형상기억합금이란

목차

1. 형상기억합금이란 무엇인가?
㉠. 형상기억합금의 성질
㉡. 형상기억합금의 발견
㉢. 형상기억합금의 응용

2. 형상기억합금의 전망과 과제

본문내용

온실의 온도가 너무 높을 때 니티놀이 처음의 모양으로 돌아가려는 힘에 의해 문이 열리게 할 수 있다. 문이 열려 통풍이 이루어지면 온실 내부 온도가 낮아지게 되고, 온도가 낮아지면 문이 닫혀 실내온도를 유지하게 된다. 이와 유사하게 방 에어컨 실내기의 바람을 불어내는 부분의 날개의 각도조절에도 형상기억합금이 쓰인다.
커피메이커에서 포트의 뜨거운 물이 끓고 있을 때 타이밍이 맞게 끓는 물을 한번에 커피분말에 쏟게 하는 데도 이 합금이 쓰인다. 온도가 올라가면 위쪽의 뚜껑(형상기억합금)이 닫히고 증기압에 눌려 물이 위로 올라가게 되고, 온도가 내려가면 조절판이 열려 완성도니 커피가 아래로 내려오게 된다.
일반 빌딩과 가정에서 화재를 예방하고자 대부분 설치되어 있는 스프링클러는 화재 초기 단계에 물을 뿌려주어 큰 화재를 막아주는 신뢰성이 높고 물을 사용하기 때문에 사람에게도 비교적 안전하고 환경친화적인 소화설비이다. 그러나 일단 물을 뿜기 시작하면 사람이 조작하여 중단하지 않는 한 물뿌리기가 멈추지 않아 건물 및 가구 등에 대한 손해가 커지는 경우를 종종 볼 수 있다. 그러나, 형상기억합금을 이용하면 이러한 피해를 줄일 수 있다. 스프링클러용 배관의 헤드 부근에 전기 대신 형상기억합금의 온도변화에 따른 형상 회복력을 이용하여 화재발생에서부터 소화까지의 실내온도변화를 파악하여 물뿌림을 자동으로 제어할 수 있는 것이다.
자동차 분야에서는 온도가 자동 조절되는 라디에터 밸브나 냉각 팬클러치 등에 응용을 연구 중에 있다.
형상기억합금의 여러 응용 예를 살펴보고 있지만 무엇보다 많이 쓰이고 있는 부분은 항공기나 잠수함의 파이프 ‘이음쇠’이다. 높은 온도에서 이음쇠를 만들 때, 연결할 파이프보다 이음쇠의 지름을 작게 만든 후 저온에서 이음쇠 끝부분의 구멍을 넓혀 양쪽 파이프를 연결해 준다. 그 후 온도가 올라가면 원래 크기로 돌아가 지름이 줄어들면서 이음쇠와 파이프가 강하게 연결된다. 실제로 미국 제트 전투기 F-104의 파이프 이음쇠로 100만개 이상을 니티놀로 사용했는데 기름이 새는 고장은 1건도 보고되어 있지 않다고 한다.
형상기억합금은 우주에서 인공 안테나를 설치할 때 많이 이용된다 . 150℃정도에서 안테나를 만든 다음, 실온 온도에서 이 안테나를 접는다. 접힌 안테나의 부피가 작기 때문에 우주로 운반하기가 쉽다. 이렇게 인공 위성의 본체 속에 들어간 안테나는 위성이 정상궤도에 이르면 태양열을 통해 온도를 200℃ 정도로 올리면 본래의 모습을 기억하게 되어 처음의 크기로 펴진다. 1방향성인 안테나는 온도가 내려가도 원래의 모양을 유지하며 제 기능을 하게 되는 것이다.
안경테를 잘못 보관하여 테가 휘거나 구부러져도 원래의 형태를 기억하고 있기 때문에라이터나 성냥을 통한 적은 열로도 원래 모양으로 돌아간다. 또한 형상기억합금의 주요원소인 티타늄은 가벼워서 초경량 제품을 만들 수 있어 안경테로 쓰기에 적격이다.
심장의 심방 사이에 구멍이 뚫린 채 태어난 심방중격결손 환자입니다.
구멍을 막는 치료를 받고 있는데, 가슴을 가르는 큰 수술이 아닙니다.
초음파와 풍선을 이용해 구멍 크기를 잰 뒤 허벅지의 큰 핏줄을 통해 작은 금속을 넣습니다.
작은 금속은 형상기억합금으로 만들어진 것으로, 구멍에서 펴져 심방의 구멍을 막아줍니다.
형상기억합금을 이용한 이 방법은 수술에 비해 합병증과 통증이 적어 지난해 우리나라에서 허가된 뒤 시술 사례가 크게 늘고 있습니다.
2. 형상기억합금의 전망과 과제
형상기억합금은 열에너지에 의해 ‘모양’이라는 정보를 기억하는 진기한 메모리 장치이다. 지금까지 살펴 본 것처럼, 곳곳에서 형상기억합금을 이용한 물건이 만들어 지고 있고 그 가장 큰 비중을 차지하는 합금은 니켈-티타늄의 합금인 니티놀이다.
형상기억효과가 뛰어난 니티놀은 우수한 특성을 가지고 있지만 가공하기 힘들고 용접과 모양을 만들기가 어려운 문제점들을 가지고 있다. 무엇보다 니티놀의 가격은 은보다 3배가 비싸서 실용화에 많은 어려움을 겪고 있다. 따라서 값싼 구리계와 철계를 이용한 실용화 연구가 한창이다. 가격이 비싼 티타늄 대신에 구리를 이용하면서 특수한 열처리법과 미량합금원소의 첨가를 통해 구리를 주원료로 한 형상기억합금의 결점을 보완함으로써 새로운 저비용·고성능 형상기억합금 개발이 이루어지고 있다. 저가의 원재료인 구리, 아연, 알루미늄, 니켈 등을 사용해서 생산비용을 줄이고 기존 니티놀과 비슷한 기계적 성질과 형상기억효과를 가진 새로운 형상기억합금이 고가 형상기억합금을 대체하면 지금까지보다 활발히 활용될 것으로 기대된다.
오늘날은 센서가 크게 활약하는 시대로서 전자 장치나 에너지를 쓰지 않고 형상기억합금으로 센서와 같이 작동하게 하기도 한다. 입력되는 쪽인 센서와 출력하는 쪽인 구동장치인 드라이버의 양쪽을 잘 엮은 것이 될 것이다. 여성의 브래지어에서부터 이의 크라운(금관), 항공기 연료파이프의 이음쇠, 인공위성 안테나, 화재경보기, 방열기 밸브, 치열 교정 와이어, 열기관, 항공우주산업, 특수 공간인 심해, 우주, 방사능 노출공간에 이르기까지 용도가 날로 늘어가고 있다. 또한 형상기억합금과 같은 고성능소재는 향후 정보기술의 발달과 함께 진화하면서 발전속도가 더욱 빨라질 것이다. 21세기에는 새로운 형상기억 합금이 발견될 것이고 용도도 계속 확대되어 산업적인 공헌도 크게 할 것으로 보이는 무한한 가능성의 재료라고 할 수 있다.
최근에는 형상기억 플라스틱도 개발이 되어 실용화를 눈앞에 두고 있다. 고분자를 가열했을 때 생기는 수축은 메커니즘적으로 형상기억합금과 다르지만 현상적으로는 형상기억효과 자체다. 폴리우레탄을 이용한 한 형상기억 플라스틱은 형상기억합금에 비해 제조원가가 10분의 1밖에 들지 않을 뿐만 아니라 가볍고 다양한 형태로 만들기 쉬워 의료용에서부터 화장품, 섬유 등 응용분야가 무궁무진하다. 플라스틱의 형상기억 효과의 경우에는 열수축에 의한 회복력이 낮고 또한 재료 자체의 인장강도가 작으므로 외부에 힘이 작용하는 소자로서는 사용할 수 없는 반면 열수축 튜브나 필름으로서 사용할 때에는 이 성질이 이점이 된다. 필름이 수축되었을 때 안쪽 물품의 모양대로 늘어나 밀착성이 좋아지기 때문이다

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진주교대,   과학,   형상기억합금