었다. 이것은 92번 원소인 우라늄과 93번 원소인 넵투늄이 각각 천왕성(Uranus)·해왕성(Neptune)의 이름을 땄기 때문에, 이들에 계속된다는 것을 뜻한다. 그후 동위원소의 질량수는 232부터 246까지 15개가 확인되었으며, 모두 방사성이다. 이들 중 242의 반감기(半減期)가 가장 길어 3.79×105년이다. 플루토늄은 U238이 원자로내에서 열중성자를 흡수하여 2회의 베타붕괴를 거쳐서 생기는 인공원소이다. 또한 친물질로서의 U부터 화학적으로 분리하여 순 Pu를 만들 수 있으므로 고농축핵연료로서 사용할 수가 있다. 플루토늄은 핵연료로서 대단히 중요시되는 물질이나 다음의 2가지 어려움이 있다. 하나는 강한 알파방사능에 대한 취급곤란, 다른 하나는 복잡한 결정구조와 비교적 저온에 있는 다수의 변태점에 의한 사용상의 어려움이 있다. 플루토늄은 융점 640도 이하에 6개의 동소체가 있다. 또한 변태에 따라서는 체적변화가 심하게 일어난다. 따라서 플루토늄은 순수상태로 사용되는 일은 적으며, 플루토늄과 우라늄의 산화물 또는 탄화물 끼리를 배합한 세라믹 연료로 사용한다.