형상을 기억하는 재료: 형상기억합금
형상기억합금이란 무엇인가?
‘기억’한다라는 개념은 그 동안 생명체의 전유물로 생각되어왔다. 그러나 감각적인 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.
형상기억합금이란 영어로 Shape Memory Alloy (SMA) 이라 하며 말 그대로 ‘모양을
기억하는 합금’이라는 말이다. 합금으로 일정한 모양을 만들고 나서 힘을 가해 전혀 다른
모양으로 변형시킨 후에 온도를 높여주면 처음의 모양을 기억해서 그 모양으로 돌아가는
합금을 말한다. 이제, 형상기억합금이 가지는 성질, 형상기억합금으로 알려진 몇 가지
종류의 합금과 그 특성, 형상기억합금의 응용을 살펴봄으로써 형상기억합금이 무엇인지,
어떻게 우리 주변에서 사용되고 있는지 알아보도록 하자.
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. (21세기를 선도하는 꿈의 신소재, 211.40.179.13/book_file/ke26/ke026-
108.htm) 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.
처음 상태 다른온도 변형 처음온도 원래모양 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 자동차열엔진이다. 몇 년 전 한국과학기술연구원의 기술진에 의해 선 보인 바 있는 열엔진은
변형과 응력을 적절히 조화시켜 일을 하도록 설계한 동력기로서 흔히 온도차가 나는 두
물탱크에서 동작하도록 설계되었다. 그러나 아직까지는 그 어느 것도 상온에서의 효율이
4~8% 정도로 낮아 실용화에는 문제가 있다.
뱅크스엔진이라고 불리는 이 엔진의 기본 구조를 살펴 보자. 왼쪽 그림을 보면, 축의 둘레에 몇 개 붙어 있는 스프링은 실온(저온) 에서는 늘어나고, 따뜻한 물 속 (고온)에서는 줄어든다. 작은 크기로 만든 스프링을 실온에서 힘을 가해 늘였고, 그 스프링이 고온의 따뜻한 물에 들어가면 원래의 작은 크기로 줄어들게 되는 것이다. 줄어들 때의 힘은 대단히 커서,
그 힘으로 축을 회전시켜 동력을 얻을 수 있다. 태양열로 물을 데워 뜨거운 물을 만든다면 에너지원이 필요 없는 엔진이 탄생하게 되는 것이다.
형상기억합금의 두 번째 특징은 ‘반복동작’에 있다. 쉽게 변형되지만 2번 이상 같은
동작을 하지 않는 플라스틱과는 달리, 형상기억합금은 형상회복이 된 후에 또 다시 굽혀도
열을 가하면 몇 번이라도 이전과 같이 원래의 기억한 형상으로 회복된다. 니켈-티타늄(Ni-
Ti) 합금에서는 100만번의 반복동작을 한 후에도 형상을 회복하는 능력이 거의 변화하지
않는 사용 방법이 가능하다.
여기서 한 가지 생각할 것은 ‘형상기억합금’과 ‘초탄성합금’과의 상관관계이다.
형상기억합금을 탄성한계 이상으로 변형시키면 다른 금속재료들처럼 탄성 변형에 이어서
항복이 발생한다. 항복영역에서 가해진 부하는 외견상의 소성 변형이 남는데 이 변형은
가열하면 완전히 회복되어 변형량이 제로인 상태로 돌아온다.
초탄성 합금의 경우에는 약간 다르다. 초탄성 합금은 보통 금속재료라면 소성 변형이
될 정도의 큰 변형력을 가해 변형시키도 변형력을 제거하면 고무와 같이 원상으로 회복되는 합금이다. 초탄성 합금은 형상기억합금과는 다른 성질인 것 같이 보이는데 사실은 형제와 같은 합금으로 합금의 성분이나 제조법 등 형상기억합금과 거의 같다고 해도 된다.
형상기억합금은 주로 1방향성과 2방향성의 두 가지 기억 방식을 갖는다.
형상기억합금의 형상회복 동작은 주로 1방향성이라는 비가역적인 현상이다. 적당한
모양으로 기억시킨 합금을 저온에서 변형시킨 후 일정한 온도 이상으로 가열하면 원래의
형상으로 회복되는데, 이것을 다시 저온으로 해도 온도 올리기 전의 변형된 모양으로
돌아가지 않는다. 이와 달리 고온에서의 형상과 온도 올리기 전 실온에서의 형상을 동시에
기억하는 것을 2방향 형상기억합금이라고 한다. 가열과 냉각을 통해 두 형상이 반복되는
가역적인 동작이다. 2방향성 형상기억 효과는 편리하고 사용이 용이할 것 같지만 2방향성의 동작특성을 얻으려면 합금에 특수한 열처리를 하거나 스프링등의 부품과 함께 구성해 야 하는 공정상의 문제가 있다. 또한 고온과 저온의 각 형상과 그 때 발생하는 힘을 정확히
조절할 수 없는 것도 문제가 되어 별로 사용되지 않고 있다.
1방향 형상기억합금과 2 방향 형상기억합금 이외에 다른 종류의 기억방식에 대해
간단히 알아보도록 하겠다. ‘전방향 형상기억합금’은 2방향 형상효과를 가지면서 실온이하의 더욱 낮은 온도로 냉각하면 고온에서의 형상과 반대의 형상이 나타나는 합금이다.
‘의탄성효과’는 변형을 주어 늘어났던 합금에 힘을 제거하면 원래의 형상으로 돌아가는
것을 말하는데 형상기억합금도 화학조성을 변화시켜 변태점을 적당히 조절하게 되면
상온에서 고무와 같은 큰 탄성을 나타내게 된다. 형상기억합금의 발견 모든 합금이 이러한 형상기억효과를 갖는 것은 아니다. 또한 특정한 원소, 조성에 따라형상기억합금의 성질도 달라진다. 어떻게 형상기억합금이 발견되었는지, 형상기억효과를 보이는 원인은 무엇인지에 대해 알아보자.
금속에 이 같은 형상기억효과 (Shape Memory Effect)가 있다는 것이 처음 알려진 것은
1938년 미국 하버드대학의 O. 그래냉거 교수와 MIT의 V. 무래디언 교수에 의해서였다. 그
후 1951년 미국 일리노이 대학의 T. Read 교수팀이 금-카드뮴(Au-Cd) 합금과 인듐-
티타늄(In-Ti) 합금의 형상기억효과를 연구하고 상변태에 의해서 발생하는 역학연구를
계속하고, 그 밖의 많은 학자들은 Fe-Pt, In -Cd, Fe -Ni, Ni-Al, 스텐레스강 등 여러 가지
합금이 정도의 차이는 있으나 형상기억을 나타낸다는 것을 발견했다. 1960년 미국
매릴랜드주에 있는 미해군 병기 연구소(Naval ordnance)에서 우연한 기회에 Ni와 Ti의
합금에서 형상기억특성이 확인된 이래 1963년 W. Buehler 박사가 이끄는 연구진에 의해서
니켈(Ni) - 티타늄(Ti) 합금이 뛰어난 형상기억성을 가진다는 것이 발견되었다. 실험도중
우연하게 니켈(Ni) 티타늄(Ti) 시편을 담뱃불 근처에 접근시켰을 때 시편이 꿈틀거리기
시작했는데 처음 이 현상을 발견하였을 때는 재료를 잘못 다룬 것으로 생각하였다. 그러나
그 현상이 다시금 되풀이될 수 있음을 알게 되었으며 그 정체가 상태변화에 의한
형상기억효과로 설명되어진 것이다. 그 후 학계 및 산업계의 큰 관심을 가지며
형상기억합금에 대한 연구가 활발히 수행되기 시작했다. 형상기억특성, 고온 및 저온에서의 결정구조등에 대하여 연구가 진행되었으며 1969년에 해저 케이블용 관의 커플링에
사용됨으로서 처음 경제적으로 실용화되기 시작했다.
그 동안 개발되고 응용된 형상기억합금은 니켈계(Ni), 구리계(Cu), 철계(Fe) 등으로
아연(Zn), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 등의 금속을 조합한 Cu -Zn-Ni, Cu -Al-Ni, Ag -Ni,
Au-Cd 등 수십 종류의 합금계가 있으나, 아직까지 기억력이 가장 좋은 합금은 니켈-
티타늄(Ni-Ti)합금이 가장 우수한 것으로 알려져 있다. 니티놀이라고도 불리는 이 합금의
성질을 통해 형상기억합금에 대해 더 자세히 알아보자.
니켈과 티타늄을 1:1의 원자수 비로 섞어 만든 합금인 니티놀은 온도가 변함에 따라서
결정구조가 변하는 특이한 성질을 가지고 있다. 온도가 낮을 때의 니티놀 원자 구조는 쉽게 변할 수 있는 반면 온도가 높을 때의 니티놀 원자 구조는 더 단단해서 변하지 않는다.
따라서, 온도가 낮을 때는 어느 모양으로 구부려도 구부러진 모양 그대로 있는 반면 온도가 가해지면 원래 형태로 돌아가고 다시 변형되지 않게 된다.
이런 놀라운 '기억 금속'의 비밀은 결정 구조에 있다. 결정 구조는 각각의 특성 형태와
각을 가진 수백만 개의 결정 단위의 반복으로 내부 구조가 형성되어 있다. 대부분의 금속
합금은 어느 정도 온도가 변해도 크게 영향을 받지 않는 내부 구조를 가지고 있다. 열을
가해 주면 단지 그 성분 원자가 더 빠르게 진동하게 되어서, 외부적인 힘을 가해
구부리거나 형태를 변화시킬 수는 있으나 분자 구조가 변하지는 않는다.
반면에 형상기억합금은 온도에 따라 변하는 두 개의 안정된 결정 구조를 가지고 있다.
온도 변화가 하나의 결정 구조를 다른 결정 구조로 바꿀 수 있는 것이다. 이런 변화가
일어나는 임계 온도는 합금 금속의 성분과 종류에 따라 달라진다. 니티놀은 -400℉(-
240℃) 에서 212℉(100℃) 까지 넓은 온도 영역에서 모양 기억 효과를 나타낼 수 있도록
만들 수 있다. 니티놀의 고온에서의 원자배열은 면심입방(주사위 모양의 입체로 8개의
모서리와 6개의 면의 중심에 원자가 배열되어 있는 것)으로 이루어져 있는데 이를 냉각하면 어느 온도에서 갑자기 원자배열이 같은 주사위 모양의 배열에서 8개의 모서리 원자는
그대로지만 면에 있던 원자는 주사위의 중심에 위치하게 되는 체심입방으로 바뀌게 된다.
온도에 따른 면심입방과 체심입방의 결정구조 변화로 인해 형상기억효과를 가지게 된다.
그러나 주어진 온도에서 기억 효과를 수행할 수 있기 위한 니켈과 티타늄의 적절한
비를 찾는 것은 시간이 많이 걸리고 어려운 과정이다. 티타늄의 높은 화학 반응 때문에 이
작업은 더 어려워지고 있다. 지금은 구리, 아연, 알루미늄 그리고 기타 미량의 금속들로
구성된 '기억 금속'의 연구도 활발하게 이루어지고 있다. 형상기억합금의 응용
그럼, 이렇게 개발된 형상기억합금들이 어떤 곳에 쓰이고 있는지 알아보자.
우선 사람의 체온에 의해 처음의 모양을 회복하는 물건들을 살펴보자.
가장 많이 알려진 것이 여성용 ‘메모리 브라 와이어’이다. 피부에 닿으면 처음의 모양으로 돌아오는 이 새로운 브래지어는, 세탁 때마다 휘고 구부러지는 브래지어 와이어로 고민하던 여성들의 사랑을 받기에 충분했다. 또한 보통 합금보다 10배 이상 큰 형상기억합금의 ‘초신축성’ 때문에, 착용할 때 늘어난 와이어가 체온에 의해 점차 가슴을 받쳐주는 원래의
형상으로 돌아오게 된다. 그리하여 이 메모리 브라 와이어는 새로운 금속재료의 소개와 더불어 각광받는 상품으로 인기다.
피부느낌의 형상기억합금 마우스도 개발되었다. 플라스틱의 일률적인 모양으로 만들어지던 기존 마우스와는 달리 형상기억합금으로 제작된 새로운 마우스는 사용하는 사람의 손모양을 기억하고 있다가 사람이 사용할 때 손의 체온에 의해 가장 사용하기 편한 모양으로 언제든지 변할 수 있게 되어 있다. 마우스 표면을 인간의 피부와 흡사한 느낌의 재질로 제작하여 손에 착 달라붙는 부드러운 느낌을 낼 수도 있다.
최근 이탈리아에서는 ‘더우면 자동으로 소매가 올라가는 셔츠’가 소개되었다.
형상기억합금인 니티놀 섬유 1가닥과 나일론 섬유 5가닥으로 짜여진 이 셔츠는 온도에
따라 소매의 길이가 조절되고 다림질도 필요 없다. 특정온도가 될 때마다 처음 만들어졌던
모양으로 돌아오게 되는데 온도가 올라감에 따라 몇 cm씩 짧아지도록 설정된 것이다.
온도가 높은 낮에는 셔츠 소매가 올라가 반팔이 되고 추운 밤에는 긴 팔로 바뀐다. 또한
섬유에 주름이 잡히거나 구겨져도 입기만 하면 체온에 따라 옷이 처음 상태로 펴지므로
애써 다림질할 필요가 없다.
요즘 인간을 닮은 로봇이 간단한 일이나 가사를 돕기 위해 만들어지고 활용되고 있다. 이 로봇의 팔 근육을 만드는 데에도 형상기억합금이 이용된다. 니티놀로 만든 로봇 팔에 전기를 사용해서 열을 가하면 합금이 움츠러들어 수축하고 열을 제하면 이완하는 특성을 이용해서 로봇의 관절부(그립, 손목, 팔꿈치, 어깨)에 사용할 수 있고 전기의 on/off로 빠르게 조절할 수 있다.
의료분야에서도 많은 부분에서 형상기억합금을 이용하고 있다. 왼쪽 그림은 니켈(Ni)-티타늄(Ti)으로 만든 치아 교정틀로, 형상기억되는 초탄성합금을 재료로 만든 것이다. 보통
금속이라면 소성변형이 일어날 정도로 큰 힘을 가해 변형시켜도 변형력을 제거하면
고무처럼 원래의 모양으로 회복하는 합금인 초탄성합금은 일정한 범위 내에서 일정한
힘을 가해주는데, 부드러운 힘이 계속적으로 작용하기 때문에 치료기간을 단축시킬 수
있다. 신축성을 가져서 오랜 기간 힘을 가해줄 수 있으므로 교정용 재료의 교체
횟수를 줄여준다.
교정틀 뿐 아니라 인공치근에도 상용된다. 잇몸 부분에 인공적으로 치아의 뿌리를 묻는
것으로서 인공치근의 끝부분에 미리 구부러진 치아의 모양을 기억시킨 다음 이것을 곧게
해서 잇몸에 넣는다. 소독한 온수로 양치질을 하여 인공치근 부분을 가열하면 원래 기억한
모양대로 굽어져 탄탄히 박아지게 되는 것이다.
치과이외의 병원에서도 치료에 형상기억합금을 이용하고 있다. 사람의 혈관 속으로 조그맣게 뭉쳐진 니티놀을 집어넣는다. 그러면 몸 속의 체온에 의해서 온도가 올라감에
따라서 니티놀이 펴지면서 손상받은 신체연결 부위, 골격 그리고 등뼈가 휜 것 등을 펴
주거나 지지해 주는 데 사용되고 있다. 인공 심장용 인공 근육, 골절부의 압박고정 등에
생체의학 재료로 사용되고 있다. 온도제어장치에도 이용된다.
최근에는 형상기억합금을 평판이 나쁜 스파이크타이어에 응용할 수 없을까 하는 연구가
진행 중이다. 형상기억합금은 온도에 따라서 모양이 바뀌는 요술 같은 합금이다. 타이어
속에 넣어 놓은 핀이 노면 온도가 낮은 눈길을 달릴 때는 밖으로 튀어 나오고, 온도가
오르면 속에 파고 들어가게 되는 구조로 좋다. 개발 중인 타이어 핀의 뿌리에
형상기억합금제의 스프링을 매립하여 그 신축을 이용하여 핀을 내고 넣는다. 저온일 때
핀이 밀려나오게 되고 고온일 때 스며드는 구조다.
그러나 한 가지 문제는 있다. 온도가 낮아도 도로에 눈이 없을 경우는 어떻게 할까? 온도가
낮아 핀이 튀어 나오면 눈이 없는 도로를 파손시킬 염려가 있다. 궁리한 끝에 미끄럼
감응형이란 타이어를 만들어냈다. 이것은 핀의 머리쪽을 둥글고 매끄럽게 하여 온도가 낮을 때 핀이 튀어나와도 그것만으로 노면이 찔리지 않게 한다. 눈 길에서 타이어가 한 번 구르기 시작하면 노면과의 마모로 핀이 기울고 비스듬히 노면에 찔리기 때문에 미끄럼을 막을 수 있다는 구상이다. 실용화된다면 생활에 유용한 타이어로 각광 받을 것으로 보인다.
아파트가 일반적인 우리나라에서는 실용화되기가 쉽지 않겠지만, 요즘 서양에서 새롭게
만들어 지는 지붕에는 열을 빼내고 소방관이 드나들 수 있는 통풍문을 만들어 화재를 쉽게 진압하게 하고 있다. 이 통풍문에는 형상기억합금을 이용한 스프링으로 된 고리가 달려있어 일정한 온도가 되면 (불이 나 내부 온도가 높아지면) 고리가 팽창되어 볼트가 빠지고 문이 열리게 된다.
온실의 온도를 자동으로 조절하는 데에도 이용되고 있다. 온실문의 연결쇠로
형상기억합금인 니티놀을 사용하면, 온실의 온도가 너무 높을 때 니티놀이 처음의 모양으로 돌아가려는 힘에 의해 문이 열리게 할 수 있다. 문이 열려 통풍이 이루어지면 온실 내부
온도가 낮아지게 되고, 온도가 낮아지면 문이 닫혀 실내온도를 유지하게 된다. 이와
유사하게 방 에어컨 실내기의 바람을 불어내는 부분의 날개의 각도조절에도 형상기억합금이 쓰인다.
커피메이커에서 포트의 뜨거운 물이 끓고 있을 때 타이밍이 맞게 끓는 물을 한번에 커피분말에 쏟게 하는 데도 이 합금이 쓰인다. 온도가 올라가면 위쪽의 뚜껑(형상기억합금)이 닫히고 증기압에 눌려 물이 위로 올라가게 되고, 온도가 내려가면 조절판이 열려 완성도니
커피가 아래로 내려오게 된다. 일반 빌딩과 가정에서 화재를 예방하고자 대부분
설치되어 있는 스프링클러는 화재 초기 단계에 물을 뿌려주어 큰 화재를 막아주는 신뢰성이 높고 물을 사용하기 때문에 사람에게도 비교적 안전하고 환경친화적인 소화설비이다. 그러나 일단 물을 뿜기 시작하면 사람이 조작하여 중단하지 않는 한 물뿌리기가 멈추지 않아 건물 및 가구 등에 대한 손해가 커지는 경우를 종종 볼 수 있다. 그러나, 형상기억합금을 이용하면 이러한 피해를 줄일 수 있다. 스프링클러용 배관의 헤드 부근에 전기 대신 형상기억합금의 온도변화에 따른 형상 회복력을 이용하여 화재발생에서부터
소화까지의 실내온도변화를 파악하여 물뿌림을 자동으로 제어할 수 있는 것이다.
자동차 분야에서는 온도가 자동 조절되는 라디에터 밸브나 냉각 팬클러치 등에 응용을
연구 중에 있다.
형상기억합금의 여러 응용 예를 살펴보고 있지만 무엇보다 많이 쓰이고 있는 부분은
항공기나 잠수함의 파이프 ‘이음쇠’이다 (왼쪽 첫번째 그림은 ‘티(T)자형’, 두 번째
그림은 ‘reducer’이다). 높은 온도에서 이음쇠를 만들 때, 연결할 파이프보다 이음쇠의
지름을 작게 만든 후 저온에서 이음쇠 끝부분의 구멍을 넓혀 양쪽 파이프를 연결해 준다. 그 후 온도가 올라가면 원래 크기로 돌아가 지름이 줄어들면서 이음쇠와 파이프가 강하게 연결된다. 실제로 미국 제트 전투기 F-104의 파이프 이음쇠로 100만개 이상을 니티놀로 사용했는데 기름이 새는 고장은 1건도 보고되어 있지 않다고 한다.
형상기억합금은 우주에서 인공 안테나를 설치할 때 많이 이용된다. 150℃정도에서
안테나를 만든 다음, 실온 온도에서 이 안테나를 접는다. 접힌 안테나의 부피가 작기
때문에 우주로 운반하기가 쉽다. 이렇게 인공 위성의 본체 속에 들어간 안테나는 위성이
정상궤도에 이르면 태양열을 통해 온도를 200℃ 정도로 올리면 본래의 모습을 기억하게
되어 처음의 크기로 펴진다. 1방향성인 안테나는 온도가 내려가도 원래의 모양을 유지하며
제 기능을 하게 되는 것이다.
안경테를 잘못 보관하여 테가 휘거나 구부러져도 원래의 형태를 기억하고 있기 때문에
라이터나 성냥을 통한 적은 열로도 원래 모양으로 돌아간다. 또한 형상기억합금의 주요
원소인 티타늄은 가벼워서 초경량 제품을 만들 수 있어 안경테로 쓰기에 적격이다.
형상기억합금의 전망과 과제 형상기억합금은 열에너지에 의해 ‘모양’이라는 정보를 기억하는 진기한 메모리 장치이다. 지금까지 살펴 본 것처럼, 곳곳에서 형상기억합금을 이용한 물건이 만들어 지고 있고 그 가장 큰 비중을 차지하는 합금은 니켈-티타늄의 합금인 니티놀이다. 형상기억효과가 뛰어난 니티놀은 우수한 특성을 가지고 있지만 가공하기 힘들고 용접과 모양을 만들기가 어려운 문제점들을 가지고 있다. 무엇보다 니티놀의 가격은 은보다 3배가 비싸서 실용화에 많은 어려움을 겪고 있다. 따라서 값싼 구리계와 철계를 이용한 실용화 연구가 한창이다. 가격이 비싼 티타늄 대신에 구리를 이용하면서 특수한 열처리법과 미량 합금원소의 첨가를 통해 구리를 주원료로 한 형상기억합금의 결점을 보완함으로써 새로운 저비용·고성능 형상기억합금 개발이 이루어지고 있다. 저가의 원재료인 구리, 아연, 알루미늄, 니켈 등을 사용해서 생산비용을 줄이고 기존 니티놀과 비슷한 기계적 성질과 형상기억효과를 가진 새로운 형상기억합금이 고가 형상기억합금을 대체하면 지금까지보다 활발히 활용될 것으로 기대된다.
오늘날은 센서가 크게 활약하는 시대로서 전자 장치나 에너지를 쓰지 않고 형상기억합금으로 센서와 같이 작동하게 하기도 한다. 입력되는 쪽인 센서와 출력하는 쪽인 구동장치인 드라이버의 양쪽을 잘 엮은 것이 될 것이다. 여성의 브래지어에서부터 이의 크라운(금관), 항공기 연료파이프의 이음쇠, 인공위성 안테나, 화재경보기, 방열기 밸브, 치열 교정 와이어, 열기관, 항공우주산업, 특수 공간인 심해, 우주, 방사능 노출공간에 이르기까지 용도가 날로 늘어가고 있다. 또한 형상기억합금과 같은 고성능소재는 향후
정보기술의 발달과 함께 진화하면서 발전속도가 더욱 빨라질 것이다. 21세기에는 새로운
형상기억 합금이 발견될 것이고 용도도 계속 확대되어 산업적인 공헌도 크게 할 것으로
보이는 무한한 가능성의 재료라고 할 수 있다.
최근에는 형상기억 플라스틱도 개발이 되어 실용화를 눈앞에 두고 있다. 고분자를
가열했을 때 생기는 수축은 메커니즘적으로 형상기억합금과 다르지만 현상적으로는
형상기억효과 자체다. 폴리우레탄을 이용한 한 형상기억 플라스틱은 형상기억합금에 비해
제조원가가 10분의 1밖에 들지 않을 뿐만 아니라 가볍고 다양한 형태로 만들기 쉬워
의료용에서부터 화장품, 섬유 등 응용분야가 무궁무진하다. 플라스틱의 형상기억 효과의
경우에는 열수축에 의한 회복력이 낮고 또한 재료 자체의 인장강도가 작으므로 외부에 힘이 작용하는 소자로서는 사용할 수 없는 반면 열수축 튜브나 필름으로서 사용할 때에는 이
성질이 이점이 된다. 필름이 수축되었을 때 안쪽 물품의 모양대로 늘어나 밀착성이 좋아지기 때문이다
