1. Smart Materials(스마트 재료)

창의설계1 자료 조사를 하는 도중 ‘smart separators’라는 단어를 접하게 되었다. 이에 대한 자세한 설명이 나와 있지 않아서 어떤 분리막을 말하는지 이해하기 어려웠고, 재료화학공학 교재에도 스마트 재료가 나와서 첫 포스팅은 스마트 재료로 결정했다.

 

어떠한 특성을 가진 소재이기에 smart라는 단어가 붙는지 알아보도록 하자!

 

스마트 재료(Smart Materials)

‘The Science Times’에서 나사(NASA)에서 연구 중에 있는 신개념 날개에 대해서 소개를 하였다. SF영화에서만 볼 수 있었던 특이한 형태의 비행기를 미래에는 현실에서 볼 수 있을지도 모르겠다.

출처 :  MIT and NASA develop flexible shape-shifting airplane wing (designboom.com)

일반적인 비행기 날개에는 비행기의 방향을 바꾸거나 움직임을 제어하기 위한 작은 조종면이 있는데 이 신개념 날개는 스스로 모양을 바꿔 비행을 제어할 수 있기 때문에 이러한 조종면이 필요가 없다. 이렇듯 속도와 압력에 따라 형상을 바꾸는 비행기 날개에 쓰인 재료를 smart materials라고 한다.

 

Smart materials(스마트 재료)는 외부 환경으로부터 자극(습기, 온도, 압력, 자기장, 전기장, 빛 등)을 감지, 판단하고, 이 외부 자극에 대해 원래의 상태로 되돌아 갈 수 있는 가역적 방법으로 반응, 제어하는 지능적 행동(Smart Behavior)을 나타내는 적응형 또는 지능형 재료를 말한다. 이 재료의 원리는 환경변화에 따라 반응하고 적응하는 생물체의 특징을 모방한 것으로, 유비쿼터스 환경을 실현하기 위한 기초 재료가 되고 있다.

 

대표적 스마트 재료로는 형상기억고분자, 형상기억합금, 압전재료, 자왜재료, 전기유변유체, 광섬유가 있다.

 

▷형상기억고분자(Shape Memory Polymers)

-일정한 온도 또는 특정 자극이 주어졌을 때 가해진 일시적 변형으로부터 처음 상태로 되돌아오는 고분자 재료

Ex) 온도센서, 엑추에이터, 정보저장장치, 스마트 의복, 마이크로 전자기기 시스템 등에 사용

 

▷형상기억합금(Shape Memory Alloy)

-일정 온도에서 변형한 재료를 특정한 천이온도 이상으로 가열하면 원래의 형상으로 되돌아가는 성질을 가진 합금

Ex) 안경테, 치열교정선 확장요도관 등 의료용 제품 등에 사용

 

▷압전재료(Piezoelectric Materials)

-기계적인 힘을 전기로 바꾸거나 전기를 가하면 기계적인 수축, 팽창의 변형(strain)이 일어나는 특성을 가진 재료 (결정, 세라믹스, 고분자)

Ex) 스마트 구조의 엑추에이터나 센서로 이용(촉각 온도 및 변형량 감지용)

 

▷자왜재료(Magnetostrictive Materials)

-자기장의 변화에 따라 재료의 변위가 변화하는 재료(압전재료의 기능과 유사)

Ex) 음향탐지, 초음파진단기 등에 사용

 

▷전기유변유체(Electroheological Fluid)

-이 재료는 액체(소수성) 안에 작은 입자(친수성)을 포함하고 있으며, 전기장이나 자기장을 가하면 이 입자들이 반응하면서 액체의 점성을 바꾸어 놓음

Ex) 댐퍼(Tunable Damper), 진동차단 시스템, 로봇의 팔, 브레이크나 클러치 등에 사용

 

▷광섬유(Optical Fiber)

-고순도 실리카에 전반사를 일으킬 수 있는 반사층을 코팅한 후 섬유형태로 가늘게 가공한 재료

Ex) 광섬유를 통과하는 빛의 특성변화를 측정하는 센서장치에 응용(광통신 전송 및 수신, 광변조 부품과 내시경 등)

 

스마트 재료의 예로 스마트 윈도우가 있다.

출처 : Smart Windows Regulate Light and Heat (businessinsider.com)    

스마트 윈도우는 외부에서 유입되는 태양광의 투과율을 자유롭게 조절하여 에너지 손실을 줄이면서 냉난방 효율을 높여주는 창호를 의미한다. 스마트 윈도우의 핵심 원리는 태양광의 투과율을 자유롭게 조절해 줄 수 있는 물질을 윈도우에 삽입해 필름을 장착하는 것이다. 고속도로나 경기 등 많은 사람들이 모인 곳에서 대형 정보 표시판이나, 가시광선을 차단하는 자동차 선루프, 내부 모습의 노출을 자유자재로 조절할 수 있는 상품 판매 매장의 벽 등 다양한 분야에서 적용되고 있다.

 

이 외에도 스마트 재료는 외부 밝기에 따라 자동으로 켜지고 꺼지는 자동차 전조등, 혈당량을 측정하고 인슐린 펌프를 작동하는 스마트 의료기기, 소변 중의 요소를 검사하야 건강상태를 알려주는 스마트 변기 등 다양하게 활용되고 있다. 

 

※ 참고 자료 ※

https://www.chemidream.com/2625

www.sciencetimes.co.kr/news/%eb%b9%84%ed%96%89-%ec%a4%91-%eb%aa%a8%ec%96%91-%eb%b0%94%ea%be%b8%eb%8a%94-%ec%8b%a0%ea%b0%9c%eb%85%90-%eb%82%a0%ea%b0%9c/?cat=134  

blog.lgcns.com/702  

김경호, 「스마트 재료 소재 분야의 혁명으로 미래 생활·산업 전반에 큰 영향」, KISTI Market Report, 2017, 5쪽