형상기억 소재: 열에 의해 구부러지고 회복하며 변형하는 원리

오늘은 점점 더 중요해지고 있는 소재, 바로 형상기억 소재(Shape Memory Materials)를 소개합니다.

이 소재는 변형된 후 외부 자극(주로 온도)을 가하면 원래 형태로 회복하는 특성을 지닙니다. 앞서 다른 게시글에서 언급했듯, 이는 스마트 소재의 일종입니다.

예를 들어, 수저나 핀이 휘어진 적이 누구나 있을 것입니다. 이것을 난방기에 올려두기만 하면 원래 모양으로 돌아간다고 상상해 보세요. 형상기억 소재로는 이것이 가능하며, 그 장점은 여기서 그치지 않습니다.

형상기억 소재란 무엇인가?

언급했듯, 형상기억 소재는 변형을 겪은 후 원래 형태로 되돌아갈 수 있습니다. 이렇게만 들으면 탄성 소재와 비슷해 보이지만, 실제로는 완전히 다릅니다. 차별점은 변형을 가한 힘이 사라져도 변형된 형태가 유지되며, 소재의 온도를 높여야만 원래 상태로 돌아간다는 점입니다.

온도에 의한 원래 형태 회복은 소재 내부 구조의 변화 때문입니다. 이 소재들은 저온에서 층상 및 섬유상 배열을 띠며, 층간 이동이 쉬워 변형이 용이합니다. 이를 마르텐사이트 상(Martensitic state)이라 부릅니다. 가열하면 소재는 훨씬 단단한 입방체 배열로 바뀌어 물질의 이동과 변형을 더 이상 허용하지 않으며, 이를 오스테나이트 상(Austenitic state)이라 합니다. 층상 구조에서 입방체 구조로의 이 전이(Transition)는 소재를 원래 형태로 되돌리고 모든 변형을 해제할 만큼 강력한 힘을 가집니다. 온도가 다시 낮아지면 소재는 층상 배열로 돌아가 다시 변형 가능해집니다. 이 과정은 소재의 원자 배열에 기인하므로 수많은 반복에도 거동에 영향을 주지 않아, 센서나 밸브 등에서 마모나 피로로 인한 기계적 파손을 방지할 수 있습니다.

기업에서 형상기억 소재의 용도는?

마르텐사이트 상에서 오스테나이트 상으로 전이시키려면 온도를 높여야 합니다. 이는 열을 가하거나, 매우 편리하게 전기를 가해 달성할 수 있습니다. 전기로 온도 조절이 가능하다는 점은 이들이 액추에이터나 센서로 작용하기에 이상적임을 의미합니다. 변형 회복이 동일 온도에서 항상 동일하게 일어나므로 매우 정밀한 액추에이터와 센서로 활용할 수 있습니다. 또한, 이러한 소재에서의 변형은 일반 소재보다 빠르게 일어나 관련 응용 분야에서 유리합니다.

형상기억 소재가 열을 받아 원래 형태로 돌아가고 다시 변형될 수 있다는 점을 논의했습니다. 이는 일부 응용에 편리하지만, 액추에이터처럼 두 고정 위치 사이를 오가야 하는 경우엔 어떨까요? 가능합니다. 서로 다른 온도에서 두 가지 형상 기억을 갖는 소재가 존재하기 때문입니다. 이를 통해 두 개의 서로 다른 알려진 온도에서 소재의 기하학적 형상을 설정할 수 있어 매우 편리합니다.

형상기억 소재의 종류

현재 가장 널리 쓰이는 형상기억 소재는 금속계입니다. 그중 니티놀(Nitinol, 니켈-티타늄 합금)은 우수한 특성으로 가장 많이 사용됩니다. 그 외에도 구리-아연-알루미늄(Cu-Zn-Al), 구리-알루미늄-니켈(Cu-Al-Ni), 철-망간-실리콘(Fe-Mn-Si) 합금 등도 형상기억 효과를 보입니다.

과거에는 금속계만 알려졌으나, 최근 연구로 고분자(플라스틱) 형상기억 소재가 등장했습니다. 플라스틱 특성 덕분에 경량 부품이 필요한 분야에서 매우 유망합니다. 또한 형상변화 또는 자기치유 고분자 소재도 형상기억 소재와 유사한 특성을 가집니다.

아직 연구 단계이며 널리 쓰이지 않는 유형으로는 형상기억 세라믹과 형상기억 강자성 소재가 있습니다. 하지만 앞으로 이 모든 유형이 큰 영향을 미칠 것으로 확신합니다.

응용 분야

몇 가지 응용 예를 소개합니다:

현재 확대되고 있는 응용 중 하나는 용접 없이 파이프를 연결하는 것입니다. 원리는 간단합니다. 형상기억 소재를 튜브 안에 넣고 가열하면 원래 형태인 더 큰 직경으로 팽창해 튜브를 단단히 고정합니다. 소재가 튜브 내부에서 가하는 압력만으로도 결합되며, 경우에 따라 용접보다 강한 접합력을 보입니다.

같은 원리가 의료 분야의 폐색 개방에도 쓰입니다. 체내에서 체온에 닿으면 팽창해 혈류를 재개하는 소형 스텐트를 막힌 정맥이나 동맥에 삽입합니다.

이것들은 관형 기하학에서의 응용이지만, 적용 분야와 가능한 기하학은 매우 넓습니다. 예를 들어 자동차나 항공기 차체에 적용해 주행 중 형상을 변경, 공기역학을 개선하고 연료 소비를 줄일 수 있습니다. 액추에이터를 생각하면, 미래의 대다수는 형상기억 소재로 만들어질 것입니다!

현재 형상기억 소재는 의료 기기 및 용품(치과 임플란트, 수술 도구 등, 멸균이 용이함), 일상 용품(체온으로 형태를 회복하는 와이어 브래지어, 앉았다 일어나면 형태를 되찾는 매트리스), 그리고 경량·내열성이 뛰어나 우주 항공 부품(로켓, 우주 탐사선)에도 널리 쓰입니다.

이러한 다양한 응용과 장점 덕분에 향후 몇 년간 형상기억 소재는 더욱 주목받고, 우리도 모르는 사이 더 많은 제품에 쓰이게 될 것입니다. 지금 이 분야는 활발히 연구되고 있습니다.

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