형상 기억 합금이란?
일반적으로 금속은 탄성한계가 있어 한계치 이상의 힘을 가해 변형시키면 원래 형태로 돌아가지 않습니다. 그런데 이렇지 않은 금속이 존재하는데요. 일정한 온도에서 형상을 기억시키면 다른 온도에서 아무리 변형을 시켜도 기억시킨 온도가 되면 기억시킨 형상으로 돌아가는 특성을 지닌 금속이 있습니다. 이것을 형상 기억 합금이라고 합니다. 이러한 특성을 지니고 있기에 현재 이는 많은 전문분야에서 실생활까지 여러 분야에서 폭넓게 이용하고 있습니다.
우연이 빚어낸 형상 기억 합금
금속에 형상기억효과가 있다는 것은 1938년 미국 하버드대학교와 메사추세츠 공과대학교(이하 MIT) 교수들에 의해 처음 규명되었습니다. 하지만 안타깝게도 실용적으로 이용할 만한 합금을 발견한 것은 1964년 미국 해군무기연구소였습니다. 연구원들은 미국 해군 잠수함이 어뢰 등으로 인하여 불의의 사고를 당했을 때 즉각 보수할 수 있는 방안을 찾기 위해 많은 연구가 진행되었는데요. 이 때, 새로운 잠수함 소재를 개발하던 중 니켈(Ni)과 티타늄(Ti)으로 이루어진 합금에서 우연히 형상기억 효과를 가진다는 것을 알게 되었습니다. 이렇게 최초로 발견된 합금을 니티놀(NITINOL)이라고 부르는데요. 니티놀은 가장 강력한 형상 기억 효과를 보유하고 있습니다. 하지만 니켈과 티타늄의 값이 워낙 비싸기 때문에 실생활 등 다양한 분야에 적용 및 상용화가 힘들어서 학자들은 니티놀의 대체재에 대하여 많은 연구를 진행하고 있는 중입니다.
이후 많은 연구를 통하여 형상기억효과를 나타내는 합금은 10종 이상 발견되었습니다만 실용화된 것은 Ni-Ti계 와 Cu-Zn-Al계의 두 종류입니다. 이 중에서 Ni-Ti계가 가공성이 뛰어나고 형상복원능력 또한 뛰어나 현재 가장 많이 이용되고 있습니다. 현재에도 연구가 지속적으로 진행되고 있어 더 뛰어난 형상복원능력을 지닌 합금이 개발될 수 있기를 바랍니다.
형상기억합금의 원리
일반적인 금속은 형태가 변형될 때 원래 있던 금속간 결합이 풀린 후 내부의 원자가 이동하면서 다른 금속원자와 새로운 결합이 생성되어 그 변형된 형태가 고정됩니다. 하지만 형상기억합금의 경우 이와 다르게 금속내 결정 격자의 형태가 변하면서 원자간 결합은 그대로 보존되고, 적절한 조건에서 다시 원래 형태의 격자로 돌아가면서 변형이 풀리게 되는데요. 이러한 원리를 통하여 형상기억효과가 발생하게 됩니다.
현재, 크게 두 가지의 형상기억 특징이 주로 쓰이는데, 첫 번째는 온도가 낮을 때 변형시킨 후 다시 온도를 올리면 원래의 형태로 돌아오는 타입으로 이것이 우리가 익히 알고있는 형상기억 특성이라고 할 수 있습니다. 위 상변화 그림에서 쭉 펴진 Martensite 로 구조가 변화되었다가 온도가 올라가면서 Austenite 로 돌아오는 형태로 이루어집니다.
두 번째 타입은 특정 온도 구간에서 하중을 주면 쭉 늘어나며 Martensite 가 되었다가 다시 하중을 제거하면 원래의 형태로 고무줄처럼 돌아오는, 의사탄성 (pseudoelasticity) 혹은 초탄성 (superelasticity) 라고 부르는 현상입니다. 하중이 가해졌을 때 Martensite 가 안정상으로 되었다가 하중이 다시 낮아지면 Austenite 로 돌아오기 때문에 나타나는 현상입니다. 보통의 금속재료는 가열하여 급랭하면 단단한 '마르텐사이트'라는 조직이 됩니다. 그러나 형상기억합금의 경우 그렇지 않은데요. 형상기억합금의 경우 마르텐사이트 조직이 원래의 형상보다 훨씬 무르게 형상되어 이는 외부의 힘에 쉽게 변형되지만 온도를 올리면 원래의 조직으로 돌아가는데요. 이로 인하여 변형된 것이 모두 소실되어 다시 원래의 형태로 돌아옵니다.
실생활에 적용되는 형상기억합금
위에서와 같이 형상기억합금은 군사용으로 개발되었으나 현재 군사용보다는 다른 분야에서 더욱 활발하게 이뤄지고 있는데요. 대표적으로 안경테가 있는데요. 안경과 같은 경우 약간의 충격에도 부러지는 경우가 많아서 형상기억합금을 소재로 한 안경테가 나오자 큰 관심을 받았는데요. 아래와 같이 형상을 기억하여 모양이 돌아오는 안경테는 형상기억합금의 가장 대표적이자 유명한 적용사례라고 할 수 있겠습니다.
형상기억합금은 위와 말씀드린 것과 같이 군사용으로 개발되었습니다. 하지만 현재는 매우 다양한 용도로 사용되고 있습니다. 전문분야에서만 이용되는 것이 아니라 실생활에서도 쉽게 찾아볼 수 있는데요. 대표적으로 형상기억합금 메모리 와이어를 사용하여 제작한 여성용 브래지어가 대표적인데요. 이는 1986년 W사에 의해 상품화되어 보편화되었습니다. 이 브래지어에 사용되는 메모리 와이어는 피부에 닿으면 처음 모양으로 돌아오는 기능이 있으며 세탁 때마다 휘고 구부러져 망가지던 기존 합금 소재의 단점을 보완하였습니다. 보통 합금보다 10배 이상 큰 신축성을 갖고 있기 때문에 오래 착용하거나 세탁 시에 와이어가 늘어나더라도 다시 36.5도의 피부표면과 접촉하면 원래 상태로 돌아오게 됩니다.
최근에는 이 뿐만이 아니라 안경테, 치아 교정용 와이어로도 형상기억합금이 사용되고 있습니다. 일정한 온도를 기억시켜 그 온도에 원형으로 돌아오는 성질을 주어 자동차 외판재에 사용되기도 합니다. 이러한 형상기억합금이 많은 분야에서 더욱 상용화되어 더욱 윤택하고 편리한 삶을 살 수 있기를 바라겠습니다!
필요한 피직스 2019 봄호
작성자: 19-016 김민준
분야: 고체물리
참고문헌:
[1] https://www.posri.re.kr/ko/board/content/12260
이미지:
[1] https://www.posri.re.kr/ko/board/content/12260
[2]http://www.amenews.kr/m/view.php?idx=25492
※ 기사를 작성하는데 큰 도움을 준 크사피엔스 <물지마!> 19학번 홍원기 기자에게 감사인사를 전합니다.
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