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금속의 끊임없는 진화, 기억 - 형상기억합금
<KISTI의 과학향기> 제99호 2004년 02월 27일
주인의 체형을 기억하는 속옷, 날씨가 더워지면 자동으로 말려 올라가는 셔츠, 뜨거운 물만 부으면 언제나 원상 회복이 가능한 자동차가 있다면? 흔히 생명체 고유의 것으로만 생각되던 ‘기억’이 이젠 금속에게도 해당 되야 할 듯 하다. 이는 바로 ‘형상기억합금’ 때문이다. 일반적인 금속은 탄성 한계를 넘어선 변형이 가해지면 원래의 형태로 돌아가지 않지만, 형상기억합금은 어떤 특정 조건만 만족하게 되면 금속 자체가 갖는 원래의 형상을 기억해 본래의 모습으로 돌아가게 된다.이와 같은 형상기억합금의 비밀은 바로 원자의 배열에 있다. 보통 금속은 구부리거나 늘이거나 열을 가해도 원자 배열이 바뀌지 않지만, 형상기억합금은 온도를 높이거나 냉각하면 배열 자체가 바뀌게 된다. 즉 고온에서는 강철을 담금질 할 때 형성되는 조직구조 중 하나인 오스테나이트상(相)이라고 하는 원자 배열 구조를 갖지만, 냉각하면 마르텐사이트상(相)으로 변한다. 마르텐사이트상은 외부의 힘에 의해 변형이 가능하므로 이때 원하는 물건의 형태를 만든 뒤, 고온에 가열해 오스테나이트상으로 그 모양을 기억시킨다. 그러면 뒤에 어떤 다른 변형이 있다 하더라도 열만 가하면 항상 오스테나이트 상으로 돌아와 원래의 형태로 돌아가게 된다.
예로 형상기억합금에 주로 쓰이는 니티놀(Nitinol: 니켈과 티타늄을 거의 절반씩 섞은 합금)로 위성안테나를 만든 뒤 특정 온도에 가열하면 이 모양이 그대로 기억된다. 이 안테나는 일상온도에서 뭉쳐놓거나 찌그러뜨리면 그대로 있지만, 특정 온도 이상으로 열을 가하면 어느새 위성안테나의 모습으로 복원된다. 이로 인해 부피를 크게 줄일 수 있어 형상기억합금 안테나는 1969년 인간이 최초로 달에 착륙한 아폴로 11호 이후로 우주탐사선에 빠지지 않고 등장하고 있다.
한때 우주선이나 산업용으로만 쓰이던 형상기억합금은 일상생활에서도 흔히 찾아볼 수 있다. 가장 대표적인 것이 여성용 브래지어로 세탁 과정에서 비틀어져도 체온이 닿으면 다시 그 사람의 체형대로 변형된다는 장점이 있다. 또한 흥미로운 점은 형상기억합금이 원래의 형상을 회복할 때 큰 힘이 발생한다는 것이다. 이런 현상을 이용해 기계부품을 죄거나, 체온에 의해 치아를 단단히 묶어주는 치열교정용 와이어에 사용되는 등 형상기억합금의 응용분야는 그야말로 무궁무진하다고 할 수 있다.
뿐만 아니라 형상기억합금은 인체 친화성이 높고 초탄성(超彈性) 및 흡진성(吸振性) 등 인체 조직과 같은 성질을 가진 것으로 평가 받고 있다. 이로 인해 인공근육, 혈관 확장용 그물망 등 의료 용구 생체재료와 바이오 분야에 접목될 경우 향후 수천 억 원대 시장을 형성할 것으로 기대된다.
현재까지 형상기억의 효과가 확인된 합금은 20여 가지로 니켈-티타늄 합금, 구리-아연-알루미늄 합금 등이 있다. 하지만 형상기억합금은 만들기가 쉽지 않아 가격이 비싸다는 것이 단점이다. 이로 인해 합금보다 더 값싼 형상기억 플라스틱도 개발되고 있다. 만들기도 쉽고 값도 합금의 10분의 1 이하로 싼 형상기억 플라스틱은 현재 주로 완구, 용기, 자동차부품, 자기기록 재생장치 등에 이용되고 있다.
형상기억합금은 아주 우연한 계기로 탄생했다고 한다. 한 연구원이 담뱃불을 금속에 대자 꿈틀거리는 현상을 목격해 이를 연구하게 되었고, 이로 인해 개발된 것이 형상기억합금이라는 것이다. 꼭 이와 같은 경우는 아니더라도 인류 역사를 살펴보면 일상생활에서의 세밀한 관찰로 인해 역사 또한 성큼 성장하게 되는 경우를 종종 볼 수가 있다. 그러고 보면 위대한 발견은 멀리서 오는 것만은 아니다. 주위 것들에 대한 섬세한 관심 및 관찰, 바로 이 것이 위대한 발견을 불러일으키기도 하는 것이다. (과학향기 편집부)
예로 형상기억합금에 주로 쓰이는 니티놀(Nitinol: 니켈과 티타늄을 거의 절반씩 섞은 합금)로 위성안테나를 만든 뒤 특정 온도에 가열하면 이 모양이 그대로 기억된다. 이 안테나는 일상온도에서 뭉쳐놓거나 찌그러뜨리면 그대로 있지만, 특정 온도 이상으로 열을 가하면 어느새 위성안테나의 모습으로 복원된다. 이로 인해 부피를 크게 줄일 수 있어 형상기억합금 안테나는 1969년 인간이 최초로 달에 착륙한 아폴로 11호 이후로 우주탐사선에 빠지지 않고 등장하고 있다.
한때 우주선이나 산업용으로만 쓰이던 형상기억합금은 일상생활에서도 흔히 찾아볼 수 있다. 가장 대표적인 것이 여성용 브래지어로 세탁 과정에서 비틀어져도 체온이 닿으면 다시 그 사람의 체형대로 변형된다는 장점이 있다. 또한 흥미로운 점은 형상기억합금이 원래의 형상을 회복할 때 큰 힘이 발생한다는 것이다. 이런 현상을 이용해 기계부품을 죄거나, 체온에 의해 치아를 단단히 묶어주는 치열교정용 와이어에 사용되는 등 형상기억합금의 응용분야는 그야말로 무궁무진하다고 할 수 있다.
뿐만 아니라 형상기억합금은 인체 친화성이 높고 초탄성(超彈性) 및 흡진성(吸振性) 등 인체 조직과 같은 성질을 가진 것으로 평가 받고 있다. 이로 인해 인공근육, 혈관 확장용 그물망 등 의료 용구 생체재료와 바이오 분야에 접목될 경우 향후 수천 억 원대 시장을 형성할 것으로 기대된다.
현재까지 형상기억의 효과가 확인된 합금은 20여 가지로 니켈-티타늄 합금, 구리-아연-알루미늄 합금 등이 있다. 하지만 형상기억합금은 만들기가 쉽지 않아 가격이 비싸다는 것이 단점이다. 이로 인해 합금보다 더 값싼 형상기억 플라스틱도 개발되고 있다. 만들기도 쉽고 값도 합금의 10분의 1 이하로 싼 형상기억 플라스틱은 현재 주로 완구, 용기, 자동차부품, 자기기록 재생장치 등에 이용되고 있다.
형상기억합금은 아주 우연한 계기로 탄생했다고 한다. 한 연구원이 담뱃불을 금속에 대자 꿈틀거리는 현상을 목격해 이를 연구하게 되었고, 이로 인해 개발된 것이 형상기억합금이라는 것이다. 꼭 이와 같은 경우는 아니더라도 인류 역사를 살펴보면 일상생활에서의 세밀한 관찰로 인해 역사 또한 성큼 성장하게 되는 경우를 종종 볼 수가 있다. 그러고 보면 위대한 발견은 멀리서 오는 것만은 아니다. 주위 것들에 대한 섬세한 관심 및 관찰, 바로 이 것이 위대한 발견을 불러일으키기도 하는 것이다. (과학향기 편집부)
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형상 기억합금의 발견과정이 재미있어요. 그래도 형상기억합금을 우주탐사에 이용하고, 치열 교정용 와이어 등에 이용되는 것을 보면 정말 유용한 발견인것 같아요.
2009-04-14
답글 0
좋은 정보 감사합니다.
2009-04-13
답글 0
형상 기억합금에 대해서 쉽게 친근하게 알수 있었어요... 문득.. 궁금한게 있는데.. 치열 교정용 와이어등... 형상 기억합금들은 탄성계수가 낮고 항복응력이 높은게 이상적이라고 수업시간에 들었던 기억이 나는데 왜그런지에 대해서는 기억이안나서 그러는데.. 왜그런건가요???
2007-10-24
답글 0
와.. 저도 고2화학 시간에 간단하게 배웠던 기억 합금을 여기서 이렇게 자세히 알게 되었군요.. 와~ 친구들한테도 이걸 알려줘야 겠어요.. 생각보다 굉장히 많은 분야에 쓰이네요.. 신기하기도 하고요.. 대단해요~~ =_=)乃
2004-02-28
답글 0
안녕하세요^^
과학향기 운영자입니다.
형상기억플라스틱이 어떻게 이용되는지 궁금하시다구요?
형상기억합금과 유사하다고 보시면 됩니다.
예를 들어 아이들이 완구를 가지고 놀다 찌그러지거나 부서지는 경우가 많잖아요.
이럴때 뜨거운 물만 부어주면 완구가 새것처럼 다시 복원된다면 어떨까요?
또한 MIT GWRI 연구소는 섭씨 70도에서 몇초만에 원래 모습으로 돌아오는 플라스틱을 개발했는데, 자동차 앞부분에 사용하면 부딪쳤을 경우 열만 가하면 원상으로 복구될 수 있다고 합니다.
이렇다면 참 편리하겠죠?
오늘도 그럼 좋은 하루 되시구요 ^^
과학향기 앞으로도 계속 사랑해 주세요.
감사합니다.
2004-02-27
답글 0
고등학교 화학 시간에 형상 기억합금에 대해 배우기는 했지만 '원래의 모형을 기억하고 있는 금속'이다 해서 파라볼라(맞는지..^^;;죄송)안테나가 있다해서 아주 간략하세 설명을 해주었는데 형상합금의 기원과 상세설명이 있어서 너무 좋네요 다만완구,자동차부품,자기기록 재생장치등에 어떤 식으로 이용되는지 설명이 없는게 아쉽네요
2004-02-27
답글 0