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문제 정의
- 본 연구에서는 알니코 합금 분말에 사마리움-코발트(Sm-Co) 분말을 5～30 wt% 정도 혼합하여 잔류자속밀도와 보자력을 개선시킨 (Alnico, Sm-Co)계 본드자석을 제조하여 적산전력계와 같은 정밀 계측기의 마그네트 베어링으로서 활용 가능성을 고찰하였다. 즉, 알니코 합금과 Sm-Co 합금분말을 혼합한 자성분말을 에폭시 수지 및 결합제와 적정 배합비로 혼합하고 압축성형 방법으로 링마그네트 (ring magnet)를 제조하였으며, 계측기에 필요한 자기적 특성을 고찰하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 알니코 합금 분말에 사마리움-코발트(Sm-Co) 분말을 5～30 wt% 정도 혼합하여 잔류자속밀도와 보자력을 개선시킨 (Alnico, Sm-Co)계 본드자석을 제조하여 적산전력계와 같은 정밀 계측기의 마그네트 베어링으로서 활용 가능성을 고찰하였다. 즉, 알니코 합금과 Sm-Co 합금분말을 혼합한 자성분말을 에폭시 수지 및 결합제와 적정 배합비로 혼합하고 압축성형 방법으로 링마그네트 (ring magnet)를 제조하였으며, 계측기에 필요한 자기적 특성을 고찰하였다.
- 5 mm인 toroid 형이다. 압축성형체는 150～200℃의 온도에서 40분～1시간 동안 진공 건조오븐에서 경화처리 (curing) 하였다. 일반적으로 수지의 경화속도는 경화제의 종류와 특성에 좌우된다.
- (Alnico, Sm-Co)와 Sr-페라이트를 조합한 이종형 링마그네트는 위와 같이 제조된 일체형 (Alnico, Sm-Co) 링마그네트 위에 Sr-페라이트를 사용한 본드자석 층을 접합시켰다. Sr-페라이트 자석층은 경화제, 경화촉진제를 포함한 에폭시수지 3～4wt% 정도(페라이트 분말의 중량비에 대한)를 에폭시에 대한 중량비로 3～4배의 아세톤에 용해시켜 준비된 용액에 분말을 섞고, 24시간동안 상온에서 자연건조 시켜서 아세톤을 제거하였다.
- Sr-페라이트 자석층은 경화제, 경화촉진제를 포함한 에폭시수지 3～4wt% 정도(페라이트 분말의 중량비에 대한)를 에폭시에 대한 중량비로 3～4배의 아세톤에 용해시켜 준비된 용액에 분말을 섞고, 24시간동안 상온에서 자연건조 시켜서 아세톤을 제거하였다. 그리고 가볍게 파쇄시켜서 분말로 만든 후, 앞서 제조된 일체형 (Alnico, Sm-Co) 본드자석 층위에 놓고 프레스로 120 kg/cm2의 압력으로 압축성형한 후 건조기에서 약 170℃, 30분간 경화처리 하였다. 이때 (Alnico, Sm-Co) 본드자석 층과 Sr-페라이트 본드자석 층의 두께는 각각 약 2.
- 경화 과정을 마친 링마그네트의 자기적 특성은 B-H curve tracer (Magnet Physick)를 사용하여 자기이력곡선 (B-H hysteresis curve)을 측정함으로서 잔류자속밀도 (Br)와 보자력 (BHc), 최대자기에너지적 ((BH)max)을 구하였다. 시편의 반발공극 (반발력)은 그림 2와 같이 설계 제작된 장치를 사용하여 한 쌍의 링마그네트를 위 아래로 coupling시키고 반발력에 의한 부상 정도를 측정하였다.
- )을 구하였다. 시편의 반발공극 (반발력)은 그림 2와 같이 설계 제작된 장치를 사용하여 한 쌍의 링마그네트를 위 아래로 coupling시키고 반발력에 의한 부상 정도를 측정하였다. 링마그네트 시편은 그림 3과 같이 안쪽에 S극, 바깥쪽에 N극의 2극 착자를 시켰다.
- Sm-Co 분말의 첨가량에 따른 자기적 특성을 고찰하기 위해서 5～30 wt% Sm-Co 분말을 첨가시킨 여러 가지 알니코 링마그네트를 제조하고, 자기적 특성을 측정하였다. 그림 5는 Sm-Co 분말을 첨가시키지 않은 알니코 분말 (평균분말입자 크기: 200 ㎛)을 사용하여 제조된 링마그네트와 5 wt% Sm-Co 분말을 첨가시킨 링마그네트 시편에 대하여 측정된 B-H 감자곡선들이다.
- 그림 8은 착자전압에 따른 반발 공극을 측정한 결과이다. 본 실험에서는 링마그네트를 한 쌍으로 배열시키고 지지되는 무게를 25g으로 하였을 때의 반발되는 자계를 이용하여 부상되는 거리 (air gap)를 조사하였다. 착자 조건은 60～180 V에서 20 V씩 증가시키면서 공극 길이를 측정하였다.
- 본 실험에서는 링마그네트를 한 쌍으로 배열시키고 지지되는 무게를 25g으로 하였을 때의 반발되는 자계를 이용하여 부상되는 거리 (air gap)를 조사하였다. 착자 조건은 60～180 V에서 20 V씩 증가시키면서 공극 길이를 측정하였다. 착자전압이 증가될수록 반발공극이 증가하고 있으나, 160 V 이상에서는 공극간격이 더 이상 증가되지 않는 것으로 보아 최적의 착자전압은 140～160 V정도로 추정된다.
- 본 연구에서는 알니코 자성 분말에 Sm-Co 분말을 혼합한 분말과 에폭시 수지 및 경화제를 혼합하여 링 (toroid) 형의 본드자석을 제조하고, 정밀 계측기용 마그네트 베어링으로서의 활용에 요구되는 잔류자속밀도, 보자력, 표면자속밀도, 반발공극 등의 자기특성을 고찰하였으며, 주요 실험결과들은 아래와 같다.
대상 데이터
- 알니코 자성재료는 Al, Ni, Co, Fe를 주성분으로 하고 소량의 Cu, Ti 이 첨가된 합금으로서 1932년 일본의 미시마 (Mishima)에 의해서 발견되었다 [2,3]. 그 후, 자기적 특성을 향상시키기 위한 연구가 활발하게 진행되었고, 성분과 제조공정에 따라 알니코 2∼9로 분류되는 상용화된 제품들이 다양하게 개발되었다 [4].
- 그림 1에 (Alnico, Sm-Co) 혼합 분말을 사용하여 링마그네트를 제조하기 위한 공정도를 나타내었다. 알니코 분말은 체가름 (sieving)을 거쳐 200 ㎛의 크기로 준비하고, Sm-Co 분말은 성형밀도를 향상시키기 위해서 알니코 분말보다 작은 크기인 100 ㎛로 준비하였다. Sm-Co 분말은 알니코와의 중량비 (wt%)로 5～30 wt%의 범위에서 혼합하였다.
- 일반적으로 수지의 경화속도는 경화제의 종류와 특성에 좌우된다. 본 실험에 사용한 경화제는 디시안디아미드(dicyandiamide)계의 경화제로서 100℃ 이상에서 경화되는 고온경화제이다.
- 본 실험에서 사용된 자성분말은 알니코 8로서 EDS(energy dispersive spectroscopy)를 이용한 성분분석 결과는 표 1과 같다. 그림 4는 제조된 (Alnico, Sm-Co)/Sr-ferrite 이종형 링마그네트의 사진과 단면의 미세구조 사진이다.
성능/효과
- 그 후, 자기적 특성을 향상시키기 위한 연구가 활발하게 진행되었고, 성분과 제조공정에 따라 알니코 2∼9로 분류되는 상용화된 제품들이 다양하게 개발되었다 [4]. 특히, 자기장 중에 열처리를 함으로써 기존 알니코 2보다 자기적 특성을 3배로 크게 향상시켰고, 최대자기에너지적 값이 5.2 MGOe에 이르렀다. 또한 소량의 Ti첨가로, 잔류자속밀도는 감소하지만, 보자력이 크게 상승함이 밝혀지면서 Ti의 함량에 따라 분류된 알니코 6, 8, 9 등이 나타났다.
- 그림 5는 Sm-Co 분말을 첨가시키지 않은 알니코 분말 (평균분말입자 크기: 200 ㎛)을 사용하여 제조된 링마그네트와 5 wt% Sm-Co 분말을 첨가시킨 링마그네트 시편에 대하여 측정된 B-H 감자곡선들이다. 5 wt% Sm-Co 분말을 첨가시킨 알니코 분말로 제조된 링마그네트 (Br=3.72 kG, BHc=1.105 kOe)가 첨가시키지 않은 링마그네트 (Br=3.1 kG, BHc=1.0 kOe)보다 잔류자속밀도 (Br) 값과 보자력(BHc) 값이 각각 20%, 10%이상 크게 높아졌음을 알 수 있다.
- 그림 11은 (a) Sm-Co 분말을 첨가시키지 않은 알니코 분말과 (b) 5 wt% 첨가시킨 분말을 사용하여 제조된 링마그네트의 한쪽 표면에 Sr-ferrite 본드자석 층을 접합시킨 (Alnico, Sm-Co)/Sr-페라이트 이종형 링마그네트 시편에 대하여 측정된 B-H 감자곡선들이다. 5 wt% Sm-Co 분말을 첨가시킨 알니코 분말로 제조된 링마그네트 (Br=2.63 kG, BHc=1.08 kOe)가 첨가시키지 않은 링마그네트 (Br=2.55 kG, BHc=1.05 kOe)보다 잔류자속밀도 (Br) 값과 보자력 (BHc) 값이 약 3% 정도 높아졌음을 알 수 있다.
- 링마그네트의 착자는 160 V의 전압으로 착자되었다. 그래프로부터 알 수 있듯이 시편 표면으로부터 측정된 S극의 표면자속밀도는 10일 동안 5 Gauss 정도 (～1%)로 거의 변화가 없었고 N극의 변화는 ～30 Gauss 정도 (～4%)의 약간 감소되었다.
- (1) Sm-Co 분말이 첨가된 (Alnico, Sm-Co) 링마그네트 및 (Alnico, Sm-Co)/Sr-ferrite 이종형 링마그네트의 자기 특성이 첨가되지 않은 링마그네트보다 더 높은 잔류자속밀도 (Br)와 보자력(BHc) 값을 나타내었다.
- (2) (Alnico, Sm-Co) 링마그네트 및 (Alnico, Sm-Co)/Sr-ferrite 이종형 링마그네트의 S와 N극 표면자속밀도는 착자전압이 60 V에서 160 V까지 전압이 올라갈수록 증가하였으나 그 이상의 전압에서는 거의 증가하지 않았고, Sm-Co가 첨가되면 다극 착자의 어려운 특성 때문에 오히려 감소하였다.
- (3) (Alnico, Sm-Co) 링마그네트 및 (Alnico, Sm-Co)/Sr-ferrite 이종형 링마그네트의 착자전압에 따른 반발공극은 착자전압이 증가될수록 반발공극도 거의 비례하여 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나, Sm-Co 첨가량에 따른 반발공극의 변화는 첨가량이 증가될수록 공극간격이 감소하는 경향을 보였으며, 이는 Sm-Co 합금 첨가에 따른 표면자속밀도 감소에 기인된다.
- (4) (Alnico, Sm-Co) 링마그네트의 온도 및 습도특성을 측정한 결과, 온도 80℃와 습도 80%에서 S극의 표면자속밀도는 10일 동안 거의 변화가 없었고 N극의 변화는 약 4% 정도로 작았으며, 반발 자계로 유지되는 반발공극은 10일 동안 감소의 폭이 3% 정도로 매우 작게 나타났다.
- 05 mm (~3%) 이하로 나타났다. 이상과 같은 결과로부터 본 연구에서 제조된 (Alnico, Sm-Co) 링마그네트는 적산전력계와 같은 정밀 계측기에 사용 가능한 마그네트 베어링으로서 우수한 온도 안정성을 지녔음을 보여준다.
- Sm-Co가 첨가된 링마크네트 시편들이 첨가되지 않은 시편 [그림 11(a)]보다 높은 잔류자속밀도와 보자력 특성을 나타내고 있다. 특히 Sm-Co가 20 wt%이상 첨가되었을 경우, 첨가되지 않은 시편보다 잔류자석밀도 (Br)는 약 14%정도 증가하였고 보자력 (BHc)은 약 8%정도 상승하였다.
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