형상 기억 합금

서론

 

보통 금속은 탄성한계를 넘어서 변형을 주면 데우거나 식혀도 원래 형태로 돌아가지 않는다. 그러나 어떤 합금은 고온에서 적당한 형상으로 성형한 다음 실온에서 변형한 후 다시 가열하면 원래 성형한 모양으로 되돌아간다.
이러한 효과를 형상 기억 효과라고 하는데, 이는 합금이 주어진 형상을 원자 배열로서 기억하고 있기 때문에 생긴다. 이러한 효과는 확산에 의하지 않고 변태하는 합금에서 나타나는데, 고온의 모상원자배열이 저온에서의 변형 때도 기억되고 있다가 다시 고온이 되면 원래의 원자 배열로 재배열하는 것이다.
이 효과는 형상 회복과 동시에, 큰 힘이 발생한다. 힘이 발생하기 때문에 형상 기억 합금은 감지 소자로서의 용도만이 아니라 기계 부품을 죄는 데 쓰거나, 열 엔진으로서 열 에너지를 위치 에너지나 운동 에너지로 변환시키는 데도 이용된다.
현재까지 이런 효과가
확인된 합금은 20여 가지인데 금은처럼 귀금속을 주성분으로 하는 것, 13족 원소를 주성분으로 하는 것, 티타늄-니켈로 대표되는 금속 간 화합물로 대별된다.

 

본론

1960년대 초 개발되어 현재 달 표면 안테나나 인공위성 안테나 재료로 사용되며, 화재 경보기나 방열기의 온도 제어에도 쓰인다. 그밖에 전자기나 의료 용구, 에너지 개발 등에도 폭넓게 쓰이는데,
가격이 비싸다는 점과 동작 반복에 따른 성능 저하가 문제로 지적되어 이에 대한 연구가 진행 중이다

 

합금의 종류와 관련기술

형상기억효과를 나타내는 합금은 10종 이상 알려져 있으나 실용성 있는 것은 Ni-Ti 계, Cu-Zn-Al 계 2종류이다. 전자의 경우 성능, 가공성이 뛰어나고 가격이 비싼 반면 후자는 재료비용, 열간가공성에서 유리하고 효과면 에서 다소 약한 것으로 평가된다.
또한 V, Cr, Mn, Co등의 제 3원소를 첨가할 경우에 변태온도가 낮아지고 Hf, Zr, Pd, Pt등의 제 3원소가 첨가될 경우 변태온도가 상승하는 것으로 알려진다.
이들 원소중 Ti-Ni 2원합금에 Zr을 첨가할 경우 열싸이클에 의한 변태온도의 변화가 커서 실용화에 어려움이 있으며 Pd과 Pt의 경우는 이들 원소가 다소 고가인점이 실용화 측면의 어려움으로 지적된다. Ti-Ni-Hf형상기억합금은 Ms가 470K으로 고온용 형상기억합금으로 주목받고 있다.
현재 산업적으로 응용되는 Ti-Ni합금은 Ti와 Ni을 원자의 수로 같은 량, 즉 원자비 1:1로 함유한 합금이다. Ti과 Ni은 비중이 다르므로 중량비는 Ti 45%, Ni55%

●산업적 제조방법

기업에서 형상기억합금을 제조하는 방식은 벌크타입과 포르스타입으로 나뉜다. 벌크타입의 경우 합금을 용해한뒤 압연, 신선 과정을 거친다. 이 합금을 주로 의료용과 산업용으로 사용된다.
포르스 타입은 불꽃점화한뒤 순간연소를 유도 합금을 제조하는 방식. 뼈와 같은 물성을 가지기 때문에 주로 의료용으로 사용된다. 현재 국내에서 벌크타입을 상용화 되고 있으나 포르스 타입은 상업화를 위한 시험단계에 있다. 실용화 될 경우 골절치료용등 인체 장기를 대체하는 의료용 수요의 급증으로 부가가치가 높을 것으로 예상된다.

□특허동향

형상기억합금은 최근 냉장고, 반도체, 첨단 의료소재 등 다양한 신기술분야에 응용되면서 관련 특허 출원 사례도 늘고 있다.

인체친화성이 높고 초탄성(超彈性) 및 흡진성(吸振性) 등 인체조직과 같은 성질을 가져 `살아있는 금속´으로 불리는 형상기억합금은 앞으로 의료용구 생체재료와 바이오 분야에 접목될 경우 수천억원대 시장을 형성하고 적지않은 수입대체효과까지 올릴 수 있을 것으로 기대되기 때문이다.
특허청에 따르면, 1985년 이전에는 불과 5건에 불과했던 형상기억합금 관련 출원이 1990년 55건, 1995년 58건, 2000년 88건, 2002년 91건으로 해마다 늘고 있다.
기술내용별로는 밸브 관련 분야 55건, 냉장고 관련 37건, 반도체 관련 31건, 전기적 스위치 30건, 소재관련 발명은 22건이었다. 또 5건이하의 출원된 기술분야가 무려 130여개에 달해 형상기억합금 관련 기술은 전 산업기술분야에 걸쳐 골고루 출원되고 있으며 그 응용범위도 매우 넓다. 그러나 고부가가치의 의료용구 관련분야는 시장성은 좋으나 특허 출원은 아직 미미한 것으로 집계됐다.


3. 국내외 기술동향

□국내외 개발사례

일본 시즈오까(靜岡)현 하마마쓰(浜松)공업기술센터는, 지난 97년 6월 플라즈마 소결법에 의한 분말야금제법으로, 균일 조성의 양질 티탄과 니켈 형상기억합금을 만드는 데 성공했다. 통상적인 용해법으로는 불가능한 산화티탄 등의 불순물을 포함하지 않으며 소(空孔)도 거의 없는 단층 합금의 효율적인 제조법을 발견한 것이다.             
실험에서는 볼 밀(교반혼합기)을 사용, 티탄과 니켈을 산화방지제 안에서 혼합한 다음, 플라즈마 소결의 최적 제조 조건을 탐구했다. 재료에는 니켈 49%, 티탄 51%와 니켈 50%, 티탄 50%의 2가지 몰비(원자수량비)로 혼합한 것을 준비했다.
양재료 모두 900∼1,000℃로 플라즈마 성형의 형 온도를 보존, 1㎠당 500kg의 압력을 가해 소결한 결과, 5초만에 균일 조성의 형상기억합금이 되었다. 이제까지의 분말야금법 실험은 핫프레스가 주류였으나, 진공 상태로 10시간 이상의 소결시간이 걸렸다. 또한 용해법도 이번 실험 이상의 고온에서 행해졌다.
의료용금속재료업체인 바이오스마트는 지난 2000년 10월 서울 시립 보라매 병원 연구진과 공동으로 골절치료용 티타늄-니켈 형상기억합금재료를 국산화했다. 연구팀은 토끼의 뼈와 근육에 이 제품을 이식한 결과 병리검사상 이상이 나타나지 않았고 오히려 기존 재료보다 생체적합성이 뛰어난 것으로 나타났다고 설명했다.
또 60명의 환자를 대상으로 지난 1년간 임상시험한 결과 비슷한 결과가 나타났으며 35도 전후에서 금속의 변태(유연한 상태에서 딱딱한 상태로 변함)가 일어나 인체 체온에 적합한 것으로 조사됐다고 덧붙였다. 이식재료 부하가 걸렸을때 변형이 적으며 이식물과 뼈가 제대로 고착돼 뒤틀림이나 유동이 없는 것으로 확인됐다.

PC 주변기기 개발 벤처 ㈜SNM테크는 지난 2001년 3월 딱딱한 플라스틱으로 일률적인 모양으로 생산되던 기존의 마우스와는 달리 형상기억 합금으로 제작, 사용자에게 사용하기 편한 모양으로 변형되는 마우스가 개발했다.
이 제품은 마우스를 사용하는 사람의 손모양을 기억하고 있다가 가장 사용하기 편한 모습으로 언제든지 변하는 특징이 있다. 또 인간의 피부와 흡사한 느낌의 재질로 제작돼 `손에 착달라붙는´ 부드러운 느낌이 나는 것이 장점이다.

북한 의료계는 지난 2002년 3월 형상기억합금(티타늄ㆍ니켈)을 이용한 혈관확장술을 개발해 임상실험을 실시하고 있다고 조선중앙통신이 밝혔다.

첨단의학기술이 도입된 혈관확장술은 심장ㆍ흉부ㆍ복부의 대동맥과 팔ㆍ다리 혈관의 협착증 때 이용된다면서 "혈관확장술은 임상실천(임상실험)에서 큰 은(효과)을 내고 있다"고 중앙통신은 밝혔다. 중앙통신은 이어 혈관확장술은 가는 관을 혈관에 넣어 막힌 곳을 뚫고 다시 좁아지지 않도록 나선형의 합금을 넣어주는 방식이라면서 "수술받은 환자는 24시간 이후부터 정상적인 활동을 할 수 있다"고 말했다.

일본 도호쿠(東北)대학 연구팀은 지난 2002년 8월 형상기억 합금을 이용한 초소형 심장 보조 장치를 개발했다. 이 장치는 약해진 심장 근육의 수축을 심장 마사지를 하는 것처럼 도와주는 인공심근으로 길이 8㎝, 폭 1㎝에 무게는 20ｇ. 펌프로 혈액을 보내는 무게 1㎏ 이상의 삽입식 인공 보조 심장에 비해 크기와 무게가 크게 줄어들었다.
이 인공심근은 냉각 능력이 있는 반도체 소자가 장착돼 있어 초당 1회 정도의 심장 수축이 가능하며 내시경 수술로 심장에 `부착´할 수 있다. 이식이 필요한 중증 심장 환자는 물론 심근경색 등으로 심장 기능이 약해진 환자가 이 장치를 보조적으로 사용할 경우 쾌적한 생활을 보낼 수 있을 것이라고 연구팀은 설명했다.

이탈리아에 있는 의류제조 회사인 코포 노베 사는 지난 2001년 8월 근 기온이 올라가면 자동으로 소매가 올라가 시원해지는 셔츠를 개발했다고 과학잡지인 뉴사이언티스트가 밝혔다. 이 옷은 여성의 속옷처럼 형상기억합금을 이용해 만든 옷. 온도에 따라모양이 달라지는 금속으로 가는 섬유를 만든 뒤 일반 섬유와 엮어 옷을 만들었다. 이 옷은 기온이 일정 온도 이상으로 올라가면 금속이 자동으로 줄어들거나 접혀지면서 소매가 올라간다. 허리 부분에 이 금속을 이용하면 여름에는 자동으로 배꼽티가 되는 셈이다.
온도에 따라 바로 반응하기 때문에소매가 올라갈 때까지 기다릴 필요도 없다. 별도로 다림질이 필요없는 것도 이 옷의 장점이다. 옷이 구겨지거나 주름이 잡힐 경우 헤어드라이어로 몇 번 더운 공기를 쏘여 주면 원래 모양으로 펴진다. 더운 여름에는 입고만 입어도 옷이 펴진다. 이 옷은 물빨래를 해도 된다.

□국가별 개발동향

기술선진국인 미국과 일본 등은 지난 80년대 후반 합금제조에 관한 원천기술을 확보한 후 상용화에 앞장서고 있다. 뒤이어 러시아와 중국도 제조기술을 개발, 상용화를 서두르고 있다.

미국의 경우 70년대 부터 우주항공분야와 군사부문에 관련기술을 적용, 제품화 했다.

일본은 각종 산업용자재로 상용화하고 있으며 러시아는 의료용, 중국은 의료용과 산업용 재료개발에 앞서 있다.

국내에서는 지난 83년 한국과학기술원(KAIST)의 재료실험팀이 니켈-티타늄 50:50 비율의 합금에 처음으로 성공한 데 이어, 86년 4월 정밀금속재료연구실팀이 의료용(치열교정용 와이어)의 형상기억합금 개발에 성공했다.

이러한 개발이 산업화로 이어지지 못하고 또한 후속 연구 개발이 미진해 재료 제조기술과 관련된 원천기술은 기술 선진국에 비해 뒤져 있는 상황이다. 이에 따라 현재 국내에서 상품화된 제품들은 대부분 합금을 외국에서 수입, 제품화하는 사례가 많다.

그러나 최근 국내 중소 벤처기업인 `바이오스마트´가 의료용 형상기억합금 소재 개발의 국산화에  성공, 산업화 한 것으로 평가된다

 

                                                                                           <출처: 김은정님 지식글>