공학 올립니다 합금 - 형상기억합금에 대해서
[공학]합금 - 형상기억합금에 대해서
1.형상기억합금
현재 우리가 사용하고 있는 니켈-티타늄(Ni-Ti) 소재의 형상기억합금은 1960년 미국 메릴랜드주 있는 미해군 병기연구소 한 연구원의 우연한 행동으로 발견되었다. 당시 미해군에서는 잠수함 선채에 사용될 특수 합금을 제작하기 위해 다양한 소재의 금속을 다양한 비율로 섞어 그 특성을 비교 연구하고 있었다.
그런데 니켈과 티타늄이 1대 1로 섞인 금속에서 이상한 반응이 검출되었다. 제작된 시료에 연구원이 가까이 다가가자 니켈 티타늄시료가 꿈틀 거리는 것을 발견한 것이었다. 의아함을 느낀 연구원은 왜 그 합금이 변형을 일으키는지 알아내기 위해 다양한 시도를 해 본 결과 연구원이 입에 담배를 물고 다가섰을 때 형체가 변하는 것을 발견했다. 즉 낮은 온도에서는 변형되었다가 특정 온도에 노출되면 원래의 모습대로 돌아오는 형상기억합금을 발견하게 된 것이다. 니티놀 발견 이래 Cu-Zn-Ni, Cu-Al-Ni, Ag-Ni, Au-Cd 등 수십 종류의 합금이 있다. 현재까지 많은 수의 형상기억합금이 발견되었지만 가장 복원력이 뛰어난 합금은 니켈(Ni)-티타늄(Ti)으로 이루어진 니티놀 합금이 가장 우수한 것으로 평가되고 있다.
1)형상기억합금이란?
기억한다는 개념은 어쩌면 생명체의 전유물로만 생각할 수 있다. 그러나 감각적은 것을 기억하고 후에 재생 또는 재인식하는 ‘기억’이라는 현상을 무생물체인 금속에서도 볼 수 있다. 이러한 금속들은 모양이 변했다가 어떤 조건을 만족하게 되면 금속재료 자체가 갖는 원래의 형상을 기억해내는 현상을 나타내게 된다. 이러한 현상을 형상기억효과(Shape memory effect)라고 한다. 즉, 형상기억합금이란 영어로 Shape Memory Alloy (SMA) 이라 하며 말 그대로 모양을 기억하는 합금이다.
다시 말해서 형상기억합금이란 일정한 온도에서 어떤 모양을 기억 시켜 두면 온도가 낮아져 그 모양이 변형되더라도 다시 가열하여 일정 온도로 올려주면 본래의 모습으로 되돌아오는 성질을 가진 합금을 말한다. 이것이 형상기억합금이다.
2)형상기억합금 원리?
이러한 합금이 자신의 형상을 기억하는 이유는 "마르텐사이트 결정변태"라는 일종의 상변태 때문입니다. 상변태란 물질을 이루고 있는 분자의 배열이 변화하는 현상으로써 물을 냉각시키면 얼음이 되는 응고나 가열하면 수증기가 되는 증발도 모두 상변태에 속합니다. 그 중에서도 마르텐사이트 상변태란 고체를 이루고 있는 금속에서 원자의 이동 없이 그 결정을 이루고 있는 원자 모두가 협동적으로 이동하여 다른 결정형태를 갖는 고체를 형성하는 것으로 상변태가 일어나는데에 큰 에너지를 필요로 하지 않는 경우가 대부분입니다. 그 중에서도 온도의 변화에 의해서 마르텐사이트 변태를 하는 현상을 열탄성 변태라고 하는데 열탄성 변태를 하는 합금들은 속도의 차이가 있을 뿐 거의 모두 형상기억 특징을 갖는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 합금들이 형상을 기억할 수 있는 이유는 다음과 같이 설명되고 있습니다. 즉, 형상기억 합금을 상전이 온도보다 높은 온도에서 가공하면 합금을 이루는 원자들은 해당 상태에서의 자신의 위치를 `기억`하게 됩니다. 그 후 상전이 온도보다 낮은 온도에서 합금을 변형시킨 다음 다시 상전이 온도 이상으로 가열하면 합금은 높은 온도에서 안정한 결정상으로 마텐사이트 상전이를 하는 과정에서 구성 원자들이 해당 결정상에서 원래 차지했던 자리로 이동하면서 원래의 모양을 되찾는 것입니다
3) 형상기억합금의 성질
모든 금속은 탄성한계를 가지고 있다. 탄성한계보다 작은 응력 (단위 면적 당 가하는
힘을 ‘응력’ (N/m2)이라고 한다) 을 받아 일어난 변형의 경우, 그 응력을 없애면 원래의
모양으로 돌아간다. 이것을 탄성변형이라 한다. 그러나 탄성한계보다 큰 응력을 가하면,
가했던 응력을 없애도 처음의 모양으로 돌아가지 않는 영구적인 변형이 일어난다.
영구변형이 일어나기 시작하는 시점의 변형 정도, 즉 탄성한계보다 큰 응력을 주었을 때의
변형은 원래 모양의 1%를 넘지 않으며 그 후에 일어나는 것이 영구적인 변형인
소성변형이다. 이처럼 보통 금속 재료는 적당한 힘을 가해 변형시키면 그 형상으로 유지되므로 굽히거나 늘려서 자유로운 형상으로 모양을 만들고 가공할 수 있다. 이러한 소성가공이 가능하기 때문에 니크롬선을 감아서 전기히터도 만들고 두꺼운 스래브를 압연하여 박판을 만든 후 자동차 차체로 가공하고, 철선을 구부려 클립도 만들 수 있다. 이 소성변형이라는 성질은 금속재료의 큰 특징의 하나이며 금속재료가 공업적으로 널리 사용되는 이유이다.
그러나 형상기억합금은 변형된 다음 (이 때 변형정도는 어느 임계온도 이하에서 가해주어야 하고 현재의 기술로는 약 10% 미만의 변형이어야 한다.) 이 합금을 다시 가열하면 처음 변형되기 전에 형상을 기억하고 원래의 형상으로 되돌아 간다. ‘재가열’을 통해, 이 합금이 높은 온도에서 우선적으로 취해야 할 결정구조와 이에 걸맞는 형상을 되살려 기억 나게 해주는 것이다. 이 합금은 일단 어떤 형상을 기억하면 여러 가지의 형상으로 변형되어도, 적당한 온도로 가열하면 변형 전의 형상으로 돌아오는 성질이 있다. 형상기억 효과를 가지게 하기 위해서는 일정한 열처리가 필요하다. 니티놀의 경우,
어떤 모양으로 만들어서, 고정한 채로 400~500℃의 온도에 30분가량 두면 합금은 이
모양을 기억한다. 일단 기억하면 몇 번 변형하더라도 일정한 온도 이상으로 가열하기만
하면 원래의 모양으로 되돌아간다. 이 일정 온도를 ‘형상회복온도’라 부른다.
형상회복온도는 조건을 바꿈으로써 여러 가지로 설정할 수 있다. 예컨데, 은배수를
이용하여 모양을 바꿀 때에도 저온 때와 고온 때의 온도차가 불과 2℃ 정도로 설정하는
것이 가능하므로 응용 분야가 넓다.
형상기억합금이 본질적인 특징은 두 가지가 있는데 그 중 첫 번째는 ‘회복력’이다 .
회복력은 온도변화에 따라 처음의 모양으로 되돌아 갈 때 합금에 미치는 응력을 뜻한다.
변형온도에서 순간적으로 원래 상태로 돌아갈 때의 힘을 이용한 여러 예 중 하나가 자동차
열엔진이다
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자료출처 : http://www.ALLReport.co.kr/search/detail.asp?pk=11063601&sid=qjfRnf777&key=
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