신소재 세미나 첨단소재실험실 김재일

形状記憶合金이란… 형상기억특성 초탄성특성 하중을 가해서 변형해도 하중을 제거하면 본래의 기억된 형상으로 회복 。 하중을 가해서 변형해도 가열하면 본래의 기억된 형상으로 회복 。

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응용분야

형상기억물질 형상기억합금 강유전체 형상기억 폴리머 형상기억 세라믹 형상회복 Strain(%) 1 ~ 10 ~ 0.1 200 ~ 1000 1 회복응력(Mpa) 500 50 10 ~ 30 40 구 동 원 열 전계

형상기억합금의 종류 합 금 조 성 MS 점 (℃) 히스테리시스 (℃) Ag-Cd 44~49at%Cd -190~-50 ~15 합 금 조 성 MS 점 (℃) 히스테리시스 (℃) Ag-Cd 44~49at%Cd -190~-50 ~15 Au-Cd 46.5~50at%Cd 30~100 Cu-Al-Ni 14~14.5wt%Al 3~4.5wt%Ni -140~+100 ~35 Cu-Au-Zn 23~28at%Au 45~47at%Zn -190~+40 ~6 Cu-Sn ~15at%Sn -120~+30 Cu-Zn 38.5~41.5wt%Zn -180~-10 ~10 Cu-Zn-X (X=Si,Sn,Al,Ga) 수 wt%X -180~+100 In-Tl 18~23at%Tl 60~100 ~4 Ni-Al 36~38at%Al Ti-Ni 49~51at%Ni -50~+100 ~30 Fe-Pt ~25at%Pt ~-130 Fe-Pd ~30at%Pd ~-100 Mn-Cu 5~35at%Cu -250~+180 ~25

주요 형상기억합금의 비교 항 목 Ni-Ti 합금 Cu-Zn-Al 합금 회복 strain 최대 8% 최대 4% 회복 응력 항 목 Ni-Ti 합금 Cu-Zn-Al 합금 회복 strain 최대 8% 최대 4% 회복 응력 최대 40Kgf/㎟ 최대 20Kgf/ ㎟ 반복 수명 105 (ε = 0.02) 107 (ε = 0.005) 102 (ε = 0.02) 105 (ε = 0.005) 내 식 성 양 호 문제가 있다. 특히 응력 부식 균열 가 공 성 좋지 않다 별로 좋지 않다 형상 기억 처리 비교적 용이하다 상당히 어렵다

마르텐사이트 변태의 비교 철 & 강 형상기억합금 고온에서 급냉하면 마르텐사이트 변태 모상과 마르텐사이트 상과의 계면을 정합상태로 유지 시키기 위해 고밀도의 결함이 도입 마르텐사이트가 쌍정을 형성해 계면의 응력을 최소화 한다. 이 변태는 가역적 이어서 가열에 의해 모상으로 역변태한다. 형상기억효과 경하게는 되나 형상기억 효과는 나타나질 않는다.

stress e 전단strain stress heat stress strain e SME메카니즘

각 온도에서의 stress-strain 곡선 ( a ) T < M ( b ) M < T < A s ( c ) A < T < A s s s f s M S M E ＋ S E S M E S M E Stress 加 熱 ( d ) A < T < T ( e ) T < T f s s s S M E : 形 状 記 憶 効 果 M S E : 超 弾 性 P D S E P D : 塑 性 変 形 Strain

인장 온도와 항복응력과의 관계 s s

형상기억합금의 응용기술의 분야별출원건수 1978~2000년 5월 공개출원

형상기억합금의 응용 특허 및 실용신안 건수 400 800 1200 1600 78 82 86 90 94 98 출원건수 년도 전체 400 800 1200 1600 78 82 86 90 94 98 전체 응용기술 재료기술 출원건수 년도

2000년대 까지는 몇 제품을 제외하고 대부분이 on/off 기능이 적용되고 있음 1950 1960 1970 1980 1985 1990 1995 1996 1997 1998 1999 2000 학술 형상기억 초탄성 ○ 콜롬비아대, Au-Cd 형성기억효과발견(1951) ● Ti-Ni 안정한 형상기억효과의 실현(1982) ● 형상기억합금 마이크로액츄에이 타의 동특성평가 ○ In-Ti 형상기억효과발견(1956) ● 미국해군연구소 Ti-Ni 형상기억효과발견(1964) ○ F-14전투기 파이프 이음새 ● 커피메이커 ● 혈관내 필터 ● 에어컨 ● 전기밥솥 ● 건조기 ● 내시경 ● 전자렌지 ● 카메라 ● OVCV ● 혼합수 밸브 ● 유량조절 밸브 ● 열수컷밸브 ● 급수기 ● 신칸센차축 油溫제어 ● 환풍기 ● 방화벽 ● 온실창개폐 ● 안경프레임 ● 낚시줄 ● 낚시줄 ● 브라자 ● U 브라 ● 시계 밴드 ● 헤드폰 ● 휴대폰 안테나 ● 엑스텐션 와이어 (NT Tube) ● 가이드와이어 ● 스텐트 ● 치열교정와이어 ● 치열교정와이어(NT-Cu-Cr) 2000년대 까지는 몇 제품을 제외하고 대부분이 on/off 기능이 적용되고 있음

액츄에이터 응용 SMA IT 및 모바일 기기의 경량화, 소형화 추세에 따른 초소형 마이크로 엑츄에이터 수요 증대 형상기억합금은 기존 소재에 비해 에너지 밀도가 약 100배 이상 높아 초소형, 경량기기에 적합한 차세대 엑츄에이터 소재로 각광을 받고 있음. SMA 피에조 소자 VCM Stepping Motor 2010년 6월 일본 Panasonic사 P05B의 휴대폰기종 형상기억합금이 엑츄에이터로 사용 IT 및 모바일 기기의 경량화 및 소형화 추세 소형 및 마이크로 엑츄에이터 수요 증대 단순구조, 높은 에너지밀도 요구 차세대 엑츄에이터 소재 형상기억합금 각광

기술개발 필요성- AF용 카메라모듈 예시(1) * 화질은 고정초점과 동일 항목 전력 소모량 변위 (stroke) 신뢰성 부피 비용 Stepping Motor • 연속모드시 전류 과다 • 충격 문제 • 상대적으로 큼 • 위치센서 드라이버 추가 VCM 피에조 소자(Piezo) SMA • 정지상태서 전류 소모 • 전용 드라이버 필요 • 전기적 제어가 간단 • 변위 제한 • 신뢰성 확보 곤란 • 취성으로 낮은 신뢰도 • 신뢰성 확보 용이 • 비교적 작음 • 비교적 작음 • 부피 최소화 가능 • 부품수, 조립시간 과다 • 별도 구동드라이버 필요 • 대량생산 용이

기술개발 필요성- AF용 카메라모듈 예시(2) 기존 VCM 방식의 AF용 카메라 모듈 분해도 SMA 방식의 AF용 카메라 모듈 예측 분해도

IT산업 엑츄에이터용 SMA 시장 4 조 의료용 SMA 시장 2020년 4,500억 안경,와이어브라 SMA 시장 1,500억 <출처 또는 인용> 세계 폰카메라용 SMA 시장 추이 자료 - 주니치마켓리포트 & 광산업 예측 편람, <2007> 수출입통계: Ni합금(2,000억원)기준 중 15% 점유, 연 12% 성장 <2008> Boston medical consultant, <2007> 일본형상기억합금협회, <2007> 의료용 SMA 시장 4,500억 2020년 안경,와이어브라 SMA 시장 1,500억 2011년 2001년

SMA의 산업적 적용 가능 시장

VAR EBM PAM VIM 열원 진공도 (Pa) 장점 단점 Vacuum of Ar arc surface heating Electron beam bombardment surface heating Plasma arc surfaced heating Induction internal heating 진공도 (Pa) 0.1 105 10-4  10-1 103  105 10-2  105 장점 - 낮은 전력 소모 Variety of loose feed OK Semi continuous Inclusion eliminated Partially in use, superheat and mixing Semi-continuos 단점 Batch 전극 제조 필요 13회 용해 표면품질 좋지않음 Inclusions 제거곤란 High power 조성제어 어려움 장비 고가 Fair ingot surface 다량의 불활성가스 Arc보다 높은 power Inclusions제거 곤란 크기 제한 VAR EBM PAM VIM

 형상기억합금 액추에이터의 구동 방식 heat cool