형상기억 합금의 정의

어떤 상에서 형성된 합금이 다른상에 있을때에 변형을 받더라도 모상으로 되돌리면 형상도 다시 원래대로 되돌아가는 성질 즉, 형상기억효과를 가지는 금속을 형상기억합금이라고 한다.

고체상태에서 변태는 확산변태, 치환변태 두 가지가 있다.

-확산 변태: 상대적으로 거리가 멀어진 원저의 이동에 의하여 새로운 상을 형성.

                 원자의 이동이 필요함으로 시간과 온도에 종속적이다.

-치환 변태: 먼거리의 이동이 필요하지 않으며 원자의 재배열에 의하여 새로운 상을 형성

                 결정구조가 안정적이며 matrix의 화학적 특성이 변화지 않음

                 마르텐사이트는 치환변태의 형태이며 고온의 상을 austenite이라고 한다.

                 Austenite에서 마르텐사이트로 변화는 것은 bain strin과 lattice-invarient shear의 두 부분으로 생각될 수 있다.

․bain strain- 경계면은 한 개의 원자층에서 진행되기 때문에 각각의 원자는 아주 작은 에너지로 이동할 수 있다. 그리고 새로운 구조를 만들기 위하여 필요한 운동이 bain strain이다.

․lattice-invarient shear-형상기억 합금의 경우 부피의 변화는 없고 형태만 변한다.

형상 기억 합금의 원리

금속은 작은 결정의 집합체이다. 결정이란 원자들이 규칙적으로 배열된 상태로서 이들의 배열 방법에 따라 결정구조가 달라지게 된다. 똑같은 성분의 금속이라 할지라도 온도에 따라 결정구조가 달라지는 것이 있는데 각상마다 자유에너지의 차에 따라 상변태가 일어나서 결정구조가 달라지게 되면 금속의 여러 가지 특성도 달라지게 된다.

혈상기억 합금도 상변태를 하는데 저온에서는 마르텐사이트라는 결정구조를 가지지만 일정한 변태 온도가 되면 열학적으로 더 안정한 오스테나이트라는 결정구조로 바뀌게된다.

이러한 결정 구조가 다르기 때문에 변태 온도 이상과 이하에서 각각 재료를 변형 시킬 때 원자들의 이동 방법에서 차이가 나게 된다.

오스테나이트 변형에서는 외력이 가해지면 가-나로 표시된 슬립면을 따라 원자간의 결합이 끊어지면서 서로 엇갈리게 되어 다시 돌아가지 못하므로 영구 소성 변형이 일어난다.

마르텐사이트 결정구조에서는 원자간의 결합이 끊어지지 않고 원자간의 전체 위치가 그대로 이동하게 된다. 이러한 변형을 쌍정 변형이라 한다.

두 개의 elastic region과 두개의 plasticity plateaus 가 있다. 첫 번째는 twin motion, 두 번째는 slip 때문이다.

2방향 형상기억 효과(Tow way shape memory effect)

- 고온상의 형상 외에도 저온상의 변형을 받았을 때의 형상도 기억하는 경우

- 가역형상기억효과라고도 함(RSM: Reversible Shape Memory effect)

- 스프링의 경우 Af온도 이상으로 가역하면 수축된 spring이 팽창

→ 다시 Mf온도 이하로 냉각하면 급격히 수축됨

초탄성 효과(Superelastic or pseudoelastic effect)

온도에 대해 독립적인 상태에서 일어나는 형상기억효과를 말함.

- 형상기억 효과는 합금을 변태점 이하의 온도로 변형한 후 Af점 이상으로 가열하면 나타나는 현상인데, 같은 합금을 Af점보다 높은 온도에서 변형시키면 고무의 탄성거동과 비슷한 초탄성 현상 발생

- 일반금속, 형상기억 합금 및 초탄성 재료의 응력-변현 곡선 비교

일반 금속의 경우 외부응력이 증가함에 따라 변형량도 점점 증가하는데 A점까지는 탄성영역이므로 외부응력이 제거되면 원래의 상태로 돌아온다. 소성 변형도 일어나서 B점에서 외부응력을 제거해도 O→C만큼의 영구변향으로 남게 된다.

형상기억 합금의 경우 일반 금속과 비슷하게 타선변형이 일어나고 소성변형이 일어나는 것처럼 보이지만 C점에서 합금의 온도를 올려주면 다시 원점으로 돌아가게 된다

초탄성 특성을 갖는 금속들은 오스테나이트 구조에서 외부응력을 받았을 때 그 구조가 마르텐사이트로 변하는 성질을 가진 것으로 응력이 제거되면 마르텐사이트가 다시 오스테나이트로 되면서 원래의 상태를 회복한다.

형상기억합금의 의학/치과 응용

① 골 접합용 스테이플

- 분단된 뼈를 걸쇠와 같이 고정시키는 ㄱ자 형태의 작은 부품

- 수술전 일정한 왜곡량만큼 인장 변형시켜 놓은 접골판을 장착하여 수술후 체외에서 가열하여 골절면에 압축력을 부여

- 스테이플의 다리를 내측으로 굽힌 상태로 기억처리

- 골절면에 균일한 압축력을 가함(압축력이 강할수록 뼈가 튼튼하게 접함)

② 치열 교정용 재료(치열교정용 arch wire)

③ 혈전 방지용 기구

응고된 핏덩어리가 폐 또는 심장에 들어가게 되면 인체에 치명적인 영향을 미치므로 이것을 막기 위해 이 핏덩어리를 걸러내는 여과기를 형상기억 합금으로 만들어 혈관 속에 집어넣는 것이다. 아주 작은 크기의 우산모양의 여과기를 형상기억 합금으로 만든 다음 혈관 속으로 넣어 체온에 의해 원래 우산 모양으로 펴지게 하여 혈액을 걸러내는 것이다.

④ 척추 고정봉

- 척추가 "< 형으로 만곡되는 척추만곡증(척추측만증, 척추전만증 : Scoliosis, Kyphosis) 고정

- 스테인리스 강제의 해링톤 봉(Harrington rod)은 인장력으로 만곡을 교정하기 때문에 필요 이상의 힘이 뼈에 가해져 뼈나 신경을 손상시킬 수 있음. 또한, 시간의 경과와 함께 교정력 감소하여 재수술이 필요

→ 형상기억합금을 사용하여 수술후 가열하여 고정봉을 바르게 하여, 쓸모 없는 하중을 주지 않고, 가열의 정도를 가감하여 교정을 조절할 수 있으며 재수술이 필요 없음.

⑤ 척주 관절 고정술