형상 기억 합금의 주요 응용 분야

형상 기억 합금(SMA) 은 특정 열 또는 기계적 자극에 노출되면 미리 정의된 모양으로 돌아갈 수 있는 독특한 종류의 스마트 소재입니다. 기존 금속과 달리 형상 기억 효과와 초탄성을 지니고 있어 주변 환경에 동적으로 반응할 수 있습니다. 그 중에서도 니티놀(니켈-티타늄 합금)이 가장 널리 사용되고 있지만, 구리 기반 및 철 기반 SMA도 엔지니어링에서 중요한 역할을 합니다. 감지, 작동 및 구조 기능을 단일 재료에 결합하는 능력 덕분에 SMA는 현재 의료, 산업, 항공우주, 로봇 공학 및 소비자 애플리케이션 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있습니다.

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의료 기기 - 가장 성숙하고 고부가가치 애플리케이션

의료 기술 분야는 SMA에 대한 규제가 가장 잘 확립되어 있는 분야입니다. 생체 적합성, 유연성, 내피로성이 뛰어나기 때문입니다.

SMA는 혈관 스텐트, 가이드 와이어, 정형외과용 임플란트, 교정용 아치 와이어 및 다양한 수술 장치에도 일반적으로 사용됩니다. 초탄성 SMA는 와이어를 압축하여 기기가 신체에 장착될 때 큰 변형을 견딜 수 있는 능력이 있습니다. 이 기능은 조직 손상을 크게 완화합니다.

또한 SMA는 온도에 따라 작동하는 배치가 가능하여 자가 확장 스텐트 및 고정 장치에 매우 유용하게 사용할 수 있습니다. 내구성, 부식에 대한 저항성, MRI와 같은 이미징 기술과의 호환성 또한 이 분야에서 SMA의 독보적인 사용과 우수성을 더합니다.

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액추에이터 - 모터와 유압을 대체하는 컴팩트한 대안

SMA 액추에이터는 공간 제약, 소음 요구 사항 및 높은 힘 밀도를 충족해야 하는 모든 곳에서 훌륭한 응용 분야를 찾을 수 있습니다. 여기서 SMA 액추에이터는 열 에너지를 변환하기 위해 기계식 기어와 모터가 필요하지 않다는 점에서 다른 기존 액추에이터와 다릅니다.

일반적으로 산업 자동화, 항공 우주 기술, 가전 제품 및 다양한 자동차 부품에서 찾을 수 있습니다. 앞서 언급했듯이 열 밸브, 적응형 통풍구, 래칭 시스템, 마이크로 포지셔닝 기술 등 다양한 예가 있습니다. SMA는 감지 및 작동 기능을 모두 갖추고 있기 때문에 복잡성을 최소화할 수 있는 것이 분명합니다.

SMA 액추에이터는 전자기 액추에이터에 비해 작동 속도가 느린 경향이 있지만, 사용 편의성과 신뢰성으로 인해 적당한 사이클링이 필요한 상황에 적합합니다.

항공우주 - 무게 감소 및 적응형 구조

항공우주 공학에서는 1그램이 중요하며, 항공기나 우주선에 유연하고 가벼우며 유지보수가 필요 없는 장치를 제공하기 위해 SMA가 점점 더 많이 사용되고 있는 분야 중 하나입니다.

일반적인 응용 분야는 날개 부품, 진동 감쇠, 열 방출 및 우주 구조물로 구성됩니다. 이러한 응용 분야에서는 특히 극한의 온도와 압력이 존재하는 환경에서 최소한의 부품으로 복잡한 기계 시스템을 대체하는 역할을 합니다.

진공 상태에서 작동하고, 방사선에 노출된 상태에서도 작동하며, 광범위한 온도 범위에서 작동할 수 있기 때문에 위성 및 우주 탐사 기술에 매우 적합합니다.

로봇 공학 - 부드럽고 생체 모방적인 동작 구현

이러한 시스템에서는 딱딱한 액추에이터를 사용할 수 없기 때문에 SMA는 소프트 로봇 및 생체 모방 장치 개발에 매우 유용합니다.

근육 수축 동작을 하는 SMA의 와이어와 스프링은 로봇 그리퍼, 의수, 웨어러블 외골격에서 유기적인 움직임을 가능하게 합니다. 조용한 작동 특성과 소형 크기로 사람과 상호 작용하는 환경에서 사용하기에 적합합니다.

의료용 로봇 및 재활 시스템에서 SMA는 부드러운 힘의 적용과 반응을 용이하게 합니다. 따라서 안전성과 편안함을 향상시킬 뿐만 아니라 이러한 소재를 사용하는 로봇 공학도 성장시킵니다.

자동차 시스템 - 신뢰성 및 열 반응성

자동차 산업은 신뢰성과 기계적 단순성을 보장하기 위해 열에 반응하고 스스로 조절하는 부품을 구현하기 위해 SMA를 사용합니다.

가장 일반적인 응용 분야로는 엔진 열 제어 밸브, 적응형 공기 흐름, 안전은 물론 조절식 시트 및 환기 기능과 같은 편의 기능이 있습니다. SMA는 사용 중 내구성이 뛰어나고 경우에 따라 센서와 같은 추가 장치 없이도 작동할 수 있다는 점에서 높은 평가를 받고 있습니다.

진동과 악조건에 대한 내성은 자동차 애플리케이션, 특히 에너지 효율이 매우 중요한 하이브리드 및 전기 자동차에 대한 실행 가능성을 보장합니다.

토목 공학 - 자기 적응형 및 내진 구조물

예를 들어, 토목 인프라에서 SMA는 지진이 발생하기 쉬운 곳에서 구조적 복원력을 향상시키는 데 활용됩니다.

SMA 기반 댐퍼, 보강재, 커넥터는 지진 발생 시 지진력을 흡수하는 기능이 있습니다. 또한 지진 발생 후 구조물은 원래 위치로 돌아갑니다. 따라서 재건축 비용이 들지 않습니다.

교량, 고층 건물 및 개보수된 역사적 건물은 유지보수의 어려움 없이 충분한 강도, 유연성 및 내구성을 갖춘 SMA 소재를 사용하여 상당한 이점을 얻을 수 있습니다.

소비자 가전 - 소형화 및 스마트 기능

소형 소비자 기기에서 SMA는 소형화된 모션과 정밀 제어를 위한 우아한 솔루션을 제공합니다.

이러한 장치는 카메라 자동 초점 시스템이나 광학 이미지 안정화 모듈, 햅틱 피드백 시스템 및 스마트 웨어러블의 일부가 될 수도 있습니다. SMA 장치는 일반적으로 기존 모터 장치에 비해 소음이 없고 공간을 절약할 수 있는 이점을 제공합니다.

보다 지능적이고 반응성이 뛰어난 전자 기기에 대한 관심이 증가함에 따라 SMA는 그 형태와 기능의 발전을 계속 지원할 것입니다.

석유, 가스 및 에너지 - 열악한 환경에서의 내구성

SMA는 극한의 압력, 온도, 부식 환경에서도 부품이 안정적으로 작동해야 하는 석유, 가스 및 에너지 시스템에도 사용됩니다.

애플리케이션에는 자동 작동 밸브, 파이프라인 커플링, 안전 해제 메커니즘, 다운홀 도구 등이 포함됩니다. 외부 전원이나 복잡한 제어 시스템 없이도 작동하는 SMA의 기능은 원격 또는 접근이 어려운 환경에서 특히 유용합니다.

내식성과 피로 성능은 유지보수를 줄이고 운영 안전을 개선하는 데 기여합니다.

표 1: 다양한 애플리케이션에 사용되는 형상 기억 합금의 특성

결론

형상 기억 합금은 재료와 기계 사이의 간극을 메워줍니다. 구조적 무결성과 지능적 응답을 결합하여 산업 전반에 걸쳐 더 단순한 설계, 향상된 신뢰성, 새로운 기능적 가능성을 가능하게 합니다. 재료 가공, 제어 전략 및 적용 경험이 계속 발전함에 따라 SMA는 스마트 엔지니어링 시스템의 미래를 형성하는 데 더욱 큰 역할을 할 것으로 기대됩니다. 더 많은 첨단 소재에 대해 알아보려면 Stanford Advanced Materials(SAM)를 확인하세요.

참고자료:

[1] 라자, 사이드 & 칸, 임란 & 아마드, 마이라즈 & 타히르, 덴마크 & 일타프, 아심 & 나크비, 리다. (2021). 나노 실리카 체적 보강이 사전 합금 티타늄-니켈 (Ti-Ni) 분말의 미세 구조, 기계적, 상 분포 및 전기 화학적 거동에 미치는 영향. 주요 엔지니어링 재료. 875. 60-69.