[e테크]지능물질(Smart Materials)-똑똑한 물질 현실로...

어떤 물질은 제어 시스템이나 환경의 자극에 반응을 일으켜 그 형체나 색깔, 전기적 성질, 자성적 성질, 광학적 성질 또는 다른 물리적 특성이 변할 수 있다. 이처럼 환경변화에 신속하고 극적인 반응을 나타내는 물질을 지능물질(smart materials)이라 하고 이런 특성 때문에 지능물질은 사용가치가 있다.

지능물질은 그에 대한 관심이 높고 새로운 기술이 속속 개발됨에도 불구하고 성장속도가 별로 빠르지 못하다. 전체 시장규모가 아직 10억달러를 넘지 못하느 실정이다.　

◆지능물질 기술이란

지능물질은 동작이나 신호형태의 환경자극에 반응을 나타내기도 하고 반대로 신호를 받아들여 그에 대한 반응을 일으키기도 한다.

　가령 감지 및 반응(SA)변은 지능물질이 온도변화에 따라 즉시 부피가 늘어나거나 자기(磁氣)변형이 가능한 물질이 자장에 반응해 길이가 늘어나는 현상을 보여준다. SA와 같은 특성을 가진 지능 금속은 주로 신체이식 의료장치, 온도조절 장치, 파이프 연결장치 등에 사용된다.

　감지 및 전송(ST)변은 압력을 전기로 변환한 다음 다시 신호를 출력할 수 있는 압(壓)전기 물질의 특성을 보여준다. 진동 제동기와 응력변형계와 같은 압전기수정 등이 그 예다.

　접수 및 동작(RA)변은 전기 펄스에 따라 규칙적으로 움직이는 시계의 자수정과 같이 전류나 광신호를 운동으로 변환해 주는 물질의 특성을 보여주고 있다. 시계 모터와 속도조정자가 이 범주에 속한다. 이밖에 RA에 속하는 재료에는 자기저장매체의 자기저항(MR) 및 거대 자기저항(GMR)헤드와 광신호를 받으면 어두워지는 색원체 유리 등이 있다.

　일반적으로 한가지 형태의 에너지를 받아 다른 형태의 에너지를 생산하는 장치를 변환기라고 한다. 지능물질을 사용한 변환기는 출력이 힘이거나 운동일 경우에는 작동체가 되고 출력이 유용한 신호일 경우에는 센서가 된다. 몇 가지 지능물질은 센서와 작동체의 성능을 모두 갖고 있다.

　지능물질은 그에 대한 관심이 높고 새로운 기술이 속속 개발됨에도 불구하고 성장속도가 별로 빠르지 못하다. 전체 시장규모가 아직 10억달러를 넘지 못하는 실정이다.

　지능물질과 상승효과를 일으키는 기술은 별로 많지 않지만 전자제어기술, 신호처리기술, 고체형 센서, 광학기술, 마이크로 전자기계적 시스템 등은 상승효과를 가져오는 동시에 경쟁관계에 있는 기술이다. 그러나 지능물질 응용제품에 영향을 미치는 기술은 많다. 휴대 전자제품, 의료기기, 의약품, 첨단 로봇, 가상현실 관련 기술은 지능물질에 커다란 영향을 미친다. 지능물질의 응용분야는 자동차 부품, 과학기술장비, 산업응용제품, 항공 및 군용제품, 의료기술, 소비제품, 전자제품 등 광범위하다.

　지능물질은 기계작동 제어의 단순화, 사용자 요구 및 환경변화에 대한 높은 적응성, 기계적 복잡성의 경감, 독특한 신제품 개발 가능 등의 장점을 갖고 있으나 새로운 기술이나 제품이 공통적으로 안고 있는 비싼 가격, 사용자 인식 부족 등 여러 가지 단점도 있다.

　

◆지능물질별 특성

　지능물질은 장(場) 의존적 고체, 압전기 물질, 자기변형 물질, 압전기 폴리머, 전기적 유동액체, 자성 유동액체, 형상기억 물질, 형상기억 합금, 형상기억 폴리머, 지능유리, 자기물질, 폴리머 광굴절 물질, 지능 겔 등 다양한 형태를 갖고 있다.

　◇장 의존적 고체=압전기, 자기변형체, 전기변형 폴리머 등과 같은 장 의존적 고체는 전장(電場) 또는 자장에 대한 반응으로 기계적 동력을 일으키거나 부피가 변화한다. 주요 장 의존적 고체인 압전기 세라믹과 자기변형 물질은 유사점이 많으며 일부 응용분야에서 경쟁관계에 있다. 이들 물질은 전자제어 신호에 따라 정밀작동을 할 수 있으며 작동체와 센서의 역할을 할 수 있다. 압전기 세라믹은 현재 널리 상용화된 반면 자기변형 물질은 개발단계에 있다. 압전기 세라믹은 또 기존의 니켈 자기변형 물질을 대체해 나가고 있다. 자기변형 물질은 압전기 세라믹에 비해 동력이 강할 뿐 아니라 운용온도가 높고 부피 변화가 크며 내구성이 우수하다. 제3의 기술인 전기변형 폴리머는 현재 개발단계에 있지만 부피의 변화도가 매우 높고 반응속도가 빠르며 비용이 적게 들고 다양해 상용화 잠재력이 강하다. 그러나 이 물질은 압전기 세라믹이나 자기변형 물질에 비해 힘이 매우 약하다.

　◇압전기 물질(PE)=자수정, 세라믹과 같은 압전기 물질은 전장을 적용하면 반응을 일으켜 확대 또는 수축된다. 반대로 여기에 힘을 가하면 전기신호를 생성할 수 있다. 이 물질이 반응을 일으키게 하려면 1만볼트 가까운 강력한 전장이 있어야 하기 때문에 작동체가 때로는 여러개 얇은 압전기 세라믹과 전극층으로 이루어진 원판으로 구성된다. 대부분의 압전기 물질은 초전기 특성을 갖고 있어 열에너지에 대해 전기적 반응을 일으킨다. 초전기 특성은 압전기 응용제품과 간섭현상을 일으킬 가능성이 있으나 열을 감지하는 압전기 변환기를 사용할 수 있게 하고 압전기 물질을 레이저에 사용할 수 있게 해 줄 수도 있다.

　압전기 물질은 부피의 변화가 적기 때문에 응용범위가 매우 넓다. 압전기 동작기는 스피커, 마이크, 진료 이미지 장치, 비파괴 시험 및 평가장비, 자동초점 카메라 셔터, 잉크젯 및 도트매트릭스 프린터, 스캐닝 터널링 현미경, 부품 공급장치, 능동 소음제어 시스템 등을 비롯한 여러 장치에 사용된다.

　◇자기변형 물질(MS)=자기변형 동작기에는 자장에 대한 반응으로 0.02% 늘어날 수 있는 테르페놀D와 같은 결정질의 희토류 합금이 주로 사용된다. 자장은 자기변형 물질 안에 있는 자기영역이 자장과 결합하도록 해 물질의 부피를 변화시킨다. 거의 모든 자기영역이 자장과 결합하면 부피가 최대한으로 늘어난다. 그러나 자기변형 물질은 반대로 자장을 양극화한다고 해서 늘어났던 상태에서 다시 수축하지는 않는다.

　자기변형 물질의 응용범위는 거의 압전기 세라믹의 응용범위만큼 광범위해 많은 고품질 압전기 세라믹 응용분야에서 경쟁을 벌이고 있다. 자기변형 물질이 상용화되고 있는 것은 거의 대부분 수중 전파탐지기용 응용제품이나 현재 자기변형 동작기 응용제품은 보청기, 의료기기, 석유산업에 필요한 지진측정 장치, 공작기계의 진동억제 장치, 복잡한 구조물 등 분야에서 개발 또는 실험 중이다.

　◇전기변형 폴리머(ESP)=전기변형 폴리머는 전장에 직접 반응해 확대 또는 수축되는 진정한 의미의 전기변형 물질이 아니라 전기변형 물질과 거의 같은 작용을 하는 전극과 불전도성 폴리머의 결합체다. 전기변형 폴리머 동작기는 공기간극 대신 불전도성 폴리머를 사용한 정(靜)전기 장치다. 이 폴리머는 디자인 및 제조과정에서 공기간극을 만들 필요성을 없애준다. 전기변형 폴리머는 반응속도가 빠르고 부피의 확대율이 높으며 에너지 밀도 및 동작압력이 우수할 뿐 아니라 효율성이 높은 도체의 특성을 갖고 있다. 이 폴리머는 비용이 적게 들고 효과측정이 가능하며 다양해 상용화 전망이 밝다. 전기변형 폴리머기술을 개발하는 업체는 별로 많지 않으며 SRI인터내셔널이 일본 정부를 위해 전기변형 폴리머 선형 동작기를 개발하는 것이 대표적인 사례다. 이에 자극을 받아 일본의 몇몇 업체들이 관련기술을 개발하고 있다.

　◇전기유동 액체(ERF)=일반적으로 전기유동 액체는 폴리머, 세라믹 비석 또는 탈이온수, 변압기 기름이나 실리콘 기름 등의 불전도성 반송액체 속에 있는 산화막금속과 같은 미립자의 부유물이다. 전기유동 액체는 입력신호를 받으면 유동에 대해 다양한 저항을 나타낸다. 전기유동 액체의 점도는 전장의 강도에 따라 다양하게 나타나는데 전장이 없으면 자유스럽게 흐르고 전장이 ㎜당 2000∼3000V가 되면 고체의 겔이 된다.

　전기유동 액체를 이론적으로 설명하기는 매우 어렵다. 최근에는 부유물 대신 용액을 사용하는 새로운 전기유동 액체가 개발됐다. 이 액체는 성능이 약하고 비용이 많이 들기는 하지만 새로운 데이터를 제공해 준다. 이에 따라 전기유동 액체의 성질을 수치화하는 모델이 향상되고 있다.

　대부분의 전기유동 액체는 전단력(剪斷力)이 5킬로파스칼 이하지만 이 전단력을 더 향상시키지 않고도 여러가지 응용제품이 실용화되고 있다. 초기에는 주로 진동제어용 응용제품이 상용화될 것으로 보인다. 군사용으로는 중무기나 항공기 착륙기어의 제동장치나 진동제어에 사용될 수 있다. 이밖에 응용가능 분야는 클러치, 도포제 및 접착제의 강도 조정과 점자 텍스트를 표시하는 컴퓨터 모니터와 같은 특수기기 등이다.

　◇자기유동 액체(MRF)=이 액체는 실리콘 오일속에 있는 철기반의 미립자로 여기에 자장을 적용하면 점도가 상당히 증가한다. 현재 사용되는 자기유동 액체는 지난 50년대에 개발된 것을 발전시킨 것이다. 이 액체는 높은 전압의 전력을 필요로 하는 전기유동 액체와 달리 저전압의 직류를 사용한다. 이 액체의 전단력이나 실용성 여부에 대해 회의적인 입장을 보이는 사람도 있으나 이미 시장에 제품이 나와있기 때문에 이의 진가가 드러날 것으로 보인다.

　◇자기 액체(MF)=자기 액체는 반송액체안에 있는 미세한 자석 미립자 부유물이다. 이들 미립자를 도포하면 응집력을 약화시킬 수 있다. 코발트기반의 미립자가 다른 합금보다 기능이 우수하지만 산화의 가능성이 높다. 자기 액체가 상용화한 지 몇십년되었는데 주로 밀폐에 사용된다. 자기액체 밀폐제는 컴퓨터 디스크 드라이브, 반도체 생산공정에 사용되는 진공 청정실 등으로부터 미립자나 수분 또는 다른 이물질을 제거시거나 회전장치로부터 방출되는 휘발성 유기화합물이나 유해가스를 감소시키는 데 사용되기도 한다. 특히 가장 많이 응용되는 곳은 스피커로 자기 액체는 음성코일로부터 열을 제거시키고 불필요한 진동을 줄여준다. 이밖에 이 액체는 스테퍼 모터, 비파괴 실험 및 평가, 잉크젯프린터의 자기잉크 등으로 사용된다.

　◇형상기억 물질(SMA)=형상기억 물질은 낮은 온도에서 높은 온도로 변할 때 전환온도를 넘어가면 원래 형체로 되돌아가려는 성질이 있다. 어떤 형상기억 물질은 원래 형체로 되돌아 갈 때 엄청난 힘을 발생시킨다. 금속 형상기억 합금은 상당히 많이 상용화됐으며 특히 의료분야 응용제품시장은 급속한 성장을 보이고 있다. 형상기억 물질 동작기는 지능물질 중에서 압력과 에너지 밀도가 가장 높다. 이외에도 형상기억 폴리머와 형상기억 세라믹 등 두 가지 형상기억 물질이 있으나 지금까지 그리 많이 사용되지 않고 있다.

　◇지능유리=진정한 지능물질은 빛, 온도, 전기 등과 같은 환경변화에 반응을 일으키는 수동적 유리다. 지능유리에는 전기신호를 받으면 투과율이 변하는 전기크롬 유리, 액정층을 감싸면서 전류를 가하지 않으면 우유빛 불투명 상태가 되는 비밀유리와 두 계층 사이에 떠 있는 피뢰침 모양의 미립자를 감싸는 부유 미립자 기술 등이 있다. 오늘날 가장 상용화된 크롬 색원체 제품은 승용차 및 트럭의 전기크롬 거울이다. 한 기업이 이미 1000만달러 상당의 자동차용 전기크롬 거울을 판매한 일이 있다.

　이밖에 지능물질에는 자기물질, 폴리머 광굴절 물질, 지능 겔 등 여러 가지 물질이 있다.

　

<테크애널리스트:낸시 가스톤 페스타>

　<정리=온기홍기자 khohn＠etnews.co.kr>