스마트 재료는 인텔리전트 재료와 유사한 개념으로 외부 환경변화에 따라 반응할 수 있는 재 료를 말한다. 스마트 재료는 기존의 재료들이 단지 주어진 환경변화를 수동적으로 견딘다는 한계 를 넘어서 생물체처럼 환경에 반응한다는 점에서, 앞으로 급격한 산업환경변화에 따른 요구를 만 족시킬 수 있는 특성을 가질 것으로 기대되고 있다. 사실 스마트 재료의 원리는 환경에 따라 움 직며 적응하는 생명체의 특징을 모방한 것이다.
스마트 재료는 크게 수동형 스마트 재료와 능동형 스마트 재료로 나누어 볼 수 있고, 이중 후자는 환경 변화를 감지할 수 있는 센서와 반응할 수 있는 액츄에이터로 구성되어 있다. 스마트 재료의 응용분야는 무척 많은데, 그중 일부를 간추리면 다음과 같다 [1].
수동형 스마트 재료는 외부 환경이 달라짐에 따라 적당한 방법으로 반응하는 재료를 말한다. 이 재료는 자기가 갖는 특성을 향상시키기 위해 외부 장(external force)이나, 힘, 또는 피드백 시 스템을 갖고 있지 않다는 점에서 능동형 스마트 재료(actively smart materials)와 다르다.
가장 좋은 예는 부분 안정화 지르코니아다. 이 재료는 상전이가 일어나면서 균열의 끝(tip)부 분에 압축응력을 만들 수 있기 때문에, 기계적 특성이 우수하다. 이와 비슷하게 비행기에 쓰이는 탄소계 복합체나 가공할 수 있는 유리-세라믹 복합체도 섬유(fiber)의 풀-아웃(pull-out)이나 갈라 짐(branching)같은 강화기구가 나타내면서 파괴인성이 높아진다는 점에서 수동형 스마트 재료로 볼 수 있다.
세라믹 배리스터나 PTC(positive temperature coefficient) 서미스터도 수동 스마트 재료로 볼 수 있다. 예를 들어 산화아연 배리스터는 높은 전압을 받게 되면 저항을 잃어버리기 때문에, 전류 는 접지를 통해 밖으로 흘러나간다. 따라서 스스로 자신을 보호할 수 있다. 그리고 배리스터도 주 기적으로 전압펄스가 주어지는 상황에서 전압과 전류가 갖는 비선형성(nonlinearity)를 회복할 수 있는 기능을 갖고 있다. 또 바륨 티타네이트 PTC도 130℃ 부근에서 전기저항이 크게 높아지기 때문에, 전기충격으로부터 어떤 것을 보호하는데 사용할 수 있다. 전압에 따라 저항특성이 달라지 는 배리스터나 PTC 서미스터도 특성 비대칭성이 심하고, 보호할 수 있는 기능을 갖기 때문에 수동 스마트 세라믹 재료라고 볼 수 있다. 이밖에 전극 캐피시터(electtrolytic capacitor)나 고분자 캐패시터(polymer capacitor), 여러 가지 상으로 구성된 로켓노즐, 열 지연 PTC 서미스터 복합체 (thermal delay composite PTC thermistor) 등도 이 재료에 속한다.
Fig. 1. Ceramics and composites that fall into the catagory of "smart" materials (clockwise from top): rubber-encased piezoelectric cable; tunable transducer consisting PZT disks and a rubber-metal laminate between brass plates; PLZT helix with shape-memory capabilities; stress-transforming piezoelectric moonie composite (imbedded in resin); 1-3 PZT rod-epoxy resin hydrophone composites; and conductive composite chemical sensor elements [1].
능동형 스마트 재료의 몇 가지 예는 우주 공간의 플랫폼에 사용되는 진동 제동기 (vibration-damping system), 강유전 세라믹 센서와 액추에이터를 이용한 자동차 충격완화 시스 템, 강유전 세라믹을 이용한 파친코 기계, 비디오 테이프 헤드 포지셔너(video tape head positioner)같은 것에서 볼 수 있다. 또 구조 세라믹스 분야에서는 속이 빈 장섬유(fiber)에 침식에 저항할 수 있는 화학약품을 넣어 콘크리트의 균열이 진행할 때, 이를 억제할 수 있는 자기복구 스마트 재료 [2]가 이 부류에 속한다.
앞서 설명하였듯이 능동형 스마트 재료는 센서와 액츄에이터로 구성된다. 센서는 여러 가지 가 있는데 화학적인 변화를 감지할 수 있는 ZnO, 또는 2 상 p-형 반도체 복합체(2-phase composite of a p-type semiconductor)로 만든 화학센서(chemical sensor)가 대표적인 예이며, 전 도성을 갖는 고분자, 절연성을 갖는 고분자 기지에 전도성 필러(filler)를 채운 복합체같은 것도 센 서로 사용된다. 또 광섬유등도 센서로 사용되고 있다.
센서와 함께 능동형 스마트 재료를 구성하는 액츄에이터는 신호에 반응하는 특성을 갖추고 있으며, 피에조 재료(piezoelectric materials), 일렉트로스트릭티브 재료(electristrictive materials), 형상기억 합금, 열조절 가능재료(thermally controllable materials), 전자레올로지 액체 (electrorheological, ER, fluid) 같은 것이 쓰인다. 이중 가장 많이 쓰이는 네가지 그룹을 살펴보면 다음과 같다 [3].
형상기억합금: 형상기억합금은 어떤 온도에서 원래 가지고 있던 모양을 회복하는 특성을 가 지며, 가장 유명한 것은 니티놀(Nitinol)이라는 재료다. 일본에서는 이 재료를 이용해서 로봇을 만 들었다. 그러나 이 재료는 반응이 느리다는 단점을 갖고 있다.
피에조 재료: 이 재료는 1880년 프랑스의 피에르와 퀴리에 의해 발견되었는데, 전압에 따 라 수축과 팽창을 할 수 있다는 특징을 갖고 있다. 이때 수축과 팽창 정도는 1% 미만이지만 반 응속도가 대단히 빠르기 때문에 광소자, 마그네틱 헤드, 로봇, 잉크젯 프린터등 많은 분야에 쓰인 다. PZT가 가장 많이 쓰인다.
일렉트로스트릭티브 재료: 이 재료는 피에조 재료와 비슷한 특징을 갖지만 전기장보다는 자기갖에 반응한다는 특징을 갖고 있다. 희토류인 터비움을 함유한 터페놀 D(Terfenol-D)라는 재 료가 대표적인 것으로 약 0.1%정도 팽창할 수 있고, 고출력 소나 전환기(high-power sonar transducer), 모터, 수력 액츄에이터(hydraulic actuator) 등에 쓰인다.
전자 레올러지 액체: 이 재료는 액체안에 작은 입자를 포함하고 있으며, 전기장이나 자기 장에 따라 이 입자들이 반응하면서 액체의 점성을 바꾸어 놓는다. 응용분야는 댐퍼(tunable damper), 진동차단 시스템, 로봇의 팔, 브레이크나 클러치같은 내마모 소자등에 쓰인다.
Fig. 2. Piezoelectric Pachinko machine. Smart material is a PZT sensor-actuator stack with a feedback network [1].
앞으로 스마트 재료는 센서와 액츄에이터가 발전하면서 자동차와 소비 전자재에 많이 이용 될 것으로 전망된다. 물론 제조기술에서 아직 많은 문제점이 있지만, 포토리토그리피 (photolithography)같은 새로운 기술을 사용해서 이것이 해결되면 크게 각광을 받을 것으로 보인 다. 또 스마트 재료는 복잡한 물리현상을 추적할 수 있게 해주며, 시간에 따른 환경의 변화를 측 정, 저장할 수 있도록 해줄 것이다.
무엇보다 중요한 것은 스마트 재료가 재료 디자인의 철학을 바꿀 수 있다는 점이다. 즉, 스 마트 재료를 이용하면 안전과 신뢰를 위해 더 이상 많은 비용을 들여 덩치를 키울 필요가 없다는 것이다. 이 점은 스마트 재료가 차세대 재료분야의 선두자리에 위치할 수 있도록 해줄 것이다.
1. Robert E. Newnham and G. R. Ruschau, "Smart Electroceramics," Am. Ceram. Soc. Bull.,
75 [10] 51-61 (1996).
2. Carolyn M. Dry, "Smart Building Materials which Prevent Damage or Repair Themselves,"
pp 311-314, in Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol 276, Ed. A. P. Jardine, G. C. Johnson, A.
Crowson and M. Allen, Materials Research Society, Pittsburgh, Pennsylvania (1992).
3. Craig A. Rogers, "Intelligent Materials", Scientific American, [9] 154-161 (1995).
1997년 9월 23일 최헌진