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형상기억합금이란

1.형상기억합금현재 우리가 사용하고 있는 니켈-티타늄(Ni-Ti) 소재의 형상기억합금은 1960년 미국 메릴랜드주 있는 미해군 병기연구소 한 연구원의 우연한 행동으로 발견되었다. 당시 미해군에서는 잠수함 선채에 사용될 특수 합금을 제작하기 위해 다양한 소재의 금속을 다양한 비율로 섞어 그 특성을 비교 연구하고 있었다.그런데 니켈과 티타늄이 1대 1로 섞인 금속에서 이상한 반응이 검출되었다. 제작된 시료에 연구원이 가까이 다가가자 니켈 티타늄시료가 꿈틀 거리는 것을 발견한 것이었다. 의아함을 느낀 연구원은 왜 그 합금이 변형을 일으키는지 알아내기 위해 다양한 시도를 해 본 결과 연구원이 입에 담배를 물고 다가섰을 때 형체가 변하는 것을 발견했다. 즉 낮은 온도에서는 변형되었다가 특정 온도에 노출되면 원래의 모습대로 돌아오는 형상기억합금을 발견하게 된 것이다. 니티놀 발견 이래 Cu-Zn-Ni, Cu-Al-Ni, Ag-Ni, Au-Cd 등 수십 종류의 합금이 있다. 현재까지 많은 수의 형상기억합금이 발견되었지만 가장 복원력이 뛰어난 합금은 니켈(Ni)-티타늄(Ti)으로 이루어진 니티놀 합금이 가장 우수한 것으로 평가되고 있다.1)형상기억합금이란?기억한다는 개념은 어쩌면 생명체의 전유물로만 생각할 수 있다. 그러나 감각적은 것을 기억하고 후에 재생 또는 재인식하는 ‘기억’이라는 현상을 무생물체인 금속에서도 볼 수 있다. 이러한 금속들은 모양이 변했다가 어떤 조건을 만족하게 되면 금속재료 자체가 갖는 원래의 형상을 기억해내는 현상을 나타내게 된다. 이러한 현상을 형상기억효과(Shape memory effect)라고 한다. 즉, 형상기억합금이란 영어로 Shape Memory Alloy (SMA) 이라 하며 말 그대로 모양을 기억하는 합금이다.다시 말해서 형상기억합금이란 일정한 온도에서 어떤 모양을 기억 시켜 두면 온도가 낮아져 그 모양이 변형되더라도 다시 가열하여 일정 온도로 올려주면 본래의 모습으로 되돌아오는 성질을 가진 합금을 말한다. 이것이 형상기억합금이다.2)형형상을 기억할 수 있는 이유는 다음과 같이 설명되고 있습니다. 즉, 형상기억 합금을 상전이 온도보다 높은 온도에서 가공하면 합금을 이루는 원자들은 해당 상태에서의 자신의 위치를 '기억'하게 됩니다. 그 후 상전이 온도보다 낮은 온도에서 합금을 변형시킨 다음 다시 상전이 온도 이상으로 가열하면 합금은 높은 온도에서 안정한 결정상으로 마텐사이트 상전이를 하는 과정에서 구성 원자들이 해당 결정상에서 원래 차지했던 자리로 이동하면서 원래의 모양을 되찾는 것입니다3) 형상기억합금의 성질모든 금속은 탄성한계를 가지고 있다. 탄성한계보다 작은 응력 (단위 면적 당 가하는힘을 ‘응력’ (N/m2)이라고 한다) 을 받아 일어난 변형의 경우, 그 응력을 없애면 원래의모양으로 돌아간다. 이것을 탄성변형이라 한다. 그러나 탄성한계보다 큰 응력을 가하면,가했던 응력을 없애도 처음의 모양으로 돌아가지 않는 영구적인 변형이 일어난다.영구변형이 일어나기 시작하는 시점의 변형 정도, 즉 탄성한계보다 큰 응력을 주었을 때의변형은 원래 모양의 1%를 넘지 않으며 그 후에 일어나는 것이 영구적인 변형인소성변형이다. 이처럼 보통 금속 재료는 적당한 힘을 가해 변형시키면 그 형상으로 유지되므로 굽히거나 늘려서 자유로운 형상으로 모양을 만들고 가공할 수 있다. 이러한 소성가공이 가능하기 때문에 니크롬선을 감아서 전기히터도 만들고 두꺼운 스래브를 압연하여 박판을 만든 후 자동차 차체로 가공하고, 철선을 구부려 클립도 만들 수 있다. 이 소성변형이라는 성질은 금속재료의 큰 특징의 하나이며 금속재료가 공업적으로 널리 사용되는 이유이다.그러나 형상기억합금은 변형된 다음 (이 때 변형정도는 어느 임계온도 이하에서 가해주어야 하고 현재의 기술로는 약 10% 미만의 변형이어야 한다.) 이 합금을 다시 가열하면 처음 변형되기 전에 형상을 기억하고 원래의 형상으로 되돌아 간다. ‘재가열’을 통해, 이 합금이 높은 온도에서 우선적으로 취해야 할 결정구조와 이에 걸맞는 형상을 되살려 기억 나게 해주는 것이다. 이 합금은 온도변화에 따라 처음의 모양으로 되돌아 갈 때 합금에 미치는 응력을 뜻한다.변형온도에서 순간적으로 원래 상태로 돌아갈 때의 힘을 이용한 여러 예 중 하나가 자동차열엔진이다. 몇 년 전 한국과학기술연구원의 기술진에 의해 선 보인 바 있는 열엔진은변형과 응력을 적절히 조화시켜 일을 하도록 설계한 동력기로서 흔히 온도차가 나는 두물탱크에서 동작하도록 설계되었다. 그러나 아직까지는 그 어느 것도 상온에서의 효율이4~8% 정도로 낮아 실용화에는 문제가 있다.뱅크스엔진이라고 불리는 특이한 엔진의 기본구조는 축의 둘레에 몇 개 붙어있는 스프링은 실온(저온) 에서는 늘어나고, 따뜻한 물 속 (고온)에서는 줄어든다. 작은 크기로 만든 스프링을 실온에서 힘을 가해 늘였고, 그 스프링이 고온의 따뜻한 물에 들어가면 원래의 작은 크기로 줄어들게 되는 것이다. 줄어들 때의 힘은 대단히 커서, 그 힘으로 축을 회전시켜 동력을 얻을 수 있다. 태양열로 물을 데워 뜨거운 물을 만든다면 에너지원이 필요 없는 엔진이 탄생하게 되는 것이다.형상기억합금의 두 번째 특징은 ‘반복동작’에 있다. 쉽게 변형되지만 2번 이상 같은동작을 하지 않는 플라스틱과는 달리, 형상기억합금은 형상회복이 된 후에 또 다시 굽혀도열을 가하면 몇 번이라도 이전과 같이 원래의 기억한 형상으로 회복된다. 니켈-티타늄(Ni-Ti) 합금에서는 100만번의 반복동작을 한 후에도 형상을 회복하는 능력이 거의 변화하지않는 사용 방법이 가능하다.여기서 한 가지 생각할 것은 ‘형상기억합금’과 ‘초탄성합금’과의 상관관계이다.형상기억합금을 탄성한계 이상으로 변형시키면 다른 금속재료들처럼 탄성 변형에 이어서항복이 발생한다. 항복영역에서 가해진 부하는 외견상의 소성 변형이 남는데 이 변형은가열하면 완전히 회복되어 변형량이 제로인 상태로 돌아온다.초탄성 합금의 경우에는 약간 다르다. 초탄성 합금은 보통 금속재료라면 소성 변형이될 정도의 큰 변형력을 가해 변형시키도 변형력을 제거하면 고무와 같이 원상으로 회복되는합금이다. 초탄성 합금은 형상기억거나 스프링등의 부품과 함께 구성해야하는 공정상의 문제가 있다. 또한 고온과 저온의 각 형상과 그 때 발생하는 힘을 정확히조절할 수 없는 것도 문제가 되어 별로 사용되지 않고 있다.1방향 형상기억합금과 2 방향 형상기억합금 이외에 다른 종류의 기억방식에 대해간단히 알아보도록 하겠다. ‘전방향 형상기억합금’은 2방향 형상효과를 가지면서 실온이하의 더욱 낮은 온도로 냉각하면 고온에서의 형상과 반대의 형상이 나타나는 합금이다.‘의탄성효과’는 변형을 주어 늘어났던 합금에 힘을 제거하면 원래의 형상으로 돌아가는것을 말하는데 형상기억합금도 화학조성을 변화시켜 변태점을 적당히 조절하게 되면상온에서 고무와 같은 큰 탄성을 나타내게 된다.4)형상기억합금의 응용그럼, 이렇게 개발된 형상기억합금들이 어떤 곳에 쓰이고 있는지 알아보자.우선 사람의 체온에 의해 처음의 모양을 회복하는 물건들을 살펴보자.가장 많이 알려진 것이 여성용 ‘메모리 브라 와이어’이다. 피부에 닿으면 처음의 모양으로 돌아오는 이 새로운 브래지어는, 세탁 때마다 휘고 구부러지는 브래지어 와이어로 고민하던 여성들의 사랑을 받기에 충분했다. 또한 보통 합금보다 10배 이상 큰 형상기억합금의 ‘초신축성’ 때문에, 착용할 때 늘어난 와이어가 체온에 의해 점차 가슴을 받쳐주는 원래의 형상으로 돌아오게 된다. 그리하여 이 메모리 브라 와이어는 새로운 금속재료의 소개와 더불어 각광받는 상품으로 인기다.피부느낌의 형상기억합금 마우스도 개발되었다.플라스틱의 일률적인 모양으로 만들어지던 기존 마우스와는 달리 형상기억합금으로 제작된 새로운 마우스는 사용하는 사람의 손모양을 기억하고 있다가 사람이 사용할 때 손의 체온에 의해 가장 사용하기 편한 모양으로 언제든지 변할 수 있게 되어 있다. 마우스 표면을 인간의 피부와 흡사한 느낌의 재질로 제작하여 손에 착 달라붙는 부드러운 느낌을 낼 수도 있다.최근 이탈리아에서는 ‘더우면 자동으로 소매가 올라가는 셔츠’가 소개되었다 .형상기억합금인 니티놀 섬유 1가닥과 나일론 섬유 5가닥으로 짜여진 수 있다. 의료분야에서도 많은 부분에서 형상기억합금을 이용하고 있다.니켈(Ni)-티타늄(Ti)으로 만든 치아 교정틀은 형상기억되는 초탄성합금을 재료로 만든 것이다. 보통 금속이라면 소성변형이 일어날 정도로 큰 힘을 가해 변형시켜도 변형력을 제거하면 고무처럼 원래의 모양으로 회복하는 합금인 초탄성합금은 일정한 범위 내에서 일정한힘을 가해주는데, 부드러운 힘이 계속적으로 작용하기 때문에 치료기간을 단축시킬 수있다. 신축성을 가져서 오랜 기간 힘을 가해줄 수 있으므로 교정용 재료의 교체 횟수를 줄여준다. 교정틀 뿐 아니라 인공치근에도 상용된다. 잇몸 부분에 인공적으로 치아의 뿌리를 묻는것으로서 인공치근의 끝부분에 미리 구부러진 치아의 모양을 기억시킨 다음 이것을 곧게해서 잇몸에 넣는다. 소독한 온수로 양치질을 하여 인공치근 부분을 가열하면 원래 기억한모양대로 굽어져 탄탄히 박아지게 되는 것이다.치과이외의 병원에서도 치료에 형상기억합금을 이용하고 있다. 사람의 혈관 속으로 조그맣게 뭉쳐진 니티놀을 집어넣는다. 그러면 몸 속의 체온에 의해서 온도가 올라감에 따라서 니티놀이 펴지면서 손상받은 신체연결 부위, 골격 그리고 등뼈가 휜 것 등을 펴주거나 지지해 주는 데 사용되고 있다. 인공 심장용 인공 근육, 골절부의 압박고정 등에 생체의학 재료로 사용되고 있다.온도제어장치에도 이용된다.최근에는 형상기억합금을 평판이 나쁜 스파이크타이어에 응용할 수 없을까 하는 연구가 진행 중이다. 형상기억합금은 온도에 따라서 모양이 바뀌는 요술 같은 합금이다. 타이어속에 넣어 놓은 핀이 노면 온도가 낮은 눈길을 달릴 때는 밖으로 튀어 나오고, 온도가 오르면 속에 파고 들어가게 되는 구조로 좋다. 개발 중인 타이어 핀의 뿌리에 형상기억합금제의 스프링을 매립하여 그 신축을 이용하여 핀을 내고 넣는다. 저온일 때 핀이 밀려나오게 되고 고온일 때 스며드는 구조다. 그러나 한 가지 문제는 있다. 온도가 낮아도 도로에 눈이 없을 경우는 어떻게 할까? 온도가 낮아 핀이 튀어 나오면 눈이 없는 도로를 파.

공학/기술| 2012.11.25| 7페이지| 1,000원| 조회(428)

형상기억합금, 형상기억, 형상기억합금 원리

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