자성재료

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자성재료

2008년 5월 2일 (금) 21:49:00 | 지면 발행 ( 2008년 4월호 - 전체 보기 )

이 원고는 일본《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.자성(磁性)재료나가사키(長崎)대학_후쿠나가 히로토시나카노 마사키(中野正基)자성재료 종류와 자기 특성 평가전기·전자기기에서 자로(磁路)를 형성하는 자심(磁心) 및 자계(磁界)를 공급하는 영구자석(永久磁石)으로 자성재료(磁性材料)가 폭넓게 사용된다. 변압기 및 회전기 자심이 전자의 대표적인 예로, 여기에는 회전자의 계자(界磁)공급용 자석 등이 있다. 자심에 이용되는 자성재료를 ‘연자성(軟磁性)재료’, 영구자석에 응용되는 자성재료를 ‘경자성(硬磁性)재료’라고 하며, 이들 각각의 재료에 요구되는 자기 특성은 크게 다르다. 자성재료의 기본적인 자기 특성을 표시하는 지표로 자화와 자계의 관계를 나타내는 히스테리시스 곡선상 포화자화(飽和磁化) Is, 잔류자화(殘留磁化) Ir, 보자력(保磁力) JHC가 이용된다.(<그림 1> (a) 참조)

<그림 1>과 같이, 히스테리시스 곡선 위를 한 번 돌았을 때 자성체 내에서 발생하는 자기손실은 곡선으로 둘러싸인 면적으로 부여된다. 연자성재료에는 자기손실도 재료 특성을 나타내는 중요한 지표가 된다.자속밀도와 자계의 관계에서 유도된 잔류자속밀도 Br 및 보자력 BHC도 지표로 이용된다.(<그림 1> (b) 참조) Br 값은 Ir 값과 같아지지만 BHC는 JHC보다 작아진다. 연자성재료는 BHC와 JHC의 차이가 작지만 경자성재료는 양자 간에 큰 차이가 있다. 차이를 명확하게 하기 위해 JHC를 고유 보자력이라고 하는 경우도 있다. 연자성재료에서는 자화 값과 자속밀도 값이 거의 같기 때문에 포화자속밀도 Bs의 용어를 사용하는 경우도 있다.

투자율(透磁率) , 투자율을 진공 투자율로 뺀 비투자율 r도 자기 특성을 나타내는 지표로 이용된다. 자성체 자속밀도 BW와 자계 HW가 B-H 자표계의 제2상한(제2상한 부분을 감자곡선이라고 함)에 있을 때, 자속밀도와 자계를 곱한 절대값(그림에서 사선으로 표시된 장방형 면적)을 ‘에너지 곱’이라고 한다.(<그림 2> 참조)감자곡선 상에서 BW와 HW를 변화시키면 어느 점에서 에너지 곱이 최대가 된다. 이때 에너지 곱을 최대에너지 곱 (BH)max라고 한다. (BH)max는 자성체가 그 외부에 만드는 자기에너지의 2배를 나타내며 경자성재료를 평가하는 데에도 이용된다.연자성재료1. 연자성재료에 필요한 특성연자성재료는 외부 자계에 의해 그 자화 방향이 쉽게 변하는 재료이다. 연자성재료에는 고(高)포화자화와 함께 저(低)보자력·고(高)투자율로 저(低)자기손실이 요구된다. 자로의 자기포화를 피하기 위해 고포화자화가 요구되며 저보자력·고투자율은 작은 인가자계에서 큰 자속밀도를 얻기 때문에 필요한 것이다. 만약 이와는 반대로 고보자력·저투자율 재료를 변압기 철심에 이용하면 자화전류가 증가하여 변압기 동손이 증가하게 된다. 또 자계를 변화시켜 사용하는 변압기 등에서는 철손제어의 측면에서 저자기손실 재료를 이용할 필요가 있다.저보자력·고투자율을 달성하기 위해 필요한 재료의 이론 특성은 ‘자기이방성(磁氣異方成)’과 ‘자기변형’이 적어야 한다는 것이다. 따라서 연자성재료의 개발 역사는 ‘자기이방성’ 및 ‘자기변형’ 저감의 역사라고 할 수 있다.2. 대표적인 연자성재료여기에서는 비교적 포화자화가 높은 연자성재료에 대해 소개한다.⑴ 전자(電磁)강판(대)고포화자화 연자성재료를 대표하는 것으로 Fe와 Si 합금을 압연(壓延)하여 판 모양 또는 띠 모양으로 만든 규소강판(대)이 있다. 이는 변압기 및 회전기의 철심에 폭넓게 쓰이며, 전자강판(대)라는 용어를 사용하기도 한다.

<표 1>과 같이, 자기이방성 정수는 Si량과 함께 감소하며 포화자기 변형도 고(高) Si 영역에서는 Si량과 함께 감소한다. 이에 따라 Si량이 증가하면서 연자성이 개선되지만 포화자화도 감소하게 된다.Si를 6.5wt.% 포함한 재료까지가 실용으로 사용될 수 있으며, 이 재료에서 포화자기 변형은 거의 0이 된다.전자강판(대)에는 압연의 과정으로 결정방위를 갖춘 ‘방향성 전자강판(대)’와 결정방위가 무질서한 ‘무방향성 전자강판(대)’가 있다. 전자는 자화용이축(자화되기 쉬운 방향)이 압연방향에 있으므로 이 방향에 자화될 경우 우수한 자기 특성이 달성된다. 따라서 교번 자계가 인가되는 용도에 적합하며 전력용 변압기 철심 등에 이용된다. 후자는 자화방향에 의한 자기 특성 차이가 작기 때문에 강판 속 인가자계방향이 다르거나 회전 자계가 인가되는 용도로 이용된다. 회전기 철심이 그 예이다.① 방향성 전자강판(대)

변압기 철심에 이용되는 방향성 전자강판(대)을 자화용이축 방향으로 자화하면 무방향성에 비해 고투자율, 저보자력, 저손실이다. 이 재료를 변압기 철심으로 응용하려고 한다면 저손실이어야 할 필요가 있다. 레이저 조사(照射) 및 플라즈마 제트 조사에 의한 자구제어(磁區制御)는 손실 저감에 크게 기여한다. 또한 결정입방위 개선(자속밀도 증가, 자구 구조제어), 판 두께 저감(맴돌이전류 손실 제어), Si 함유량 증가, 결정입경 제어 등 각종 저손실화 기술이 개발되어 왔다. <그림 3>에는 이런 방법에 의한 손실 저감 효과 예를 나타내었다. 전자강판은 철 표면부에 산화층이 존재하고 이 층과 철의 계면은 요철이 있는 상태가 된다. 이 요철은 자화변화에 필요한 자벽 이동을 어렵게 한다. 이러한 자벽이동 장해 개소는 자벽 피닝사이트(Pinning Site)라고 불리며 철손 증가의 한 원인이 된다. 따라서 제조공정에서 열처리(燒鈍)분리재로 이용하는 MgO 대신 Al2O3을 이용하여, 산화층을 만들지 않고 계면을 평활화하여 피닝사이트를 제거하는 기술이 개발되었다. 이로 인해 W17/50(자속밀도 진폭 1.7T, 주파수 50㎐에서의 자기손실)이 0.1W/㎏ 정도 저감되었다. 또한 결정방위의 혼란을 억제하여 환류자구와 같은 불필요한 자구를 억제함에 따라 0.1W/㎏ 정도 W17/50 저감이 이루어진다. 판 두께가 얇아지는 것은 맴돌이전류 손실 저감에 효과적이다. 판 두께를 0.23㎜에서 0.15㎜으로 줄이면 W17/50이 0.2W/㎏ 정도로 더욱 저감되어 0.35W/㎏의 철손값(鐵損値)이 실현된다.

<표 2>는 현재 시판 중인 0.23㎜ 두께의 방향성 전자강판 특성 예를 나타낸 것이다. 또한 일본 공업 규격 JIS에서는 ‘JIS C 2553 방향성 규소강대’로 방향성 전자강판대의 전기특성이 규정된다. 2방향성(내면 2방향에 자화용이축이 있음) 규소강판 연구도 진행되고 있지만 실용에는 이르지 못했다.② 무방향성 전자강판(대)

무방향성 전자강판(대)에서는 결정방위가 한 방향이 아니기 때문에 강판의 면내에서는 자화방향에 의한 자기 특성 차이가 적다. 무방향성 전자강판(대)를 대표적으로 응용한 것이 회전기 철심인데, 여기에서 철심은 상용 주파수가 넘는 주파수 자계에 노출되는 경우도 있기 때문에 고자속밀도가 달성되면서 동시에 고주파수 하에서도 손실이 적어야 한다. 그 때문에 Si량 증가, 용강고순도화(溶鋼高純度化), 결정의 집합 조직제어, 강판면 산화제어 등에 의해 특성을 개선시키고 있다. 무방향성 전자강판 특성의 예를 <그림 4>로 나타내었다. JIS의 규격을 상회하는 재료가 개발되고 있는 것을 알 수 있다.판 두께가 얇아지면 맴돌이전류 손실을 줄이는 데 효과적이다. 그 때문에 0.15㎜ 두께, 0.20㎜ 두께와 같은 얇은 무방향 전자강판의 개발도 진행 중에 있으며 도달 자속밀도를 잃지 않고 400㎐에서의 손실을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.JIS에서는 ‘JIS C 2552 무방향선 전자강대’로 무방향성 전자강대의 자기 특성을 규정하고 있다.⑵ 그 외 고포화자화를 가지는 연자성재료① Fe계 비정질박대(非晶質博帶)결정 자기이방성을 가지지 않는 비정질(非晶質) 자성재료는 뛰어난 연(軟)자기 특성을 실현한다. 그 중에서도 Fe를 주성분으로 하는 철계(鐵系) 비정질재료는 자기 변형은 커도 자기손실이 작고 포화자화가 비교적 크기 때문에 전력용 및 고주파 영역용 재료로서 응용된다. <표 3>에는 철계 비정질재료의 자기 특성 예를 나타내었다. 표에서 재료는 용융금속을 급냉시켜 얻은 두께 20~30㎛ 정도의 박대상(薄帶相 : 얇은 띠 모양) 재료다. Fe-B-Si계 재료는 상용주파수에서, Fe-B-Si-Cr계 재료는 수 10㎑ 영역의 주파수에서 사용되는 경우가 많다. 최근 포화자화 1.64T, W13/50값 0.063W/g의 재료 개발이 진행 중에 있다.② 나노결정 재료결정방위가 갖추어지지 않아 결정 간 입간 상호작용이 일어나는 재료에서는 등가(等價)한 자기이방성이 저하된다. 이런 작용은 결정입경 D가 10㎚ 정도까지 미세화되면 현저해진다. 이 영역에서는 보자력이 D6에 비례한다는 것이 밝혀져 Fe-Si-Cu-Nb-B계에서 최초로 우수한 연자성이 달성되었다. 이 재료는 비정질박대를 결정화시켜 얻은 것으로 정(正)의 자기변형을 가진 Fe계 비정질부와 부의 자기변형을 가진 Fe-Si계 미세결정을 혼재시켜 등가적 자기변형값을 작은 값으로 억제한다. 그러나 다량의 비자성원소를 함유하기 때문에 그 포화자화는 1.5T 정도였다. 이러한 관점에서 포화자화를 증가시키는 연구도 진행되고 있다. <표 4>에 고포화자화 나노 결정재료의 특성 예를 나타내었다.

③ 압분자심 재료최근 압분자심 재료에 대한 관심이 높아지고 있다. 자기 특성이 우수한 압분자심재의 새로운 개발과 함께 온간성형법(溫間成形法) 및 금형윤활성형법(金型潤滑成形法) 등의 고밀도 성형 기술이 개발되어 전자강판에 가까운 특성을 나타냈다. 모터 등의 리사이클성에 압분자심이 효과적이라는 사실이 압분자심재가 주목 받고 있는 주된 이유다. 압분 재료는 각각의 분말이 절연되어 있기 때문에 맴돌이전류 손실을 억제할 수 있으므로 고주파에서 사용할 때 효과적이다. 한편 상용주파수에서 자기손실은 규소강판에 비해 크다. 또 전자강판과 동등 이상의 자속밀도를 얻기 위해서는 제품 밀도를 증가시켜 단위체적 중 자성입자의 수를 증가시켜야 한다. 무방향성 전자강판에 필적하는 자속밀도(1.6T)를 얻으려면 제품밀도는 7.5Mg/㎥ 이상이 필요하다. 경자성재료1. 경자성재료에 필요한 특성경자성재료는 인가자계에 대해서 자화 방향이 변화하지 않는 재료로 그 주 용도는 자석이다. 경자성재료에 필요한 특성을 자기적 제량으로 표현하면 잔류자화가 크다는 것(외부로 고자계를 만들기 위해서)과 보자력이 크다는 것(외부자계에 의해 자화가 반응하여 운전하지 않도록 하기 위해)이다. 이 두 가지 조건은 반드시 양립하지 않은 경우가 있다. 즉, ‘보자력은 크지만 잔류자화는 적다’든지 반대로 ‘잔류자화는 크지만 보자력은 적다’는 경우가 일어날 수 있다. 그래서 잔류자화 및 보자력의 크기를 종합한 평가 지표가 필요하다. 이런 지표로 최대 에너지 곱이 이용된다. 또한 고(高)잔류자화, 고(高)보자력을 달성하기 위해 재료가 갖추어야 하는 물리적 특성은 ‘포화자화’와 ‘자기이방성’이 커야 한다는 것이다. 그 때문에 고(高)자성재료의 개발 역사는 ‘포화자화’ 및 ‘자기이방성’을 향상시키는 역사이기도 했다.2. 대표적인 경자성재료경자성재료는 비(非)희토류금속계 재료, 페라이트(Ferrite)계 재료 및 희토류계 재료로 크게 구분된다. 이 중 가장 고성능 재료는 희토류계 재료이다. 희토류원소(원자번호 57번인 La부터 71번인 Lu까지의 원소)에서 자성을 담당하는 4f 전자는 그 외측에 있는 5s, 5p, 5d, 6s 전자에 의해 보호되어 그 궤도각운동량이 남기 때문에 거대한 자기이방성이 발생한다. 희토류금속은 그 퀴리온도가 낮기 때문에 단체에서 자석재료로 이용하는 것은 어렵다. 경자성재료로 이용되는 것은 희토류금속 원소와 3d 천이금속의 합금이다.

경자성재료로 사용되는 대표적인 희토류합금에는 SmCo5계, Sm2Co17계, Nd2Fe14B계, Sm2Fe17N3계 등이 있다. 이런 합금을 주성분으로 제작한 자석을 희토류자석이라고 한다. <표 5>는 앞서 언급한 합금의 기본 자기 특성을 나타낸 것이다. 표에서 이론 (BH)max는 최대에너지 곱의 이론 상한값이다. 희토류자석의 보자력은 충분히 높기 때문에 가장 고포화자화를 가진 Nd2Fe14B에서 최고 (BH)max를 얻을 수 있다. 현재 실험을 통해 얻은 (BH)max값은 이미 460kJ/㎥가 넘어 한계치에 가깝다.

Nd-Fe-B 자석은 그 뛰어난 경자기 특성 때문에 회전기 등으로 용도가 급속하게 넓어졌다. 그러나 Nd2Fe14B합금의 퀴리온도가 313℃로 낮기 때문에 고온에서는 보자력이 급격히 저하된다는 결점을 가지고 있다. 따라서 200℃ 정도까지 고보자력이 요구되는 EV(Electric Vehicle)로의 응용에는 Nd의 일부를 Dy(Dy2Fe14B : 포화자화 0.71T)로 치환하여 보자력을 증가시키는 방법을 취할 수 있다. 이것은 Dy2Fe14B의 등가 이방성자계(자기이방성 크기를 자계 규모로 표시한 값. 보자력과 직접 관계되는 물리량)가 Nd2Fe14B 2배 이상인 것을 이용한 것이다. <그림 5>에 Nd-Fe-B 소결자석(이방성자석)의 특성 예를 나타냈다.Nd를 Dy로 치환하는 것은 보자력 증가 및 고온 특성 개선에 효과적이지만, Nd2Fe14B 포화자화가 작기 때문에 실온에서의 (BH)max값은 노화된다. 또 Dy가 고갈될 염려도 크다. 따라서 Dy량도 억제하면서 Nd-Fe-B계 자석의 보자력을 증가시키는 방법으로 자계 중 프로세싱 및 Dy 결정입표면에서 확산 기술이 연구 중이다.Nd2Fe14B보다 우수한 차세대 재료로 나노콤포지트 자석이 기대된다. 나노콤포지트 자석은 나노미터·오더(Order)의 경·연자성결정으로 구성되는 복합재료로 교환 스프링 자석으로 불리기도 한다. 희토류 자석의 보자력은 충분히 높기 때문에 포화자화 증가는 그 성능 개선으로 이어진다. 나노콤포지트 자석은 경자성재료의 고(高)자기이방성과 연자성재료의 고(高)포화자화의 특징을 효과적으로 이용할 수 있는 자석이다.나노콤포지트 자석에서 연자성 형태의 자화반전(磁化反轉)은 결정입계를 통해 상호·교환 작용에 의해 억제된다. 따라서 결정의 체적에 대한 표면적의 비가 커지고 결정입경이 작은 재료에서 나노콤포지트 자석을 얻을 수 있는 가능성이 있다. 계산기 시뮬레이션 및 실험에서 Nd2Fe14B자석은 결정입경이 대략 5~50㎚의 오더가 될 경우 나노콤포지트 자석이 실현될 것으로 예상된다.

<표 6>에 등방성(等方性) 나노콤포지트 자석의 자기 특성 예를 나타냈다. 200kJ/㎥가 넘는 (BH)max값이 달성되지만 계산기 시뮬레이션으로 표시되는 전위(Potential)에 비하면 여전히 작은 값에 그치고 만다. Nd-Fe-B계 소결자석이 넘는 최대 에너지 곱을 가진 나노콤포지트 자석을 얻기 위해서는 자석의 이방화(異方化)가 필요하다. 이방성 나노콤포지트 자석의 연구도 진행 중인데, 현재로는 Nd-Fe-B계 소결자석이 넘는 자석은 얻을 수 없다.마무리여기에서는 자성재료 가운데 철심재료로 쓰이는 연자성재료와 자석의 재료가 되는 경자성재료에 대한 최근 동향을 언급하면서 연자성재료로는 포화자화가 높은 재료에 대해서, 경자성재료로는 (BH)max가 큰 희토류재료에 대해서 설명했다. 이 외에 생산량이 많은 재료로 페라이트 자성재료가 있다. Fe, Mn, Zn 산화물을 주성분으로 하는 Mn-Zn계 스피넬 페라이트는 고주파에서 사용되는 연자성재료로 전자기기에 폭넓게 사용된다. Ba, Sr, Fe 산화물을 주성분으로 하는 마그네트 플럼바이트 페라이트는 저렴한 가격의 자석재로로 폭넓게 이용된다.