Mn계 합금을 이용한 영구자석의 특성에 관한 연구

Abstract

영구자석은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 소재로 널리 사용되고 있다. 이러한 분야에서의 영구자석은 재료가 가지는 자기적 특성인 포화자화, 자기이방성, 큐리온도 등의 특성이 요구되며, 이러한 자기적 특성은 재료 및 미세구조에 의해 조절이 가능한 것으로 알려져 있다. 이중 희토류계 영구자석이 현재 개발되어 있는 영구자석 중 가장 큰 최대 자기 에너지적 (BH)max을 가지며, 에너지 변환소재 분야에 주로 사용되고 있다. 하지만 최근 이산화탄소의 저감에 대한 환경적 관심이 증가함에 따라 친환경 자동차 및 발전기 등에 관한 관심이 높아지면서, 이에 따라 영구자석을 이용한 소형모터의 관심이 증가하였다. 이러한 소형모터의 경우, 크기는 작고 우수한 자기적 특성을 가지는 재료가 요구 되는데, 주로 적용하는 재료는 페라이트계 와 희토류계 영구자석을 사용한다. 페라이트 영구자석의 경우 낮은 재료 가격의 특징이 있지만 최대 자기 에너지적이 낮아 모터 구현 시 모터의 크기를 증가 시키는 원인이 되며, 희토류 영구자석의 경우 최대 자기 에너지적이 높아 소형화에는 유리 하지만 가격 및 열적 안정성에서의 문제가 나타나고 있다. 또한 최근 중국에서의 희토류 파동으로 인해 저희토류 내지는 비희토류계 영구자석의 개발에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 이중 Mn계 영구자석이 희토류계 영구자석의 대체 자석으로서 관심을 받고 있다. Mn계 영구자석의 경우 Mn 합금을 통하여 Mn원자 간의 원자 간격을 조절하여 강자성 커플링을 증가 시켜 영구자석의 특성을 얻는다. 이와 같은 Mn계 영구자석의 합금 중 Mn-Al 과 Mn-Bi이 높은 자기이방성 상수(107 erg/cm3) 와 높은 보자력(Hc >10 kOe)을 가지는 재료로서 알려져 있다. 또한 이론적 최대자기 에너지적 역시 10-15 MGOe를 가진다. 이는 확실히 비희토류계 영구자석으로서 잠재력을 가지고 있으며, 이에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 MnBi 영구 자석을 개발하기 위해 melt spinning, 열처리 공정, 볼 밀링 공정, 자장정렬, 열간성형 및 소결 공정을 이용하였다. MnBi 리본의 경우 Mn, Bi, MnBi (LTP) 상을 형성하고 있다. MnBi (LTP)상을 형성하기 위해 산소를 제어한 열처리 공정을 이용하였다. 그 결과 300℃에서 12시간 열처리한 MnBi 리본은 60 emu/g의 포화자화 값을 얻었다. 자장 정렬과 열간 소결 공정을 통해 제조된 MnBi 자석은 8.71g/cm3의 소결 밀도, 0.79의 Mr/Ms 비, 6.7 MGOe 의 (BH)max 값을 가진다. 온도가 상온에서 150℃롤 증가시, 보자력은 6.387 Oe 에서 18,540으로 증가하게 되고 최대 자기 에너지적 값의 경우 5.5 MGOe를 갖는 것을 확인 하였다. MnAl 합금의 경자성 특성을 향상시키기 위해서는 τ 상의 미세한 MnAl 분말의 제조가 필요하다. 하지만 MnAl의 τ상은 준안정 구조를 가지고 있으므로, 이를 억제하기 위해서는 급속냉각 공정 및 안정화 원소의 첨가가 필요하다. 본 연구에서는 τ-Mn54Al46-xCx (x=0, 1, 2) 분말을 제조하기 위해 melt-spinning 공정, 열처리공정, 분쇄 공정을 사용하였다. 그 결과 melt-spinning을 통해 제조된 리본의 경우 고온 상인 ε상을 형성 하였다. 그리고 450℃에서 650℃ 사이에서의 열처리 공정을 통하여 τ 상을 형성 하였다. τ상의 Mn54Al44C2 ribbons은 500℃에서 10분 열처리시 가장 높은 포화자화 값인 96.56 emu/g을 가진다. 그러나 분쇄 공정을 통하여 보자력은 3804 Oe 로 향상 하지만 포화자화 값은 60.34 emu/g 으로 감소하였다. 이와 같은 결과는 Mn계 합금 자석이 비희토류계 영구자석으로서 적용 가능함을 알수 있다.