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Advanced Materials for Future

미래의 소재

신 동 호

금속재료 - 형상기억합금


형상기억합금 (Shape Memory Alloy)

PresenterPresentation Notes형상기억합금의 대표적 터미네이터 2에서의 액체금속 로봇, 휴대폰 안테나


3

* 탄성변형 (elastic deformation) : 응력을 가해 변형(strain)이 일어난 후 응력을 제

거하면 회복이 가능, 탄성 한계 내에서 일어나는 물질의 변형

* 소성변형 (plastic deformation) : 외부의 힘이 작용하여 변형된 고체가 그 힘을 없

애도 본디 상태로 되돌아가지 아니하는 변형, 탄성변형의 한계 이상으로 응력이 가해져

응력이 제거되더라도 회복이 불가능 (소성변형은 탄성한계를 초과할 때 시작한다)

형상기억합금은 변형된 다음 다시 가열하면 처음 변형되기 전에 형상을

기억하고 원래의 형상으로 되돌아 간다

일반적인 금속의 변형

Advanced Materials for Future형상기억합금…

※ 형상기억합금 (Shape Memory Alloy)

- 변형전의 형상을 기억하여 외력 작용에 의한 소성변형(plastic deformation) 후

재료 온도 상승만으로 원래 형상으로 회복하는 성질을 갖는 재료

- 형상기억효과를 나타내는 합금 “기억력을 가진 금속, 살아있는 금속”

- Marmem 합금 (Martensite + Memory)

- Ni-Ti (NITINOL), Cu-Zn, Cu-Zn-Al, Cu-Cd, Ni-Al etc.

※ Metal : 일반적으로 소성변형 후에 원래 형상으로 돌아가지 않음.

PresenterPresentation Notes탄성변형 (elastic deformation) : 응력을 가해 변형(strain)이 일어난 후 응력을 제거하면 회복이 가능소성변형 (plastic deformation) : 탄성변형의 한계 이상으로 응력이 가해져 응력이 제거되더라도 회복이 불가능.


5 Picture from http://www.fitec.co.jp/ftm/nt-e/

형상기억합금으로만들어진제품들

※ 형상기억효과 (Shape memory effect)

- 금속재료들은 어떤 조건을 만족하게 되면 금속재료 자체가 갖는 원래의 형상을

기억해내는 현상

- 원래의 형상을 기억하고 있고 외부 응력(열, 외력)에 의해 영구변형 되었다가

특정온도 이상에서 원래의 형상으로 복원하는 현상

Advanced Materials for Future마르텐사이트(Martensite)의 변태

※ 철

- 대표적인 금속

- 조강(粗鋼) : 용광로에서 나온 상태의 강철(탄소 등 불순물이 포함됨)

- 탄소의 함유량에 따라 분류

순철(Pure Iron) : 100% 철(Fe)로 구성

연철(Wrought Iron) : 탄소함량 0.1%이하

강철(Steel) : 탄소함량 0.1-1.7%

선철(Pig Iron) : 탄소함량 1.7-4.5%, 무쇠

- 온도변화에 따른 상변태

1543℃ 1390℃ 910℃

(체심입박격자) (면심입방격자) (체심입방격자)

Austenite Ferrite

PresenterPresentation Notes단순입방구조(SC, Simple Cubic)면심입방구조 (FCC, Face Centered Cubic)체심입방구조(BCC, Body Centered Cubic)조밀육방구조(HCP, Hexagonal close packed)Zinc Blende 구조 : 서로 다른 두개의 원자에 각각의 원자는 FCC 구조를 하고 있다.Diamond 구조

철의 경우 온도를 천천히 내리게 되면 다음과 같이 상변태가 일어난다. 일반적으로…면심입방에서 체심입방으로의 변화는 철에 소량의 탄소가 녹은 오스테나이트 강의 마르텐사이트 강으로의 변태와 잘 닮아 마르텐사이트 변태라고 불리고 있다


※ 상변태

- 확산형 변태 : 원자의 위치 교체

- 무확산 변태 : 원자의 위치이동 대신 다른 원자와 함께 조금씩 위치를 좁혀감, martensite상의 변태

※ Martensite상의 변태

- martensite 상은 온도를 내리면 증가하고 온도 강하를 정지하면 변태의 진행은 정지(비등온 변태)

※ 형상기억합금 : 비등온 martensite 변태이다

마르텐사이트(Martensite)의 변태

급냉

정방격자

PresenterPresentation Notes그러나 일반적으로 Ni와 Ti의 합금을 급랭을 하게 되면 Austenite 상이 martensite상으로 변형이 되는데 이를 이용하는 것이 형상기억합금이다.


놀라운 ‘기억 금속’의 비밀을 금속의 결정 구조에 있다

금속 합금 : 어느 정도 온도가 변해도 크게 영향을 받지 않는 내부구조, 열을 가해 주면 단지 그 성분 원자가 더 빠르게진동하게 되어서, 외부적인 힘을 가해 구부리거나 형태를변화시킬 수는 있으나 분자 구조가 변하지는 않음.

형상기억합금 : 온도에 따라 변하는 두 개의 안정된 결정 구조를가지고 있고, 온도 변화가 하나의 결정 구조를 다른결정 구조로 바꿀 수 있는 것이다.

Ni-Ti합금은 형상회복온도보다 고온에서 오스테나이트상이라고 하는

결정구조를 취한다.

이것을 냉각하면 마르텐사이트상으로 형태가 변한다.

이 상은 외부의 힘으로 간단하게 변형시킬 수 있다.

변형되면 결정구조는 변형 마르텐사이트상으로 변하고 이것에 열을 가

하면 구조가 오스테나이트상으로 되돌아가기 때문에 Ni-Ti합금의 형상

도 원래의 형태로 돌아가게 되다.

형상기억합금의 원리

Advanced Materials for Future형상기억합금 발생 Mechanism

Advanced Materials for Future형상기억합금 역사

- 1951년, 미국 일리노이 대학 Read교수 연구진

: Au-Cd 합금(1951), In-Ti 합금(1956)에서 최초 발견 (형상기억효과를 인식 못함)

: 미국 금속학회지 논문 개재

- 1963년, 미국 해군 병기 연구소 Buehler박사팀

: 선박재료(잡수함용) 연구중 Ni-Ti합금의 형상기억효과 발견

: ‘형상기억효과’ 용어 최초 사용

: NITINOL(Ni+Ti+Naval Ordance Laboratory) 실용화 가능

- 1965년, 논문 발표

- 1966년, Ni-Ti 합금 특허 출원

- 1967년, Ni-Ti 심포지엄 개최

- 1970년

: Ni-Ti합금을 사용한 파이프 이음, 미국 레이켐사 개발, 최초의 양산품, F14전투기 유압배관 사용

: 형상기억효과의 금속학적 해명, 일본 오사카 대학(시미즈, 오오츠카), 규칙구조를 갖는 열변형성

마르텐사이트(martensite) 변태를 나타내는 합금이 형상기억효과를 일으킬 가능성 높음

- 1980년

: 합금의 형상회복온도 조절 문제 해결

: 본격적 기능성 재료로써 사용

PresenterPresentation Notes잠수함용 우수한 진동흡수 능력 및 바닷물 내식성 우수, 제조가공이 쉽고, 때는, 1963년 미국 메릴랜드 주에 있는 해군 병기 연구소. 한 연구원이 니켈-티탄 합금의 연구를 극비리에 진행하고 있었습니다. 젊은 연구자는 니켈과 티탄의 배합 비율을 여러 가지로 바꾼 합금을 가지고 상사에게 보고하러 갔습니다. 상사는 파이프를 문 채 그 연구물을 살펴보았습니다. 그런데, 배합 비율이 1:1인 합금 조각에 얼굴을 접근 시키자 합금이 갑자기 구부러 졌습니다. 이러한 현상의 원인을 여러 가지로 생각해 본 결과, 입에 물고 있던 파이프의 열이 합금 조각의 모양을 원래대로 되돌린다는 것을 알아내었습니다. 이 니켈과 티탄의 합금은 니티놀이라고 명명되었습니다.


용해Ti, Ni합금의 용해에서 가장 포인트는 용해된 합금의 반응이다. Ti은 용해되면 매우 활성이고 산화되기가 쉽기 때문에 용해작업은 진공중이나 아르곤 분위기에서 실시한다. 고주파유도 용해법이 가장 일반적이며 전자빔 용해, 아르곤아크 용해, 플라즈마 아크용해등이 사용된다.

고주파 유도용해의 장점은 화학조성이 균일하다는 것이며, 도가니는 graphite나 calcia(CaO)를 사용하며 알루미나나마그네시아는 도가니 내부에 oxygen을 함유하므로 적당하지 않다. 흑연도가니의 경우 탄소에 의한 오염은 용해온도가 상대적으로 낮으므로 무시될 수 있다.

열간, 냉간가공Ti-Ni합금에서의 인장특성을 살펴보면 300℃이하에서는 온도의 상승에 따라서 인장강도는 증가하지만 400℃를 초과하면 인장강도는 급격히 떨어지고 연신율은 증가한다. 800℃보다 고온측에서는 100%를 초과하는 연신이 나타난다. 따라서, Ti-Ni합금의 열간 가공은 충분히 가능하지만 온도가 높을수록 산화 스케일도 증가하므로 주의한다. 냉간가공의 경우는 가공경화의 영향이 크므로 작업이 용이하지 않다. 가공경화를 줄이기 위해서 가공률과 중간 소둔공정을 적절히 해야한다. 또한 Ni의 양이 51%를 초과하면 가공이 곤란하다.

형상기억처리형상기억합금의 마지막 제조공정은 형상기억처리이다. 크게 중온처리, 저온처리, 시효처리가 있다.가장 폭넓게 사용되는 처리는 중온처리이다. 중온처리는 만들어진 스프링을 지그에 묶어 400-500℃로 가열하는 것으로 제품크기에 따라 약 10-100분 범위이다. 저온처리는 처음에 합금을 500℃이상의 고온에서 가열하여 합금내의 조직은 균일화하고이것을 성형한 후 200-300℃에서 기억처리 하는 방법이다. 합금을 완전히 소둔한 후에 성형함 으로 성형가공이 용이하고 복잡한 형상을 기억시킬 때에 편리한데 형상회복특성은 중온처리한 합금보다 떨어진다.

시효처리는 Ni-rich합금에서 용체화처리 후에 400℃전후에서 수시간 시효처리 함으로서 Ti3Ni4 석출물을 형성시켜형상기억특성을 갖게 하는 것이다.

형상기억합금의 제조공정: 용해 열간, 냉간가공 형상기억처리

형상기억합금 제조

Advanced Materials for Future형상기억합금 종류

• Ni-Ti계 형상기억합금

• Cu-Zn-Al계 형상기억합금

• Cu-Al-Ni계 형상기억합금

현재 Ni-Ti, Cu-Zn-Al 합금이 많이 쓰이고 있으며, 아직까지 기억력이

가장 좋은 합금은 Ni-Ti 합금(니티놀)이 가장 우수한 것으로 알려져 있다.

Advanced Materials for Future형상기억합금 종류

Ni-Ti계 형상기억합금

▶ 물리적 특성

밀 도 = 6.4 ~ 6.5 (g/cm³)

융 점 = 1,240 ~ 1,310 (℃)

비 열 = 6 ~ 8 (cal/mol·℃)

선팽창계수 = 10

열전도율 = 0.05 (cal/cm·℃·s)

비저항 = 50 ~ 100* (Ω·cm)

▶ 기계적 특성

1. 형상기억합금은 항복응력은 변태점을 경계로 해서 완전히 다른 거동을 나타낸다.

2. 특히, 변태점보다 고온측에서는 온도와 함께 항복응력이 직선적으로 증대한다고 하는 형상기억합금의

특유한 변화를 한다.

3. 또, Ni-Ti 합금은 항복점을 넘어서 뒤틀리게 해서 사용하기 때문에 탄성에 관한 수치도 그대로 이용할

수는 없다.


▶ 기계적 특성

1 냉간가공 특성은 합금의 Al 함량에 따라 다르나 변태온도가 40℃ 이하인 低Al 합금은 냉간가공성이 좋

고, 좀더 많은 Al을 함유하는 변태점이 높은 합금은 냉간가공이 어렵다.

2 인장강도, 내식성은 니티놀에 비해 많이 떨어지며 더욱 큰 결점은 피로한도가 낮아서 피로로 인해 파괴

되기 쉽다는 점이다. 종래 구리계의 피로한도는 떨어진다고 했으나 현재 각종 미량원소의 첨가에 의하여

결정립의 미세화가 도모되어 특성이 개선되고 있어서 실용상은 문제가 없는 것으로 생각된다.

Cu-Zn-Al계 형상기억합금

형상기억합금 종류

▶ 물리적 특성

밀 도 = 7.7 ~ 8.0 (g/cm³)

융 점 = 960 ~ 990 (℃)

비 열 = 0.1 (cal/mol·℃)

선팽창계수 = 18 ~ 19

열전도율 = 0.17 ~ 0.27 (cal/cm·℃·s)

비저항 = 9 ~ 11 (Ω·cm) 등


Cu-Al-Ni계 형상기억합금

• 최근 Cu-Zn-Al합금에 비하여 고내식성, 고열안정이라고 하는 특성이 주목되어 실용화 기대

• 물리적 특성에서 밀도는 구리계 쪽이 조금 크고, 융점은 Cu-Zn-Al이 낮아서 1,000℃ 이하

• Ni-Ti합금은 활성인 Ti를 많이 포함하고 있기 때문에 진공용해 또는 아르곤 분위기 중에서 용해할 필

요가 있으나, 구리계 합금은 대기 중에서 용해할 수 있어서 고가의 진공용해장치를 사용하지 않아도

되며, 용해가 비교적 용이

• 열적 특성으로서 열전도율은 구리계 쪽이 크고, 같은 치수라면 온도가 전해지는 방법이 빠르고 반응

속도는 빠름

• 기계적 특성을 보면 인장강도, 선장, 항복강도는 어느것이나 Ni-Ti 합금 쪽이 크고 강도적으로도 Ni-

Ti 합금이 뛰어남

• 화학적 특성 중 내식성은 Ni-Ti합금 쪽이 훨씬 뛰어나며 응력부식에 강함

형상기억합금 종류

Advanced Materials for Future형상기억합금 응용

1. 파이프 조인트

- NITINOL(Ni + Ti) 사용

- Ni와 Ti 조성변화에 따라 형상기억변형온도 조절

( -50 ~ 100 ℃)

- 196℃ 액체질소

Room Temp.

수분 방지 필요

PresenterPresentation NotesF14 전투기 파이프 이음매 사용 백만건 이상중 불량률 0


2. 인공위성 파라볼라 안테나

- 1969년, 달표면 파라볼라 안테나에 응용된 Ni-Ti 합금 (NITINOL)

- 150℃에서 접시형 파라볼라 안테나 조립 실온에서 소형으로 변형 달표면 운반

달표면에 안테나 설치 태양열 (200℃)에 의해 파라볼라 형태로 복원

- 내구성 및 형상기억능이 우수

- 비싸다


3. 로봇의 관절부

전기를 가하여 가열하면 수축, 냉각하면

늘어나는 특성을 이용하여

산업용 로봇의 관절부위(손목,어깨 등)에 사용한다.


4. 치아교정용 스프링

끝이 닫힌 상태에서 흔들리는 치아의 양쪽에 끼워 넣음체온에 의해 기억된 원래 형상으로 돌아가 고정함.


5. 전동선 이상 발열 검출 센스

이상발열 검출


6. 창문 자동개폐 장치

- 형상기억합금

- 온도 변화에 따라 작동

: 온실 온도 상승 스프링 늘어남 창문 열림

형상기억합금 응용


7. 엔진에 이용

- NITINOL

- 고온수 : 형상기억효과에 의한 와이어 수축

- 회전력 차이에 의한 구동

- 온천, 지열 및 공장 온폐수의 재활용

- 환경친화적 에너지 교환장치

PresenterPresentation Notes)유탕식 종형 니티놀엔진�이것은 더운물만 붓기만 하면 움직이는 엔진으로 코일의 모양을 기억시킨 니티놀로 된 와이어를 대소2개의 풀리에�감고 한쪽 와이어를 더운 물, 다른 쪽에는 물을 각각 붓는다. 이에 의하여 더운물쪽은 형상기억효과로 원래의 코�일모양으로 돌아가려고 하여 수축하는 한편 물쪽은 부분적 가역형상의 영향으로 조금 늘어난다. 이 결과 대소 2개�의 풀리에 회전력의 차가 생겨 풀리는 돌아가기 시작하는 것이다. 발전소나 공장으로부터의 온배수(溫排水)를 에너�지로 전환하는 열엔진으로서 이용될 가능성이 있다.


8. 온수조절 샤워기

- 높은 온수 온도 : 형상기억합금 팽창 (a)

- 낮은 온수 온도 : 형상기억합금 수축 (b)


9. 전기밥솥의 압력 조절


10. 에어콘 풍량 자동조절 기구 11. 커피메이커

PresenterPresentation Notes그 밖에도 휴대전화 안테나, 안경테, 귀걸이 등에 사용된다.

커피메이커 형상기억합금을 이용하여 커피메이커의 비등검지와 판밸브 및 스위치의 개폐할 수 있는 형상기억소자를 사용함으로서 기기의 구조의 간소화와 동시에 소형화를 가능하게 하였다. 고온 변형과 저온 변형의 차이를 극복하는 것이 향후 해결해햐하는 과제이다.


- 형상기억합금

- 물고기 근육 역할

- 4-5cm

형상기억합금 응용

12. 무인잠수함


형상기억효과는 초탄성형 마르텐사이트 변태에 큰 관계가 있으며 그것의 메커니즘은 응력유기

마르텐사이트에 의해 얻어진 초탄성 변형을 Mf점 이하로 내림으로서 안정하게 한 후, 가열에 의해

역변태 시킴으로써 형상을 회복하게 된다.

형상기억합금은 열에너지에 의해‘모양’이라는 정보를 기억하는 진기한 메모리 장치이다.

여성의 브래지어에서부터 이의 크라운(금관), 항공기 연료파이프의 이음쇠, 인공위성 안테나,

화재경보기, 방열기 밸브, 치열 교정 와이어, 열기관, 항공우주산업, 특수 공간인 심해, 우주,

방사능 노출공간에 이르기까지 용도가 날로 늘어가고 있다.

또한, 형상기억합금과 같은 고성능소재는 향후 정보기술의 발달과 함께 진화하면서 발전속도가 더욱

빨라질 것이다.

앞으로 새로운 형상기억 합금이 발견될 것이고 용도도 계속 확대되어 산업적인 공헌도 크게 할 것

으로 보이는 무한한 가능성의 재료라고 할 수 있다.

형상기억합금의 전망

형상기억합금 전망과 과제

Advanced Materials for Future형상기억합금 전망과 과제

형상기억효과를 나타내는 합금은 10종 이상 알려져 있으나 실용성 있는 것은 Ni-Ti 계,

Cu-Zn-Al 계 2종류 뿐이다.

이들을 비교하면 전자가 성능적, 가공성 전부에서 뛰어나고 가격이 비싼 (은보다 3배)

반면, 후자는 재료비용, 열간 가공성에서 유리하고 효과 면에서 뒤떨어지나 이러한 결점

의 극복을 위해 많은 연구가 진행되고 있다.

또한, 앞으로는 에너지 변환장치에의 응용이 유망하리라 생각되나 가격문제, 활용범위에

관한 연구 등이 필요로 한다.

형상기억합금의 과제


미래의 소재

신 동 호

금속재료 – 수소저장합금슈퍼스틸


수소저장합금

Advanced Materials for Future수소저장합금 필요성

1. 수소엔진 자동차

1924년 포드


4. 수소엔진 motorcycle

ENV (Emmision Neutral Vehicle)


수소는 연료로 사용할 경우에 연소시 그 소량의 NOх 발생을 제외하고는 공해물질이 생성되지 않으며 직접 연소에의한 연료로서 또는 연료전지 등으로 사용이 간편하다.

가스나 액체로서 수송가능하며 고압가스, 액체수소 ,Metal, hydride(수소화물)등의 다양한 형태로 저장이 용이하다.

무한정인 물을 원료로 하여 제조할 수 있으며, 사용 후에도 다시 물로 재순환이 이루어진다. 환경친화성

산업용의 기초 소재로부터 일반 연료, 수소 자동차, 수소비행기, 연료 전지 등 현재의 에너지 시스템의 사용되고있는 거의 모든 산업 분야에 이용 될 수 있다.

다양성

왜 수소를 저장하려고 하는가?

※ 에너지원으로 수소 저장 이점※ 수소

- 원소기호 : H

- 원자번호 : 1

- 원자량 : 1.00794

- 녹는점 : -259.14℃

- 끓는점 : -252.9 ℃

- 비중 : 0.08987 g/l

- 프로튬(Protium)

- 듀테튬(Deuterium)

- 트리튬(tritium)

PresenterPresentation Notes동위원소 : 원자번호는 같지만 질량수가 다른 원소 중수소 : 트리튬, 듀테튬

질량수가 2인 수소의 동위원소. 보통의 수소는 원자핵이 양자 1개만을 가지고 있으나, 듀테륨은 양자 1개와 중성자 1개로 구성되어 있어 질량이 2배이다따라서 보통의 수소를 ¹H 또는 H라고 표기하는 것과 비교해, 듀테륨은 ²H 또는 D라고 표기한다.�트리튬 : 수소의 동위원소의 하나로, 질량수 3인 것 질량수가 3이므로 3H으로 표시하는데, T로 약기하는 경우도 있다

Advanced Materials for Future수소 저장 방법

저장 방법 장 점 단 점

압축수소

- 고온,상온내압 탱크(10-30atm~25000N/m3)

- 봄베 등(150-200atm-28000N/m3)

- 기술이 잘 정립되어 있음- 수소의 무게밀도가 높음- 장기간 저장에 적합

- 압축비용이 많이 소요- 수소의 부피밀도가 낮음- 안전성: 고압 (350~700기압)

액화수소

- -253℃, 상압(694N/m3)- 무게밀도와 부피밀도가 높음- 단열용기 사용- 대량저장 가능

- 장기간 저장에 부적합 (기화 손실)- 액화에 에너지와 비용이 많이 소요- 소형시스템에 부적합- 증발 누출 가능성

흡착- 무게밀도와 부피밀도가 중간 정도- 소재 가격이 저렴

- 압축과 냉각이 필요- 시스템이 복잡

수소화합물- 수소의 부피밀도가 높음 - 수소의 무게밀도가 낮음

- 수소의 흡방출이 비가역적- 수소의 방출을 위해 고온이 필요

금속수소화물(수소저장합금)

- 수소의 부피밀도가 높음- 안전성

- 수소의 무게밀도가 낮음- 수소방출을 위해 가열이 필요- 사용횟수가 제한적임

Advanced Materials for Future수소 저장 합금 정의 및 원리

※ 수소저장합금이란…

※ 수소저장합금의 원리 I

어떤 종류의 합금은 수소와 반응해서 금속 수소화물의 형태로 수소를 포착하고 가열하면

수소를 방출하는 특이한 성질을 가지고 있다.

수소와 화학적으로 반응하여 금속의 표면에 수소를 흡착시킬 수 있는 합금인데,

수소 흡수 저장합금이라고도 부른다.

수소원자가 합금원자의 격자 사이에 들어가수소화합물을 만든다 (Interstitial atom).

M (Solid T) + H2 (Gas T,P) MH2 (Solid T) + Q

(수소저장합금) (수소) (금속수소화합물)

(화학적 에너지)

수소

(기계적 에너지)

압력

(열 에너지)

열

흡장

방출

Advanced Materials for Future수소 저장 합금 원리

※ 수소저장합금의 원리 II

금속 수소화물을 만들기 쉬운 IIa-Va족 금속(희토류,TI, Zr 등)와 금속 수소화물을 만들기 어

려운 VIa-VIII족 원소(Mn, Fe, Co, Ni)를 조합한 2원 혹은 다원계 금속간 화합물

금속간 화합물의 성분 및 조성 선정 조건 : 수소와의 반응성 고려- 합금 구입이 용이하고 저렴

- 활성화가 쉽고 수소저장량이 많음’

- 생성열이 수소 저장시에는 작고 열 저장시에는 클 것 : 열에너지 이용

- 평형 수소압차가 작을 것

- 넓은 조성범위에서 일정한 평형압을 가지며 수소저장시 실온 부근에서 해리압이 2-3기압일 것

- 수소의 흡수 방출 속도가 클 것

- 수소자장합금의 유효 열전도도가 클것

- 수소의 흡수 방출 반복시에도 합금의 미분화가 잘 되지 않고 성능이 감소되지 않을 것.

- 불순물에 대하여 안정성이 클 것.

수소 저장 합금과 수소와의 가역반응을 이용. 즉, 온도를 낮추거나 압력을 높여주면, 수

소를 흡수하여 금속 수소 화합물로 되고 그와 동시에 열을 낸다. 반대의 경우엔 수소를

방출하고 열을 흡수한다.


- 안전하게 저장, 운반가능.

- 체적밀도가 큼.

- 저장효율 향상.

- 상온, 상압 근방.

- 수소의 흡열, 발열 반응이 일어나는 성질을 이용

▷ 냉난방 장치, 공장의 폐열 회수 시스템의 운용등에 연구.

수소 저장 합금 장점

※ 수소저장합금의 장점

- 마그네슘/니켈 합금

: 1kg 당 409L 저장

: 반응속도가 늦어 신속한 수소의 저장 및 방출이 곤란

- 망간/티탄 합금

: 1kg 당 193L 저장

: 단시간내 흡입저장과 방출이 가능

※ 수소저장합금의 종류

Advanced Materials for Future수소저장합금 응용

1. 니켈-수소전지 (Ni-MH전지)

- 장시간 사용 가능 (에너지 용량 1.5-2배)

- 전원이 없는곳에 사용 적합

- 반복 충,방전 500회 이상 가능

- 환경 친화형

- 1개당 8-10g의 수소저장합금 사용

- 서독의 Daimler Benz사의 수소버스(TiFe-Mg2Ni계 합금),

미국의 Billings사의 미니버스(TiFe계 합금)에 사용.

Advanced Materials for Future수소저장합금 응용

2. Heat Pump

저온의 열에너지를 고온부로 이동

평형수소압이 다른 2종류의 수소저장 합금을 조합하여 그 압력차로 수소를 흡수

방출할 때 발생하는 열(발열·흡열)을 외부에서 뽑아내어 사용

콤프레서를 이용한 기존의 히트펌프와 달리 압축기, 증발기가 불필요

장치구조도 간단하고 소음이 없으며 합금종류를 달리하여 작동온도도 선택 가능

최근에는 40-50℃의 저온배수를 난방시스템에 이용(13,000kcal/hr의 출력)

Advanced Materials for Future수소저장합금 개발 과제

수소 저장능력 확대

: 새로운 저장 메체 개발 : 탄소 나노 튜브 등

반복사용으로 인한 미분화의 방지

: 합금조성의 변질 및 특성 저하

활성화 대책 수립

: 초기 활성화를 위한 온도 및 압력조건이 어려움

내구성 향상

: crack에 의한 저장 특성 저하

섬유강화폴리머(fiber reinforced polymer)

열전달특성 향상 등.


슈퍼스틸 (Super Steel)



에펠탑: 1889년: A. G. 에펠 (교량기술자): 시멘즈 마르탕 평로강 7,300t 사용

슈퍼스틸

300M 750M1500M

고장력강

슈퍼스틸


Advanced Materials for Future슈퍼스틸

- 철 : 대량 수급 용이, 고강도 소재 (이론강도의 1/5 or 1/10)

- 인성 특성과의 최적 조합을 통한 강도 개선

- 합금제조를 통한 다양한 특성 부여

ex1) 철 + 니켈(36%) = 인바 (Invar): 낮은 열팽창계수

ex2) 철 + 크롬 = 비정질 합금: 1cm로 탱크 들어 올림.

합금 첨가 원소의 농도(ppm) 조절에 민감철의 회수 및 재생 시 합금 원소에 의한 문제 발생

- 슈퍼스틸의 등장

: “철을 넘은 철”

: 초미세 조직강 : 금속적인 가공에만 의존

: 새로운 설비대책 및 엄밀한 제조 관리 필요 : 상용화 어려움.

새도우 마스크 (Invar)



첨단기술 동향

Advanced Materials for Future첨단기술 동향

스텔스 금속

- 무반사 금속

- 미국 로체스터대 개발

- 티타늄 사파이어 레이저 조사

미세돌기 및 구멍 형성 반사 방지

- 표면에만 국한됨 : 금속 자체 성질 변화에 무관

- 구리, 금, 알루미늄, 티타늄, 주석 등 실험 성공

- 100% 빛 흡수 가능

- 응용

태양전지 : 빛 흡수에 의한 에너지 전환률 극대화

광센서 : 빛 흡수에 의한 센서 감도 증가


Aluminum Foam

- 기존의 polymer foam 대체

: 균일한 공기층 형성 가능

- 충격 및 진동 흡수성 증대

- 재활용 가능


피어싱을 이용한 안경


- 자석의 힘으로 공중 부상- 어떤 힘에도 영향받지 않는 건축이나 가구를 구상- 마루와 침대 본체에 내장한 자석이 서로 반발, 침대를 밀어 올리는 구조- 가는 스틸 케이블로 침대 위치 고정

첨단기술 동향

공중에 떠오르는 침대


수소를 만드는 초컬릿 박테리아

- 영국 버밍엄 대학 “에스케리히아 콜리”- 당분흡수하여 수소 생산 : 하이드로게나제(Hydrogenase) 효소 사용- 캐러멜, 초컬릿 등으로 배양- 연료전지의 에너지원으로 사용- 팔라듐 생산에 적용 가능성 검토


컬러퓨젼 샤워기

- 일본- 샤워헤드를 통해 분사되는 수압에 의한 자가발전 시스템을 이용하여 LED 발광- 물의 온도변화에 반응에 컬러 변화

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