모션 시스템에서 열은 피할 수 없는 요소다. 작동 중 마찰, 모터의 발열 등 모션 시스템의 온도를 올리는 요소는 많다. 또 극한의 환경에서 가열/냉각이 반복되는 열순환에 마주하기도 하기에 반복되는 팽창/수축이 야기할 수 있는 내구성 문제도 중요한 고려사항이다.

대부분의 재료는 냉각될 때 수축되고, 가열되면 팽창한다. 이러한 반응이 바로 열팽창이다. 열팽창은 재료의 길이와 면적, 그리고 부피를 현저하게 변화시키며, 경우에 따라 물체의 형태, 적합성 또는 기능에 중대한 문제를 불러일으킬 수 있다.

열이 재료에 미치는 영향을 밝혀내기 위한 지속적 연구를 통해 대상의 치수 변화가 재료 구성과 온도 변화에 직접적으로 좌우된다는 사실이 발견됐다. 나아가 객체의 치수, 온도 변화, 재료 열팽창 상수를 알고 있을 때 팽창의 양을 정확하게 계산하기 위해 간단한 방정식을 사용할 수 있다는 중요한 사실도 알게 됐다.

열팽창의 개념을 이해하기란 어렵지 않은 일이지만, 쉽게 말할 수 있는 손쉬운 주제는 아니다. 열팽창이 특히 어려움을 주는 분야 중 하나는 매우 긴 모션 시스템, 혹은 광범위한 온도 변화에 노출된 환경에서 작업할 때이다.

다행한 점은 열팽창을 계산하고, 치수 변경을 수용하기 위해 설계 요소를 수정하는 것이 비교적 간단한 작업이란 점이다. 좌굴(buckling)된 기차 트랙과 교량, 값비싼 시스템 교체를 생각하면, 열팽창에 대한 수정은 매우 손쉬운 작업에 속한다.

열팽창은 어떻게 작용하는가

열팽창의 영향을 받는 모든 재료는 예측 가능한 열팽창 계수를 갖고 있다. 재료가 열팽창을 할 때 모든 치수가 같은 비율로 증가한다는 점은 매우 중요하다. 재료 전체에 일정한 모양 또는 크기 변경이 있음을 의미하기 때문이다.

주의할 점은 모든 재료가 모든 방향에서 동일한 열팽창 계수를 갖는 것은 아니라는 점이다. 성질이 모든 방향에서 동일한 등방성 재료와 달리 이방성 재료는 예측 가능한 방식으로 반응하지 않는 특별한 미세 구조를 가지고 있다. 목재와 복합재는 이를 보여주는 대표적 재료들이다.

하지만 다행스럽게도 오늘날의 엔지니어들은 더이상 열팽창 문제로 복잡한 계산을 진행할 필요가 없다. 가장 보편적인 재료는 이미 정량화된 열팽창 계수가 알려져 있고, 이를 통하여 물체의 크기가 온도의 변화에 비례해 어떻게 변화하는지 쉽게 알 수 있기 때문이다. (열팽창 계수는 누구나 쉽게 알 수 있다. 예를 들면, www.engineeringtoolbox.com, www.nde-ed.org와 같은 엔지니어링 웹 사이트에 접근하면 열팽창 계수를 간단하게 찾아 볼 수 있다.)

열팽창은 크게 네 가지 범주로 나눠볼 수 있다. ▲선형 팽창 ▲면적 팽창 ▲부피 팽창 ▲음의 열팽창 (NTE)이 바로 그것이다. 이 가운데 NTE는 모든 경우에 발생할 수 있으며, 온도가 상승함에 따라 수축하는 재료의 특성이다. 이들 열팽창의 범주는 온도가 증가하거나 감소할 때 재료가 어떻게 변하는지를 나타내며, 열팽창 시 모든 치수가 같은 비율로 증가한다는 점에 유의해야 한다.

일반적으로 NTE 현상은 특정 온도 범위에서 관찰된다. 예를 들어 입방 지르코늄 텅스텐 산염은 0.3~1050K(-459.13 ~ 1430.33F)의 매우 넓은 온도 범위에서 연속적으로 수축하는 특이한 물질이로 꼽힌다. 또한 NTE 범주를 지닌 물질들은 일반적으로 제품 제조에 사용되지 않고 있다. 하지만 잠재적인 엔지니어링, 광자, 전자 구조 응용 가능성을 지니고 있다.