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.

<Energy News>