[논문]Ferrite 영구 자석 동향

김종렬

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문제 정의

5). 다음과 같은 new grade의 페라이트를 연구 개발하기 위해 기본적인 페라이트의 특성 및 연구 개발 동향을 알아 보자.
또한 TDK에서는 물을 용매로 한 경우에도 배향도를 높힐 수 있는 방법을 개발하여 본 재질의 특성을 더욱 개선하였다. 그 결과 올레인산과 유사한 기본 골격을 지니면서도 구조 중에 수산기를 다량 함유하는 글루콘산과 같은 물질의 첨가가 유용한 것을 발견하고 이 시스템을 적용하였다.
이러한 배경하에 본고에서는 고특성의 페라이트 영구 자석 소재 개발을 위해 필요한 기술 및 동향을 간단히 소개 하고자 한다.

제안 방법

또한 TDK에서는 물을 용매로 한 경우에도 배향도를 높힐 수 있는 방법을 개발하여 본 재질의 특성을 더욱 개선하였다. 그 결과 올레인산과 유사한 기본 골격을 지니면서도 구조 중에 수산기를 다량 함유하는 글루콘산과 같은 물질의 첨가가 유용한 것을 발견하고 이 시스템을 적용하였다.
그러나, 차량전장용 DC 모터를 비롯하여 모터의 소형 · 경량화 요구가 점점 강해져, 자석의 박형화가 요구되었으며 TDK는 12-grade를 바탕으로 고밀도 충진법을 도입해1.0~2.5 mm 두께의 고성능 박형 이방성 페라이트 자석의 양산기술 확립 및 FB13B, FB14H를 개발 · 제품화하였다
5. 영구 자석 grade별 모터 체적 비교.
그러나 주위 이온들에 의하여 이 전자 구조는 어느 정도 흐트러져서 일부 전자가 짧은 시간 동안 이웃한 이온으로 옮겨지게 되는데 이러한 현상을 양자론에서는 superexchange of state라고 부른다. 이 원리를 산화물에 적용해 보면 산소 이온의 가장 낮은 에너지 상태는 ground state O^2-과 적기는 하지만 O^1-, 중성 O 원자의 superposition이 되는데 이러한 많은 종류의 exited states 중에서 magnetic interaction을 설명할 수 있는 경우만을 고려하였다. 산소로부터 떨어져 나온 전자는 주위에 있는 금속이온으로 들어가는데 이 경우 금속이온 내에서 spin들과의 사이에서강한 exchange interaction이 일어난다.

데이터처리

Nd계 본드 자석과 신공법 페라이트 자석을 적용한 모터 크기 비교.

성능/효과

즉 모터 설계 시에 저온 감자로 인한 특성 저하를 고려하여 안전 인자를 상대적으로 크게 할 필요가 있었다. 그러나 La와 Co가 첨가된 재질의 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 H_c의 온도 계수가 작기 때문에 저온에서의 감자 방지 설계가 용이하며 따라서 본 재질은 모터 용도에 최적이라고 할 수 있다. 모터에 응용할 경우 종래 제품에 비해 평균적으로 자석 면적으로는 7% 감소, 자석 두께로는 19% 감소가 가능하여 결국 자석 부피로는 25% 감소가 이루어져 모터의 소형화를 실현할 수 있게 되었다.
그러나 La와 Co가 첨가된 재질의 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 H_c의 온도 계수가 작기 때문에 저온에서의 감자 방지 설계가 용이하며 따라서 본 재질은 모터 용도에 최적이라고 할 수 있다. 모터에 응용할 경우 종래 제품에 비해 평균적으로 자석 면적으로는 7% 감소, 자석 두께로는 19% 감소가 가능하여 결국 자석 부피로는 25% 감소가 이루어져 모터의 소형화를 실현할 수 있게 되었다. 향후 수요 확대가 예상되는 전동 power steering motor와 현재 권선식의 starter motor의 자석화가 진행되고 있는 자기포화도가 낮은 다극 모터 (4-8극)용 자석에 특히 적합한 재료라고 할 수 있다.
Co는 여러 3d 천이 금속 이온 중에서 예외적으로 커다란 자기 모멘트를 가지고 있어 자기 이방성 향상에 기여한 것으로 평가되고 있다. 여러가지 실험의 결과 Sr의 일부를 La로 치환하고 Fe의 일부를 Co로 치환한 조성인 (Sr_1-xLa_xFe_12-yCo_y)에서 특히 x=0.3~0.4, y=0.3 근처에서 B_r과 H_c가 모두 향상되고 있는 것을 발표하고 있다(Fig. 8).
페라이트 자석의 자기특성 향상으로 모터의 체적이 감소되더라도 모터의 출력은 동일하게 유지 될 수 있다. 즉 모터의 출력이 동일한 조건에서 모터 체적은 자석의 grade에 따라 감소하며 6-grade 대비 9 grade는 85~90%, 12-12-grade는75~80%, New-grade는 68~73%로 약 30% 체적이 감소와 약 60%의 무게 감소가 가능하여 모터 제조 원가가 절감 및 제품 경량화에도 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다(Table 1, Fig. 5). 다음과 같은 new grade의 페라이트를 연구 개발하기 위해 기본적인 페라이트의 특성 및 연구 개발 동향을 알아 보자.

후속연구

3 ㎛ 정도로 할 필요가 있으며 이를 위해서는 단순히 분쇄 공정의 관리만이 아닌 원료 ~ 하소 공정의 관리도 중요하게 된다. 그리고 나노 수준의 입내 격자 결함과 입계 구조는 특히 보자력에 영향을 준다고 생각되므로 고성능화를 위해서는 이들을 잘 제어하는 방안을 연구할 필요가 있다.
또한 페라이트 영구 자석 소재는 산화물이기 때문에 화학적으로 매우 안정하여 고온의 사용 환경에서도 산화와 같은 문제를 고려할 필요가 없어 희토류 영구 자석과 비교하여 비교적 단순한 표면처리만 필요하다. 또한 희토류계 자석과는 반대로 고온 측에서 보자력, H_c가 증가하므로 감자의 염려가 없어 고온용 분야에서 많이 사용되고 있기 때문에 고특성을 통하여 그 응용분야가 더욱 확대될 것 이다(Fig. 3).
이러한 페라이트 영구 자석 소재는 희토류 영구 자석 소재에 비해 소재비가 월등히 낮기 때문에 하이브리드 자동차, 전기 자동차의 구동 모터와 같은 특수한 분야 외에 향후 지속적으로 적용되어 그 수요가 증가할 것으로 예상된다. 또한 페라이트 영구 자석 소재는 산화물이기 때문에 화학적으로 매우 안정하여 고온의 사용 환경에서도 산화와 같은 문제를 고려할 필요가 없어 희토류 영구 자석과 비교하여 비교적 단순한 표면처리만 필요하다.
이를 극복하기 위해서는 국내에서 산발적으로 이루어졌던 신조성 합금설계기술, 입자 형상 정밀제어기술, 배향도 극대화 성형기술, 고밀도 정밀 소결 기술 등에 대한 연구가 산 학 연의 연구 개발 네트워크가 이루어져야 할 것이다. 이러한 고특성 페라이트 자성 소재의 개발은 친환경 자동차뿐만 아니라 가전기기, 산업용 로봇, 신재생 에너지 분야에서 핵심 전략소재로 활용되기 때문에 기술 개발에 따른 산업적 파급 효과가 클 것으로 예측된다.
이와 같은 페라이트 자석은 희토류 자석을 일부 대체할 수 있는 최고 성능의 페라이트 자석으로의 연구가 진행 되어야 하며 소형화 경량화 고기능화 복합화 추세에 따라 그 시장이 향후 크게 확대될 것이다.
향후 수요 확대가 예상되는 전동 power steering motor와 현재 권선식의 starter motor의 자석화가 진행되고 있는 자기포화도가 낮은 다극 모터 (4-8극)용 자석에 특히 적합한 재료라고 할 수 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

페라이트 자석이란 무엇인가?

페라이트 (Hard Ferrite) 자석은 재료의 자기적인 특성이 자장의 방향과 크기에 따라 쉽게 변화되지 않는 재료로서 일반적으로 영구 자석이라고 알려져 있으며 산화철을 주성분으로 하는 세라믹 제품을 말한다. Fe2O3는 무게비로 약 85~90%를 차지하며 마그네토 플럼바이트형의 결정 구조를 갖는 화합물로 나머지 금속 성분에 따라 바륨 페라이트, 스트론튬 페라이트 등으로 구분된다.

Sm-Co 자석의 특징은?

영구 자석의 성능은 1960년대 후반부터 최초의 희토류 자석인 Sm-Co 자석의 등장에 의해 크게 도약하였다. Sm-Co 자석은 미국의 공군연구소에서 1968년에 발명되었으며, 희토류-천이금속의 자기적 결합력을 이용한 자석으로서 페라이트 또는 알리코 자석의 보다 5-10배 우수한 성능을 발휘하였다. 한편, 1983년 일본의 사가와 등에 의해 Sm-Co 자석을 구성하는 주성분인 Sm, Co 보다 상대적으로 저렴한 Nd, Fe, B 원소를 활용한 새로운 개념의 희토류 자석이 발명되었는데, 이들 Nd계 희토류 자석은 가격뿐만 아니라 성능측면에서도 종전의 Sm계 희토류 자석 보다 높은 향상을 도모한 획기적인 발명이었다.

자동차의 전장화로 인한 모터 사용량 증가에서 주로 사용되는 자석은 어떠한 자석들인가?

최근 생산되는 자동차는 전장화로 인해 모터의 사용량이 늘어나 1대당 50~60개가 사용되며, 고급차종에는 100개 이상의 자석이 사용된다. 여기에는 이방성 페라이트 영구 자석과 함께 Nd계 희토류 영구 자석이 많이 사용되고 있다.

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