미래는 지금이다 - 형상 메모리 합금

형상 기억 합금 소개

공상 과학 소설처럼 들리지만, 모양을 바꾸고 이전 형태를 '기억'할 수 있는 금속은 오늘날 자동차, 항공우주, 생의학 및 로봇 산업 전반에 걸쳐 사용되고 있습니다.

용도가 매우 다양하기 때문에 형상 기억 합금(SMA), 스마트 메탈, 근육 와이어, 스마트 합금 등 여러 가지 이름으로 불립니다. 간단히 말해, SMA는 변형된 후 원래의 모양으로 다시 만들어질 수 있는 특수하게 제조된 금속 혼합물입니다. 여기서 비결은 변형된 SMA를 "전이 온도"까지 가열하면 SMA 메모리 속성이 활성화되어 이전 모양으로 돌아가는 것입니다. 물론 사람이 아침에 먹은 음식을 기억하는 것처럼 합금이 원래의 모양을 기억하는 것은 아닙니다. 대신 SMA가 제조될 때 금속은 "부모 모양"을 설정하는 방식으로 가공됩니다.

1993년 논문 '메모리 메탈'에서 조지 카우프만과 아이작 메이요는 가장 다재다능하고 일반적인 SMA 중 하나인 니티놀이라는 니켈과 티타늄의 조합을 제조하는 과정을 설명합니다. "금속을 제자리에 고정하고 약 500°C까지 가열해야 합니다. 고온으로 인해 원자가 가능한 가장 작고 규칙적인 패턴으로 배열되어 오스테나이트 상으로 알려진 단단한 입방체 배열이 만들어집니다." 이 단계가 확립되면(트레이닝이라고도 하는 과정) 사용할 준비가 된 것입니다.

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SMA는 단방향 메모리와 양방향 메모리의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 단방향 기억은 금속이 다른 위치를 유지하도록 모양과 형태를 바꿀 수 있지만 전이 온도에 노출되면 원래의 모양으로 돌아간다는 것을 나타냅니다. 양방향 메모리 효과는 금속이 낮은 온도에서는 한 가지 모양을 기억하고 높은 온도에서는 다른 모양을 기억하도록 훈련시키는 SMA에서 볼 수 있습니다.

더 조용한 엔진을 위한 항공우주 설계, 송유관 및 수도관, 자동차 시트, 로봇의 '근육' 등을 위한 형상 기억 커플링 등 산업 분야별로 SMA가 사용되는 방식은 다양합니다. SMA의 의료 분야 적용은 매우 성공적이었습니다. 말초 동맥 혈관 성형술에서 동맥을 열어두기 위한 스텐트, 유연한 안경테, 착용자의 치아에 일정한 힘을 가하는 치아 교정기 등에 SMA가 사용되었습니다.

형상 기억 합금이 실제로 작동하는 것을 아직 보지 못했다면 곧 보게 될 것입니다. 형상기억합금의 새로운 용도는 매일 새롭게 구상되고 있습니다. 스마트폰부터 로봇 공학, 엔진에 이르기까지 SMA는 지금 바로 사용되고 있는 미래형 소재입니다.

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형상 기억 합금의 예

형상 기억 합금에는 여러 가지 유형이 있지만 가장 일반적으로 사용되는 것은 다음 금속을 기반으로 하는 합금입니다:

1. 니켈-티타늄(NiTi): 흔히'니티놀'이라고도 불리는 이 합금은 가장 널리 알려져 있고 사용되는 SMA입니다. 니켈과 티타늄으로 만든 합금으로 특히 뛰어난 형상 기억 특성과 생체 적합성으로 잘 알려져 있어 스텐트, 가이드 와이어, 치아 교정기와 같은 의료용 애플리케이션에 이상적입니다.

2. 구리 기반 합금: 구리-알루미늄-니켈 및 구리-아연-알루미늄 합금은 다른 유형의 SMA입니다. 니티놀만큼 널리 사용되지는 않지만 액추에이터, 로봇 공학 및 자동차 부품과 같은 분야에서 여전히 사용되고 있습니다. 구리 기반 합금은 일반적으로 가격이 저렴하지만 니켈-티타늄 합금에 비해 다른 기계적 특성을 나타냅니다.

3. 철 기반 합금: 다른 유형의 SMA에 비해 비교적 최근에 개발된 합금으로, 항공우주 및 기타 산업에서 더 높은 강도가 요구되는 특정 용도에 사용됩니다. 특수 엔지니어링 프로젝트를 위해 개발되는 경우가 많습니다.

형상 기억 합금의 용도

형상 기억 합 금은 의료 기기에서 항공 우주 기술에 이르기까지 고유한 특성으로 인해 여러 산업 분야에서 응용되고 있습니다. SMA의 주요 용도는 다음과 같습니다:

1. 의료 응용 분야: SMA는 의료 분야, 특히 최소한의 침습이 필요하거나 특정 조건에서 작동해야 하는 장치에 널리 사용됩니다. 잘 알려진 예로 막힌 혈관에 삽입하는 작은 그물망 튜브인 스텐트에 니티놀을 사용하는 것이 있습니다. 일단 삽입되면 스텐트는 체온에 의해 팽창하여 원래의 모양으로 돌아가 혈관을 열어줍니다. SMA는 최소 침습 수술용 가이드 와이어, 교정기와 같은 교정 장치, 수술용 스테이플에도 사용됩니다.

2. 액추에이터: 형상 기억 합금은 열 에너지를 기계적 작업으로 변환하는 액추에이터에 사용됩니다. 다양한 산업 분야에서 SMA는 펌프, 밸브 및 제어된 동작이 필요한 기타 장치에 사용할 수 있습니다. 합금은 온도 변화에 따라 움직이는 간단하고 신뢰할 수 있는 메커니즘을 제공하며, 자동 또는 자체 조절 시스템에 자주 사용됩니다.

3. 항공우주 및 로봇 공학: SMA는 항공우주 분야에서 액추에이터와 비행 중 온도 변화에 대응할 수 있는 항공기의 플랩과 방향타 등 공기역학적 표면을 제어하는 데 사용됩니다. 로봇 공학에서 SMA는 근육의 움직임을 모방하는 데 사용할 수 있어 유연하고 적응력이 뛰어난 소재가 필요한 소프트 로봇 공학에 유용합니다.

4. 소비자 가전: 소비자 가전, 특히 컴팩트한 크기와 유연성이 요구되는 기기에서 SMA의 사용이 증가하고 있습니다. 예를 들어 자동 조절 렌즈가 장착된 카메라, 자동 안경, 웨어러블 기술의 일부 작동 메커니즘 등이 있습니다.

5. 자동차 산업: 자동차 산업에서 SMA는 온도 조절 시트, 자동 거울과 같은 스마트 시스템과 차량의 작동 시스템의 일부로 사용됩니다. 이 합금은 기존 소재에 비해 더 효율적이고 컴팩트한 메커니즘을 만드는 데 도움이 됩니다.

6. 스마트 소재 및 시스템: SMA는 환경 자극에 대한 반응성이 필요한 애플리케이션에 사용되는 스마트 소재 및 시스템에도 통합될 수 있습니다. 온도 변화에 따라 재료의 형태가 변화하여 자가 치유 또는 적응 기능을 제공하는 건물이나 인프라에 사용할 수 있습니다.

결론

형상 기억 합금은 온도의 영향을 받아 미리 정의된 모양으로 돌아가는 능력 덕분에 재료 과학에서 중요한 돌파구를 마련했습니다. 의료용 스텐트와 액추에이터부터 항공우주 분야에 이르기까지 SMA는 미래 혁신을 위한 막대한 잠재력을 지닌 귀중한 소재임이 입증되었습니다. SMA에 대한 연구가 계속됨에 따라 향후 몇 년 안에 이 소재가 더욱 발전된 형태로 활용되어 산업 및 일상 애플리케이션에서 그 가치가 더욱 높아질 것으로 보입니다. 자세한 내용은 Stanford Advanced Materials (SAM)에서 확인하세요.

참고자료:

[1] NASA(2025, 2월 20일). NASA의 형상 기억 재료가 스마트 기술을 위한 문을 열다. NASA 기술 이전 프로그램. 검색된 날짜: 2025년 2월 20일, https://technology.nasa.gov/