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home>products>기타(Others)>형상기억합금 소개



니티놀로 알려진 니켈 티타늄(Nickel titanium)은 니켈 과 티타늄의 원자(atom)% 약 50:50의 비율로 이루어진 합금으로, 형상 기억(shape memory) 및 초고탄성(superelasticity) 2가지 특성을 가지고 있다.
형상기억은 니티놀이 어떤온도에서 변형된후 변형온도(transformation temperature)이상으로 가열을 하면 원래의 형태로 복구되는 특성이다. 초고탄성은 변형온도 바로위의 좁은범위의 온도에서 일어나며, 이 경우 변형된 모양이 복구될수 있으므로 가열을 해서는 안되며, 이때 니티놀은 보통금속의 10-30배의 굉장한 탄성을 보인다.

역사
니티놀 이라는 말은 구성되는 원소 및 발견된 장소로부터 유래했다.(Nickel Titanium-Naval Ordnance Laboratory).
윌리엄 제이 벨러(William J. Buehler) 는 프레드릭 왕(Frederick Wang)과 함께 1962년 해군무기연구소(Naval Ordnance Laboratory)에서 연구를 하다가 니티놀의 특성을 발견하였다. 그때 바로 니티놀의 잠재적인 응용을 깨닫게 되었으나, 그후 10년간 이후까지도 이 합금을 상업화하기 위한 실제적인 노력은 이루어지지 않았다. 이러한 지연은 이 합금의 용융, 공정, 및 기계가공이 아주 어려웠기 때문이었다. 이러한 노력들이 재정적인 어려움을 만나 1990년대까지는 전혀 극복되지 않았으나, 이러한 실제적인 노력이 마침내 해결되기 시작하였다.
형상기억효과의 발견은 일반적으로 1932년으로 돌아가, 스웨덴 연구원 안 올란더(Arne Olander)가 금-카드뮴(gold-cadmium) 합금에서 처음 발견하였다. 그이후 1950년대 초반에 구리-아연(Cu-Zn) 합금에서 같은 효과가 관찰되었다.

원리
니켈-티타늄(Ni-Ti) 화합물의 오스테나이트(Austenite) 및 마르텐사이트(Martensite) 구조.
니티놀의일반적인 특성은 마르텐사이틱 변형(martensitic transformation)으로 알려진 고체상태 상변형의 역으로부터 얻어졌다.
고온에서는, 니티놀은 오스테나이트(austenite, 이것은 또한 부모상(parent phase)이라고도 알려져 있음)라고 말하여지는 내부를 관통하는 입방결정구조(interpenetrating primitive cubic crystal structure)로 추정된다.
저온에서는, 니티놀은 자연적으로 마르텐사이트(martensite)라고 하는 좀더 복잡한 단사정계(monoclinic) 결정구조로 변형된다. 오스테나이트에서 마르텐사이트로 변형하는 온도는 일반적으로 변형온도(transformation temperature)라 한다. 좀더 구체적으로, 거기에는 4개의 전이온도가 있다. 합금이 완전 오스테나이트(austenite), 마르텐사이트 시작(martensite start)혹은 Ms 온도 로 불리워지는 상태인 합금이 냉각되면서 마르텐사이트 형태가 형성되기 시작할 때, 마르텐사이트 끝 혹은 Mf 온도라불리워지는 변형이 완전히 끝났을때의 온도. 함금이 완전한 마르텐사이트 이고 가열이 시작되면, As 온도에서 오스텐사이트가 형성되기 시작하여 Af 온도에서 완료된다.
니티놀 특성중 결정적으로 이러한 상변형의 2가지 중요한 측면이 있다. 첫째는 변형이 “가역적(reversible)”이다. 이 의미는 변형온도이상으로 가열하면, 결정구조가 단순한 오스테나이트상으로 바뀌어진다. 그러나, 지금 오스테나이트 시작온도(As)가 시작되고, 가열을 지속하여 그온도의 약간위쪽 으로 이동하면, 오스테나이트 완료(Af)에서 끝난다. 둘째는, 양방향의 변형이 순간적으로 일어난다는 것이다.
마르텐사이트결정구조(단사정계 혹은 B19' 구조로 알려진)는 원자결합이 파손되지 않고 몇가지 방법으로 제한된 변형이 일어나는 특별한 능력이 있다. 이타입의 변형은 쌍정형성(twinning)으로 알려져있으며, 이것은 원자면이 미끄러짐이 없이 재배열되어 구성되며, 그렇지 않다면 영구변형된다. 이 방법에서 약 6~8% 의 긴장(strain)이 될수 있다. 가열에의해 마르텐사이트가 오스테나이트로 변형될때에, 마르텐사이트 상이 변형되었는지에 상관없이, 원래의 오스테나이트 구조가 복구된다. 따라서, 비록 합금이 낮은온도에서 심하게 변형되지만, “형상기억(shape memory)" 이라는 이름은 , 고온 오스테나이트 상이 기억된다는 사실을 말하는 것이다.
변형된 마르텐사이트가 오스테나이트로 돌아가는 것을 방지함으로 많은양의 힘(force)가 발생할수 있으며 - 많은경우에 있어서 100,000 psi 이상이다. 니티놀이 원래의 형태로 그렇게 강하게 돌아가려는 이유중 하나가 이것이 일반적인 금속합금이 아니라 금속간화합물(intermetallic compound)이기 때문이다. 보통의 합금에서는, 구성요소들은 결정격자에 임의로 위치해있다. 정돈된 금속간화합물에 있어서, 원자들은(여기에서는, 니켈과 티타늄) 격자의 매우 특정한 위치를 가진다. 니티놀이 금속간합금이라는 사실은 이 합금으로부터 만들어진 장치들의 조립을 어렵게하는 주요한 이유이다.

마르텐사이트 시작온도(Ms)에 대한 니티놀 성분함량의 효과.
위에서 설명한 이야기는(오스테나이트를 냉각하여 마르텐사이트형태로 하는것, 마르텐사이트를 변형하는 것, 그러면 오스테나이트로 복구하기위해 가열을하고, 따라서 원래의 상태, 변형되지않은 형태로 돌아가고) 열형상 기억효과(thermal shape memory effect)로 알려져 있다.
초고탄성(uperelasticity or pseudoelasticity)이라 불리우는 2번째효과도 또한 니티놀에서 관찰된다. 이효과는 마르텐사이트가 변형장력(stress)의 적용 뿐만아니라 냉각에 의해서도 형성될수 있다는 사실의 직접적인 결과이다. 따라서 어떤 일정한 온도범위에서, 장력(stress)으로 오스테나이트로의 변형을 작용 시킬수 있고. 반면에 동시에 모양을 바꾸어 마르텐사이트가 형성되는 원인이 된다. 이 경우, 장력이 제거되면, 니티놀은 자연적으로 그것의 원래 모습으로 돌아간다. 사용된 이 형태에 있어서, 니티놀은 슈퍼스프링처럼행동하고, 일반스프링물질의 대략 10-30배에 달하는 탄성범위를 가진다. 그러나, 여기에는 제약이 있다. 이 효과는 오스테나이트완료(Af)온도의 대략 0~40 °C 위에서만 관찰된다.
니티놀은 일반적으로 원자량%(Atomic %)로 대략 50~51%의 니켈(55~56 중량%)로 구성된다. 합금성분에 약간의 변화를 주면 합금의 전이온도를 상당히 변경시킬수 있다. 니티놀의 오스테나이트완료(Af)온도를 어느정도 변경시킬수 있으나, 알맞은 초고탄성 온도범위는 약 ?20 °C 에서 +60 °C 사이이다.
우리는 종종 R-Phase 라고하는 니티놀에있어서의 복잡한 문제에 부딪칠수 있는데, R-Phase 는 위에서 언급한 마르텐사이트상과 경쟁하는 또다른 마르텐사이틱상(martensitic phase) 이다. 그 마르텐사이트상에서는 큰 메모리효과를 제공하지 않기 때문에, 없는것보다도 훨씬더 귀찮다.

제조공정
예외적으로 정밀한 성분함량조절을 필요로 하고, 티타늄의 엄청난 반응성 때문에, 니티놀은 만들기가 아주 어렵다.
산소나 탄소와 결합하는 모든 티타늄 원자는 NiTi 격자로부터 빼앗긴 원자이다, 따라서 성분함량이 이동되고 변형온도를 훨씬더 낮게 만든다. 오늘날 사용되는 2가지 기본적인 용융방법이 다음과 같다.

진공 아크 재용해법(Vacuum Arc Remelting)
이 방법은 원료물질과 수냉식 구리 고정판 사이에 전기아크를 발생시켜서 하는방법이다. 고진공에서 용융이 일어나고, 수냉식 구리판 자체가 금형으로 사용되며, 용융되는동안 탄소가 유입되지 않는다.

진공 유도 용해법(Vacuum Induction Melting)
이 방법은 용광로(일반적으로 탄소)에 있는 원료물질을 교류자기장을 이용하여 가열시키는 방법이다. 이방법도 또한 고진공에서 행해지나, 공정중에 탄소가 유입된다.

두가지 방법이 장점을 가지고 있는 반면에, 어느한 공정으로 얻어진 물질이 다른방법보다 더 좋다는 분명한 데이터는 없다. 소규모로 행해지는 다른 방법들도 사용된다, 즉 플라즈마 아크 용융, 유도 스컬 용융(induction skull melting), 그리고 e-beam 용융등이 있다. 물리적기상증착(Physical vapor deposition)법도 또한 실험실 규모로 사용된다.
니티놀의 열간가공(Hot working)은 상대적으로 쉽다. 그러나, 냉간가공(cold working)은 어렵다, 그이유는 아주큰 마찰저항 및 공구 마모의 증가를 가져오는 합금의 거대한 탄성력의 소멸 및 회전 접촉이 증가하기 때문이다. 비슷한 이유로 제품의 품질을 떨어 뜨리고, 니티놀의 열전도성이 낮아 열을 제거하기 어렵기 때문에 기계가공이 아주어렵다. 절단(마찰절단), 방전가공(EDM) 및 레이져 절단등은 모두 상대적으로 쉽다.
니티놀의 열처리는 민감하고 중요하다. 변형온도의 미세조정은 필수적인 도구이다.
다양한 니켈 리치(Ni rich) 상의 촉진을 조절하는 온도 및 숙성(aging)시간, 그리고 이에따라 NiTi 격자에 얼마나 많은양의 잔여하는지를 조절, 니켈 모체를 숙성(aging) 시키는거에 의해, 숙성은 변형온도를 증가 시킨다. 열처리 및 냉간작업의 배합은 니티놀 특성을 조절하는데 필수적이다.

제한(Limitations)
니티놀장치의 피로파괴(Fatigue failures)는 토론의 고정된 주제이다. 니티놀은 아주큰 유연성 및 동작이 요구되는곳에 사용되는 물질이기에 (즉, 혈관확장주입물(peripheral stents) 및 심장밸브), 다른금속보다 훨씬 큰 피로 압박에 필수적으로 노출된다. 니티놀의 압박조절된 피로 성능은 모든 알려진 다른금속에 비해서 월등하기 때문에, 대부분의 요구되는 적용된곳에서 피로파괴가 관찰되었다. 니티놀의 내구성한계를 더많이 알고 정의하려는 수많은 노력이 진행중이다.
니티놀은 절반이 니켈이다, 그러므로 의학장비에 있어서 니켈의 용출, 알레르기유발, 발암유발 가능성에대한 큰 우려가 있다. (니켈은 스테인레스스틸 및 코발크크롬 합금에도 상당한 양이 존재한다). 적절한 처리를하면 (전기광택 및/혹은 보호막을 입히는 것등으로), 니티놀은 매우 안정적으로 보호되는 TiO2 막을 형성하여 이온교환을 방지하는 매우 효과적이고 자기치료적인 장벽으로 작용한다. 실례로, 니티놀은 스테인레스스틸보다 더 느리게 니켈을 방출하는 것이 반복적으로 보여진다.
그렇긴 하지만, 매우 초기의 의료장비는 전기광택 없이 만들어졌고, 부식이 관찰되었다. 예를들어보면, 오늘날의 혈관 자기-확장 금속 주입물(stents)은 부식이나 니켈용출의 증거를 보이지 않으며, 환자의 상태는 니켈 알러지가 있건 없건간에 차이가 없다.
니티놀에 포함된 TiC 및 Ti2NiOx 와 관련한 꾸준하고 오래지속되온 논쟁이 있다. 모든 금속들은 함유물(inclusions)을 가지고 있으며, 니티놀은 -보편적으로존재하는- 함유물 없이 용해될수 없다. 함유물의 크기, 분산도, 그리고 형태는 어느정도 조절될수 있다. 이론적으로, 작을수록, 둥굴수록, 적은 함유물을 가질수록 피로 내구성이 증가한다. 그러나 지금까지의 모든 연구에서 측정할 수 있는 차이를 보여주는데 실패했다.
니티놀의 추가적인 사용에대한 주요한 제한요소는 자체 및 다른물질과 함께 용접하기가 어렵다는 것이다. 과거 10년간, 니티놀과 니티놀의 레이저용접이 상대적으로 통상적인 공정이 되어왔다. 좀더 최근에는, 니켈필러를 사용하여 니티놀선과 스테인레스선 사이의 강력한 결합을 하였다. 니티놀에 다른공정 및 다른금속을 용접할수 있는 더많은 연구가 진행 되고 있다.
최근의 발전은 단일체구조(monolithic)에서 다중 형상기억을 함유하게하는 가공열처리 능력으로까지 확장시킬수 있는 니티놀 처리공정 까지 선보이고 있다. 다중 형상기억 기술의 연구가 진행되고 있어, 멀지않은 미래에 향상된 형상기억 장치들이 나올 것이 분명하다.

적용
니티놀의 적용에 있어 4가지 일반적으로 적용되는 형태가 있다.

자유복구(Free Recovery)
니티놀이 낮은온도에서 변형되었고, 가열되면 원래의 형태로 복구된다.

억제된복구(Constrained Recovery)
복구되는 것이 심하게 방지되어 있는것를 제외하고는 똑같다, 따라서 압박(stress)이 발생한다.

일생산(Work Production)
여기서 합금은 복구되어진다, 그러나 힘에 반대하는 작용을 한다. 따라서 일을 한다.

초고탄성(Superelasticity)
위에서 논의된 대로 , 여기서 니티놀의 작용은 슈퍼스프링 같다.

1989년 미국과 캐나다에서 7개의 기관이 포함된 조사가 진행되었다. 그조사는 미래기술, 시장 및 SMA 의 적용을 예측하는데 초점이 모아져 있었다. 그회사들은 니티놀의 다음과 같은 용도를 중요도가 적어지는 순서로 예측했다.
(1)커플링(Couplings), (2)생명공학 및 의학, (3)장남감, 입증용(demonstration), 아이디어상품, (4)작동장치(Actuators), (5)열엔진(Heat Engines), (6)센서, (7)극저온에서 활성되는 소멸 및 거품 기억 소켓(die and bubble memory sockets), 마지막으로 (8)양력장치들(lifting devices).
직장수술(colorectal surgery)에 있어서, 니티놀은 병든부분을 제거한후 장을 재연결하기 위한 장치로 사용된다.
치의학에 있어서, 니티놀은 이빨을 연결하는 버팀대(bracket) 및 선(wire)등의 교정용으로 사용된다. 치아교정용보철기(Suresmile)가 치열교정용으로 적용되는 한가지예 이다. 일단 SMA 가 입에 장착이 되면, 그것의 온도가 체온까지 상승한다. 이 때문에 니티놀이 원래의모양으로 수축하여, 이빨이 이동하는데에 따라 일정한 힘이 작용하게 된다. 이러한 SMA 와이어(wire)는 일반적인 스테인레스 와이어와 달리, 이빨이 이동할때마다 다시 당겨서 조절해줄 필요가 없다. 추가적으로, 니티놀은 치내요법학(endodontics)에도 사용할수 있다, 여기서 니티놀 파일(files) 은 치아근관(root canals)의 시술시에 세척하고 모양을잡아주는데 사용된다.
형상를 바꿀수 있다는 사실로 인하여, 그것은 또한 골프클럽 삽입물(insert)로 사용된다.

의료장비에서 또다른 중요한 니티놀의 적용은 혈관 확장 고정물(stents) 이다.
눌려진 혈관조형물이 정맥내에 삽입되 가열되면(원래의 확장된 형태로 복구되어) 혈액의 흐름을 증진시키는데 도움이 된다. 또한 수술 봉합선의 대체품으로서, 니티놀선은 2개의 구조로 직조되어 수술한곳이 고정되도록 미리형성된 구조로 변형되도록 한다.
니티놀은 생명공학에 아주적합하고, 정형외과 주입물(orthopaedic implants)로 사용되는데 아주적합한 특성을 가지고 있다. 니티놀은 또한 극도로 회복력이 있는 유리 프레임으로 인기가 높다. 이것은 또한 어느정도 기계적인 시계 스프링으로도 사용된다.



니티놀은 온도조절시스템로서 사용될 수 있다.
니티놀은 형상을 바꾸기때문에, 스위치를 작동시키거나 온도를 조절하는 다양한 레지스터(resistor)로 사용될 수 있다.
초고탄성이고 기계적인 형상기억 성질이 있기 때문에 휴대폰 기술에서 접을 수 있는 안테나로 사용되거나, 혹은 마이크 연장막대(microphone boom)로 사용될수있다.
이것은 다음과 같은 호기심이 있는 제품에 사용되기도 한다. 스스로구부러지는 스푼은 아마추어나 전문 마술가에 의해 사용되어 초자연적인 힘을 입증하거나, 장난삼아, 커피나 차, 다른 따듯한 용액을 저을 때 구부러 지게 할수도 있다.
이것은 또한 유방종양의 위치를 표시하는데 사용되는 선(wire)으로 사용되어 수술을 좀더 정확하게 할수 있도록 해준다. 니켈 티타늄은 철사를 넣은 브래지어의 철선으로 사용될수 있습다.
뜨겁고 찬 열원으로부터 기계적인 에너지를 생산하는 열엔진의 입증모델이 건설되었다.