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형상기억합금은 왜 가열하면 원래 모양으로 돌아가나요?
형상기억합금이 가열하면 원래 모양으로 돌아가는 원리가 궁금합니다. 마르텐사이트 상변태, 오스테나이트 복귀 온도, 초탄성 효과, 니티놀 조성, 피로 한계도 알려주세요. 의료용 스텐트 응용, 가공 방법, 내식성, 제조 비용, 사용 가능한 온도 범위도 궁금합니다. 로봇 액추에이터 활용 가능성, 열처리로 형상을 기억시키는 순서, 히스테리시스 특성도 궁금합니다
5개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
니티놀(Ni 약 50~51at%, 나머지 Ti)은 고온에서 대칭성이 높은 오스테나이트, 저온에서 쌍정 구조의 마르텐사이트로 바뀌어요. 냉각된 마르텐사이트는 여러 방향의 쌍정이 상쇄돼 겉모양은 그대로이고, 힘을 주면 전위 이동 대신 쌍정 방향만 재배열되며 6~8%까지 변형돼요. 가열해 오스테나이트 변태 종료 온도(Af)를 넘기면 오스테나이트로 가는 결정 대응 관계가 하나뿐이라 원자들이 원래 자리로 돌아가며 모양이 복원돼요. 변태 온도는 냉각과 가열 때 20~40°C 차이가 나는 히스테리시스를 보이고, Ni가 0.1at% 늘 때마다 약 10°C씩 낮아질 만큼 조성에 민감해요.
Af보다 높은 온도에서는 힘을 줄 때 생긴 마르텐사이트가 힘을 빼면 바로 사라지는 초탄성이 나타나요. 스텐트는 Af를 체온 아래로 맞춰 접힌 채 혈관에 넣으면 스스로 펴지게 하고, 튜브를 레이저로 절단한 뒤 전해연마로 TiO₂ 부동태 막을 고르게 만들어 내식성과 니켈 용출을 관리해요.
형상 기억은 원하는 모양의 지그에 고정한 뒤 400~550°C에서 수~수십 분 열처리하고 물에 급랭해 새겨요. 가공 경화가 심해 절삭이 어렵고 조성 관리가 까다로워 스테인리스보다 수십 배 비싸요. 피로는 변형률 진폭 0.5% 안팎에서 1,000만 회 수준이라, 연간 4,000만 번 박동을 10년 견뎌야 하는 스텐트는 이보다 낮은 변형으로 설계해요. 일반 니티놀은 100°C 안팎까지 쓰고, 그 이상은 Hf나 Pd를 넣은 고온용 합금을 써요.
로봇 액추에이터로는 무게당 힘이 크고 조용해 카메라 손떨림 보정에 이미 쓰이지만, 냉각이 느리고 효율이 몇 % 수준이라 작은 구동부에 알맞아요 :)
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채택된 답변형상기억합금은 가열하면 내부 원자 배열이 마르텐사이트에서 오스테나이트로 바뀌면서 미리 기억한 모양으로 돌아가며, 이때 완전히 복귀하는 온도를 오스테나이트 종료 온도라고 합니다.
대표적인 형상기억 합금이 니켈과 티타늄의 합금으로, 이는 초탄성도 나타내며 의료용 스텐트와 로봇 액추에이터에 활용되지만 반복 변형하면 피로로 성능이 저하될 수 있습니다. 원하는 모양으로 고정한 뒤 열처리해 형성을 기억시키며, 가공은 까다롭고 비용은높은 편이지만 내식성은 우수합니다. 작동 온도는 합금 조성에 따라 달라지고, 가열과 냉각 때 변태 온도가 다른 히스테리시스 때문에 반응에 차이가 생깁니다.
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
형상기억합금은 낮은 온도에서 마르텐사이트 상태로 변형돼도, 가열해 오스테나이트로 돌아가게되면 원래 결정 배열을 회복하면서 처음 형상으로 되돌아가게 됩니다.
대표적인 형상기억합금이 니타놀인데, 니켈과 티타늄으로 된 합금을 말합니다. 조성과 열처리에 따라서 변태 온도가 달라지고 오스테나이트 복귀 완료 온도보다 높아지게 되면 기억된 형상이 다시 나타나게 됩니다. 복귀 온도보다 높은 상태에서는 힘을 주게되면 마르텐사이트가 생겼다가 힘을 빼면 다시 돌아오는 초탄성도 나타나고, 변태 시작과 종료 온도가 서로 다른 히스테리시스 특성도 가지고 있습니다.
의료용 스텐트는 체온에서 스스로 펴지는 성질과 내식성을 이용하고, 표면의 티타늄 산화막 덕분에 생체환경에서도 비교적 안정적으로 사용이 가능합니다. 보통 제조할 때는 원하는 모양으로 고정한 뒤 적절한 열처리로 형상을 기억시키기 때문에 가공이 까다롭고 소재 가격 또한 높아서 일반 강철보다는 제조비가 큰 편입니다.
로봇 액추에이터에도 작고 조용하고 큰 힘을 낼 수 있어 유망하지만, 냉각 속도나 반복 변형이 클수록 피로수명이 줄어들기 때문에 빠른 동작이나 수명 확보가 중요한 과제로 보입니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
니켈과 티타늄이 약 1:1로 결합된 대표적인 니티놀 조성의 형상기억합금은 저온에서 외력으로 변형된 마르텐사이트 상변태 구조가 오스테나이트 복귀 온도 이상으로 가열될 때 원자 격자 배열이 원래대로 복원되는 원리를 가지며 이 과정에서 뚜렷한 히스테리시스 특성과 하중 제거 시 즉시 회복되는 초탄성 효과 그리고 반복 변형에 대한 피로 한계를 나타냅니다. 원하는 형상을 기억시키기 위해서는 고온에서 형태를 잡아 고정하고 급랭하는 열처리 순서를 거쳐야 하며 티타늄 산화막 덕분에 뛰어난 내식성을 지니지만 정밀 가공의 난이도로 인해 제조 비용이 다소 높은 편입니다. 조성 조절을 통해 영하에서 100℃ 이상까지 사용 가능한 온도 범위를 설정할 수 있어 체온 환경에서 작동하는 의료용 스텐트 응용부터 유연하고 정밀한 구동이 가능한 로봇 액추에이터 활용 가능성까지 첨단 산업 전반에 널리 쓰입니다
안녕하세요.
형상기억합금은 가열되면서 마르텐사이트가 오스테나이트로 변해 처음 기억한 모양을 되찾는데, 대표적인 니티놀은 니켈과 티타늄으로 만들어져요.
오스테나이트 복귀 온도인 Af는 조성과 열처리에 따라 달라지며, 가열 및 냉각 때 변태 온도가 다른 현상을 히스테리시스라고 해요. 초탄성 특성 덕분에 스텐트나 로봇 액추에이터에도 활용되고, 원하는 모양으로 고정한 뒤 열처리하면 형상을 기억시킬 수 있죠.
내식성은 좋은 편이지만 반복 사용에 따른 피로와 제조 비용이 단점이고, 실제 사용 온도도 합금 설계에 맞춰 정해야 해요.
감사합니다.