나노 연/경자성 복합체를 이용한 영구자석의 특성에 관한 연구

Abstract

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 자장이 인가되지 않아도 지속적으로 자성 특성을 나타내는 영구 자석은 그 활용도가 매우 높다. 특히, 최대 자기적 (energy product) 이 높은 희토류 (rare-earth) 자석이 개발된 후 이를 중심으로 영구자석 개발 및 응용분야가 지속적으로 확대되었다. 최근 에너지 절감, 부품의 소형화 및 고성능화에 따라 기존의 전자석 응용분야 역시 영구 자석으로 대체되고 있는 추세이다. 또한, 그린에너지, 탄소 배출 저감에 대한 인식이 증가되고 있으며 이에 부합하는 부품 수요 역시 증가하고 있다. 특히, 하이브리드 자동차와 같은 친환경 차량 시장이 급속한 증가 추세에 있고, 화석 연료를 통한 발전으로 생기는 환경오염 문제의 개선을 위한 풍력 발전 등의 지속 가능한 에너지 자원을 활용한 발전 분야도 급속한 시장 규모 확대가 이루어지고 있다. 이들은 에너지 변환재료인 자성재료의 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 시간이 지남에 따라 수요는 더욱 급증할 것을 나타낸다. 현재 주로 사용되고 있는 희토류 자석은 고효율을 가지고 있지만 원소의 희소성, 자원의 편재성에 따라 원자재의 단가가 높으며, 수급에 있어서도 원활하지 않다는 단점을 가지고 있다. 그리하여 희토류 자석을 대체하기 위한 새로운 자석 개발의 필요성이 대두되며, exchange-coupling 이라 부르는 현상을 이용한 영구 자석의 개발이 제안되었다. Exchange-coupling 자석은 나노 구조를 갖는 연자성상과 경자성상을 고르게 분포시킨 뒤 각 상간의 계면에서 exchange-coupling을 유도하여 각 상의 장점을 동시에 나타내고자 한 자석이다. 본 연구에서는 exchange-coupling을 이용한 영구자석을 제조하기 위하여, 연자성 상으로는 Fe 및 Fe-Al 나노 분말을 사용하였고, 경자성 상으로는 Ba-ferrite 및 Ba-Al ferrite를 사용하였다. 연자성 및 경자성 상을 나노 분말의 형태로 각각 제조하였으며, 이들의 혼합 및 치밀화를 통해 exchange-coupling을 유도하였다. 제조된 연자성상은 Fe 나노 분말이며 포화 자화값 약 160 emu/g, 입자크기 약 38 nm를 가지며, 경자성상은 Ba-ferrite로써 5,000 Oe 이상의 보자력, 입자크기 약 100 nm 를 갖는다. 이때 경자성상인 Ba-ferrite는 3가지의 다른 방법으로 준비되었는데, 각각 Ba-ferrite 상을 형성하기 위한 하소 공정단계에서 아무 처리를 하지 않은 일반적 방법, 염욕 하소를 통해 분산도를 높이는 방법 및 하소 공정 전 전구체의 기계적 밀링을 실시하여 입자의 균질화를 유도한 방법이다. 기계적 밀링을 통해 하소 후 생성되는 경자성 분말의 입자크기를 균질화한 시편의 경우 가장 큰 보자력을 나타내었으나 분말들은 응집체를 형성하며 분리가 용이하지 않은 문제점을 가지고 있었다. 일반적인 방법으로 제조된 분말 역시 응집체를 형성하였고, 입자들을 각각 분리하기는 용이하지 않았다. 그러나 염욕을 사용하여 하소를 한 분말의 경우 보자력은 가장 작은 값을 나타내나, 입자의 분산면에 있어서는 장점을 가지고 있었다. 나노 복합체는 각각 제조된 연자성 Fe 나노 분말과 경자성 Ba-ferrite 나노 분말을 무게비 Ba : Fe = 95 ~ 70 : 5 ~ 30 으로 혼합하여 준비되었다. 혼합한 분말은 건조 후, 2,000 MPa 하에서 성형되었으며, 성형체는 이론밀도의 약 60 ~ 70%에 해당하는 밀도를 나타내었다. 제조된 나노 복합체의 자성 특성은 VSM을 통해 측정하였으며, 포화 자화값의 경우 혼합 비율에 따라 Fe의 비율이 높을수록 증가하는 경향을 나타내며, 보자력은 Ba의 혼합 비율이 높을수록 큰 값을 가짐을 알 수 있었다. 나노 복합체의 자성 특성으로부터 혼합상태에서는 exchange-coupling 특성이 나타나지 않았으나, 성형체에서는 exchange-coupling특성이 나타남을 확인하였다. 특히, 염욕을 사용하여 하소한 Ba-ferrite를 사용하여 나노 복합체를 제조한 경우 exchange-coupling특성이 잘 나타남을 보여주었다. 이를 통해 Ba-ferrite 및 Fe로 나노 복합체를 구성하여 exchange-coupling 자석이 제조될 수 있음을 확인하였다.|Magnetic materials have been applied to various fields due to their energy convertible property between electrical and mechanical energy. Particularly, permanent magnets have been currently attracted much attention because they produce external magnetic field without any electrical current. Research area of the permanent magnets has been continuously expanded from ferrites to rare-earth magnets. In recent, the permanent magnets have been attracted much attention for energy saving, miniaturization, high performance of devices, the awareness of green energy and the reduction of carbon dioxide gas. Particularly, the market of eco-friendly and recycling energy (e.g. wind generating) have been rapidly increased. This results in strong current demand of magnetic materials, and continuous increase in future. For high efficiency, the demand of rare-earth magnets has been continuously increased, which abruptly raised the price and caused the supply difficult of rare-earth materials. Therefore, the development of permanent magnets with less or without rare-earth elements becomes an urgent issue. To overcome this problem, exchange-coupling magnets are considered as one of new permanent magnet candidates. The exchange-coupling magnet is consisted of nano-structured soft and hard magnet that caused the exchange-coupling effect soft and hard phases. In this study, Fe and Fe-Al was used as soft magnetic phase, and Ba- and BaAl-ferrites were used as hard magnetic phase. Fe and Ba-ferrite nanoparticles were fabricated, and then the mixing and densification processes of them were conducted for achieving the exchange-coupling effect. The fabricated Fe nanoparticles should a saturation magnetization of ~160 emu/g and a particles size of ~ 38 nm. The Ba-ferrite particles had a coercivity of over 5,000 Oe and a particle size of ~ 100 nm. In this study, the Ba-ferrite particles were prepared 3-different type, e.g, normal type, salt-matrix type and mechanical milling type. The mechanical milling type Ba-ferrite had the maximum coercivity. However, the normal type and the milling type nanoparticles formed agglomerated structures. The salt-matrix type Ba-ferrite nanoparticles had the minimum coercivity, but were well dispersed due to processing merit. Nano-composite magnets has been fabricated by mechanical mixing with different ratio (Ba-ferrite : Fe = 95 ~ 70 wt% : 5 ~ 30 wt%) of Fe nanoparticles and Ba-ferrite nanoparticles. The mixed powders were compacted in 2,000 MPa. The density of compacted powders reached 60 ~ 70% theoretical values. The saturation magnetization of the compacted powders was increased with Fe contents increasing, but the coercivity decreased. The exchange-coupling effect was not found in mixed nano-composite powders, of which magnetic hysteresis loop had kink. However, the kink disappeared in the compacted nano-composite powders. Particularly, the exchange-coupling effect was clearly observed in compacted nano-composite powders using salt-matrix type Ba-ferrites. These results indicate that exchange-coupling magnets could be fabricated using Ba-ferrite and Fe nanoparticles.; Magnetic materials have been applied to various fields due to their energy convertible property between electrical and mechanical energy. Particularly, permanent magnets have been currently attracted much attention because they produce external magnetic field without any electrical current. Research area of the permanent magnets has been continuously expanded from ferrites to rare-earth magnets. In recent, the permanent magnets have been attracted much attention for energy saving, miniaturization, high performance of devices, the awareness of green energy and the reduction of carbon dioxide gas. Particularly, the market of eco-friendly and recycling energy (e.g. wind generating) have been rapidly increased. This results in strong current demand of magnetic materials, and continuous increase in future. For high efficiency, the demand of rare-earth magnets has been continuously increased, which abruptly raised the price and caused the supply difficult of rare-earth materials. Therefore, the development of permanent magnets with less or without rare-earth elements becomes an urgent issue. To overcome this problem, exchange-coupling magnets are considered as one of new permanent magnet candidates. The exchange-coupling magnet is consisted of nano-structured soft and hard magnet that caused the exchange-coupling effect soft and hard phases. In this study, Fe and Fe-Al was used as soft magnetic phase, and Ba- and BaAl-ferrites were used as hard magnetic phase. Fe and Ba-ferrite nanoparticles were fabricated, and then the mixing and densification processes of them were conducted for achieving the exchange-coupling effect. The fabricated Fe nanoparticles should a saturation magnetization of ~160 emu/g and a particles size of ~ 38 nm. The Ba-ferrite particles had a coercivity of over 5,000 Oe and a particle size of ~ 100 nm. In this study, the Ba-ferrite particles were prepared 3-different type, e.g, normal type, salt-matrix type and mechanical milling type. The mechanical milling type Ba-ferrite had the maximum coercivity. However, the normal type and the milling type nanoparticles formed agglomerated structures. The salt-matrix type Ba-ferrite nanoparticles had the minimum coercivity, but were well dispersed due to processing merit. Nano-composite magnets has been fabricated by mechanical mixing with different ratio (Ba-ferrite : Fe = 95 ~ 70 wt% : 5 ~ 30 wt%) of Fe nanoparticles and Ba-ferrite nanoparticles. The mixed powders were compacted in 2,000 MPa. The density of compacted powders reached 60 ~ 70% theoretical values. The saturation magnetization of the compacted powders was increased with Fe contents increasing, but the coercivity decreased. The exchange-coupling effect was not found in mixed nano-composite powders, of which magnetic hysteresis loop had kink. However, the kink disappeared in the compacted nano-composite powders. Particularly, the exchange-coupling effect was clearly observed in compacted nano-composite powders using salt-matrix type Ba-ferrites. These results indicate that exchange-coupling magnets could be fabricated using Ba-ferrite and Fe nanoparticles.