연/경자성 나노 복합재료의 exchange-coupling에 대한 전산모사의 구현

Abstract

자성 재료는 크게 연자성 재료와 경자성 재료로 나누어지며, 연자성 재료는 경자성 재료와 비교하여 높은 포화 자화 값을 갖고 경자성 재료는 연자성 재료와 비교하여 높은 보자력을 갖는다. 이러한 두 재료의 특성을 동시에 갖는 nanocomposite magnet의 제조를 위해서는 연자성상과 경자성상이 수십 nm의 입자크기로 고르게 분포되어 있는 복합 자성상을 형성해야 한다고 알려져 있다. 이러한 입자 크기 및 분산도의 영향은 재료에 따라 다른 영향을 나타낸다. 따라서 원하는 재료에 대하여 입자 크기, 분산도에 따라 exchange-coupling 효과가 일어나는지 판단하기 위해서는 전산모사 과정은 필수적으로 진행되어야 한다. 본 연구에서는 연자성체와 경자성체의 교환자기력 효과를 통해 경자성체에서의 높은 보자력 값과 연자성체에서의 높은 포화 자화 값을 동시에 구현하여 기존의 재료에서 볼 수 없었던 우수한 nanocomposite magnet의 가능성 여부에 대해 판단하고자 두 가지의 전산모사를 진행하였다. 첫째, 박막형태의 모델링을 통해 박막의 두께에 따른 exchange-coupling 효과를 판별하였다. 둘째, 박막 형태의 전산모사 결과를 통해 분말의 크기를 결정하였으며, 결정된 크기를 갖는 분말 형태의 모델링을 통해 분산도에 따른 exchange-coupling 효과를 파악 하였다. 또한, nanocomposite magnet을 제조하고 그에 대한 자성 특성을 평가하였다. 전산모사 시, 교환자기력을 이용한 고 효율 복합 자성체의 구조 재발을 위하여 경자성 재료로는 Nd2Fe14B와 SmCo5를, 연자성 재료로는 Fe를 선택하였다. 이와 더불어, 분말상태에서 exchange-coupling의 구현여부의 판별을 위해 산화문제가 없으며, 사이즈의 조절이 용이하며 동시 제조가 가능한 ferrite 분말을 사용하여 실험을 진행하였다. 이때, 경자성 재료는 Ba-hexaferrite, 연자성 재료는 NiZn-ferrite를 선택하였다. Ba-hexaferrite/NiZn ferrite 복합재료 제조는 NiZn ferrite와 Ba-hexaferrite 분말을 각각 다른 방법을 통하여 제조하여 혼합하는 것과 자전 연소법을 사용하여 한 번의 하소로 Ba-hexaferrite/ NiZn-ferrite의 복합재료를 제조하는 2가지 방법으로 진행되었다. NiZn- ferrite와 Ba-hexaferrite의 혼합 및 입자 크기 제어를 위해 앞에서 언급한 2가지 방법에 대해 공통적으로 고 에너지 볼 밀링 법을 사용하였다. 본 연구에서는 Nd2Fe14B/Fe, SmCo5/Fe 2 layer 박막이 각각 5 nm, 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm의 두께로 되어 있을 때의 exchange- coupling 효과를 판별하였고, 그 결과, Nd2Fe14B/Fe, SmCo5/Fe 2 layer 박막 모두 10 nm 이하에서 kink가 없는 단일 상 형태의 자기 이력곡선을 얻을 수 있었다. 이 결과를 토대로 5nm와 10 nm 크기의 분말을 모델링하여 exchange-coupling 효과에 대한 분산도의 영향을 파악해 보았으며, 그 결과, 경자성 기지상 내에 연자성 분말이 뭉쳐있지 않고 고르게 분산되어 있을 때 단일 상 형태의 이력곡선을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 분말 공정을 통해 제조한 Ba-hexaferrite/NiZn-ferrite의 exchange- coupling magnet의 경우, 각각의 분말을 제조하여 혼합한 경우와 자전 연소법을 통하여 한 번의 하소로 제조한 경우의 자성 특성을 비교해본 결과, 그 분산도의 영향으로 인하여 자전 연소법을 통하여 한 번의 하소로 제조한 분말이 고르게 분산되어 각각의 분말을 제조, 혼합한 것보다 우수한 실험적 결과를 얻을 수 있었다. 이와 같은 현상은 경자성인 Ba-hexaferrite와 연자성인 NiZn ferrite의 입자 크기와 고르게 분산되어 spin spring exchange 기구가 실제적으로도 구현 가능함을 보여준 결과이다.