2021 INTRA 첨단소재 박람회_자동으로 움직이는 건축외피 모듈 개발

2021 INTRA 첨단소재 박람회_자동으로 움직이는 건축외피 모듈 개발

대학생신재생에너지기자단 20기 김원경

 

2021 코엑스 INTRA 첨단소재 및 융복합기술대전 박람회

[자료 1. 박람회 참가 사진]

출처 : 대학생신재생에너지기자단 20기 김원경

2021년 11월 17일~19일 코엑스에서 열린 제9회 국제첨단소재 및 융복합기술대전은 급변하는 글로벌 소재시장에서 첨단 소재 및 융복합 기술 트렌드를 선도하는 150여개 기업이 참가하는 비즈니스 첨단소재 전문 전시회이다. 위의 박람회에 직접 참여하면서 형상기억소재에 대하여 접하게 되었으며, 이에 대해 더 깊이 알아보고자 본 기사를 작성하게 되었다.

 

형상기억소재란?

가공된 어떤 물체가 망가지거나 변형되어도 열을 가하면 원래의 형상으로 되돌아가는 합금이다. TV에 나오는 드라이기 바람을 쐬어주면 피어나는 금속 꽃이나, 끓는 물에 넣으면 저절로 펴지는 철사 등이 형상기억합금이다.

일반적인 금속은 형태가 변형될 때 원래 있던 금속간 결합이 풀린 후 내부의 원자가 이동하면서 (다른 금속원자와) 새로운 결합이 생성되면 변형된 형태가 고정되지만, 형상기억합금은 금속내 결정 격자의 형태가 변하면서 원자간 결합은 그대로 보존되고 적절한 조건에서 다시 원래 형태의 격자로 돌아가면서 변형이 풀린다.

최초의 형상기억합금은 '니티놀'이라고 하는 니켈-타이타늄 합금이다. 기억력이 가장 강력하지만 니켈과 타이타늄의 값이 워낙 비싸기 때문에 다양한 분야에 적용이 힘들어서 학자들은 대체재를 연구하고 있는 중이다. 그 외에도 더 비싼 금과 은을 베이스로 하는 합금계열, 구리계열, 철계열 등이 있고 철 계열의 형상기억합금은 상대적으로 가격이 싼 편이라 좀 더 발전하면 토목분야 등에서도 상용화를 할 수도 있는 수준이다.

[자료2. 형상기억소재 원리]

출처 : 네이버 지식백과사전

실제 이용하는 형상기억 특징의 종류는 크게 두 가지. 첫 번째는 온도가 낮을 때 변형시킨 후 온도를 올리면 원래의 형태로 돌아오는 것으로, 이것이 우리가 익히 알고 있는 형상기억 특성이다. 위 상변화 그림에서 쭉 펴진 Martensite 로 구조가 변화되었다가 온도가 올라가면서 Austenite 로 돌아오는 형태이다.

두 번째는 특정 온도 구간에서 하중을 주면 쭉 늘어나며 Martensite 가 되었다가 다시 하중을 제거하면 원래의 형태로 고무줄처럼 돌아오는, 의사탄성 (pseudoelasticity) 혹은 초탄성 (superelasticity) 라고 부르는 현상이다. 하중을 가했을 때 Martensite 가 안정상으로 되었다가 하중이 다시 낮아지면 Austenite 로 돌아오기에 나타나는 현상이다.

형상기억소재의 응용

형상기억 합금은 인공 장기와 정형외과용 의료기기, 화재경보기 등의 온도 디바이스, 월면(月面) 안테나 등의 우주개발 기기, 전자기기 등에 응용된다. 강철처럼 단단하면서도 경우에 따라서는 고무처럼 부드러워지기도 하고 뱀처럼 꿈틀거리기도 하는 특성을 지닌 이 형상기업합금은 산업이나 의료 분야뿐만 아니라 일상생활용품으로도 널리 활용되고 있다.

형상기억합금이 처음 적용된 것은 1969년 아폴로 11호의 통신 안테나였는데, 발사 당시에는 접혀져 있다가 달 표면에서 적당한 온도가 되면 저절로 펴지게 만들었다.  80년대 이후 직선 모양으로 기억시켜 놓아 아무리 구부려도 다시 펴지는 ‘휴대폰 안테나’, ‘밟아도 걱정 없는 안경테’에도 형상기억합금이 쓰였다.

이외에도 형상 기억 합금은 여성의 브래지어, 파이프의 이음매, 로봇의 팔 관절 부분, 인공 심장용 인공 근육 등의 생체 의학 재료, 각종 온도 제어 장치, 커피 제조기, 건물에 설치되는 화재 진압용 스프링클러, 온도 차이를 이용한 각종 개폐장치 등 다양하게 사용되고 있다. 사람 손 모양과 체온을 기억했다가 가장 편안한 상태로 변형되는 형상기억합금 PC 마우스도 국내에서 출시됐다.

 

형상기억합금과 3D 프린팅의 기술적 결합, 형상소재와 4D 프린팅

1) 치열 교정용 와이어

[자료3. 형상기억소재를 활용한 치아 교정기]

출처 : 2021 INTRA 첨단소재 박람회 측에서 제공한 홍보자료 일부 발췌

과거에 치아교정 치료기는 와이어와 브래킷으로 연결된 교정장치를 묶어 주기 위해 고무링이나 가는 철사를 이용했는데, 이로 인해 치아의 이동 속도가 느려지고, 치아를 움직이는데 더 많은 힘이 필요해 통증을 유발했다. 그러나 이 교정 장치에 형상기억합금이 쓰이면서 바뀐 상태로 입안에 넣어도 체온에 의해 원래 형상으로 돌아가면서 치아를 단단히 묶어주는 역할을 한다. 이로써 교정기를 끼울 때의 통증이 사라지고, 시간이 지나도 원래대로 그 모습을 유지하게 된다.

형상기억합금과 같은 형상 기억 물질에 대한 연구는 지금도 계속되고 있다. 특히 우주, 깊은 바다, 방사능이 노출된 공간, 화재 현장 등 사람이 들어갈 수 없거나 들어가기 어려운 공간에서 널리 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 최근에는 합금에 비해 저렴한 형상기억 플라스틱에 대한 연구도 활발하다. 다양한 분야에서 널리 활용되고 있는 형상기억합금이나 플라스틱이지만, 복잡한 모양을 만들 수 없다는 단점이 있었다. 이를 최근 3D 프린팅을 통해 또 한 번의 기술적 해법을 찾고 있는 것으로 보인다.

2) 형상기억소재와 4D 프린팅

4D 프린터란?

미국 MIT 자가조립연구소장 스카일러 티빗츠는 TED에서 4D 프린팅이라는 개념을 처음으로 소개헀다. 결과물이 입체적으로 출력되는 것까지는 기존 3D 프린팅과 차이가 없지만, 4D 프린팅을 통해 만들어진 결과물은 만들어 내자마자 한 모양에서 다른 모양으로 스스로 변환이 가능하다는 추가적인 기능을 갖고 있다는 점에서 3D 프린팅의 약점을 매우 크게 보완한 기술이라고 할 수 있다.

4D 프린팅에서 쓰이는 재료가 ‘형상기억소재’인데, 특정한 자극을 주게 되면 다시 원래의 모습으로 복원할 수 있는 성질, 즉 탄성을 가지고 있어 3D 프린팅의 약점 보완이 가능하다고 한다. 이 소재를 이용한 물품들은 예상치 못한 피해에도 쉽게 회복, 복구할 수 있고, 필요한 만큼 변형시킬 수도 있기 때문에 실생활에서 다양한 방면으로 유용하게 응용 가능할 것이다.

-> 사막에서 살아남는 선인장을 모사, 기온에 따라 창호나 외벽 등이 스스로 열리고 닫히는 건축외피 모듈

[자료4. 기후반응 생체모사 건축 외피 메커니즘]

출처 : 기계신문

아주대학교 이황 교수 연구팀은 고온 건조한 사막에서도 잘 자라는 선인장류의 기공개폐 방식에서 착안하여, 고온에서는 펼쳐져 열과 햇빛을 차단하고, 쾌적 온도에서는 자동으로 다시 열려 바람과 빛을 받아들이는 방식으로 실내 환경을 조절하도록 하는 건물외피를 개발했다. 간단한 제작방식의 디자인을 통해 실내 냉방부하를 줄임으로써 장기적으로 기후변화대응과 탄소 저감에 도움을 줄 것으로 기대된다. 4D프린팅은 건물 뿐 아니라, 태양광 패널 각도 최적화, 도로 차폐벽 등 각종 도시 인프라 시설에 활용될 수 있다.

 

형상기억합금 시장 규모 및 전망

전 세계 형상기억합금은 2017년 106억 2,190만 달러에서 연평균 성장률 12.3%로 증가하여, 2022년에는 189억 7,310만 달러에 이를 것으로 전망된다.

[자료5. 글로벌 형상기억합금 시장 규모 및 전망 도표]

출처 : MarketsandMarkets, Shape Memory Alloys Market, 2018 

전 세계 형상기억합금 시장은 종류에 따라 니티놀, 구리 기반, 철-망간-규소, 기타 합금으로 분류된다.

- 니티놀은 2017년 55억 3,860만 달러에서 연평균 성장률 12.5%로 증가하여, 2022년에는 99억 6.590만 달러에 이를 것으로 전망된다.

- 구리 기반은 2017년 23억 4,770만 달러에서 연평균 성장률 12.1%로 증가하여, 2022년에는 41억 6,360만 달러에 이를 것으로 전망된다.

- 철-망간-규소는 2017년 12억 8,060만 달러에서 연평균 성장률 12.3%로 증가하여, 2022년에는 22억 8,290만 달러에 이를 것으로 전망된다.

- 기타 합금은 2017년 14억 5,490만 달러에서 연평균 성장률 12.0%로 증가하여, 2022년에는 25억 6,060만 달러에 이를 것으로 전망된다.

[자료6. 글로벌 형상기억합금 시장의 종류별 시장 규모 및 전망 도표]

출처 : MarketsandMarkets, Shape Memory Alloys Market, 2018 

형상기억소재의 전망은 앞으로도 더욱 좋아질 것으로 예상된다. 추후에도 현재보다 더 좋은 기술력을 만나 지속적으로 성장하여 상용화되기를 기대해본다.

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참고문헌

1) 김현진. "Ti-Ni-Cu 형상기억합금 분말 및 성형체에 관한 연구." 국내석사학위논문 계명대학교 대학원, 2011. 대구

2) 이응조(Yeungjo Lee),김동진(Dongjin Kim),and 고영균(Youngkyun Ko). "형상기억합금을 이용한 항공우주산업용 분리장치 개발." 한국추진공학회 학술대회논문집 2013.12 (2013): 470-474.

3) 남태현,현용택,김승언,Nam Tae-Hyeon,Hyeon Yong-Taek,and Kim Seung-Eon. "의료용 Ti-Ni 형상기억합금." 機械와 材料 17.2 (2005): 108-120.

4) 강성균(Sung-Kyun Kang),정성윤(Sung-Yoon Jung),이명준(Myoung-Joon Lee),and 문인혁(Inhuk Moon). "형상기억합금을 이용한 인공근육 구동형 손가락의 개발." 대한전자공학회 학술대회 2006.11 (2006): 1102-1105.

5) 네이버 블로그, “형상기억합금”, 2020.01.14, https://blog.naver.com/demiamin1/221770927659, 2021.12.04

6) 김달훈, “형상기억 물질, 3D 프린팅과 만난다”, CIO, 2019.10.04, https://www.ciokorea.com/news/132863, 2021.12.04

7) 네이버 블로그, “3D프린터만큼 더 놀라운 4D프린터, 4D프린팅, 형상기억소재!”, 2015.06.16, https://blog.naver.com/timeline_dy/220391601488, 2021.12.05

8) 네이버 블로그, “(재료)형상기억합금(Shape Memory Alloy), 2020.11.13, https://blog.naver.com/bestjun1981/222142853038, 2021.12.05

9) 네이버블로그, “형상기억 파스타와 건축”, 2021.08.25, https://blog.naver.com/pag-architects/222483212742, 2021.12.05

10) 신근순, “서울과기대, 범용 3D프린터∙소재 활용 4D프린팅 기술 개발”, 신소재경제, 2020.02.25, http://www.amenews.kr/news/view.php?idx=41570, 2021.12.04

11) 네이버 지식백과, “형상기억합금”, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1051249&cid=47341&categoryId=47341 2021.12.04

12) 2021 INTRA 첨단소재 및 융복합기술대전 박람회 _방문객 제공 홍보자료