형상기억합금 상업적이용과 미래

형상기억합금 상업적이용과 미래

1984년 LA 올림픽 여자마라톤 우승자인 '조안 베노이트'는 금메달 보다 입고있던 스포츠 브래지어로 더 유명해 졌다. 그녀는 그 당시 일반인들에게 생소한 '형상기억합금' 와이어가 내장된 브래지어를 처음 착용하였다. 이후 여성 속옷 회사인 와코루는 86년 이 기술을 이용해 탄성력이 좋고 쉽게 모양이 일그러지지 않는 형상기억합금 브래지어를 대량 생산하기 시작했다.

《형상기억합금 이란?》

 

안경태에 적용된 형상기억합금

형상기억합금은 글자 그대로 "원하는 모양을 기억하고 있는 합금"이란 뜻이다. 일반적으로 금속은 탄성한계가 있어 그 이상의 힘을 가해 변형시키면 원래 형태로 돌아가지 않는다.그런데 형상기억합금은 보통의 금속재료에서 찾아볼 수 없는 형상기억효과를 가지고 있어 일정한 온도에서 형상을 기억시키면 그 온도 보다 낮은 온도에서 아무리 변형을 시켜도 기억시킨 온도가 되면 원래의 형태로 돌아가는 특성을 지닌다. 가령, 형상기억합금 와이어로 활짝핀 장미꽃을 만들어 사람의 체온에 맞추어 기억시킨 다음, 이것을 꽃 봉오리 형태로 구부려 애인에게 배달한다. 그녀가 꽃 봉오리를 만지면 활짝핀 장미꽃으로 다시 피어나게 된다. 마치 금속이 살아있는 것 처럼--

《형상기억합금의 발견》

금속에 왜 이런 형상기억효과가 생기는 것일까? 그것은 아직 완전히 밝혀져 있지는 않았으나, 합금을 구성하는 결정구조와 관련이 있다고 한다. 보통의 금속재료는 가열하여 급랭하면 단단한 '마르텐사이트'라는 조직이 되는데 비해, 형상기억합금은 마르텐사이트 쪽이 원래의 형상보다 훨씬 무르다. 따라서 외부의 힘에 쉽게 변형되지만 온도를 올리면 원래의 조직으로 돌아 가면서 변형된 것이 모두 소실되어 버리는 원리다.

금속에 형상기억효과가 있다는 것은 1938년 미국 하버드대와 MIT 교수들에 의해 처음 규명되었다. 그 후 실용적으로 이용할 만한 합금을 발견한 것은 1964년 미국 해군무기연구소 였다. 연구원들은 니켈(Ni)-티타늄(Ti) 합금을 이용, 잠수함용 소재를 개발하던 중 우연히 이 합금의 형상기억효과를 발견한 것이다. 이렇게 발견된 합금을 원소명을 따서 '니티놀(NITINOL)'이라 명명했다. 이후 형상기억효과를 나타내는 합금은 10종 이상 발견되었으나, 실용화 된 것은 Ni-Ti 계 와 Cu-Zn-Al 계, 2종류이다. 이 중에서 Ni-Ti 계가 가공성이 뛰어나고 형상복원능력이 뛰어나 현재 가장 상용화되어 있다.

《형상기억합금의 상업적 이용》

형상기억합금이 처음 적용된 것은 1969년 아풀로 11호의 통신안테나 였는데, 발사 당시에는 접혀져 있다가 달 표면에서 적당한 온도가 되면 저절로 펴지게 만들었다. 
80년대 이후는 더욱 폭넓은 용도로 쓰이기 시작하였는데, 직선 모양으로 기억시켜 놓아 아무리 구부려도 다시 펴지는 '휴대폰 안테나', 밟아도 걱정없는 '안경테'의 제조에 까지 사용되었다. 특히 의료용으로 크게 주목받고 있는데, 치열 교정용 강철와이어의 경우 과거에는 정기적으로 조여 주어야 했지만 이 합금으로 원하는 치열 형태를 기억시켜 장착만 하면 교정 완료시 까지 계속적으로 부드럽게 압력을 가해 준다. 또한 부러진 뼈를 연결하는 금속 연결기를 이 합금으로 만들면, 사람의 체온을 기억해 뼈를 빈틈없이 연결되도록 해준다.

최근 국내 한 벤처업체는 사람의 손 모양을 기억하여 가장 편안한 상태로 변형되는 형상기억합금 PC 마우스를 내 놓았다. 가는 섬유로 만들어 옷에 적용하는 연구도 진행되고 있는데, 겨울에는 일반적인 티셔츠가 되고, 여름에 온도가 올라가면 자동으로 배꼽티가 되는 옷이 나올거라 한다.

《형상기억합금의 미래》

이 분야의 기술은 미국과 일본이 가장 앞서 있으며, 러시아와 중국도 최근 응용제품 상용화에 박차를 가하고 있다. 우리나라도 원천기술은 기술선진국에 비해 뒤져 있지만 벤처기업과 KAIST등 대학을 중심으로 활발한 연구와 재료개발에 나서고 있다. 최근 조사에 의하면 형상기억합금의 국내시장 규모가 년간 2000억 대에 달할 것으로 추정되고 있으며, 향후 용도에 따라 다양하게 상품화가 진전될 경우 그 규모는 가늠하기 어려울 정도로 급 팽창 할 것으로 전망되고 있다.

미래의 성장동력으로 '특수합금' 분야를 겨냥하고 있는 우리회사에서도 모두가 관심을 갖고 눈여겨 볼 대목이다.