- Simplification: Replacing complex and expensive solutions with simple, cost-effective ones.
- Optical Properties: Changing color or transparency of materials for better visibility or functionality.
- Homogeneity: Using identical or similar materials to enhance system stability.
- Rejection and Regeneration: Discarding or reusing elements after their functionality ends.
- Parameter Change: Modifying material properties (state, density, volume) to optimize systems.
- Phase Transformation: Leveraging phase changes and temperature shifts to enhance energy efficiency and resolve issues.
32. 색깔 변화 등 광학적 성질을 변화시킨다.
색깔변화 [Changing Color]
.물체 또는 환경의 색을 바꾼다.
.물체 또는 환경의 투명도를 바꾼다.
.관측을 용이하게 하기 위해 색 첨가제, 형광 첨가제를 사용한다
.발광 추적이나 추적 원자를 이용한다.
1) 물체의 광학적 성질을 이용하거나 변화 시켜 본다는 원리이다.
2) 자동차 야간 운전 시 후방 차량의 전조등때문에 눈이 부셔 운전에 방해가 될 수 있 다. 그림과 같이 뒷면 유리의 광학적 특성을 변화시킨다. 전도성의 성질을 가지는 산 화니켈과 산화주석의 얇은 막을 유리에 입힌다. 이 전도성 막에 전류를 흐르게 하면 유리의 빛에 대한 투과도를 조절할 수 있다. 이 특허는 좀 더 개량되어 나중에는 운전석의 실내 백 미러에 코팅을 하는 아이디어로 향상되었다. [WE 특허 번호 304 198 Technika Molodezhi. 아니요. 1989년 11월 11일]
3) 기존의 다리미는 바닥의 금속판 자체가 가열되어 모직에 열을 전달한다. 기존의 열 원으로서 사용하던 불투명한 금속판대신에 투명한 바닥판을 통한 열복사로 열을 모 직물에 전달한다. 바닥은 강화유리로 만들어져 투명 하고 열선 위에는 반사막이 설치되어 있다. 새로운 다리미는 기존의 다리미 보다 가벼우며 전원 을 켜자마자 즉시 열이 발생하고 모직의 모든 부분에 골고루 열을 전달할 수 있는 장점이 있다. [ON AC NN 538,074, 1,155,641]
4) 구조물 위의 실리콘 산화물을 식각공정으로 제거해야 하는데 깊이 파진 홈부분에는 산화물이 채워져 있을 만큼만 제거해야 한다. 정확히 언제 식각공정을 멈춰야 하는 것이 문제이다. 실리콘 산화물을 형성하기 전에 기판 위에 특별한 조치를 행하여 기판이 특별한 색깔을 가 지게 한다. 식각 공정시, 식각을 진행하다가 이 색깔 이 보이기 시작하자마자 식각 공정을 멈추면 된다.
33. 기왕이면 같은 재료를 사용한다.
동질성 [Homogeneity]
.본체와 상호작용하는 주변 물체는 본체와 동일한 재료로 만든다.
.동일한 재료가 불가능하면 비슷한 특성을 지닌 재료로 만든다.
1) 눈사람이 아이스크림을 팔고 있다. 이와 비슷한 개념의 판촉행사는 많이 볼 수 있다. 굳이 다른 재료, 다른 부품을 사용하는 것 보다는 기왕이면 같은 재료, 같은 부품을 사용해 보라는 것이다.
2) 제철소에서 석탄(coal)은 코크스(coke)로 처리되어져야 한다. 석탄을 고온으로 가열하면 산화작용을 거쳐 코크스가 만들어 지는데 석탄이 과열되어 석탄을 받치고 있 는 컨베이어 벨트가 손상될 수 있다. 코크스층을 석탄 밑에 만들어 둔다. 석탄이 코크스로 만 들어지는 산화 작용의 온도는 코크스가 연소하는 온도 보다 훨씬 낮기 때문에 코크스층이 일종의 보호막을 형성한다. 석탄은 충분한 고온에서 산화작용을 일으키지만 중간의 코크스 층이 보호막이 되어 컨베이어 벨트를 높은 열로부터 보호한다. [SU A.c. 엔 722 934]
3) 특정 원자로 도핑된 폴리 실리콘으로부터 특정 원자를 단결정 실리콘 기판내부로 확산(thermal diffusion)시키려고 한다. 하지만 폴리 실리콘내부의 다양한 그레 인들과 폴리 실리콘과 단결정 실리콘 사이의 마이크 로 수준의 불규칙한 계면으로 인하여 열확산후 기관 내 확산층의 계면이 불규칙한 문제가 발 생한다. 폴리 실리콘 대신에 기판과 같은 재료인 단결정 실리콘을 기판위에 성장시킨후 도핑처리를 한 후 가열을 통하여 열확산을 진행하면 규칙적이고 매 끈한 확산 계면을 얻을 수 있다. [미국 특허 5 385 850 특허일: 1995년 1월 31일 국제 비즈니스 Mashines Corporation, Armonk, N.Y., USA]
4) 모서리 부분이 완만한 경사(sloped sidewalls)를 가지는 구조물을 만들기 위해 기 판위의 구조물과 식각 속도가 동일한 보호막(photo resist)를 사용한다. 보호막이 원하는 경사를 가지게 만든다. 플라즈마 에칭공정에서 보호막 아래부분의 구조물은 동일한 식각 속도로 인하여 보호막과 동일한 구조의 완만한 경사를 가지게 된다. [미국 특허 5 174 857 특허 날짜: 1992년 12월 29일 Gold Star 주식회사, 서울, 대한민국]
34. 다 쓴 것은 버리거나 복구한다.
폐기 및 재생 [Rejection and Regeneration]
.사물의 요소가 기능을 마치면 폐기하거나 작동 도중에 개조한다.
.폐기하는 것에는 버리기, 녹이기, 증발시키기등이 있다.
.사물 중에서 이미 사용된 부분은 작동 중에 원위치한다.
1) 극소형의 스프링을 만들기 위해서 얇은 심에 철사를 감는다. 그런 후에 특정 유기 용액에 담궈 얇은 심을 녹여낸다. 철사를 만들기 위해서 심이 필요했지만, 사 용한 후에는 녹여서 없애버리는 것이다.
2) 필라멘트(filament)의 온도가 아주 높은 고온이면 백열전구는 태양빛에 가까운 백색 빛을 발생한다. 하지만 높은 고온에서는 필라멘트 금속 자체의 증발 속도가 빠르기에 일반적으로 필라멘트가 낮은 온도를 유지하고 따라서 백색 빛 대신 노르스름한 빛을 만들어 낸다. 전구 내에 브롬(bromine, Br)을 소량 첨가한다. 높 은 온도의 필라멘트에서 증발된 텅스텐 원자들은 전구의 벽면에 붙게 되고 여기에 브롬원자가 가세하여 텅스텐-브롬 화합물이 만들어진다. 이 화합물은 다시 증발되어 온도가 높은 지역으로 이동하는 성질을 가 지고 있기에 필라멘트의 높은 온도영역으로 이동한 다. 여기서 화합물이 분해되어 텅스텐은 원래 자리인 필라멘트에 붙게 되고 브롬은 다시 전구의 벽면으로 향하게 된다. [미로 속의 실. 페트로자보츠크, 카렐리아 출판사, 1988]
3) 미항공우주국(NASA)에서 활용하는 우주 왕복선의 경우 대기권을 탈출하기 위해 사용하는 로켓은 사용 후 낙하산에 의해 바다에 떨어진다. 바다에 떨어질 때 앞부분부터 떨어지게 하여 로켓의 하단에 있는 엔진은 손상 입지 않게 한다. 바다에서 회수된 로켓은 다음 우주왕복선 발사시에 재 사용된다. [우주 비행학. 백과사전. 수석 편집자 V.P. 글루슈코. 모스크바, 1985]
4) 두개의 금속전극을 접합하기 위해서는 아주 높은 온도가 필요하다. 금속전극의 녹는점 온도가 매우 높기 때문이다. 두개의 전극 사이에 녹는점 온도가 낮은 얇은 금속 층을 만든 후 높은 압력과 온도에서 얇은 금속층의 원자들이 양쪽의 금속 전극으 로 확산이 일으나게 하면 상대적으로 낮은 온도에서 접합이 가능하다. [DE 4241439 특허 날짜: 1994년 6월 16일 Daimler-Benz Aktiengesellschaft, Stuttgart; Deutsche Aerospace AG, 독일 뮌헨]
35. 물질의 속성을 변화시킨다.
속성 변화 [Parameter Change]
.시스템의 물리적 상태를 변화시킨다.
.농도나 밀도를 변화시킨다.
.유연성의 정도를 변화시키거나 온도나 부피를 변화시킨다.
1) 물질의 농도나 밀도를 변화시키거나 온도나 부피등의 각종 인자들을 변화시켜 보는 것이다. 기계시스템의 조절값등을 변화시켜 개선해 보는 것으로서 실험계획 법에 의한 실험 행위도 모두 여기에 포함된다.
2) 컨베이어 벨트를 이용하여 광석등의 물질을 이동하는 과정이다. 컨베이어 벨트가 경사진 곳을 지나 물질을 운반해야 하는 것이 문제이다. 경사가 높아지면 벨트위의 물질들이 벨트를 흘러 내려오기 때문이다. 경사를 오르기 전에 액체 질소등을 이용하여 온도를 급격히 낮 추어 냉각시킨다. 운반 되어지는 물질은 벨트와 함께 얼어 붙은 상태로 이동 되고 마지막 부분에서 다시 열을 가해 녹인다. 이러한 방법으로 25도의 경 사까지도 컨베이어 벨트를 이용할 수 있다. [SU A.c. N 960 091]
3) 유전체(dielectric layer) 층 위에 진공증착 과정을 거쳐 알루미늄층을 만 드는 과정이다. 일반적으로 알루미늄 내부에 빈 공간 없이 꽉 차는 층을 만 들기가 어렵다. 이러한 경우에 후처리로서 열을 가해 주면 빈 공간이 없는 알루미늄층을 만 들어 낼 수 있다. [미국 특허 5 266 521 특허일자: 1993년 11월 30일 삼성전자(주)]
4) 세로로 깊이 홈이 파여진 부분들을 금속으로 채우기 위해서는 진공증착과정을 거치는데 홈을 금속으로 꽉 채우는 것이 쉽지 않다. 우선 금속성분을 포함하는 액체화합물을 만들어 홈이 파여진 부분 위에 채운다. 그런 후 적정온도로 가열하여 액체화합물내의 용매가 증발하게 되고 자연히 금속성분만 남게 된다. [미국 특허 5 213 999 특허 날짜: 1993년 5월 25일 Delco Electronics Corporation, 코코모, 인디애나, 미국]
36. 상전이
상전이 [Phase Transformation]
.상전이 현상을 이용한다.
.상전이때 부피의 변환, 열의 발산, 형상의 변화등을 이용한다.
1) 모든 물질은 고체, 액체, 기체, 플라즈마의 네가지 상태로 존재한다. 고체를 액체로 바꾸거나 액체를 기체로 바꾸는 등의 현상을 이용하여 문제를 해결한다. 이와 같은 일반적인 상(phase)이외에도 아래의 예제 들처럼 물질이나 시스템의 특성과 관련하여 다양한 상들이 존재할 수 있다.
2) 겨울날 빙판에서 미끄러지지 않기 위해서 신발 바닥에 못이 박힌 특별한 신 발이 있다. 하지만 일반적인 표면에서는 박힌 못 때문에 걷기가 힘들어진다. 형상기억합금이 신발 바닥에 설치되 어 있다. 기온이 영하로 내려가면 신발바닥의 형 상기억합금이 튀어나와 얼음바닥등에서 미끄러 지지 않게 해 주고 다시 기온이 영상으로 돌아오 면 신발내부로 못이 들어가게 된다. [SU A.c. N 1044 266]
3) 컴퓨터 칩의 경우 적정 온도 이상으로 상승할 경우 심각한 피해가 발생한다. 열을 발생하는 칩이 그림과 같이 열흡수기판(heatsink)위에 위치한다. 열흡수기판은 열을 받으면 물질의 상태가 변하 는 상전이(phase transformation)가 발생한 다. 상전이가 발생하는 동안에는 컴퓨터 칩으로부터 발생한 열이 상 전이가 일어 나기 위한 에너지로 사용되기 때문에 기판의 온도는 증가하지 않으면서 컴퓨터 칩으로 부터의 열은 흡수하게 된다. 물이 끓는 동안에는 열을 가해도 100도를 유지하는 것과 같은 원리이다. [미국 특허 5 315 154 특허 날짜: 1994년 5월 24일 Hughes 항공기 회사, 캘리포니아주 로스앤젤레스, 미국]
4) 컴퓨터 칩의 경우 적정 온도 이상으로 상승할 경우 심각한 피해가 발생한다. 그림에서는 액체의 증발 현상을 이용하여 컴퓨터 칩을 냉각하고 있다. 칩에 의해 발생한 열은 X자 모양의 공간에 있는 액체를 증발시키고 증발된 액체는 X 자 모양의 윗부분으로 이동되어 바깥으로 열을 방출한다. 열이 방출된 후 다시 액체로 전환되면 X 자의 아래부분으로 돌아와 다시 순환하게 되어 계속적으로 칩을 냉각시키게 된다. [미국 특허 5 349 237 특허일: 1994년 9월 20일 VLSI Technology, Inc., 캘리포니아주 샌호세, 미국]
37. 열팽창
[열팽창]
.온도변화에 의한 물질의 팽창 및 수축을 이용한다.
.열팽창계수가 다른 여러가지 재료를 이용한다.
1) 열팽창을 이용하는 원리이다. 도심의 극심한 대중교통난을 극복하기 위한 아이디어로 버스에 탑승하기전에 사람들을 냉장고를 지나가게 하여 부피를 줄인 후에 타게 하면 버스에서 공간이 더 확보될 것이란 것 이다.
2) 반도체 기술을 이용한 구조물의 제작(MEMS)시 그림과 같이 튀어나온 두 돌기의 높이가 돌기사이의 거리보다 더 작은 경우가 있다. 이러한 경우에는 구조물을 만들 기 위해 사용된 보호막(Protective polymer film)을 구조물의 수직벽면으로부터 완벽히 제거하기가 어렵다. 액체질소를 이용하여 구조물을 급격히 냉각시키면 고분자가 수축하게 된다. 고분자 의 수축정도와 구조물의 수축정도가 다르기에 고분자가 구조물에서 떨어져 나오게 되어 제거될 수 있다. [미국 특허 5 378 312 특허일: 1995년 1월 3일 International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y.]
3) 물질의 열로 인한 팽창을 이용하여 기초적인 엔진의 개념을 구상할 수 있다. 두개의 축을 두개의 벨트가 엮어 돌아간다. 하나의 벨트는 양쪽의 도르래 지름이 같 은 벨트이고 다른 벨트는 한쪽의 도르래 지름이 더 크 다. 두 벨트의 한쪽면은 열을 가하여 늘어나게 되고 다른 한쪽 면은 냉각시켜서 벨트가 줄어들게 한다. 한 쪽은 늘어나고 한쪽은 줄어들기에 벨트가 회전하게 된다. 한 쪽의 도르래 지름이 큰 벨트(flywheel belt)는 속도를 원만히 조절하기 위한 것이다. [SU A.c. N 336 421]
4) 웨이퍼의 온도를 측정하기 위해 측정기를 접촉하는 것은 웨어퍼를 손상시킬 수 있다. 웨이퍼를 특정 온도까지 정확히 가열하는 것은 어려운 작업이다. 웨이퍼의 열팽창계수를 알아낸 뒤 웨이퍼를 레이저 발생장치(emitter)와 검출장치(detector)사이에 그 림과 같이 위치 시킨다. 웨이퍼를 가열하면서 레이저 검출장치를 이용하여 웨이퍼의 크기를 측정하면 웨이 퍼의 정확한 온도를 알아낼 수 있다. [미국 특허 5 350 899 특허일: 1994년 9월 27일 발명가: 히로이치 이시카와, 127 Vreeland Ct., Mahwah, N.J. 10920; 마이클 S. 콜레사, 25 Grand St., No. 232, Norwalk, Conn. 06851]
38. 산화제
[산화물]
.한 수준의 산화로부터 더 높은 수준의 산화로 바꿔간다.
.일반공기는 산소로, 산소는 오존으로 바뀌어 간다.
1) 산소나 적당한 물질, 주변환경을 이용하여 반응을 가속, 완결시키는 원리이다. 주방에서 너무 많은 요리를 빠른 시간에 하는 바람에 주방안의 공기로 숨을 쉴 수가 없어 산소마스크를 끼고 요리를 하고 있다. 잠수함의 연소식 엔진에서 오존이 산화제로 이용되어 완전연소를 가능하게 한다.
2) 실리콘 웨이퍼 표면위의 금속이온들을 깨끗이 제거하는 것이 쉽지 않다. 특히 구리 (Cu)이온으로 오염된 경우 실리콘과 구리이온이 강한 결합을 이루기에 구리이온을 제거하는 것이 가장 어렵다. 플루오르화수소(hydrofluoric, HF) 분위기에서 오 존을 불어 주는 해결책이 있다. 오존은 구리 이온과 반응하여 구리이온을 산화구리(CuO) 화합물을 만들 고 플루오르화수소 분위기에서 산화구리 화합물은 플 루오르구리(CuF2) 침전물로 변하여 물에 의해 쉽게 씻겨져 제거할 수 있다. [DE 43 40 589 30. 6. 94 골드스타일렉트론(주), 충청북]
3) 실리콘 웨이퍼를 산화시키는 공정이다. 공정에 사용되는 에너지 소비를 줄이기 위 하여 산화 공정에 사용되는 공기를 일반 산소(O2) 대신에 오존(O3)을 사용한다. 오존을 첨가하여 사용하면 산화과정이 더욱 가속화 된다. 결과적으로 산화과정에 필요한 분위기 온도도 낮아지고 산화과정시간도 단축되므로 공정에 사용되는 에너지를 절약할 수 있다. [미국 특허 5 294 571 특허일: 1994년 3월 15일 VLSI Technology, Inc., 캘리포니아주 샌호세, 미국]
4) 에칭공정 후 유기용제에 실리콘 웨이퍼가 담겨져 보호막(PR) 등을 씻어 낸다. 하지 만 특별한 경우에 실리콘 웨이퍼 위의 유기 물질이 완전히 제거되지 못하는 경우가 있다. 이러한 경우 산소를 공급하면서 자외선을 조사하는 방법이 있다. 산소는 자외선을 조사받아 오존으로 변하고, 오염원 인 유기 물질은 오존과 만나 휘발성 산화물로 변하여 제거된다. [미국 특허 5 348 913 특허 날짜: 1994년 9월 20일 AT&T Bell]
39. 불활성 환경
[불활성 환경]
1) 38번 원리와 반대되는 원리이다. 38번 원리는 산화제를 사용하여 반응을 가속시키는 것이지만 39번 원리 는 반대로 불활성 환경을 만들어 반응 속도나 물질의 농도를 저하시키는 것이다. 맥주에 물을 넣어 팔고 있다. 맥주 맛이 떨어질 것이 분명하다.
2) 석유제품을 보관하고 있던 탱크를 분해하려고 용접기로 잘라내고 있다. 비록 석유 제품은 비웠지만 표면이나 탱크내부의 공기중에 휘발성성분이 다량 남아있기에 용접작업을 위해서는 안전조치가 취해져야 한다. 드라이 아이스를 탱크의 밑바닥에 계속 적으로 떨어뜨리면 탱크 안에 불활성가스인 이산화 탄소가 생성되어 용접작업을 하더라도 폭발이 일어나지 않는다. 질소를 뿜어 줄 수도 있지만 고체덩어리인 드 라이 아이스를 투입하는 것이 효율적이다. [SU A.c. N 719 824]
40. 복합재료
[복합재료]
.동질의 재료를 복합재료로 대체한다.
1) 복합재료를 사용하는 것이 40번 원리이다. 특히 가벼 우면서도 강한 구조물을 가지기 위해서 혹은 화학적 내부식성이 강한 재료를 가지기 위해 복합재료가 많이 사용된다. 위의 그림에서는 바늘이 박힌 요가수행판을 여러 개로 복합적으로 만들었다. 복합재료의 기본 원리도 여러가지 재료를 쌓아 올린 개념이다.
2) 1973년 미국 공군은 B1 폭격기의 무게를 줄이면서도 비용도 함께 줄여 달라고 항 공기 제작회사에 요구하였다. 당시 제작회사는 복합재료를 사용하였다. 에폭시 카 본 플라스틱으로 날개의 표면을 만들고 에픽시 보론 플라스틱으로 안정지지대를 만들었다. 이러한 복합 재료를 사용함으로서 금속합금을 사용하는 경우에 비 하여 B1 폭격기 전체 무게의 15%를 줄일 수 있었고 가격도 17.5% 절감할 수 있었다. [복합소재 핸드북. 편집자 G. 루빈. 모스크바, Mashinostroenie 출판사, 1988]
3) 자동차의 휠은 주행시의 충격을 흡수해야 하면서도 자동차의 무게를 지탱해야 하기 에 낮은 밀도이면서도 높은 강도를 가져야 한다. 이에 대한 해결책으로 복합재료가 사용되었다. 자동차의 림(fly-wheel rim)은 유리섬유로 만들어 졌다. 금속 보다도 훨씬 가벼웠지만 강도는 더 높았다. 게다가 1kg 당 4000kJ의 충격에너지를 흡수할 수 있었다. [에너지 축적기. 편집자 D.A.Buta. 모스크바, Energoatomizdat Publishers.1991]
4) 일반인이 알고 있는 대부분의 메모리 칩은 그림과 같이 고분자물질에 포장되어 있 다. 고분자물질 대신에 복합재료를 사용할 경우 외부로 부터의 전자기장의 영향도 최소화할 수 있고 동시에 메모리에서 발생되는 열을 외부로 방출하기도 한다. 고분자 물질에 금속물질이 섞인 복합물질을 이용하였다. [미국 특허 5 371 404 특허 날짜: 1994년 12월 6일 Motorola, Inc., Schaumburg, III., USA]
[생각의 창의성 TRIZ]
저자 김효준
