기억은 사람을 비롯한 생명체가 갖는 고유의 능력이라고 오랜 시간 생각해왔죠. 하지만 특정 물질의 경우 힘을 가해 형상을 변형시켜도 온도, 빛, 화학작용 등에 의해 본래의 형상으로 되돌아가는 ‘형상기억효과’가 있는 것으로 밝혀졌어요. 이와 관련된 연구가 거듭되면서 현재는 형상기억효과를 갖는 스마트 소재인 ‘형상기억소재’가 우리 일상 곳곳에 활용되고 있는데요. 그래서 오늘은 놀랍고, 신기한 형상기억소재에 대해 자세히 살펴보도록 해요!
‘형상기억효과’라는 개념이 처음 정립된 것은 미 해군 잠수함에 사용될 특수 합금을 제작하는 과정에서 ‘형상기억합금’을 발견하게 되면서부터예요. 변형되었던 금속이 특정 온도에서 본래의 모습을 되찾는 것을 보고 형상기억합금에 대한 연구가 본격적으로 시작되었죠. 이후 우주선 안테나, 치아 교정 와이어, 안경테, 브래지어, 차량 외장재 등에 폭넓게 사용되어 왔어요. 최근에는 로봇의 팔 관절, 인공 근육, 심장 스텐트 등 바이오 분야까지 확대되어 시장은 더욱 커질 전망이에요.
현재까지 형상기억효과가 확인된 합금은 니켈-티타늄 합금, 구리-아연-알루미늄 합금 등 20가지 이상인데요. 하지만 형상기억합금은 생체 적합성이나 형상기억 능력이 뛰어난 대신 비용이 높고, 회복 능력이 한정적이며, 가공 조건이 까다로워 활용에 한계가 있어요. 이를 대체하기 위해 합금보다 저렴한 형상기억 플라스틱도 개발되고 있죠. 또한 형상기억합금과 비슷한 현상을 나타내는 형상기억고분자 역시 주목받고 있는데요. 형상기억합금에 비해 비용이 적게 들고, 회복 능력이 뛰어나며, 모양 변화가 쉬워 더욱 폭넓게 활용이 가능하답니다.
아주대학교 건축학과 이황 교수 연구팀에서는 형상기억소재를 활용해 기온 변화에 따라 자동으로 움직이는 차양 모듈 개발에 성공했어요. 소음, 진동이 따르는 기계 시스템 방식이 아닌 형상기억소재를 활용해 건물 스스로 형태가 달라진다는 점에서 특히 눈길을 끌죠. 연구팀은 열악한 사막 환경에서도 온도에 따라 기공을 열고 닫으며 생존하는 선인장에서 착안해 이러한 건물을 개발하게 되었다고 해요.
변형력은 낮지만 복원력이 높은 니켈-티타늄 합금과 복원력은 낮지만 변형이 자유로운 형상기억 고분자를 조합해 만든 형상기억소재 개발에 성공하면서 이러한 건물이 실현될 수 있게 되었어요. 특히 4D 프린팅을 이용해 제작이 간편하고, 저비용으로도 제작이 가능하다는 것이 큰 장점이랍니다.
고온에서는 건물 차양이 펼쳐져 열과 햇빛을 차단하며, 쾌적한 온도에서는 다시 창이 열려 바람과 빛을 받아들이게 되는데요. 덕분에 건물 냉난방에 사용되는 에너지 사용을 줄일 수 있어 탄소 저감에도 많은 도움이 되죠. 건물 외에도 도로 차폐벽, 태양광 패널 등 도시 인프라에 다양하게 활용할 수 있어 앞으로 널리 상용화될 것으로 기대가 되네요!
옛날의 형상을 기억하고, 되돌아가는 형상기억섬유도 있다는 사실, 알고 계셨나요? 일반 섬유에 비해 쉽게 구겨져 착용감이 편하고, 구겨진 섬유를 문지르면 구겨지기 전의 깔끔한 형태로 돌아가 관리가 용이한 섬유를 ‘형상기억섬유’라고 해요. 일반적인 섬유는 PET(폴리에스터)를 주로 사용하지만 형상기억섬유는 PTT(폴리 트리메칠렌 테레프탈레이트)라는 원료를 사용한다는 것이 가장 큰 차이죠.
분자구조가 촘촘하고, 단단해 쉽게 변형되지 않는 폴리에스터는 잘 구겨지지 않지만 한 번 구겨지면 쉽게 펴지지 않는데요. 형상기억섬유는 유연성이 있는 스프링 분자구조로 쉽게 구겨지고, 쉽게 펴질 수 있어요. 과거에는 금속을 활용해 형상기억섬유를 만들었지만 가격이 높고, 세탁으로 인해 마모가 잦아져 상용화가 쉽지 않았어요.
하지만 휴비스에서는 세계 최초로 바이오물질을 합성해 친환경적이면서도 내구성까지 더한 형상기억섬유 ‘메모리 에코’를 개발하는데 성공했어요. 고급스럽고, 화사한 느낌에 자연스러운 핏이 더해져 버버리(Burbury)와 같은 명품 의류에서도 큰 사랑을 받고 있답니다.
본래의 모습을 기억하고 되돌아가는 형상기억소재의 특성을 잘 활용한다면 우리 일상에 반가운 변화들이 더 많이 찾아오게 될 텐데요. 무궁무진한 발전 가능성을 가진 형상기억소재가 앞으로 어떻게 활용될지 기대하는 마음으로 지켜봐 주세요 😊
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