Bimetal
1 개요
서로 다른 성질을 가진 두 금속을 붙여서 만든 재질. 둘을 의미하는 'bi'와 금속을 뜻하는 'metal'이 만나서 생긴 파생어이다. 원자 또는 분자 수준에서 섞은 합금과는 달리 거시적인 수준에서 둘을 섞지 않고 붙여만 놓은 것이다. 두 개만 붙이란 법은 없으니 자매품으로 트라이메탈(3개)과 테트라메탈(4개)도 있다. 발명한 사람은 영국의 시계공 존 해리슨으로, 목적은 경도 측정에 필요한 바다 위에서 정밀하게 동작하는 시계를 만들기 위해서.
주로 사용하는 성질은 금속의 열팽창 정도 차이로, 철 / 구리같이 열팽창 정도가 적당히 다른 금속 두 개를 붙여 만드는 경우가 많다. 이를 통해 온도에 대한 아날로그 센서로서 많이 활용한다.
2 열에 대한 동작
바이메탈에 열이 가해지면 두 금속이 각각 팽창하게 되는데, 열팽창 정도가 서로 다르므로 하나가 더 많이 팽창한다. 하지만 양 끝이 붙어 있어 혼자 쭉 나갈 수는 없으므로 결과적으로 열팽창 정도가 적은 금속 쪽으로 휘어지면서 전류가 차단된다. 그리고 전기가 흐르지 않아 열이 적어지면 원 상태로 수축해 다시 전류가 이어지게 된다. 반대로, 바이메탈이 냉각되면 열팽창 정도가 큰 금속 쪽으로 휘어진다.
다만, 바이메탈을 구성하는 두 금속판의 팽창계수 차이가 무척 크다면 바이메탈이 작은 온도 변화에도 너무 쉽게 휘어 온도 조절에 적당하지 않다. 그 이유는 온도의 짧은 변화에도 민감히 반응하지 못하기 때문이다. 또, 팽창계수 차이가 아주 큰 차이를 일으키면 어느 정도의 큰 온도 변화를 견디지 못하고 바이메탈이 분해될 우려도 있다. 한 마디로 금속 두 개 갖다 붙인다고 무조건 바이메탈이 되지는 않는다는 말이다.
3 이용
일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.
주로 단순한 전열 기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스 트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.
물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다. 하지만 주기적으로 교체해줘야 해서 귀찮다.[1]
열에 대한 성질이 아닌 다른 성질을 이용하는 경우도 있다. 물질을 섞지 않기 때문에 도금을 넓은 의미의 바이메탈로 볼 수 있는데, 주석 통조림같은 경우를 예로 들면 강철에 주석을 도금한 것으로 주석이 먼저 산화함으로써 강철과 산소의 결합을 막는 희생금속 역할을 해준다. 다른 예로는 미국의 1페니 동전을 들 수 있다. 원래 이것은 95%가 구리로 이루어져 있었으나 이게 하도 약하다 보니까 나중에 아연으로 바꿨다. 자세한 내용은 바이메탈 주화 참고.
4 기타
- 바이메탈에 관한 내용은 2015년 교육과정 기준 초등학교 6학년 2학기 과학 과목에 퓨즈와 함께 전기 안전 관련으로 나온다. 전과 달리 원리 등도 함께 설명된다.
- 같은 교육과정의 중학교 1학년에서는 열팽창을 배우면서 열팽창을 이용한 예시로 언급된다.
- 개별 단가는 퓨즈보다 더 비싸다. 하지만 재사용이 가능한 점을 고려하면 이쪽이 더 낫다.