형상기억합금의 활용

형상기억합금은 아폴로 11호에서 안테나를 만드는데 사용되는 특별한 금속이다. 형상기억합금은 변형이 일어나도 처음의 형상을 기억하고 특정 온도에서 형상으로 돌아오는 매우 특별한 금속이다. 이제 이 합금의 역사와 일상 생활에 어떻게 사용되는지 알아보자.

 

(a) 형상기억합금의 특성 및 우주선에서의 사용

 

형상기억합금의 개발은 1930년대에 시작되었다. 1932년 미국의 Arne Hollander는 금과 카드뮴의 합금이 매우 탄력적이라는 것을 발견했다. 1938년, 그레닝거와 모란디안은 구리-아연 합금의 온도가 상승하거나 하락하면 모양이 변했다가 원래의 모양으로 돌아온다는 것을 알게 되었다.

 

1960년대에는 합금이 바뀌어 열이 원상태로 돌아오게 되었고, 1963년 미국 해군 무기 연구소는 모양이 바뀌어도 모양이 변하는 신비한 형상기억을 만들어냈다.

 

 

이 형상기억합금은 1969년 아폴로 11호에서 처음 사용되었다. 아폴로 11호는 인간이 달에 착륙할 때 사용한 최초의 우주선이다. 아폴로 11호에 장착된 안테나는 지구와의 통신을 위해 주변 온도가 달의 표면과 같을 때 우산처럼 접히고 직경 2.7m의 완전한 안테나가 되도록 설계되었다. 그것은 발사 및 우주 여행 중에 쉽게 휴대할 수 있도록 접혀져 있고, 적당한 온도에 도달하면 원래 모양과 안테나로 기능할 수 있다. 이 특징적인 메모리 합금 안테나는 보이저 2와 갈릴레오와 같은 행성 탐사선에서도 지속적으로 사용되었다.

 

(b) 형상기억합금

 

형상기억합금은 많은 분야에서 널리 사용된다.

 

의학적 활용

 

첫째, 형상기억합금은 유연하고 인간의 신체에 안전하기 때문에 의학적인 목적으로 널리 사용된다. 만약 누군가의 뼈가 부러졌다면, 그것을 치료하기 위해 형상기억합금을 활용한 수술을 한다. 형상기억합금은 뼈를 연결시키기 위한 도구로 사용될 수 있다. 뼈를 일정한 상태로 유지하는 데 적합한 형상기억합금이 만들어질 때, 약 15°C에서 변형되었다고 해도, 체온에 따라 온도가 다시 상승하여 원래 상태로 돌아게끔 한다. 형상기억합금은 뼈와 뼈 사이를 잇는 아주 좋은 재료이다.

 

형상기억합금은 틀니를 고정하기 위한 전선에도 사용된다. 형상기억합금 스프링을 흔들리는 치아 양쪽에 느슨하게 고정하면 스프링이 체온에 의해 가열되어 단단히 고정되게 된다.

 

형상기억 합금 브라

여성들은 미드가 커서 운동할 때 많은 불편함을 느낀다. 우선, 저는 흉부주변에 땀샘이 많아서 땀을 많이 흘리게 되는데, . 흔들리기 때문에 많은 스트레스를 동반하고, 큰 에너지를 소비하게 된다. 그리고 스포츠 브래지어는 이러한 문제를 해결하기 위해 개발되었다.

 

연구에 따르면, 운동 초기에 스포츠 브라를 착용하는 것은 운동 초기 단계에 비해 운동 능력을 30퍼센트 향상시킨다고 한다.

 

1984년 로스앤젤레스 올림픽 여자 마라톤 우승자인 조안 베이노트는 처음으로 여성 우주비행사들이 착용한 형상기억합금과 브래지어를 착용했다.

 

형상기억합금은 1963년 미국 해군무기연구소(NWL)가 티타늄과 니켈을 일대일로 섞어 만든 합금이다. 원래 일정한 온도에서 기억되는 모양을 만드는 특성이 있다.

 

여성 우주비행사가 우주선을 타고, 대기권밖으로 나가기 위해 로켓의 추진력을 이용할 때, 많은 중력 가속도가 발생하는데, 이것은 여성들의 흉부 통증을 유발시킨다. 그래서 NASA는 여성을 위한 브래지어를 개발했으며, 또한 땀을 많이 배출하고 환기가 잘 되는 특수 재료도 개발했다.

 

형상기억합금은 흉부의 모양을 적절하게 유지하고 흉부에 대한 압박의 전체적인 강도를 분산시킨다. 게다가, 이 특별한 물질은 공기 흐름을 개선하기 위해 땀과 열을 방출한다. 이 스포츠 브래지어는 두 가지 기술을 사용하여 만들어졌다.

 

운동선수들만이 NASA의 새로운 기술을 사용하고 있는 것은 아니다. 1986년, 여성 속옷 제조업체인 와코알로사 회사는 일반 대중을 위한 형상기억 합금 브라를 개발했다. 미드를 아름답게 보이려는 여성들에게 이 제품이 불티나게 팔리고 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 그것도 엄청나게 말이다.

 

 

비행기 및 가전제품에 사용되는 경우 형상기억합금은 비행기에서도 사용된다. 비행기가 빠른 속도로 날 때, 얼음은 비행기 앞에 형성될 가능성이 있다. 얼음을 제거하기 위해, 비행기는 날기 전에 표면을 따뜻하게 하고 얼음을 녹이는데. 표면을 가열하면 열이 많이 소모되고 얼음이 녹더라도 얇은 얼음층이 표면에 남아 내구성을 떨어뜨리는 경우가 많다. 이 경우 형상기억합금은 항공기 표면에서 얼음을 제거하기 위해 사용할 수 있는데, 방법은 다음과 같다.

 

NASA의 작은 그룹 중 하나인 Innovative Dynamics는 비행기 표면에서 얼음을 제거하기 위해 형상기억합금을 사용하는 기술을 개발했다. 형상기억합금이 일정한 온도에 도달하면 팽창하게끔 만들었는데. 즉, 물체가 열에 따라 팽창하거나 일정한 온도에서 수축하거나 하는 작용을 이용한다. 비행기 표면에 형상기억 합금을 사용하는 것은 에너지 소비를 무려 45퍼센트까지 줄일 수 있고 표면에 얼음이 형성되는 것을 막을 수 있다.

 

 

형상 메모리 합금은 안경 프레임의 모양을 항상 일정하게 유지하는 데 사용할 수 있다. 체온에 도달했을 때 원래 모양을 유지하도록 설계된 형상기억합금으로 만든 안경테를 착용하면 운동 중 안경테가 구부러지거나 구부러져도 시간이 지나면 원래 모양으로 돌아간다.

 

 

커피포트에 니켈과 카드뮴으로 구성된 형상기억합금 스프링은 일정한 온도에 도달하면 밸브를 열어 뜨거운 물을 필터로 배출해 수준이 높은 커피를 만들 수 있게 한다.

 

미래에는 형상기억합금도 자동차, 항공기 엔진, 차량 제조에 사용될 것으로 예상된다. 엔진이 형태를 바꾸거나 난방에 의해 차체가 일그러져도 처음 형태를 이루던 온도에서 원래 모양으로 돌아오는 이 신기한 재료는 생각보다 오래전부터 우리 일상속에 자리잡고 있으며, 다양한 기술에 활용되고 있다. 마치 살아 숨쉬는듯한 이 금속은 정말 놀랍다.

 

과학에 대해 살펴볼수록 앞으로의 과학기술의 발전이 더더욱 기대가 된다.