페라이트 기반 복합 영구 자석의 특성에 관한 연구

Abstract

영구자석은 일상 생활에 중요한 역할을 하고 있으며, 최근에는 전기적 에너지를 운동 에너지로, 운동 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있는 특성을 활용하여 자기 액추에이터, 모터, 발전기와 같은 에너지 변환 소재에 폭 넓게 사용되고 있다. 따라서, 에너지 절감, 부품의 소형화 및 고성능화에 따라 영구자석의 활용도는 점차 증대될 것으로 기대되고 있다. 최근, 그린에너지와 이산화 탄소 가스 배출 감소에 대한 의식이 증대됨에 따라 풍력 발전소용 발전기와 친환경 자동차용 모터의 고효율화에 대한 요구도 급속히 증대되고 있다. 게다가, 화석 연료를 통해 생기는 환경 오염을 감소시키거나 방지하기 위하여 친환경 관련 시장이 지속적으로 성장할 것으로 예상된다. 이러한 추세를 통하여 자성 소재에 대한 수요가 지속적으로 증대될 것으로 예상할 수 있다. 이러한 자성 소재 중에서도 고특성 및 고효율 영구자석에 대한 필요성이 특히 더 증가될 것으로 예상된다. 현존하는 자성 소재 가운데, 큰 보자력, 높은 큐리 온도, 높은 화학적 안정성, 우수한 내식성을 지니는 M-type의 육각 ferrite (strontium ferrite, SrFe12O19)에 관한 연구가 오래 지속되어왔다. Strontium ferrite의 특성을 향상하기 위해서는 입자의 크기와 형태가 중요한 요소로 작용하고, 이를 조절하여 strontium ferrite의 자성특성을 향상시키고자 하는 연구가 많은 연구자에 의해 진행되었다. 본 연구에서는 salt-assisted ultrasonic spray pyrolysis (SA-USP) 방법을 이용하여 약 700 nm의 크기를 지니는 육각 판상형의 strontium ferrite를 제조하였고, 하소 공정 중의 응집을 제한하여 보자력을 향상시킬 수 있었다. NaCl가 염으로 사용되었으며, 초기 반응 분말은 1,050°C에서 2시간 동안 다양한 유속의 산소 분위기에서 하소를 진행하였다. 산소의 유속이 증가할수록 제조된 strontium ferrite의 포화자화값이 62 emu/g에서 71 emu/g으로 증가하였고, 보자력은 약 6,000 Oe을 나타내었다. 이렇게 제조된 strontium ferrite를 약 10 kOe의 자장 내에서 정렬하였을 경우, 잔류자화값은 포화자화값의 91.85%까지 증가하였다. 제조된 strontium ferrite를 소결하기 위하여 다양한 조성의 소결 조제와 분산제를 사용하였고, 최적의 자성 특성을 얻기 위하여 소결 조제의 조성을 조절하였다. Cr2O3, SiO2, and CaCO3가 소결 조제로 사용되었으며, 분산제로는 polycarbonate가 사용되었다. Strontium ferrie와 소결 조제, 분산제의 질량비를 1:0.018:0.01로 하여 자장 내에서 정렬과 소결을 진행한 strontium ferrite의 포화자화값과 보자력은 67.426 emu/g과 4,708 Oe로 나타났다. 또한 이 strontium ferrite 자석의 소결 밀도는 이론 밀도의 약 96.72%의 높은 밀도를 갖는 5.01 g/cm3로 측정되었다. 또한, 소결된 strontium ferrite의 잔류자화값을 향상시키기 위하여 층상 구조의 복합 자석에 관해 연구를 진행하였다. 이를 위해 strontium ferrite와 AlNiCo를 이용하였고, 층상 구조에서의 잔류자화값의 변화를 확인하였다. AlNiCo 층의 두께를 조절하여 층상 구조의 복합 자석의 자성 특성 변화를 관측하였으며, 그 결과, 5 wt%의 AlNiCo가 첨가된 복합 자석에서 잔류자화값은 4.13 kG에서 4.32 kG로, 최대자기에너지적은 3.90 MGOe에서 4.23 MGOe로 증가됨을 확인하였다.