어떤 소재는 원래 모양을 기억할 수 있다는 사실을 알고 계셨나요? 이러한 현상은 마법이 아닙니다. 바로 형상 기억 합금(SMA)의 고유한 특성입니다.
형상 기억 능력 덕분에 SMA는 항공우주부터 의학까지 다양한 분야에서 다양하게 활용되고 있습니다. 이러한 뛰어난 적응성 덕분에 2023년 141억 달러 규모였던 SMA 시장은 2033년까지 세 배로 성장할 것으로 예상됩니다. 이러한 합금은 온도나 응력에 따라 내부 구조가 변화하여 모터나 전자 장치 없이도 움직이거나 변형될 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 로봇공학, 항공우주, 의학 등 다양한 분야에서 형상 기억 합금의 활용이 확대되고 있습니다.
이 글에서는 먼저 형상 기억 합금의 놀라운 거동에 숨겨진 비밀을 밝혀내고, SMA가 뛰어난 적응성을 보이는 형상 기억 합금의 다양한 응용 분야를 살펴보겠습니다. 이어서 형상 기억 합금의 거동을 시뮬레이션하기 위해 개발된 모델을 살펴보겠습니다. 마지막으로, 형상 기억 합금의 거동을 시뮬레이션하는 Abaqus 도구인 UMAT 서브루틴(SMA 시뮬레이션)을 소개합니다.
An introduction to the world of Shape Memory Alloys
형상기억합금은 상당한 변형 후에도 원래 형상으로 회복되는 능력을 갖춘 차세대 소재입니다. 이러한 독특한 특성 덕분에 다양한 분야에서 빠르게 응용 분야가 확대되고 있습니다.
형상 기억 합금이 어떻게 작동하는지 궁금하실 겁니다. 아주 간단합니다. 변형된 형상 기억 합금을 상상해 보세요. 하중을 제거하고 가열하면 원래 모양으로 회복됩니다. 그림 1에서 실제 형상 기억 합금 와이어의 이러한 특성을 확인할 수 있습니다.
형상 기억 합금은 형상 기억 효과와 초탄성이라는 두 가지 주요 특성 덕분에 원래 모양으로 되돌아가는 능력을 보입니다. 이 용어들이 무엇을 뜻하는지 아시나요? 설명해 드리겠습니다.
그림 1: 냉각되어 구부러진 후 가열하면 원래 모양으로 회복되는 SMA 와이어 [1]
What are the Shape Memory Alloys made of?
여러분의 마음속에 떠오를 수 있는 흔한 질문은 바로 이것입니다. 형상 기억 합금의 놀라운 능력은 무엇 때문에 생기는 걸까요? 정답은 형상 기억 합금의 핵심은 금속의 독특한 조합이기 때문입니다.
니티놀은 SMA(Simple Metal Machining System)에 사용되는 금속 조합 중 하나로, 이 상품명으로 널리 사용됩니다. 니켈과 티타늄의 조합으로 다양한 용도로 사용됩니다. 예를 들어, 그림 2는 치과용 파일에 니티놀을 사용하는 예를 보여줍니다. 뛰어난 내피로성 덕분에 전 세계적으로 일상적으로 사용되는 니티놀의 대표적인 예입니다.
그림 2: 치과용 파일에서의 니티놀 적용 [2]
니티놀은 미국 해군 병기 연구소에서 우연히 발견되었습니다. 연구소 경영진 회의 중 샘플이 반복적으로 변형되었습니다. 부기술 책임자가 샘플에 열을 가하기로 결정했습니다. 그러자 참석자 모두가 놀랍게도 샘플은 원래 모양으로 돌아왔습니다. 이는 형상 기억 합금 개발 역사에서 중요한 사건 중 하나입니다.
니켈-티타늄 외에도 SMA 계열은 향상된 특성을 가진 다른 조합으로도 확장됩니다. 구리-알루미늄-니켈 및 아연-구리 합금은 매력적인 장점을 제공하는 잘 알려진 예입니다. 더욱이, 오늘날 SMA 분야의 혁신은 금속에만 국한되지 않습니다. 연구자들은 SMA를 폴리머 및 복합재에 통합하는 방법을 연구하고 있습니다. 이를 통해 유연성, 강도, 심지어 자가 복구 기능까지 향상된 소재를 개발할 수 있을 것입니다.
There are still some questions remain, such as advantages of SMAs and types of SMAs which you can learn deeply in this tutorial.
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형상기억합금(SMA)은 형상기억 효과와 초탄성 덕분에 원래 형상을 회복할 수 있습니다. 이러한 고유한 특성 덕분에 SMA는 엔지니어링 및 의료 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 시뮬레이션은 SMA의 거동을 분석하는 비용 효율적인 방법을 제공하여 궁극적으로 신뢰성과 성능을 향상시킵니다. 따라서 연구자들은 SMA 기반 시스템을 연구하기 위해 시뮬레이션을 자주 활용합니다. 이 교육 패키지는 SMA 와이어의 기본 원리를 살펴보고 다양한 유형과 특정 기능을 제시하는 것으로 시작합니다. 그런 다음 시뮬레이션에서 SMA의 거동을 설명하는 데 필요한 구성 방정식을 제공합니다. 이 패키지에는 Abaqus에서 SMA를 모델링하는 서브루틴을 작성하는 순서도와 단계별 가이드가 포함되어 있습니다. 또한 Abaqus를 사용하여 SMA 와이어의 초탄성 효과를 시뮬레이션하는 워크숍도 제공합니다. 이 워크숍은 시뮬레이션 및 서브루틴 구현에 대한 지침을 제공할 뿐만 아니라, 검증을 위해 결과를 해석 솔루션과 비교합니다.
The Shape Memory Effect
형상 기억 효과는 형상 기억 합금이 가해진 온도에서 원래 모양으로 되돌아가는 현상을 말합니다. 이러한 거동은 재료 내의 두 가지 상, 즉 마르텐사이트와 오스테나이트의 상호작용에서 비롯됩니다.
오스테나이트는 모상이며, 형상기억합금은 고온에서 안정을 유지합니다. 그림 3은 오스테나이트 상 내 형상기억합금의 결정 구조를 보여줍니다.
그림 3: 오스테나이트 상의 형상 기억 합금의 미세한 모습 [3]
낮은 온도에서 SMA는 오스테나이트에서 쌍정 마르텐사이트 상으로 전이합니다. 이 상은 원자 배열이 더 무질서하고 대칭성이 낮은 구조를 갖는 것이 특징입니다. 그림 4는 쌍정 마르텐사이트 상에서 SMA의 결정 구조를 보여줍니다.
그림 4: 쌍정 마르텐사이트 상의 형상 기억 합금의 미세한 모습 [4]
SMA가 쌍정 마르텐사이트 상에 있다가 변형을 겪으면, 디트윈 마르텐사이트 상으로 전이합니다. 그림 5는 디트윈 마르텐사이트 상에 있는 SMA의 결정 구조를 나타냅니다.
그림 5: Detwinned Martensite 상의 형상 기억 합금의 미세한 모습 [5]
이제 쌍정 마르텐사이트 상의 SMA를 고려해 보겠습니다. 하중을 제거하고 고온에 노출되면 원자들이 오스테나이트 상으로 재조직됩니다. 결과적으로 재료는 초기 형상으로 돌아갑니다. 이러한 특성을 형상 기억 효과라고 합니다. 그림 6은 형상 기억 합금의 상 변화 과정을 보여줍니다.
그림 6: 형상 기억 합금의 가능한 상 변환의 개략적 표현 [6]
이제 형상 기억 효과가 무엇이고 형상 기억 합금에서 어떻게 작용하는지에 대한 기본적인 이해를 갖추셨습니다. 그런데 형상 기억 효과가 두 가지 방식으로 발생할 수 있다는 사실을 알고 계신가요? 함께 살펴보겠습니다. 물론, 이 튜토리얼에서 다음 설명과 예시를 더 자세히 설명하는 비디오 버전을 시청하실 수 있습니다.“SMA는 어떻게 동작하나요?“
One-Way and Tow-Way Shape Memory Effects
형상 기억 합금은 앞서 논의한 바와 같이 일방향 형상 기억 효과라는 기억 효과를 종종 나타냅니다. 그러나 일방향 효과 외에도 변형된 형상으로 되돌아갈 수 있는 또 다른 유형의 SMA가 있습니다. 이 현상을 양방향 형상 기억 효과라고 합니다. 그림 7에서 일방향 형상 기억 효과와 양방향 형상 기억 효과를 비교했습니다.
그림 7: SMA의 일방향 및 양방향 형상 기억 효과 비교
일방향 효과는 그림 왼쪽에 표시된 것처럼 매우 간단합니다. 오른쪽에는 변형된 후 가열되어 원래 모양으로 돌아오는 재료가 있습니다. 재료를 다시 냉각하면 변형된 모양으로 돌아갑니다. 원래 모양과 변형된 모양을 모두 회복할 수 있기 때문에 이러한 특성을 양방향 형상 기억 효과라고 합니다.
양방향 형상 기억 효과는 종종 '훈련'이라는 과정을 통해 달성됩니다. 훈련 과정은 SMA에 반복적인 열 사이클을 적용하는 것을 포함합니다. 이 과정에서 소재는 특정 조건에서 어떻게 동작하는지 학습합니다. 그러나 훈련된 물체를 특정 온도 이상으로 가열하면 양방향 기억 효과가 사라질 수 있습니다. 따라서 단방향 형상 기억 효과가 여전히 더 신뢰할 수 있고 더 일반적으로 사용되는 경향이 있습니다. 이 글의 나머지 부분에서 단방향 형상 기억 효과에 대해 살펴보겠습니다.
The Superelasticity Effect
SMA는 원래 모양으로 회복하는 형상 기억 효과에만 국한되지 않습니다. SMA는 초탄성이라는 특성도 가지고 있습니다. 초탄성 효과 덕분에 SMA는 온도 변화가 없어도 원래 모양으로 회복할 수 있습니다.
초탄성이 어떻게 작용하는지 이해하기 위해 오스테나이트 상에서 안정화된 재료를 가정해 보겠습니다. 그림 8에서 볼 수 있듯이, 온도 변화 없이 재료를 변형시켰습니다. 결과적으로, 재료는 디트윈 마르텐사이트의 불안정한 상으로 바로 전이합니다. 작용 하중을 해제하면, SMA는 잔류 변형 없이 원래 모양으로 돌아갑니다. 이 현상을 초탄성이라고 합니다.
그림 8: 형상 기억 합금의 초탄성 효과 표현 [8]
Application of Shape Memory Alloys in Different Fields
상당한 변형 후에도 원래 모양으로 돌아오는 재료를 상상해 보세요. 이것이 바로 형상 기억 합금의 놀라운 현실입니다. 이러한 특성은 단순한 개념이 아니라 의학부터 항공우주 등 다양한 분야에 영향을 미치고 있습니다. 그림 9는 다양한 분야에서 형상 기억 합금이 어떻게 활용되는지를 간략하게 보여줍니다. 여기서는 그중 일부만 살펴보겠습니다.
그림 9: 다양한 분야에서의 형상 기억 합금 적용 개요 [9]
1. Medicine
의료 시스템에서 형상 기억 합금의 적용에 대해 살펴보겠습니다. 형상 기억 합금은 의료계에서 상당한 발전을 이루고 있으며, 이 분야에서 적응성이 뛰어나고 불편함을 덜어주는 솔루션을 제공합니다. 예를 들어, SMA(형상 기억 합금)는 부러진 뼈를 복구하는 플레이트와 핀을 제작하는 데 사용할 수 있습니다. SMA는 뼈의 모양에 맞춰 변형되고 냉각되면서 조여지는 특성 덕분에 안정적으로 고정됩니다. 이는 치유 과정에 도움을 줍니다. 그림 10에서는 Ti-Ni를 포함한 티타늄 기반 합금이 인체 임플란트 부품으로 사용될 수 있는 잠재적인 용도를 확인할 수 있습니다.
그림 10: 인체 임플란트 부품으로서 티타늄 기반 합금의 잠재적 용도 [10]
니티놀 스텐트는 그림 11의 왼쪽과 같이 막힌 혈관을 뚫는 데 사용되는 적응형 도구입니다. 스텐트를 압축하여 삽입할 수 있습니다. 체온으로 따뜻해지면 스텐트가 팽창하여 혈관 모양에 완벽하게 맞춰집니다. 이 과정은 혈류 회복에 도움이 됩니다.
그림 11: 의료 및 생물의학 분야에서 SMA의 일부 응용 분야 [참고]
스텐트 외에도 니티놀 와이어를 사용하여 치아 교정기를 제작할 수 있습니다. 이러한 교정기는 치아에 가볍고 지속적인 압력을 가하여 치아 이동에 적응하고 불편함을 줄여줍니다. 그림 11의 오른쪽 하단에는 니켈-티타늄 치아 교정기가 나와 있습니다.
메모리 안경이 무엇인지 아시나요? 메모리 금속 프레임의 장점은 무엇인가요? 그림 11의 오른쪽 상단을 보면 답을 찾을 수 있습니다. 이 그림은 형상 기억 합금(SMA)을 안경테 제작에 사용하여 수명을 늘리는 방법을 보여줍니다. 이는 의료 및 생물 의학 분야에서 형상 기억 합금이 활용되는 분야 중 하나입니다.
2. Aerospace
형상 기억 합금의 또 다른 응용 분야는 항공우주 산업의 필수 소재입니다. 형상 기억 합금 액추에이터가 장착된 항공기 날개는 비행 중 형상을 변경할 수 있습니다. 이를 통해 이륙, 정상 비행, 착륙 등 다양한 조건에서 최적의 성능을 발휘합니다. 또한, 형상 기억 합금 액추에이터는 항공기 날개의 진동을 줄이고, 결빙을 방지하며, 안전한 비행을 보장하는 데 필수적인 부품입니다. 그림 12는 오늘날 형상 기억 합금(SMA)이 일반적으로 사용되는 항공기 부품에 대한 자세한 개요를 보여줍니다.
그림 12: SMA가 일반적으로 사용되는 항공기 부품 개요 [12]
SMA는 항공기 부품 외에도 민감한 위성 부품을 제작하는 데에도 활용할 수 있습니다. 소형 및 경량 특성으로 제한된 공간에 적합하며, 형상 기억 특성으로 정밀하고 정확한 작동을 보장합니다.
3. Engineering and Robotics
형상 기억 합금의 또 다른 응용 분야는 로봇 공학입니다. 따라서 블로그 게시물 하나에 모든 내용을 다 담는 것은 불가능합니다. 하지만 그중 일부를 살펴보았습니다.
로봇 공학 분야에서 SMA는 정확하고 유연한 움직임을 제공합니다. SMA로 제작된 장치는 다양한 크기의 물체를 고정하도록 조정할 수 있습니다. 또한, SMA 근육을 장착한 로봇은 인체 부위를 더욱 자연스럽게 시뮬레이션할 수 있습니다. 그림 13은 로봇의 유연성 향상을 위해 SMA를 적용한 예를 보여줍니다.
그림 13: 로봇의 유연성 향상을 위한 SMA 적용 [13]
엔지니어링 분야에서 SMA의 응용 분야는 로봇에만 국한되지 않습니다. 오늘날 SMA는 내진 건물에도 적용되고 있습니다. SMA 보강 구조물은 지진 발생 시 변형되었다가 최소한의 손상으로 원래 형태로 복원될 수 있습니다. 또한, SMA는 구조물의 수명을 연장하는 자가 복구 재료로도 사용됩니다. 그림 14에서 볼 수 있듯이, SMA는 손상을 감지하고 자가 복구 메커니즘을 작동시킬 수 있습니다.
그림 14: SMA로 강화된 매트릭스의 균열 폐쇄의 개략적 표현 [14]
논의된 응용 분야 외에도, 형상 기억 섬유는 활동형 웨어러블 기기에 활용되어 온도나 신체 움직임에 따라 변화하는 의류를 제작할 수 있습니다. 이러한 웨어러블 기기는 편안함과 기능성을 향상시킵니다.
4. Summary of Practical Applications
지금까지 SMA 응용 분야의 몇 가지 개념에 대해 살펴보았습니다. 이미 개발이 진행 중인 개념도 있고, 아직 개발 중인 개념도 있습니다. 간단한 검색을 통해 더 많은 응용 분야와 다양한 형상 기억 합금 제품을 찾아볼 수 있습니다. 이러한 연구 결과는 SMA를 활용하여 일상생활을 더욱 편리하게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.
Numerical simulation of behavior of the SMAs | SMA Simulation
수치 시뮬레이션은 형상 기억 합금의 거동을 시뮬레이션하는 데 비용 효율적이고 정확한 방법입니다. SMA 시뮬레이션은 주로 구성 방정식을 정의하는 데 중점을 둡니다. 이러한 방정식은 그림 15와 같이 상변태가 발생할 때 응력과 변형률을 연관시킵니다.
SMA 시뮬레이션의 주요 과제는 상변태 과정에서 구성 방정식이 비선형화된다는 것입니다. 이러한 방정식은 응력 및 온도에 의해 유도되는 마르텐사이트 부피 분율에 따라 달라집니다. 이 두 매개변수는 각각 온도 감소 및 응력 적용 시 마르텐사이트 상으로 변태되는 재료의 비율을 결정합니다. 구성 방정식의 비선형성은 해석의 어려움을 야기하며, 해석을 어렵게 만듭니다.
그림 15: 응력-변형도에서 형상 기억 합금의 가능한 상변태 표현 [15]
The Developed Models | Shape Memory Alloy Wire
형상 기억 합금의 거동 분석이라는 난제를 해결하기 위해 연구자들은 여러 수치 모델을 개발했습니다. 이 모델들은 모두 단순성과 정확성 사이에서 균형 잡힌 방식으로 응력과 변형률을 연관시키는 것을 목표로 합니다. 그러나 각 모델에는 한계와 장점이 있습니다.
브린슨은 1차원 공간에서 형상기억합금 와이어의 거동을 시뮬레이션하는 잘 알려진 모델 중 하나를 개발했습니다. 이 모델은 변형 중 응력 및 온도에 의해 유도되는 마르텐사이트 부피 분율을 계산합니다. 이어서, 방정식 (1)을 사용하여 형상기억합금의 탄성 계수를 계산합니다.
방정식(1)에서, 
는 전체 마르텐사이트 부피 분율입니다. 이는 마르텐사이트 상으로 변태된 SMA의 전체 부피 분율을 나타냅니다. 
는 마르텐사이트 상의 SMA에 대한 탄성 계수입니다. 
오스테나이트 상의 탄성 계수를 나타냅니다.
마지막으로, Brinson의 모델은 상변태 동안 형상 기억 합금의 응력을 평가하기 위해 방정식(2)를 도입합니다.
방정식(2)에서, 
긴장이며, 
최대 회복 가능 변형률을 나타냅니다. 
는 응력 유도 마르텐사이트 부피 분율이며, 
열팽창 계수입니다. 
그리고 
각각 현재 온도와 기준 온도입니다.
간단한 온라인 검색을 통해 더 많은 모델을 찾아보실 수 있습니다. 하지만 이 글에서는 이러한 모델들을 자세히 설명드리지 않습니다.
하지만 위의 방정식을 이해하는 데 여전히 어려움이 있을 수 있습니다. 걱정하지 마십시오. 답은 다음에서 찾을 수 있습니다. SMA를 위한 튜토리얼.
Using Abaqus for SMA Analysis
Abaqus CAE는 SMA 해석에 강력한 도구입니다. 하지만 SMA의 비선형 방정식을 Abaqus에서 어떻게 구현할 수 있을까요? 특히 라이브러리에 SMA가 없는 경우에는 더욱 그렇습니다. UMAT 서브루틴을 사용하면 이 문제를 해결할 수 있습니다.
The UMAT subroutine
UMAT을 사용하면 Abaqus에서 사용자 정의 재료 구성 방정식을 정의할 수 있습니다. 기본 Abaqus 라이브러리의 기능을 넘어 복잡한 비선형 또는 온도 의존성 재료 모델을 시뮬레이션에 활용할 수 있습니다. 그림 16은 UMAT 서브루틴의 인터페이스를 보여줍니다.
그림 16: UMAT 서브루틴의 인터페이스
A Learning Package for Modeling SMAs in Abaqus
UMAT은 Abaqus에서 형상 기억 합금의 거동을 시뮬레이션할 수 있도록 했습니다. 하지만 UMAT 서브루틴을 작성하는 것은 간단한 작업이 아닙니다. 재료 역학, 유한 요소 해석(FEA), 그리고 포트란 언어 프로그래밍에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 하지만 걱정하지 마세요. 여러분을 위한 학습 패키지가 준비되어 있습니다.“UMAT를 이용한 Abaqus에서의 SMA 시뮬레이션“". 이 강좌에서는 서브루틴을 작성하고 Abaqus를 사용하여 형상 기억 합금의 상 변환을 모델링하는 방법을 배웁니다.
제공된 패키지에서는 SMA 와이어 상변환을 모델링한 워크숍에 접속할 수 있습니다. 이 워크숍에서는 응력-변형률 곡선을 참조 해석 결과와 비교했습니다. 종이 검증을 위해. 그림 17은 워크숍에서 얻은 결과가 기준 솔루션과 얼마나 잘 검증되었는지 보여줍니다.
그림 17: 형상 기억 합금에 대한 응력-변형 곡선 [17] 그리고 분석 솔루션과 비교 [18].
결론
이 글은 형상 기억 합금, 특히 SMA 와이어의 응용 분야와 그 고유한 특성을 모델링하고 시뮬레이션하는 방법에 초점을 맞추었습니다. 형상 기억 합금은 특정 온도에 노출되었을 때 변형 후 미리 정의된 모양으로 돌아갈 수 있는 금속입니다.
SMA는 정밀하고 컴팩트하며 반응성이 뛰어난 부품을 필요로 하는 엔지니어링 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있기 때문에 이 주제를 이해하는 것이 중요합니다. 기존 액추에이터 없이도 형상을 변경할 수 있어 다양한 산업에서 유용하게 활용됩니다.
이 글은 마르텐사이트 변태를 포함한 형상기억합금의 거동에 대한 기본적인 설명과 함께 시작되었으며, 이것이 초탄성 및 형상기억 효과를 어떻게 가능하게 하는지에 대해서도 다뤘습니다. 이어서 유한요소해석 소프트웨어에서 SMA 와이어를 모델링하여 열 및 기계적 반응을 예측하는 방법을 설명했습니다. 또한 Abaqus를 이용한 시뮬레이션 예시를 통해 재료 특성을 정의하고 경계 조건을 설정하는 방법을 보여주었습니다. 마지막으로 항공우주, 로봇공학, 의학 등의 분야에서 SMA를 적용한 실제 사례를 제시하며, 시뮬레이션 도구가 실제 시스템에 SMA를 통합하는 데 어떻게 도움이 되는지 강조했습니다.
전반적으로 이 기사에서는 SMA의 작동 원리, 시뮬레이션 방법, 적용 분야를 설명하여 엔지니어가 이러한 소재를 더 잘 이해하고 실제 설계에 사용하는 데 도움을 주었습니다.
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