형상기억합금(Shape-memory alloy)의 산업 응용

SMA의 활용분야

지난 수십 년 동안 재료 과학의 발전은 새로운 재료 성질의 발견에 의해 결정되었습니다. 오늘날 형상기억합금(SMA)은 이미 자동차, 항공 우주, 의학과 같은 여러 기술 분야에서 상업적으로 적용되고 있으며 전자 장치의 액추에이터 또는 커넥터로 사용될 수 있습니다. 형상기억 효과(SME)는 결정학적으로 가역적인 열탄성 마르텐 사이트 변태가 되는 일부 특수 합금에서 나타나며 온도변화(단방향 효과)에 의해서만 소성변형 후 큰 변형을 복구하는 능력을 나타냅니다. 이 효과를 반복적으로 사용해야하는 경우 요소를 변형된 상태로 재설정하려면 외부 힘을 가해야 합니다. 특정 열역학적 처리를 하게 되면 형상기억합금은 고유한 양방향 효과 (TWSME)를 발생시킵니다. 즉, 외부 응력이 가해지지 않고 온도를 변경한 결과 순전히 2가지 형태간에 모양이 변경됩니다. 1970년, 형상기억합금 크라이오핏 튜브 결합의 첫 성공적인 시범이 미 해군 F-14 전투기에서 일어났다. 고압 유압 시스템에서 형상기억장치의 신뢰성에 대한 이러한 입증은 다음 해에 백만 개 이상의 커플링을 생산하게 되었습니다. 그 시작 이후 형상기억합금에 대해 생각할 수 있는 모든 응용분야에 수천개의 특허가 발행되었지만, 실제로 상업적으로 성공한 장치의 목록은 매우 적습니다. 이러한 의미에서 상업적으로 성공함을 뜻하는 건 연간 수천 개의 대량생산을 의미합니다. 이 합금의 주요 응용 분야는 안경테, 휴대폰 안테나, 여성용 브래지어 언더 와이어 및 자동차 장치와 같은 몇가지 다른 중요한 영역과 함께 의학 및 치과 교정 분야입니다. 비즈니스의 매력적인 가치로 인해 의료 기기에 가장 많은 관심이 집중되고 있지만, 소비자 및 산업 부문에서 형상기억합금 재료의 소비는 의료 분야의 사용량을 훨씬 능가합니다. 형상 기억 재료 (SMM)는 형상기억효과(SME), 유사탄성 또는 큰 회복 가능한 스트로크(변형력), 높은 감쇠능력 및 적응특성으로 인해 지능형/스마트 복합 재료의 주요 요소 중 하나입니다. SMM은 열적, 기계적, 자기적 또는 전기적 자극을 감지하고 작동 또는 미리 결정된 일부 반응을 보일수 있으며 모양, 위치, 변형, 팽팽함, 고유 주파수, 댐핑, 마찰 및 기타 정적 및 동적특성과 같은 일부 기술적 매개 변수를 조정할 수 있습니다. 현재까지 다양한 합금, 세라믹, 폴리머 및 젤이 SME 동작을 보이는 것으로 확인되었습니다. 특히, 일부 SMM은 얇은 필름, 섬유 또는 와이어, 입자 및 다공성 벌크로 쉽게 제작할 수 있으므로 다른 재료와 결합하여 하이브리드 복합재를 형성할 수 있습니다. 스마트 재료는 주로 실제 응용 분야에서 혁신적인 사용으로 많은 관심을 받았습니다. 앞서 언급했듯이 이러한 재료의 가장 좋은 예 중 하나는 가장 잘 알려져 있는 스마트 재료인 형상기억합금(SMA) 계열입니다. 이러한 재료는 매우 크고 회복 가능한 변형률(약10%)을 보이는 것으로 나타 났으며 온도 및 응력의 함수로서 이러한 특성을 통해 SMA를 혁신적인 응용 분야에서 활용할 수 있습니다. 거시적 관점에서 SMA의 기계적 거동은 두가지 범주로 나눌 수 있습니다. SME(형상기억효과),로드 및 언로드주기 후 온도를 높이면 큰 잔류 (소성)변형을 완전히 회복할 수 있습니다. 그리고 pseudoelasticity 또는 superelasticity 에서 매우 큰(소성)변형은 일정한 온도에서 로딩 및 언로딩 후 완전히 회복됩니다. 두 효과 모두 마르텐 사이트 상변태의 결과입니다. 응력이없는 상태에서 고온의 SMA재료는 모상 (일반적으로 오스테 나이트 상이라고도 하는 체심 입방 결정 구조)에 존재합니다. 재료 온도를 낮추면 결정 구조는 자기 수용 결정을 마르텐 사이트상 (일반적으로 면심 입방 결정구조)으로 변태합니다. 오스테 나이트에서 마르텐 사이트를 형성할때의 스트레스 없는 상변화는 변태 변형의 발생을 방지하는 다중 마르텐 사이트 변형 및 트윈스 형성으로 인해 '자기 수용'이라고합니다. 재료 전체에 고르게 분포된 마르텐 사이트 변종은 모두 결정학적으로 동일하며 정벽면만 다릅니다. 트위닝에 의한 자체 수용 과정을 통해 SMA 재료는 스트레스와 함께 큰 가역 변형을 나타낼 수 있습니다. 그러나 스테인레스강과 같은 일반 재료의 자체 수용 과정은 트위닝이 아니라 슬립이라는 메커니즘을 통해 발생합니다. 슬립은 영구적이거나 되돌릴 수 없는 과정이므로 이러한 재료에서는 형상기억효과가 발생할 수 없습니다. 니켈-티타늄 합금은 모든 SMA 중에서 가장 유용한 것으로 밝혀졌습니다. 다른 형상기억합금에는 구리-알루미늄-니켈, 구리-아연-알루미늄 및 철-망간-실리콘 합금이 포함됩니다. 니켈-티타늄 합금 계열의 일반적인 이름은 Nitinol입니다. 니티놀의 특성은 금속의 정확한 구성과 처리 방식에 따라 다릅니다. Nitinol의 물리적 특성은 융점 약1240°C ~ 1310°C 및 밀도 약 6.5g/cm3 입니다. 다양한 구성 요소를 사용하여 서로 다른 온도에서 테스트된 다양한 기타 물리적 특성에는 전기 저항률, 열 전력, 홀 계수, 음속, 감쇠, 열용량, 자화율 및 열전도도가 포함됩니다. 테스트된 기계적 특성에는 경도, 충격인성, 피로 강도 및 가공성이 포함됩니다. 니티놀은 다양한 응용 분야에서 사용되고 있습니다. 군사, 의료, 안전 및 로봇 응용 분야에 사용되었습니다. 군대는 1960년대 후반부터 F-14 전투기에 니티놀 커플러를 사용해 왔습니다. 이 커플러는 유압 라인을 단단하고 쉽게 결합합니다. 현재 니티놀의 많은 응용 분야는 의학 분야에 있습니다. 니티놀은 인간의 근육 운동을 시뮬레이션하기 위해 로봇 액추에이터 및 마이크로 매니퓰레이터에 사용됩니다. 니티놀의 주요 장점은 활성화시에 발휘되는 부드럽고 제어된 힘입니다. 형상기억합금의 기타 용도로는 가전 제품, 의류 및 구조물에 사용됩니다. 딥 프라이어는 바스켓을 정확한 온도에서 오일에 넣어 열 민감도를 활용합니다. 엔진 마운트 및 서스펜션으로 사용되는 니티놀 액추에이터도 진동을 제어 할 수 있습니다. 이러한 액추에이터는 건물 및 교량과 같은 구조물의 파괴를 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다. SMA에 대한 응용 프로그램이 많이 있습니다. 미래의 애플리케이션은 자동차와 비행기의 엔진 및 형상 변환에서 발생하는 기계적 에너지를 이용하는 발전기를 생각할 수 있습니다. 형상 기억 특성을 가진 니티놀은 또한 자동차 프레임에 사용할수 있도록 구상되었습니다. SMA 스프링을 사용하는 다른 가능한 자동차 용도로는 엔진 냉각, 기화기 및 엔진 윤활 제어, 라디에이터 블라인드 제어 ( "엔진이 차가울 때 시동시 라디에이터를 통과하는 공기 흐름을 줄여 연료 사용량 및 배기 가스 배출을 줄이기 위해 ") SMA는 다양한 응용 분야에서 씰, 커넥터 및 클램프로 사용하기에 적합합니다. 형상기 합금을 사용하면 더 긴밀한 연결과 더 쉽고 효율적인 설치가 가능합니다. 형상기억합금의 많은 잠재적 용도와 응용은 이러한 금속의 밝은 미래를 보장합니다. 현재 많은 로봇 공학 부서와 재료 과학 부서에서 연구가 수행되고 있습니다. SMA의 응용 분야에 대한 혁신적인 아이디어와 SMA를 사용하는 시장의 제품 수가 지속적으로 증가함에 따라 다양한 응용 분야에서 사용하기 위한 형상기억합금 분야의 발전이 매우 유망해 보입니다.