맨 위가 금속의 원래 모양, 아래 둘은 변형된 모양.
1 개요
가공된 어떤 물체가 망가지거나 변형되어도 열을 가하면 원래의 형상으로 되돌아가는 합금.
가끔 TV에 나오는 드라이기 바람을 쐬어주면 피어나는 금속 꽃이나, 끓는 물에 넣으면 저절로 펴지는 철사 등이 이것.
2 상세
일반적인 금속은 형태가 변형될 때 원래 있던 금속간 결합이 풀린 후 내부의 원자가 이동하면서 (다른 금속원자와) 새로운 결합이 생성되어 그 변형된 형태가 고정되지만, 형상기억합금은 금속내 결정 격자의 형태가 변하면서 원자간 결합은 그대로 보존되고, 적절한 조건에서 다시 원래 형태의 격자로 돌아가면서 변형이 풀리게 되는 원리이다.
최초의 형상기억합금은 '니티놀'이라 불리는, 니켈-티타늄 합금이다. 가장 강력한 기억력을 보유하고 있지만 니켈과 티타늄의 값이 워낙 비싸기 때문에 다양한 분야에 적용이 힘들어서 학자들은 대체재를 연구하고 있는 중이다. 그외 금과 은을 베이스로 하는 합금계열(...), 구리계열, 철계열 등등이 있고 철 계열의 형상기억합금은 가격적인 장점 때문에 조만간 토목분야 등에서도 상용화가 예상된다.
크게 두 가지의 형상기억 특징이 주로 쓰이는데, 첫 번째는 온도가 낮을 때 변형시킨 후 온도를 올리면 원래의 형태로 돌아오는 타입으로 이 것이 우리가 익히 알고있는 형상기억 특성이 되시겠다. 위 상변화 그림에서 쭉 펴진 Martensite 로 구조가 변화되었다가 온도가 올라가면서 Austenite 로 돌아오는 형태로 이루어진다.
두 번째 타입은 특정 온도 구간에서 하중을 주면 쭉 늘어나며 Martensite 가 되었다가 다시 하중을 제거하면 원래의 형태로 고무줄처럼 돌아오는, 의사탄성 (pseudoelasticity) 혹은 초탄성 (superelasticity) 라고 불리우는 현상이다. 하중이 가해졌을 때 Martensite 가 안정상으로 되었다가 하중이 다시 낮아지면 Austenite 로 돌아오기 때문에 나타나는 현상.
전자의 경우 온도에 따라 창문이 개폐되는 온실의 창문 조절장치에 스프링으로도 쓰이며[1] 인공위성의 안테나에도 쓰고[2] 수술용 스텐트[3], 발기부전치료[4] 등등 여러가지가 있다.
가장 흔하게 볼 수 있는 건 속옷인데, 세탁시 찌그러지는 걸 체온 레벨에서 원래 형상으로 되돌아가게 하는 성질을 이용한다. 브래지어와 C스트링이 그런 케이스.
그 외에도 온도변화를 동적 신호로 바꿔줄 수 있는 특징 때문에 이런 종류의 열기관도 가능하다.
후자의 경우 상변화에 의해 쭉 늘어났다가 다시 돌아오면서 충격을 (좀 더 엄밀히 말하면 충격 에너지를) 흡수하는 능력이 뛰어나기 때문에 토목구조물에서 내진설계나 진동감쇄용도로 많이 사용된다. 그 외에 보정속옷이나 치아교정기구 등에도 사용하는 듯. (어느정도 늘어나고, 원래 형태로 다시 돌아오니까)
전기나 자기장을 이용해 변형하는 합금도(!) 연구중이다. 열보다 빠른 변형이 용이하므로 이것을 이용한 금속제 인공근육(액츄에이터) 등등