[논문]나노 연/경자성 분말 재료를 이용한 Exchange-coupling 자석의 제조 기술

김종렬; 조상근; 전광원

doi:10.4283/jkms.2011.21.6.225

나노 연/경자성 분말 재료를 이용한 Exchange-coupling 자석의 제조 기술
Development of Exchange-coupling Magnets Using Soft/hard Nanoparticles 원문보기

韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, v.21 no.6, 2011년, pp.225 - 230

김종렬 (한양대학교 재료공학과) , 조상근 (한양대학교 재료공학과) , 전광원 (한양대학교 재료공학과)

초록
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자성 재료는 전기적 에너지와 기계적 에너지간 상호 전환 가능한 특성을 가지고 있기 때문에 발전 및 모터 분야 등에 널리 적용되고 있다. 그 중에서도 모터 분야의 효율성 향상을 위해서 외부의 자장 없이도 지속적으로 자성 특성을 나타내는 영구 자석은 그 활용도가 매우 높다. 특히, 영구 자석은 최대 자기적이 높은 희토류 자석이 개발된 후 이를 중심으로 개발 및 응용분야가 지속적으로 확대되었다. 그러나, 최근 모터의 용도가 확대되는 추이에 따라서 회토류 자석의 사용이 증대됨에 따라서 희토류 원자재 수급 문제에 봉착하여 이를 해결하기 위해 희토류 저감 및 대체 자석에 대한 연구 분야가 중요한 이슈가 되고 있다. 본 보고서에서는 현재 사용 되고 있는 영구 자석에 대해 설명하고 이를 대체할 수 있는 기술 중 가능성이 높은 방법으로써 exchange-coupling 현상을 이용한 영구 자석 개발 기술에 대해 기술하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Magnetic materials has been applied to various fields due to their energy convertible properties between electrical and mechanical energy. Particularly, permanent magnets have been currently attracted much attention because they produce external magnetic field without any electrical current. For high efficiency, a demand for permanent magnets containing rare earth elements has been continuously increased, which abruptly raises the price and causes the supply difficulty of rare earth materials. Therefore, the development of permanent magnets with less or without rare earth elements become a urgent issue. In this report, the current trend and major issues on high efficiency permanent magnets, particularly exchange-coupling magnets, are discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 보고서에서는 현재 진행되고 있는 영구 자석 분야의 연구 동향과 exchange-coupling 현상을 이용하여 실제 모터 분야에 사용할 수 있는 자석 개발의 가능성 및 방법론에 대한 고찰과 이를 활용한 현재까지의 연구 결과를 요약, 보고하고자 한다.
희토류 저감 및 대체를 위해서는 높은 최대 자기 에너지적을 얻을 수 있는 exchange-coupling 현상을 이용하는 것이 매우 효과적이기 때문에 희토류계 자석에서도 exchange-coupling을 이용하여 효율을 높이고 있으며, 희토류 대체 분야에서도 exchange-coupling을 통한 영구 자석 제조를 진행하고 있다. 본 연구진에서는 희토류 대체를 목적으로 페라이트계 나노 입자를 통해 exchange-coupling의 가능성을 확인하였으며, 특성 향상을 위해 경자성 재료의 보자력을 높이는 연구와 높은 포화 자화값을 갖는 나노 크기의 연자성 입자 제조 연구를 진행하였다. 이로부터 나노 입자를 통한 exchange-coupling 자석의 제조가 가능할 것으로 판단되며, 이를 위한 연구를 지속적으로 진행하고 있다.
하지만 페라이트의 특성상 낮은 포화 자화값과 희토류 자석에 비해 상대적으로 작은 보자력을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 본 연구진에서는 기존 사용한 Ba-hexaferrite의 보자력 증대를 위해 비자성 원소의 치환을 통한 연구를 진행하였고, 포화 자화값이 높은 Fe 계열의 연자성 나노 입자를 제조하기 위한 연구를 진행하였다[26, 27]. Ba-hexaferrite에 Al을 치환시켜 보자력을 치환시키지 않았을 때의 약 5,000 Oe로부터 약 7,600 Oe까지 증가시켰다.

제안 방법

Zeng의 2002년 보고 역시 나노 입자에서 exchange-coupling 효과를 가질 수 있음을 나타내었다[13]. 이 연구결과는 FePt/Fe₃Pt의 나노복합체로 이루어져 있으며, 자기 조립(self-assembly)을 통해 연자성상과 경자성상을 매우 고르게 분포시킨 뒤 열처리를 통해 약 3 nm의 결정립을 갖는 시편을 제조하였다. 또한, 나노복합체 제조시 사용한 나노 입자의 크기에 따른 자기 조립 정도에 대한 연구 결과도 포함하고 있다.

대상 데이터

Fullerton에 의해 1999년 보고된 바에 의하면, 연/경자성 복합 구조를 박막형태로 제조한 시편에서 연자성상의 두께에 따라 최대 자기 에너지적의 변화가 있고 최대 자기 에너지적을 극대화 하기 위한 임계크기가 존재함을 알 수 있다. 시편은 경자성 재료로써 SmCo를 사용하였고, 45 nm의 두께를 갖도록 박막으로 증착한다. SmCo 박막 위에 연자성 재료로 Co를 사용하여 10~40 nm 두께로 증착한 뒤 최대 자기 에너지적의 변화를 확인하였는데 Co의 두께가 10 nm 일때 최대 자기에너지적은 약 14 MGOe를 가짐을 보여주었다.
또한, 제조된 Bahexaferrite 분말은 약 50 nm 크기를 가짐을 확인하였다[26]. 연자성 상으로는 포화 자화값이 큰 Fe를 선택하였고, 대기 중에서도 산화 방지가 가능한 분말을 제조하였다[27]. 이는 나노 입자 제조 시 수 wt%의 Al을 첨가한 뒤 Fe-oxide를 제조하고, 수소 환원 공정을 통해 Fe로 환원 시 입자의 표면을 FeAl-oxide가 감싸는 core/shell 형태의 구조를 얻어 산화 방지가 가능하게 하였다.
본 연구진에서 2007년 발표한 결과를 통해 페라이트계열의 나노 분말을 이용하여 exchange-coupling이 가능함을 보였다[10]. 연자성상으로는 NiZn ferrite를 사용하고, 경자성상으로는 Ba-hexaferrite를 사용하였다. 연자성 및 경자성상을 각각 나노 크기를 갖는 입자로 만들기 위하여 자전 연소법을 사용하여 제조하였다.

이론/모형

연자성상으로는 NiZn ferrite를 사용하고, 경자성상으로는 Ba-hexaferrite를 사용하였다. 연자성 및 경자성상을 각각 나노 크기를 갖는 입자로 만들기 위하여 자전 연소법을 사용하여 제조하였다. 자전 연소법은 비교적 간단한 공정으로 세라믹 계열의 나노 입자를 제조하기에 적합한 방법이다.

성능/효과

시편은 경자성 재료로써 SmCo를 사용하였고, 45 nm의 두께를 갖도록 박막으로 증착한다. SmCo 박막 위에 연자성 재료로 Co를 사용하여 10~40 nm 두께로 증착한 뒤 최대 자기 에너지적의 변화를 확인하였는데 Co의 두께가 10 nm 일때 최대 자기에너지적은 약 14 MGOe를 가짐을 보여주었다. 이 결과는 Co를 증착하지 않은 SmCo만의 약 11 MGOe에 비해 약 30 % 정도 증가된 결과이며, Co의 두께가 10 nm 이상이 되면 최대 자기 에너지적은 선형적으로 감소함을 보여주었다.
또한, 희토류 원소를 사용하여 영구 자석을 제조한 경우 벌크화에는 용이하지만 지속적으로 언급한 바와 같이 가격적 문제 및 회토류 원소 수급의 문제를 피할 수 없는 것이 현실이다. 본 연구진에서 페라이트 나노 입자를 통하여 exchange-coupling의 가능성을 확인한 결과는 사용한 재료 자체의 원가가 매우 낮은 페라이트 계열이라는 장점과 나노 입자를 통해 coupling을 얻었기 때문에 적용분야가 매우 넓으며 벌크화가 가능하다는 장점도 동시에 가지고 있다.
SmCo 박막 위에 연자성 재료로 Co를 사용하여 10~40 nm 두께로 증착한 뒤 최대 자기 에너지적의 변화를 확인하였는데 Co의 두께가 10 nm 일때 최대 자기에너지적은 약 14 MGOe를 가짐을 보여주었다. 이 결과는 Co를 증착하지 않은 SmCo만의 약 11 MGOe에 비해 약 30 % 정도 증가된 결과이며, Co의 두께가 10 nm 이상이 되면 최대 자기 에너지적은 선형적으로 감소함을 보여주었다. Fig.
Hou의 2007년에 발표된 논문에서는 SmCo5/Fe의 나노복합체를 환원 열처리 공정을 통해 제조하고 Fe의 첨가량에 따른 보자력의 변화에 대해 보고하였다[8]. 이 연구 결과에서 주목할 부분은 기존 희토류 원소를 사용한 연구에서 보여지는 melt-spinning 형태와 exchange-coupling 효과를 나타내기에 용이한 박막 구조가 아닌 나노 입자로부터 exchange-coupling 효과를 얻었다는 것이다. 경자성상인 SmCo₅는 염형태의 시약으로부터 제조되고, 연자성상인 Fe를 얻기 위해 Fe-oxide 분말을 제조하여 차후 환원 공정을 통해 Fe를 형성하는 단계를 거치게 되었다.
그러나 연자성상 및 경자성상을 각각 따로 제조하여 혼합한 경우 연자성상과 경자성상이 균질한 배열을 하지 못하여 exchange-coupling을 얻지 못하였다. 이를 극복하기 위해 연자성상과 경자성상의 나노 입자를 동시에 연소반응을 통해 나노입자를 제조하였고, 자성특성 측정결과 exchange-coupling 효과가 나타남을 확인하였다. Fig.

후속연구

특히, 하이브리드 자동차와 같은 친환경 차량 시장이 급속한 증가 추세에 있고, 화석연료를 통한 발전으로 생기는 환경오염 문제의 개선을 위한 풍력 발전 등의 지속 가능한 에너지 자원을 활용한 발전 분야도 급속히 시장 규모가 확대되고 있다. 이는 에너지 변환재료인 자성재료의 수요가 지속적으로 증가되고 있으며 향후 더욱 더 그 필요성이 증대될 것이라는 사실을 나타내고 있으며, 이 중에서도 전술한 바와 같이 고효율 영구자석의 수요는 매우 높을 것이라는 예측을 가능하게 해준다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자성 재료가 발전 및 모터 분야 등에 널리 적용되고 있는 이유는 무엇인가?	자성 재료는 전기적 에너지와 기계적 에너지간 상호 전환 가능한 특성을 가지고 있기 때문에 발전 및 모터 분야 등에 널리 적용되고 있다. 그 중에서도 모터 분야의 효율성 향상을 위해서 외부의 자장 없이도 지속적으로 자성 특성을 나타내는 영구 자석은 그 활용도가 매우 높다.
	희토류계 자석의 단점은?	희토류계 자석의 경우 고효율을 가짐에도 불구하고 사용되는 원소의 희소성 및 자원 편재성으로 인해 기존의 Ferrite, AlNiCo 등의 자석에 비해 고가이며, 수급에 있어서도 원활치 않은 단점을 가지고 있다. 그리하여, 희토류계 자석을 대체하기 위한 새로운 자석 개발의 필요성이 대두되고 있으며, 이에 대한 이론적 개념은 1991년 E.
	영구 자석이 자화 이후 외부의 자장을 제거하여도 지속적인 자기적 특성을 나타내며, 이름과 같이 영구적인 자성 특성을 갖는 이유는 어떤 특성때문인가?	영구 자석은 자성 재료 중 경자성 재료로 분류 되며, 일반적으로 높은 보자력과 비교적 낮은 포화자화 값을 갖는 특성을 가지고 있다. 높은 보자력을 갖는 특성으로 인해 자화 이후 외부의 자장을 제거하여도 지속적인 자기적 특성을 나타내며, 이름과 같이 영구적인 자성 특성을 나타낸다. 이러한 외부로의 지속적인 자력선 발산으로 인하여 영구 자석은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 효율적으로 바꿀 수 있으며, 이를 활용한 액츄에이터, 모터, 센서 등의 부품에 널리 적용되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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