형상기억합금
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1. 개요
형상기억합금은 특정 온도에서 원래 형태로 되돌아가는 성질을 가진 금속 합금으로, 1930년대에 처음 발견되었다. 니켈-티타늄(Ni-Ti) 합금이 대표적이며, 구리, 철 계열 합금도 연구되고 있다. 형상기억합금은 의료, 항공우주, 로봇, 자동차, 건축 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 스텐트, 안경테, 액추에이터 등에 사용된다. 하지만 낮은 에너지 효율, 응답 속도, 기능적 피로 등의 한계가 있으며, 이를 극복하기 위한 연구가 진행 중이다. 한국에서는 1970년대부터 형상기억합금 연구가 시작되어 다양한 합금 개발 및 응용 연구가 이루어지고 있다.
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| 형상기억합금 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 금속 합금 |
| 특징 | 온도가 변하면 미리 정해진 형태로 되돌아가는 특성 |
| 형태 기억 메커니즘 | 결정 구조 변화를 통해 기억된 형태를 복원 |
| 작동 원리 | |
| 변태 온도 | 특정 온도 범위에서 결정 구조가 변함 |
| 마르텐사이트 변태 | 저온에서 변형된 구조 |
| 오스테나이트 변태 | 고온에서 원형 복원되는 구조 |
| 주요 합금 종류 | |
| 니티놀 | 니켈과 티타늄 합금 |
| 구리 기반 합금 | 구리와 알루미늄, 아연, 주석, 망간 등 |
| 응용 분야 | |
| 의료 분야 | 치아 교정용 와이어 스텐트 수술 도구 |
| 산업 분야 | 열 감지 장치 액추에이터 커넥터 항공 우주 부품 |
| 생활용품 | 안경테 속옷 프레임 |
| 기타 정보 | |
| 기억 원리 | 금속의 결정 구조가 원형을 기억 |
| 제조 방법 | 특수한 열처리 과정을 통해 형상 기억 특성 부여 |
2. 역사
형상기억효과의 발견은 1930년대에 처음 보고되었다. 1932년 아르네 엘란데르는 Au-Cd 합금에서 준탄성 거동을 발견했다. 1938년 그레닌저와 무라디안은 Cu-Zn 합금의 온도를 조절하여 마텐자이트 상의 생성과 소멸을 관찰했다. 마텐자이트 상의 열탄성 거동에 의한 기억 효과는 10년 후인 1949년 쿠르듀모프와 칸드로스, 1951년 창과 리드에 의해 광범위하게 보고되었다.[13]
니켈-티타늄 합금은 1962년부터 1963년까지 미국 해군무기연구소에서 처음 개발되었으며, 니티놀(니켈 티타늄 해군무기연구소의 약자)이라는 상품명으로 판매되었다. 이 합금의 놀라운 특성은 우연히 발견되었다. 연구소 관리 회의에서 여러 번 구부러진 시료가 발표되었는데, 부소장 데이비드 S. 머지 박사가 파이프 라이터로 시료에 열을 가하자 시료가 원래 모양으로 돌아왔다.[25][26]
강자성 형상기억합금(FSMA)은 자기장 아래에서 모양이 변하는 또 다른 유형의 SMA이다. 자기 반응은 온도 유도 반응보다 빠르고 효율적이어서 주목받고 있다.
금속 합금 외에도 형상기억폴리머가 개발되어 1990년대 후반에 상업적으로 이용되었다. 2000년대 이후 형상기억합금은 공학 및 야금학 분야에서 유망한 소재로 연구 개발이 진행되고 있다.
- 2003년 교토대학의 미우라 세이(三浦精)는 초소성 단조가 가능한 주석(Sn) 첨가 황동 합금에 형상기억 기능을 추가하는 데 성공했다.
- 일반적인 형상기억합금은 온도 변화를 이용하는 액추에이터 등에 사용되는데, 열전도율이 구동 응답성을 결정하여 민첩한 구동에 한계가 있다. 이에 외부 자기장으로 제어 가능한 강자성 형상기억합금이 주목받고 있으며, 1996년 MIT 그룹이 Ni₂MnGa 합금에서 자기장 유기 왜곡을 보고한 후 연구가 활발해졌다.
한국에서는 1974년부터 형상기억합금 연구가 시작되어, 여러 연구소와 대학에서 합금 제조, 특성, 활용 방법을 연구하고 있다.
2. 1. 니티놀 (Ni-Ti) 합금 개발
1969년 아폴로 11호의 안테나를 니켈과 티타늄의 합금으로 만들면서 형상 기억 합금이 처음으로 실용화되었다.[56] 니티놀(Ni-Ti)은 뛰어난 형상기억 특성을 지니고 있지만, 가공성, 성형성, 용접성 등의 면에서 문제를 가지고 있으며, 가격이 비싸다는 단점이 있다.[56]2011년 6월 30일 도호쿠대학 대학원의 오오모리 토시히로(大森俊洋) 조교수 연구팀은 기존의 니티놀(Ni-Ti)보다 온도 변화에 덜 민감하고 저렴한 형상기억합금을 개발했다고 발표하였다. 이 신합금은 철(Fe), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 등 저렴한 소재를 사용하기 때문에 제조비용을 니티놀의 약 10%로 줄일 수 있다고 한다. 또한, 열간가공 및 냉간가공 성능이 우수하며, 특히 냉간가공성이 낮다는 단점을 가진 니티놀보다 가공비용이 적게 드는 장점이 있다. 이 신합금의 초탄성 효과를 발휘하는 온도 범위는 섭씨 150도에서 -200도로, 니티놀(섭씨 80도에서 -20도)보다 온도 변화에 대한 내성이 우수하다. 초탄성 변형 자체도 니티놀의 약 2배에 해당하는 최대 13%에 달한다고 한다.[54][55]
3. 종류 및 특성
형상기억합금은 크게 니켈-티타늄(Ni-Ti) 계열, 구리(Cu) 계열, 철(Fe) 계열로 나눌 수 있다.
- '''Ni-Ti 합금'''은 우수한 형상기억 특성, 생체 적합성, 내식성을 가지지만, 가공성이 낮고 가격이 비싸다.
- '''Cu 계열 합금'''은 Ni-Ti 합금보다 저렴하고 가공성이 우수하지만, 형상기억 특성이 다소 떨어진다.
- '''Fe 계열 합금'''은 저렴하고 가공성이 우수하며, 온도 변화에 덜 민감한 특성을 가진다.[54][55]
티타늄·니켈 합금은 뛰어난 특성을 지니고 있지만 가공성, 성형성, 용접성 등의 면에서 문제를 가지고 있으며, 가격이 매우 비싸다. 그래서 비교적 값싼 동계합금(銅系合金)을 실용화하는 연구가 진행되고 있다.[56]
가장 흔한 형상기억합금은 구리-알루미늄-니켈과 니켈-티타늄(NiTi)이지만, 아연, 구리, 금 및 철을 합금하여 만들 수도 있다. Fe-Mn-Si, Cu-Zn-Al 및 Cu-Al-Ni와 같은 철 기반 및 구리 기반 형상기억합금은 NiTi보다 상업적으로 이용 가능하고 저렴하지만, NiTi 기반 형상기억합금은 안정성과 실용성[1][2][3]뿐만 아니라 우수한 열역학적 성능[4] 때문에 대부분의 응용 분야에서 선호된다.
구리 기반 및 니티놀(NiTi) 기반 형상기억합금은 공학적 재료로 간주된다. 이러한 합금은 거의 모든 형태와 크기로 제조될 수 있다. 형상기억합금의 항복강도는 기존 강철보다 낮지만, 일부 합금은 플라스틱이나 알루미늄보다 높은 항복강도를 갖는다. 니티놀(NiTi)의 항복응력은 에 이를 수 있다. 금속 자체의 높은 비용과 가공 요구 사항으로 인해 설계에 SMA를 적용하는 것이 어렵고 비용이 많이 든다.
다양한 합금이 형상기억효과를 나타낸다. 합금 구성 요소는 형상기억합금의 변태 온도를 제어하기 위해 조정될 수 있다. 몇 가지 일반적인 시스템은 다음과 같다.
2000년대에 들어서도 다양한 분야에서의 응용이 기대되는 형상기억합금은 공학 분야에서 미래가 밝은 유망한 소재로 주목받고 있으며, 야금학 분야에서 연구 개발이 진행되고 있다.
- 2003년 교토대학의 미우라 세이(三浦精)는 초소성 단조가 가능한 주석(Sn)을 첨가한 황동 합금을 개발하여 여기에 형상기억 기능을 추가하는 데 성공하였다.
- 일반적인 형상기억합금은 액추에이터 등에 이용하는 경우 온도 변화를 이용하지만, 이 경우 열전도율이 구동 응답성을 결정하기 때문에 민첩한 구동에 한계가 있다. 따라서 외부 자기장으로 제어 가능한 강자성을 가진 형상기억합금이 주목받고 있다(강자성 형상기억합금). 1996년 MIT 그룹이 Ni₂MnGa 합금에서 자기장 유기 왜곡을 보고한 이후 연구 붐이 시작되어 세계적으로 확산되고 있다.
- 2011년 6월 30일, 도호쿠대학 대학원의 오오모리 토시히로(大森俊洋) 조교수 연구팀은 니티놀(Ni-Ti)에 비해 온도 변화에 덜 민감하고 저렴한 형상기억합금을 개발했다고 발표하였다. 이 신합금은 철(Fe)·망간(Mn)·알루미늄(Al) 등 저렴한 소재를 사용하기 때문에 고가의 니켈(Ni)·티타늄(Ti)을 주성분으로 하는 "니티놀" 제조비용의 약 10%로 할 수 있다고 한다. 또한 우수한 열간가공·냉간가공 성능을 가지고 있으며, 냉간가공성이 낮다는 단점을 가진 "니티놀"보다 가공비용이 적게 드는 장점도 있다. 이 신합금의 초탄성 효과를 발휘하는 온도 범위는 "니티놀"의 경우 섭씨 80도에서 -20도인 데 비해, 신합금은 섭씨 150도에서 -200도로 온도 변화에 대한 내성 측면에서 우수하다. 초탄성 변형 자체도 "니티놀"의 약 2배에 해당하는 최대 13%에 달한다고 하며, 이러한 특성으로 이 신합금은 기존 제품보다 응용 분야가 더욱 확대될 것으로 기대된다.[54][55]
3. 1. 결정 구조
형상기억합금은 오스테나이트(Austenite)와 마텐자이트(Martensite)라는 두 가지 상으로 존재할 수 있으며, 세 가지 다른 결정 구조(쌍정 마텐자이트, 탈쌍정 마텐자이트, 오스테나이트)와 여섯 가지 가능한 변태를 가진다.[5][6] 형상기억합금의 열역학적 거동은 오스테나이트와 마텐자이트 사이의 상 변태에 의해 지배된다.NiTi 합금은 냉각 시 오스테나이트에서 마텐자이트로 변한다. ''Ms''는 냉각 시 마텐자이트로 변태가 시작되는 온도이며, ''Mf''는 변태가 완료되는 온도이다. 가열 시에는 ''As''와 ''Af''는 마텐자이트에서 오스테나이트로 변태가 시작되고 끝나는 온도이다.
마텐자이트에 기계적 하중을 가하면 결정이 재배향(탈쌍정)되어, 하중 제거 후 회복되지 않는 변형이 발생한다. 탈쌍정은 특정 응력 ''σs''에서 시작하여 ''σf''에서 끝난다. 탈쌍정으로 인한 변형은 오스테나이트로 가열하면 회복된다. 오스테나이트에서 마텐자이트로의 상 변태는 일정 온도에서 특정 수준 이상의 기계적 하중을 가함으로써 발생할 수도 있으며, 하중을 제거하면 변태가 역전된다.
마텐자이트 상에서 오스테나이트 상으로의 전이는 확산이 포함되지 않아 온도와 응력에만 의존하며 시간에 의존하지 않는다. 두 상 사이의 가역적 무확산 전이가 특수한 성질을 유발한다.
가열 전이와 냉각 전이의 차이는 히스테리시스를 야기하며, 이 과정에서 일부 기계적 에너지가 손실된다. 곡선 모양은 합금 조성[7] 및 가공 경화[8]와 같은 재료 특성에 따라 달라진다.
대부분의 금속은 같은 조성에서 여러 결정 구조를 가지지만, 형상 기억 효과를 나타내지 않는다. 형상기억합금이 가열 후 원래 형태로 되돌아가는 것은 결정 변태가 완전히 가역적이기 때문이다. 대부분의 결정 변태에서 원자들은 확산에 의해 금속을 통과하며 조성을 국부적으로 변화시킨다. 그러나 가역적인 변태는 원자 확산을 포함하지 않고, 모든 원자가 동시에 이동하여 새로운 구조를 형성한다. 서로 다른 온도에서 서로 다른 구조가 선호되며, 구조가 전이 온도를 통해 냉각될 때 마텐자이트 구조가 오스테나이트 상으로부터 형성된다.
3. 2. 형상기억효과 (Shape Memory Effect, SME)
형상기억효과(Shape Memory Effect, SME)는 온도가 변함에 따라 원래 형태로 되돌아가는 현상이다.[9] 이 효과는 온도에 따라 발생하는 상변태 때문에 나타난다.
일반적으로 마르텐사이트 상은 낮은 온도에서 안정하며, 오스테나이트 상은 높은 온도에서 안정하다. 마르텐사이트는 보통 단사정계나 사방정계(B19')의 결정 구조를 가지는데, 이러한 구조는 변형이 쉽게 일어난다.[10] 반면 오스테나이트는 B2 입방 구조를 가진다.
오스테나이트를 마르텐사이트로 냉각시키면, 격자 크기와 대칭의 차이로 인해 마르텐사이트 상에 내부 변형 에너지가 발생한다. 이 에너지를 줄이기 위해 마르텐사이트 상은 많은 쌍정을 형성하는데, 이를 "자기 적응 쌍정"이라고 한다.[11]
마르텐사이트에 힘을 가하면, 이러한 쌍정들이 풀리면서 변형이 일어난다. 하지만 원자들의 상대적인 위치는 변하지 않기 때문에, 온도를 높여 오스테나이트가 안정해지면 모든 원자가 B2 구조로 재배열되어 원래의 형태로 되돌아간다.[12] 이 과정은 매우 빠르게 일어나며, 형상기억합금에 독특한 "딸깍"하는 느낌을 준다.
형상기억효과를 반복하면 변태 온도가 변할 수 있는데, 이를 기능적 피로라고 한다.[13] 형상기억합금이 더 이상 응력에 의해 변형되지 않는 최대 온도를 ''Md''라고 하며, 이 온도 이상에서는 영구 변형이 일어난다.[14]
형상기억합금은 일방향 및 양방향 형상기억효과를 나타낼 수 있다.
3. 2. 1. 일방향 형상기억효과 (One-way SME)
형상기억합금이 저온 상태 (''Mf'' 미만)일 때, 금속을 구부리거나 늘일 수 있으며, 전이 온도 이상으로 가열할 때까지 그 형태를 유지한다. 가열하면 원래 형태로 변한다. 금속이 다시 식으면 변형될 때까지 그 형태를 유지한다.[12]
일방향 효과에서는 고온에서 냉각해도 거시적 형태 변화가 발생하지 않는다. 저온 형태를 만들려면 변형이 필요하다. 가열하면 변태가 ''As''에서 시작하여 ''Af''에서 완료된다 (합금 또는 하중 조건에 따라 일반적으로 2°C~20°C 또는 그 이상).[12] ''As''는 합금의 종류와 조성에 따라 결정되며 -150°C에서 200°C 사이에서 다를 수 있다.
3. 2. 2. 양방향 형상기억효과 (Two-way SME)
양방향 형상기억효과는 재료가 두 가지 다른 형상을 기억하는 효과를 말한다. 하나는 저온에서, 다른 하나는 고온에서 나타나는 형상이다. 가열 및 냉각 모두에서 형상기억효과를 보이는 재료는 양방향 형상기억 특성을 갖는다고 한다.[15]
이러한 특성은 외부 힘을 가하지 않고도 얻을 수 있는데, 이를 고유 양방향 효과라고 한다. 재료가 이러한 상황에서 서로 다르게 거동하는 이유는 훈련(training)이라고 불리는 열처리에 있다. 열처리는 형상기억합금이 특정 방식으로 거동하도록 "학습"할 수 있음을 의미한다.[16]
일반적인 상황에서 형상기억합금은 저온 형상을 "기억"하지만, 고온 형상으로 회복하기 위해 가열하면 저온 형상을 즉시 "잊어버린다". 그러나 SMA를 훈련하여 고온 상에서 변형된 저온 상태의 일부 흔적을 "기억"하도록 할 수 있다. SMA를 훈련하는 한 가지 방법은 일정한 응력장 하에서 순환 열 부하를 가하는 것이다. 이 과정에서 마르텐사이트 결정의 방향을 용이하게 하는 내부 영구 응력을 생성하는 내부 결함이 미세 구조에 도입된다.[15] 따라서 오스테나이트 상에서 훈련된 SMA를 응력을 가하지 않고 냉각하는 동안 내부 응력으로 인해 마르텐사이트가 쌍정이 풀린 상태로 형성되어 재료의 형상이 변화한다. 그리고 SMA를 오스테나이트로 다시 가열하면 초기 형상으로 회복된다.
특정 지점 이상으로 가열된 성형된 훈련된 물체는 양방향 기억 효과를 잃게 된다.[16]
3. 3. 의사탄성 (Pseudoelasticity)
형상기억합금(SMA)은 초탄성이라고 불리기도 하지만, 더 정확하게는 의사탄성(pseudoelasticity)으로 설명된다. 초탄성은 원자 간 결합이 소성 변형 없이 극단적으로 늘어난다는 것을 의미하지만, 의사탄성은 영구 변형이 거의 없이 크고 회복 가능한 변형을 달성하지만, 더 복잡한 메커니즘에 의존한다.
형상기억합금은 최소 3가지 종류의 의사탄성을 나타내는데, 덜 연구된 두 가지는 의사 쌍정 형성과 단거리 질서로 인한 고무와 같은 거동이다.[17]
주요 의사탄성 효과는 응력 유도 상 변태에서 비롯된다. 오른쪽 그림은 이 과정이 어떻게 발생하는지 보여준다.
하중은 오스테나이트 완료 온도(Af) 이상, 마르텐사이트 변형 온도(Md) 미만인 형상기억합금에 등온적으로 가해진다. 재료는 প্রথমে 금속의 전형적인 탄성-소성 거동을 보인다. 그러나 재료가 마르텐사이트 응력에 도달하면 오스테나이트는 마르텐사이트로 변환되어 쌍정이 풀린다. 이 쌍정 풀림은 마르텐사이트에서 오스테나이트로 변환될 때 가역적이다. 큰 응력이 가해지면 마르텐사이트의 쌍정 풀림 및 활주와 같은 소성 거동이 시작된다.[19][20] 소성 변형이 발생하기 전에 재료의 하중이 제거되면, 오스테나이트에 대한 임계 응력(σas)에 도달하면 오스테나이트로 되돌아간다. 재료는 구조적 변화로 인해 유도된 거의 모든 변형을 회복하며, 일부 형상기억합금의 경우 이는 10% 이상의 변형일 수 있다.[21][22]
변형 대 온도 그래프에서 오스테나이트와 마르텐사이트의 시작 및 완료 선은 평행하게 실행된다. 왼쪽에 표시된 것처럼 형상기억효과(SME)와 의사탄성은 동일한 현상의 다른 부분이다.
큰 변형의 핵심은 두 상 사이의 결정 구조 차이이다. 오스테나이트는 일반적으로 입방 구조를 가지는 반면, 마르텐사이트는 모노클리닉 또는 다른 구조일 수 있으며, 대칭성이 낮다. 니티놀과 같은 모노클리닉 마르텐사이트 재료의 경우, 모노클리닉 상은 대칭성이 낮아 특정 결정 방향이 적용된 응력 하에서 더 높은 변형을 수용한다. 따라서 재료는 적용된 응력이 증가하기 전에 전체 변형을 극대화하는 방향을 형성하는 경향이 있다.[23] 이 과정을 돕는 한 가지 메커니즘은 마르텐사이트 상의 쌍정이다.
σms는 온도와 상 핵생성을 위한 핵생성 자리 수와 같은 매개변수에 따라 달라진다. 계면과 개재물은 변태가 시작되는 일반적인 자리를 제공하며, 이것들이 많을수록 핵생성을 위한 구동력이 증가한다.[24] 온도가 증가하면 상 변태에 대한 구동력이 감소하므로 더 큰 σms가 필요하다. 형상기억합금(SMA)의 작동 온도를 높이면 σms가 항복 강도(σy)보다 커지고 초탄성이 더 이상 관찰되지 않는다.
4. 제조
형상기억합금은 일반적으로 진공 아크 용융 또는 유도 용융을 사용하는 주조 방식으로 제작된다. 이러한 방법들은 합금 내 불순물을 최소화하고 금속이 잘 혼합되도록 하는 전문적인 기술이다. 그런 다음 잉곳을 열간 압연하여 더 긴 단면으로 만든 후 가공하여 와이어로 만든다.
합금의 "훈련" 방법은 원하는 특성에 따라 달라진다. 이 "훈련"은 가열될 때 합금이 기억할 형태를 결정한다. 이 과정은 합금을 가열하여 전위가 안정적인 위치로 재배열되도록 하지만, 재료가 재결정될 정도로 뜨겁게 가열하지는 않는다. 합금은 400°C~500°C에서 30분 동안 가열하고, 고온 상태에서 성형한 다음 물에 담그거나 공기로 냉각하여 급냉각한다.
5. 응용 분야
형상기억합금은 1969년 아폴로 11호의 안테나를 니켈과 티타늄 합금으로 만들면서 처음 실용화되었다.[56] 이후 기계 부품, 의료기기, 측정기기, 옷 등 여러 분야에 이용하기 위한 연구가 계속되었다.
형상기억합금은 특정 온도에서 원래 형태로 돌아오는 성질을 이용해 다음과 같은 다양한 분야에 응용된다.
- 의료: 골절된 뼈를 접합하거나 인공 치근에 치아 부품을 부착할 때 사용되어 빠른 회복을 돕는다. 치열 교정 장치에도 사용되어 치아에 지속적인 힘을 가한다. 캡슐 내시경의 작동 장치로도 활용된다.
- 항공우주: 아폴로 11호 안테나에 처음 사용된 이후, 보잉(Boeing) 등에서 제트 엔진의 효율을 높이는 가변 형상 체크밸브 개발에 활용하고 있다. 발사체와 상업용 제트 엔진의 진동 감쇠기로도 연구 중이다.
- 로봇: 소형 로봇의 인공근육으로 활용되어 가벼운 로봇 제작을 가능하게 한다. 내시경과 같이 가늘고 정밀한 조작이 필요한 기기에도 사용된다.
- 자동차: 대한민국에서는 1974년부터 형상기억합금에 대한 연구가 시작되었으며,[56] 자동차 시트의 요추 지지대 조절 밸브, 쉐보레 콜벳의 트렁크 해치 통풍구 등에 사용된다.
- 건축: 교량과 건물 등 토목 구조물의 휨, 전단, 지진 보강에 사용되며, 지능형 철근 콘크리트는 균열을 감지하고 치유하는 기능을 한다. 주택이나 온실의 천창 개폐에도 활용된다.
- 기타: Flexon이라는 상표명으로 판매되는 안경테, 브래지어 컵 와이어, 수도꼭지, 스프링클러 헤드, 가전제품 재활용, 광학식 손떨림 보정(OIS) 모듈 등 다양한 분야에 사용된다.
특히 구리, 아연, 알루미늄으로 만든 형상기억합금은 값이 싸다는 장점이 있다. 대한민국에서는 1974년부터 형상기억합금에 관한 연구를 시작했으며,[56] 철이 들어 있는 새로운 형상기억합금의 제조, 특성, 활용 방법을 연구하고 있다. 가까운 장래에 가공성, 내구성, 가격 등의 문제가 해결되면, 이 합금의 가능성은 무한할 것으로 보인다.
5. 1. 의료
형상기억합금은 의료 분야에서 폭넓게 활용되고 있다. 예를 들어 골절술과 같은 정형외과 수술에서 뼈를 고정하는 장치나, 수술 도구의 작동 부품으로 사용된다. 또한, 최소 침습적 경피적 암 치료 (예: 생검, 근접 방사선 치료)에서 사용되는 수술용 바늘에도 활용되며,[42] 치열 교정 장치에서는 치아에 지속적인 힘을 가하여 치아를 이동시키는 데 사용된다. 캡슐 내시경에서는 생체 조직 검사를 위한 작동 장치로도 활용된다.1980년대 후반, 니티놀은 여러 최소 침습적 혈관 내 의료 분야에서 상용화되었다. 니티놀 합금은 스테인리스강보다 가격이 비싸지만, 체온에 반응하여 스스로 팽창하는 특성 덕분에 스텐트 그래프트와 같은 분야에서 풍선 확장 장치를 대체하는 매력적인 대안으로 자리 잡았다. 이러한 특성으로 인해 니티놀 합금은 체온에서 특정 혈관의 모양에 맞게 변형될 수 있다. 현재 전 세계 말초 혈관 스텐트의 약 50%가 니티놀로 만들어진다.
형상기억합금은 정형외과 수술, 특히 하지 수술에서 골절술 시 뼈를 고정하고 압박하는 장치로 사용된다. 일반적으로 큰 스테이플 형태의 이 장치는 냉장 보관되어 가공 가능한 상태로 유지되다가, 뼈에 미리 뚫어 놓은 구멍에 삽입된다. 이후 스테이플이 체온에 의해 따뜻해지면 원래의 단단한 형태로 돌아가면서 뼈 표면을 압박하여 뼈가 잘 붙도록 돕는다.[43]
형상기억합금(SMA)은 치과 분야에서도 활발하게 활용된다. 대표적인 예로, 치아에 지속적인 힘을 가해 치아를 이동시키는 교정용 브레이스를 들 수 있다. 1972년 교정의 조지 안드레아센(George Andreasen)은 니티놀 궁형 와이어를 개발하여 임상 교정학에 혁명을 일으켰다.[44] 안드레아센의 합금은 특정 온도 범위 내에서 팽창하고 수축하는 형상 기억 효과를 가지고 있다.
하밋 디. 월리아(Harmeet D. Walia)는 이 합금을 이용하여 근관 치료에 사용되는 근관 파일을 개발하기도 했다.
전통적인 진동 감소 기술은 전기, 유압, 공압 시스템을 사용하여 물체를 작동시켜 진동을 상쇄한다. 그러나 이러한 시스템은 큰 진폭의 동력을 생성하기 위해 대규모 인프라가 필요하다는 단점이 있다. 형상기억합금(SMA)은 휴대용 장치에서 효과적인 작동 방식임이 입증되어 새로운 종류의 능동적 진동 제거 장치를 가능하게 했다.[45] 최근 개발된 이러한 장치의 예로는 베릴리 라이프 사이언스(Verily Life Sciences)의 자회사인 리프 랩스(Lift Labs)에서 개발한 리프웨어(Liftware) 수저가 있다.
형상기억합금은 일정 온도에 도달하면 탄성에 의해 원래 형태로 돌아오는 성질을 이용하여 다음과 같은 분야에 응용된다.
예를 들어, 골절된 뼈를 접합하거나 인공 치근에 치아 부품을 부착할 때, 기존에는 금속 볼트를 조이거나 시멘트라는 접착제로 고정하는 방법을 사용했다. 하지만 이러한 방법은 볼트를 조이는 과정이 복잡하고, 시멘트가 굳을 때까지 고정해야 하는 등 치료와 사용에 오랜 시간이 걸렸다. 형상기억합금을 사용한 조임 장치는 체온에 반응하여 미리 설정된 형태로 변형되도록 설계되어, 체내에 삽입된 후 일정 시간이 지나면 체온에 의해 제대로 고정된다. 이를 통해 보다 빠른 회복을 기대할 수 있다.
5. 2. 항공우주
형상기억합금은 1969년 아폴로 11호의 안테나를 니켈과 티타늄 합금으로 만들면서 처음 실용화되었다.[56] 보잉(Boeing), 제너럴 일렉트릭 항공(General Electric Aircraft Engines), 굿리치(Goodrich Corporation), NASA, 텍사스 A&M 대학교(Texas A&M University), 전일본공수(All Nippon Airways)는 니켈-티타늄(NiTi) 형상기억합금(SMA)을 사용하여 가변 형상 체크밸브(Variable Geometry Chevron)를 개발했다. 이러한 가변 면적 팬 노즐(VAFN) 설계는 더 조용하고 효율적인 제트 엔진을 가능하게 할 것이다. 보잉은 2005년과 2006년에 이 기술에 대한 성공적인 비행 시험을 실시했다.[34]형상기억합금은 발사체와 상업용 제트 엔진의 진동 감쇠기로 연구되고 있다. 초탄성 효과 동안 관찰되는 히스테리시스는 형상기억합금이 에너지를 소산하고 진동을 감쇠할 수 있게 한다. 이러한 재료는 발사 중 탑재체의 높은 진동 하중과 상업용 제트 엔진 팬 블레이드의 진동을 줄여 더 가볍고 효율적인 설계를 가능하게 할 것으로 기대된다.[35] 형상기억합금은 볼 베어링 및 착륙 장치와 같은 고충격 응용 분야에도 잠재력을 보인다.[36]
상업용 제트 엔진의 다양한 액추에이터 응용 분야에 형상기억합금을 사용하는 것에 대한 관심이 높다. 이는 제트 엔진의 무게를 줄이고 효율성을 높일 것이다.[37] 다양한 날개 변형 기술도 연구되고 있다.[35]
5. 3. 로봇
형상기억합금은 로봇공학 분야에서 제한적으로 활용되어 왔지만, 가벼운 로봇 제작을 가능하게 하는 장점이 있다. 예를 들어, 취미용 로봇인 스티키토(Stiquito)와 "로보터프라우 라라"[38]는 형상기억합금을 이용하여 제작되었다. 최근에는 인간 손의 움직임을 거의 재현할 수 있는 의수도 개발되었다 [Loh2005]. 형상기억합금(SMA)을 기반으로 한 로봇 손 프로토타입 중에는 형상기억효과(SME)를 이용하여 손가락을 움직이는 것들이 있다.[40]이 합금은 일정 온도에 도달하면 탄성에 의해 원래 형태로 복원되는 성질을 이용하여, 내시경과 같이 가늘고 정밀한 조작이 필요한 기기에 활용된다. 내시경 끝 부분에 형상기억합금 와이어를 심고 전류를 흘려 줄열을 발생시키면, 와이어가 변형되어 내시경 케이블의 끝을 자유롭게 구부릴 수 있다.
이러한 액추에이터(구동용 기계요소)는 기존에 모터나 전자석을 사용하기 어려웠던 소형 기계에 운동 기능을 부여할 수 있다. 특히 소형 로봇의 근육(→인공근육)으로 활용될 가능성이 높다.
우주 공간에서 태양전지 패널이나 구조물을 태양광의 열을 이용하여 전개하는 연구도 진행되고 있다. 또한, 소성변형뿐만 아니라 왜곡을 축적하여 큰 힘을 발휘하는 분야(암석 파쇄 등)에도 응용된다.
하지만, 형상기억합금 기술은 에너지 효율이 낮고, 응답 속도가 느리며, 큰 히스테리시스를 나타낸다는 단점도 존재한다.
5. 4. 자동차
자동차 산업에서 형상기억합금(SMA)은 다양한 분야에 활용되고 있다. 특히, 대한민국에서는 1974년부터 형상기억합금에 대한 연구가 시작되었으며,[56] 자동차 분야에서도 활발하게 응용되고 있다.초기의 대량 생산 제품 중 하나는 자동차 시트의 요추 지지대나 볼스터 윤곽을 조정하는 저압 공압식 에어백을 제어하는 밸브였다.[39] 연간 500만 개 이상의 액추에이터가 생산되었으며, 기존의 솔레노이드 방식에 비해 소음이 적고, 전자파 적합성(EMC)이 우수하며, 무게와 폼 팩터, 전력 소비 면에서 유리하여 형상기억합금이 널리 사용되었다.
2014년형 쉐보레 콜벳은 트렁크에서 공기를 배출하는 해치 통풍구를 열고 닫는 데 더 무거운 모터식 액추에이터 대신 형상기억합금 액추에이터를 사용한 최초의 차량이다. 이를 통해 트렁크를 더 쉽게 닫을 수 있게 되었다.
이 외에도 배기열을 이용한 전력 생산 전기 발생기, 다양한 속도에서 공기 역학을 최적화하는 주문형 에어 댐 등 다양한 분야에서 형상기억합금 기술이 활용될 예정이다. 또한, 형상기억합금은 밸브 작동에도 사용되며, 특히 소형 설계에 유리하다.[39]
자동차 외판에 형상기억합금을 사용하여 찌그러져도 가열하면 원래대로 돌아오는 기술도 구상되고 있다.
5. 5. 건축
형상기억합금(SMA)은 교량과 건물 등 토목 구조물에 다양하게 적용된다.[41] 콘크리트 및 강철 구조물의 휨, 전단, 지진 보강에 철근이나 판 형태로 사용될 수 있다.[41] SMA 와이어를 콘크리트에 매립한 지능형 철근 콘크리트(IRC)는 균열을 감지하고 수축하여 미세 균열을 치유할 수 있다.[41] 또한 SMA 와이어나 섬유를 사용하여 구조물의 고유 진동수를 조정함으로써 진동을 감쇠시키는 것도 가능하다.[41]이 합금은 일정 온도에 도달하면 탄성에 의해 원래 형태로 복원되므로, 주택이나 온실에서 실내 온도가 일정 온도 이상으로 올라갈 때 환기를 위해 천창을 여는 데에도 활용된다.
5. 6. 기타
형상기억합금은 1969년 아폴로 11호의 안테나에 처음 사용된 이후 다양한 분야에서 활용되고 있다.[56] 초기에는 석유 파이프라인이나 수도관 등에 사용되는 형상기억합금 커플링 형태로 사용되었다.몇몇 스마트폰에는 케임브리지 메카트로닉스(Cambridge Mechatronics)에서 제조한 SMA 액추에이터를 사용한 광학식 손떨림 보정(OIS) 모듈이 탑재되어 있다.
Flexon과 TITANflex라는 상표명으로 판매되는 안경테는 티타늄을 함유한 형상기억합금(SMA)으로 만들어진다. 이 안경테는 상온 이하에서 상변태 온도를 갖도록 만들어져, 힘을 받아 변형되어도 힘이 제거되면 원래 모양을 되찾는다. 이는 응력 유도 마르텐사이트 효과 덕분이다.
리드웨이 뱅크스(Ridgway Banks)가 개발한 뱅크스 엔진(Banks Engine)을 포함하여, 1970년대부터 형상기억합금을 이용한 실험적인 고체 상태 열기관이 개발되었다. 독일 자를란트 대학교(Saarland University)에서는 니켈-티타늄 합금(니티놀, nitinol) 와이어를 회전하는 원통에 감아 열을 전달하는 시제품 기계를 개발했다. 2019년 발표된 논문에 따르면 이 방식은 기존의 열펌프나 에어컨보다 효율이 높다. 이 기술이 상용화되면 기후변화 완화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.[46]
니켈-티타늄(니티놀)(nickel-titanium (Nitinol))과 같은 형상기억합금(SMA)은 클램핑 시스템에 사용되며,[47] 악안면 수술에서 하악골 골절 치료에 사용되는 클램프도 SMA로 만들어진다.[48]
형상기억합금은 체온에 반응하여 미리 설정된 형태로 변형되도록 설계할 수 있다. 이러한 특성을 이용해 골절 접합이나 인공치근 고정에 사용하면 빠른 기능 회복을 기대할 수 있다.
가전제품 재활용에서 형상기억합금 나사나 너트, 와셔 등을 사용하면, 가열을 통해 쉽게 분해할 수 있어 재활용 비용을 절감할 수 있다.[52]
브래지어 컵 와이어에도 형상기억합금이 사용된다. 형상기억합금 와이어는 착용감과 형태 유지력을 동시에 제공한다.
주택이나 온실의 천창, 수도꼭지, 스프링클러 헤드, 자동차 엔진 등에도 형상기억합금이 활용된다. 예를 들어, 수도꼭지에는 온도 조절 밸브가 내장되어 있어 설정 온도 이상의 온수가 나오지 않도록 한다.[53]
6. 한계 및 극복 노력
형상기억합금(SMA)은 기존 액추에이터보다 많은 장점을 가지지만, 실제 응용을 어렵게 만드는 여러 한계점도 가지고 있다. 상업적으로 성공한 형상기억합금 응용 제품이 소수에 불과한 이유는 재료적 한계와 설계 지식 및 관련 도구의 부족 때문이다.[27] SMA 응용 제품 설계의 과제는 상대적으로 작은 사용 가능 변형률, 낮은 구동 주파수, 낮은 제어성, 낮은 정확도 및 낮은 에너지 효율을 포함한 한계를 극복하는 것이다.[28]
SMA 액추에이터는 일반적으로 전기적으로 작동되며, 줄열을 통해 가열된다. 냉각은 주로 주변 환경으로의 자유 대류 열전달에 의해 이루어지기 때문에, 작동 시간은 빠르지만 냉각 시간은 느리다. 이러한 비대칭적인 작동 특성을 개선하기 위해 강제 대류[29]를 이용하거나, SMA에 전도성 재료를 덧대어 열전달률을 높이는 방법 등이 연구되고 있다.[30] 특히, 전도성 "보온재"를 사용하는 방법은 냉각 시간을 크게 단축시키고 대칭적인 활성화 프로파일을 생성할 수 있지만, 작동에 필요한 전류가 증가하는 단점이 있다.[30]
SMA는 반복적인 하중으로 인해 균열이 발생하고 진전되어 결국 파괴되는 구조적 피로에 취약하다. 또한, 시간이 지남에 따라 형상 기억/초탄성 특성을 잃는 기능적 피로에도 취약하다. 이는 반복적인 하중(기계적 및 열적 모두)으로 인해 재료가 가역적인 상 변태를 일으키는 능력을 상실하기 때문이다. 예를 들어, 액추에이터의 작동 변위는 반복 사용 횟수가 증가함에 따라 감소한다. 이러한 기능적 피로는 전위의 축적과 변태 온도의 변화를 동반한다.[32] SMA-풀리 시스템의 풀리 구성과 같은 설계는 SMA의 구조적 및 기능적 피로에 영향을 미칠 수 있다.[33]
SMA 작동기는 줄 가열에 의해 전기적으로 작동되는데, 주변 온도가 제어되지 않는 환경에서는 주변 가열에 의해 의도하지 않은 작동이 발생할 수 있다.
이러한 한계를 극복하기 위한 다양한 연구가 진행 중이다.
- 교토대학의 미우라 세이(三浦精)는 초소성 단조가 가능한 주석(Sn)을 첨가한 황동 합금에 형상기억 기능을 추가하는 데 성공했다. (2003년)
- 외부 자기장으로 제어 가능한 강자성을 가진 형상기억합금이 연구되고 있다. 1996년 MIT 그룹이 Ni₂MnGa 합금에서 자기장 유기 왜곡을 보고한 이후 연구가 활발하게 진행되고 있다.
- 2011년 도호쿠대학 대학원의 오오모리 토시히로(大森俊洋) 조교수 연구팀은 니티놀(Ni-Ti)보다 온도 변화에 덜 민감하고 저렴한 철(Fe)·망간(Mn)·알루미늄(Al) 기반의 새로운 형상기억합금을 개발했다.[54][55] 이 신합금은 니티놀보다 제조 비용이 저렴하고 가공성이 우수하며, 넓은 온도 범위에서 초탄성 효과를 발휘한다.
7. 한국의 연구 개발 동향
우리나라에서는 1974년부터 형상기억합금에 관한 연구를 시작했는데, 많은 연구소와 대학의 연구실에서 언급된 합금 종류뿐만 아니라 철이 들어 있는 새로운 형상기억합금의 제조, 특성, 활용 방법을 연구하고 있다.[56] 2011년 6월 30일, 도호쿠대학 대학원의 오오모리 토시히로(大森俊洋) 조교수 연구팀은 니티놀(Ni-Ti)보다 온도 변화에 덜 민감하고 저렴한 형상기억합금을 개발했다고 발표하였다.[54][55] 이 신합금은 철(Fe)·망간(Mn)·알루미늄(Al) 등 저렴한 소재를 사용하므로, 고가의 니켈(Ni)·티타늄(Ti)을 주성분으로 하는 니티놀 제조 비용의 약 10%로 생산할 수 있다.[54][55] 또한 우수한 열간가공·냉간가공 성능을 가지며, 특히 냉간가공성이 낮은 니티놀보다 가공 비용이 적게 드는 장점도 있다.[54][55]
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