::: 형상기억합금 (形狀記憶合金,shape memory alloy),초중고등학교 교재용 주문제작 :::

       
       
 
 
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신소재의 종류는 4가지로 분류할 수 있다.
⑴ 신금속재료:
① 형상기억합금(shape memory alloy):대표적인 합금으로 티탄-니켈 합금이 있으며 인공위성부품 ·인공심장밸브 ·감응장치 등에 쓰인다.
 ② 비정질금속재료(amorphous metal):비결정형재료라고도 하며, 강도 ·자기화 특성 ·내마모성 ·내부식성이 크다. 녹화헤드 ·변압기 등에 쓰인다.
③ 초전도재료(superconducting meterial):절대 영도에 가까운 극저온이 되면 전기저항이 0이 되는 성질을 지닌 합금으로, 특징은 입력된 에너지를 거의 완벽하게 전달할 수 있는 점이다. 통신케이블 ·핵융합 등의 에너지개발, 자기부상열차, 고에너지 가속기 등에 이용된다.

⑵ 비금속 무기재료:
① 파인세라믹스(fine ceramies):뉴세라믹스라고도 한다. 천연 또는 인공적으로 합성한 무기화합물인 질화물 ·탄화물을 원료로 하여 소결한 자기재료이다. 내열성 ·굳기 ·초정밀 가공성 ·점연성 ·절연성 ·내식성이 철보다 강하여 절삭공구 ·저항재료 ·원자로 부품 ·인공관절 등에 쓰인다.
② 광섬유(optical fiber):빛을 머리카락 굵기에 불과한 수십 μm 유리섬유 속에 가두어 보냄으로써 광섬유 한가닥에 전화 1만 2000회선에 해당하는 정보를 전송할 수 있다.
③ 결정화유리(crystallized glass):유리세라믹스라고도 하며, 비결정구조로 된 유리를 기술적으로 결정화하여 종래에 없던 특성을 지니게 한 유리이다.

⑶ 신고분자재료:
① 엔지니어링 플라스틱:금속보다 강한 플라스틱 제품으로서, 경량화를 지향하는 자동차 ·전자기기 ·전기제품 등에 쓰인다. ② 고효율성 분자막(high efficiency separator):특정한 물질만을 통과시키는 기능을 지닌 고분자막과 같은 특수재료이다. ③ 태양광발전 플라스틱전지:p형과 n형 실리콘 단결정을 접합하여 만든 태양전지보다 더욱 발전변환효율이 높은 전지로서 대량 공급될 것이다.

⑷ 복합재료:
① 바이오센서(biosensor):생체에 적합한 의료용 신소재로서 인간의 5감을 가지는 것으로, 산업용 로봇제어기술 ·자동제어 ·정밀계측기 분야에 쓰인다.
② 복합재료:두 종류 이상 소재를 복합하여 고강도 ·고인성 ·경량성 ·내열성 등을 부여한 재료이다. 유리섬유 ·탄소섬유 ·아라미드섬유 등이 이에 속한다.
③ 탄소섬유강화플라스틱(CFRP:carbon fiber reinforced plastic):강도가 좋으면서도 가벼운 재료를 만들기위해서 플라스틱에 탄소섬유를 넣어 강화시킨 것이다. 자동차부품, 비행기 날개, 테니스 라켓, 안전 헬멧 등에 이용된다.
④ 섬유강화금속(FRM:fiber reinforced metal):금속 안에 매우 강한 섬유를 넣은 것으로, 금속과 같은 기계적 강도를 가지면서도 가벼운 재료이다. 우주 ·항공 분야에 이용된다.
내용출처: 두산세계대백과사전
 
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형상기억합금 엑츄에이터 (SMA Actuator)

KAIST 이효직 연구원 문헌
http://imhp.kaist.ac.kr/~hjlee/

형상기억효과를 이용하는 형상기억합금의 용도는 여러가지가 있다. 아래는 그 예들이다.
  • 로봇의 finger
  • SMA heat engine
  • 안경프레임
  • pipe coupler
  • 전기 커넥터
  • 수술용 로봇 매니퓰래이터

　

형상기억합금 작동기의 형태는 와이어나 스프링의 형태가 주로 사용되고 있다. SMA wire의 작동기에 관한 이론은 여러가지가 있으나, SMA spring에 관한 이론식은 드물다. SMA spring은 bias스프링이나, 그렇지 않으면 또 하나의 SMA spring과 함께 사용된다. 이런 방식의 이점은 SMA actuator의 주파수를 높여주고 원래 형상으로 잘 복원시켜 주기 때문이며, 무엇보다도, 냉각시에도 큰 복원력을 발생시켜 줄 수 있기 때문이다.
형상기억합금 작동기 만들기

형상기억합금으로 작동기를 만들 때, 고려해야할 것: 작동범위는 얼마나 할 것인가? 또, 작동력은 얼마나 할 것인가?

자신의 응용분야에 맞춰 작동범위를 우선 정하고, 그에 맞는 작동기 형태를 결정해야 한다. 작동기 형태는 크게 두가지로 분류하면 와이어(wire) 형태와 스프링(spring) 형태가 있다. 와이어 형태는 큰 작동력을 낼 수 있는 반면, 작동범위가 작고, 스프링 형태는 작동력은 낮고, 작동범위는 크다.

보통, 완구류 등의 작동기로 사용하려면, 일단 작동력보다는 작동범위가 큰 것이 좋을 수가 있다. 그럼 스프링 형태를 선택하게 되는데, 스프링 형태의 형상기억합금 작동기는 다음과 같이 제작할 수 있다. 보통 형상기억합금 선 (wire) 를 사다가 치구(jig)에 감아 고정한 다음 로(furnace)에 넣어 보통 5~10분정도의 열처리를 한 후 물에 담금질 (water quenching)하여 제작한다. 이에 대해 자세히 알고 싶으신 분은 이메일로 문의 바란다. 이 방법은 link 에 가보면 sma-inc란 회사가 있는데, 그 중 요기에 http://www.sma-inc.com/NiTiSprings.html 제작 방법에 대해 영문으로 제공하고 있다.

스프링 형태의 작동기도 코일 스프링형태가 있을 수 있고, 지그재그 스프링 형태가 있을 수가 있다. 본인은 두가지 제작 방법에 대한 노하우를 갖고 있다. 코일 스프링형태는 부피가 크고, 지그재그 스프링 형태는 부피가 작으므로 적용분야에 따라 적절한 선택을 하여야 한다. 그러나 지그재그 스프링은 만드는 방법이 노가다성이 짙어 시간이 매우 많이 걸린다는 것을 알아두시기 바란다. 아래 사진은 본인이 제작해본 코일 스프링과 지그재그 스프링이다.

-coil spring-

선경: 0.37mm, 감은수: 45회 정도, 코일경: 1.2+0.37 mm

-zigzag spring-

선경: 0.17mm, 감은수: 30회 이상, 스프링폭: 약 1mm
바이어스형 형상기억합금 작동기

위에서 제작한 형상기억합금 코일 스프링 작동기와 일반 스텐인레스 스프링을 직렬로 연결시킨 형태의 작동기를 만들어 보았다. 작동원리를 간단히 설명하면, 형상기억합금에 전압을 걸어주게 되면, 형상기억합금이 원래형상으로 복원되려는 형상기억효과로 인해 수축하게 된다. 전압을 끊어주게 되면, 반대로 바이어스 스프링의 힘에 의해 형상기억합금 코일 스프링이 다시 늘어나게 된다.

일단 아래 그림을 보면서 설명해 보도록 하자.

이 그림은 본인이 제작한 bias-type SMA actuator인데, 전체 모습을 보여 주고 있다. 앞에 시커먼 블럭과 길다란 봉으로 만들어져 있는 것이 bias-type SMA actuator의 실험 장치이다. 뒤에 액정이 보여지는 것은 프로그래머블 전원공급기이다. 이 것을 통해 왼쪽에 있는 형상기억합금에 전압을 걸어주게 된다. 대략 제작된 형상기억합금의 저항값이 3~4 ohm 사이에서 변하게 되고(저항값은 형상기억합금의 phase에 따라 바뀌게 된다), 최대 4V를 걸어주도록 되어 있으므로, 이 때 흐르는 전류는 1A를 넘게 된다. 형상기억합금의 냉각속도는 가열속도보다 상당히 느리므로, 쿨링팬을 형상기억합금 스프링 밑에 달아서 강제 대류에 의한 냉각을 하고 있다.

위 그림을 형상기억합금 코일 스프링과 바이어스 스프링을 분리하여 자세히 살펴보면 아래 그림과 같다.

왼쪽의 형상기억합금 코일 스프링을 확대한 사진이다. 오른쪽에 굵은 철봉같이 생긴것은 LVDT

오른쪽의 바이어스 스프링을 확대한 사진 (초점이 잘 안 맞아서 사진이 좀 안나왔네요^^;;)

이런 코일 스프링형태의 작동기는 강성이 매우 낮은 편이어서 주파수가 매우 느린편이다(대략 0.1Hz). 그러나 작동 범위는 13mm에 해당할 정도로 크다. 아래 동영상을 mpg로 올려 놓았습니다. 파워서플라이에 숫자가 깜박거리는 게 보이실겁니다. 처음에 4votls를 가했을 때 형상기억합금 코일 스프링이 줄어드는 것을 볼 수 있고, 후반부에 전압이 0volts가 되면 다시 늘어나고 있는 모습을 볼 수가 있습니다. 디지털카메라로 찍어서 딱 15sec 밖에 보여드릴 수가 없었네요.