[상변태학] 형상기억 합금의 응용, 초소성 현상과 그 응용, 열전 재료와 그 응용
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- 목차
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형상기억 합금의 응용
초소성 현상과 그 응용
열전 재료와 그 응용
- 본문내용
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형상 기억 합금은 간단히 말해 특수한 온도에서의 그 형상을 기억하고 있어 보통 상온에서 힘을 받아 그 형상이 변하더라도 특수한 온도로 다시 만들어 주면 기억된 형상으로 돌아가는 재료이다. 이러한 형상 기억 효과는 Martensite라는 금속조직의 변태에 의해 결정구조가 변화함에 따라 일어난다. 또한 형상기억 합금은 형상 기억뿐만 아니라 초탄성의 성질도 가지고 있는데 이 또한 많은 분야에서 사용된다. 지금까지 형상기억의 효과가 확인된 합금은 20여 가지로 대체로 Ni-Ti 합금, Cu-Zn-Al 합금 등이 있다. 하지만 형상기억합금은 만들기가 쉽지 않고 가격이 비싸다는 것이 단점이다. 이로 인해 합금보다 값이 더 싼 형상기억 플라스틱도 개발되고 있다. 만들기도 쉽고 값도 합금의 10분의 1 이하로 형상기억 플라스틱은 현재 주로 완구, 용기, 자동차부품, 자기기록 재생장치 등에 이용되고 있다.
형상 기억이라는 특징을 이용해서 응용할 수 있는 분야는 무궁 무진 하나 아래에서 간단히 살펴보도록 하자.
초소성 현상은 1912년 Bengough가 α+β brass를 700℃에서 163%의 연신율을 얻은 결과를 처음 보고함으로써 주목을 끌기 시작하였다. 이러한 초소성 현상은 재료가 고체 상태로서 특정한 온도에서 낮은 응력에 의해 거대 변형을 나타내는 현상이다. 덧붙여 설명하면 합금에 있어서 네크(소성변형시 목이 길게 늘어지는 현상)없이 수백 %에 미치는 거대한 연신률이 얻어지며 그 변형 거동은 폴리머의 변형 유동과 비슷하다. 쉽게 설명하면 포항공대 이종수 교수가 “마시는 차가 특정 온도에서 깊은 맛을 내듯이 재료도 특정 온도에서 잘 변형될 수 있다.”라고 했는데 말 그대로 금속이 수백 % 연신되는 초소성 현상은 특정 온도와 적절한 변형속도 등의 조건을 잘 조성해 주면 나타나게 된다는 것이다.
금속재료에는 결정립의 크기가 작은 경우 강도가 상온에서 강하고 고온에서 약해 쉽게 변형된다는 특징이 있다. 이런 재료에서 결정립 크기를 아주 미세하게 만든 후, 특정 온도로 올리고 특정 속도로 천천히 변형시키면 크게는 3천%까지 늘어나는 초소성 현상이 일어난다. 보통 금속 재료에서 결정립 하나의 크기는 30~50㎛ 지만, 초소성 현상을 보이게 하려면 결정립 하나의 크기가 보통 1~3㎛다. 초소성 성형을 하기 위해서는 결정립의 크기를 작게 해야 하는 것이다. 초소성 성형기술은 재료의 모양을 자유롭게 할 수 있고, 기존의 부품 제조 공정을 단순화 시킬 수 있다는 장점이 있다. 초소성 현상은 보통 아래 두 가지 메커니즘으로 일어나게 된다.
열전재료란 열과 전기 사이의 에너지 변환을 의미하며, 변환 소자의 양단에 온도 차이가 있을 때 소자 내부의 carrier가 이동함으로 기전력이 발생하는 재료를 이야기 한다.
Seebeck효과: 열전현상에 있어 양단간의 온도차를 이용하여 기전력을 얻어내는 것.
Peltier효과: 기전력 차이를 이용, 양단간의 온도차를 얻어내는 것
Tomson효과: 도체선상의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 것.
위와 같은 열전 재료를 이용한 전자냉각은 오존층 파괴와 온실효과를 일으키는 Freon등의 냉매를 사용하지 않기 때문에 환경 친화적이며, 또한 구조가 간단하면서도 신뢰성이 높고, 기계적 작동부품이 없기 때문에 소음과 진동이 없으며, 회로의 국소 부위에 대한 선택적인 냉각이 가능한 장점을 가지고 있다. 이러한 특수한 효과를 가진 소자를 사용한 즉, 열전 재료를 사용한 예를 살펴보기로 하자.
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