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형상기억합금
2008년 5월 2일 (금) 23:46:00 |   지면 발행 ( 2008년 4월호 - 전체 보기 )

이 원고는 일본《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.형상기억합금군마(群馬)대학_나가야 코스케개요형상기억합금은 그 이름 그대로 형상을 기억하는 합금으로, 열에 의해 원래 형태로 복귀된다. 그 예로 형상기억된 와이어를 넣어두고 그것을 몸에 붙이면 체온으로 인해 원래 형태로 돌아가게 하여 예쁜 가슴으로 만들어 주는 여자 보정속옷 등이 잘 알려져 있다. 여기에서는 형상기억합금의 실용적인 면에서 기초 내용을 설명한다.형상기억합금 개요와 원리형상기억합금에 대해 설명하기 전에 먼저 보통의 강철을 생각해 보자. 강철을 잡아당기게 되면 적은 힘일 경우 원자간력(原子間力) 서로 잡아당기는 힘의 작용 범위 내에서 변형되고, 힘을 제거하면 원자간 결합력 때문에 원래대로 돌아온다. 이 범위를 탄성한도라고 부르며 탄성한도까지의 변형률은 0.1~0.2% 정도다. 그러나 원자간력 이상의 큰 힘으로 잡아당기면 원자와 원자의 결합이 끊어져 결정면(45° 방향)에 미끄러짐이 발생하고 큰 변형이 일어나게 되어 탄성변형일 때와는 다른 원자 결합상태가 된다. 이것은 소성변형(塑性變形)이며, 이 상태가 되면 변형된 곳은 원래대로 돌아가지 않는다. 또한 강철에는 온도에 의한 조직변화가 있는데, 탄소를 함유한 강철을 고온으로 열을 발생시켜 급냉시키면(소입하면) 마텐자이트(Martensite)라고 불리는 조직으로 변한다. 이것을 상변태(相變態)라고 한다.한편 형상기억합금도 마찬가지로 온도를 저하시키면 오스테나이트(Austenite) 조직에서 마텐자이트 조직으로 변화한다. 이 때 마텐자이트 발생 온도 Ms에서 온도를 더욱 낮추면 모든 조직이 마텐자이트가 되어 변태가 종료된다.(마텐자이트의 종료 온도를 Mf라고 한다)이것과는 반대로 마텐자이트 조직에 있는 합금을 가열하면 어느 일정 온도부터 오스테나이트 조직으로 변하는데 온도를 더 높이면 모든 조직이 오스테나이트가 된다. 이것을 역변태(逆變態)라고 하며, 오스테나이트 조직이 발생하는 온도를 As, 종료되는 온도를 Af라고 한다. 강철의 마텐자이트 조직은 치밀하고 단단한데 이것은 탄소 함유에 의해 경화된 것이며, 비강(非鋼)금속의 경우 마텐자이트 조직이 무르므로 형상기억합금도 역시 무르다.이 무른 마텐자이트상은 쌍정(雙晶)을 함유한 마텐자이트가 되고 쌍정계면은 미끄러지기 쉽기 때문에, 만일 잡아당겼을 경우 45°방향으로 미끄러짐이 발생하므로 하중을 없앤 뒤에도 큰 변형이 영구적으로 남게 된다. 즉, 마텐자이트 형태까지 냉각시킨 형상기억합금을 변형시키면 변형이 남게 되는 것이다. 쌍정계면에서 변형은 원래의 원자 간 결합을 유지한 모습 그대로 크게 변형될 수 있다는 특징이 있다. 따라서 이런 상태의 합금을 As점 이상의 온도로 가열하여 역변태시키면, 조직이 오스테나이트로 변형되기 때문에 오스테나이트에서 형상(원래의 형상)으로 복귀된다. 형상기억합금을 사용하려면 고온에서 형상을 이루고(오스테나이트 조직) Ms점 이하의 온도에서 사용하여 변형시키며, 원래 형상으로 되돌리고 싶을 때는 A점 이상의 온도로 가열하면 된다.개발 중인 주(主)합금의 종류 및 특성형상기억의 성질을 가진 합금으로는 금 - 카드뮴 합금, 은 - 카드뮴 합금, 동 - 아연계 합금, 동 - 알루미늄 합금, 티탄 - 니켈 합금 등이 있다. 이들은 각각 변태 온도가 다르기 때문에 변태 온도에 따라 구분해서 사용할 수는 있지만, 실용적 관점에서 볼 때 가장 주목받는 것은 티탄 50, 니켈 50의 니티놀(Nitinol)이라고 불리는 합금이다. 이 합금은 티탄 원자 50개와 니켈 원자 50개의 비율로 혼합한 합금이며 여러 가지 특징을 가진다.

[그림 1] 형상기억합금의 응력과 변형 관계먼저 변태점은 40℃ 전후이기 때문에 실온에서는 마텐자이트 형태로, 손으로 구부릴 수 있을 만큼 무르다. 강도는 60~75㎏f/㎟로 상당히 크고 밀도도 강철보다 훨씬 작기 때문에, 강철에 비해 강하고 무르다는 특징이 있다. 형상기억합금에서 가장 중요한 점은 형상회복력이다. 니티놀은 <그림 1>과 같이 실온에서 잡아당기면 쌍정 마텐자이트상이 늘어나게 되고 또 다른 마텐자이트 상으로 재배열된다. 이 때 0-a-b-c와 같은 경로를 따라 c로 떨어지면 0c에서의 변형이 영구적으로 남는다. 이런 변형은 단순히 잡아당길 때만 일어나는 것이 아니다. 구부리면 굽은 상태가 된다. 이런 상태에서 역변태 온도까지 가열하면 마텐자이트 조직이 적어져 오스테나이트 조직으로 변하게 된다. Af점 온도에서 마텐자이트는 완전히 소실되어 오스테나이트가 된다. 이 때 오스테나이트로 복귀할 때의 응력과 변형의 관계는 <그림 1> (c-1-2-0)가 되어, 형상을 회복할 때의 힘은 마텐자이트로 변형하는 힘(0-a-b-c)보다 더 커진다는 것이 특징이다.회복력은 일정하지는 않고 변형과 가열 프로세스에 의존하여, 초기 변형이 클수록 회복력도 커지고 가열 속도가 커질수록 회복력이 크다는 특징이 있다. 그러나 변형량을 크게 하면 회복량이 완전해지지 않을 뿐만 아니라 반복에 의한 내구성도 나빠지기 때문에 타당 변형량으로 억제해 둘 필요가 있다.

[그림 2] 니티놀 저항변화형상기억합금은 상변태에 의해 전기적 및 자기적 성질도 바뀌게 된다. <그림 2>는 니티놀 전기저항 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 전기저항은 오스테나이트 조직에서는 온도와 함께 증가한다. 그러나 냉각 시에는 Ms점부터 저항이 급격하게 커지게 되어 정점에 이른 후 감소한다. 이 성질을 이용하여 합금의 변태점을 계측할 수 있지만, 형상기억합금을 액추에이터(Actuator)로 사용하는 경우에는 액추에이터를 센서로도 할 수 있기 때문에 센서레스(Sensor-Less) 제어가 가능해진다.

[그림 3] 니티놀 자화변화한편 자기특성에 대해서는 <그림 3>과 같은 성질 때문에 가열 시(오스테나이트)와 냉각 시(마텐자이트)로 이력 성질이 존재한다.응용상 문제점과 응용 분야지금까지 설명했듯이 형상기억합금은 열에 의해 변형되기 때문에, 자동적으로 온도를 검지하여 변형시키는 센서와 액추에이터의 두 가지 기능이 있다. 그러나 변태 시작에서부터 종료까지의 온도를 연속적으로 정확하게 제어하는 것은 어렵기 때문에 온오프(On-Off) 제어로 이용된다. 또한 가열 시에는 비교적 빠르게 응답하지만 냉각은 특별한 냉각을 행하지 않는 한 느리기 때문에 응답성은 전자제어 등과 비교하면 상당히 느리다는 결점이 있다. 하지만 액추에이터는 콤팩트·저렴한 가격·강력·간단 제어(무제어에서도 작동) 등과 같은 이점이 있기 때문에 특성을 살린 응용이 기대된다. 또한 온도를 높였을 때 변형되고 내린 경우에는 반대쪽으로 변형되는 전방위 형상기억합금도 개발 중인데, 보통 형상기억합금에서는 형상 회복이 한 방향(역변태시만)이기 때문에 저온 시에는 외력을 주지 않으면 변형하지 않는다. 만약 저온 시에 변형이 필요한 경우에는 평범한 스프링 등(용수철)과 조합하여 스프링의 회복력으로 필요한 변형을 줄 필요가 있다.히트 엔진을 비롯한 많은 기기로 형상기억합금을 응용하기 위한 노력이 계속되어 왔지만, 효율 등의 면으로 볼 때 지금 당장 실용화하는 것은 어렵다. 다음에 실용적인 관점에서 형상기억합금을 응용한 몇 가지 예를 소개한다.1. 열감지판 응용

[그림 4] 열감지판에의 응용형상기억합금선을 코일 형태로 감은 스프링을 만들어 판을 붙이고 거기에 용수철을 붙여 가열 시(역변태 시)에 판이 열리게 해 두면, 증기가 발생하는 온도 이상이 될 때 증기를 밖으로 내보낼 수 있게 된다.(<그림 4> (a) 참조) 이것은 밥솥에서 여분의 증기를 낼 때나 안전판으로도 사용된다. 또 수전 금구(水栓 金具)에서 형상기억 스프링이 수증기와 물의 혼합비를 조절하여 출탕(出湯) 초기 온도 변화를 억제하거나 하는 데 이용된다.(<그림 4> (b) 참조) 2. 에어컨 풍향 변환

[그림 5] 에어컨 풍향 변환<그림 5>는 에어컨의 풍향 변환에 형상기억합금을 이용한 예를 나타낸 것이다. 냉방 시에는 위에서, 온방 시에는 아래에서 형상기억 스프링이 풍향을 바꿔 나오게 한다.3. 자동 온도 조절장치 응용

[그림 6] 자동 온도 조절장치열을 감지하여 전원을 온오프(On-Off)하는 스위치로는 일반적으로 <그림 6> (a)의 바이메탈(Bimetal)이 사용된다. 바이메탈은 팽창률이 다른 두 개의 금속을 서로 붙여 바늘을 만들고 외측과 내측 팽창률의 차이로 바늘을 변형시켜 접점을 개폐하는 것으로, 바늘의 변형은 온도에 관해 연속적이다. 따라서 온도에 의해서 접점간 거리가 좁혀져 방전을 행하거나 진동에 의해 접점개폐가 이루어질 우려가 있었다. 그러나 <그림 6> (b)의 형상기억 스위치에서는 변태점을 경계로 불연속적으로 접점개폐를 행하기 때문에, 접점 개도(開度)가 항상 크고 또 접점을 닫을 때 완전히 접점이 접촉하기 때문에 이런 문제점이 없다.4. 형상제어

[그림 7] 표면에 형상기억선을 붙인 유연한 바늘우주공간에서 이용되는 구조물은 그 현상을 제어할 필요가 있는 경우도 있다. <그림 7>은 형상기억합금선을 유연한 바늘 표면에 다수 붙여놓고 바늘의 변형 형상에 따라 선을 선택하여 전류를 인가시키는 것으로, 특수한 형상으로 바늘을 변형시키는 방법을 나타낸 것이다.5. 부품결합 응용

[그림 8] 형상기억합금 조인트에 의한 파이프 접속원자력 플랜트나 우주공간에서는 배관이 많이 이용되는데 결합을 위험한 장소에서 할 경우에는 그 결합 과정이 간단해야 한다. 이 경우 사용 시 온도가 오스테나이트 변태 이상이 되도록 한 간단한 형상기억합금 조인트로 파이프를 결합할 수 있다. (<그림 8> 참조)또한 스프링와셔(Spring Lock Washer)를 형상기억합금으로 만들어, 가열 시에 팽창시켜 볼트에서 떼어낼 수 있는 역해체(易解體) 나사도 개발 중이다.6. 형상기억 스프링 지지에 의한 축 공진 추월축을 고속 회전시킬 때에는 축이 가진 몇 개의 고유 진동수를 넘겨야 할 필요가 있다. 공진 진동수는 진폭이 크기 때문에 공진을 넘길 때에는 가속을 크게 하기 위한 강력한 모터가 필요하다. 이에 대해 축수를 형상기억합금으로 지지하여 축수 지지력의 온오프 제어로 공진 진동수를 변화시켜 공진을 추월하는 방법도 연구 중이다.마무리형상기억합금은 여러 가지 장점이 있지만 문제점은 응답성에 있다. 연구를 통해 펠티에 소자(Peltier Device)와의 조합 등으로 냉각 시에 대한 응답성 개선도 시도되고 있어 더욱 발전이 기대된다.

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