페라이트 자성 분말의 미세 구조에 따른 자성 특성

Abstract

영구 자석의 사용은 모터, 센서, 엑츄에이터를 포함하여 많은 분야에서 점차 사용이 광범위해지고 있으며, 차세대 자동차 개발에 따라서 자동차에 들어가는 소형 모터들의 사용이 점차적으로 증가하여 영구 자석의 수요가 함께 증가하고 있다. 현재 영구 자석 시장에서는 희토류와 Hexagonal 페라이트 영구 자석이 약 95%정도이상을 차지하고 있다. 이러한 영구 자석의 연구 방향은 자성 특성을 향상시키며, 가격을 감소시키는 방향으로 연구가 많이 진행되고 있다. 희토류 자석 중에서 특히 Nd2Fe14B1는 높은 자성 특성을 가지고 있어 중요한 재료로 사용된다. 하지만 Hexagonal 페라이트 (SrM, Strontium ferrite) 는 희토류 자석 (Nd2Fe14B1) 에 비해 높은 열화 온도를 가지고, 낮은 제조 공정을 가지는 장점 때문에 활발한 연구가 진행되고 있다. Strontium ferrite에 La이나 Co 원소를 치환하여 특성을 높이는 연구가 진행되어 상당한 자성 특성의 향상을 가져왔다. 하지만, 희토류 원소나 희소 원소가 첨가되어 가격 상승이 초래되므로, 다른 한편으로 원소를 첨가하지 않고 미세조직을 조절하여 자성 특성을 높이는 연구가 진행되고 있다. Strontium ferrite 영구 자석을 제조 할 때 보통 고상 합성 방법을 이용하여 몰 비대로 잘 섞은 시작 분말을 1200°C~1350°C에서 열처리 한 후에 볼 밀 과정으로 분말을 미세하게 분쇄한 후, SiO2 등의 첨가물을 넣고 다시 고온에서 소결하여 영구 자석을 제작한다. 고온에서 소결 공정은 입자들의 성장과 응집 현상을 가져와 입자 제어가 힘들다. 이러한 불균일한 성장은 자화용이 축을 유지하지 못해 자성 특성을 저하시킨다. 그래서 최근에는 저온 소결 공정에 대한 연구도 많이 진행되고 있는데, 이 방법은 입자의 불균일한 성장과 응집을 막아 자성 특성을 높일 수 있다. 그래서 저온 소결에 사용될 분말의 형상을 사전에 제어하기 위하여 다양한 분말 제조 공정에 대한 연구가 진행되고 있다. 그 중 분말 합성 과정에 염을 첨가하면 Strontium ferrite 입자 형상을 육각 판상 형으로 제조하며, 입자의 응집 현상을 제어하고, 열처리 온도를 낮출 수 있는 장점을 이용하였다. 본 연구에서는 Strontium ferrite 분말의 형상 제어를 위하여 기존의 고상 합성 방법에 염을 첨가한 후 열처리 조건을 변화하여 하소를 진행한다. 몰비, 온도, 열처리 시간, 냉각 조건 등 상 형성을 완료하고, 자성 특성을 최적화시키기 위하여 조건에 변화를 주었다. 열처리 조건에서 SrCO3와 Fe2O3가 1:5.7의 몰 비로 섞은 후 염 (NaCl) 을 시작 분말에 100 wt%로 혼합하여, 850°C에서 1시간 1050°C에서 1시간 30분 동안 열처리 하고 0°C 증류수에 급랭을 하였을 때, 가장 높은 자성 특성을 가졌다. 자성 특성은 포화 자화 (Ms) 은 72.86 emu/g, 보자력 (Hc) 은 3,536 G를 얻을 수 있었다. 그리고 미세 조직을 분석한 결과 얇은 판축이 C-축으로 되어있으며, 분말들이 전체적으로 단일 그레인으로 성장하였다. 정렬에 관한 실험 결과 낮은 외부 자장 (4 kG) 에 의해서도 고상 합성 방법은 차이가 미미한 반면, 용융염 방법에서는 형상 제어가 육각 판상 형으로 되면 정렬 시, C-축으로 정렬이 되어있어 잔류 자화 값이 17%가량 증가한 것을 확인 할 수 있었다.