판금 제작, 분류

형상 기억 합금은 무엇인가요? 형상 기억 합금의 특성과 응용에 대한 가이드

12월 25, 2024

형상 기억 합금은 형상을 기억하고 열에 따라 변화하는 스마트 소재인 형상 기억 합금의 약자입니다. 이 글에서는 SMA의 정의, 작동 원리, 니티놀과 같은 일반적인 소재, 항공우주 분야에서의 적용 사례에 대해 설명합니다, 로봇 공학, 의학 등 다양한 분야의 전문가들과 함께 작업하고, 도전 과제와 진행 중인 연구 방향에 대해 논의합니다.

형상 기억 합금의 마법: 모양을 기억하는 재료

형상 기억 합금은 온도 변화에 따라 모양이 변하는 특수 금속입니다. SMA의 원자는 서로 다른 두 가지 결정 구조로 정렬되는 경향이 있습니다.

원자 구조

SMA는 결정 구조라고 불리는 패턴으로 서로 맞는 아주 작은 원자로 구성되어 있습니다. 한 온도에서 원자들은 마르텐사이트라고 불리는 압착 구조로 서로 밀착하는 것을 선호합니다. 더 높은 온도에서는 오스테나이트라고 하는 개방형 구조로 퍼져 나갑니다. 이러한 원자 배열을 전환할 수 있다는 점이 SMA에 특별한 형상 기억 합금을 부여합니다.

열로 모양 변경

마르텐사이트 구조에서 SMA가 구부러지면 새로운 모양을 기억합니다. 그러나 특정 온도 이상으로 가열하면 오스테나이트 구조로 변형되어 원래의 구부러지지 않은 모양으로 되돌아갑니다. 이를 형상 기억 효과라고 합니다. 예를 들어, SMA 와이어는 구부러졌다가 뜨거운 물로 가열하면 다시 곧게 펴질 수 있습니다.

구부러진 모양에 갇히기

일부 SMA는 초탄성 또는 의사 탄성이라는 또 다른 멋진 효과를 나타냅니다. 차가운 상태에서 특정 지점을 지나 구부러지면 원자가 갑자기 마르텐사이트 구조로 바뀌면서 깨지지 않고 새로운 모양을 수용합니다. 그러나 구부러진 상태에서 풀면 열 없이도 오스테나이트로 부드럽게 다시 변합니다. 마치 구부러진 형상 기억 합금에 금속이 구부러지지 않을 때까지 갇혀 있는 것과 같습니다.

니티놀은 우리 몸에 어떻게 도움이 되는가

니티놀은 매우 독특한 금속 3D 프린트 모양에 대한 기억을 가질 수 있습니다. 의사는 금속의 형상 기억 합금으로 알려진 기억 유형을 위해 인체에서 니티놀을 사용합니다. 니티놀은 문제를 해결하고 약을 투여하는 데 도움이 됩니다.

동맥의 협착된 부분을 엽니다.

때때로 동맥 내부에 지방 침전물이 쌓여 혈액의 흐름을 막는 것을 막힘이라고 합니다. 의사는 막힌 동맥을 열기 위해 스텐트라고 하는 작은 그물망을 삽입합니다. 스텐트는 니티놀로 만들어집니다. 그들은 작게 압착되어 카테터라고 불리는 얇고 유연한 튜브를 사용하여 동맥에 삽입됩니다. 스텐트가 제자리에 삽입되면 체온에 의해 따뜻해지면서 막히지 않은 모양으로 튀어나와 동맥을 넓게 열어 혈액이 흐르도록 유지합니다.

관절 교체로 통증 완화

또 다른 응용 분야는 무릎이나 엉덩이와 같이 마모된 관절의 일부를 교체하는 데 니티놀을 사용하는 것입니다. 관절 교체는 부드러운 움직임을 가능하게 합니다. 니티놀 임플란트는 구부러지기 때문에 실제 뼈처럼 움직입니다. 수술 중에 몸에 맞게 모양을 만든 다음 그 모양을 기억합니다. 따라서 임플란트가 마모되지 않고 오래 지속됩니다.

제때 약을 복용하기

의사들은 니티놀로 작은 용기를 만들어 체내에 약을 운반하고 있습니다. 약은 복용량을 방출할 때가 될 때까지 내부에 보관됩니다. 이 용기는 신체의 한 부분에서 발견되는 특정 온도에서 열리도록 설계되었습니다. 따라서 용기를 교체하는 수술 없이도 적시에 적절한 양의 약을 투여할 수 있습니다. 니티놀의 형상 기억 합금은 정확한 타이밍에 맞춰 질병을 치료하는 데 도움이 됩니다.

모양이 바뀌는 니티놀 날개

니티놀은 스스로 모양을 바꿀 수 있기 때문에 엔지니어들은 비행기 날개와 부품에 니티놀을 사용하고 있습니다. 니티놀은 곧게 뻗은 모양과 구부러진 모양, 두 가지 모양을 '기억'합니다. 이는 비행기가 다양한 날씨에서 더 잘 비행할 수 있도록 도와줍니다.

바람에 적응하는 날개

항공우주 엔지니어들은 니티놀로 특별한 비행기 날개를 만들고 있습니다. 이 날개는 내부의 작은 니티놀 와이어 덕분에 비행 중에 형상 기억 합금을 조정할 수 있습니다. 바람이 거칠어지면 와이어는 공기와의 마찰로 인해 가열됩니다. 그러면 니티놀은 날개를 약간 구부릴 것을 '인지'합니다. 이렇게 하면 날개의 모양이 딱 맞게 유지되어 공기가 원활하게 흐르게 됩니다. 덕분에 비행기는 폭풍우 속에서도 흔들림 없이 힘차게 날 수 있습니다.

스스로 움직이는 날개 플랩

일반 비행기의 날개는 사람이나 모터에 의해 움직입니다. 하지만 니티놀 플랩은 스스로 각도를 바꿀 수 있습니다! 엔지니어들은 니티놀로 플랩을 만듭니다. 이착륙할 때 플랩은 비행기가 속도를 줄이거나 높일 수 있도록 아래쪽으로 기울어져야 합니다. 플랩의 니티놀 와이어는 비행기가 빠르게 또는 느리게 날아갈 때 발생하는 온도 변화를 감지합니다. 이 와이어는 모터 없이 자동으로 플랩을 제자리로 끌어내립니다. 이를 통해 연료를 절약하고 비행 효율을 높일 수 있습니다.

노즐에서 브래킷까지 - 모양이 바뀌는 부품

비행기와 로켓의 많은 소형 작동 부품에는 니티놀을 사용합니다. 예를 들어 속도에 따라 출구 영역이 바뀌는 로켓 엔진 노즐이 있습니다. 니티놀 경첩을 사용하면 나사 없이도 이동식 브래킷을 제자리에 고정할 수 있습니다. 형상 기억 합금을 통해 니티놀은 다음과 같은 이점을 제공합니다. 항공우주 구성 요소는 더 안전하고 원활한 비행을 위해 필요할 때 바로 모양을 변경합니다.

형상 기억으로 움직이는 로봇

엔지니어들은 형상 기억 합금(SMA)을 사용하여 배터리나 배선 없이 로봇이 스스로 움직일 수 있도록 합니다. SMA는 두 가지 모양을 '기억'하고 온도 변화에 따라 모양을 전환할 수 있습니다. 이 특별한 특성 덕분에 로봇 시스템의 근육처럼 작동할 수 있습니다.

SMA 액추에이터로 로봇 모션 구동

많은 로봇이 SMA 와이어 또는 스트립을 독립형 액추에이터로 사용합니다. 전압이나 뜨거운 물이 가해지면 SMA는 구부러지거나 늘어나는 것을 '기억'합니다. 이 동작을 통해 로봇 관절이 흔들리고 그리퍼가 열리고 닫히는 등의 작업을 수행할 수 있습니다. 예를 들어 한 로봇 손에는 각 손가락에 SMA 액추에이터가 있어 잡는 자세로 구부릴 수 있습니다. 수중이나 우주에 있는 원격 제어 로봇도 전자 장치 없이 SMA 액추에이터를 사용할 수 있습니다.

보다 실제와 같은 '소프트' 로봇 설계

SMA를 사용하면 로봇은 동물이나 사람처럼 더 유연하고 가벼운 몸체를 가질 수 있습니다. 엔지니어들은 유연한 튜브나 시트에 실리콘으로 코팅된 SMA 와이어를 내장한 '부드러운' 로봇을 만듭니다. 열을 받으면 SMA가 국부적으로 수축하여 딱딱한 부품 없이도 몸부림치기, 구부리기, 잡기 등의 복잡한 동작을 수행할 수 있습니다. 이 소프트 로봇은 언젠가 비정상적인 환경을 탐색하여 구조 임무나 의료 절차에 도움을 줄 수 있습니다.

SMA의 형상 기억 합금 효과로 실제와 같은 로봇 동작을 구현할 수 있습니다. 이를 통해 육상, 해상, 공중, 우주, 심지어 인체 내부에서도 자동화를 위한 새로운 가능성이 열립니다.

건물 안전을 위한 형상 기억 활용

토목 엔지니어는 지진에 견디고 인프라 마모 등을 모니터링하기 위해 구조물에 형상 기억 합금을 사용합니다. SMA는 열에 따라 모양을 '기억'하고 변화하기 때문에 건설에 도움이 됩니다.

지진을 완충하는 댐퍼

SMA는 건물의 내진 설계에 도움이 됩니다. 엔지니어는 건물 바닥과 기초 사이에 SMA 동력 댐퍼를 설치합니다. 지진이 발생하면 바닥과 기초가 서로 다른 주파수로 진동합니다. 일반적으로 이 진동은 시간이 지남에 따라 손상을 일으킵니다. 하지만 SMA 댐퍼는 진동을 감지합니다. 댐퍼는 수축하여 흔들림으로 인한 에너지를 흡수하고 발산합니다. 따라서 추가적인 동력 없이도 구조물을 지진으로부터 완충합니다.

금속 피로 확인

SMA 와이어 코일은 교량, 터널 및 기타 인프라의 피로를 평가할 수 있습니다. 중요한 금속 위치에 배치된 코일은 여러 부하 주기에 걸쳐 천천히 수축합니다. 엔지니어는 코일을 정기적으로 점검합니다. 코일이 예상보다 더 많이 수축하면 근처에 신호를 보냅니다. 금속 시트 제작 반복적인 하중 스트레스로 인해 예정보다 빨리 약화될 수 있습니다. 따라서 장애가 발생하기 전에 면밀한 점검이 필요합니다.

재해 발생 후 변형 감지

지진이나 홍수가 발생한 후, 도로와 건물 균열에 SMA로 감싼 센서를 설치하면 당국이 원격으로 균열의 확대를 추적할 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 균열이 커지면 더 큰 불안정성이 존재한다는 것을 의미하며, 이는 값비싼 수리가 필요합니다. 소형 SMA 센서는 지루한 현장 측정 없이도 가장 시급한 재건의 우선순위를 정하는 데 도움이 됩니다.

형상 기억 합금 작업의 과제

SMA는 놀라운 적응 특성을 보여주지만, 그 잠재력을 최대한 실현하려면 내구성을 둘러싼 문제를 해결해야 합니다, 열역학, 및 프로덕션.

SMA는 원자 구조 사이를 전환할 때마다 스트레스를 받습니다. 이러한 피로는 여러 번의 연속적인 주기에 걸쳐 약화 또는 성능 저하를 일으킬 수 있습니다. 수명을 개선하는 것은 여전히 중요합니다.

형상 기억 합금 효과는 또한 가열 및 냉각 메커니즘에 정확하게 의존합니다. 세심한 열 관리를 통해 SMA가 일관된 성능을 위해 필요한 온도에 균일하게 도달할 수 있도록 합니다. 실제 조건은 열 제어에 영향을 미칠 수 있습니다.

다양한 기계적 역할을 위해 정확하고 복잡한 기하학적 형태의 SMA를 생산하려면 세심하고 비용이 많이 드는 제조 방법이 필요합니다. 엔지니어들은 SMA 속성을 비용 효율적으로 구성하기 위한 새로운 기술을 연구합니다.

결론적으로 형상 기억 합금은 다양한 응용 분야를 가능하게 하는 놀라운 적응성을 보여줍니다. 지속적인 연구를 통해 이러한 "스마트" 소재의 도전과제를 해결하고 가능성을 발전시키고자 합니다. 앞으로의 응용 분야는 형상 기억 합금이 고유한 형태 기억을 통해 진화하는 요구 사항을 얼마나 잘 충족할 수 있는지에 따라 결정될 것입니다.

결론

결론적으로 형상 기억 합금은 다양한 분야에 걸쳐 엄청나게 혁신적인 응용 분야를 촉발한 정말 독특한 특성을 보여줍니다. 온도에 따라 자동으로 '기억'하고 모양을 변화시키는 능력은 기존 소재와는 다른 유용성을 제공합니다. SMA는 향상된 의료 기기, 더욱 안정적인 로봇 공학 및 자동화 기술, 향상된 항공 우주 및 토목 공학 구조 솔루션 등을 가능하게 했습니다.

하지만 형상 기억 합금의 적응 능력을 완전히 활용하려면 문제를 해결하기 위한 지속적인 노력이 필요합니다. 전 세계 연구자들은 형상 기억 합금 재료의 거동을 더 잘 이해하고, 제조 공정을 개선하며, 기계적 성능과 내구성을 향상시키고, 정밀한 열 제어 및 에너지 전달 방법을 발전시키기 위해 계속 노력하고 있습니다. 이러한 분야를 해결하면 "스마트" SMA 기술로 가능한 것의 한계를 넓히는 데 도움이 될 것입니다. 이러한 놀라운 기술에 대한 지식의 확장을 통해 미래는 여전히 밝습니다. 합금 재료 그리고 더욱 영향력 있고 삶을 변화시키는 애플리케이션에 힘을 실어줄 잠재력을 가지고 있습니다.