형상기억합금지금까지 우리가 알고 있는 상식으로는 금속이라고 하면 탱크, 기차 철교와 같이 강하고 딱딱한 물체를 떠올리기 쉽다. ‘무쇠 같은 사나이’라고 하면 깨지면 깨졌지 휘어지지 않는 강한 사나이를 뜻하는 것처럼. 그러나 이와 같은 금속의 기존 통념을 완전히 뒤바꿔 놓은 금속이 등장하였는데 이것이 바로 형상기억합금이다. 이처럼 살아있는 금속 또는 현대의 여의봉이라 불려지고 있는 이 신비한 합금이 무엇이고 또 어떠한 특징이 있으며, 그 원리는 무엇인지 또한 현대 사회에서 어떻게 응용되고 있는지 살펴보도록 하겠다.1. 형상기억합금이란?대개 사람들은 공업계에서 취급되고 있는 재료들은 무생물 재료이며 대부분 이러한 재료는 일반적으로 강하고 연해서 쉽게 변형되지 않는다고 인식되어져있다. 특히, 합금은 그 대표적인 공업재료로써 주조용에 많이 사용되어지고 있는데, 합금이란 금속의 장점을 살리고 약점을 보완하여 두 가지 이상의 금속을 적절하게 혼합한 것을 말하는 것으로써 알루미늄에 망간, 구리, 마그네슘 등을 섞어 만든 두랄루민, 그 외에 청동, 황동, 백동, 강철, 스테인리스, 스틸 등이 이에 속한다고 할 수 있다.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.2. 형상기억합금의 발견금속이 형상기억효과가 있다는 것이 처음 알려진은 최대 8% 정도 이어서 원래 모습으로 되돌아오는 성질 이 철보다 10배~20배 정도 더 크다.② 부드럽게 변형 된다 : 철보다 변형하는데 힘이 적게 든다.③ 내식성이 뛰어나다 : 바다 속과 같은 부식 환경에서도 부식에 견디는 힘 이 다른 금속보다 매우 강하고 또한 높은 내마모성을 가지고 있다.형상 기억 합금과 보통의 철형상 기억 처리 형상 회복 온도 형상 회복 온도 이상으로 저온에서 변형시켜도 가열하이하에서 변형 가열하면 원래의 형태로 복원 면 원래의 형태로 복원된다.직선기억처리 크게 구부려도 원래대로 돌아온다. 응력을 가해 변형시켜도 응력을제거하면 원래의 형태로 복원된다.변형시키면 원래의 형태로 크게 구부리면 구부림이 변형을 한 구부림은 응력돌아오지 않는다. 남는다. 을 제거해도 원래의 형태로 돌아오지 않는다.4. 형상기억합금의 원리형상기억효과형상기억합금이란 온도의 변화에 의하여 변형된 형상이 원래의 형태로 돌아갈 수 있는 금속 재료를 뜻한다는 것을 앞에서 이야기하였다. 이러한 특성을 형상기억효과라고 하며, 이는 초기에 변형된 형상기억합금이 온도가 상승하면서 원래의 형상으로 복귀하려는 특성을 말하며, 이러한 특성은 매우 큰 복원 응력을 발생시키기도 한다. 이러한 변형에 대한 복원은 주위의 환경과 경계 조건에 의한 형상기억합금 재료의 마르텐사이트 상변태의 결과이다. 응력이 없는 상태에서 높은 온도의 조건에서 형상기억합금은 모상 (parent phase)인 오스테나이트 상의 형태로 존재하며, 온도가 낮아지면 결정 구조가 마르텐사이트 상으로 변하게 된다. 이처럼 형상기억효과는 형상기억합금의 결정 구조를 갖는 오스테나이트 상에서 낮은 온도에서의 평행사변형 형상의 결정 구조를 갖는 마르텐사이트 상으로 변하는 과정에서 발생한다. 밑의 그림(1)은 형상기억합금 작동기의 상변태를 도식화한 것이다. 일반적으로 이러한 형상기억효과의 경우 고온의 모상의 형태만을 기억하게 된다. 그러나 이방향성 형상기억효과를 이용할 경우 고온의 모상뿐만이 아니라 저온에서의 변형된 형태까지 기나 형상기억합금을 초탄성 처리하면 힘을 주어 늘어나게 한 다음 힘을 제거하면 고무처럼 원래의 크기로 돌아가게 된다.5. 형상기억합금의 종류형상기억합금에는 여러 가지의 종류가 있다. 하지만 이 중에서 현재 가장 많이 실용화되고 있는 것은 Ni-Ti 계 합금이며, 이외에도 Cu-Al-Ni 계 그리고 Cu-Zn-Al 계 합금이 있으며, 곧 실용화 될 전망이다.Cu-Zn-Al 계 합금Cu-Zn 합금은 변태온도(Ms)가 -130℃부근에서 나타나 처음에는 거의 사용되어지지 않았으나 제3원소를 첨가시킴으로써 이 온도를 올릴 수 있다는 것을 알고 연구한 결과 Al을 첨가하면서 Ms온도를 -100℃~100℃ 사이로 끌어올릴 수 있었다. Cu-Zn-Al 의 중요한 특성은 열전도도와 비저항이다. 이는 Ni-Ti에 비해 열전도도가 큰데, 이것은 주위의 온도변화에 대해서 반응이 빠른 것을 의미한다고 볼 수 있으며, 구리계의 이점이라고 생각할 수 있다. 또 비저항이 작아서 낮은 비저항이 요구되는 각종 전기, 전자부품과 같은 분야에 대한 응용에 적합하다. 그러나 인장강도, 내식성은 Ni-Ti 계에 비해 많이 떨어지며 더욱 큰 결점은 피로한도가 낮아서 피로로 인해 파괴되기 쉽다는 점이다. 종래 구리계의 피로한도는 떨어진다고 했으나 현재 각종 미량원소의 첨가에 의하여 결정립의 미세화가 도모되어 특성이 개선되고 있어서 실용상에의 문제는 없을 것으로 보고 있다.Cu-Al-Ni 계 합금위에서 말한 Cu-Zn-Al계 합금과 다음에 이야기 할 Ni-Ti계 합금 이외에 얼마 안 되어 실용화 될 것으로 전망되는 합금이다. 이 합금은 결정립 조대화에 의한 난가공성, 강도부족 등으로 실용화가 저지되고 있었으나 최근의 결정립 미세화 연구에 의하여 문제점이 해결되어 Cu-Zn-Al 합금에 비하여 고내식성, 고열안정이라고 하는 특성이 주목되어 실용화가 기대되고 있다. 형상 회복량은 아직은 Ni-Ti계 합금이 더 뛰어나지만, 최근에는 Cu계 합금도 Ni-Ti계 합금에 가깝게 개발되고 있다.Ni-Ti 계 합금이는 후 200℃~300℃에서 기억처리 하는 방법이다. 합금을 완전히 풀림 처리한 후에 성형함으로써, 성형가공이 용이하고 복잡한 형상을 기억시킬 때에 편리한데 비해 형상회복특성은 중온 처리한 합금보다 떨어진다.시효처리는 Ni-rich합금에서 고용화 처리 후에 400℃전후에서 수 시간 시효처리 함으로써 Ti3-Ni4 석출물을 형성시켜 형상기억특성을 갖게 하는 것이다.7. 형상기억합금의 응용(1) 의료분야의료기기 중 스텐트에 형상기억합금이 쓰이고 있다. '스텐트(stent)'의 어원은 1800년대 후반 의치를 위한 치아의 본(impression material)을 제작했던 스텐트 박사의 피부이식의 치유에 이용되면서 사용되었으며, 그 후로 장기 또는 생체의 치유를 돕기 위해 사용되는 모든 재료를 일컫는 말로 사용되고 있다. 특히 혈관, 위장관, 담도 등 혈액이나 체액의 흐름이 순조로워야 되는 부위에 악성 혹은 양성질환이 발생하여 그 흐름에 장애가 발생하였을 때, 외과적 수술을 통하지 않고 x-선 투시 하에서 좁아지거나 막힌 부위에 삽입하여 흐름을 정상화시키는 데 사용되는 원통형의 의료용 재료인 스텐트에 대표적으로 형상기억합금이 사용되고 있다. 혈관에 삽입하여 사용하는 혈관 스텐트 삽입술에 사용되고 있는 금속 스텐트는 보통 지름 2mm~1cm, 길이가 9mm~60mm의 가느다란 망상으로 되어 있다. 밑의 그림(9) 는 대표적인 혈그림(9) 풍선 확장형 Palmaz 스텐트관 스텐트인 Palmaz 스텐트의 팽창과정을 나타낸다. 이러한 스텐트는 인체의 외부에서 이미 존재하거나 수술로 만든 구멍을 통하여 삽입하여야 하므로 좁은 단면적으로 압축할 수 있어야 환자의 고통을 줄일 수 있고, 시술자에게 편리하다. 삽입된 후에는 협착을 해소할 수 있도록 확장되어야 하는데, 외부의 힘에 의하지 않고 금속 재료의 팽창력을 이용하는 자가확장형 스텐트와 외부의 힘 즉 풍선을 이용하는 풍선확장형 스텐트로 나누어진다. 이처럼 스텐트의 혁신을 가져온 재료는 형상기억합금이다. 이는 처음에 원하는 모양을치아의 모양을 기억시킨 다음 이것을 곧게 해서 잇몸에 넣는다. 소독한 온수로 양치질을 하여 인공치근 부그림(14) 치열용 교정기분을 가열하면 원래 기억한 모양대로 굽어져 탄탄히 박아지게 된다.또한 형상기억합금을 이용한 골 접합 기구가 개발되었다. 이 의료기구로 정형수술을 하면 골절부위 절제를 적게 할 수 있어 수술시간을 단축할 수 있을 뿐 아니라 생체 역학적 적합성이 뛰어나기 때문에 치료기간에 뼈와 따로 놀거나 뒤틀림 없이 정확하게 교정치료를 할 수가 있다.그림(15) 접골기구 및 이식기구(2) 우주선 안테나1969년 NASA의 아폴로 11호 달착륙선에 사용된 파라볼라(접시형) 안테나 역시 형상기억합금의 초기의 실용화라고 말할 수 있다. 먼저 찻잔 모양의 형상기억합금의 파라볼라 안테나를 150℃에서 조립하고, 실온에서 로켓에 싣기 쉬운 형태로 변형시킨 후, 달 표면까지 운반된다. 달 표면에 설치된 파라볼라 안테나는 태양열에 의해 200℃가 넘는 온도 때문에 순간적으로 원상태로 되돌아 갈 수 있으며, 정상적인 기능 수행을 할 수 있었다.그림(16) 아폴로 달착륙선에 사용된 안테나의 전개 개념도옆의 그림은 달 탐사선의 모습으로 이 탐사선의 안테나에도 형상기억합금이 사용되었다.(3) 온도 센서 및 제어장치형상기억합금을 이용한 기계요소들이라면, 우선 떠오를 수 있는 것이 온도 센서이다. 온도에 따라 형상의 변화를 이용하여 밸브의 역할을 수행할 수 있다. 밑의 그림에 나타낸 메모 밸브는 보일러에서 공급되어 방안을 지나 되돌아오는 환수부의 온도를 감지하여 온수 온도가 상승함에 따라 형상기억합금그림(17) 난방용 메모 밸브와 자동온도조절장치의 구조스프링(감지센서)의 팽창에 의하여 밸브를 통과하는 유량을 비례제어 한다. 따라서 배관 속의 온수의 온도가 높아짐에 따라 감지센서가 팽창하여 물의 흐름을 차단시켜 주어 방 아래의 정지된 온수가 방바닥에 열을 공급해주고, 온도가 하강하면 감지센서는 수축하여 다시 순환시켜 준다. 그리고 자동온도조절장치는 형상기억합금 스프링과 바이어스
FTA에 대한 나의 생각 학번 : 19991167 기계공학과 유길재역사적으로 공통의 이해를 가진 국가들이 무역확대를 위해서 무역협정을 활용해왔다. 그러다 제2차 세계대전 이후 세계무역체제는 GATT/ WTO 중심의 다자체제를 기본으로 했으나 국가간 무역협정도 계속 존재하였고 90년대부터는 이러한 관심이 더욱 증대되었다. 이렇게 세계 주요지역이 FTA를 통해 자유 무역권을 형성하고 있으나 한국은 여기에서 고립되고 있었다. 이런 FTA의 세계적 확산 추세 속에서 한국은 이제야 칠레와 FTA를 체결하고 양국간 자유무역협정(FTA)의 의회비준 절차가 모두 마무리됨에 따라 오는 4월1일 협정을 발효시키기로 하였다. 이에 FTA에 대해 알아보고 내가 생각하는 우리나라의 나아가야 할 방향을 이야기 해보기로 한다.FTA는 Free Trade Agreement의 약자로 자유무역협정을 뜻한다. 이 형태는 국가 간의 경제통합 과정에서 가장 기본적인 단계에 해당하며, 회원국간에 관세철폐를 기본으로 하고, 각종 교역장벽을 없애서 상품과 서비스의 자유로운 이동을 보장하는 것이다. 즉, 나라와 나라간의 제반 무역장벽을 완화하거나 철폐하여 무역자유화를 실현하기 위한 양국간 또는 지역간에 체결하는 특혜무역협정을 뜻한다. 그 동안 FTA는 대부분 프랑스?독일?이탈리아?영국 등 서구유럽의 유럽연합(EU) 및 미국?캐나다?멕시코의 북미자유무역협정(NAFTA) 등과 같이 인접국가나 일정한 지역을 중심으로 이루어져 지역무역협정(Regional Trade Agreement)으로 불려지기도 한다.이 FTA는 WTO(World Trade Organization) 체제에서는 크게 두 가지 형태가 있다. 하나는 EU(European Unions)가 좋은 사례로 FTA의 모든 회원국이 자국의 고유한 관세 및 수출입제도를 완전히 철폐하고 역내의 단일관세 및 수출입제도를 공동으로 유지해 가는 방식이다. 다른 하나는 NAFTA(North American Free Trade Agreement)에서 볼 수 있는 것과 을 벗어난 양자주의 및 지역주의적인 특혜무역체제라는 것이다.다시 말해서 FTA에서는 FTA 회원국간에 무관세나 낮은 관세를 적용하는 반면, 비회원국에게는 WTO에서 유지하는 관세를 그대로 적용한다. 그리고 FTA 회원국간에는 상품의 수출입을 자유스럽게 교역할 수 있게 허용하는 반면, 비회원국의 상품에 대해서는 WTO에서 허용하는 수출입의 제한조치를 그대로 유지하는 것이 가능하다는 것이다. 그러나 WTO와 FTA는 기본적으로 각 회원국의 관세부과 및 수출입제한조치 등의 제반 무역장벽을 완전히 철폐하여 상품과 서비스의 교역 및 투자가 원활히 이루어져 각 회원국의 경제가 지속적으로 발전해 가고, 아울러 고용과 국민들의 경제적 후생이 증대되도록 하는 것을 주요 목표로 하는 점은 같다고 할 수 있다.그런데 다자주의원칙의 WTO가 양자주의 및 지역주의적인 특혜무역체제인 FTA를 허용하는 이유는 무엇일까? 그것은 바로 FTA 회원국간의 제반 무역장벽을 완화하거나 철폐하는 경우, FTA 회원국간에 상품과 서비스의 교역 및 투자가 촉진되어 FTA 회원국의 경제가 발전함에 따라 궁극적으로는 FTA 회원국과 비회원국간에도 교역과 투자가 촉진되어 WTO의 다른 회원국 경제에도 유리한 여건을 조성하기 때문이다. 그러나 각 나라는 경제발전단계가 서로 천차만별이고 각 나라의 국민경제가 처한 정치?경제?사회적 제반 여건이 달라 어떤 방식으로 제반 무역장벽을 완화하고 철폐할 것인가 하는 방법론에 있어선 WTO에서는 물론 FTA에서도 각 나라가 처한 상황에 따라 입장차이가 있는 것이 국제통상무대의 현실이다.그렇다면, FTA 체결의 효과는 무엇일까.우선, 경쟁촉진 및 경제성장이다. 시장의 확대는 기업들 간의 경쟁을 촉진시킨다. 또 FTA가 규정하는 관세철폐와 각종 비관세장벽이 제거되면서 관세장벽이 완화되면 역내 다른 회원국 기업은 자국시장 내 진출을 유도하고, 국내 기업들 간의 경쟁도 촉진된다. 경쟁촉진은 여러 가지 측면에서 긍정적인 효과를 가져 올 수 있다. 경쟁이 격화되는 가운데, 기업이 을 통하여 역내경제 전반에 걸쳐 파급될 것이고, 이로 인해 역내경제는 성장을 가속화시킬 수 있게 된다. 즉, 규모의 경제와 경쟁촉진이 동시에 실현됨으로써 역내 경제활동의 효율성이 배가될 수 있다.두 번째로 외국인 직접투자를 들 수 있겠다. FTA를 체결하는 것 자체가 역내시장을 확대하는 것을 의미하므로 확대된 역내시장에서 영업기회를 확보하기 위한 외국인들의 직접 투자가 역내로 증가하는 경향이 있다. 체결국간의 관세 및 비관세장벽의 철폐는, 역내시장이 확대되고, 역내에서의 경제 활동 비용이 낮아짐을 의미하므로, 그 자체로 기업이 이윤을 창출할 수 있는 기회가 확대됨을 의미한다. 또한 FTA 체결로 교역장벽이 철폐되고, 통상규범이 강화될수록 역내시장에 대한 예측가능성을 제고시키고, 또 역내 경제활동에 안정성을 제공하기 때문에 역외 기업들이 역내에 생산거점을 마련하도록 하는 중요한 유인으로 작용하게 된다. 예를 들면, 기업의 입장에서 볼 때, 주요 원자재 및 중간재 등을 역내에서 조달하고자 할 경우 이를 무관세로 조달할 수 있으며, 역내 판매활동에 있어서도 운송비 및 정보비 절감 및 무관세혜택 등으로 기업의 제반비용을 절감할 수 있고, 역내 시장에 대한 접근이 용이해지는 만큼 이윤을 창출하는 기회가 확대되기 때문이다. 일반적으로 기업이 해외직접투자를 고려할 때에는 시장규모와 더불어 시장의 성장 가능성, 이윤창출 및 시장진출의 전망, 정치 및 사회의 안정, 법적?제도적 장치의 투명성, 노동력의 질, 사회 간접자본 등이 중요한 변수가 되는 것으로 알려져 있다. 이러한 요소들 중 상당수는 FTA 체결로 개선될 수 있다.특히 역외국 기업이 역내에 생산거점을 확보할 경우 지역무역협정에 참여하지 않으면서 실질적인 역내무관세 혜택을 누릴 수 있다는 점이 역내로의 직접투자를 확대하는 또 다른 요인이 된다. 또한 특혜원산지규정을 충족시키기 위해 역내국간 투자도 활성화된다. 즉 협정체결 전에는 다른 지역으로부터 수입한 부품을 사용하였으나, 협정의 특혜관세혜택을 누리기 위해서는 원산지된다.그렇다면 정부는 왜 FTA정책을 추진하게 된 것일까. 정부가 자유무역협정을 추진하게 된 배경으로는 ① 정부의 개혁과 개방 정책 유지, ② 지역주의 확산에 적극 대응, ③ 안정적 수출시장 확보와 한국기업의 취약성 극복, ④ 해외투자의 적극적 유치와 해외거점지역의 확보, ⑤ 정치적 동반자관계 형성 등을 들 수 있다.1997년 말에 발생한 외환위기를 극복하는 데 정부는 개혁과 개방정책이 중요한 역할을 수행했다고 절감하였으며, 외환위기에서 완전히 벗어나고 우리나라가 세계 경제에서 중추적인 역할을 수행하기 위해서는 계속 개혁과 개방을 추진할 필요가 크다는 점을 인식하였다. 특히 정부는 IMF 체제 직후에 취했던 정부의 개혁의지가 퇴색하고 있다는 우려를 불식시키기 위한 수단의 하나로 자유무역협정과 투자협정(BIT)의 체결을 추진한 것으로 보인다.)과거에는 FTA를 통해 회원국간 배타적 특혜무역을 추구한다는 점을 들어 FTA 체결을 폐쇄적인 무역정책으로 보았으나, 최근에는 FTA 체결 자체가 개방적인 통상 정책을 추구하는 통로로 널리 인식되고 있다. 과거의 FTA는 주로 관세철폐가 주요 내용이었으나, 1990년대 이후 체결되는 협정은 관세 외에도 서비스 및 투자, 지적재산권, 반덤핑, 보조금 등 가장 선진화된 형태의 통상규범이 포함되므로, 개혁과 개방정책을 적극 추구하는 정책으로 평가되고 있다. 또한 WTO, OECD 등에서 지역무역협정이 전 세계 교역자유화에 기여한다고 인정한 사실도 한국의 FTA 정책 추진에 긍정적으로 작용하였다.한편, 전 세계적으로 확대?심화되는 지역무역협정에 적극 대응할 필요도 커졌다. 과거 우리나라는 WTO를 중심으로 하는 다자무역체제의 우월성을 지지하고 지역주의는 다자무역체제에 부합해야 한다는 입장을 견지해 왔다. 1996년 제1차 WTO 각료 회의를 위시한 국제회의에서 우리나라는 지역주의의 폐해를 지적하고, 이에 대한 규제를 강화할 필요성을 역설하는 등 지역주의 확산을 우려하는 국제적 논의에서 주도적인 역할을 수행하여 왔다. 그러나 WTO국기업의 취약성을 극복하며, 소비자후생을 향상시키는 데에 도움이 된다. 우리 경제는 무역의존도가 높아서 대외여건이 악화되면 직접적으로 영향을 받는다. 주요 교역상대국들의 내수침체나 반덤핑조치와 같은 무역제한조치는 우리나라 제품의 수출을 감소시킴으로써 국내경기가 침체되는 직접적인 원인이 된다. 따라서 지역무역협정이 확산되면서 발생한 역외차별을 극복하고, 안정적인 수출시장을 확보하기 위해서는 자유무역협정을 추진하는 것이 바람직하다. 우리 기업은 첨단기술보다는 제조기술의 비교우위에 근거한 생산체제를 유지하여 온 반면, 선진기업들은 고도의 과학기술을 바탕으로, 후발 개도국들은 저임금에 기초한 가격경쟁력을 바탕으로 우리의 수출시장을 잠식하고 있다. 따라서 외국 선진기업의 첨단기술과 우리나라 기업의 생산기술, 마케팅 능력을 결합하여 생산구조를 고도화하고 수출능력을 배양하는 과제가 절실한 때이다. 자유무역협정 체결은 선진기업들과의 제휴를 통해서 바로 이 과제를 해결 할 수 있는 중요한 요인이 된다.자유무역협정의 추진은 외국인직접투자를 적극적으로 유치하고 해외거점지역을 확보하는 데도 도움이 된다. 주요국과의 FTA 체결을 통해 국내시장이 확대되면 우리나라를 거점생산기지로 활용하려는 신규투자수요를 유발할 수 있다. 외국인투자 유치는 국내시장규모와 투자제도의 완비가 중요하므로 우리나라와 FTA를 체결한 국가들에 수출하려는 외국기업들은 무관세 혜택을 누리기 위해 우리나라에 투자할 유인을 가지게 된다. FTA 체결을 통해 상대국의 투자시장이 확대되고 투자보장이 강화됨으로써 우리 기업의 안정적인 투자활동이 이루어질 수 있다.FTA를 체결할 경우 확대된 역내시장과 특혜원산지규정으로 인해 역내국으로의 외국인직접투자가 확대된 사례로 NAFTA하의 멕시코를 들 수 있다. 멕시코의 경우 NAFTA 체결 논의가 시작된 1991년부터 외국인직접투자의 유입이 증가하기 시작하였으며, 협정이 발효된 1994년 이후에도 외국인직접투자(FDI)의 유입이 높은 수준을 유지하고 있다.마지막으로 국제정치적인 있다.
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[기계재료]형상기억합금의 정의와 응용
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