형상기억합금
형상 기억 합금 (Shape-memory alloy, SMA)은 특정 온도 범위에서 변형된 형태를 가열 또는 냉각을 통해 원래의 형태로 되돌리는 독특한 성질을 가진 합금을 말한다. 이러한 특성은 합금의 결정 구조가 온도에 따라 가역적으로 변화하는 상변이 현상에 기인한다. 형상 기억 합금은 크게 열탄성 마르텐사이트 변태를 이용하는 합금과 강자성 형상 기억 합금 (Ferromagnetic Shape Memory Alloy, FSMA)으로 나눌 수 있다.
작동 원리
형상 기억 합금의 작동 원리는 다음과 같이 설명할 수 있다.
- 마르텐사이트 상 (Martensite phase): 저온에서 안정적인 결정 구조를 가지며, 쉽게 변형될 수 있다. 변형된 상태로 유지된다.
- 오스테나이트 상 (Austenite phase): 고온에서 안정적인 결정 구조를 가지며, 원래의 형태로 되돌아가려는 경향이 있다. 가열을 통해 마르텐사이트 상에서 오스테나이트 상으로 변태하면서 원래의 형태로 복원된다.
변태가 시작되는 온도를 마르텐사이트 변태 시작 온도 (Ms), 변태가 완료되는 온도를 마르텐사이트 변태 완료 온도 (Mf)라고 하며, 오스테나이트 변태 시작 온도를 (As), 오스테나이트 변태 완료 온도를 (Af)라고 한다.
종류
형상 기억 합금의 대표적인 예로는 다음과 같은 것들이 있다.
- 니켈-티타늄 합금 (Nickel-Titanium alloy, NiTi): 니티놀 (Nitinol)이라고도 불리며, 뛰어난 형상 기억 효과와 생체 적합성을 가지고 있어 의료, 항공우주, 로봇 공학 등 다양한 분야에서 널리 사용된다.
- 구리 기반 합금 (Copper-based alloys): 구리-아연-알루미늄 합금 (Cu-Zn-Al), 구리-알루미늄-니켈 합금 (Cu-Al-Ni) 등이 있으며, 니켈-티타늄 합금보다 저렴하지만 형상 기억 효과 및 기계적 특성이 다소 떨어진다.
- 철 기반 합금 (Iron-based alloys): 철-망간-실리콘 합금 (Fe-Mn-Si) 등이 있으며, 니켈-티타늄 합금보다 가격이 저렴하고 가공성이 우수하지만 형상 기억 효과가 제한적이다.
- 강자성 형상 기억 합금 (Ferromagnetic Shape Memory Alloy, FSMA): 자기장에 의해 변형되는 합금으로, 니켈-망간-갈륨 합금 (Ni-Mn-Ga) 등이 대표적이다. 자기장을 이용하여 빠르고 정밀하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
활용 분야
형상 기억 합금은 독특한 특성을 바탕으로 다양한 분야에서 활용되고 있다.
- 의료: 혈관 스텐트, 교정용 와이어, 수술용 도구 등
- 항공우주: 항공기 날개의 형상 제어, 우주 안테나 전개 장치 등
- 로봇 공학: 로봇 팔, 액추에이터 등
- 자동차: 온도 조절 밸브, 서스펜션 시스템 등
- 생활용품: 안경테, 속옷 와이어, 온도 감지 장치 등
- 건축: 지진 감지 및 제어 시스템
장점 및 단점
장점:
- 뛰어난 형상 기억 효과 및 초탄성 (Superelasticity)
- 높은 내식성 및 생체 적합성 (일부 합금)
- 작은 크기로 큰 힘을 낼 수 있음
- 진동 감쇠 능력
단점:
- 가격이 비쌈 (특히 니켈-티타늄 합금)
- 가공이 어려움
- 피로에 약함
- 온도 범위에 제한적임