초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
ㅇ 최종 목표
최근 자동차, 우주항공, 로봇, 의료, 전자 등 산업 분야 전반에 걸쳐 핵심 부품 및 최종 시스템의 미소화-다기능화에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 하지만, 기존의 시스템 구조의 복합화를 통한 기능성 향상은 마이크로 시스템 제조에 한계가 있으며, 추가적인 공정과 비용향상이 불가피하다. 이에 기능성 재료 도입을 통한 시스템의 다기능화가 미소화 및 비용 절감을 동시에 실현할 수 있는 요소기술로 제안되고 있다. 본 연구는 마이크로 영역에서 최적화된 특성을 가져 MEMS, Flexi

□ 연구개발 목표 및 내용
ㅇ 최종 목표
최근 자동차, 우주항공, 로봇, 의료, 전자 등 산업 분야 전반에 걸쳐 핵심 부품 및 최종 시스템의 미소화-다기능화에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 하지만, 기존의 시스템 구조의 복합화를 통한 기능성 향상은 마이크로 시스템 제조에 한계가 있으며, 추가적인 공정과 비용향상이 불가피하다. 이에 기능성 재료 도입을 통한 시스템의 다기능화가 미소화 및 비용 절감을 동시에 실현할 수 있는 요소기술로 제안되고 있다. 본 연구는 마이크로 영역에서 최적화된 특성을 가져 MEMS, Flexible device 등 마이크로 시스템에서 활용 가능한 small-scale 고회복능/ 고기능성 형상기억합금의 개발을 최종 목표로 한다. 이를 위해서 1) 계산 열역학을 통한 고회복능/ 고기능성 형상기억합금 후보군 설계와 2) small-scale에서의 형상기억능 및 기계적 성질에 대한 미세 조직(방위, 규모, 경계) 최적화를 진행하고, 나아가 3) 최적화된 small-scale 형상기억합금을 활용한 추가 기능성을 확보하고, 개발 재료의 실질적 활용 방안을 모색하였다.
ㅇ 전체 내용
기술 발전과 함께 시스템의 미소화에 대한 요구 사항이 증가함에 따라, 센서, 액추에이터, 미세기계부품 등 복잡한 내부 구성으로 인한 시스템의 중량화를 최소화하고, 소재 자체로 요구되는 기능을 보유한 일명 ‘스마트’ 재료가 주목을 받고 있다. 특히 형상기억합금은 형상기억, 초탄성 등의 기능재료적 측면과, 금속재료 본연의 구조재료적 측면을 동시에 보유한 재료로서, 미소 시스템의 복잡한 기능과 구조적 수요를 모두 충족 시킬 수 있는 스마트 재료로 손꼽히고 있다. 본 연구에서는 합금원소 및 미세구조의 최적화를 통하여 마이크로 영역에서 고회복능/고기능성 형상 기억합금을 개발하기 위해 다음과 같은 연구를 진행하였다.
1. 마이크로 시스템용 고회복능/고기능성 형상기억합금 후보군 설계
본 연구에서는 다원계 고회복능/고기능성 특성을 가진 벌크 형상기억합금을 설계하여 기존 NiTi 더불어, 마이크로 시스템에서 활용하기 위한 후보군으로 활용하고 하고자 하였다.
개발된 합금은 다양한 형태로 제작되어, NiTi 대비 외부 응력 및 온도 변화에 따른 형상기억능을 측정하고, 시편 제작을 위한 가공-열처리 조건을 최적화하였다.
2. Small scale(마이크로 영역)에서의 형상기억 특성 분석 및 최적화
형상기억능 핵심 메커니즘인 마르텐사이트 변형은 방위, 규모, 경계 등 미세조직의 영향이 매우 중요하며, 이러한 미세조직 영향이 극대화되는 마이크로 영역에서는 밀리미터 이상의 벌크 소재와 전혀 다른 특성을 갖는 것으로 알려져 있다. 이에 본 연구에서는 마이크로 영역에서 각 특성에 대한 미세구조 요소(방위, 규모, 경계)의 효과를 파악하고 최적화된 미세구조를 도출하였다.
3. 추가 기능성 확보 및 스마트 시스템 적용
최적화된 형상기억 특성을 가진 마이크로 형상기억합금에 대하여 스마트 시스템 적용을 위한 추가 기능성을 확보하였다. 형상기억합금은 열-응력 변화에 대해 반응하는 스마트 재료로, 이에 수반되는 열팽창을 피할 수 있다. 그러나 형상기억합금을 야기하는 마르텐사이트 구조와 상변태를 조절한다면, 열팽창 특성을 조절할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 음(negative) 혹은 열팽창을 하지 않는(zero thermal expansion) 재료를 확보할 수 있었다. 특히 앞선 연구에서 활용하였던 복잡한 열-가공공정에서 벗어나 간단한 training을 통해 효과적으로 열팽창 특성을 제어하는 기술을 개발하였다.

□ 연구개발성과
1) 미세영역에서 방위에 따른 형상기억합금의 변형 거동 규명
2) 우수한 초탄성 특성을 지닌 Fe-기반 형상기억 와이어 개발
3) 열팽창 제어 메커니즘 규명 및 기술 개발

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
1) 마이크로 시스템용 small-scale 고회복능/ 고기능성 형상기억합금의 개발은 계산 열역학을 기반으로 한 합금 설계 기술, 미세 시편 제작 기술, 미세 역학을 활용한 in-situ 시험 기술, 멀티스케일 미세구조 분석 기술 등이 상호 연관된 분야로, 각 기술들의 융합과 발전은 물론 고부가가치 재료 개발에 크게 기여할 것으로 판단된다. 또한 마이크로 영역에서의 형상 기억 메커니즘 및 개발 형상기억합금의 추가 기능성에 대한 원천기술 확보를 통해 학문적/기술적 측면에서 크게 기여할 것으로 기대된다.
2) 최근 전기/ 전자, 우주항공, 의료 등 대부분의 산업분야에서 요구 특성의 다양화와 더불어 활용 시스템의 미소화를 진행 중에 있다. 이와 같은 시장의 요구에 따라 활용 가능한 스마트 재료의 개발과 마이크로 영역에서 변화되는 스마트 재료의 특성을 파악하고 최적의 특성을 확보할 수 있는 조건을 제시할 수 있을 것이다.
3) 마이크로 시스템에 대한 고기능성 형상기억합금의 활용은 적용 합금은 물론 미세구조에 대한 최적 화 조건에 이르기까지 fast-follow 전략을 취하기 어렵기 때문에, 경제적으로 고부가가치를 창출할 수 있을 것으로 기대된다. 형상기억합금은 시스템 내 구조재료로써의 역할과 더불어 내/ 외부의 환경과 자극에 반응하는 특성을 지니고 있기 때문에 활용을 위한 최적화 조건이 필수적이다. 따라서 본 연구는 경제적/ 산업적 측면으로 크게 기여할 것으로 기대된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 가. 마이크로 시스템용 형상기억합금 개발의 필요성 및 중요성 ... 5
• 나. 마이크로 영역에서의 특성 최적화 가능성 ... 5
• 다. 최종목표 및 연구 범위 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 7
• 1) 연구수행 결과 ... 7
• 2) 목표 달성 수준 ... 11
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 11
• 가. 학문/기술적 측면 ... 11
• 나. 경제/산업적 측면 ... 11
• 5. 연구개발성과 및 활용 계획 ... 12
• 1) 연구성과 ... 12
• 2) 연구성과 활용계획 ... 13
• 6. 참고문헌 ... 14
• 끝페이지 ... 14